Нежелательные звуки: история технологии шумоподавления

В 1978 году правительство США обратилось к компании, специализирующейся на звуке, с необычным предложением: требовалось разработать особую технологию, которая позволяла бы пилотам самолетов и астронавтам NASA беспрепятственно общаться с наземными командами и другими пилотами, и при этом не слышать на фоне громкий рев реактивных или ракетных двигателей. Появившаяся в результате разработка нашла применение не только в авиации и космонавтике; с 1986 года она стала применяться в шлемофонах у военных, а затем и в продуктах массового потребления.

Сегодня эта технология, известная как система шумоподавления, используется в различных наушниках различных конструкций. Благодаря ей люди могут слушать музыку, подкасты и другой контент, не отвлекаясь на посторонние звуки и нежелательные внешние шумы.

Возможности звуковых волн

Даже обычные наушники в какой-то степени снижают уровень внешнего шума, но абсолютной блокировки с такими устройствами можно достичь только, закрыв полностью уши. Чтобы лучше понимать процесс улавливания и фильтрации звуков, который является ключевым для технологии шумоподавления, необходимо сначала разобраться в том, как работают звуковые волны, и как они передаются в ухо.

Звуковые волны создаются механическими колебаниями, которые распространяются в пространстве и улавливаются ухом. Как известно, в космосе мы не можем слышать звук, и причина тому – отсутствие воздуха, который служит средой для распространения звуковых волн, когда мы разговариваем.

Механизмы шумоподавления используют уникальные характеристики звуковых волн и той среды, по которой они распространяются. Существует два подхода: первый называется активным шумоподавлением (Active Noise Canceling, ANC), когда устройство создает собственные похожие на внешний шум звуковые волны, компенсирующие нежелательные звуки. Второй подход – пассивное шумоподавление (Passive Noise Canceling, PNC) – наушники блокируют попадание внешнего шума в ухо, ограничивая среду, через которую распространяются и доставляются звуковые волны.

Считается, что самый эффективный инструмент для огранки алмаза – это другой алмаз. Точно так же и звуковые волны можно компенсировать или даже полностью подавлять другими звуковыми волнами. Как и морские волны, звуковые имеют пики (самая высокая точка) и впадины (самая низкая точка). Когда звуковые волны с одинаковым расстоянием от пика до впадины приходят с разных направлений и сталкиваются друг с другом, соответствующие пики и впадины сталкиваются, при этом результирующая звуковая волна практически исчезает.

Системы активного шумоподавления используют этот принцип интерференции для подавления нежелательных звуков еще до того, как они достигнут ваших ушей. Звуки извне собираются через направленный вовне микрофон, установленный внутри наушника. Устройство использует собственные схемы для анализа этих звуков, а затем воспроизводит их для создания звуковых волн, которые похожи на внешние шумы, но в «перевернутом» виде, в противофазе. Благодаря этому процессу наушники гасят нежелательные звуковые волны, прежде чем они достигнут ваших ушей.

Поскольку системы активного шумоподавления используют собранный звук и реагирует на него, опираясь на анализ этого внешнего шума, процесс шумоподавления осуществляется постоянно и непрерывно. Если наушник улавливает звук, похожий на шум, который он проанализировал ранее, в нужное время будет генерироваться «отзеркалированная» волна, что позволит устраняющая нежелательный шум. Вот почему эта технология компенсации шумов очень эффективна в местах с постоянным фоновым шумом, например, в самолете или загруженном метро. С другой стороны, активные системы шумоподавления могут быть менее эффективными в случаях, когда внешние звуки случайны и их труднее предсказать.

Системы активного шумоподавления более эффективно подавляют звуки низких частот, чем звуки высокого тона. Системе требуется время для анализа внешних шумов, и эта потенциальная временная задержка может повлиять на то, насколько хорошо она компенсирует внешний звук и сколько внешнего шума будет слышать пользователь. Другими словами, нежелательные внешние звуки могут появляться быстрее, чем система шумоподавления сможет их подавить. В случае басов, то есть звуков низкой частоты, которые имеют относительно большую длину волны, промежуток между гребнем и впадиной тоже большой, поэтому небольшое отставание во времени смещения не повлияет на качество шумоподавления. Однако звуки высокого тона с короткими длинами волн имеют более короткий промежуток между гребнем и впадиной, а это означает, что даже небольшая задержка может затруднить правильное сопоставление сигналов системой активного шумоподавления, что приведет к снижению производительности шумоподавления».

Пассивное шумоподавление

Когда мы слышим звук, который нам неприятен, мы в большинстве случаев закрываем уши руками, потому что это самый простой способ заглушить шум. Звуковые волны достигают ушей, распространяясь по воздуху, и звук не может должным образом проникнуть в ухо, если на его пути возникают препятствия. Это также объясняет, почему сложно разговаривать под водой, ведь она является препятствием между источником звука и ушами человека.

По сути, в этом и заключается принцип работы пассивного шумоподавления. Наушники с поддержкой пассивного шумоподавления предназначены для физического блокирования шума, закрывая ухо от окружающей среды или используя пористый материал, поглощающий звук. Наушники с накладками, закрывающими все ухо, и наушники-вкладыши, полностью закрывающие вход в ухо, являются одними из лучших примеров технологии пассивного шумоподавления.

В отличие от систем активного шумоподавления, где необходимы микрофоны и схемы, анализирующие звуковые волны для компенсации нежелательных шумов, наушники с пассивным шумоподавлением довольно просты в изготовлении, что делает их дешевле, чем устройства с активным шумоподавлением. Более того, если наушники с пассивным шумоподавлением идеально совпадают с формой вашего уха, они могут почти полностью блокировать внешние шумы, что делает их более эффективными на практике. Однако, поскольку подобные модели вставляются прямо в ушной канал, некоторые пользователи находят такие наушники неудобными в использовании.

Безопасность превыше всего

В конечном итоге, когда дело доходит до удаления лишних звуков и шумов, значение имеет не только выбранный метод шумоподавления, но и форма самих наушников. До сих пор большинство наушников с шумоподавлением имели канальный тип, так как при такой форме звук приходит прямо в ухо по сравнению с наушниками открытого типа, которые оставляют больше места вокруг уха и, следовательно, менее эффективны при шумоподавлении. Наушники открытого типа редко оснащались технологиями шумоподавления, но, представив Galaxy Buds Live, Samsung расширила возможности для пользователей, применив технологию активного шумоподавления (ANC) в беспроводных наушников открытого типа.

Несмотря на то, что технологии шумоподавления позволяют полностью погрузиться в музыку или лучше сосредоточиться на аудиокниге, они также могут представлять опасность, если полностью изолируют все происходящее вокруг. При ношении наушников с технологией шумоподавления трудно распознать опасную ситуацию, поскольку такие устройства блокируют все окружающие звуки. Громкость внутри наушников может достигать значения 70-80 дБ SPL¹, что сопоставимо со звуковым давлением при работе автомобильного звукового сигнала, но поскольку звук из наушников намного ближе к пользователю, он может просто не услышать внешние шумы. Вдобавок к этому, использование технологии активного шумоподавления дополнительно снижает внешний шум примерно на 30 дБ, сохраняя при этом звук в наушниках на уровне от 70 до 80 дБ SPL, что еще больше затрудняет нашу способность распознать опасность на слух.

Слушая музыку в наушниках с шумоподавлением, пользователи должны заботиться о собственной безопасности. Для прослушивания в помещении наушники с эффективным шумоподавлением – отличный выбор. Однако во время занятий на свежем воздухе, например, на пробежке, следует всегда помнить о своем окружении и выбирать наушники с разумным уровнем шумоподавления, позволяющим оставаться в курсе происходящего вокруг.

Модель Galaxy Buds Live оснащена функцией активного шумоподавления (ANC) для открытого типа наушников, позволяющей приглушать отвлекающие звуки, например, от проезжающих автомобилей и громких бытовых приборов, и при этом сохранять ясную слышимость важных объявлений и разговоров.

1 Децибел (дБ) – это изначально относительная единица измерения, представляющая разницу между уровнем базового измерения и сравниваемой величиной. В контексте звука величина в 0 дБ определяется как самый низкий уровень звука, который может слышать человек, и используется в качестве абсолютной меры (dB spl = дБ + уровень звукового давления (sound pressure level, «spl»)). Другими словами, дБ может использоваться как для выражения разницы между громкостью разговаривающих людей и громкостью звука автомобильного сигнала, так и для выражения абсолютного значения громкости звука автомобильного сигнала, но последнем случае просто опускают обозначение «spl».