Прогресс в области микромеханики и микроэлектроники привел к тому, что сегодня активное подавление шумов в наушниках уже является не экзотикой, а вполне доступной функцией.
Если вы слушаете музыку в дороге – на борту самолета, в метро, в такси, автобусе, трамвае или же на производстве с постоянным шумом или даже грохотом, то по достоинству оцените то облегчение, которое вам обеспечивает «шумодав».
Сегодня активное шумоподавление стали добавлять чуть ли не в каждые наушники – бюджетные, не бюджетные, полноразмерные, закрытые и накладные внутриканальные и т.д....
Но, как оказалось, не все системы активного подавления шумов созданы равными – проблема выбора самых лучших наушников осложняется ожесточенной конкуренцией на этом массовом рынке.
Действительно, хорошая реализация алгоритмов ANC (Active Noise Cancelling) обходится недешево. Не зря поколения моделей у ведущих фирм меняются почти каждые пару лет, и каждый раз разработчики объявляют о повышении производительности встроенных цифровых процессоров сигналов, увеличении числа микрофонов и усложнении динамиков, воспроизводящих звук.
Дело в том, что процесс подавления шума выглядит просто только при самом примитивном, «пальцевом» объяснении. Как работает технология активного шумоподавления (рис. 1)? Внешний микрофон перехватывает окружающий шум, который нужно подавить, система ANC быстро инвертирует его, подает на усилитель вместе с музыкальным сигналом и создает звуковую волну с той же амплитудой, но в противофазе. Шум внутри наушника и его зеркальная копия накладываются и подавляют друг друга, создавая в результате "тишину".
Внимательный читатель сразу заметит, что шум, пришедший на наружный, вынесенный микрофон и шум, проникший через чашку (амбушюр) закрытых наушников – это два разных звуковых колебания. Поэтому в старших моделях наушников сегодня ставят по шесть и более микрофонов для улучшенного шумоподавления и безупречного качества телефонных звонков. Кроме того, миниатюрные микрофоны (особенно во внутриканальных наушниках) не могут уловить весь диапазон звуковых частот. О простом инвертировании сигнала и подмешивании его на вход встроенного усилителя здесь уже речь не идет – используются все более сложные алгоритмы. Процессор должен успеть рассчитать сигнал для подавления шума за то время, пока звуковая волна проходит расстояние от микрофонов до диффузора динамика в ухе. Если для солидных закрытых наушников оно составляет 1-2 см, то это около 30 микросекунд. Современные микропроцессоры успешно справляются с этой задачей, с одним «но» - если она для них не слишком сложная.
Иногда, несведущие слушатели предлагают «гениальное» (по их мнению) решение задачи шумоподавления – «… а давайте запишем типичный шум в вагоне метро, зеркально перевернем его и вычтем из того, что лезет в наши уши». Заманчиво просто, но на самом деле нам нужен не «типичный шум», а конкретная реализация шумового сигнала на заданном отрезке времени. Если же из случайного сигнала (например, гауссовского) вычесть другой случайный сигнал, то в результате мы получим шум в корень из двух раз больше (в 1.41).
Несовпадение шумового и корректирующего сигнала приводит к тому, что коррекция затрагивает сам полезный музыкальный сигнал. В результате страдает качество воспроизведения. До сих пор можно было отметить следующую закономерность: чем тщательнее «вычищается» шум, тем больший урон наносится музыке. Возникает вопрос, а можно ли вообще разделить два звуковых потока, которые уже смешались? Если характер мешающего шума предельно простой (например, одно синусоидальное колебание назойливой частоты), его легко можно «вычистить» режекторным фильтром. Если шум более сложный (как от двигателей в салоне самолета), то можно проанализировать его спектральный состав с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ) и тоже подавить его – подобно тому, как при сжатии аудио в МР3 процессор отбрасывает «лишние» частоты, маскируемые более сильными составляющими. Но как это сказывается на качестве музыки – все давно уже знают.
Если характер шума меняется со временем, вместо статичных фильтров используют адаптивные. На помощь приходит искусственный интеллект, и такие фильтры способны перестраиваться в зависимости от внешних шумов и их интенсивности. Они анализируют приходящую звуковую волну и оперативно подстраиваются под окружающую обстановку.
На искусственный интеллект в последнее время возлагают большие надежды. Уже сейчас нейронные сети распознают лица гораздо быстрее и точнее людей с их 16 миллиардами нейронов в мозге. Некоторые фирмы уже взялись обучать глубокие нейронные сети (DNN — Deep Neural Network) подавлению шумов. Так, например, компания BubbleLabs подошла к обучению нейросети просто: взяла кучу записей различных шумов и образцы чистой речи, смешала их и заставила нейросеть это чистить. А в качестве образца показывала чистые записи голосов. В итоге, на выходе получился алгоритм, который они назвали Clear Cloud. Вскоре Clear Cloud стал частью платформы для конференц-связи - Webex. И в итоге получился самый крутой алгоритм улучшения речи (согласно опросам), работающий в потребительском продукте.
Но эти успехи – в области улучшения речи. А что же насчет музыки? Во многих случаях шумоподавление в наушниках оказалось «палкой о двух концах» - чем тщательнее «вычищается» шум, тем больший урон наносится музыке.
В качестве примера рассмотрим диаграмму работы одного из представителей наушников с шумоподавлением.
На графике розовая линия – результат пассивного шумоподавления, когда наушники просто вставлены. Голубая - это уже активное шумоподавление (ANC) с включенными алгоритмами. Шумоподавление измеряется в децибелах, и для простоты можно считать так: на каждые 10 дБ внешний шум гасится примерно в 2 раза. Видно, что в районе 100 Гц внешний шум гасится ANC почти в 8 раз, а в районе 6 кГц более чем в 32 раза (на графике не поместилось).
Что это означает для меломана, слушающего музыку в наушниках и не имеющего понятия о спектрах и децибелах? Избавление от большей части шумов и заметное облегчение за счет снижения нагрузки на слух. Однако, если остановить музыку и не выключать ANC, то вы услышите другие шумы – как результат работы системы шумоподавления - вследствие рассогласования корректирующего сигнала и того, что попадает во внешний микрофон. Образно говоря, та «метла», которая выметает шумы и помехи, машет шире, чем надо, и может заодно подчистить и музыкальный сигнал.
Во многих других наушниках предусмотрена еще одна функция, которая есть и у TWS, и в полноразмерных моделях - адаптивное шумоподавление. В режиме реального времени наушники постоянно "исследуют" окружающий вас шум: автобус, метро, самолет или вы идете по многолюдной улице с большим дорожным движением - в зависимости от сценария у вас автоматически будет выбираться разное шумоподавление. У других производителей вы должны сами решать, какую степень шумоподавления выбрать: слабую (Light), среднюю (Midle) или сильную (Strong).
Подходы к степени и качеству шумоизоляции у компаний могут быть разными в зависимости от философии бренда. Если вернуться к приведенному выше графику с одной из моделей Sony, то мы видим, что фирма применяет алгоритмы, которые очень интенсивно подавляют шумы и компенсирует неизбежные потери в музыкальном материале дополнительной обработкой звука. В результате слушатель получает почти звуконепроницаемый «кокон», который эффективно отгораживает его от шумного окружения, но выдает подчеркнуто приукрашенное звучание, которое, по мнению, отдельных экспертов, порой может звучать несколько искусственно, хотя и эффектно.
Другой подход к активному шумоподавлению (ANC), к примеру, можно найти у британской компании Bowers & Wilkins. Она, прежде всего, нацелена на высокое качество звука, подчеркнуто меломанское воспроизведение и максимальное сохранение исходных деталей. И бренд не готов жертвовать этим ради 100% звуковой изоляции. Поэтому инженеры нашли между этими требованиями удачный компромисс. Шумоподавление у наушников очень достойно выполняет свою работу при бережном отношении к исходному материалу и минимально сказывается на качестве воспроизведения музыки.
Как пример можно привести обзор наушников в британском журнале T3, в котором автор особенно подчеркнул такой подход у бренда.
Вот пара выдержек из этой статьи:
«Px7 S2 действительно проходят по тонкой грани, когда дело доходит до активного шумоподавления (ANC): по сравнению с многими конкурентами, оно не особенно мощное. Тем не менее, в нужные моменты этот режим очень эффективен; и я надевал эти наушники во время 7-часового ночного перелета, чтобы немного поспать, и теперь могу с уверенностью сказать вам, что разница между включенным и отключенным ANC существенна, когда речь заходит о том, чтобы избежать звуковых помех, типичных для самолетов типа 777. Так что я благодарен им за это».
«Я думаю, что компания Bowers & Wilkins давно говорила о своем подходе к ANC - что она не хочет перегибать палку. Эти наушники призваны обеспечить четкость и чистоту звука hi-fi, поэтому повышение уровня ANC до n-й степени повлияло бы на качество звучания - а это совсем не то, чем гордится этот бренд».
С полным переводом вы можете ознакомиться по ссылке.
В любом случае, каждый решает сам, какой подход ему ближе - свои сторонники есть у обеих концепций. И хорошо, что у слушателей в наше время есть возможность опробовать различные наушники в салонах дилеров и сделать свой персональный выбор.
Подписывайтесь на наш канал в Telegram