Як навушники в минулому рятували від зовнішніх шумів?

Навушники, які закривають вуха так, що ні чорта не чути, з'явилися не вчора, і навіть не позавчора. За службовим обов'язком багатьом людям потрібно повне відсторонення від навколишнього світу, щоб ідеально чути те, що відбувається в навушниках. Наприклад, діджею або музиканту під час виступу потрібно чути фонограму і відчувати ритм при грі і зведенні, інакше завзятих танців не буде, а з вечірки розбіжаться всі гості. Оператору колл-центру потрібно чітко чути мову співрозмовника. Люркер в CS: GO може підвести всю команду, якщо не розчує наближаються ворогів. Ну а диспетчер в аеропорту не зможе нормально комунікувати з пілотами, якщо навколо стоятиме шум, як у плавильному цеху.

Раніше подібну проблему вирішували навушники з пасивною ізоляцією. Наприклад, масивні закриті накладні навушники надійно сідає на голову, а їх щільні амбушюри надійно закривають вуха від сторонніх шумів. Ті ж Beyerdynamic DT 770 Pro вважаються справжньою класикою подібного роду, особливо їх шумоізоляцію цінують барабанщики. Іншим популярним варіантом пасивної шумоізоляції є внутрішньоканальні навушники, які вставляються вглиб вуха немов беруші. Проблема в тому, що такі навушники підходять далеко не всім. У багатьох людей внутрішньоканальні силіконові насадки провокують дискомфорт і головний біль. А громіздкі накладні навушники-це не найкращий вибір для вулиці.

Типи активного шумозаглушення і відмінності від пасивної звукоізоляції

На відміну від пасивного шумозаглушення, яке визначається формою навушників, активне шумозаглушення працює зовсім за іншим принципом. Щоб досягти повної тиші навушники з шумозаглушенням найчастіше використовують принцип протифази. Вбудовані в корпус мікрофони реєструють навколишні звуки, а вбудований процесор створює хвилю-близнюка з тією ж амплітудою, але дзеркально відображеної фазою вихідного звуку. Звук у фазі звучить природно і йде з центру, звук в протифазі навпаки грає як ніби з боку. Накладаючись один на одного ці звуки як би гасять один одного, звукова хвиля вирівнюється, а мозок слухача впевнений, що навколо тиша. У топових навушниках калібру Apple AirPods Pro це відбувається близько 200 разів на секунду. Це найпоширеніший тип шумозаглушення, який називається активним шумопоглинанням (або ANC, що означає Active Noise Canceling).


Спочатку багато аудіофіли сприйняли в багнети нову ідею. Мовляв, братці, маркетологи знову хочуть Наших грошей. Не дамо їм ні копійки, пустимо все на кабелі з позолотою. Крім банального недовіри критика виникла через паршивого якості перших навушників з цифровими шумодавами. По-перше, звучали вони так собі. По-друге, замість гібридної системи мікрофонів в них використовувалися погано налаштовані шумодави без зворотного зв'язку. Вони відрізнялися мінливістю і часто вносили артефакти в звучання. Особливо в нижньому регістрі. Також алгоритми шумодавів втрачають свою силу, якщо виробник накосячіл з конструкцією АБО використовував дешеві амбушюри недостатньої щільності.


Насправді ідеї ANC сто років в обід-перші патенти були зареєстровані ще в 30-х роках минулого століття, а саму технологію давно успішно використовують в авіаційній і оборонній промисловості. З тих пір вона серйозно еволюціонувала в технічному плані, обросла корисними функціями і стала використовуватися і в інших галузях. Наприклад, автопромі. Першою машиною з ANC, яка відрізала водія від гулу двигуна і зовнішніх шумів, став люксовий седан Honda Legend Acura RL. Потім подібні фокуси взяли на озброєння Audi, Cadillac, Ford і Honda.

Навушники з шумозаглушенням

ENC, DSP, CVC та інші технології активного шумозаглушення

Термін ANC зазвичай застосовується в області споживчих навушників а-ля AirPods. Але зустрічаються і інші підвиди активного шумозаглушення. Наприклад, в ігрових гарнітурах часто використовується технологія шумозаглушення навколишнього середовища ENC, яка за допомогою спрямованих мікрофонів істотно знижує рівень навколишнього шуму (прим: аж до 35 дБ), щоб гравці могли вільно спілкуватися в голосовому чаті.

Втім, ENC останнім часом знаходить активне застосування і на ринку недорогих TWS-навушників. І це логічно, адже багато людей розглядають їх в ролі розмовних гарнітур для поїздок на велосипеді, занять спортом і т. д. наприклад в популярних бюджетних затичках QCY T13 використовуються по 2 додаткових мікрофона для захоплення шумів. Нижній мікрофон реєструє голос користувача, а верхній мікрофон ловить шум, після чого процесор автоматично обробляє обидва сигнали, пропускаючи їх через алгоритми ENC, посилюючи голосовий сигнал і пригнічуючи навколишній шум. Тому навіть в галасливій обстановці в них можна комфортно поговорити.

Інший вид шумозаглушення називається DSP або"цифровий сигнальний процесор". Ця технологія використовується в навушниках, смартфонах, інтелектуальних колонках, студійному аудіообладнанні, автомобільних розважальних системах та іншої техніки. Насправді DSP-Процесори є наріжним каменем сучасної аудіопродукції і вони можуть використовуватися, як душа забажає. Наприклад, DSP процесор в навушниках з підтримкою технології Sony 360 Reality Audio відповідає за обробку положення голови слухача в просторі. Щоб ефект тривимірного звучання завжди звучав, як було задумано. А в AirPods Max DSP-процесор постійно стежить за продуктивністю гарнітури, прагнучи постійно оптимізувати звук під навколишнє оточення.

Якщо повернутися до теми шумозаглушення, то DSP-Процесори найчастіше застосовуються для фільтрації мови в розмовному мікрофоні. У загальних рисах принцип придушення шуму DSP схожий з ANC і його прямо / назад-спрямованими мікрофонами. Тут також кілька мікрофонів реєструють мова і зовнішні шуми, потім обидва сигнали проходять через спеціальний DSP-процесор всередині навушників, який генерує зворотну звукову хвилю і нівелює шум за принципом протифази. Гарнітура з DSP стане хорошим варіантом для спілкування по VoIP або Discord, коли навколо дуже шумно.


Чітко чути мову співрозмовника-це ще півсправи, крім цього потрібно ще й якісно її передавати. Для цього в більшості хороших навушників використовуються додаткові мікрофони, частина з яких відловлює безпосередньо мова, а інша реєструє зовнішні шуми. Після цього вхідні сигнали проходять через спеціальні цифрові фільтри, які поділяють мова і шум, заглушаючи останні. Залежно від вартості навушників і якості алгоритму він може практично ідеально «чистити» мова від шумів, або ж під час чищення він може вносити невеликі артефакти в мову, залишаючи на тлі невелику частину шумів. Найчастіше цю штуку називають CVC або Clear Voice Capture.

Для коректної роботи CVC потрібна ціла пачка алгоритмів, які знають, як звучить людська мова і наскільки делікатно потрібно з нею працювати. Тому обробка проводиться відразу на декількох рівнях ― алгоритм визначає референсний рівень сигнал-шум, автоматично підлаштовує мова під потрібний рівень гучності, застосовує адаптивні еквалайзери для обробки всього голосу, а також спеціалізовані фільтри для очищення від низькочастотного бубнежа, сибілянтів і шиплячих. Завдяки цьому алгоритми CVC здатні ефективно пригнічувати відлуння і шум з навколишнього середовища.

Наприкінці 2020 року була представлена 8-а версія протоколу CVC. На відміну від CVC 6.0, яка найчастіше використовується в сучасних гарнітурах, CVC 8.0 завдяки більш просунутим алгоритмам може ще сильніше знижувати рівень навколишнього шуму.

Додаткові функції сучасних навушників з шумозаглушенням

Відправившись в пошуки ідеального шумодава виробники навушників навчилися парочці цікавих фокусів, які виявилися вельми затребувані серед покупців. Найголовніша з них-можливість переналаштувати шумодав так, щоб чути певні навколишні звуки. У різних виробників ці штуки можуть по-різному називатися або відрізнятися технічно, але результат плюс-мінус однаковий.

Отже, перша штука називається Talk Through (прим: або прозорий режим). З її допомогою мікрофони протифази і DSP-процесор можна перевести в режим відстеження мови і створення більш складної хвилі в протифазі, щоб також гасити навколишній шум, але при цьому сприймати людську мову. Зручно, якщо хочеш послухати музику не випадаючи з соціуму. Наприклад, поки стирчиш на касі, чекаєш свій авіарейс або займаєшся з одним в спортзалі. Друга штука називається Ambient Aware і працює за схожим принципом. З тією різницею, що шумодав налаштовується не на мову, а на зовнішні гучні і високоамплітудні звуки на зразок автомобільного сигналу або звуку удару. Втім, більшість не обмежується лише цими двома режимами і шукає ідеальну формулу.


Найчастіше вони приходять до гібридного шумодаву з можливістю гнучкого налаштування в мобільному додатку. Наприклад, гучні Samsung Galaxy Buds Pro оснащені "розумним" алгоритмом ANС, який дозволяє точково налаштувати шумодав. Наприклад, в метро виставити налаштування на максимум, за кермом велосипеда навпаки налаштувати навколишній шум так, щоб не пропустити автомобільний гудок, а в умовному читальному залі бібліотеки навпаки опустити поріг шумодаву до мінімального значення, благо там і так тихо.

В обласканих критиками затичкам Sony WF-1000XM4 можливості налаштування йдуть ще далі завдяки геолокації. WF ― 1000xm4 можуть не просто запам'ятати кілька режимів роботи, але і місця, в яких ви їх використовуєте-офіс, коворкінг, спортзал або улюблене кафе. Також інженери Sony повністю переналаштували алгоритми ANС і оснастили навушники відразу чотирма спрямованими мікрофонами Voice Pickup, які постійно слухають власника. Це потрібно не для стеження, а для того, щоб автоматично глушити музику, коли ви з кимось говорите і також включати її назад, коли розмова закінчилася.

Навушники з прозорим режимом talk through (talk Thru), Ambient Aware

Висновок

У 2021 році ми можемо сміливо сказати, що системи цифрового шумозаглушення в навушниках практично повністю позбулися болячок минулого. Вони працюють без сюрпризів, довго тримають заряд, мають корисні можливості і при цьому непогано звучать. Принаймні, якщо говорити про топові алгоритми, які використовуються в навушниках за 300 – 400 доларів і вище. Якщо ви не готові віддавати таку суму, то швидше за все доведеться миритися з деякими компромісами.

Перший компроміс - не варто чекати абсолютної тиші. Через нерозробленість алгоритму або невдалої форми навушники з шумозаглушенням все одно пропускають всередину невелику кількість шуму. Тут все залежить від конкретних навушників. Одні можуть помножити на нуль навіть настирливий гул під час авіаперельоту або поїздки в метро, але при цьому будуть «хапати» з навколишнього світу уривки людської мови. В інших навушниках може шуміти сам шумодав. Чи не сам алгоритм, а вбудований підсилювач. Абсолютну тишу вміють робити лише флагманські навушники.

Другий компроміс-більшість шумодавів ефективні лише в спектрі від 100 до 1000 Гц. Справа в тому, що баси нижче 100 Гц ми не стільки чуємо, скільки відчуваємо, а у високих частот навпаки складно повторити структуру спектра, тому у флагманських навушниках з еталонними шумодавами від Sony, Bose і Sennheiser зазвичай використовуються додаткові інструменти на зразок DSP-обробки басів і пищалок або додаткових мікрофонів, які налаштовані виключно на людський голос або фоновий шум.

Ну і пам'ятайте, що одні і ті ж навушники з включеним і вимкненим ANC можуть звучати зовсім по-різному.