Co je aktivní potlačení hluku?

Aktivní potlačení hluku je velmi vyhledávanou funkcí u sluchátek a má dobrý důvod. Odstraňuje z vašeho zážitku z poslechu mnoho vnějšího hluku, takže je výrazně klidnější a snáze se poslouchá při nižších hlasitostech. Nicméně, jak funguje potlačení hluku na sluchátkách, jako je Sennheiser Momentum 4 Wireless a Sony WH-1000XM5 je pro mnohé tak trochu záhadou. Setkali jsme se s Christianem Ernem, hlavním produktovým manažerem spotřebitelských sluchátek ve společnosti Sennheiser, na letošní IFA 2023 pomoci to rozložit.

Tlumení zvuku je prvním krokem k potlačení hluku

Nejdůležitější věcí, kterou je třeba o potlačení hluku pochopit, je především to, že vše souvisí s frekvencemi, zvukovými vlnami a především fyzikou. Zvuky se šíří ve vlnách, které jsou tvořeny vibracemi procházejícími vzduchem. Čím častější jsou tyto vibrace, tím vyšší je frekvence (jak název napovídá) a výška vlny v podstatě určuje amplitudu nebo hlasitost.

Při práci s vysokofrekvenčními zvuky hůře pronikají povrchy a tato vlastnost je stejná pro všechny typy frekvencí. Zatímco zvuky v obsahu zaměřeném na lidskou spotřebu obvykle nikdy nepřekročí 20 kHz (protože to je hranice dosahu lidského sluchu), mmWave 5G, například, obvykle dosahuje až 40 GHz. Při 40 GHz má mmWave potíže proniknout do všech druhů povrchů, a proto se jedná o spektrum signálu, které se nachází převážně venku v velká města.

Vezmeme-li v úvahu obtížnost vysokofrekvenčních zvuků v pronikajícím povrchu, to je důvod, proč mnoho špičkových sluchátek s aktivním potlačením hluku používá tlusté, měkké mušle. Zatímco nízkofrekvenční zvuky jimi mohou snadno proniknout, vysokofrekvenční zvuky budou silně filtrovány silným povrchem, jako jsou tyto. Tato technika se nazývá tlumení zvuku, nikoli aktivní potlačení hluku.

Fyzika destruktivní interference

Když se spojí dvě koherentní (zjednodušeně řečeno podobné) vlny, nazývá se to interference. Pokud se spojí, aby zesílily vlnu, pak jde o konstruktivní interferenci, ale pokud se navzájem vyruší, pak se tomu říká destruktivní interference. Koncept destruktivní interference je obrovským kouskem skládačky aktivního potlačení hluku.

Když se podíváte na obrázek nahoře, všimněte si, že horní řádek je kombinací dvou vln pod ním. Vlevo jsou oba signály ve fázi, takže se zesilují a ve výsledku vytvářejí silnější vlnu. Vpravo, mimofázová anti-vlna vede k destruktivní interferenci. Ve zvukovém kontextu by jedním signálem byla vnější zvuková vlna a anti-vlna generovaná k jejímu zničení by byla přehrávána přes sluchátka nositele poslouchajícího hudbu.

Pokud je to tak, proč tedy stále slyšíte zvuk zvenčí ze sluchátek? Některé zvuky jsou zcela odstraněny, ale nikdy neexistuje dokonalý pár sluchátek s potlačením hluku. Opět z podobných důvodů je to všechno jen o fyzice. Zde vstupují do hry mikrofony na vnější straně sluchátek, pokud jde o potlačení hluku a rozdíl mezi „feed-forward“ a „feed-back“ ANC.

Dopředná ANC versus zpětná vazba ANC

Ve sluchátkách se používají dva různé druhy ANC a Ern mi říká, že téměř všechna vlajková sluchátka budou používat kombinaci obou. Feedfoward bude poslouchat zvuk mimo sluchátka a pokusí se ho zrušit, zatímco zpětná vazba ANC ano mikrofony uvnitř šálků a poslouchejte rozdíl mezi vnitřkem sluchátek a zvukem čeho by měl hrát si.

Feedforward ANC je obzvláště zajímavé, protože ukazuje specializovanou práci, která se týká vytváření sluchátek s potlačením hluku. V podstatě zvuková vlna vstupující do ušního mušle vstoupí do jednoho z mikrofonů a v milisekundách potřebných pro tento zvuk aby se vlna dostala k vašemu uchu (protože mikrofon je vzdálený několik centimetrů), pokusí se tuto zvukovou vlnu zpracovat a vygenerovat anti-vlna. Pro zvuky směřující k mikrofonu funguje dobře během pouhých milisekund, ale pro zvuky nad a pod ním ne, protože nevstupují přímo do mikrofonu a mohou se dostat do ucha dříve, než je lze zrušit ven. To je důvod, proč zpětná vazba ANC může zacelit mezery.

Se zpětnou vazbou ANC využívá mikrofony na vnitřní straně mušle k měření rozdílu mezi tím, co by mělo hrát, a tím, co je ve skutečnosti slyšet uvnitř mušlí. Když zvuk zvenčí dosáhne tohoto mikrofonu, posluchač ho již slyší, ale lze jej použít k odstranění stálých ruchů, jako je hučení letadla nebo jiné věci. Nemůže však pomoci s náhlými zvuky, a proto je nejlepší kombinace zpětné vazby a zpětné vazby.

Jako okrajovou poznámku, třeli jste si někdy prsty o vnější stranu sluchátek a slyšeli jste vysoký zvuk? Feedforward ANC je přesně to, proč se to děje, a je to high-end opravdová bezdrátová sluchátka s ANC jsou v podstatě stejné nastavení jako špičková sluchátka, jen v menším měřítku.

Dát to všechno dohromady

Když zkombinujeme dopředné a zpětnovazební aktivní potlačení hluku, získáme výkonnou kombinaci schopnou potlačit nízkofrekvenční zvuky s velkou konzistencí. To je také důvod, proč jsou sluchátka s aktivním potlačením hluku skvělá při odfiltrování zvuku věcí, jako je veřejnost transportní a další konstantní zvuky, protože jsou to předvídatelné zvuky, které zpětná vazba ANC dokáže úspěšně předvídat a odstranit. V kombinaci s vlastnostmi tlumení zvuku silnějších náušníků, které dobře fungují na vyšších frekvencí a máte veškerou technologii, která tvoří drtivou většinu aktivního potlačení hluku dnes.

Kde se to stále rozpadá, je odfiltrování řeči a proč může aktivní potlačení hluku bojovat. Rozsah 1 kHz až 3 kHz je místo, kde se nachází většina lidské řeči, a to je právě dost vysoké na to, aby bylo obtížnější zrušit zpětnou vazbu ANC, ale příliš směrové, aby dobře fungovalo s dopřednou ANC. Jejich kombinace přináší spoustu složitosti (proto obvykle sluchátka střední až nízké třídy mohou používat pouze jednu z těchto technik a ne obě) a může také ovlivnit kvalitu zvuku.

V tomto případě mi Ern říká, že sluchátka nebo sluchátka mohou mít prioritu pro kvalitu zvuku nebo ANC, ale ne vždy obojí. Zvuk je třeba vyladit, když je ANC zapnuté, ale pokud odstraňujete frekvence, které jsou slyšet zvenčí, riskujete, že odstraníte frekvence i ve vaší skutečné hudbě. To je důvod, proč je potlačení hluku tak komplikovaný technický výkon, ale nejlepší sluchátka ANC všichni to zvládají velmi dobře.