Mikä on aktiivinen melunvaimennus?

Aktiivinen melunvaimennus on erittäin haluttu ominaisuus kuulokkeissa ja hyvästä syystä. Se poistaa paljon ulkopuolista melua kuuntelukokemuksestasi, mikä tekee siitä sekä huomattavasti rauhallisemman että helpomman kuuntelun pienemmällä äänenvoimakkuudella. Kuitenkin kuinka melunvaimennus toimii kuulokkeissa, kuten Sennheiser Momentum 4 langaton ja Sony WH-1000XM5 on monille mysteeri. Istuimme tämän vuoden tapahtumassa sennheiserin kuluttajakuulokkeiden päätuotepäällikön Christian Ernin kanssa. IFA 2023 auttaa murtamaan sitä.

Äänenvaimennus on ensimmäinen askel melunvaimennuksen suuntaan

Ensinnäkin tärkein asia, joka on ymmärrettävä melunvaimennuksen suhteen, on se, että se liittyy kaikkiin taajuuksiin, ääniaaltoihin ja ennen kaikkea fysiikkaan. Äänet kulkevat aaltoina, jotka koostuvat ilman läpi kulkevista värähtelyistä. Mitä useammin nämä värähtelyt ovat, sitä korkeampi taajuus on (kuten nimestä voi päätellä), ja aallon korkeus määrittää olennaisesti amplitudin tai äänenvoimakkuuden.

Kun käsitellään korkeataajuisia ääniä, niiden on vaikeampi tunkeutua pintoihin, ja tämä ominaisuus on sama kaikille taajuuksille. Vaikka ihmisten kulutukseen tarkoitetun sisällön äänet eivät yleensä koskaan ylitä 20 kHz: tä (koska se on ihmisen kuuloalueen raja), esim. mmWave 5G, yleensä jopa 40 GHz. 40 GHz: n taajuudella mmWavella on vaikeuksia tunkeutua kaikenlaisiin pintoihin, minkä vuoksi se on signaalispektri, joka esiintyy pääasiassa ulkona suurkaupungit.

Koska tämä ymmärrys korkeataajuisten äänien vaikeudesta tunkeutuessaan pintoihin, monet huippuluokan kuulokkeet, joissa on aktiivinen melunvaimennus, käyttävät paksuja, pehmeitä kuppeja. Vaikka matalataajuiset äänet voivat tunkeutua niihin helposti, korkeataajuiset äänet suodattuvat suuresti paksulla pinnalla, kuten nämä. Tätä tekniikkaa kutsutaan äänenvaimennuksena, ei aktiiviseksi melunvaimennuksena.

Destruktiivisen häiriön fysiikka

Kun kaksi koherenttia (yksinkertaisesti sanottuna samanlaista) aaltoa yhdistyy, sitä kutsutaan interferenssiksi. Jos ne yhdistyvät vahvistamaan aaltoa, tämä on rakentavaa häiriötä, mutta jos ne kumoavat toisensa, sitä kutsutaan tuhoavaksi häiriöksi. Destruktiivisen häiriön käsite on valtava osa aktiivisen melunvaimennuspulmapeliä.

Kun katsot yllä olevaa kuvaa, huomaa, että ylin viiva on yhdistelmä kahdesta sen alla olevasta aallosta. Vasemmalla molemmat signaalit ovat samassa vaiheessa, joten ne vahvistavat ja luovat tuloksena voimakkaamman aallon. Oikealla epävaiheinen antiaalto aiheuttaa tuhoisia häiriöitä. Audiokontekstissa yksi signaali olisi ulkopuolinen ääniaalto, ja sen tuhoamiseksi muodostuva anti-aalto toistetaan musiikkia kuuntelevan käyttäjän kuulokkeista.

Jos näin on, niin miksi silti kuulet ääntä kuulokkeiden ulkopuolelta? Jotkut äänet poistetaan kokonaan, mutta täydellistä melua vaimentavia kuulokkeita ei ole koskaan olemassa. Jälleen samanlaisista syistä kyse on vain fysiikasta. Tässä kuulokkeiden ulkopuolella olevat mikrofonit tulevat esille, kun on kyse melunvaimennuksen ja "eteensyötön" ja "takaisinkytkentäisen" ANC: n erosta.

Feedforward ANC vs. palaute ANC

Kuulokkeissa on käytössä kaksi erilaista ANC: tä, ja Ern kertoo minulle, että melkein kaikki lippulaivakuulokkeet käyttävät näiden molempien yhdistelmää. Feedfoward kuuntelee ääntä kuulokkeiden ulkopuolella ja yrittää peruuttaa sen, kun taas palaute ANC saa mikrofonit kuppien sisällä ja kuuntele eroa kuulokkeiden sisäpuolen ja äänen välillä pitäisi pelata.

Feedforward ANC on erityisen mielenkiintoinen, koska se näyttää erikoistyön melua vaimentavien kuulokkeiden luomiseen. Pohjimmiltaan korvakuppiin tuleva ääniaalto menee yhteen mikrofonista, ja ääni kestää millisekunneissa aalto saavuttaa korvasi (koska mikrofoni on muutaman senttimetrin päässä), se yrittää käsitellä ääniaallon ja tuottaa aallon vastainen. Mikrofonia päin tuleville äänille se toimii hyvin vain millisekunneissa, mutta sen ylä- ja alapuolella oleville äänille ei, koska ne eivät mene suoraan mikrofoniin ja voivat saavuttaa korvan ennen kuin ne voidaan peruuttaa ulos. Siksi palaute ANC voi sulkea aukot.

Palaute ANC: n avulla se käyttää korvakupin sisäpuolella olevia mikrofoneja mittaamaan eroa sen välillä, mitä pitäisi toistaa, ja sen välillä, mitä korvakupin sisällä todella voidaan kuulla. Kun ulkopuolelta tuleva ääni saavuttaa tämän mikrofonin, kuuntelija kuulee sen jo, mutta sillä voidaan poistaa jatkuvat äänet, kuten lentokoneen huminat tai muut asiat. Se ei kuitenkaan auta äkillisissä äänissä, minkä vuoksi eteenpäinkytkentä ja palaute on paras.

Sivuhuomautuksena, oletko koskaan hieronut sormillasi kuulokkeiden ulkopintaa ja kuullut korkeaa ääntä? Feedforward ANC on juuri syy miksi näin tapahtuu, ja huippuluokan todelliset langattomat kuulokkeet ANC: llä ovat käytännössä samat asetukset kuin huippuluokan kuulokkeet, vain pienemmässä mittakaavassa.

Tuo kaikki yhteen

Kun yhdistämme eteenpäinkytkentä- ja takaisinkytkentäisen aktiivisen melunvaimennuksen, saamme tehokkaan yhdistelmän, joka pystyy vaimentamaan matalataajuiset äänet erittäin johdonmukaisesti. Tästä syystä aktiiviset melua vaimentavat kuulokkeet suodattavat erinomaisesti esimerkiksi julkisen äänen liikenne ja muut jatkuvat äänet, koska ne ovat ennustettavia ääniä, jotka palaute ANC voi onnistuneesti ennustaa ja Poista. Yhdistämällä se paksumpien korvakuppien ääntä vaimentaviin ominaisuuksiin, jotka toimivat hyvin korkealla taajuuksia, ja sinulla on kaikki tekniikka, joka muodostaa suurimman osan aktiivisesta melunvaimennusta tänään.

Se, missä tämä vielä hajoaa, on puheen suodattaminen, ja miksi aktiivinen melunvaimennus voi olla vaikeaa. Alueella 1 kHz - 3 kHz on suurin osa ihmispuheesta, ja se on juuri tarpeeksi korkea, jotta palaute-ANC: n on vaikeampi kumota, mutta liian suuntaa toimiakseen hyvin eteenpäinkytketyn ANC: n kanssa. Niiden yhdistäminen aiheuttaa paljon monimutkaisuutta (siksi tyypillisesti keskitason ja matalan tason kuulokkeet voivat käyttää vain yhtä näistä tekniikoista, ei molempia), ja se voi myös vaikuttaa äänenlaatuun.

Tässä tapauksessa Ern kertoo minulle, että kuulokkeet tai nappikuulokkeet voidaan priorisoida äänenlaadun tai ANC: n perusteella, mutta ei aina molempia. Ääni on viritettävä, kun ANC on päällä, mutta jos poistat ulkopuolelta kuuluvia taajuuksia, vaarana on poistaa taajuuksia myös varsinaisesta musiikistasi. Siksi melunvaimennus on niin monimutkainen suunnittelutyö, mutta parhaat ANC-kuulokkeet kaikki pärjäävät siinä erittäin hyvin.