アクティブノイズキャンセリングとは何ですか?

アクティブ ノイズ キャンセリングはイヤホンやヘッドホンで最も人気のある機能ですが、それには十分な理由があります。 リスニング体験から多くの外部ノイズを除去し、より静かで、より低い音量でも聞きやすくします。 ただし、ノイズキャンセリングが次のようなヘッドフォンでどのように機能するかは、 ゼンハイザー モーメンタム 4 ワイヤレス そしてその ソニー WH-1000XM5 それは多くの人にとって少し謎です。 私たちはゼンハイザーのコンシューマー向けヘッドフォンの主任プロダクトマネージャーであるクリスチャン・アーン氏に今年の講演会で話を聞いた。 IFA 2023 それを打破するのを助けるために。

消音はノイズキャンセリングへの第一歩です

何よりもまず、ノイズキャンセリングについて理解しておくべき最も重要なことは、それはすべて周波数、音波、そして何よりも物理学に関係しているということです。 音は波となって伝わり、波は空気を伝わる振動で構成されます。 これらの振動の頻度が高いほど、(名前が示すように) 周波数が高くなり、基本的に波の高さが振幅または音量を決定します。

より高い周波数の音を扱う場合、表面を通過するのが難しくなり、この特性はすべての種類の周波数に当てはまります。 人間が消費することを目的としたコンテンツ内のサウンドは、通常 20kHz を超えることはありません (人間の可聴範囲の限界であるため)。たとえば、ミリ波 5G では、 通常は 40GHz にも達します。 40 GHz では、ミリ波はあらゆる種類の表面を透過するのが困難です。そのため、ミリ波は主に屋外で見られる信号スペクトルです。 主要都市。

高周波音が表面に浸透することの難しさを理解しているため、アクティブノイズキャンセリングを備えた多くのハイエンドヘッドフォンが厚くて柔らかいカップを使用しているのはこのためです。 低周波音はこれらを容易に通過できますが、高周波音はこのような厚い表面によって大きくフィルタリングされます。 この技術は、アクティブノイズキャンセリングではなく、消音と呼ばれます。

破壊的干渉の物理学

2 つのコヒーレントな (簡単に言えば、類似した) 波が結合することを干渉と呼びます。 それらが結合して波を増幅する場合、これは建設的干渉と呼ばれますが、それらが互いに打ち消し合う場合、これは相殺的干渉と呼ばれます。 破壊的干渉の概念は、アクティブ ノイズ キャンセリングのパズルの大きな部分を占めています。

上の画像を見ると、一番上のラインがその下の 2 つの波の組み合わせであることに注意してください。 左側では、両方の信号が同相であるため、増幅され、結果としてより強い波が生成されます。 右側では、位相がずれた反波が破壊的な干渉を引き起こします。 オーディオの文脈では、信号の 1 つは外部の音波であり、それを破壊するために生成された反波は、音楽を聴いている着用者のヘッドフォンを通して再生されます。

もしそうなら、なぜヘッドフォンの外側から音声が聞こえるのでしょうか? 一部の音は完全に除去されますが、完璧なノイズキャンセリングヘッドフォンは存在しません。 繰り返しますが、同様の理由で、これはすべて物理学に関するものです。 ここで、ノイズキャンセリングと「フィードフォワード」ANC と「フィードバック」ANC の違いに関して、ヘッドフォンの外側にあるマイクが活躍します。

フィードフォワード ANC とフィードバック ANC

ヘッドフォンでは 2 種類の ANC が使用されており、Ern 氏によると、ほぼすべての主力ヘッドフォンはこれら両方の組み合わせを使用しているとのことです。 フィードフォワードはヘッドフォンの外側でオーディオを聞いてそれを打ち消しようとしますが、フィードバック ANC は カップの中にマイクを入れて、ヘッドフォンの内側と何の音の違いを聞いてください。 すべき 遊んでいる。

フィードフォワード ANC は、ノイズ キャンセリング ヘッドフォンの作成に費やされる特殊な作業を示すため、特に興味深いです。 本質的に、イヤーカップに入った音波はいずれかのマイクに入り、その音が聞こえるまでに数ミリ秒かかります。 音波が耳に届くと（マイクは数センチメートル離れているため）、その音波を処理して音声を生成しようとします。 アンチウェーブ。 マイクに面した音の場合はわずか数ミリ秒でうまく機能しますが、その上下の音の場合は マイクに直接入力されず、キャンセルされる前に耳に届く可能性があるため、そうではありません。 外。 だからこそ、フィードバック ANC がギャップを埋めることができるのです。

フィードバック ANC では、イヤーカップの内側にあるマイクを使用して、再生されるべき音とイヤーカップ内で実際に聞こえる音との違いを測定します。 外部からの音はこのマイクに到達すると、すでにリスナーに聞こえていますが、飛行機の騒音などの定常的なノイズを除去するために使用できます。 ただし、突然のノイズには対処できないため、フィードフォワードとフィードバックを組み合わせるのが最適です。

余談ですが、イヤホンやヘッドホンの外側を指でこすると甲高いノイズが聞こえた経験はありませんか？ フィードフォワード ANC がまさにその理由であり、ハイエンド ANC搭載の完全ワイヤレスイヤホン 基本的にはと同じセットアップです ハイエンドヘッドフォン、規模が小さいだけです。

すべてをひとつにまとめる

フィードフォワード アクティブ ノイズ キャンセリングとフィードバック アクティブ ノイズ キャンセリングを組み合わせると、優れた一貫性で低周波音をキャンセルできる強力な組み合わせが得られます。 アクティブ ノイズ キャンセリング ヘッドフォンが公共の場などの騒音を除去するのに優れているのもこのためです。 輸送音やその他の定常的な騒音は、フィードバック ANC が首尾よく予測できる予測可能な音であるため、 取り除く。 これに、より高い音で効果を発揮する厚いイヤーカップの消音特性を組み合わせます。 そして、アクティブノイズキャンセリングの大部分を構成するすべてのテクノロジーを備えています。 今日。

これが依然としてうまくいかないのは、音声のフィルタリングであり、アクティブノイズキャンセリングが困難になる理由です。 1kHz ～ 3kHz の範囲は人間の音声のほとんどが存在する範囲であり、これはフィードバック ANC が打ち消すのが難しいほど十分に高いですが、指向性が高すぎるためフィードフォワード ANC とうまく連携できません。 これらを組み合わせると非常に複雑になり (通常、中級から低価格帯のヘッドフォンではこれらの技術の両方ではなくいずれか 1 つだけが使用されるのはそのためです)、音質に影響を与える可能性もあります。

この場合、Ern 氏は、ヘッドフォンまたはイヤフォンの音質または ANC を優先することができますが、必ずしも両方を優先できるわけではないと言いました。 ANC がオンのときにサウンドを調整する必要がありますが、外部から聞こえる周波数を削除すると、実際の音楽の周波数も削除してしまう危険性があります。 だからこそ、ノイズキャンセリングは非常に複雑なエンジニアリングの偉業ですが、 最高のANCヘッドフォン みんなそれがとても上手です。