Co to jest aktywna redukcja szumów?

Aktywna redukcja szumów jest bardzo poszukiwaną funkcją w słuchawkach i słuchawkach i nie bez powodu. Usuwa dużą część hałasu zewnętrznego z wrażeń słuchowych, dzięki czemu słuchanie jest znacznie spokojniejsze i łatwiejsze przy niższych poziomach głośności. Jednak działanie redukcji szumów w słuchawkach takich jak Sennheiser Momentum 4 bezprzewodowy i Sony WH-1000XM5 jest dla wielu zagadką. Podczas tegorocznej konferencji spotkaliśmy się z Christianem Ernem, głównym menedżerem produktu ds. słuchawek konsumenckich w firmie Sennheiser IFA 2023 pomóc to przełamać.

Tłumienie dźwięku jest pierwszym krokiem do redukcji hałasu

Przede wszystkim najważniejszą rzeczą, którą należy zrozumieć w przypadku redukcji szumów, jest to, że wszystko to ma związek z częstotliwościami, falami dźwiękowymi, a przede wszystkim z fizyką. Dźwięki rozchodzą się falami, które składają się z wibracji przechodzących przez powietrze. Im częstsze są te wibracje, tym wyższa jest częstotliwość (jak sama nazwa wskazuje), a wysokość fali zasadniczo determinuje amplitudę lub głośność.

W przypadku dźwięków o wyższej częstotliwości trudniej jest im przenikać przez powierzchnie i ta właściwość jest taka sama dla wszystkich typów częstotliwości. Podczas gdy dźwięki w treściach przeznaczonych do spożycia przez ludzi zwykle nigdy nie przekraczają częstotliwości 20 kHz (ponieważ jest to granica zasięgu ludzkiego słuchu), na przykład mmWave 5G zazwyczaj sięga nawet 40 GHz. Przy częstotliwości 40 GHz mmWave ma problemy z przenikaniem wszelkiego rodzaju powierzchni, dlatego jest to widmo sygnału występujące głównie na zewnątrz, w główne miasta.

Biorąc pod uwagę trudność dźwięków o wysokiej częstotliwości w przenikających powierzchniach, dlatego wiele wysokiej klasy słuchawek z aktywną redukcją szumów wykorzystuje grube, miękkie nauszniki. Podczas gdy dźwięki o niższej częstotliwości mogą je łatwo przenikać, dźwięki o wyższej częstotliwości będą silnie filtrowane przez grubą powierzchnię, taką jak ta. Technika ta nazywana jest tłumieniem dźwięku, a nie aktywną redukcją hałasu.

Fizyka destrukcyjnej interferencji

Połączenie dwóch spójnych (w skrócie podobnych) fal nazywa się interferencją. Jeśli połączą się, aby wzmocnić falę, jest to interferencja konstruktywna, ale jeśli się znoszą, nazywa się to interferencją destrukcyjną. Koncepcja destrukcyjnej interferencji to ogromny element układanki aktywnej redukcji hałasu.

Patrząc na powyższy obraz, zwróć uwagę, że górna linia jest kombinacją dwóch fal poniżej. Po lewej stronie oba sygnały są w fazie, więc wzmacniają się i w rezultacie tworzą silniejszą falę. Po prawej stronie antyfala przesunięta w fazie powoduje destrukcyjne zakłócenia. W kontekście audio jednym sygnałem byłaby zewnętrzna fala dźwiękowa, a fala przeciwfalowa generowana w celu jej zniszczenia byłaby odtwarzana przez słuchawki użytkownika słuchającego muzyki.

Jeśli tak jest, to dlaczego nadal słyszysz dźwięk spoza słuchawek? Niektóre dźwięki są całkowicie usuwane, ale nigdy nie ma idealnej pary słuchawek z redukcją szumów. Ponownie, z podobnych powodów, chodzi tylko o fizykę. W tym momencie do akcji wkraczają mikrofony znajdujące się na zewnątrz słuchawek, jeśli chodzi o redukcję szumów i różnicę między ANC ze sprzężeniem zwrotnym i sprzężeniem zwrotnym.

ANC ze sprzężeniem zwrotnym i ANC ze sprzężeniem zwrotnym

W słuchawkach stosuje się dwa różne rodzaje ANC i Ern powiedział mi, że prawie wszystkie flagowe słuchawki będą korzystać z kombinacji obu. Feedfoward będzie słuchał dźwięku poza słuchawkami i próbował go anulować, podczas gdy sprzężenie zwrotne będzie miało ANC mikrofony wewnątrz muszli i posłuchaj różnicy pomiędzy wnętrzem słuchawek a dźwiękiem czego powinien grać.

Feedforward ANC jest szczególnie interesujący, ponieważ pokazuje specjalistyczną pracę włożoną w tworzenie słuchawek redukujących hałas. Zasadniczo fala dźwiękowa docierająca do nausznika trafi do jednego z mikrofonów i w milisekundach potrzebnych na ten dźwięk aby dotarła do Twojego ucha (ponieważ mikrofon znajduje się kilka centymetrów dalej), spróbuje przetworzyć tę falę dźwiękową i wygenerować antyfalowy. W przypadku dźwięków skierowanych w stronę mikrofonu działa dobrze w ciągu zaledwie milisekund, ale w przypadku dźwięków znajdujących się nad i pod nim nie, ponieważ nie wchodzą bezpośrednio do mikrofonu i mogą dotrzeć do ucha, zanim będzie można je anulować na zewnątrz. Dlatego informacja zwrotna ANC może wypełnić luki.

Dzięki funkcji ANC ze sprzężeniem zwrotnym wykorzystuje mikrofony umieszczone po wewnętrznej stronie muszli, aby zmierzyć różnicę między tym, co powinno być odtwarzane, a tym, co faktycznie można usłyszeć w muszli. Kiedy dźwięk z zewnątrz dociera do tego mikrofonu, słuchacz go już słyszy, ale można go wykorzystać do usunięcia stałych dźwięków, takich jak szum samolotu lub inne rzeczy. Jednak nie może pomóc w przypadku nagłych dźwięków, dlatego najlepsza jest kombinacja wyprzedzania i sprzężenia zwrotnego.

A tak na marginesie, czy kiedykolwiek potarłeś palcami zewnętrzną część słuchawki lub słuchawek i usłyszałeś wysoki dźwięk? Feedforward ANC jest dokładnie tym, dlaczego tak się dzieje, i to high-endem prawdziwie bezprzewodowe słuchawki z ANC są w zasadzie takie same jak konfiguracja słuchawki z najwyższej półki, tylko na mniejszą skalę.

Łączenie tego wszystkiego w jedną całość

Kiedy połączymy aktywną redukcję szumów ze sprzężeniem zwrotnym i sprzężeniem zwrotnym, otrzymamy potężną kombinację zdolną do tłumienia dźwięków o niższej częstotliwości z doskonałą spójnością. Z tego też powodu słuchawki z aktywną redukcją szumów świetnie radzą sobie z filtrowaniem dźwięków z miejsc publicznych transportu i innych ciągłych dźwięków, ponieważ są to dźwięki przewidywalne, które ANC może z powodzeniem przewidzieć usunąć. Łącząc to z właściwościami tłumiącymi dźwięk grubszych nauszników, które dobrze sprawdzają się na wyższych poziomach częstotliwości i masz całą technologię, która stanowi większość aktywnej redukcji hałasu Dzisiaj.

To, co wciąż się rozpada, to filtrowanie mowy i dlaczego aktywna redukcja szumów może mieć problemy. Większość ludzkiej mowy mieści się w zakresie od 1 kHz do 3 kHz i jest on na tyle wysoki, że trudniej jest go wyeliminować przez ANC ze sprzężeniem zwrotnym, ale jest zbyt kierunkowy, aby dobrze współpracować z ANC ze sprzężeniem zwrotnym. Połączenie ich wprowadza dużą złożoność (dlatego zazwyczaj słuchawki ze średniej i niskiej półki mogą wykorzystywać tylko jedną z tych technik, a nie obie) i może również wpływać na jakość dźwięku.

W tym przypadku Ern mówi mi, że słuchawkom można nadać priorytet jakości dźwięku lub ANC, ale nie zawsze obu. Dźwięk należy dostroić, gdy funkcja ANC jest włączona, ale jeśli usuwasz częstotliwości, które można usłyszeć z zewnątrz, istnieje ryzyko usunięcia częstotliwości również z Twojej muzyki. Właśnie dlatego redukcja szumów jest tak skomplikowanym osiągnięciem inżynieryjnym, ale... najlepsze słuchawki z ANC wszyscy radzą sobie w tym bardzo dobrze.