O que é cancelamento ativo de ruído?

O cancelamento ativo de ruído é um recurso muito procurado em fones de ouvido e fones de ouvido, e por um bom motivo. Ele remove muito ruído externo da sua experiência auditiva, tornando-a significativamente mais tranquila e mais fácil de ouvir em volumes mais baixos. No entanto, como funciona o cancelamento de ruído em fones de ouvido como o Sennheiser Momentum 4 sem fio e a Sony WH-1000XM5 é um pouco misterioso para muitos. Conversamos com Christian Ern, gerente principal de produto de fones de ouvido de consumo da Sennheiser, na edição deste ano IFA 2023 para ajudar a decompô-lo.

O amortecimento de som é o primeiro passo para o cancelamento de ruído

Em primeiro lugar, a coisa mais importante a entender sobre o cancelamento de ruído é que tudo isso tem a ver com frequências, ondas sonoras e, acima de tudo, física. Os sons viajam em ondas, que são constituídas por vibrações que passam pelo ar. Quanto mais frequentes forem essas vibrações, maior será a frequência (como o nome sugere), e a altura da onda determina essencialmente a amplitude ou volume.

Ao lidar com sons de frequência mais alta, estes têm mais dificuldade em penetrar nas superfícies, e esta propriedade é a mesma para todos os tipos de frequências. Embora os sons em conteúdos destinados ao consumo humano normalmente nunca ultrapassem 20kHz (pois esse é o limite do alcance auditivo humano), o mmWave 5G, por exemplo, normalmente chega a 40 GHz. A 40 GHz, o mmWave tem problemas para penetrar em todos os tipos de superfícies, e é por isso que é um espectro de sinal encontrado predominantemente em ambientes externos. principais cidades.

Tendo essa compreensão da dificuldade dos sons de alta frequência em superfícies penetrantes, é por isso que muitos fones de ouvido de última geração com cancelamento de ruído ativo usam conchas grossas e macias. Embora os sons de frequência mais baixa possam penetrá-los com facilidade, os sons de frequência mais alta serão bastante filtrados por uma superfície espessa como esta. Esta técnica é chamada de amortecimento de som e não de cancelamento de ruído ativo.

Física da interferência destrutiva

Quando duas ondas coerentes (para simplificar, semelhantes) se combinam, isso é chamado de interferência. Se eles se combinam para amplificar a onda, então isso é uma interferência construtiva, mas se eles se cancelam, isso é chamado de interferência destrutiva. O conceito de interferência destrutiva é uma grande peça do quebra-cabeça do cancelamento de ruído ativo.

Observando a imagem acima, observe que a linha superior é uma combinação das duas ondas abaixo dela. À esquerda, ambos os sinais estão em fase, então eles amplificam e criam uma onda mais forte como resultado. À direita, uma anti-onda fora de fase resulta em interferência destrutiva. Num contexto de áudio, um sinal seria uma onda sonora externa, e a anti-onda gerada para destruí-la seria reproduzida através dos fones de ouvido do usuário que ouve música.

Se for esse o caso, por que você ainda ouve áudio fora dos fones de ouvido? Alguns sons são removidos completamente, mas nunca existe um par perfeito de fones de ouvido com cancelamento de ruído. Novamente, por razões semelhantes, trata-se apenas de física. É aqui que os microfones na parte externa dos fones de ouvido entram em ação quando se trata de cancelamento de ruído e da diferença entre ANC “feed-forward” e “feed-back”.

ANC feedforward versus ANC feedback

Existem dois tipos diferentes de ANC em uso em fones de ouvido, e Ern me disse que praticamente todos os fones de ouvido principais usarão uma combinação de ambos. O Feedfoward ouvirá o áudio fora dos fones de ouvido e tentará cancelá-lo, enquanto o feedback ANC terá microfones dentro dos copos e ouça a diferença entre o interior dos fones de ouvido e o som do que deve estar jogando.

Feedforward ANC é particularmente interessante, pois mostra o trabalho especializado necessário para a criação de fones de ouvido com cancelamento de ruído. Em essência, uma onda sonora que entra no fone de ouvido entrará em um dos microfones e, nos milissegundos necessários para esse som onda chegar ao seu ouvido (como o microfone está a alguns centímetros de distância), ele tentará processar essa onda sonora e gerar uma anti-onda. Para sons voltados para o microfone, funciona bem em apenas milissegundos, mas para sons acima e abaixo dele não, pois eles não entram diretamente no microfone e podem chegar ao ouvido antes de serem cancelados fora. É por isso que o feedback ANC pode preencher as lacunas.

Com feedback ANC, ele usa microfones na parte interna do fone de ouvido para medir a diferença entre o que deveria estar tocando e o que realmente pode ser ouvido dentro do fone de ouvido. Quando o som externo chega a esse microfone, ele já está sendo ouvido pelo ouvinte, mas pode ser usado para remover ruídos constantes, como o zumbido de um avião ou outras coisas. No entanto, não pode ajudar com ruídos repentinos, e é por isso que uma combinação de feedforward versus feedback é melhor.

Como observação lateral, você já esfregou os dedos na parte externa do fone de ouvido ou fones de ouvido e ouviu um ruído agudo? Feedforward ANC é exatamente por que isso acontece, e high-end verdadeiros fones de ouvido sem fio com ANC são essencialmente a mesma configuração que fones de ouvido de última geração, apenas em uma escala menor.

Juntando tudo

Quando combinamos cancelamento de ruído ativo de feedforward e feedback, obtemos uma combinação poderosa capaz de cancelar sons de frequência mais baixa com grande consistência. É também por isso que fones de ouvido com cancelamento de ruído ativo são ótimos para filtrar o som de coisas como público transporte e outros ruídos constantes porque são sons previsíveis que o feedback ANC pode prever e remover. Combinando isso com as propriedades de amortecimento de som de fones de ouvido mais grossos que funcionam bem em sons mais altos frequências, e você tem toda a tecnologia que constitui a grande maioria dos cancelamentos de ruído ativos hoje.

O ponto em que isso ainda falha é na filtragem da fala e por que o cancelamento ativo de ruído pode ser difícil. A faixa de 1kHz a 3kHz é onde reside a maior parte da fala humana, e isso é alto o suficiente para ser mais difícil de cancelar o ANC de feedback, mas muito direcional para funcionar bem com o ANC feedforward. Combiná-los apresenta muita complexidade (é por isso que normalmente os fones de ouvido de gama média a baixa podem usar apenas uma dessas técnicas e não ambas) e também pode influenciar a qualidade do som.

Nesse caso, Ern me diz que fones de ouvido ou fones de ouvido podem ser priorizados pela qualidade do som ou ANC, mas nem sempre ambos. O som precisa ser ajustado quando o ANC está ligado, mas se você remover frequências que podem ser ouvidas de fora, você corre o risco de remover frequências da sua música real também. É por isso que o cancelamento de ruído é uma tarefa tão complicada de engenharia, mas o melhores fones de ouvido ANC todos se saem muito bem nisso.