W jaki sposób słuchawki chroniły Cię przed zewnętrznym hałasem w przeszłości?


Słuchawki zakrywające uszy tak, że nic nie słychać, nie pojawiły się wczoraj, ani nawet przedwczoraj. Na służbie wiele osób wymaga całkowitego oderwania się od świata zewnętrznego, aby doskonale słyszeć to, co dzieje się w słuchawkach. Na przykład DJ lub muzyk podczas występu musi usłyszeć ścieżkę dźwiękową i wyczuć rytm podczas grania i miksowania, w przeciwnym razie nie będzie żarliwych tańców, a wszyscy goście rozproszą się z imprezy. Operator call center musi wyraźnie słyszeć mowę rozmówcy. Czyhający w CS:GO może zawieść całą drużynę, jeśli nie usłyszy zbliżających się wrogów. Cóż, dyspozytor na lotnisku nie będzie mógł normalnie komunikować się z pilotami, jeśli wokół będzie hałas, jak w hucie.

Wcześniej podobny problem rozwiązywały słuchawki z pasywną izolacją. Na przykład masywne, zamknięte słuchawki nauszne są bezpiecznie osadzone na głowie, a ich gęste poduszki nauszne chronią uszy przed zewnętrznym hałasem. Te same Beyerdynamic DT 770 Pro są uważane za prawdziwe klasyki tego rodzaju, perkusiści szczególnie doceniają ich izolację akustyczną. Inną popularną opcją pasywnej izolacji hałasu są słuchawki douszne, które wkłada się głęboko do ucha jak zatyczki do uszu. Problem w tym, że te słuchawki nie są odpowiednie dla wszystkich. U wielu osób silikonowe końcówki dokanałowe wywołują dyskomfort i ból głowy. A nieporęczne słuchawki nauszne nie są najlepszym wyborem na ulicę.

Rodzaje aktywnej redukcji szumów i różnice w stosunku do pasywnej izolacji akustycznej


W przeciwieństwie do pasywnej redukcji szumów, którą określa kształt słuchawek, aktywna redukcja szumów działa na zupełnie innej zasadzie. Aby osiągnąć całkowitą ciszę , słuchawki z redukcją szumów najczęściej wykorzystują zasadę antyfazy. Mikrofony wbudowane w korpus rejestrują dźwięki otoczenia, a wbudowany procesor tworzy podwójną falę o tej samej amplitudzie, ale lustrzanym odbiciu fazy oryginalnego dźwięku. Dźwięk w fazie brzmi naturalnie i pochodzi ze środka, dźwięk w przeciwfazie gra jakby z boku. Nałożone na siebie dźwięki niejako się wygaszają, fala dźwiękowa się wyrównuje, a mózg słuchacza jest pewien, że wokół panuje cisza. W topowych słuchawkach kalibru Apple AirPods Pro dzieje się to około 200 razy na sekundę. Jest to najczęstszy rodzaj redukcji szumów i nazywa się aktywną redukcją szumów (lub ANC, co oznacza aktywną redukcję szumów).


Początkowo wielu audiofilów było wrogo nastawionych do nowego pomysłu. Powiedzmy, bracia, marketerzy znowu chcą naszych pieniędzy. Nie damy im ani grosza, wszystko wykorzystamy do pozłacanych kabli. Oprócz banalnej nieufności pojawiła się krytyka ze względu na kiepską jakość pierwszych słuchawek z cyfrową redukcją szumów. Po pierwsze, brzmiały tak sobie. Po drugie, zamiast hybrydowego systemu mikrofonowego zastosowali słabo dostrojoną redukcję szumów bez sprzężenia zwrotnego. Wyróżniali się niekonsekwencją i często wprowadzali do dźwięku artefakty. Zwłaszcza małymi literami. Również algorytmy redukcji szumów tracą na mocy, jeśli producent schrzanił konstrukcję lub zastosował tanie nauszniki o niewystarczającej gęstości.


Tak naprawdę idea ANC ma już sto lat po południu – pierwsze patenty zarejestrowano już w latach 30. ubiegłego wieku, a sama technologia od dawna jest z powodzeniem stosowana w przemyśle lotniczym i obronnym. Od tego czasu poważnie ewoluowała pod względem technicznym, zyskała użyteczne funkcje i zaczęła być wykorzystywana w innych branżach. Na przykład przemysł samochodowy. Pierwszym samochodem z ANC, który odcinał kierowcę od szumu silnika i hałasu zewnętrznego, był luksusowy sedan Honda Legend Acura RL. Następnie podobne sztuczki przyjęły Audi, Cadillac, Ford i Honda.

Słuchawki z redukcją szumów

ENC, DSP, CVC i inne aktywne technologie redukcji szumów

Termin ANC jest powszechnie używany w dziedzinie słuchawek konsumenckich a la AirPods. Ale istnieją inne podgatunki aktywnej redukcji hałasu. Na przykład zestawy słuchawkowe do gier często wykorzystują technologię redukcji szumów otoczenia ENC, która wykorzystuje mikrofony kierunkowe do znacznego zmniejszenia poziomu hałasu otoczenia (do 35 dB), dzięki czemu gracze mogą swobodnie komunikować się na czacie głosowym.

Jednak ENC jest ostatnio aktywnie wykorzystywany na rynku niedrogich słuchawek TWS. I to jest logiczne, ponieważ wiele osób uważa je za konwersacyjne zestawy słuchawkowe do jazdy na rowerze, sportu itp. Na przykład w popularnych, budżetowych zatyczkach do uszu QCY T13, do wychwytywania szumu wykorzystywane są 2 dodatkowe mikrofony. Dolny mikrofon odbiera głos użytkownika, natomiast górny mikrofon odbiera szum, po czym procesor automatycznie przetwarza oba sygnały, przepuszczając je przez algorytmy ENC, wzmacniając sygnał głosowy i tłumiąc hałas otoczenia. Dlatego nawet w hałaśliwym otoczeniu można w nich wygodnie rozmawiać.

Inny rodzaj redukcji szumów nazywa się DSP lub „cyfrowym procesorem sygnału”. Technologia ta jest stosowana w słuchawkach, smartfonach, inteligentnych głośnikach, studyjnym sprzęcie audio, samochodowych systemach rozrywki i nie tylko. W rzeczywistości procesory DSP są podstawą nowoczesnych produktów audio i można ich używać w dowolny sposób. Na przykład procesor DSP w słuchawkach Sony 360 Reality Audio odpowiada za przetwarzanie położenia głowy słuchacza w przestrzeni. Aby efekt dźwiękowy 3D zawsze brzmiał zgodnie z przeznaczeniem. A w AirPods Max procesor DSP stale monitoruje wydajność zestawu słuchawkowego, starając się stale optymalizować dźwięk do otaczającego środowiska.

Jeśli wrócimy do tematu redukcji szumów, to do filtrowania mowy w mikrofonie konwersacyjnym najczęściej wykorzystywane są procesory DSP. Ogólnie rzecz biorąc, redukcja szumów DSP jest podobna do ANC i jego mikrofonów do przodu/do tyłu. Jest też kilka mikrofonów, które rejestrują mowę i hałas zewnętrzny, następnie oba sygnały przechodzą przez specjalny procesor DSP wewnątrz słuchawek, który generuje odwróconą falę dźwiękową i niweluje hałas zgodnie z zasadą antyfazy. Zestaw słuchawkowy z obsługą DSP to dobra opcja dla VoIP lub Discord, gdy wokół jest bardzo głośno.


Wyraźnie usłyszenie mowy rozmówcy to połowa sukcesu, oprócz tego trzeba ją również przekazać w wysokiej jakości. W tym celu większość dobrych słuchawek korzysta z dodatkowych mikrofonów, z których niektóre odbierają mowę bezpośrednio, a inne rejestrują hałas z zewnątrz. Następnie przychodzące sygnały przechodzą przez specjalne filtry cyfrowe, które oddzielają mowę i hałas, zagłuszając ten ostatni. W zależności od kosztu słuchawek i jakości algorytmu potrafi niemal idealnie „oczyścić” mowę z szumu lub podczas czyszczenia wprowadzić do mowy drobne artefakty, pozostawiając niewielką część szumu w tle. Często nazywa się to CVC lub Clear Voice Capture.

Aby CVC działał poprawnie, potrzebna jest cała masa algorytmów, które wiedzą, jak brzmi ludzka mowa i jak delikatnie trzeba z nią pracować. W związku z tym przetwarzanie odbywa się na kilku poziomach jednocześnie – algorytm określa poziom odniesienia sygnału do szumu, automatycznie dostosowuje mowę do pożądanego poziomu głośności, stosuje korektory adaptacyjne do przetwarzania całego głosu, a także specjalistyczne filtry do usuwania niskich -częstotliwość bulgotania, sybilantów i syczących dźwięków. Dzięki temu algorytmy CVC są w stanie skutecznie tłumić echo i hałas z otoczenia.

Pod koniec 2020 roku wprowadzono 8. wersję protokołu CVC. W przeciwieństwie do CVC 6.0, który jest najczęściej używany w nowoczesnych zestawach słuchawkowych, CVC 8.0, dzięki bardziej zaawansowanym algorytmom, może jeszcze bardziej zredukować hałas otoczenia.

Dodatkowe cechy nowoczesnych słuchawek z redukcją szumów


Poszukując idealnej redukcji szumów, producenci słuchawek nauczyli się kilku ciekawych sztuczek, które okazały się bardzo popularne wśród kupujących. Najważniejszą z nich jest możliwość rekonfiguracji redukcji szumów tak, aby można było słyszeć określone dźwięki otoczenia. Różni producenci mogą mieć różne nazwy dla tych rzeczy lub różnić się technicznie, ale wynik jest plus lub minus taki sam.

Tak więc pierwsza rzecz nazywa się Talk Through(uwaga: tryb przezroczysty). Dzięki niemu mikrofony znajdujące się poza fazą i procesor DSP można przełączyć w tryb śledzenia mowy i stworzyć bardziej złożony przebieg poza fazą, aby również eliminować hałas otoczenia, ale nadal wychwytywać ludzką mowę. Wygodny, jeśli chcesz słuchać muzyki bez wychodzenia ze społeczeństwa. Na przykład, gdy spędzasz czas przy kasie, czekasz na lot lub ćwiczysz z przyjacielem na siłowni. Druga rzecz nazywa się Ambient Aware i działa na podobnej zasadzie. Z tą różnicą, że tłumik hałasu jest dostrojony nie do mowy, ale do zewnętrznych głośnych i wysokiej amplitudy dźwięków, takich jak sygnał samochodowy lub dźwięk uderzenia. Jednak większość nie ogranicza się do tych dwóch trybów i poszukuje idealnej formuły.


Najczęściej dochodzą do hybrydowej redukcji szumów z możliwością elastycznych ustawień w aplikacji mobilnej. Na przykład rewelacyjne Samsung Galaxy Buds Pro wyposażone są w „inteligentny” algorytm ANC, który pozwala na precyzyjne dostrojenie redukcji szumów. Np. w metrze ustaw ustawienia na maksimum, podczas jazdy rowerem przeciwnie, dostosuj hałas otoczenia, aby nie przegapić klaksonu samochodowego, a w czytelni warunkowej biblioteki wręcz przeciwnie, obniżyć próg redukcji szumów do wartości minimalnej, ponieważ jest tam tak cicho.

Cenione przez krytyków zatyczki do uszu Sony WF-1000XM4 jeszcze bardziej zwiększają personalizację dzięki geolokalizacji. WF-1000XM4 zapamiętuje nie tylko kilka trybów pracy, ale także miejsca, w których z nich korzystasz – biuro, coworking, siłownię czy ulubioną kawiarnię. Ponadto inżynierowie Sony całkowicie przekonfigurowali algorytmy ANC i wyposażyli słuchawki jednocześnie w cztery mikrofony kierunkowe Voice Pickup, które nieustannie słuchają właściciela. Nie służy to szpiegowaniu Pentagonu, ale automatycznemu wyłączaniu muzyki, gdy z kimś rozmawiasz, a także włączaniu jej po zakończeniu rozmowy.

Rozmowa przez słuchawki (talk Thru), Ambient Aware

Wniosek


W 2021 roku możemy śmiało powiedzieć, że cyfrowe systemy redukcji szumów w słuchawkach niemal całkowicie pozbyły się wrzodów przeszłości. Działają bez niespodzianek, długo trzymają ładunek, mają przydatne funkcje, a przy tym dobrze brzmią. Przynajmniej jeśli mówimy o topowych algorytmach, które są używane w słuchawkach za 300 – 400 dolarów i więcej. Jeśli nie jesteś gotowy na taką sumę, najprawdopodobniej należy pogodzić się z pewnymi kompromisami.

Pierwszym kompromisem nie jest oczekiwanie absolutnej ciszy. Słuchawki z redukcją szumów nadal przepuszczają niewielką ilość hałasu z powodu złej konstrukcji algorytmu lub złej konstrukcji. Wszystko zależy od konkretnych słuchawek. Niektórzy potrafią pomnożyć przez zero nawet irytujące buczenie podczas lotu samolotem lub podróży do metra, ale jednocześnie „porywają” fragmenty ludzkiej mowy ze świata zewnętrznego. W innych słuchawkach sam tłumik szumów może wydawać dźwięki. Nie sam algorytm, ale wbudowany wzmacniacz. Tylko flagowe słuchawki potrafią zrobić absolutną ciszę.

Drugi kompromis polega na tym, że większość tłumików szumów działa tylko w zakresie od 100 do 1000 Hz. Faktem jest, że basów poniżej 100 Hz nie słyszymy tak bardzo, jak je czujemy, a przy wysokich częstotliwościach wręcz przeciwnie, trudno powtórzyć strukturę widma, więc flagowe słuchawki z referencyjną redukcją szumów od Sony, Bose i Sennheiser zwykle używają dodatkowych narzędzi, takich jak przetwarzanie basów DSP i głośniki wysokotonowe lub dodatkowe mikrofony, które są dostrojone wyłącznie do ludzkiego głosu lub szumu tła.

No cóż, pamiętajcie, że te same słuchawki z włączonym i wyłączonym ANC mogą brzmieć zupełnie inaczej.