Как на самом деле работает шумоподавление (ANC) в наушниках

Если вы открыли эту статью, то, стало быть, хотите понять, как же на самом деле работает активное шумоподавление в наушниках на подобие AirPods Pro, Sony WF-1000XM3 или Huawei FreeBuds 3i. И под словами понять на самом деле я подразумеваю, что вы не хотите слышать об интерференции звуковых волн, амплитуде или противофазе.

Ну, правда, неужели авторы подобных статей полагают, что человек, понимающий эти термины, не сможет «сложить два плюс два» в своей голове?

Надеюсь, эта статья расставит всё по полочкам и поможет разобраться в этой важной и очень полезной для здоровья функции. Но прежде, чем мы сможем понять, как работает шумоподавление, нужно разобраться с тем, что вообще такое «шум» или звук.

Если вы знаете ответ на этот вопрос и вас не смущает тот факт, что мир не такой, каким его рисует ваше воображение, тогда сразу переходите ко второй части, где я непосредственно расскажу о шумоподавлении.

Часть 1. Что такое звук? Или зачем подавлять то, чего не существует

Говоря простыми словами, звук — это сигнал того, что где-то что-то пошевелилось. Если вы слышите звук, значит, где-то что-то упало, поползло, завибрировало и так далее.

Хорошо, давайте проверим это определение. Попробуйте быстренько пошевелить пальцами. Видимо, теория не работает, не так ли? Ведь если звук — это движение, тогда почему движение пальцев не сопровождается никаким звуком?

Дело в том, что наше ухо «не слышит» никакого звука, если что-то вибрирует менее 20-30 раз в секунду. Если же, к примеру, что-то начнет двигаться вперед-назад с частотой 440 раз в секунду, мы услышим ноту Ля. И чем быстрее что-то будет вибрировать, тем более высоким нам будет казаться звук. Если же скорость вибрации превысит 20 тысяч раз в секунду, звук снова перестанет для нас существовать, но его будут продолжать слышать многие животные.

Всё дело в том, что пространство вокруг нас не является пустотой, а заполнено молекулами азота и кислорода, между которыми есть много свободного места. Чтобы лучше это понять, представьте себе молекулы маленькими бесцветными шариками:

К примеру, когда мы хлопаем в ладоши, то воздух между руками сжимается, то есть, эти шарики (молекулы) разлетаются в разные стороны и ударяются о ближайшие молекулы. Те, в свою очередь, отлетают и бьют по следующим молекулам — в точности, как бильярдные шары:

Так причем же здесь звук? Да при том, что рано или поздно, эти столкновения дойдут до молекул, которые летают внутри вашего уха (в ушном канале). Так как им некуда будет деваться, они со всего размаху ударят вам по барабанной перепонке:

От этих ударов перепонка завибрирует и вибрация по слуховым косточкам будет передана прямо в улитку, заполненную жидкостью. И вот здесь начинается самое интересное!

Если бы мы развернули улитку, то нашли бы внутри что-то вроде пианино (базилярная мембрана) с большим количеством «клавиш» (волосковые клетки):

У основания улитки находятся «клавиши», отвечающие за самые высокие тона, а в конце — за низкие частоты (бас). Если удары по улитке будут очень короткими и частыми, вибрация жидкости будет возбуждать только те волоски, что находятся вначале. Если же увеличить продолжительность ударов и сделать их более редкими, тогда возбудятся клетки на конце улитки.

Теперь смотрите, что будет, если мы натянем и отпустим, скажем, струну гитары. Она начнет вибрировать, то есть, двигаться вперед-назад.

При движении вперед струна будет ударять по молекулам воздуха, они будут также отлетать вперед и толкать другие молекулы, находящиеся в состоянии покоя. Но когда струна начнет движение в обратную сторону, она потянет за собой и молекулы, то есть, воздух перед струной станет немножко разреженным:

Эти колебания струны будут повторяться снова и снова, в результате чего по воздуху пронесутся сжатые и разреженные участки (сами молекулы при этом не движутся от струны к уху, а лишь передают удар и возвращаются назад):

Естественно, в скором времени эти сжатия и разрежения воздуха достигнут нашего уха, соберутся в один пучок (форма уха сделана так, чтобы направлять весь воздух в узкую трубку — ушной канал) и далее произойдет следующее. Те молекулы, что сбились в кучу, ударят по перепонке, затем наступит пауза (небольшой вакуум) и перепонка вернется в обратную сторону, затем снова последуют удары (опять участок сжатого воздуха).

А теперь скажите, до этого момента гитарная струна издала хоть какой-то звук? Конечно же, нет! В окружающем мире была полная тишина. Ни гитара, ни что-либо еще не издавало никакого звука. Просто струна толкала окружающие молекулы, те ударялись друг о друга и возвращались в свое положение, передавая удар следующим «шарикам». Как только струна остановилась, молекулы перестали толкаться и в воздухе снова всё стало спокойно. Звука как не было, так и нет.

Но! Как я уже сказал, вибрации перепонки передались на внутреннее «пианино» и вот здесь начинает рождаться звук. Каждый удар порождает волну в улитке и эта волна колеблет определенные волосковые нервы («клавиши»), которые подают соответствующий электрический сигнал в мозг (чем сильнее колебание конкретного нерва, тем «громче» в вашем воображении будет звучать определенная нота).

Мозг анализирует от какого именно по счету нерва пришел сигнал, чтобы «сыграть» для вас (для вашего сознания) заготовленный от рождения звук. И вот только теперь появляется музыка. Но она не звучала во внешнем мире, она просто сгенерирована в вашем воображении!

Стоп-стоп! Ну что за ерунда! Ведь есть же микрофоны, которые точно так же, как и люди, «слышат» все звуки! Получается, если микрофоном можно зафиксировать звук, значит, он объективно существует и наше сознание здесь ни при чем!

Что делает микрофон? Или шокирующая правда об окружающем мире

Не спешите успокаивать себя той мыслью, что звук — это не плод нашей фантазии (не продукт нашего мозга).

Мы просто научились записывать при помощи специальных устройств изменение давления воздуха. Микрофон — это обычная тоненькая мембрана (как у динамика), по которой стучат молекулы. Чем сильнее молекулы ударились о мембрану, тем сильнее она отклонилась и сгенерировала более высокое напряжение, то есть, «звук» в итоге будет громче.

Если молекулы будут делать за одну секунду 1000 ударов по мембране, наш микрофон так и запишет, а мы затем скажем, что это был звук с частотой 1000 Гц или 1 кГц. Кстати, запишем мы это волной, где по вертикали (ось Y) будем указывать давление воздуха (чем сильнее — тем выше поднимается график), а по горизонтали (ось X) — время:

Количество чередований сжатого и разреженного воздуха за 1 секунду — это и будет частотой (если за секунду будут проходить 50 циклов сжатого-разреженного воздуха, это будет частота 50 Гц). А расстояние между двумя последовательными сжатиями молекул называется длиной волны.

Теперь нам просто нужно всё провернуть в обратном порядке — заставить такую же мембрану вибрировать 1000 раз в секунду. И уже мембрана будет толкать молекулы с такой скоростью и частотой, с какой молекулы ударялись о мембрану при записи звука.

По сути, мы лишь просто записываем движение молекул и затем снова толкаем их, чтобы воспроизвести движение. Но в реальном мире, что при записи звука, что при проигрывании была полная тишина. Звук появится только в нашем мозге.

В каком-то смысле можно сказать, что красивые и уникальные голоса великих певцов еще с рождения присутствовали в нашей голове. Просто нужен был человек, который бы сумел так растолкать молекулы в воздухе, чтобы они, ударив по перепонке и вызвав нужные колебания жидкости в улитке, затронули «правильные» нотки нашего внутреннего уха, чтобы мозг мог достать из своей «библиотеки заранее сохраненных звуков» нужные тона. Это же касается и всех остальных звуков живой и неживой природы.

Часть 2. Как работает активное шумоподавление в наушниках

Думаю, после прочтения первой части, многие поняли уже технологию работы шумоподавления. Логика подсказывает, что нам просто нужно проанализировать сжатия и разряжения воздуха, приближающиеся к нам в уши, а затем разреженные участки (в которых мало молекул) заполнить молекулами, а сжатые участки немножко разредить, то есть, убрать давление, чтобы молекулы перестали толкать друг друга.

Для этого мы делаем следующее:

1. Закрываем уши наушниками. Теперь они уже очень заметно смягчают удары воздуха, так как молекулы уже бьют не прямо по барабанной перепонке, а по корпусу наушников. Но корпус всё равно передает часть вибраций внутрь и мы слышим окружающие звуки, хоть и заметно тише.
2. Устанавливаем на наушниках с внешней стороны микрофон, а лучше два или даже три. Они очень точно анализируют каждый удар молекул по своей мембране.
3. В наушник добавляем процессор, который бы мог анализировать все эти удары, чтобы сделать основную часть работы.
4. Когда по микрофону бьют молекулы (приходит сжатый воздух), они же бьют и по корпусу наушника. Корпус передает эти вибрации в ухо и в ушном канале образуется сжатый воздух (молекулы сбились в одну кучу). Сейчас должен произойти удар по барабанной перепонке и мы должны услышать звук. Но тут на сцену выходит динамик и втягивает своей мембраной сжатый воздух обратно, тем самым разрежая его.
5. В результате давление в ушном канале ни повышалось, ни падало, соответственно, ни одна молекула не стучала «по ушам». А значит, внешний шум полностью подавлен!

В теории всё просто и понятно, вот только в реальности система активного шумоподавления работает далеко не так качественно и эффективно. Некоторые наушники неплохо подавляют только низкочастотные звуки, другие вообще могут даже усиливать некоторые частоты (например, Sony WF-1000XM3). Что же происходит!?

Думаю, не нужно объяснять, что наилучшее шумоподавление достигается только при хорошей изоляции ушного канала. То есть, наушники-вкладыши, вроде Huawei FreeBuds 3 или Samsung Galaxy Buds Live, несмотря на наличие функции активного шумоподавления, не будут гасить внешние звуки так же эффективно, как внутриканальные модели. Это понятно.

Теперь разберемся, почему наушники отлично погашают только низкочастотный гул, но очень плохо справляются с высокими частотами.

Подавляем низкие и высокие частоты

В интернете можно встретить различные глупые объяснения, будто производители специально делают так, чтобы в аэропорту вы услышали важное объявление, но не слышали гул мотора самолета. Некоторые модели действительно имеют разные режимы работы шумодава, но проблема в том, что даже при самом сильном шумоподавлении, отсекаются, в основном, низкие частоты.

Википедия пишет, что гул двигателя самолета или автомобиля — это стабильный и однообразный шум, соответственно, наушникам проще его распознать и подавить, а вот внезапные случайные шумы, вроде разговора, отследить гораздо труднее. Действительно, периодические волны погасить проще, но проблема в том, что наушники легко отсекают даже самый внезапный звук на низкой частоте.

Чтобы разобраться в этом, посмотрите внимательно на две волны:

При звуке высокой частоты мы видим, что сжатые и разреженные области воздуха чередуются гораздо чаще, чем при звуке низкой частоты. Кроме того, области воздуха разного давления на низкой частоте гораздо длиннее. Другими словами, длина волны (одна порция низкого и высокого давления воздуха) гораздо больше.

Давайте посмотрим на цифры. Вот у нас работает двигатель самолета и он расталкивает молекулы вокруг себя с большой силой примерно 150 раз в секунду. То есть, издает звук на частоте 150 Гц.

Как вы думаете, насколько длинной будет область сжатого воздуха? Посчитать это очень легко! Если мы предположим, что температура окружающего воздуха равняется 20°C, тогда скорость распространения звуковой волны будет составлять примерно 343 метра в секунду. Соответственно, если за секунду проходит 150 волн (чередующихся сжатых и разреженных областей), тогда длина одной волны будет составлять 2.2 метра:

Если же мы возьмем звук высокой частоты, скажем, 2 кГц (2000 Гц или 2000 раз в секунду), тогда длина волны составит всего 17 см, а ее сжатая область и того меньше. Для 10 кГц длина волны не превысит и 3 см. Все эти волны будут пролетать через наушники со скоростью 343 метра в секунду.

Несложно понять, что при низкочастотном шуме, давление, проходящее через наушники, будет гораздо дольше оставаться неизменным и равномерным, чем при высокочастотном. Соответственно, выровнять такое постоянное давление гораздо проще, чем попадать в такт очень быстро изменяющемуся давлению.

Не забывайте, что наушники должны не просто погашать внешний звук, но и производить музыку. То есть, за эти микросекунды наушник должен учесть внешний шум, проанализировать звук композиции, создать новую звуковую волну, которая будет учитывать и музыку, и движение мембраны для погашения нежелательных звуков, а лишь потом подать сигнал на динамик.

Но и это еще не все! Модели, вроде Apple AirPods Pro, слушают не только внешний шум, но и результат работы шумоподавления при помощи внутреннего микрофона, размещенного уже за динамиком. Чтобы иметь возможность что-то подстроить или изменить, звуковая волна должна быть достаточно длинной. Поэтому такие наушники еще более эффективно подавляют низкочастотный гул.

Как понять, в каких наушниках самое лучшее шумоподавление? Или как читать характеристики шумодава

К сожалению, шумоподавление очень сильно отличается от модели к модели. Такие наушники, как AirPods Pro, Huawei FreeBuds 3i или OPPO Enco W51 гораздо лучше справляются со всеми частотами, чем Sony WF-1000XM3 или Sennheiser Momentum True Wireless 2.

Это зависит от скорости процессора, алгоритмов, качества микрофонов и их количества, качества мембраны динамика и пр.

Естественно, лучше всего проверять качество шумоподавления самостоятельно. Но если такой возможности нет, тогда остается лишь читать обзоры (например, наши) или, хотя бы, посмотреть технические характеристики наушников на сайте производителя.

Кто-то указывает, к примеру, частотную характеристику микрофонов. Если микрофон наушников не способен улавливать звук ниже 200 Гц, естественно, и подавить этот шум такая модель не сможет (даже теоретически). Так как для наушников не будет существовать звуков на частоте до 200 Гц.

Но сейчас модным трендом стало указывать уровень подавления шумов в децибелах. Вот лишь несколько примеров (данные взяты с официальных сайтов):

Что значат эти децибелы (дБ)? На самом деле, ответ на этот вопрос заслуживает отдельной статьи, так как даже авторы некоторых популярных русскоязычных техно-ресурсов пишут, что в 2 раза громче — это в 2 раза больше децибел (например, 120 дБ — это в два раза громче 60 дБ). Что и говорить о простых людях…

Я не буду сейчас углубляться в этот вопрос, но дам вам простую формулу: каждые 10 дБ мы воспринимаем в 2 раза громче. То есть, если один звук имеет громкость 60 дБ, то в 2 раза громче — это 70 дБ, в 4 раза громче — это 80 дБ.

Если мы видим в характеристиках, что уровень шумоподавления составляет 30 дБ, это значит, что внешний шум будет восприниматься нами в таких наушниках в 8 раз тише (каждые 10 дБ — это в 2 раза).

Но опять есть это «но»… Не стоит сильно вдохновляться рекламой и сразу же покупать наушники, где заявлены самые сказочные характеристики. Дело в том, что производитель нигде не указывает, о какой конкретно частоте (или частотном диапазоне) идет речь. Получается, наушники могут погасить в 8 раз только один звук на частоте 100 Гц, а остальные звуки могут быть слышны сильнее, чем у конкурентов.

Поэтому, всё, что касается шумоподавления, нужно пробовать самому (или доверять совету других). Но даже независимые тесты могут не отображать реальной картины, так как тестирование всегда должно проходить на какой-то физической модели уха и здесь снова появляются вопросы к пассивной шумоизоляции, как наушники были вставлены, подобраны ли правильно амбушюры и т.п.

И последнее замечание. Активное шумоподавление требует активных вычислений, поэтому всегда при шумоподавлении любые беспроводные наушники будут разряжаться быстрее. Об этом следует помнить.

В любом случае, теперь вы знаете, как работает шумоподавление в наушниках на молекулярном уровне!

Алексей, глав. редактор Deep-Review