Как наушники в прошлом спасали от внешних шумов?

Наушники, которые закрывают уши так, что ни черта не слышно, появились не вчера, и даже не позавчера. По долгу службы многим людям требуется полное отстранение от окружающего мира, чтобы идеально слышать происходящее в наушниках. К примеру, диджею или музыканту во время выступления нужно слышать фонограмму и чувствовать ритм при игре и сведении, иначе задорных танцев не будет, а с вечеринки разбегутся все гости. Оператору колл-центра нужно четко слышать речь собеседника. Люркер в CS:GO может подвести всю команду, если не расслышит приближающихся врагов. Ну а диспетчер в аэропорту не сможет нормально коммуницировать с пилотами, если вокруг будет стоять шум, как в плавильном цехе.

Раньше подобную проблему решали наушники с пассивной изоляцией. К примеру, массивные закрытые накладные наушники надежно садятся на голову, а их плотные амбушюры надежно закрывают уши от посторонних шумов. Те же Beyerdynamic DT 770 Pro считаются настоящей классикой подобного рода, особенно их шумоизоляцию ценят барабанщики. Другим популярным вариантом пассивной шумоизоляции являются внутриканальные наушники, которые вставляются вглубь уха словно беруши. Проблема в том, что такие наушники подходят далеко не всем. У многих людей внутриканальные силиконовые насадки провоцируют дискомфорт и головную боль. А громоздкие накладные наушники ― это не лучший выбор для улицы.

Типы активного шумоподавления и отличия от пассивной звукоизоляции

В отличие от пассивного шумоподавления, которое определяется формой наушников, активное шумоподавление работает совсем по другому принципу. Чтобы достичь полной тишины наушники с шумоподавлением чаще всего используют принцип противофазы. Встроенные в корпус микрофоны регистрируют окружающие звуки, а встроенный процессор создает волну-близнеца с той же амплитудой, но зеркально отображенной фазой исходного звука. Звук в фазе звучит естественно и идет из центра, звук в противофазе наоборот играет как будто со стороны. Накладываясь друг на друга эти звуки как бы гасят друг друга, звуковая волна выравнивается, а мозг слушателя уверен, что вокруг тишина. В топовых наушниках калибра Apple AirPods Pro это происходит порядка 200 раз в секунду. Это самый распространенный тип шумоподавления, который называется активным шумоподавлением (или ANC, что означает Active Noise Canceling).


Поначалу многие аудиофилы восприняли в штыки новую идею. Дескать, братцы, маркетологи опять хотят наших денег. Не дадим им ни копейки, пустим все на кабели с позолотой. Помимо банального недоверия критика возникла из-за паршивого качества первых наушников с цифровыми шумодавами. Во-первых, звучали они так себе. Во-вторых, вместо гибридной системы микрофонов в них использовались плохо настроенные шумодавы без обратной связи. Они отличались непостоянством и зачастую вносили артефакты в звучание. Особенно в нижнем регистре. Также алгоритмы шумодавов теряют свою силу, если производитель накосячил с конструкцией или использовал дешевые амбушюры недостаточной плотности.


На самом деле идее ANC сто лет в обед ― первые патенты были зарегистрированы еще в 30-х годах прошлого столетия, а саму технологию давно успешно используют в авиационной и оборонной промышленности. С тех пор она серьезно эволюционировала в техническом плане, обросла полезными функциями и стала использоваться и в других отраслях. Например, автопроме. Первой машиной с ANC, которая отрезала водителя от гула двигателя и внешних шумов, стал люксовый седан Honda Legend Acura RL. Затем подобные фокусы взяли на вооружение Audi, Cadillac, Ford и Honda.

Наушники с шумоподавлением

ENC, DSP, CVC и другие технологии активного шумоподавления

Термин ANC обычно применяется в области потребительских наушников а-ля AirPods. Но встречаются и другие подвиды активного шумоподавления. К примеру, в игровых гарнитурах часто используется технология шумоподавления окружающей среды ENC, которая с помощью направленных микрофонов существенно снижает уровень окружающего шума (прим: вплоть до 35 дБ), чтобы игроки могли свободно общаться в голосовом чате.

Впрочем, ENC в последнее время находит активное применение и на рынке недорогих TWS-наушников. И это логично, ведь многие люди рассматривают их в роли разговорных гарнитур для поездок на велосипеде, занятий спортом и т.д. К примеру в популярных бюджетных затычках QCY T13 используются по 2 дополнительных микрофона для захвата шумов. Нижний микрофон регистрирует голос пользователя, а верхний микрофон ловит шум, после чего процессор автоматически обрабатывает оба сигнала, пропуская их через алгоритмы ENC, усиливая голосовой сигнал и подавляя окружающий шум. Поэтому даже в шумной обстановке в них можно комфортно поговорить.

Другой вид шумоподавления называется DSP или “цифровой сигнальный процессор”. Эта технология используется в наушниках, смартфонах, интеллектуальных колонках, студийном аудиооборудовании, автомобильных развлекательных системах и прочей технике. На самом деле DSP-процессоры являются краеугольным камнем современной аудиопродукции и они могут использоваться, как душа пожелает. К примеру, DSP процессор в наушниках с поддержкой технологии Sony 360 Reality Audio отвечает за обработку положения головы слушателя в пространстве. Чтобы эффект трехмерного звучания всегда звучал, как было задумано. А в AirPods Max DSP-процессор постоянно следит за производительностью гарнитуры, стремясь постоянно оптимизировать звук под окружающую обстановку.

Если вернуться к теме шумоподавления, то DSP-процессоры чаще всего применяются для фильтрации речи в разговорном микрофоне. В общих чертах принцип подавления шума DSP схож с ANC и его прямо/обратно-направленными микрофонами. Тут также несколько микрофонов регистрируют речь и внешние шумы, затем оба сигнала проходят через специальный DSP-процессор внутри наушников, который генерирует обратную звуковую волну и нивелирует шум по принципу противофазы. Гарнитура с DSP станет хорошим вариантом для общения по VoIP или Discord, когда вокруг очень шумно.


Четко слышать речь собеседника ― это еще полдела, помимо этого нужно еще и качественно ее передавать. Для этого в большинстве хороших наушников используются дополнительные микрофоны, часть из которых отлавливает непосредственно речь, а другая регистрирует внешние шумы. После этого входящие сигналы проходят через специальные цифровые фильтры, которые разделяют речь и шум, заглушая последние. В зависимости от стоимости наушников и качества алгоритма он может практически идеально «чистить» речь от шумов, либо же во время чистки он может вносить небольшие артефакты в речь, оставляя на фоне небольшую часть шумов. Зачастую эту штуку называют CVC или Clear Voice Capture.

Для корректной работы CVC требуется целая пачка алгоритмов, которые знают, как звучит человеческая речь и насколько деликатно нужно с ней работать. Поэтому обработка проводится сразу на нескольких уровнях ― алгоритм определяет референсный уровень сигнал-шум, автоматически подстраивает речь под нужный уровень громкости, применяет адаптивные эквалайзеры для обработки всего голоса, а также специализированные фильтры для очистки от низкочастотного бубнежа, сибилянтов и шипящих. Благодаря этому алгоритмы CVC способны эффективно подавлять эхо и шум из окружающей среды.

В конце 2020 года была представлена 8-я версия протокола CVC. В отличие от CVC 6.0, которая чаще всего используется в современных гарнитурах, CVC 8.0 благодаря более продвинутым алгоритмам может еще сильнее снижать уровень окружающего шума.

Дополнительные функции современных наушников с шумоподавлением

Отправившись в поиски идеального шумодава производители наушников научились парочке любопытных фокусов, которые оказались весьма востребованы среди покупателей. Самая главная из них ― возможность перенастроить шумодав так, чтобы слышать определенные окружающие звуки. У разных производителей эти штуки могут по-разному называться или отличаться технически, но результат плюс-минус одинаковый.

Итак, первая штука называется Talk Through (прим: или прозрачный режим). С ее помощью микрофоны противофазы и DSP-процессор можно перевести в режим отслеживания речи и создания более сложной волны в противофазе, чтобы также гасить окружающий шум, но при этом воспринимать человеческую речь. Удобно, если хочешь послушать музыку не выпадая из социума. К примеру, пока торчишь на кассе, ждешь свой авиарейс или занимаешься с другом в спортзале. Вторая штука называется Ambient Aware и работает по схожему принципу. С той разницей, что шумодав настраивается не на речь, а на внешние громкие и высокоамплитудные звуки вроде автомобильного сигнала или звука удара. Впрочем, большинство не ограничивается лишь этими двумя режимами и ищет идеальную формулу.


Чаще всего они приходят к гибридному шумодаву с возможностью гибкой настройки в мобильном приложении. К примеру, нашумевшие Samsung Galaxy Buds Pro оснащены «умным» алгоритмом ANС, который позволяет точечно настроить шумодав. Например, в метро выставить настройки на максимум, за рулем велосипеда наоборот настроить окружающий шум так, чтобы не пропустить автомобильный гудок, а в условном читальном зале библиотеки наоборот опустить порог шумодава к минимальному значению, благо там и так тихо.

В обласканных критиками затычкам Sony WF-1000XM4 возможности настройки идут еще дальше благодаря геолокации. WF-1000XM4 могут не просто запомнить несколько режимов работы, но и места, в которых вы их используете ― офис, коворкинг, спортзал или любимое кафе. Также инженеры Sony полностью перенастроили алгоритмы ANС и оснастили наушники сразу четырьмя направленными микрофонами Voice Pickup, которые постоянно слушают владельца. Это нужно не для слежки пентагона, а для того, чтобы автоматически глушить музыку, когда вы с кем-то говорите и также включать ее обратно, когда разговор закончился.

Наушники с прозрачным режимом talk through (talk Thru), Ambient Aware

Вывод

В 2021 году мы можем смело сказать, что системы цифрового шумоподавления в наушниках практически полностью избавились от болячек прошлого. Они работают без сюрпризов, подолгу держат заряд, обладают полезными возможностями и при этом неплохо звучат. По крайней мере, если говорить о топовых алгоритмах, которые используются в наушниках за 300 – 400 долларов и выше. Если вы не готовы отдавать такую сумму, то скорее всего придется мириться с некоторыми компромиссами.

Первый компромисс ― не стоит ждать абсолютной тишины. Из-за неразработанности алгоритма или неудачной формы наушники с шумоподавлением все равно пропускают внутрь небольшое количество шума. Тут все зависит от конкретных наушников. Одни могут помножить на ноль даже назойливый гул во время авиаперелета или поездки в метро, но при этом будут «хватать» из окружающего мира обрывки человеческой речи. В других наушниках может шуметь сам шумодав. Не сам алгоритм, а встроенный усилитель. Абсолютную тишину умеют делать лишь флагманские наушники.

Второй компромисс ― большинство шумодавов эффективны лишь в спектре от 100 до 1000 Гц. Дело в том, что басы ниже 100 Гц мы не столько слышим, сколько чувствуем, а у высоких частот наоборот сложно повторить структуру спектра, поэтому во флагманских наушниках с эталонными шумодавами от Sony, Bose и Sennheiser обычно используются дополнительные инструменты вроде DSP-обработки басов и пищалок или дополнительных микрофонов, которые настроены исключительно на человеческий голос или фоновый шум.

Ну и помните, что одни и те же наушники с включенным и выключенным ANC могут звучать совершенно по-разному.