Jeśli kiedykolwiek zastanawiałeś się, czym jest i jak działa aktywna redukcja szumów (ANC – Active Noise Cancelation), to w tym artykule poznasz odpowiedź.
Popularna aktywna redukcja szumów, potocznie nazywana ANC (z ang. Active Noise Cancelation), to bardzo pożądana funkcja w słuchawkach — i to 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 funkcji redukcji szumów w różnego typu słuchawkach dla wielu pozostaje tajemnicą.
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 słuchanych przez ludzi zazwyczaj nigdy nie przekraczają częstotliwości przekraczającej 20 kHz (ponieważ jest to granica zasięgu ludzkiego słuchu), na przykład mmWave 5G zazwyczaj osiąga częstotliwość nawet 40 GHz. Przy częstotliwości 40 GHz mmWave ma problemy z penetracją wszelkiego rodzaju powierzchni, dlatego jest to widmo sygnału występujące głównie na zewnątrz dużych miast.
Biorąc pod uwagę trudność dźwięków o wysokiej częstotliwości w przenikających powierzchniach, wiele wysokiej klasy słuchawek z aktywną redukcją szumów ANC 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 nauszniki. Technikę tę nazywa się tłumieniem dźwięku, a nie aktywną eliminacją hałasu.
Fizyka destrukcyjnej interferencji
Połączenie dwóch spójnych (inaczej podobnych) fal nazywa się interferencją. Jeśli połączą się, aby wzmocnić falę, jest to interferencja konstruktywna (fale w tej samej fazie), ale jeśli się znoszą, nazywa się to interferencją destrukcyjną (fale w przeciwfazie). Koncepcja destrukcyjnej interferencji to ogromny element układanki aktywnej redukcji szumów.
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 całkowitą 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 w przód.
ANC ze sprzężeniem zwrotnym i ANC ze sprzężeniem w przód
W słuchawkach stosuje się dwa różne rodzaje ANC i prawie wszystkie flagowe słuchawki będą korzystać z kombinacji obu. Feedfoward (do przodu) będzie nasłuchiwało dźwięk na zewnątrz słuchawek i próbowała go wytłumić, podczas gdy sprzężenie zwrotne ANC będzie miało mikrofony w nausznikach i będzie nasłuchiwać różnicy pomiędzy wnętrzem słuchawek a dźwiękiem tego, co powinno być odtwarzane.
Feedforward ANC (ze sprzężeniem do przodu) jest szczególnie interesujący, ponieważ pokazuje specjalistyczną pracę włożoną w tworzenie słuchawek redukujących hałas. Zasadniczo fala dźwiękowa docierająca do muszli usznej trafi do jednego z mikrofonów i w ciągu milisekund potrzebnych, aby ta fala dźwiękowa dotarła do ucha (ponieważ mikrofon znajduje się kilka centymetrów od niego), spróbuje przetworzyć tę falę dźwiękową i wygenerować antyfalę. W przypadku dźwięków skierowanych w stronę mikrofonu działa to dobrze w ciągu zaledwie milisekund, ale w przypadku dźwięków powyżej i poniżej nie, ponieważ nie dostają się one bezpośrednio do mikrofonu i mogą dotrzeć do ucha, zanim zostaną wyciszone. Dlatego informacja zwrotna ANC może wypełnić luki.
Dzięki funkcji ANC ze sprzężeniem zwrotnym, słuchawka 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. Jednak nie może pomóc w przypadku nagłych dźwięków, dlatego najlepsza jest kombinacja w przód (wyprzedzająca) i sprzężenia zwrotnego.
A tak na marginesie, czy kiedykolwiek potarłeś palcami zewnętrzną część słuchawki lub słuchawek i usłyszałeś wysoki dźwięk? Właśnie dlatego tak się dzieje z funkcją Feedforward ANC, a wysokiej klasy prawdziwie bezprzewodowe słuchawki douszne z ANC mają w zasadzie tę samą konfigurację, co słuchawki wysokiej klasy, tylko na mniejszą skalę.
Łączenie tego wszystkiego w jedną całość
Kiedy połączymy aktywne tłumienie szumów ze sprzężeniem zwrotnym i sprzężeniem w przód, otrzymamy potężną kombinację zdolną do tłumienia dźwięków o niższej częstotliwości z doskonałą spójnością. Z tego też powodu słuchawki z aktywną redukcją szumów świetnie sprawdzają się w filtrowaniu dźwięków pochodzących np. z transportu publicznego i innych stałych dźwięków, ponieważ są to dźwięki przewidywalne, które funkcja sprzężenia zwrotnego ANC może z powodzeniem przewidzieć i usunąć. Łącząc to z właściwościami tłumiącymi grubszych nauszników, które dobrze działają na wyższych częstotliwościach, otrzymujesz całą technologię, która stanowi obecnie zdecydowaną większość aktywnej redukcji szumów ANC.
To, co wciąż się rozjeżdża, to filtrowanie mowy i to dlaczego aktywna redukcja szumów może mieć z nią 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 w przód. 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.
Słuchawkom można nadać priorytet jakości dźwięku lub ANC, ale nie zawsze obie rzeczy na raz. Dźwięk należy dostroić, gdy funkcja ANC jest włączona, ale jeśli usuwasz częstotliwości, które można usłyszeć z zewnątrz, istnieje ryzyko usunięcia częstotliwości również z odtwarzanej muzyki. Właśnie dlatego redukcja szumów jest tak skomplikowanym osiągnięciem inżynieryjnym, ale najlepsze słuchawki ANC radzą sobie z tym bardzo dobrze.
➔ Obserwuj nas w Google News, aby być na bieżąco!
źródło: XXDA Developers | Wikipedia
zdjęcie wykorzystane we wpisie z Depositphotos
Od 2005 roku zajmuję się komunikacją internetową i e-marketingiem, jestem pasjonatem urządzeń mobilnych oraz nowych technologii – i nie waham się ich używać.