Наушники с активным шумоподавлением своими руками
Добавил пользователь Евгений Кузнецов Обновлено: 19.09.2024
Купил мониторные наушники с микрофоном на проводе. Появилась мысль: если есть микрофон, то можно обрабатывать его данные не в самих наушниках, а в смартфоне, который будет генерировать противофазу к шуму и подмешивать этот сигнал к музыке.
Может, есть такие программы, проигрыватели для андроид?
Спасибо.
Да, конечно. противофазу. Забудь об этом.
Не говоря о другом (фазовые сдвиги и нелинейные искажения) - мысль в голову не приходила, что на обработку сигнала требуется время?
Loony Искусственный Интеллект (531577) Потому что фазовые сдвиги зависят, кроме прочего, от частотной характеристики - и микрофона, и усилителя, и от спектрального состава сигнала. Так что, НИКОГДА не получишь точное соответствие. Про задержку сигнала - я уже дополнил ответ.
Любой здравомыслящий человек понимает, что реклама врет. Любая и всегда. Полтора века назад "патентованныя парижскiя капли для леченiя ипохондрiи" не лечили абсолютно ничего, а возможно, еще и немножечко вредили. Сегодняшний "уникальный собачий корм с кусочками утиной печени" не содержит ни единого фрагмента настоящей утки, за исключением случайно залетевших перьев (скорее всего, куриных). И с рекламой современных hi-tech-гаджетов происходит ровно то же самое.
Вспомните, сколько раз вам говорили, что смартфон нового поколения "делает идеальные фотографии!", и все равно ровно через год появляется следующий, у которого "камера еще лучше". Отдельного внимания в этом вопросе заслуживают наушники – за последнее десятилетие этих гаджетов появилось столько, что разбегаются и глаза, и уши.
Маркетологи всех мастей слаженным хором поют дифирамбы новейшим системам шумоподавления. Эксперты различного масштаба проводят тесты наушников и рассказывают, как здорово они отсекают окружающий шум. Рекламные ролики показывают, как измученный пользователь надевает такие наушники в грохочущем метро или посреди океанского шторма и вдруг оказывается в мире кристальной тишины и волшебных звуков чарующей музыки студийного качества.
Все это – неправда. Или, если помягче, – подмена действительного желаемым.
Сначала необходимо разобраться в том, как же работают системы активного шумоподавления. Для снижения уровня нежелательных звуков они используют эффект противофазы. Каждый такой наушник оборудован динамиком, собственным чипом и микрофоном. Микрофон улавливает окружающие звуки и отправляет их в слуховой канал, но перед этим чип обрабатывает их, инвертировав фазу. Все мы помним, что звук – это волна, и на экране компьютера он чаще всего выглядит, как извилистая линия, синусоида. Если перевернуть эту синусоиду "вверх ногами", то в том месте, где у нее выступающий "горб", появится "ямка". Это и есть инвертирование фазы. Самое интересное, что если сложить два сигнала – обычный и инвертированный, то они взаимно уничтожат друг друга, дав на выходе тишину.
Но так происходит только в идеальных, лабораторных условиях. В реальности на пути этого процесса возникает столько преград, что результат чаще всего получается очень далеким от идеала. Может быть, вы знаете, как выглядят студийные микрофоны: они довольно крупные и тяжелые. Такие размеры и масса нужны для того, чтобы микрофон воспринимал как можно больший частотный диапазон, от самых низких до самых высоких звуков.
А теперь вспомните, какого размера бывают потребительские наушники, особенно "вкладыши", за миниатюризацию которых сейчас активно бьются производители. Их микрофоны крохотные, воспринимающие лишь ограниченный спектр звуков, в основном средние частоты. Даже если представить, что противофаза действительно сработает на все сто, она сможет приглушить только эти самые среднечастотные звуки, но самые низкие и самые высокие частоты останутся нетронутыми. Для того чтобы система могла эффективно улавливать большинство звуков хотя бы в воспринимаемом человеком диапазоне, каждый наушник должен быть размером с мужской ботинок – только так в корпус можно будет поместить чувствительный микрофон, систему обработки, высококачественный динамик и аккумулятор, способный все это питать.
Но и это еще не все. Производители наушников стыдливо умалчивают о том, что далеко не все окружающие звуки проникают к барабанным перепонкам через ушные раковины. Наше тело – тоже проводник звука, пусть и не очень хороший. Огромная часть шумов проникает в нас через кости черепа, и это как раз в основном звуки низкого частотного диапазона. Как бы прекрасно ни работал шумодав, он ничего не сможет сделать со звуками, воздействующими на перепонку с обратной стороны. Да, они намного тише, но они все равно есть.
Есть и другие причины, почему шумоподавление не работает так, как хотят маркетологи. Например, для того чтобы гарантированно заглушить звук, нужно, чтобы инвертированный сигнал поступал абсолютно синхронно, что называется, "момент-в-момент". Но достичь этого ни одна система не способна – время тратится на запись, обработку и воспроизведение сигнала. Кроме того, не учитываются возникающие гармоники и резонансы, которые система не в состоянии отследить.
В общем, по нашему мнению, системы шумоподавления в наушниках – громкий маркетинговый ход, позволяющий повышать цены на устройства. Удивительно, что большинство пользователей не понимают, что шумодав не работает так, как заявлено. А для немногих недовольных у производителей всегда есть железобетонная отмазка: они списывают это на индивидуальные особенности некоторых пользователей и даже заверяют, что таких людей до 10 процентов. Вы слышите окружающий шум? Так это же прекрасно! Вы – редкий счастливчик со слишком хорошим слухом! И все счастливы.
Когда и работа, и отдых — дома, шумные соседи превращаются в пытку. Защититься от лишних звуков помогут современные технологии.
Примерно год назад из-за пандемии и требований к самоизоляции наши квартиры неожиданно превратились в офисы и учебные аудитории. С новым форматом работы пришли новые проблемы, и далеко не последняя из них — шум.
Против удаленщиков оказалось все: родственники, домашние животные, стиральные машины и телевизоры. И, конечно, настоящее проклятие любого, кто вынужден сидеть дома в рабочее время, — соседи с дрелью или грудным ребенком. При этом если по ночам вас хоть как-то защищает от шума закон о тишине, то днем они в своем праве.
Как избавиться от шума: пассивная звукоизоляция
Противостоять соседскому шуму можно пассивными и активными методами. Пассивные предполагают шумоизоляцию квартиры с помощью панелей для стен и напольных покрытий из звукопоглощающих материалов. Это довольно долгий и затратный, хотя и действенный метод.
Бюджетный вариант пассивной защиты — беруши. Самые распространенные беруши из вспененного полипропилена хорошо держатся не во всяком ухе. Более дорогие и продвинутые разновидности бывают из силикона или воска, у них эффективность шумоподавления и удобство, как правило, выше.
В целом беруши — это очень индивидуальная история: нужно пробовать совместимость разных моделей конкретно с вашими ушами. Также не забывайте, что беруши необходимо менять или дезинфицировать. Кроме того, не стоит носить их постоянно — это не очень-то полезно для здоровья.
Ну и самое главный недостаток этого прекрасного изобретения: с берушами в ушах вы хуже слышите не только шум, но и нужные звуки — например, коллег во время видеозвонка. Так что здесь приходит черед активных методов.
Как избавиться от шума: активное шумоподавление
Активные методы предполагают, что вы не отгораживаетесь от нежелательных звуков, а заглушаете или фильтруете их с помощью технических средств. Идею активного шумоподавления почти век назад предложил немецкий ученый Пауль Люг (Paul Lueg), запатентовавший метод нейтрализации шума специальным звуковым сигналом.
Наушники с активным шумоподавлением
Помимо наушников, существуют и умные беруши с функцией активного шумоподавления. Они работают так же, только послушать в них музыку или подключиться к конференции не получится. Зато устройство пригодится вам, если шум в квартире или снаружи мешает спать.
Впрочем, абсолютной тишины с помощью подобных гаджетов не добиться: они справляются далеко не со всеми посторонними звуками. Монотонный гул в самолете, например, они гасят эффективно, а вот звонкий собачий лай — не очень.
Если вы решитесь купить такое устройство, сперва изучите обзоры и отзывы и по возможности протестируйте его прямо в магазине — так вы убережете себя от разочарования.
Защита от шума на созвонах: микрофоны с фильтрами
Если вам приходится часто участвовать в онлайн-конференциях, не лишним будет позаботиться и о комфорте собеседников, ведь им слушать дрель вашего соседа тоже не очень интересно. В этом поможет микрофон с шумоподавлением.
Чаще всего работает он за счет… второго микрофона! Один из микрофонов расположен ближе к источнику нужного звука (то есть к вашим губам), другой подальше. Оба примерно одинаково считывают окружающий фон, а вот полезный сигнал — речь человека — первый улавливает гораздо лучше. Устройство отсеивает совпадающие звуки и получает очищенную от шума речь.
Если у вас обычная гарнитура с одним микрофоном, а покупать новую вам почему-либо не хочется, присмотритесь к адаптерам с шумоподавлением — если подключить гарнитуру через такое устройство, вас на том конце провода будут слышать лучше. Правда, такие адаптеры стоят не очень дешево.
Настройки шумоподавления в операционной системе
Если вы категорически не хотите покупать новые устройства, можно попытаться убрать посторонние звуки штатными средствами компьютера. В настройках операционных систем есть функция шумоподавления. Эффект от нее, как и в случае со специальным микрофоном, смогут оценить лишь ваши собеседники.
Соответствующие настройки в Windows могут называться по-разному для разных звуковых карт, а для некоторых — вообще быть недоступны. Но, скажем, в случае Realtek, чтобы настроить шумоподавление, нужно зайти в Панель управления, выбрать Звук, добраться до свойств микрофона и на вкладке Улучшения включить шумоподавление и подавление эха.
Также стоит попробовать уменьшить параметр Усиление микрофона на вкладке Уровни. Дело в том, что вместе с голосом он усиливает и шум.
Встроенная функция шумоподавления есть и в macOS. Чтобы ее включить, нужно открыть Системные настройки, выбрать категорию Звук, перейти на вкладку Ввод, выбрать микрофон и отметить Использовать шумоподавление.
Приложения для борьбы с шумом
Встроенные средства для борьбы с шумом есть и в самих приложениях для видеоконференций — например, в Zoom и Skype.
Генераторы шума
Если звуки, доносящиеся от соседей, мешают не говорить, а, например, уснуть, спасением может стать, как ни странно, генератор шума — не синхронизированного, а практически любого. Дело в том, что равномерный шум (его разновидности называют белым, розовым и красным) маскирует посторонние звуки, делает их менее заметными и раздражающими. В ряде исследований было показано, что такой аккомпанемент помогает крепче спать.
Прежде чем покупать генератор шума, можно оценить эффективность метода в мобильном приложении, генерирующем фоновый звук. Динамики смартфона обычно слабоваты, но если подключить его, например, к беспроводной колонке, эффект станет более выраженным.
Вместо искусственного шума можно проигрывать записи умиротворяющих природных звуков — морского прибоя или дождя. В любом случае главное — не переборщить: к примеру, слишком высокая громкость способна навредить нежному слуху ребенка. И, конечно, не стоит забывать, что все люди разные, и понять, комфортно ли вам и вашим домочадцам с разными вариантами равномерного шума и фоновыми звуками можно только попробовав.
Перспективы борьбы за тишину
Способов полного избавления квартиры от внешних шумов пока не существует, но исследования в этой области ведутся.
Например, ученые из Наньянского технологического университета в Сингапуре представили технологию, блокирующую звуки с улицы. Исследователи использовали тот же принцип, что и в наушниках с шумоподавлением: для нужного эффекта в лабораторном оконном проеме им пришлось разместить по две дюжины динамиков и микрофонов.
Несмотря на прогресс технологий, не стоит пренебрегать и социальными средствами в борьбе за домашний комфорт. Пожалуй, лучшее из них — хорошие отношения с соседями. Если договориться с ними о часах тишины, когда ни вы, ни они не будете шуметь, проблема решится сама собой. Если же вас беспокоит не только и не столько шум, то мы подготовили для вас и другие полезные советы по созданию комфортной среды дома.
Сегодня системы активного шумоподавления — не такая уж и экзотика: их устанавливают в автомобилях и самолетах, встраивают в наушники и даже тестируют в помещениях. Между изобретением технологии и началом ее использования прошли десятки лет, а оригинальному автору идеи ее настойчивое продвижение и вовсе стоило научной карьеры. N + 1 рассказывает, как и зачем люди учились глушить шум шумом, каковы преимущества и недостатки таких систем, и что стало с немецким физиком Полом Люгом после того, как он все-таки получил патент на свое изобретение в США.
Схема регистрации звука угольным микрофоном — продольные колебания воздействуют на мембрану, заставляя ее сжиматься и разжиматься
Первый в истории патент на систему активного шумоподавления подал немец Пол Люг в январе 1933 года, за три дня до назначения Адольфа Гитлера рейхсканцлером. Автор предложил записывать нежелательный шум при помощи микрофона, передавать сигнал на громкоговоритель и воспроизводить в противофазе — звуковые волны наложатся и погасят друг друга, благодаря чему исходный шум исчезнет. Люг полагает, что изобретение можно использовать для борьбы с эхом в театрах и концертных залах, а также для подавления шума печатных машинок в конторах.
Схематическое описание системы активного шумоподавления Пола Люга в американском патенте (М — микрофоны, L — громкоговорители)
Paul Lueg / United States Patent and Trademark Office, 1936
Второе дыхание
В середине двадцатого века об идеях Пола Люга вспоминают на другом континенте: в 1954–1957 годах исследователь Лоуренс Фогель из США делает три патентные заявки на первые головные гарнитуры с активным шумоподавлением, которые предлагает использовать в шлемофонах летчиков. К концу того же десятилетия Radio Corporation of America по заказу ВВС США разрабатывает и тестирует экспериментальную модель таких наушников: в лаборатории с их помощью удается ослабить шум в 100 децибелов (типичная громкость в кабине пилота) до уровня 80–85 децибелов (сравнимо с очень громким криком).
Линейка громкости
Ощущение громкости звука пропорционально не амплитуде звуковой волны, а логарифму этой амплитуды, поэтому уровень громкости звука принято измерять в специальных единицах — децибелах. Увеличение громкости на 1 децибел соответствует возрастанию звукового давления (амплитуды волны) примерно в 1,122 раз, на 10 децибел — примерно в 3,16 раз.
Схема системы активного шумоподавления в головной гарнитуре, разработанная в Radio Corporation of America по заказу ВВС США
Willard Meeker / Wright Air Development Center technical report, 1959
Как это не работает
Несмотря на ряд преимуществ систем активного шумоподавления над обычной звукоизоляцией, у таких устройств есть существенные ограничения, о которых не всегда спешат сообщать в рекламе. Важно понимать, что в контексте любого реального прибора можно говорить лишь о приближенном воспроизведении шума в противофазе — заглушаемый звук не гасится полностью, а в той или иной мере ослабляется (если в задачи системы входит сохранить некий полезный сигнал — например, мелодию из наушников, — он также несколько искажается). К этому приводит целое множество технических сложностей.
Результаты испытаний системы активного шумоподавления в макетной комнате: на частоте менее 100 герц шум почти не подавляется
Bhan Lam et al. / Nature, 2020
Во-вторых, для внешних (не носимых) систем сложность может представлять геометрия области, в которой подавляется звук и которой определяется характер его распространения. Если под конкретные кабины самолетов и салоны автомобилей можно подстраиваться в ходе испытаний, то для массового применения в помещениях системы активного шумоподавления должны быть куда более универсальны (или, наоборот, требовательны к самому помещению). Кроме того, даже в областях сравнительно простой формы использование шумоподавляющих динамиков на практике может приводить к локальному повышению уровня громкости звуков.
Результаты компьютерной симуляции работы системы активного шумоподавления в самолете: наблюдаются как зоны пониженного звукового давления, так и зоны повышенного (сверху и снизу соответственно)
A. Bullmore, P. Nelson and S. Elliott / 10th Aeroacoustics Conference, 1986
Вопрос универсальности касается и характера заглушаемого звука — в воздушном и наземном транспорте шум достаточно однообразен, поскольку связан с работой периодических механизмов, пропеллеров или двигателей — это позволяет настраивать работу системы еще на этапе испытаний в лаборатории. В случае же обыкновенных наушников и помещений необходимо учить систему реагировать уже на разные звуковые колебания. Для этого нужно либо заблаговременно успевать записывать шум: в наушниках это неудобно из-за маленького расстояния от микрофона до уха, а в зданиях развешивать дополнительные микрофоны и динамики по территории, либо (что, как правило, практичнее) предусматривать несколько фиксированных режимов работы устройства и переключаться между ними в зависимости от типа шума.
В некоторых носимых устройствах (умных берушах) используется не заглушение, а маскировка шума. Эта технология не относится к активному шумоподавлению, однако имеет схожий принцип действия: к нежелательному звуку добавляют искусственно сгенерированный шум (например, белый шум или монотонные природные звуки: шум дождя или морского прибоя). В результате фоновые шумы не ослабляются, но становятся незаметными на фоне сгенерированного.
История продолжается
За десятки лет со дня представления патента активное шумоподавление прошло долгий путь — от двух печатных страниц патента, которые не были восприняты всерьез и разрушили карьеру их автора, до множества устройств и приспособлений для борьбы со звуком, окружающих нас в повседневной жизни.
Читайте также: