Що таке активне шумозаглушення (ANC) і як воно працює

Коли ми перебуваємо в галасливому автобусі, літаку або відкритому офісі, нам хочеться слухати музику або подкаст без постійного гудіння двигунів і розмов. Одне з найпомітніших нововведень у портативному аудіо для цього – це активне шумозаглушення (ANC). Технологія з’явилася ще в 1930-х роках завдяки патенту, що описує придушення звуку протилежною фазою, але вона стала доступною масовому користувачеві лише з появою компактних цифрових мікросхем. На відміну від звичайних навушників, які тільки перекривають вуха, системи ANC створюють власний протишум. Нижче читайте, що таке ANC і як воно влаштоване.

Звук і шум

Звук – це коливання тиску повітря або іншої речовини, яке поширюється хвилею. На графіках звук зазвичай зображують як синусоїду з чергуванням піків і спадів. Якщо два однакових сигнали збігаються за фазою, їхня амплітуда складається, і звук стає голоснішим. Якщо один сигнал зміщений на півхвилі і його піки збігаються із западинами іншого, два сигнали взаємно гасять один одного. Це явище називають руйнівною інтерференцією. Якщо змістити дві однакові звукові хвилі на половину їх довжини, позитивний тиск однієї буде компенсований негативним іншої, і підсумкова амплітуда наближається до нуля. На цьому принципі засноване активне шумозаглушення.

Як працює активне шумозаглушення

Активне шумозаглушення базується на ідеї створення “антишумової” хвилі, яка є точною, але перевернутою копією зовнішнього шуму. Щоб реалізувати цей принцип, потрібен набір компонентів:

Мікрофони. У навушниках розташовані маленькі мікрофони, які постійно “слухають” навколишнє середовище. Вони вловлюють шум до того, як він потрапить у вухо, а в гібридних системах присутні як зовнішні, так і внутрішні мікрофони.
Цифровий сигнальний процесор (DSP) або ANC-чіп. Цей процесор приймає сигнал з мікрофонів, коригує його, щоб він відображав те, що чує людина, а потім інвертує фазу. Саме фазовий зсув дозволяє погасити коливання тиску.
Цифро-аналоговий перетворювач і підсилювач. Інвертований сигнал перетворюється в аналоговий і підсилюється, щоб динамік міг відтворити антишум з потрібною амплітудою.
Динаміки. Вони одночасно відтворюють музику і антишум. Коли перевернутий сигнал зустрічає реальний шум у вусі, вони взаємно компенсують один одного, і ми чуємо тільки корисний сигнал.

На практиці активне шумозаглушення найефективніше справляється з постійними низькочастотними шумами (гул двигуна, вентилятори) і гірше – з раптовими або високочастотними звуками, наприклад голосами. Низькі частоти мають велику довжину хвилі, їх простіше передбачити і погасити, а високі частоти змінюються занадто швидко. В середньому навушники з ANC зменшують рівень шуму на 20-30 дБ.

Пасивний та активний захист

Пасивне шумозаглушення (правильніше говорити “ізоляція”) – це просто механічний бар’єр між шумом і вухом: щільні амбушури, беруші або навушники, які щільно облягають вухо. Такі засоби блокують звук за рахунок форми та щільності матеріалів; якщо є щілина, ефективність падає. Активне шумозаглушення використовує електроніку: мікрофони слухають шум, процесор формує антихвилю і подає її через динамік. Комбінуючи щільні амбушури (для поглинання високих частот) з електронним антишумом (для низьких частот), можна досягти максимального ефекту.

Види систем ANC

Існує кілька типів активного шумозаглушення, які відрізняються розташуванням мікрофонів і алгоритмами обробки.

Feedforward (прямий)

У feedforward-системах мікрофони встановлюють на зовнішній стороні чашки або корпусу. Вони вловлюють шум до того, як він потрапить у вухо, і процесор має час згенерувати антихвилю. Зовнішній мікрофон реагує на тривалі і складні шуми, а DSP коригує сигнал з урахуванням частотної характеристики навушників. Такий підхід простий і охоплює широкий спектр частот, але точність залежить від посадки навушників і вітру.

Feedback (зворотний)

У feedback-системах мікрофон розташовують всередині чашки, поруч з динаміком. Він вимірює звук, який реально досягає вуха, включно із залишковим шумом і антишумом. Зворотна схема дозволяє домогтися додаткового придушення за рахунок більш точних алгоритмів; виміряний всередині шум краще відображає те, що чує користувач. Такий тип добре справляється з низькочастотним гулом, але вимагає акуратного налаштування.

Гібридний

Гібридні системи поєднують зовнішній і внутрішній мікрофони. Один мікрофон протидіє шуму до потрапляння в вухо, інший коригує те, що не було погашено. Такий підхід забезпечує найбільш повне охоплення частотного спектру і кращу компенсацію помилок посадки. Гібридні схеми складніші і дорожчі, але саме вони використовуються в найкращих навушниках.

Активний та адаптивний режими

Деякі пристрої працюють в активному (постійному) режимі: антишум генерується з однаковою силою незалежно від обставин. Такий режим простіше реалізувати, але він швидше витрачає батарею. Адаптивний ANC аналізує гучність і спектр шуму та змінює інтенсивність антишуму, економлячи заряд і знижуючи відчуття тиску.

Порівняння типів

Тип ANC	Розташування микрофона	Переваги та особливості
Feedforward	Ззовні	Проста конструкція, широкі частоти, залежить від посадки.
Feedback	Всередині	Вимірює реальний звук у вусі, забезпечує більш точну компенсацію низьких частот. Потребує точного налаштування.
Гібридний	Ззовні і всередині	Краще охоплення та компенсація, але складніше і дорожче.

Переваги активного шумозаглушення

Активне шумозаглушення забезпечує не тільки тишу. Є й інші переваги:

Чітке звучання при меншій гучності. Коли фонові звуки приглушені, музика, аудіокниги та подкасти стають чіткими навіть на низькій гучності. Зниження шуму зберігає деталі і дозволяє насолоджуватися аудіо без зайвого підвищення гучності.
Занурення і концентрація. Слабкий фон зменшує відчуття “відстороненості”. Можна перетворити нудну поїздку або роботу в особистий концерт. В офісі або бібліотеці активне шумозаглушення допомагає утримувати фокус.
Охорона слуху. Немає необхідності перекрикувати шум, тому можна слухати музику тихіше. Це знижує ризик пошкодження слуху і втоми. Додатково зменшення шуму знижує стрес і втому, викликані постійним гулом.
Використання в різних сферах. Активне шумозаглушення застосовується не тільки в навушниках. Спочатку його використовували в авіації та суднобудуванні; сьогодні ця технологія застосовується в автомобілях для зниження шуму шин і вітру, а також в “розумних” вікнах.

Обмеження та незручності

У технології є й мінуси:

Складніше видалити високі частоти та раптові звуки. Високочастотний та випадковий шум важко інвертувати, тому ANC краще працює з низькочастотним гулом.
Споживання енергії. Постійний аналіз і генерація антишуму вимагають живлення. Активний режим витрачає батарею швидше, ніж адаптивні системи.
Вартість. Пристрої з ANC дорожчі, оскільки містять мікрофони, процесори та батареї.
Побічні ефекти. У деяких людей при інтенсивному ANC виникає легке запаморочення або відчуття тиску. Це пов’язано з дуже низькочастотними вібраціями, які можуть впливати на органи рівноваги; зниження інтенсивності зазвичай усуває дискомфорт.

Історія та застосування

Перший опис принципу активного шумозаглушення датується 1930-ми роками: німецький вчений запропонував придушувати звук протифазним сигналом. Довгий час технологія використовувалася тільки в авіації, тому що тодішні аналогові схеми були громіздкими. З розвитком цифрових процесорів і мініатюризації компонентів система розмістилася в бездротових навушниках, і на початку 2020-х активне шумозаглушення стало масовим. Зараз такі системи зустрічаються в літаках, автомобілях, студіях, “розумних” вікнах і навіть у побутовій техніці.

Приклади навушників з активним шумозаглушенням

Для наочності наведемо кілька прикладів сучасних навушників, які використовують ANC:

Marshall Monitor III A.N.C. – повнорозмірні навушники з поліпшеною технологією активного шумозаглушення. Вони забезпечують до 70 годин роботи з ANC і дозволяють насолоджуватися музикою протягом усього дня. Ці навушники безперервно вимірюють зовнішній шум і створюють протифазний сигнал, а режим “Прозорість” дозволяє впускати навколишні звуки за бажанням. Завдяки функції динамічної гучності автоматично підлаштовуються високі, середні та низькі частоти для оптимального звучання. Корпус складаний і міцний, передбачені кнопки для керування відтворенням і настроювана M-кнопка для швидкого доступу до улюблених функцій. Модель також підтримує Bluetooth LE Audio для більш стабільного з’єднання і майбутнього стандарту Auracast.
Marshall Motif II A.N.C. – компактні вкладиші з активним шумозаглушенням. Невеликий зарядний футляр забезпечує до 30 годин відтворення, а самі навушники працюють близько 6 годин від одного заряду. Вони підтримують Bluetooth LE Audio, що покращує якість з’єднання і синхронізацію звуку. Покращене ANC і можливість розширити плейлист через додаток дозволяють повністю зануритися в музику без зайвих шумів. Корпус зарядного кейса і накладки виготовлені на 70% з переробленого пластику, що підкреслює екологічний підхід бренду, а звук збалансований по всьому діапазону частот.

Висновок

Активне шумозаглушення перетворює шум на тишу і дозволяє комфортно слухати музику або працювати. Основа технології – руйнівна інтерференція: антихвиля, зміщена по фазі, гасить вихідний шум. Система ANC використовує мікрофони, процесор, перетворювачі і динаміки для створення антишуму в реальному часі. Різні типи (feedforward, feedback і гібридні) по-різному розташовані, але всі служать одній меті – дати нам можливість насолоджуватися тишею в галасливому світі.