Как работает шумоподавление в наушниках и почему оно спасает не от всех внешних звуков

В 2020 году из‑за перехода на удалёнку многим понадобились наушники, чтобы общаться с коллегами в онлайн‑конференциях и дистанцироваться от домочадцев. Особую популярность обрели гаджеты с шумоподавлением: они помогали лучше сосредоточиться на работе за счёт того, что снижали уровень внешнего шума.

Но существуют такие модели уже давно: бытовые наушники с системой шумоподавления впервые вышли аж в 1989 году. Совсем недавно внимание к этой функции привлекла Apple, выпустив AirPods Pro, а затем и AirPods Max.

Многие ожидают, что наушники с шумоподавлением полностью «выключат» окружающие звуки, и разочаровываются, когда этого не происходит. Чтобы понять, почему технология не имитирует кнопку Mute, нужно разобраться с тем, как она работает.

Как работает активное шумоподавление

Технология активного шумоподавления перекочевала в бытовую технику из военной: уже в середине XX века такие системы использовались для снижения уровня шума в кабинах самолётов и вертолётов. Первые накладные наушники с активным шумоподавлением были созданы для вертолётов в 1957 году.

Для домашнего применения технологию адаптировала компания Bose — именно её наушники и стали шумоподавляющими первопроходцами на рынке бытовой электроники в 1989‑м.

Принцип работы таков: система микрофонов определяет уровень шума вокруг наушников, а потом сигнал с такой же амплитудой, но в противофазе воспроизводится в динамиках. В итоге волны шума и антишума взаимно гасят друг друга. Конечно, для того, чтобы создавалась противофазная волна, нужно, чтобы наушники были подключены к какому‑нибудь источнику питания, потому такая система и называется активной.

Реализовать её на практике не так просто, как кажется. Всё дело в самой природе звука. Сгенерировать сигнал в противофазе — сложная задача: её нужно успеть выполнить быстро и точно. Быстро, потому что шум может меняться, например в кафе то чашки стучат о блюдца, то кого‑нибудь поздравляют с днём рождения, то есть непостоянный звуковой фон и под него нужно подстраиваться. Точно, потому что отклонение между фазой и противофазой может привести к неприятным искажениям.

Именно поэтому лучше всего активное шумоподавление справляется с монотонными низкочастотными звуками вроде гула двигателей самолёта или вентиляции. У них более‑менее постоянная амплитуда, да и длина волны у низких частот достаточно большая и прощает некоторое расхождение сигналов в фазе и противофазе. В случае с кафе основу шума создают средне- и высокочастотные звуки, у которых длина волны намного меньше и амплитуда меняется резче — требования к противофазному сигналу у них выше.

Современные системы активного шумоподавления пока что не обладают достаточной вычислительной мощностью для того, чтобы уводить в тишину разговоры посторонних людей и внезапный грохот. Но с монотонным фоновым шумом они справляются хорошо.

Как работает пассивное шумоподавление

Помимо активного шумоподавления есть ещё и пассивное. Это, можно сказать, звукоизоляция: надеваешь наушники — и всё вокруг становится приглушённым. Оно не требует электричества и зависит только от того, насколько плотно устройство прилегает к ушам и голове. Если есть хоть какой‑то зазор — шум будет слышен.

Именно поэтому в комплекте с внутриканальными наушниками идут сразу несколько пар насадок, различных по размеру: уши у всех разные, подобрать идеальные амбушюры иногда непросто. Если они будут сидеть не очень крепко, гаджет не обеспечит должного уровня звукоизоляции.

Но идеально подобранные насадки эффективно гасят как раз тот самый шум, с которым активное шумоподавление справиться не может: средние и высокие частоты, резкие, внезапные звуки. Потому что эта схема не полагается на скорость работы электроники, а попросту глушит всё вокруг, хоть и не до полной тишины.

В полноразмерных наушниках с большими чашками пассивное шумоподавление тоже играет немалую роль. Чем плотнее амбушюры прижимаются к голове, тем меньше слышно шума и тем меньше о вашей музыке узнают те, кто находится неподалёку. Но если у внутриканальных наушников можно поменять неподошедшие насадки, то с полноразмерными, плохо сидящими на голове, ничего не поделать.

И всё равно идеальной тишины с таким гаджетом не добиться. Причина опять кроется в природе звука и в материалах. Звук распространяется там, где есть среда. Помешать ему могут физические преграды, поэтому можно попросту закрыть уши руками и заглушить мир вокруг.

Помните большие строительные наушники, которые носят для защиты от резких звуков, например отбойного молотка? В них нет никакой электронной начинки — они просто накрывают уши, создавая для шума физическую преграду и освобождая руки. При этом они всё равно не дают полной тишины: отбойный молоток слышно, хоть и глухо.

Чтобы получить в таких наушниках максимальную звукоизоляцию, нужно добавить больше поглощающего материала, из‑за чего они станут заметно тяжелее и объёмнее. А теперь представьте, что к уже прибавившим в весе наушникам придётся подключить всю необходимую электронику. Модель станет очень тяжёлой.

Конечно, производители совершенствуют и материалы, из которых изготавливаются наушники, и их электронную начинку, но до создания идеальной тишины им пока далеко. Сейчас они пытаются соблюдать баланс между комфортом использования и эффективностью предлагаемых функций.

Что влияет на качество шумоподавления

На рынке есть множество компаний, предлагающих наушники с активным шумоподавлением, но как понять, у кого оно лучше всех?

Можно взглянуть на характеристики. Например, чем больше микрофонов, работающих в системе шумоподавления, тем точнее будет считываться окружающий уровень гула и тем правильнее станет строиться противофазный сигнал. Чем мощнее и современнее процессор, тем быстрее система будет реагировать на изменения в шуме вокруг. Теоретически.

Некоторые компании предлагают даже алгоритмы персонализации шумоподавления, например Sony, Bose, Samsung, Apple. У наушников, оснащённых такими системами, помимо микрофонов, слушающих шум снаружи устройства, есть ещё и микрофоны, считывающие шум внутри.

Во время калибровки наушники воспроизводят тестовые сигналы, а те самые внутренние микрофоны считывают отклик. По результатам калибровки алгоритм шумоподавления корректирует свою работу: он теперь подстроен под геометрию конкретных ушей и головы.

На работу системы активного шумоподавления влияет и пассивная звукоизоляция. Если наушники прилегают неплотно и пропускают шум, противофазный сигнал будет работать не так эффективно. Большинство полноразмерных наушников с активным шумоподавлением оснащены большими мягкими амбушюрами, обнимающими все изгибы головы для максимально качественной звукоизоляции.

Как не попасться на уловки маркетологов

Проблема наушников с шумоподавлением в том, что компании лукавят: в рекламных роликах при включении шумоподавления вечеринка сменяется звенящей тишиной, место стучащего колёсами поезда занимают безмятежные альпийские луга, а кричащий на соседнем сиденье младенец растворяется в дымке.

Но в силу физики самого процесса шумоподавления такого эффекта достичь нереально. Изначально, кстати, компания Bose честно называла свои наушники Noise‑Reducing — «шумоуменьшающие», но потом, как и другие, перешла на термин Noise‑Cancelling — «шумоподавляющие».

В итоге пользователи, надеясь на тишину, спускаются в таких наушниках в метро, включают шумоподавление... Завывания ветра в тоннеле пропадают, а вот студенты, рассказывающие о сдаче сессии с надрывом Станиславского, — нет. И то, как кто‑то кашлянул рядом, слышно. Глухо, но всё-таки слышно.

При этом в маркетинговых материалах разработчики очень любят хвастаться тем, что их система обеспечивает шумоподавление, например, до −15 дБ. Первое, на что обращаем внимание, — слово «до». Второе — на то, что не указано, в каких условиях можно достичь этих −15 дБ. То есть какие‑то цифры есть, но как сопоставить их с реальностью — не очень понятно.

Ещё одна уловка — подмена понятий. Бывает, что в описании наушников шумоподавлением называют систему, которая гасит шум при передаче голоса во время звонков. То есть ваш собеседник слышит вас более чётко. А вот на подавление внешних шумов при прослушивании музыки она вообще никак не влияет.

Что в итоге

Технология шумоподавления в том виде, в котором её преподносят рекламные отделы производителей наушников, не существует. Более того, эффект от неё индивидуальный и зависит от физических параметров конкретного слушателя. Кому‑то полноразмерные наушники обеспечат должную пассивную звукоизоляцию, при которой активное шумоподавление будет работать хорошо. А у другого человека, например из‑за иного строения скул, наушники будут прилегать не так плотно и алгоритм окажется неэффективным. Так что всё нужно примерять.

Модели с активным шумоподавлением подойдут для тех, кто много передвигается в транспорте: в автобусах, поездах и на самолётах. Главная особенность таких наушников — возможность глушить монотонный низкочастотный гул, и именно он чаще всего сопровождает в поездках. Качественным активным шумоподавлением отличаются, например:

• Sony WH‑1000XM4,
• Soundcore Liberty Air 2 Pro,
• Sennheiser Momentum True Wireless 2,
• Marshall Monitor II ANC,
• Samsung Galaxy Buds Pro.

Тем же, кто пытается спастись от шумных офисов и домочадцев, стоит уделить особое внимание посадке наушников и искать модели, максимально плотно прилегающие к голове или к ушному каналу. Такие наушники снижают уровень всего шума вокруг, в том числе и голосов. Но их по советам не выбрать: нужно примерять.

Если вам попадётся модель, которая хорошо и плотно сидит и к тому же оснащена функцией активного шумоподавления, можно только порадоваться: вы получите лучшее от двух миров. Но идеальной тишины все равно не добьётесь.