Системы снижения шумов в современных автомобилях. Активное шумоподавление в наушниках и почему от него болит голова

Жизнь в мегаполисе наполнена звуками. Каждый раз при выходе из дома нас ожидает городской оркестр, подготовивший новое «представление». Правда, стилистика похожа на все предыдущие, вот только расставлены инструменты иначе. Порой бывает приятно окунуться в звучание урбана, за исключением двух моментов: когда едешь на работу и когда возвращаешься домой. Бравый утренний настрой сбивает шум проезжающих машин, гвалт толпы, да и в метро сидящий рядом человек порой огорчает своим музыкальным репертуаром, вырывающемся из накладных наушников. Ну а вечером... Да вы и сами понимаете, как тяжело бывает вечером. Дабы сохранить «внутреннее дзен», человек выбирает простой и вполне оправданный способ - наушники.

Приоритет зачастую отходит внутриканальным моделям за счет простой логики – чем ближе и плотнее они сидят в ухе, тем меньше пропустят внешних звуков. Не обращая внимания на дополняющие название модели аббревиатуры (наподобие «NC») и, к тому же, считая это очередным колдовством маркетологов, человек поступает крайне опрометчиво. Почему? Дело в том, что существует два вида изоляции: пассивная и активная. Пассивная шумоизоляция достигается стандартным образом – чем плотнее затычки прилегают к стенкам ушного канала, тем меньше шума проходит внутрь. Но! Среди звуковых свойств, а именно свойств Р-волны, имеется возможность проходить сквозь твердые тела, в том числе и через корпус наушников. Для нейтрализации такого эффекта и создана система активного шумоподавления (далее – САШ).

Принцип работы

Для начала разберемся в принципе работы активного шумоподавления. Исключая занудство физических терминов и формул, проложим простой путь к пониманию. Внутреннее строение наушников с активным шумоподавлением имеет одну крайне важную особенность. Рядом с динамиком разработчики устанавливают микрофон, который измеряет амплитуду окружающего шума. Наравне с поступающими через корпус внешними колебаниями микрофон создает волну с аналогичной амплитудой, но с обратной фазой исходного сигнала. При наложении таких волн происходит процесс интерференции – они смешиваются в единое целое, тем самым подавляя друг друга. В итоге пользователь получает звучание, лишенное внешних искажений.

Преимущества САШ

Кроме нейтрализации внешнего шума, САШ имеет ряд дополнительных преимуществ, призванных служить не косметическим, а вполне полезным дополнением. Наушники со встроенной САШ удобнее аналогов с пассивным шумоподавлением. Они ориентированы на создание максимально комфортных условий для прослушивания и обычно имеют дополнительные зажимы, фиксирующие наушник в ушной раковине. Поскольку наушник зафиксирован, потребность в максимально плотно сидящих затычках отпадает сама собой. Шум блокируется по двум направлениям (с помощью САШ, а также пассивно затычками), что не мешает наслаждаться музыкой.

Другим наиболее весомым аргументом является защита слуха. Чтобы получить по этому поводу квалифицированное мнение, мы спросили о воздействии внешнего шума у отоларинголога П. И. Савельева.

«По вопросам снижения или потери слуха обращается много пациентов. Естественно, его частичная потеря обусловлена в большей степени возрастными рамками, но проблема широко распространена и среди молодежи. Снижение слуха данной группы в основном напрямую взаимосвязано с прослушиванием музыки в метро или на шумных улицах. Шум, проникающий через наушники, вызывает необходимость в значительной степени увеличить громкость музыки. Громкий звук воздействует на сенсорные элементы внутреннего уха, снижая уровень восприятия звуковой картины. Временное же нарушение слуха наблюдается после разового воздействия высокой громкости, превышающей отметку в 80 дБ. Если же пациент часто подвергался воздействию звуков повышенной громкости, то происходящие изменения могут стать необратимыми, после этого слух восстановить будет очень сложно».

Таким образом, САШ нейтрализует необходимость в постоянном повышении громкости, когда пользователь сталкивается с внешним фактором. Несмотря на некоторую безопасность, которую дает пассивная изоляция, наушники с САШ справляются намного лучше.

Разбираем САШ на примере HARMAN/KARDON Soho II NC

Чтобы продемонстрировать пример, наглядно отображающий все вышеперечисленные преимущества, были выбраны внутриканальные наушники .

В рассматриваемых наушниках присутствует улучшенная технология автоматического активного шумоподавления. Инженерам пришлось пересмотреть внутреннее расположение – процессор, ответственный за подавление шума, был перенесен в отдельный блок. Его можно отключить, когда закончится заряд или не будет надобности в нейтрализации шума. Включение и выключение САШ производится через пульт, встроенный в кабель наушников.

Слушать эти наушники в помещении – одно дело, игра с переключением режимов шумоизоляции даст мало результатов. Но если выйти на улицу, разница становится ощутимой – не слышно ничего, кроме музыки. При такой шумоизоляции не стоит забывать про осторожность. Будьте крайне внимательны при переходе и движении по проезжей части!

Для прочной и удобной посадки конструкцией Soho II NC предусмотрено наличие фиксаторов. Эта деталь крайне полезна, ведь давление амбушюр в ушном канале нивелируется за счет плотного прилегания фиксатора к внутренней части ушной раковины. Соответственно, с пассивной шумоизоляцией у произведения HARMAN/KARDON тоже все в порядке.

В завершение хочется в очередной раз отметить: выбирайте наушники с умом. Иногда лучше немного доплатить и получить действительно качественную и проверенную вещь, чем необдуманно купить бестолковые затычки, способные в будущем стать катализатором проблем со здоровьем.

Широкий выбор наушников на любой вкус и с САШ вы найдете в магазинах Doctorhead

Нашли опечатку в тексте? Выделите и нажмите Ctrl+Enter . Это не требует регистрации. Спасибо.

Пассажирам бизнес-класса авиакомпании обычно выдают «приветственный комплект», в который обязательно входят беруши. Действительно, монотонный гул мощных самолетных двигателей бывает невыносим, он не дает заснуть или наслаждаться любимой музыкой. Никакие наушники-пробки (или даже закрытые) не способны справиться с ним — пассивная шумоизоляция не слишком хорошо препятствует распространению низкочастотного звука, характерного как для самолетов, так и для других видов транспорта. Но на помощь могут прийти наушники с активным шумоподавлением.

Низвести шум

Сам принцип активного шумоподавления известен еще с 1930-х годов, но первые работающие прототипы, предназначенные для пилотов самолетов и вертолетов, появились в конце 1950-х. Правда, они оказались слишком громоздкими и не получили распространения. Лишь в конце 1980-х годов, когда размеры электронных компонентов стали достаточно малыми, компания Bose сделала первые практичные наушники с активным шумоподавлением.

Идея, лежащая в основе активного шумоподавления, достаточно проста. Звук представляет собой волну разрежений и уплотнений, а там, где есть волна, можно воспользоваться интерференцией. Создав инвертированную волну (точно в противофазе) в нужной точке (в ухе, как можно ближе к ушному каналу) и в нужное время, можно полностью погасить исходную. Именно так и работает система активного шумоподавления: внутри наушников расположены микрофоны, которые измеряют уровень фонового шума. Этот сигнал инвертируется и передается на динамик, который и обеспечивает возникновение волны в противофазе к шуму (при воспроизведении музыки нужно еще учесть «полезный сигнал» — вычесть его из измеряемого шума).

Основная проблема систем активного шумоподавления связана с неточным попаданием в противофазу. Даже небольшое смещение фазы приводит к серьезным искажениям. Поэтому активное шумоподавление хорошо работает с монотонным и низкочастотным шумом (длина волны низкочастотного звука велика, и поэтому расхождение по фазе мало) и плохо — с высокочастотными и резкими нерегулярными шумами — криками, речью, музыкой. С последними приходится бороться с помощью пассивной шумоизоляции. Часто в наушниках с активным шумоподавлением можно услышать тихое шипение — это как раз следствие неточности фазового сдвига высокочастотного шума.

Без путаницы

Избавиться от вечно путающихся и неудобных проводов стремились и создатели наушников с активным шумоподавлением. Все эти девайсы работают по протоколу Bluetooth, который позволяет не только передавать качественный стереозвук (хотя, конечно, аудиофилы с этим не согласятся) с помощью профиля A2DP (Advanced Audio Distribution Profile) и новых улучшенных кодеков AAC и AptX, но и управлять плеером мобильного устройства (для этого используется профиль AVRCP (Audio/Video Remote Control Profile). Наушники одновременно являются и беспроводными гарнитурами, поддерживающими профили Hands-Free Profile (HFP) и Headset Profile (HSP), что позволяет звонить и принимать звонки при подсоединении к смартфонам. Нужно только учесть, что шумоподавление при этом работает только в одну сторону, то есть ваш собеседник будет слышать все окружающие вас шумы. Кстати, все гарнитуры в нашем тесте оснащены NFC-идентификацией, так что подсоединять их к мобильным устройствам, которые поддерживают эту технологию, очень просто — достаточно просто коснуться тем же смартфоном точки со значком NFC на наушниках.

А еще все беспроводные наушники комплектуются проводами — по правилам авиакомпаний использование беспроводных устройств во время полета запрещено. Достаточно воткнуть провод в соответствующее гнездо наушников, и Bluetooth отключится автоматически. К тому же большинство моделей даже при полном разряде батарей продолжают работать как обычные проводные наушники.

Как мы тестировали

Для теста использовался смартфон Samsung Galaxy Note 3 (SM-N900). Обработка звука в наушниках (эквалайзер, эффекты) принудительно отключалась с помощью фирменных утилит или клавиш управления. В плеере устанавливался профиль эквалайзера Flat. Наушники тестировались в беспроводном и проводном режимах. Время работы указано при беспроводном прослушивании музыки с включенным шумоподавлением.

Nokia Purity Pro by Monster (BH-940)

Bluetooth: Ver. 3.0 NFC: есть Время работы: 24 часа Шумоподавление: 6/10

Эргономика ? При раскладывании включаются автоматически. Датчики включают шумоподавление, как только вы надеваете наушники, а также автоматически отключают их через несколько минут после снятия. Органы управления — механические кнопки. В целом, кроме небольшого размера кнопок, никаких нареканий наушники не вызвали, все достаточно удобно. Для подключения проводом используется стандартный 3,5-мм трехконтактный разъем.

Звучание Звучание хочется назвать зрелищным: бас — упругий и разборчивый, барабаны — хлесткие, как пощечина, голоса — чистые, без искажений. Увеличение громкости не приводит к искажениям. К сожалению, все это работает, только пока наушники подключены к плееру проводом. При проигрывании по Bluetooth появляются помехи, а кристальная яркость уступает место примитивной «замыленности». Неплохой компромисс — провод для дома, Bluetooth — для шумной улицы.

Плюсы: удобная эргономика; отличный звук по проводу; большое время автономной работы

Минусы: отсутствие фирменного приложения для управления и настройки; отсутствие индикации заряда батареи (на смартфоне или наушниках); средний уровень шумоподавления

Sennheiser MM 550-X Travel

Bluetooth: Ver. 2.1 NFC: есть Время работы: 8 часов Шумоподавление: 5/10

Эргономика Это одна из двух моделей в нашем обзоре, которые имеют выделенную кнопку включения режима сквозного звука. При ее нажатии динамики переключаются на передачу звука с внешних микрофонов. Качество передачи звука в режиме гарнитуры откровенно плохое, поскольку микрофоны слишком чувствительны и передают даже малейшие шумы, причем слышны они не только собеседнику, но и вам (шумоподавление при этом не работает).

Звучание У этих наушников весьма качественные динамики. К примеру, тарелки на них звучат натуральнее, чем на любых других, но только если в данный момент играют только тарелки. Но стоит музыкантам дать жару, звук наполняется искажениями в таком количестве, что становится сложно узнать голос певца. Очень жаль, но наушники именитой фирмы демонстрируют полное бессилие при прослушивании практически любой музыки, как без провода, так и с ним.

Плюсы: хорошая эргономика; встроенный процессор объемного звука; съемная батарея

Минусы: плохое качество звука (и как наушников, и как гарнитуры); отсутствие фирменного приложения для управления и настройки

Creative AURVANA Platinum

Bluetooth: Ver. 3.0 NFC: есть Время работы: 12 часов Шумоподавление: 8/10

Эргономика Наушники имеют три режима шумоподавления: «Самолет», «Улица» и «Офис», переключаются они вручную (у других производителей — автоматически). Как гарнитура удобны, хотя расположение микрофонов, возможно, не самое удачное — собеседник слышал помехи от окружающих шумов. Стоит также заметить, что шумоподавление включается и выключается независимо от наушников, что может привести к быстрому разряду батареи.

Звучание Разработчики хотели перенести слушателя в воображаемую комнату прослушивания, уединенную, надежную, уютную. Электроника участвует в обработке звука всегда (с проводом и без), наполняя его небольшой реверберацией для имитации пространства. Такой подход хорош для акустического блюза или камерных произведений. Музыка с мощной ритм-секцией тонет в громких, неразборчивых, «замыленных» реверберацией басах. Звучание интересное, но на любителя.

Плюсы: хорошее шумоподавление (и пассивное, и активное)

Минусы: звук среднего качества; кнопки сложно нащупать; отсутствие фирменного приложения для управления и настройки

Sony MDR-ZX750BN

Bluetooth: Ver. 3.0 NFC: есть Время работы: 13 часов Шумоподавление: 6/10

Эргономика Амбушюры наушников небольшие по размеру, поэтому их правильнее будет отнести не к закрытым, а к накладным. Тем не менее они ничем не уступают конкурентам. Кнопки управления на нижнем торце наушников удобны, хотя нащупать их не всегда просто. Качество передачи речи в режиме гарнитуры отличное. Шумоподавление имеет три режима, которые включаются автоматически после анализа окружающей звуковой обстановки. Можно включить шумоподавление и вручную, но только «уличный» режим.

Звучание Ого! Эти наушники с небольшим на вид динамиком — бескомпромиссный выбор бас-гитариста. Встроенный усилитель настроен на мощный, громкий, но при этом очень разборчивый бас. При этом высокие частоты воспроизводятся тихо и весьма небрежно. Sony можно смело рекомендовать любителям танцевальной музыки, электроники, хардкора, а также тем, кто хочет наизусть выучить партии Даффа Маккагана или Фли. Провод подключать не имеет смысла — без встроенного усилителя наушники практически бессильны.

Плюсы: неплохой беспроводной звук; хорошая передача речи в качестве гарнитуры

Минусы: кнопки сложно нащупать; отсутствие фирменного приложения для управления и настройки

Parrot Zik

Bluetooth: Ver. 2.1 NFC: есть Время работы: 6 часов Шумоподавление: 8/10

Эргономика ? Дизайн Филиппа Старка, белая кожа и золотое покрытие. Да и уровень шумоподавления очень хорош. Для управления производитель оставил две маленькие, утопленные в корпус механические кнопки — включения и шумоподавления, остальные команды отдаются с помощью сенсорной панели. Это на самом деле не слишком удобно. Сенсоры автоматически ставят музыку на паузу, когда вы снимаете наушники. При использовании в качестве гарнитуры собеседнику хорошо слышны окружающие шумы, несмотря на множество микрофонов, которые, по идее, должны нивелировать этот эффект.

Звучание Звучание этих наушников так и хочется обозвать противоестественным. Встроенный усилитель, который не отключается, усиливает самые высокие и самые низкие частоты, приглушая середину. Это давно известный способ сделать звук чуть бодрее, но искушенного слушателя на этот трюк не купить. Впрочем, есть у Parrot и сильная сторона: это единственная модель, полностью лишенная помех при прослушивании по Bluetooth.

Плюсы: отличное шумоподавление; удобная утилита для управления и настройки

Минусы: малое время автономной работы; среднее качество звука; неудобное сенсорное управление

Samsung Level Over

Bluetooth: Ver. 3.0 NFC: есть Время работы: 15 часов Шумоподавление: 8/10

Эргономика Две механические кнопки, включения и шумоподавления, остальное управляется с помощью сенсорной панели, что, на наш взгляд, не слишком удобно в силу незащищенности от случайного касания. В качестве гарнитуры модель работает хорошо. Существует фирменная утилита для управления наушниками с множеством возможностей настройки и обработки звука. Для некоторых смартфонов Samsung Galaxy доступны дополнительные возможности (голосовое управление). Кстати, это единственная модель в обзоре, которая имеет жесткий чехол в комплекте.

Звучание Эта модель подкупает запасом мощности. Она запросто устроит дискотеку даже в вагоне метро. Звучание у нее заводное, хотя и менее честное, чем у Monster. Веселья добавляет слегка усиленная верхняя середина, которая придает хлесткости ударным. В целом это универсальная, удобная, хорошо защищенная от шумов модель на все случаи жизни. Пользоваться проводом смысла нет, без «страхующей электроники» звучание модели намного скучнее.

Плюсы: отличное шумоподавление; удобная утилита для управления и настройки; неплохой звук; жесткий чехол в комплекте

Минусы: неудобное сенсорное управление

Plantronics Backbeat Pro

Bluetooth: Ver. 4.0 NFC: есть Время работы: 24 часа Шумоподавление: 7/10

Эргономика Регулировка громкости производится кольцом (более интуитивный способ сложно придумать). Мимо кнопок управления сложно промахнуться. Датчики автоматически включают паузу, когда вы снимаете наушники, и возобновляют воспроизведение, когда надеваете, постепенно увеличивая громкость. Это вторая модель в обзоре, которая имеет выделенную кнопку сквозного режима. Но работает она очень интересно: музыка не выключается полностью, а лишь приглушается, динамики переключаются на внешние микрофоны, причем качество передачи звука очень близко к «живому».

Звучание Стихия этих наушников — сложные аранжировки. Усиленные высокие частоты делают разборчивым звучание инструментов на заднем плане. Слушать их интересно, радует запас громкости, хотя недостаточно мощный усилитель выдает неразборчивые, хотя и громкие басы. Наушники подойдут любителям джаза, блюза и классики. Слушать рок и электронику на них скучновато. Разницы между прослушиванием с проводом и без провода мы не почувствовали.

Плюсы: великолепные эргономика и управление; неплохой звук; индикация заряда батарей; большое время автономной работы

Минусы: в комплекте не помешал бы жесткий чехол

Данный пример демонстрирует применение адаптивных фильтров для ослабления акустического шума в системах активного шумоподавления.

Активное шумоподавление.

Системы активного шумоподавления (active noise control) применяются для ослабления распространяющегося по воздуху нежелательного шума с помощью электроакустических приборов: измерительных устройств (микрофонов) и возбудителей сигнала (динамиков). Шумовой сигнал обычно исходит от некоторого устройства, например вращающегося механизма, и имеется возможность измерить шум рядом с его источником. Целью системы активного шумоподавления является создание «анти-шумового» сигнала с помощью адаптивного фильтра, который ослабит шум в определенной тихой области. Эта проблема отличается от обычного адаптивного шумоподавления тем, что: - ответный сигнал не может быть тут же измерен, а доступна только его ослабленная версия; - при адаптации система активного шумоподавления должна учитывать вторичную ошибку распространения сигнала от динамиков до микрофона.

Более детально задачи активного шумоподавления рассмотрены в книге S.M. Kuo и D.R. Morgan, "Active Noise Control Systems: Algorithms and DSP Implementations", Wiley- Interscience, New York, 1996.

Путь вторичного распространения.

Путь вторичного распространения – это путь, который проходит «анти-шумовой» сигнал с выхода динамиков до измеряющего ошибку микрофона, находящегося в тихой зоне. Следующие команды описывают импульсную характеристику пути динамик-микрофон с ограниченной полосой 160-2000 Гц и длиной фильтра равной 0.1 с. Для этой задачи активного шумоподавления мы будем использовать частоту дискретизации равную 8000 Гц.

Fs = 8e3; % 8 КГц N = 800; % 800 отсчетов на 8 КГц = 0.1 секунды Flow = 160; % нижняя частота среза: 160 Гц Fhigh = 2000; % верхняя частота среза: 2000 Гц delayS = 7; Ast = 20; % подавление 20 дБ Nfilt = 8; % порядок фильтра % Создание полосового фильтра для имитации канала с ограниченной полосой % пропускания Fd = fdesign.bandpass("N,Fst1,Fst2,Ast" ,Nfilt,Flow,Fhigh,Ast,Fs); Hd = design(Fd,"cheby2" ,"FilterStructure" ,"df2tsos" ,... "SystemObject" ,true); % Фильтрация шума для получения импульсной характеристики канала H = step(Hd,); H = H/norm(H); t = (1:N)/Fs; plot(t,H,"b" ); xlabel("Время, с" ); ylabel("Значения коэффициентов" ); title("Импульсная характеристика вторичного пути распространения сигнала" );

Определение вторичного пути распространения.

Первой задачей системы активного шумоподавления является определение импульсной характеристики пути вторичного распространения. Этот шаг обычно выполняется перед шумоподавлением с помощью синтезированного случайного сигнала, проигрываемого динамиками, при отсутствии шума. Нижеприведенные команды генерируют случайный сигнал длительностью 3.75 с, а также измеренный микрофоном сигнал с ошибкой.

NtrS = 30000; s = randn(ntrS,1); % синтез случайного сигнал Hfir = dsp.FIRFilter("Numerator" ,H."); dS = step(Hfir,s) + ... % случайный сигнал прошедший через вторичный канал 0.01*randn(ntrS,1); % шум микрофона

Создание фильтра для оценки вторичного пути распространения.

В большинстве случаев для адекватного управления алгоритмом длительность отклика фильтра, оценивающего вторичный путь распространения, должна быть короче самого вторичного пути. Мы будем использовать фильтр 250 порядка, что соответствует импульсной характеристике длиной 31 мс. Для этой цели подходит любой алгоритм адаптивной КИХ- фильтрации, но обычно используют нормализованный алгоритм нахождения минимальной среднеквадратической ошибки (normalized LMS-алгоритм) ввиду его простоты и устойчивости.

M = 250; muS = 0.1; hNLMS = dsp.LMSFilter("Method" ,"Normalized LMS" ,"StepSize" , muS,... "Length" , M); = step(hNLMS,s,dS); n = 1:ntrS; plot(n,dS,n,yS,n,eS); xlabel("Число итераций" ); ylabel("Уровень сигнала" ); title("Идентификация вторичного пути распространения с NLMS-алгоритма" ); legend("Ожидаемый сигнал" ,"Сигнал на выходе" ,"Сигнал ошибки" );

Точность полученной оценки.

Как точно оценивается импульсная характеристика вторичного пути? Этот график показывает коэффициенты настоящего пути и пути, рассчитанного алгоритмом. Только конец полученной импульсной характеристики имеет неточности. Эта остаточная ошибка не навредит производительности системы активного шумоподавления во время ее работы над выбранной задачей.

Plot(t,H,t(1:M),Hhat,t,); xlabel("Время, с" ); ylabel("Значения коэффициентов" ); title("Определение импульсной характеристики вторичного пути распространения" ); legend("Действительная" ,"Оцененная" ,"Ошибка" );

Основной путь распространения сигнала.

Путь распространения шума, который должен быть подавлен, может быть также описан с помощью линейного фильтра. Следующие команды генерируют импульсную характеристику пути источник шума-микрофон с ограниченной полосой 200-800 Гц и имеет длительность отклика равную 0.1 с.

DelayW = 15; Flow = 200; % нижняя частота среза: 200 Hz Fhigh = 800; % верхняя частота среза: 800 Hz Ast = 20; % подавление 20 дБ Nfilt = 10; % порядок фильтра % Создание полосового фильтра для имитации импульсного отклика с % ограниченной полосой Fd2 = fdesign.bandpass("N,Fst1,Fst2,Ast" ,Nfilt,Flow,Fhigh,Ast,Fs); Hd2 = design(Fd2,"cheby2" ,"FilterStructure" ,"df2tsos" ,... "SystemObject" ,true); % Фильтрация шума для получения импульсной характеристики G = step(Hd2,); G = G/norm(G); plot(t,G,"b" ); xlabel("Время, с" ); ylabel("Значения коэффициентов" ); title("Импульсная характеристика первичного пути распространения" );

Подавляемый шум.

Типичная область применения активного шумоподавления – приглушение звука от вращающихся механизмов из-за его раздражающих свойств. Здесь мы искусственно сгенерируем шум, который может поступать от обычного электрического мотора.

Инициализация системы.

Самым распространенным алгоритмом для систем активного шумоподавления является LMS- алгоритм с дополнительной фильтрацией выходного сигнала фильтра перед формированием сигнала ошибки (Filtered-x LMS algorithm). Этот алгоритм использует оценку вторичного пути распространения для расчета выходного сигнала, который разрушительно влияет на нежелательный шум в области датчика измерения ошибки. Опорным сигналом является зашумленная версия нежелательного звука, измеренная вблизи его источника. Мы будем использовать управляемый фильтр с длительностью отклика около 44 мс и шагом подстройки равным 0.0001.

% КИХ фильтр используемый для моделирования первичного пути распространения Hfir = dsp.FIRFilter("Numerator" ,G."); % Адаптивный фильтр реализующий алгоритм Filtered-X LMS L = 350; muW = 0.0001; Hfx = dsp.FilteredXLMSFilter("Length" ,L,"StepSize" ,muW,... "SecondaryPathCoefficients" ,Hhat); % Синтез шума с помощью синусоид A = [.01 .01 .02 .2 .3 .4 .3 .2 .1 .07 .02 .01]; La = length(A); F0 = 60; k = 1:La; F = F0*k; phase = rand(1,La); % случайная начальная фаза Hsin = dsp.SineWave("Amplitude" ,A,"Frequency" ,F,"PhaseOffset" ,phase,... "SamplesPerFrame" ,512,"SampleRate" ,Fs); % Проигрыватель аудио для воспроизведения результатов работы алгоритма Hpa = dsp.AudioPlayer("SampleRate" ,Fs,"QueueDuration" ,2); % Анализотор спектра Hsa = dsp.SpectrumAnalyzer("SampleRate" ,Fs,"OverlapPercent" ,80,... "SpectralAverages" ,20,"PlotAsTwoSidedSpectrum" ,false,... "ShowLegend" ,true);

Симуляция разработанной системы активного шумоподавления.

Здесь мы сымитируем работу системы активного шумоподавления. Чтобы подчеркнуть разницу первые 200 итераций шумоподавление будет отключено. Звук на микрофоне до подавления представляет характерный «вой» промышленных моторов.

Результирующий алгоритм сходится примерно через 5 с (имитационных) после включения адаптивного фильтра. Сравнивая спектры сигнала остаточной ошибки и исходного зашумленного сигнала, можно наблюдать, что большая часть периодичных компонент была успешно подавлена. Однако эффективность стационарного шумоподавления может быть неравномерна по всем частотам. Такое часто бывает в реальных системах, применяемых для задач активной борьбы с шумом. При прослушивании сигнала ошибки раздражающий «вой» значительно снижается.

for m = 1:400 s = step(Hsin); % генерация синусоид со случайной фазой x = sum(s,2); % генерация шума сложением всех синусоид d = step(Hfir,x) + ... % распространение шума через первичный канал 0.1*randn(size(x)); % добавление шума, сопроводающего процесс измерения if m <= 200 % отключение шумоподавления на первые 200 итераций e = d; else % включение алгоритма шумоподавления xhat = x + 0.1*randn(size(x)); = step(Hfx,xhat,d); end step(Hpa,e); % воспроизведение сигнала на выходе step(Hsa,); % спектр исходного (канал 1) и ослабленного (канал 2) сигналов end release(Hpa); % отключение динамиков release(Hsa); % отключение спектроанализатора Warning: The queue has underrun by 3456 samples. Try increasing queue duration, buffer size, or throughput rate.

Звуковая волна представляет собой волну сжатия и разрежения воздуха. Если с помощью динамиков создать волны той же частоты и амплитуды, но противоположной фазы, то они ослабят друг друга. В этом и заключается принцип работы ANC (Active Noise Control), показанный на рисунке 1. Активное шумоподавление - технология, позволяющая значительно снизить уровень шума, особенно если источник звука хорошо локализован. Еще лучшие результаты ANC показывает, если спектр шума имеет периодические составляющие.

В инновационной компании Promwad ведется разработка встраиваемых масштабируемых систем активного шумоподавления для различных сфер применения.

Сферы применения ANC-систем

• Вентиляция
• Тихие серверные шкафы
• Окна и откосы
• Легковые и грузовые авто

Рисунок 1 - Принцип работы ANC

Вентиляционные устройства, вытяжки, компрессоры

Одной из очевидных областей применения системы активного шумоподавления является вентиляция - вентиляционные устройства, вытяжки, компрессоры. Системы вентиляции с механическим побуждением являются шумными, что может негативно сказываться на людях, которые долго находятся в таких помещениях. Примером такого помещения могут служить «чистые» комнаты, где людям приходится работать много часов подряд. Принцип активного шумоподавления был предложен уже давно, в 1936 году П. Леугом, однако тогда не было технической возможности применить ANC-систему в современном понимании, и до недавнего времени проблема шума от вентиляции решалась лишь при помощи установки звукопоглощающих конструкций, звуковых экранов и различных резонаторов. Сейчас мы разрабатываем масштабируемую ANC-систему для вентиляции.

В этом фрагменте аудиозаписи показан результат моделирования ANC-системы. Сначала она выключена, отчетливо слышен шум вентилятора. Потом система включается, и шум ослабевает - из спектра пропадают периодические составляющие. В представленном примере не моделировалась пассивная звукоизоляция, которая способна еще больше улучшить результат.

Тихие монтажные шкафы для серверов

Тихие монтажные шкафы для серверов - еще один востребованный продукт, где с успехом может применяться ANC-система в совокупности с пассивными средствами звукоизоляции. Такой симбиоз двух принципов наиболее эффективен, потому что шум глушится во всем диапазоне частот: ANC наиболее эффективна в области низких частот, а пассивная звукоизоляция - в области средних и высоких частот. Вообще говоря, пассивная звукоизоляция может быть эффективной и в области низких частот, но толщина звукоизолирующего материала должна составлять не менее половины длины волны. Например, для гула с частотой 50 Гц для эффективной шумоизоляции нужен слой материала толщиной около 3 метров, что для серверного шкафа - нереализуемое требование. А ANC-система гораздо компактнее, и к тому же не препятствует потоку воздуха для вентиляции содержимого шкафа.

Стеклопакеты и откосы

Перспективная область применения ANC - стеклопакеты и откосы . Если дом находится вблизи магистрали, то постоянный шум может вредно сказаться на здоровье жителей. Поэтому в наших ближайших планах - адаптация ANC для встраивания в стеклопакеты и откосы окон. Популярность таких окон сложно переоценить - стоит представить себе летнюю ночь, когда из-за гула на улице окно не откроешь, а спать под включенным кондиционером не хочется.

Шумоподавление в автомобилях

Разработка ANC для применения в автомобилях, легковых и грузовых - одна из наших ближайших целей. Шум в автомобиле в основном исходит от шума покрышек по поверхности дороги и передается через подвеску и кузов. Сложность в системах подавления заключается в необходимости расположить динамики так, чтобы звуковая волна от них интерферировала с окружающим шумом именно в местах нахождения людей. Мы планируем разработать систему как для внедрения у крупных автопроизводителей, так и для кастомайзеров.

Технические характеристики:

• Количество компенсирующих динамиков: 1-8
• Количество микрофонов / неакустических датчиков: 2-16
• Диапазон рабочих частот: 20 Гц - 1000 Гц
• Уровень ослабления периодических составляющих: 25 дБ

Хотите внедрить технологии шумоподавления в своем проекте?
с нами, мы ответим на ваши .

На сегодняшний день рынок предлагает разнообразные модели наушников, среди которых можно подобрать и дешевые китайские модели, и дорогостоящие изделия. При этом их стоимость во многом зависит от технической составляющей. В большинстве наушников закрытого типа применяется технология активного шумоподавления . Ходят слухи, что она является причиной головных болей при длительном прослушивании музыки.

Немного истории

Стоит рассмотреть историю и принцип работы системы активного шумоподавления. Музыка позволяет человеку расслабляться, справляться с сильными эмоциями, она сопутствует человеку во всей его жизни. Изготовители стали задумываться о портативной музыке в середине прошлого века, так в 79 году Sony создала кассетный плеер. Уже через несколько лет это устройство было признано величайшим изобретением компании. В 84 году был создан первый CD-плеер, и уже в 98 году пользователям стали доступны MP3-плееры, которые используются и на сегодняшний день. Развитие данной отрасли невозможно охарактеризовать без упоминания наушников, ведь именно они обеспечивали хороший и качественный звук.

Система активного шумоподавления начала свою историю в сороковых годах прошлого века . Именно тогда изобретатель Пол Люг запатентовал исследование, в котором описывался принцип действия синусоидальных сигналов. В 50 году Лоуренс Фогель использовал систему подавления шума в вертолете, самолете. В наушниках данная система стала использоваться с 57 года, тогда Уиллард Микер смог отсечь шум от 50 до 500 Гц. Уже в 80 годах стали выпускаться наушники для авиации, в них использовалась данная технология.

Как работает система шумоподавления?

Если рассматривать принцип работы САШ, то специалисты описывают его довольно просто. Каждый отдельный звук представляет собой волну, из чего можно сделать вывод, что его можно отразить. И эта инвертированная волна будет полностью гасить исходную. Если взять в пример наушники, в которых используется система, то внутри будут располагаться микрофоны. Они предназначаются для того, чтобы измерять уровень возникающего шума. Поэтому получаемый звуковой сигнал преобразуется в инвертированную волну, после чего он передается на основной динамик. Здесь функционирует противофаза к шуму, при этом музыка не повреждается, как полезный сигнал, за счет этого шум убирается.

Эффективность работы системы активного шумоподавления

Прежде всего, следует сказать, что качественно работает такая система не во всем диапазоне частот, а в промежутке приблизительно от 100 до 1 КГц. На этом участке хорошие модели наушников способны обеспечить снижение шума до уровня -30 дБ. В самом нижнем звуковом диапазоне, до 100 Гц, человек воспринимает звуковые колебания не столько органами слуха, сколько телом, и наушники, какой бы уровень компенсации они бы не давали, от шума не спасут.

В диапазоне свыше 1 КГц система даже может немного добавлять шума. Однако это не уличный гул, а равномерное, спокойное «шипение», к тому же - очень тихое -
расслышать его можно лишь в очень спокойной обстановке.


В диапазоне 100-1000 Гц при условии качественной реализации «шумодав» вполне способен значительно снизить звуковое давление окружающей среды. В хороших шумоподавляющих наушниках вполне реально почувствовать себя в тихом безлюдном помещении, находясь на шумной улице.

В отдельных моделях «шумодав» работает воистину поразительно. Это, например, свежая линейка Bose и старшие модели Sony, в особенности MDR-1000x: надеваешь наушники и первое время отказываешься верить своим ушам.

Очень хорошо справляются с отсечением шумов такие модели как Sennheiser Momentum 2.0 Wireless, Parrot Zik, всевозможные Beats. В то же время во многих бюджетных «ноунейм»-вариантах «шумодав» может присутствовать лишь номинально, а эффект от его работы стремиться к нулю.

Почему болит голова?

Многие считают, что использование такой системы делает музыку более качественной, а прослушивание более комфортным. Но это не совсем так. Люди активно стали использовать подобные устройства, поскольку наушников с системой активного шумпоподавления становятся все популярнее. При этом рынок предлагает изделия из разных ценовых категорий, среди них есть и привычные затычки, и полноразмерные модели. Нужно понимать, что технологии не стоят на месте, система совершенствуется, качество звучания музыки постоянно улучшается. Также изготовители стараются продвигать устройства с данной технологией, предпринимая различные маркетинговые решения. Но часть покупателей вынуждена отказать от подобного приобретения, не смотря на качество звучания. Это происходит из-за того, что они не переносят систему активного шумоподавления. У некоторых людей организм реагирует на отсутствие посторонних звуков и кристально чистое звучание музыки головной болью. Наушники кажутся совершенными, но такой эффект может возникать по нескольким причинам.

1. Эффект качки на корабле . Если вам знакома морская болезнь, если тяжело переносите нахождение на кораблях, то вы можете оказаться в той категории людей, которая не переносит САШ (систему активного шумоподавления). Пусть вы представляете собой только 7 процентов от всех пользователей, но есть вероятность, что вы находитесь в числе этих людей. Смысл заключается в том, что при использовании таких наушников вы обманываете свой мозг, как и в ситуации, когда находитесь на корабле. Вы идете по улице и видите прохожих, шумное автомобильное движение, резкий ветер. Органы зрения передают информацию мозгу о том, что вы находитесь на улице, но органы слуха не передают шум из-за использования системы. Именно поэтому мозг находится в замешательстве, из-за чего и появляется недомогание, головные боли.
2. Монотонный раздражитель . Поняв принцип работы системы, стоит сделать акцент на том, что на каждое действие есть противодействие. В результате работы системы у изготовителей получается устранить шум и позволит слушателю полностью погрузиться в музыку. Но нужно учитывать такую особенность, что в данном случае на органы звука будут воздействовать монотонные звуковые волны. А человеческий мозг настроен исключительно на то, чтобы принимать разнообразные звуки. Стоит сказать и об особенностях нервной системы, которая может негативно отреагировать на такое чистое звучание. Из-за особенностей организма при использовании системы могут возникать тошнота, головные боли. При этом невозможно предугадать, кто предрасположен к таким последствиям, а кто — нет.
3. Тишина не является залогом спокойствия . Известные изготовители тестируют создаваемые устройства в специальных организациях. Исследования проводятся в специальных помещения, так называемых абсолютно тихих комнатах. В комнатах блокируются практически все посторонние звуки. Этим создаются идеальные условия для проверки оборудования. Но специалисты придерживаются мнения, что абсолютная тишина не способствует спокойному состоянию организма.

   Если человек окажется в подобной комнате, то его станет преследовать чувство беспокойства. Уже через несколько минут он начнет слышать писк комара, урчание собственного живота. Достаточно всего пять минут нахождения в подобных условиях, чтобы организм перешел в состояние тревоги, беспокойства. Исследования показали, что человек не может проводить в таком помещении больше, чем 45 минут. Пусть при использовании систем не создается абсолютная тишина, поскольку играет музыка, но принцип работы системы затрагивает понятие абсолютной тишины. Ведь при использовании подобных наушников человек слышит исключительно музыку. Именно поэтому люди при использовании устройств могут почувствовать головную боль, тошноту.

4. Негативное влияние басов . При создании музыки все частоты разделяются на высокие, средние, низкие. Используемая в наушниках система предназначается для того, чтобы исключать все низкие частоты, они и представляют собой шум улицы. В системе существует риск «подавить» полезный звуковой сигнал, то есть музыку. Звуковая волна, которая создается в противофазе, насыщена низкими частотами. Как известно, они могут воздействовать на жидкость, вызывая вибрации, соответственно, могут воздействовать и на вестибулярный аппарат, который заполняется специальной жидкостью — эндолимфой. По этой причине из-за мощного баса на определённой частоте могут возникать головные боли.
5. Недостатки в конструкции также могут стать причиной возникновения головных болей . Если дуга наушников является слишком тугой, то она может стать причиной появления раздражения, головных болей. В этом заключается общая проблема накладных наушников, которая не относится именно к системе активного шумоподавления. Изделия должны удерживаться на голове, потому они не должны быть слишком слабыми, так они не будут держаться. Но они не должны быть и слишком тугими, ведь постоянное напряжение может стать причиной повышения давления. Уже через несколько часов прослушивания музыки в таких наушниках начнет болеть голова, а также может появиться ощущение тошноты.

Что следует учесть при покупке наушников с активным шумоподавлением

Такие наушники обладают рядом преимуществ, которые делают их уникальными и современными. Это и комфорт при прослушивании треков, и высокий уровень детализации звука. При этом отмечается безопасный уровень громкости, которые не сказывается негативно на здоровье органов слуха. Но все эти моменты не являются гарантией того, что организм положительно отреагирует на САШ. Если не желаете жаловаться на головную боль, стоит предварительно испробовать наушники друзей или знакомых. Это позволит исключить негативное воздействие системы на ваш организм, на общее состояние, для этого потребуется слушать музыку в наушниках примерно 2,5 часа.

Что в итоге?

Наушники с активным шумоподавлением - удобный инструмент для комфортного прослушивания музыки в условиях современного города . Они хорошо подойдут тем, кто привык не расставаться с любимым радио или плей-листом, но при этом испытывает дискомфорт от «капелек» в ушах. Они также понравятся тем, кто работает в шумных условиях, много ходит по улице или ездит в метро. При этом не обязательно постоянно слушать музыку - можно просто включить систему шумоподавления и оказаться в тишине, находясь при этом посреди шумного мегаполиса.

В целом сегменту беспроводных наушников предсказывают активное развитие, а отказ крупных производителей смартфонов от 3,5-миллиметрового аудиоразъема должен заметно тому поспособствовать. «Шумодав» в таких условиях может стать стандартной опцией для качественных беспроводных наушников. При том что реализация подобной системы в устройстве, где априори есть электронная начинка и элементы питания, выглядит не слишком затратной