Знаете ли защо са създадени и днес са все по-търсени слушалките, намаляващи околния шум? Мисля че… трябва да ви е добре известно? В натовареното ни ежедневие вече все по-малко ни се иска да бъдем разсейвани от досадната градска сплетня, докато вървим сутрин към работното си място и слушаме любимата си музика. Или пък докато работим, а някой в същата стая бърбори отново с майка си по телефона. Още повече пък докато с часове пътуваме на почивка към Малдивите, а шумът от двигателя на самолета ни побърква.

#Fact: Впрочем именно в последният случай (при работа на двигатели, мотори, постоянен шум с ниска честота) слушалките с активно шумопотискане се оказват най-ефективни. И за това си има физически причини. Само след малко ще разберете кои са те, но нека ви изненадам с малко любопитна информация.

Пионерите в тази област правят пробиви преди почти 100 години

Винаги е добре да знаете откъде тръгва всичко. Но ще бъда прилично кратък. Първия патент на работеща система за контрол над шума е получил американският изобретател Пол Люг в далечната 1936 година. Той намира начин да затихва синусоидалните тонове в ушния канал чрез обръщане на полярността на вълните. 15 години по-късно Лорънс Фогел патентова шумопотискаща система за кабините на самолети и хеликоптери, а чак през 1957 г. Уилърд Микер демонстрира портативна система за активно шумопотискане в слушалки, работеща за честотите от 50 до 500 херца.

Първите достъпни на пазара слушалки с активна редукция на шума обаче са произведени от компанията Bose (създадени на база прототип на основателя ѝ Амар Боуз). Те се наричат Bose Series I Aviation Headset, работят на батерии до 8 часа и много авиокомпании започват да се оборудват с тях през не чак толкова далечната 1989 година (на снимката по-долу не са точно тези слушалки, предупреждавам!). Но толкова за историята. Сега повече любопитна физика!

Звукът не съществува реално в природата

Казано с прости думи, „звукът е сигнал за това, че някъде нещо се е… размърдало“! Помислете малко: ако чуете ясен звук, това означава, че някъде наблизо нещо е паднало, вибрира, пълзи или се движи. Движението на обекти създава звуците, но за да има звук, трябва да има и среда – въздух, вода, дърво, стомана. Във вакуума на Космоса няма преносна среда и следователно няма да чувате нищо – дори да се скъсате да викате в секундите преди да загинете, сваляйки шлема си.

По-хитрите от вас сега ще почнат да правят опити, като например да мърдат бързо пръстите си. И така ще искат да опровергаят по-горните думи, защото движението им не предизвиква никакъв звук, нали? Донякъде ще са прави, защото никой човек не може да чуе техния звук. Но само… донякъде. Ето защо.

Човешкото ухо няма как да чува всички звуци, особено ако нещо (например пръстите ви) вибрира по-малко от 20–30 пъти в секунда. Ако придобиете свръхестествената способност да ги мърдате напред и назад с бясната скорост от 440 пъти в секунда, то вероятно ще чуете бръмчащ звук с тона на нотата „ла“. Това се случва и с конкретната струна на пиано, ударена от чукчето на клавиша – тя вибрира с тази честота и ако майсторът е акордирал пианото добре, ще чувате именно тази нота. Колкото по-бързо вибрира даденият обект (нека пак си представяме струни), толкова по-висок и тънък ще ни се струва звукът. А ако тази вибрация надхвърли 20 000 пъти в секунда (20 килохерца), то ухото ви отново ще престане да чува звук, макар и много животни да продължат да чуват т.нар. ултразвуци.   

Но защо чуваме звуци изобщо? Работата е там, че пространството около нас никак не е празно, а е изпълнено с въздух – трилиони молекули азот, кислород и различни други газове, събрани в 1 куб.см, между които все пак има и много свободно пространство. За да разберете това по-добре, представете си молекулите във вида на малки безтегловни и неподвижни балончета. Когато плеснете с ръце обаче, въздухът (същите тези молекули) намиращ се между дланите ви, се сгъстява и „балончетата“ се разлитат в различни посоки, удряйки последователно онези до тях – като билярдни топки. Така се създава и пренася звуковата вълна. Тя достига ушния ви канал и раздвижените от нея молекули навлизат навътре, достигайки мембраната на тъпанчето. Неговата мембрана започва да вибрира със същата честота, предава я навътре по слуховата костица към вътрешното ухо и оттам към мозъка.

Няма да обяснявам повече подробности, макар и да са доста интересни. Но сега стана ли ви ясно защо в Космоса не се чуват звуци? Защото там няма въздух, а е вакуум и няма преносна среда, през която да се движи звуковата вълна. Последната има скорост от 343 метра в секунда във въздух и… цели 5960 метра в секунда в стомана! Но и това е една друга тема.

И тук идва най-странният факт. Погледнато обективно, в природата реално звуците не съществуват, както и музиката. Това, което ние чуваме и познаваме като звук, е всъщност просто циклично сгъстяване и разреждане на въздуха.

Ако например за 1 секунда се случват 50 такива сгъстявания и разреждания на молекулите, ние чуваме звук с честота 50 херца. А разстоянието между две последователни сгъстявания на тези молекули се нарича дължина на вълната.

Тънкият момент е там, че нашият мозък интерпретира тези молекулни движения по начин, който хората наричат звук… ноти и музика. Така че в известен смисъл можем да кажем, че красивите гласове на великите певци още по рождение присъстват в главите ни. Просто е нужно да се появи правилната личност, която да умее да раздвижи молекулите на въздуха така, че те да предизвикат трептенията, разпознати от нашия мозък, като гласа на Лучано Павароти например. Ако няма уши – няма и музика. Природата съществува в пълно мълчание, просто всичко в нея трепти.

За да слушате по-качествена музика, трябва да премахнете шума

След историята и физиката нека говорим и по същество – за слушалки и технологията за потискане на околния шум, който влиза през тях. Ако вече сте чували за активното, базирано на чипове и високи технологии шумопотискане, то вероятно сте чували и за пасивното? Да, на практика те са неразривно свързани, като пасивното е постигнато чрез използването на физическите характеристики на слушалките – специален 3D дизайн и хай-тек материали. Звучи просто, но не съвсем. Пасивното потискане на навлизащия шум е много важно, защото спира голям обхват от честоти, без които нито едни слушалки няма да са ефективни. Виждали ли сте онези обемисти наушници, които носят строителните работници? Да, те са базирани на пасивно шумопотискане. И когато то се комбинира с активното, се получава наистина добра изолация спрямо шумната околна среда. Ако работите в оживен отворен офис, това може да е божи дар!

Активното шумопотискане използва по-модерни технологии, за да противодейства на шума. Простичко казано, то умее да открива и анализира звуковия модел на входящия шум и след това генерира огледален „антишумов“ сигнал, за да го отмени. Крайният резултат? Чувате драстично намалено ниво на шума. Този тип шумопотискане обаче работи най-добре при стабилни нискочестотни звуци, като таванни вентилатори, шум от двигатели или дебелия глас на дебелия ви колега, който си тананика с часове. Ето защо.

ANC (Active Noise Cancellation) върши изключително полезна работа

Стигнахме и до същността, нали? Сега ще ви е доста по-ясно как работят вашите нови напълно безжични TrueWireless ANC слушалки (ако вече сте си купили такива все пак). Ако не сте, пишете ми, за да ви дам съвет, но след като прочетете информацията до края на статията.

За да отменят по-нискочестотните части на шума, шумопотискащите слушалки използват активен контрол или ANC (Active Noise Cancellation… aka Control). Микрофон или цяла система микрофони улавят звуците на околната среда, а малък усилвател генерира звукови вълни с обратна фаза спрямо тази на нежеланите звуци. Представете си – когато звуковото налягане на шумовата вълна е високо, генерираната, за да я отмени, вълна е ниска (и обратно). Противоположните звукови вълни се сблъскват и се елиминират, или се „анулират“. Това си е чиста математика – ако „вредната“ вълна има стойност от +3, то прилагате към нея друга със стойност -3 и резултатът е кръгла нула. Тишина!

Анулирането на вълните обаче е по-лесно при постоянни звуци с ниска честота и доста по-малко ефективно при къси/остри звуци (писъци на бебета или чупене на стъкло).

Точно заради това добрите модели слушалки с шумопотискане комбинират много по-добре пасивната звукоизолация, редом с активната – за да изолират максимално звуците от целия честотен спектър и те да не навлизат към ушите ви.

А защо е по-лесно да се отрежат ниските честоти ли? Ами представете си, да речем, звука от двигател на самолет, тласкащ молекулите на въздуха около себе си 150 пъти в секунда? Това ще рече, че той издава нискочестотен звук от 150 херца, нали? Ако температурата на въздуха е приятните 20 градуса, тогава скоростта на разпространение на звуковата вълна е 343 метра в секунда. Съответно – ако за 1 секунда време през слушалките преминават 150 вълни (или зони на разреждане или сгъстяване на въздуха 150 пъти в секунда), то дължината на една такава вълна е точно 2.2 метра.

Ако обаче имате шум (звук) с по-висока честота, например 2 килохерца (2000 пъти в секунда), тогава дължината на вълната е вече само 17 сантиметра и съответно зоните с уплътнени молекули са много по-малки. При 10 килохерца вълната вече е по-малка от 3 см. И като имате предвид, че всички тези вълни летят през слушалките със скорост от 343 метра в секунда, досещате ли се какво се случва? При нискочестотния шум налягането, преминаващо през слушалките, ще е за много по-дълго време, неизменно и равномерно, отколкото при високочестотния. Съответно – да изравнявате и нулирате такъв шум (влизането в такт), е доста по-лесна задача, отколкото да правите това с доста по-късите вълни.

Не забравяйте и че слушалките не трябва само да убиват външния шум, но и да създават музика. Така че за кратките микросекунди, за които работят, те трябва да махнат шума, да анализират звука на композицията, да създадат нова звукова вълна, която да не убива музиката, а да движи мембраната така, че да премахва само нежеланите звуци. Че и да успее да подаде сигнал към високоговорителя. Доста задачи за кратко време, нали? И това не е всичко! Най-добрите модели слушалки „слушат“ не само външния шум, но и самия резултат след шумопотискането. Това става с помощта на още един, вътрешен микрофон, разположен зад високоговорителя. Такива слушалки са още по-ефективни при премахване на ниските честоти, но, разбира се, струват по-скъпо.

Ето от какво се състои и една примерна система за шумопотискане на слушалки:

1. Един или няколко микрофона, които обикновено се разполагат от задната страна на всяка от двете слушалки поотделно. Те ловят всички звуци на обкръжаващата среда.

2. Електронна система, която инвертира на 180 градуса всичко, което чува микрофона, и го изпраща към високоговорителя на слушалките.

3. Акумулаторна батерия, нужна за работата на електрониката.

4. Високоговорител, който възпроизвежда музиката заедно с произведения антишум.

Така че външният шум попада в микрофоните, инвертира се и се подава към ушите ви. На теория това инвертиране „убива“ шума и би трябвало да се наслаждавате на музиката в пълна тишина, макар и никога това да не се случва напълно.

За реализацията на качествено шумопотискане обаче не е достатъчна простата инверсия на звука. Трябва да се вземат предвид още много фактори – да се намали шумът на самия микрофон и възникващите в схемата хармоници и резонанси, да се игнорира музиката, която звучи от самите слушалки и се улавя от разположения наблизо микрофон, и т.н. Получава се доста сложна верига от информация за обработка, тежка задача, с която се заемат DSP процесорите, вградени в слушалките. Аудиосигналът трябва в реално време да се преобразува в единици и нули, да се направят редица „фокуси“ с тях, а след това да се преобразуват отново към вълни и да постъпят към мембраните на слушалките. Поклон пред инженерите!

Слушалките с ANC са най-ефективни при определени честоти

Казах го и по-горе, но нека уточним. Въпреки използването на супер високи технологии активното шумопотискане работи най-ефективно само в определени честотни звукови диапазони – от около 100 до 1000 херца. Това е свързано и с ограничените аудиочестотни характеристики на микрофоните в тях, но и с факта, че огромният набор от честоти и звуци става все по-сложен за обработка, а най-лесно се обработват и премахват ниските честоти. Впрочем честоти, по-ниски от 100 херца, изобщо няма смисъл да се заглушават от ANC слушалките, защото те са толкова мощни, че се усещат директно от тялото ви като вибрации.

При по-скъпите модели слушалки честотите над 1000 херца се заглушават по-добре заради добавянето на още микрофони, като едните са настроени да хващат по-ниски честоти, а другите – по-високи.

Така или иначе е установено, че най-дразнещите честоти за хората (транспортни средства, духане на вятър, разговори на хора) се намират именно в диапазона от 100 до 1000 херца. Така че активната шумоизолация в съчетание с добрата пасивна са достатъчно добри, за да се намали шумът на 20–30 децибела (по-надолу ще ви обясня за децибелите). Така че в тези модели слушалки нивото на шума се намалява доста – с около 70%.

ANC технологията има и минуси

Слушалките с шумопотискане обикновено струват повече от обикновените слушалки. Активният контрол на шума изисква захранване, обикновено доставяно от USB порт или батерия, която често трябва да се презарежда. Без захранване повечето модели дори не функционират като обикновени слушалки. Но всяка батерия и допълнителна електроника увеличава размера и теглото на слушалките в сравнение с обикновените. Схемата за шумопотискане пък може да намали качеството на звука, въпреки че намаляването на шума пък позволява по-добро възприемане на самия звукозапис.

По-евтините модели слушалки невинаги се справят със задачата си, тъй като е нужно известно време за улавяне на звука и нулирането му с обратна фаза. Слабият микроконтролер на евтините слушалки просто не може да свърши това в определените му микросекунди. Например разстоянието между микрофона и високоговорителя е само 1 см. Така че електрониката трябва да успее да направи всичко това за… 0.0002 секунди! Ако вълната и „антивълната“ не съвпадат идеално, те няма да бъдат напълно еднакви помежду си и магията няма да се случи. Именно поради тези технологични характеристики активното премахване на шума толкова дълго не може да навлезе на масовия пазар. Дори и днес все още се провеждат изследвания за подобряване на точността и даже наскоро учените създадоха иновативна система, позволяваща на устройствата да виждат предварително приближаващите се акустични вълни и да изчисляват предварително „шума“ от тях.

Друг недостатък е свързан с качеството на звука. Много потребители съобщават за влошаването му, когато е включен режимът на активно шумопотискане. Въпреки че много от топ моделите създават наистина висококачествен звук, по-бюджетните невинаги могат да се похвалят с това. Често намаляването на шума е компромис между качеството на звука и комфорта.

При 5% от потребителите слушалките с активно шумопотискане причиняват симптоми, подобни на морската болест, което се дължи на дразненето на вестибуларния апарат. В крайна сметка човек чува не само с ушите, но и с цялото си тяло. И когато ушите не чуват никакви звуци (мозъкът мисли, че тялото е в покой), а в същото време тялото усеща вибрациите, се получават противоположни сигнали. Това може да доведе до гадене и главоболие.

Как да разберем кои слушалки имат по-добро шумопотискане?

За съжаление това е трудна задача. Самият процес, както разбирате, е доста сложен, зависи от много неща, различава се от модел до модел. Освен от материалите и дизайна (пасивното потискане) това зависи и от скоростта на процесора, видовете алгоритми, качеството на микрофоните и техния брой, качествата на мембраната на високоговорителя и т.н. Най-добре е, разбира се, да тествате и проверявате всеки модел слушалки сами – за да прецените как ви пасват. Ако нямате такава възможност – трябва да се доверите на множеството ревюта и тестове в интернет.

Но все пак ето и някои параметри, които можете и сами да прецените. Например честотната характеристика на микрофоните на слушалките. Посочена ли е тя, ще можете да се ориентирате какви звуци ще спират. Ако микрофоните им не могат да улавят звуци, по-ниски от 200 херца например, то те няма и как да премахват такъв шум, нали? Така че за тези слушалки не съществуват звуци на честота до 200 херца и това бучене ще чувате с ушите си.

В последните години става модно да се указва като параметър и нивото на шумопотискане в децибели. Ето само няколко примера с данни от официалните сайтове на производители

OPPO Enco W51: 35 dB

Huawei FreeBuds Pro: 40 dB

Huawei FreeBuds 4i: 22 dB

Но какво значат тези децибели? В интернет ще намерите всякакви обяснения, редом с безумните такива, че например 2 пъти повече децибели означавали 2 пъти по-силен звук. Или че звук от 120 децибела е два пъти по-силен звук спрямо 60 децибела. Това далеч не е вярно. По-лесната и вярна „формула“, по която може да се ориентирате, е да възприемате нарастването на тези стойности с всеки нови 10 dB като 2 пъти по-силен звук. Тоест ако даден звук има сила 60 dB, то същият звук със стойност 70 dB е два пъти по-силен, а звукът с 80 dB е четири пъти по-силен спрямо първия. Така че ако видите в характеристиките, че нивото на шумопотискане е 30 децибела, това значи че външният шум на околната среда ще се възприема, след като сложите тези слушалки, като 8 пъти по-тих (напомням: тъй като при всеки 10 dB има двукратно увеличение, то при 30 децибела потискането е общо 8 пъти). А при 40 децибела (Huawei FreeBuds Pro) намалението трябва да достига 16 пъти!

Съвременните топ модели слушалки се създават в специални стаи

Вероятно си задавате и въпроса: „Кой, как и къде създава и тества такива хай-тек творения?“. Истината е, че големите компании, играчите на този пазар инвестират огромни средства и време в изследвания и тестове. Например корпорации като Huawei са ангажирали сериозни екипи от звукови инженери (над 300 души), които да се занимават само с такива разработки. На това се дължат и пробивите в дизайна, пасващ по-добре на ушите и спиращ вредните звуци (3D bionic).

Адски интересни са и фактите около реалната обстановка, в която се тестват устройствата, а именно – специално оборудваните и тотално обезшумени стаи за събиране на звукови данни при изключително прецизните акустични тестове. Huawei разполага с такава и тя се нарича Huawei Audio Lab. Представлява разположена под земята стая, поглъщаща отражението на звуците и осигуряваща необходимата симулационна среда за тестове и проверка на параметрите на звуковите вълни. Дебелите стени и шумозаглушителите, поставени във вентилационните тръби, предотвратяват проникването на външен шум. В стаята реално няма никакви стени, под или таван, а помещението е покрито с панели, намаляващи шумовете. Те са изработени от звукопоглъщащи материали и имат клиновидна форма, на чиято повърхност са разположени малки отвори, за ограничаване отражението на звука.

В стаята има специализирана техника за симулации, представляваща модел на човешка глава със записващо оборудване, която симулира ушна мида и ушен канал. Два микрофона, поставени в ушния канал на модела, пресъздават всички ефекти, които има звукът върху човешкото ухо. Стаята е снабдена и с високоговорители, позиционирани в различни посоки и можещи да възпроизведат всякакъв тип звук.

Именно в тази стая са създадени и новите HUAWEI FreeBuds 4i. Вътре инженерите на Huawei са тествали ефективността на активното шумопотискане на слушалките при едни от най-често срещаните ситуации в ежедневието като например пътуване в метро или посещение на препълнено кафене, за да гарантират, че слушалките осигуряват оптимален комфорт по всяко време.

HUAWEI FreeBuds 4i са TrueWireless модел слушалки с Bionic 3D дизайн, сензорно управление и технология за активно шумопотискане ANC от около 22 dB. Те могат да свирят музика в продължение на 10 часа с едно зареждане (с изключено ANC) и 7.5 часа с включено. А ако се наложи да ги заредите набързо, само за 10 минути ще ви осигурят допълнителни 4 часа аудио удоволствие. В комбинация с кейса си за зареждане това време достига до 22 часа непрекъснато слушане. Предлагат се в карбоново черен или керамично бял цвят, а цената им е наистина топ – под 150 лева!

Повече за тези страхотни слушалки можете да прочетете в посветената специално на тях статия на нашия сайт. А сега ви давам малко време да осмислите на спокойствие всичко написано дотук и запомнете следния парадокс: магията на добрия звук зависи от… качествената тишина!