Redukcja szumów w mikrofonach i słuchawkach - przegląd metod
| TechnikaKupując zestaw słuchawkowy albo słuchawki, można się zetknąć z terminem eliminacja lub redukcja szumów. W zależności od tego, czego dotyczy ta funkcja, może oznaczać co innego. W artykule wyjaśniamy, jak tę cechę należy interpretować.
Przede wszystkim wyróżnić można dwa rodzaje redukcji szumów: realizowaną w mikrofonie i w słuchawkach. Obie usuwają dźwięki tła. W pierwszym przypadku celem jest poprawa jakości głosu użytkownika mikrofonu docierającego do jego odbiorcy. Eliminowanie szumów w słuchawkach polepsza jakość dźwięku odbieranego przez ich użytkownika.
Redukcja szumów w mikrofonie zatem nie przynosi bezpośrednich korzyści osobie, która z niego korzysta. Zamiast tego pomaga innym lepiej ją słyszeć. Mikrofony z taką funkcją są projektowane w taki sposób, by wychwytywać głos użytkownika, ignorując jednocześnie hałas otoczenia. Można to osiągnąć na wiele sposobów, na przykład odpowiednio dobierając kształt i położenie mikrofonu, stosując osłony chroniące przed wiatrem lub wiele mikrofonów i techniki cyfrowego przetwarzania sygnałów.
Z mikrofonów z funkcją redukowania szumów otoczenia korzysta się m.in. w call centrach. Dzięki nim obok siebie może pracować wielu doradców, a klienci, z którymi się kontaktują przez telefon, nie słyszą rozmów prowadzonych równocześnie przez inne osoby, które przebywają w tym samym pomieszczeniu.
Redukcja szumów w mikrofonach
W najprostszej wersji szumy z otoczenia są usuwane dzięki temu, że mikrofon nie jest jednakowo czuły na dźwięki dochodzące do niego z różnych kierunków. Ten typ zestawu słuchawkowego jest polecany do użytku w biurach typu open space. Usuwa większość szumów tła, pod warunkiem że mikrofon znajduje się stosunkowo blisko ust.
Metoda ta opiera się na następującej zasadzie: hałasy z otoczenia dobiegają z dość dużej odległości od mikrofonu. W rezultacie dźwięki te wywierają jednakowy nacisk na obie strony jego membrany. Ponieważ ciśnienie jest takie samo po obu jej stronach, nie będzie wibrować, przez co nie będzie przenoszony żaden dźwięk. Ciśnienie akustyczne głosu osoby mówiącej do mikrofonu jest z kolei znacząco większe po jednej stronie membrany. W efekcie wibruje ona, wyraźnie transmitując głos mówiącego.
W drugim podejściu mikrofon jest zaprojektowany tak, aby przechwytywać dźwięk wyłącznie z ust użytkownika i eliminować praktycznie wszystkie szumy z otoczenia. Takie zestawy słuchawkowe sprawdzają się w pomieszczeniach o dużym natężeniu hałasu, takich jak call center.
Metody eliminacji
W tej konfiguracji elementy mikrofonu są umieszczone z dala od wejścia membrany. Dzięki temu otwory po obu jej stronach są symetryczne. Eliminuje to wszelkie hałasy w zasięgu 270º przed i wokół użytkownika. Transmitowany jest tylko głos mówiącego. Aby ten też nie został odfiltrowany, konieczne jest, by usta użytkownika znajdowały się w określonej odległości od mikrofonu (typowo około dwóch palców od niego).
Najbardziej zaawansowanym rozwiązaniem jest to, w którym wykorzystuje się kilka mikrofonów, na przykład dwóch. W takim zestawie jeden z nich znajduje się bliżej ust niż drugi. Dzięki temu ten pierwszy rejestruje głos użytkownika, zaś drugi wychwytuje dźwięki z otoczenia. Przetwarzając te sygnały z wykorzystaniem specjalnych technik cyfrowej obróbki, można usunąć hałasy z otoczenia. Mikrofony ze zrealizowaną redukcją szumów w taki sposób sprawdzają się na przykład w eliminacji hałasu ulicznego w pracy na zewnątrz budynków.
Żeby zestawy słuchawkowe z funkcją redukcji szumów spełniały swoje zadanie, należy pamiętać o kilku kwestiach. Najważniejsza jest odpowiednia odległość mikrofonu od ust mówiącego. Poza tym trzeba ustawić właściwy poziom głośności transmisji. Jeśli będzie zbyt duży, paradoksalnie odbiorca może nie usłyszeć nadawcy. Wynika to z zadziałania funkcji automatycznej kontroli wzmocnienia i konfliktu między AGC (Automatic Gain Control) we współpracujących urządzeniach.
Redukcja szumów w słuchawkach
Dzięki tytułowej funkcji użytkownik w słuchawkach może się odizolować od hałasu w otoczeniu, żeby ten nie zakłócał mu odbioru. Jest to przydatne przykładowo podczas słuchania muzyki albo rozmawiania przez telefon w czasie lotu samolotem, aby wyciszyć odgłosy w kabinie i hałas silnika. Wyróżnia się dwa podejścia w zakresie eliminacji szumów w słuchawkach: pasywne i aktywne.
W pierwszym przypadku efekt tłumienia uzyskiwany jest dzięki cechom fizycznym słuchawek – ich konstrukcji (są wykonywane w taki sposób, żeby całkiem zakrywały uszy i ściśle przylegały do głowy użytkownika) i właściwościom wygłuszającym użytych do ich wykonania materiałów. Przykładowo słuchawki nauszne mają wyściełane gąbką nauszniki tworzące barierę między uszami a światem zewnętrznym, a słuchawki douszne są ścisłe dopasowane, by uszczelniać kanał słuchowy.
Przykładem ochrony pasywnej są ochronniki słuchu noszone przez pracowników na budowach i w zakładach przemysłowych. Pasywna redukcja szumów sprawdza się w wygłuszaniu nieregularnych dźwięków o wysokich częstotliwościach. Jest to rozwiązanie tanie, niewymagające zasilania oraz załączone na stałe – ochrony pasywnej nie można "wyłączyć".
Alternatywą jest podejście aktywne. Warto zaznaczyć, że aby zadziałało, w większości przypadków słuchawki muszą mieć konstrukcję pasywną, aby wstępnie wytłumić zewnętrzne hałasy, nim zadziała układ ANC (Active Noise Cancellation).
Czym jest ANC?
Technika ta sprawdza się najlepiej w przypadku regularnych dźwięków o niskiej częstotliwości, jak hałas wentylatorów albo odgłosy pracy silników. W teorii aktywna redukcja szumów jest prosta w realizacji: najpierw rejestruje się hałas, a następnie generuje sygnał odwrócony (tzw. przeciwszum). Po dodaniu go do oryginalnego zaszumionego dźwięku zakłócenia powinny się znieść. W praktyce nie jest to jednak łatwe. Można to wprawdzie osiągnąć w obwodzie w pełni analogowym i faktycznie, wczesne próby (podejmowane od lat 30. zeszłego wieku) eliminowania szumów wykorzystywały to podejście, ale jakość sygnału odtworzonego pozostawiała wiele do życzenia.
W praktycznej implementacji techniki aktywnej redukcji szumów (hałasów) należy uwzględnić kilka kwestii. Przede wszystkim mikrofon rejestrujący dźwięk i słuchawki odtwarzające go nie znajdują się w tym samym miejscu. W związku z tym sygnał, który dociera do mikrofonu nie jest dokładnie taki sam, jak ten, który byłby wymagany do wygenerowania zgodnego przeciwszumu. Ponadto, jeżeli układ ANC ma opóźnienie większe niż nawet zaledwie kilka milisekund, będzie próbował wyeliminować wcześniejszy hałas, zamiast tego bieżącego. To może przynieść odwrotny skutek, pogarszając jakość sygnału, zamiast ją poprawiać.
ANC w praktyce
Mimo tych wyzwań funkcja aktywnej redukcji szumów jest dziś standardem, zapewniając tłumienie hałasu w słuchawkach rzędu 30‒40 dB i więcej. Jej upowszechnienie się stało się możliwe dzięki postępowi w dziedzinie cyfrowej obróbki sygnałów i ulepszeń w algorytmach ANC.
W rzeczywistych implementacjach analogowy sygnał z mikrofonu zostaje przekształcony w sygnał cyfrowy, a następnie poddaje się go obróbce mającej na celu jego odwrócenie. W dalszej kolejności jest dodawany do zdigitalizowanego sygnału oryginalnego. Wynik tej operacji wymaga dodatkowej obróbki, która ma na celu odfiltrowanie i skompensowanie ewentualnych niepożądanych opóźnień i artefaktów sygnału. Ostatecznie sygnał cyfrowy jest konwertowany do postaci analogowej, w której jest doprowadzany do przetwornika w słuchawce. Wyróżnia się trzy techniki ANC. Jest to redukcja szumów ze sprzężeniem w przód, ze sprzężeniem w tył oraz podejście hybrydowe.
Sprzężenie w przód i w tył
Eliminacja szumów w układzie ANC ze sprzężeniem w przód jest wykorzystywana najczęściej. W tym przypadku mikrofony referencyjne są umieszczane na zewnątrz muszli słuchawek. Dzięki temu wychwytują hałas, zanim ten dotrze do błony bębenkowej w uchu użytkownika słuchawek. Układ ANC ma zatem czas na wygenerowanie przeciwszumu i skorygowanie sygnału. Choć umieszczając mikrofony odniesienia dalej od ucha, można by wydłużyć szum, który by do nich docierał, zbyt by się różnił od tego, który faktycznie docierałby do użytkownika. Układ ze sprzężeniem w przód sprawdza się zwłaszcza w redukcji szumów o wyższych częstotliwościach.
W podejściu ze sprzężeniem zwrotnym mikrofony referencyjne są natomiast umieszczane wewnątrz muszli słuchawki i rejestrują dźwięki docierające do ucha użytkownika. Są one porównywane ze źródłem dźwięku, a algorytm ANC identyfikuje szum i generuje przeciwszum, by go wyeliminować. Technika ta jest trudna w realizacji – niełatwo jest zaprojektować system sprzężenia zwrotnego z filtrami, skuteczny i nietracący stabilności przy różnych typach szumów i różnej budowie narządu słuchu. Układ ze sprzężeniem zwrotnym sprawdza się w szerokim zakresie częstotliwości szumów, ale nie dorównuje ANC ze sprzężeniem w przód w redukcji szumów o wyższych częstotliwościach.
Podejście hybrydowe
Podejście hybrydowe łączy w sobie zalety technik ze sprzężeniem w przód i sprzężeniem zwrotnym. W tym przypadku wykorzystywane są mikrofony zewnętrzne do monitorowania szumów otoczenia i mikrofony wewnętrzne do rejestracji hałasu, który nakłada się w uchu użytkownika na odtwarzany dźwięk. Przy zastosowaniu odpowiednich algorytmów obróbki tych sygnałów taka kombinacja jest bardzo skuteczna w eliminowaniu szumów w szerokim zakresie częstotliwości. Dodatkową zaletą jest to, że na skuteczność korekcji nie ma wpływu sposób noszenia słuchawki.
Hybrydowe podejście w redukcji szumów jest droższe. Trzeba też spełnić kilka warunków, aby było efektywne. Przede wszystkim filtry cyfrowe o stałych współczynnikach będą w tym zastosowaniu nieefektywne, szczególnie jeżeli użytkownik się porusza albo zmienia się rodzaj hałasu. Dlatego w ANC implementuje się algorytmy adaptacyjne, które zmieniają parametry filtru "w locie". Ponadto im więcej mikrofonów, tym lepiej – zaawansowane układy redukcji szumów wykorzystują nawet cztery. Dzięki temu skuteczniej tłumione są szumy ze źródeł, których lokalizacja się zmienia, jak hałas obiektów, które przemieszczają się w pobliżu.
Monika Jaworowska
