Как сделать звукоизоляцию для наушников
Как работает активное шумоподавление в наушниках
Содержание
Содержание
Выбирая наушники для улицы и поездок, большое внимание стоит уделить степени их шумоизоляции. Существует пассивная и активная шумоизоляция. В первом случае посторонние звуки глушатся массивными амбушюрами, вкладышами особой конструкции и другими ухищрениями. Однако чтобы наушники с тяжелыми амбушюрами не сползали, приходится делать тугие дужки, от которых может разболеться голова. Вкладыши «елочкой», похожие на беруши и лучше всего защищающие от шумов, подойдут не каждому уху. Да и полностью изолировать от внешних звуков все эти ухищрения все равно не могут. С таким справится только активная шумоизоляция, она убирает внешние звуки с помощью электронных схем.
Минутка истории
Первые наушники Bose с активным шумоподавлением
Первые патенты касательно активного шумоподавления появились еще в 1930-х годах. Однако долго не существовало возможности создать достаточно точную электронную начинку. Первые попытки сделать наушники с «шумодавом» были предприняты в конце 50-х, впервые же гарнитура с активным шумоподавлением была использована только в 80-х годах астронавтами во время полета вокруг Земли, а затем применялась в авиации. Ее изобрел профессор Амар Бозе, впоследствии он основал компанию Bose, которая одной из первых начала производить наушники с активным шумоподавлением для массового рынка.
Как работает
Звук — это акустические волны. Если взять звуковую волну шумов с улицы, инвертировать фазу, т.е. отзеркалить ее, а затем направить на исходную — они друг друга компенсируют «в ноль». Поэтому активное шумоподавление в наушниках состоит из:
Внешний шум попадает в микрофон наушника, инвертируется и подается в динамик. В итоге волны с улицы и их отзеркаленные копии взаимно уничтожают друг друга, и в теории слушатель наслаждается музыкой в абсолютной тишине, без лишнего шума и призвуков.
Есть два основных способа сделать инверсию сигнала. Первый — аналоговый, на транзисторах, схемы подобных шумодавов просты, появились довольно давно и сегодня нередко применяются в аудиотехнике, к примеру, предусилителях и звуковых картах.
Однако для реализации качественного шумоподавления недостаточно простой инверсии, нужно учесть еще целый ряд нюансов: убрать шум микрофона и возникающие в схеме гармоники и резонансы, преобразовать звук с учетом АЧХ микрофона и АЧХ динамиков, вычесть сигнал из динамиков: музыку, которую неизбежно будет ловить рядом расположенный микрофон, учесть изменения шумового сигнала при прохождении через корпус наушников и т.д. Получается довольно сложная цепочка обработки, для реализации которой в современных наушниках применяется DSP-процессоры. То есть, аудиосигнал преобразуется в нули и единицы, потом с ним выполняются все «фокусы», далее он снова преобразуется в волну и только затем поступает в динамик наушника.
Несмотря на все высокие технологии, активное шумоподавление работает наиболее эффективно лишь с определенным диапазоном частот — от 100 до 1000 Гц. Это связано с ограниченным АЧХ небольших микрофонов, установленных в наушниках. Впрочем, частоты ниже 100 Гц глушить бесполезно — они настолько мощные, что все равно улавливаются всем телом. Частоты выше 1000 Гц хорошо глушат только наушники с несколькими микрофонами, один из которых настроен на низкие частоты, а другой — на высокие.
Тем не менее, именно на участке от 100 до 1000 Гц находятся наиболее раздражающие шумы: гул транспорта, завывание ветра, разговоры других людей. Так что активной шумоизоляции, работающей на этих частотах, в сочетании с пассивной — вполне достаточно для снижения шума на 20-30 Дб. В таких наушниках будет на 70 % тише, чем в обычных.
Помимо потребительского рынка технология активного шумоподавления востребована операторами станков на шумных производствах, персоналом аэропортов, пилотами, спортсменами (особенно байкерами, гонщиками и стрелками), а также всеми, кому нужно общаться в условиях повышенной шумности.
Минусы активного шумоподавления
Кроме ограниченного спектра частот и очевидной зависимости от батарейки (позволяющей системе работать 15–30 часов), у активного шумоподавления есть и более существенные недостатки.
Во-первых, младшие и дешевые модели наушников с шумодавом» далеко не всегда справляются со своей задачей. Чтобы уловить звук и обернуть его по фазе нужно некоторое время, и слабый микроконтроллер дешевых наушников может просто не успеть в отведенные ему микросекунды. Ведь он должен выполнить свою задачу пока звук, зарегистрированный микрофонами на тыльной стороне наушника, добирается до его динамика. К примеру, расстояние между микрофоном и динамиком всего 1 см, тогда электронике нужно успеть все сделать за 0.0002 секунды! Если не уложится в это время, тогда волна и «антиволна» уже не будут полностью идентичны друг другу, и волшебства не произойдет.
Именно из-за этих технологических особенностей активное шумоподавление так долго не могло выйти на массовый рынок. Даже сегодня до сих пор ведутся исследования, призванные улучшить точность такой системы. К примеру, недавно ученые создали систему, позволяющую устройствам заранее видеть приближающиеся акустические волны и просчитывать «антишум» наперед.
Второй большой минус связан с качеством звучания. Многие слушатели отмечают его ухудшение при включенном режиме активного шумоподавления. Хотя многие топовые модели выдают по-настоящему взрослый и качественный звук, их младшие собратья не всегда могут этим похвастаться. Нередко шумодав — это компромисс между качеством звука и комфортом.
Наконец, третий недостаток. Для некоторых он может оказаться решающим. Дело в том, что у 5–7 % пользователей наушники с активным шумоподавлением вызывают симптомы, схожие с морской болезнью. Как правило, если человека часто укачивает в обычной жизни, то нормально пользоваться этой технологией вряд ли получится. Это происходит из-за попытки обмануть вестибулярный аппарат. Ведь человек слышит не только ухом, но и всем телом. При этом уши никаких звуков не слышат, в итоге мозг думает, что тело в полном покое, хотя оно посылает совершенно противоположные сигналы. Из-за этого могут возникать тошнота и головные боли.
Есть и другой момент. Исследования показали, что абсолютная тишина совсем не так полезна для организма, как некоторые себе представляют. В компаниях, создающих аудиотехнику, всегда есть «комната абсолютной тишины» (еще ее называют «безэховой камерой»). Она спроектирована так, чтобы рассеивать и поглощать все возникающие в ней звуки. Человеку трудно находиться в такой комнате дольше часа. Сначала появляются иллюзии вроде едва улавливаемого писка комара, затем дискомфорт начинают доставлять звуки организма: дыхание, стук сердца, урчание живота, после чего тревога и волнения нарастают настолько, что большинство посетителей с ужасом выбегают наружу. Конечно, наушники вряд ли могут оказать схожий эффект, ведь в них звучит музыка. Однако не всем слушателям эффект музыки в полной тишине может оказаться по душе. Некоторые находят звучание наушников с активным шумоподавлением слишком стерильным и раздражающим. Впрочем, это дело вкуса.
Так выглядит безэховая камера
Так или иначе, очень важно перед покупкой наушников с активным шумоподавлением послушать их 2-3 часа, чтобы понять реакцию своего организма на эту технологию.
Преимущества наушников с шумодавом
На 2019 год производители решили большинство недостатков. Появилось множество моделей наушников с по-настоящему качественным шумоподавлением. Они дают ощущение полной тишины, словно слушатель находится в заглушенной студии звукозаписи. Пользователи отмечают, что особенно хорошо они справляются с назойливыми монотонными шумами: метро, улица, поезд, автобус, самолет и т.д.
Не все наушники с активным шумоподавлением представляют собой громоздкие «головные телефоны». Не так давно Apple выпустила AirPods Pro — миниатюрные затычки с активным шумоподавлением, но похожие модели были и до этого релиза, как, например, проводные Audio-Technica ATH-ANC100BT или беспроводные Sony WF-1000XM3.
Начинка AirPods Pro
Конечно, малый размер «затычек» ограничивает их возможности. Для размещения микрофона и остальной электроники остается очень мало места. Поэтому они не могут заглушить резкие и громкие звуки, вроде внезапного грохота или криков детей, хотя шум дороги и транспорта устраняют без проблем.
По-настоящему почувствовать себя в вакууме космоса позволят только накладные полноразмерные наушники. Их размер дает возможность разместить в них сразу несколько микрофонов. Один устанавливается снаружи и улавливает средние и высокие частоты, а второй — внутри для низкочастотного гула. В сочетании с мягкими амбушюрами, отлично защищающими от внешнего мира, получается эффект почти абсолютной тишины.
Звукоизоляция и акустическая обработка домашней студии
Содержание
Содержание
Звукоизоляция — решает проблемы проникновения звука из комнаты с аудиосистемой в другие помещения и наоборот.
Акустическая обработка — решает проблему с недостаточным рассеиванием звуковых волн, которое приводит к искажению звука, производимого акустической системой.
Звукоизоляция
Если домашняя студия занимает одну из комнат в многоквартирном доме, то работа на больших громкостях будет мешать соседям. В свою очередь, шаги соседей, скрипы, крики детей, уличный шум и другие неприятные звуки будут мешать работе на малых громкостях.
У каждого материала есть показатель поглощения звука (это вполне реальная физическая величина, называемая SRI — Sound Reduction Index), который зависит от толщины и самого материала. SRI кирпичной стены — примерно 45 дБ, а обычная дверь задерживает около 10 дБ.
Очевидное решение — увеличить толщину всего, что можно: стен, полов, потолков, дверей и окон. Большинство дорогих студий и вовсе строят еще одно помещение внутри уже имеющегося — «комнату в комнате». Так полностью убираются каналы передачи звука и вибраций от внутреннего помещения к наружному: используется плавающий пол на резиновой подстилке, стены отделяются друг от друга воздушной прослойкой и минеральной ватой, окна нередко отсутствуют.
В случае с домашней студией можно обить стены слоем минеральной ваты толщиной примерно 10 см, а вату прикрыть гипсокартоном или ковролином. Разумеется, не каждый решится на такой глобальный ремонт.
Тогда нужно выявить, какая стена хуже всего изолирует от посторонних звуков и приставить к ней длинный шкаф с одеждой или стеллаж. На пол можно постелить ковер с толстым ворсом. Потолок сделать навесным, пространство между ним и бетонной плитой заполнить минеральной ватой. Окна завесить толстыми занавесками в два слоя, установить хороший стеклопакет вместо старых рам. Наконец, устранить щели между дверью и дверной коробкой, а на саму дверь также прикрепить звукоизоляционный материал.
Все это поможет избавиться от внешних звуков и раздраженных соседей, но не избавит саму комнату от стоячих волн и резонансов. Эта задача решается акустической обработкой помещения.
Акустическая обработка
Смысл акустической обработки комнаты в том, чтобы избавиться от искажений неподготовленной комнаты, которые на слух определяются как неприятный гул или скрежет на определенных частотах, отсутствие детализации и общая мутность звучания.
В комнате с параллельными стенами неизбежно образуется акустический резонанс. Звуковая волна сотни раз в секунду отражается от одной стены к другой и появляется «стоячая волна».
Как же быть? Есть два основных подхода к акустической обработке помещения: поглощение и рассеивание. Для первого используются звукопоглощающие материалы — акустический поролон, минеральная вата, басовые ловушки и т.п. Для рассеивания — различного вида диффузоры, которые делают поверхность стен комнаты неоднородной. А профессиональные студии намеренно проектируют «неправильно»: с непараллельными стенами и угловатыми потолками.
Высокие и средние частоты
Проблемы с высокими частотами можно легко определить, встав в центр аппаратной комнаты и хлопнув в ладоши — в неподготовленном помещении будет четко различимо короткое эхо с неприятным металлическим окрасом. Очень часто эту проблему решают акустическим поролоном. Но обклеивать поролоном все вокруг не стоит — переглушенное «по верхам» помещение будет звучать неестественно, спад высоких приведет к выпячиванию средних и низких частот. В итоге комната перестанет звенеть, но начнет гудеть и бубнить.
Для борьбы как с высокими, так и со средними частотами нередко используют акустические панели. Такая панель представляет собой кусок звукопоглощающего материала определенной толщины, обернутый в рамку и затянутый декоративной тканью.
Толщина материала для поглощения определенной частоты вычисляется делением скорости звука (331 м/с) на частоту в Герцах. Например, длина звуковой волны на частоте 10 Кгц — 3,31 см. Значит, такую волну может полностью поглотить материал толщиной всего 3,5 см. Чем толще панель, тем ниже частота звука, которую панель может поглотить.
Акустическую панель можно приобрести в готовом виде или собрать самостоятельно — в сети достаточно инструкций. Несколько панелей в критических точках комнаты — позади, спереди и по бокам от мониторов — сделают работу со средними частотами намного комфортнее.
Низкие частоты
Труднее всего справится с низкими частотами. Если посчитать, длина волны частотой 100 Гц — 3,35 метра, акустическая панель такой толщины займет всю комнату. В то же время, именно басовая составляющая заставляет комнату гудеть, окна дрожать, а соседей — стучать по трубам.
Выявить проблемы с басом в комнате довольно просто: нужно запустить в DAW какой-нибудь синтезатор и сыграть гамму от самой нижней октавы. Ноты с проблемными частотами будут ощущаться громче или тише остальных.
Как бороться с басом? Больше всего он любит накапливаться в углах помещения. Поэтому по углам стоит разместить басовые ловушки — чаще всего это акустическая панель треугольной формы или конструкции типа диффузора Шредера.
Также басовые частоты отлично распространяются по твердым материалам. Если студийные мониторы размещены на стойках — бас легко перейдет по ним в пол и далее заставит гудеть всю комнату. Помогут специальные изоляционные подкладки под мониторы или — более радикальный вариант — подиум с резиновыми изоляционными ножками, на которые нужно поставить стойки или рабочий стол целиком, развязав тем самым источник звука с комнатой.
Практические советы для типичных ситуаций
Запись вокала
Диапазон мужского тенора — примерно 130–13000 Гц, женского — чуть выше. Даже самый глубокий бас редко содержит полезные частоты ниже 90 Гц. Поэтому для записи вокала понадобится самая минимальная акустическая обработка помещения, хотя можно обойтись и вовсе без нее.
Как правило, достаточно развесить пресловутый поролон «с пирамидками», чтобы избавиться от нежелательной реверберации. Можно также построить небольшую кабинку для записи вокала и обклеить ее поролоном. Самый примитивный вариант — установить микрофон в большом шкафу с одеждой. Нередко в продаже можно встретить акустические экраны для микрофонов, которые глушат вокал еще до того, как он распространится по всей комнате.
Запись акустических инструментов
Для этих целей понадобится минимальная обработка помещения, если только не планируется запись контрабасов, туб, валторн и других оркестровых инструментов с насыщенным басом. Нескольких акустических панелей, размещенных в критических местах комнаты, будет достаточно, чтобы избавиться от ненужной реверберации и среднечастотных резонансов. Внимание также стоит уделить звукоизоляции — особенно, если планируется запись медных духовых инструментов.
Прослушивание музыки
Одна из самых частых проблем с бытовыми аудиосистемами — это «раздутый бас». Нередко производители намеренно выпячивают низкие частоты в своих изделиях, чтобы больше «качало». Для того, чтобы соседи не стучали по трубе отопления во время работы такой аудиосистемы, нужно максимально изолировать помещение. Также необходимо развязать акустическую систему с комнатой — сделать специальную подставку или стойку на резиновых ножках.
Справится с избытком низких частот поможет мягкая мебель, а также полки и стеллажи, играющие роль диффузоров Шредера. Если этого недостаточно — можно поставить несколько басовых ловушек по углам. Пара акустических панелей на стенах улучшат детализацию средних и высоких частот. Для прослушивания музыки не нужно добиваться от помещения идеально ровной АЧХ — здесь лучше ориентироваться на собственный вкус.
Сведение музыки
Именно для сведения музыки требуется наиболее тщательная акустическая подготовка помещения. Нужно выровнять АЧХ комнаты и избавиться от резонансов. Пригодятся все советы, изложенные выше. Чтобы измерить получившийся результат, понадобится специальный микрофон с линейной АЧХ (например, Behringer ECM 8000) и бесплатная программа Room EQ Wizard.
Микрофон необходимо установить в том месте, где находится точка прослушивания при работе со звуком. По результатам измерений программа построит графики АЧХ и реверберации.