Active Noise Cancelling czyli: jak działa aktywne tłumienie?

Okazuje się, że w życiu nie zawsze te słuchawki są lepsze, które lepiej tłumią, tylko te, w których osiągnięto sensowniejszy kompromis pomiędzy naszymi potrzebami, tłumieniem pasywnym, aktywnym oraz stopniem przenikania sygnałów ze środowiska do naszej świadomości. Blokada otoczenia bywa zarówno przydatna, jak i uciążliwa, a w niektórych sytuacjach bywa wręcz niebezpieczna, gdy na ulicy nie usłyszymy w porę klaksonu. Pierwotnie optymalizowane pod potrzeby pilotów dziś powodują, że nawet zwykłe walenie młotkiem w gwoździe jest przyjemne. Słuchawki z aktywnym tłumieniem - przyjrzyjmy się im bliżej. 

Kilka ważnych pytań: Dla kogo? Do czego? I czy ma to sens? Gdy pierwszy raz zakładałem na głowę słuchawki z noise cancellingiem - a były to Bose QuiteComfort 3 pod koniec 2008 roku - usłyszałem propagandowy słowotok sprzedawcy o cudownych cechach użytkowych, o idealnym sprawdzaniu się podczas lotów samolotem itd. itp.. W sklepie stał nawet specjalny emulator warkotu silników maszyny turboodrzutowej. Po tym doświadczeniu tego typu słuchawki wrzuciłem na dno pamięci, bo przecież nie latam codziennie, ani nawet raz w tygodniu, właściwie to raz w miesiącu również nie. Więc do czego mi one...      O prawdziwym potencjale użytkowym, jaki tkwi w tego typu konstrukcjach przekonałem się dopiero trzy lata temu podczas pisania bodajże pierwszego w kraju dużego grupowego testu modeli z aktywnym tłumieniem ANC - Active Noise Cancelling. Od tamtej pory przestałem je traktować jak dziwadła, które wyprodukowano z przeznaczeniem dla wąskiego i specyficznego grona klientów.

Podczas eksperymentów w terenie okazało się, że rzeczywiście znakomicie sobie radzą z wszelkimi nużącymi odgłosami komunikacyjnymi na niskich częstotliwościach: pociąg / metro / tramwaj / autobus / samolot (nie można napisać uczciwego testu ANC bez polatania samolotem - to chyba oczywista oczywistość). Równie atrakcyjne użytkowo okazało się fenomenalne wręcz odcięcie niektórych modeli od odgłosów zwykłych rozmów czy stukotu klawiatury (średnie częstotliwości) umożliwiające skoncentrowanie się na bieżącym zajęciu: w pracy / domu / na uczelni. Natomiast najbardziej zaskakującym okazało się uświadomienie sobie, że tego typu słuchawki sprawdzają się również jako zaawansowane technicznie ochraniacze słuchu gdy: sąsiad od rana kosi trawnik / pracuję pilarką spalinową / używam elektronarzędzi / chcę się zdrzemnąć na hamaku podczas wizyty u teściów, a dzieciaki szwagra nie milkną na sekundę - w takich sytuacjach nawet nie podłączam kabla, po prostu włączam ANC i mogę zamknąć oczy. O zbawiennym działaniu tego typu słuchawek przekona się każdy kto: mieszka przy brukowanej ulicy / za oknem ma szkołę / komu właśnie postawili pod nosem ogródek piwny, a chciałby latem mieć otwarte okna - w takich przypadkach tego typu słuchawki powinny znajdować się wręcz na standardowym wyposażeniu mieszkania. Równolegle do nurtu konsumenckiego rozwijane są również profesjonalne konstrukcje, ANC znajdziemy na pokładzie promów kosmicznych, naziemnym sprzęcie wojskowym, samolotach wojskowych i cywilnych. Kilka linii lotniczych od lat oddaje do dyspozycji swoich biznesowych pasażerów właśnie tego typu słuchawki. Jak się ostatnio dowiedziałem również nasz rodzimy przewoźnik przymierza się do wyposażenia w nie Dreamlinerów.

I tu się pojawia pewien drobny problem "polityczno-ideologiczny" związany z palmą pierwszeństwa, bowiem ani Bose ani Sennheiser nie wymyślił ANC, obie firmy skorzystały z patentu tego samego człowieka (Bose przemilcza ten fakt i przypisuje cały laur zasług swojemu założycielowi - dr Amara Bose, który zmarł w 2013 roku w wieku 83 lat). Bose jako pierwszy pokazał działający prototyp, ale to Sennheiser wcześniej wypuścił na rynek gotowy produkt, wcześniej również produkował własne mikrofony i headsety dla lotnictwa. To, że amerykanie próbują sobie przypisać palmę pierwszeństwa, a Google im w tym pomaga chyba nikogo nie dziwi, ale co jest ważniejsze z punktu widzenia rynku i konsumentów? Prototyp czy produkt?

Działanie

Podstawa działania ANC jest prosta - na zewnątrz słuchawek mikrofon zbiera dźwięk z otoczenia, a układ elektroniczny odwraca go w fazie i nakłada na muzykę. W ten sposób każdy sygnał pojawiający się wokół słuchacza zyskuje w słuchawkach swój negatyw - tak więc fala przenikająca przez obudowę z zewnątrz trafia na swoją "antyfalę" w wyniku czego obie się na wzajem znoszą (przynajmniej teoretycznie). Gdybyśmy mogli w jakiś cudowny sposób całkowicie wyeliminować przedostawanie się fal z zewnątrz przez nausznik okazałoby się, że w słuchawkach słyszymy cały zgiełk otoczenia. 

Z tej zależności wypływa dość oczywisty wniosek - im dany model posiada lepsze parametry tłumienia pasywnego (stopień tłumienia samej konstrukcji) tym mniejszej ingerencji w sygnał musi dokonywać elektronika, co może, ale nie musi przełożyć się na lepszą jakość przekazu muzyki. Analogicznie możemy sobie wyobrazić sytuację odwrotną - firma projektuje tani, prosty model i przerzuca całą robotę na elektronikę - finalnie stopień wyciszenia otoczenia będzie podobny, ale poziom zniekształceń w torze audio będzie o wiele większy. Słuchawki z ANC muszą sprostać konstrukcyjnie większym wymaganiom, niż się powszechnie sądzi, ponieważ ANC posiada pewne istotne ograniczenia, dobrze sobie radzi głównie z niskimi częstotliwościami - stąd to obiegowe powiązanie ich z samolotami. Znacznie trudniej poradzić sobie z krótką falą, która musi zostać przez system zebrana z otoczenia, odwrócona, przesłana i wygenerowana przez przetwornik. Pomimo, że dzieje się to bardzo szybko, to jednak nie jest to czas zerowy. Przykładowo dla częstotliwości 10 kHz pojedynczy impuls trwa jedną dziesięciotysięczną część sekundy. Współcześnie prowadzone prace badawczo-rozwojowe dążą przede wszystkim do poprawiania parametru tłumienia średnich częstotliwości. Do gry wkraczają: coraz szybsza elektronika, rozwiązania cyfrowe i rozwój materiałów używanych do budowy elementów pasywnych.

Obudowy przetworników starają się odbić ile się da, a czego się nie da, to uwięzić w najwyższej jakości elastycznych materiałach tłumiących. Kupując model ANC płacimy więcej nie tylko za dodatkową elektronikę, której obecność jest dla nas oczywista, ale również za zaawansowane materiały. Jakość produktu jest więc wypadkową decyzji inżynierów i wypracowanego kompromisu pomiędzy jego aktywną i pasywną składową. Współcześnie produkowanych jest wiele modeli z ANC, niemalże każda marka ma przynajmniej po jednym w ofercie.

Uważaj jak leziesz baranie!

Chodząc z włączonym ANC po ulicy prawdopodobnie nie usłyszymy wielu krzyków z ust kierowców, ale pamiętajmy, że narażamy życie swoje i innych:

• Swoje ponieważ zaprzestajemy zwracać uwagę sygnały ostrzegawcze,
• Innych gdyż kierowcy nie mając pojęcia, że nie słyszycie ich klaksonów są zmuszeni do wykonywania gwałtownych manewrów ominięcia mogących mieć finał na latarni.

To jest też jeden z podstawowych powodów, dla których uważam, że słuchawki - abyśmy na ulicy słyszeli co się dzieje wokół - powinny mieć obowiązkowo możliwość wyłączenia ANC lub przynajmniej obniżenia jego skuteczności. Kierujący pojazdami w takich słuchawkach - zarówno kierowcy, jak i rowerzyści - powinni być traktowani na równi z pijanymi i naćpanymi - stanowią śmiertelne zagrożenie!

Nazewnictwo

Technika aktywnego tłumienia spotykana jest na rynku pod różnymi nazwami choć dotyczy tego samego zjawiska:
   - Acoustic Noise Cancelling (ANC) - AKG, Bose
   - Active Noise Cancellation (ANC) - Definitive Technology
   - Active Noise Cancelling (ANC) - Najbardziej rozpowszechnione i trafne rozwinięcie nazwy, wszak w proces zamieszane są wzmacniacze, więc mówimy tu o słuchawkach aktywnych
   - Active Noise Control (ANC) - Eee... tak samo kulawe, jak jego polski odpowiednik (patrz niżej)
   - Active Noise Reduction (ANR) - Trafne, acz się nie przyjęło chyba z powodu litery "R" na końcu
   - Noise Cancelling (NC) - Audio-Technica, NC często w publikacjach występuje zamiennie z ANC
   - NoiseGuard - Sennheiser
   - NXTGen Active Noise Cancelling - JBL
   - Aktywna Redukcja Szumu - To jest ewidentnie złe tłumaczenie, w procesie tłumienia większy czy mniejszy szum jest dodawany, a nie redukowany
   - Aktywna Redukcja Hałasu - To jest bliskie prawdy
   - Aktywne Tłumienie Hałasu - To też jest bliskie
   - Aktywna Kontrola Hałasu - Hałasu to słuchawki akurat nie kontrolują, hałas w otoczeniu po prostu jest
   - Aktywne Tłumienie - Proste i najlepiej oddające sens o co chodzi, a chodzi nam o tłumienie gdzie przecież nie każdy tłumiony dźwięk jest hałasem, nieprawdaż?

Potencjalny klient mógłby sądzić, że jak coś się określa mianem "Cancelling", to miał na myśli "Wyeliminowanie". Opisywane dalej konstrukcje słuchawek redukują, zmniejszają, przytłumiają niechciane dźwięki, ale ich całkowicie nie eliminują i całe szczęście, że tak się dzieje. Co firma, to nieco inny pomysł na implementację tego rozwiązania, różnią się one poziomem komplikacji elektroniki, funkcjami dodatkowymi i przede wszystkim poziomem jakości nie tyle tłumienia, co muzyki, która nierzadko zostaje poważnie skotłowana przez elektronikę.

Różnice konstrukcyjne

Typowe pasywne słuchawki zamknięte tłumią 8-12 dB, szczelne dokanałowe 10-15 dB, specjalistyczne modele dla perkusistów do 25dB, typowe modele ANC w paśmie niższych częstotliwości wznoszą się na wyżyny 20 dB i powyżej - tyle je łączy, a reszta tylko dzieli.

Elektronika

• Mikrofon 1 - Zamontowany na zewnątrz - zbiera wszystko jak leci, monofoniczny sygnał trafia do obu uszu;
• Mikrofony 2 - Po jednym na kanał - to rozwiązanie sprawdza się znakomicie tam, gdzie zakłócenie ma charakter kierunkowy np. po jednej stronie mamy silnik, a po drugiej gadających ludzi - w kanał L i R trafiają inne sygnały tłumiące;
• Mikrofony 2 - Zamontowany wewnątrz - zbierają tylko to, co się realnie przedostanie przez korpus do wnętrza. To rozwiązanie stanowi uzupełnienie najbardziej rozwiniętych systemów profesjonalnych i nielicznych amatorskich;
• Mikrofony 4-6 - Przedni i tylny na kanał (+ telefoniczne) - to najbardziej zaawansowany typ przetwarzania stosowany w modelach pozwalających również na prowadzenie rozmów telefonicznych - przetwarzanie odbywa się dwutorowo - każdy kanał rejestruje niezależnie zakłócenia po swojej stronie i je redukuje, a równocześnie odejmuje od sygnału przedniego (nasza mowa) sygnał z tyłu (otoczenie), dzięki czemu nasza wypowiedź zyskuje wysoką jakość. Niektóre topowe modele smartfonów z dodatkowym mikrofonem na górnej krawędzi wykorzystuję podobny mechanizm;
• Headsety dla pilotów również poza tłumieniem otoczenia starają się poprawić jakość przekazu werbalnego;
• Budowane są modele: przewodowe / bezprzewodowe (Bluetooth) / oraz takie, które mogą działać i tak i tak.
  Użytkowanie po kablu wydłuża czas pracy akumulatora;
  
  

  Ostatni krzyk mody to modele, które podłączone przez USB do komputera jednocześnie ładują się i przyjmują bezpośrednio sygnał cyfrowy, który dekodują wbudowanym DAC'kiem; Modele bezprzewodowe zwykle posiadają dedykowany: mikrofon / mikrofony do rozmów telefonicznych; Spotyka się również mikrofony telefoniczne i sterowanie osadzone na przewodzie audio w charakterze podstawowego mikrofonu telefonicznego lub jako zapas na czas gdy padnie akumulator (tryb pasywny); Mogą posiadać sterowanie i/lub mikrofon na przewodzie sygnałowym dedykowany dla Androida / iOS / uniwersalny; Jako konstrukcje aktywne posiadają na pokładzie wzmacniacz, od jakości którego wiele zależy;

  W najnowszych modelach analogowa obróbka sygnału została zastąpiona przez cyfrową, co pozwoliło ponownie podnieść poprzeczkę jakości; Można odnieść wrażenie, że konstruktorzy przez wiele lat koncentrowali swoje wysiłki na poprawie tłumienia traktując odtwarzanie muzyki jakby to była dodatkowa funkcjonalność, a nie na odwrót; Nowe konstrukcje konkurują również na poziomie jakości muzyki, określenie "nowe" ma charakter względny ponieważ w świecie ANC tzw. nowości pojawiają się co kilka lat, a nie raz na sezon; Nie ma prawdziwie hi-endowych konstrukcji z ANC, ale koncepcyjnie fakt posiadania blisko siebie DAC'a, wzmacniacza i przetwornika zbliża je do ideału.

Konstrukcje słuchawek

• Dominujące na rynku są oczywiście konstrukcje wokółuszne i to jest znakomita sytuacja - zapewniają komfort nawet podczas wielogodzinnej podróży, nie cisną (przynajmniej te lepsze), można się w nich bez obaw przespać, jest więcej miejsca na materiały tłumiące, zasilanie, elektronika może być również optymalnie rozmieszczona;
• Trafiają się i mniejsze modele nauszne stanowiące sensowny kompromis pomiędzy funkcjonalnością, a poręcznością w podróży (słodkie maleństwa), acz dla uzyskania sensownego poziomu tłumienia pasywnego muszą bardziej dociskać do uszu;
• Produkowane są również dokanałówki z ANC, ale przed zakupem takiego rozwiązania osobiście zastanowiłbym się ze trzy razy - są mniej poręczne ponieważ elektronika wraz z ciężkim zasilaniem dynda nam na kablu i łatwo o coś zaczepić, a co najważniejsze używanie ich w samolocie jest obarczone znacznym ryzykiem o czym producenci zdają się zapominać.

Słuchawki dokanałowe wysokiej jakości podczas lotu!

Przetestowane niechcący na sobie więc to raport z pierwszej ręki - w samolotach rejsowych przed startem i podczas lądowania zmieniane jest ciśnienie w kabinie, generalnie chodzi o to by różnica ciśnień pomiędzy wnętrzem, a otoczeniem podczas lotu była jak najmniejsza (poprawia to żywotność kadłuba). Procedura ta jest odpowiedzialna za to charakterystyczne zatykanie się uszu podczas lądowania - to nic innego jak objaw towarzyszący pracy kompresorów symulujących ciśnienie jakie będzie panować po wylądowaniu na poziomie płyty lotniska docelowego. Bez tej czynności mogłoby się po prostu nie dać otworzyć drzwi gdybyśmy np. startowali podczas deszczowego niżu, a wylądowali podczas słonecznego wyżu - to chyba jasne? Różnice ciśnień jakim jesteśmy poddawani są dość znaczne ale nadal akceptowalna dla pasażerów, najgorzej mają małe dzieci, którym mechanizm kompensacji ciśnień w uchu środkowym jeszcze się nie wykształcił - dzieciaki płaczą podczas lądowania nie dlatego że się boją - bolą je uszy.

Tak więc jeżeli zatkamy sobie hermetycznie kanał słuchowy to tracimy kontakt z aktualnie otaczającym nas ciśnieniem, ja wsadziłem sobie dokanałówki już podczas lotu (niskie ciśnienie w kabinie) i wyjąłem dopiero po wylądowaniu gdy drzwi były otwarte - gwałtowny skok ciśnienia trwający ułamki sekundy załatwił mi obustronne zapalenie uszu (antybiotyk przez kilka dni), potworny ból głowy i zawroty non-stop. Gdybym się tak urządził na etapie startu to nie wiem jakbym doleciał do celu.

Powyższa uwaga dotyczy wszelkich modeli dokanałowych uszczelniających nam kanał słuchowy - nie tylko tych z ANC. Lecisz samolotem - nie wkładaj sobie nic do uszu!!!

ZAPRASZAMY DO LEKTURY  WSZYSTKICH 11 RECENZJI

Testowane modele słuchawek z Noise Cancellingiem:

1. Audio Technica ATH-MSR7NC
2. AKG N60 NC
3. B&O Play H8
4. Definitive Technology Symphony 1
5. Denon Globe Cruiser AH-GC20
6. JBL Everest Elite 700NC
7. Phiaton Chord MS530
8. Polk Audio UltraFocus 8000
9.  PSB M4U 2
10. Samsung Level On Pro
11. Sennheiser Momentum M2 AEBT Ivory