ANC W SŁUCHAWKACH CZ. II - TECHNIKA

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

 ANC W SŁUCHAWKACH CZ. II - HISTORIA

Zasada działania

Podstawa działania ANC (Active Noise Cancelling) 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 akustyczna przenikająca przez obudowę trafia na swoją "antyfalę" w wyniku czego obie się na wzajem znoszą (przynajmniej teoretycznie).

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 tradycyjnie ANC posiada pewne istotne ograniczenie - dobrze sobie radzi tylko z niskimi częstotliwościami. Znacznie trudniej okiełznać krótkie fale, która musiałyby zostać przez system zebrane z otoczenia, odwrócone, przesłane i wygenerowane przez przetwornik. Pomimo, że odbywa się to bardzo szybko, to jednak nie jest to czas zerowy. Przykładowo dla częstotliwości 1 kHz pojedynczy impuls trwa jedną tysięczną 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 technologiczny materiałów używanych do budowy elementów pasywnych.

Generalnie obudowy przetworników starają się odbić ile się da, a czego się nie da, to uwięzić w elastycznych materiałach tłumiących najwyższej jakości. 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 coraz więcej słuchawek z ANC, duzi gracze poczytują sobie za punkt honoru posiadanie w ofercie przynajmniej po jednym modelu.

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
NoiseGard - 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?

Określenie "Cancelling" jest nieco mylące i jak to w reklamie bywa stosowane na wyrost - ludzie często myślą, że słuchawki wytwarzają niemal absolutną ciszę - tak niestety albo stety nie jest. Recenzowane 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.

Skuteczność tłumienia

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

Reklama swoimi prawami się rządzi ale źle się dzieje gdy zaczyna obiecywać zbyt dużo. Znam co najmniej kilka osób, które były zawiedzione, że tłumienie nie jest skuteczne w 100%... bo przecież fale się wygaszają... bo tak to jest narysowane na ilustracjach opisujących działanie... noise cancelling wbrew reklamom, nie wycisza otoczenia do zera ale robi to wystarczająco skutecznie by w połączeniu nawet z cicho grającą muzyką zrobiło się przyjemniej.

Zasilanie

Mówimy tu o urządzeniach aktywnych, a to oznacza konieczność ich zasilania. Dawniej stosowane były wyłącznie bateryjki (AA / AAA od 1 do 4 szt.), acz i dziś niektóre firmy nie stronią od takiego modelu zasilania. Może i nie wygląda ono supernowocześnie ale ma pewne istotne zalety. Baterie można zastąpić ładowalnymi akumulatorkami np. Eneloop (znakomicie trzymają napięcie nawet podczas kilkumiesięcznego leżakowania w szufladzie) i wtedy zabranie ze sobą na dłuższy wyjazd nawet ich garści nie stanowi problemu. Również w przypadku intensywnego użytkowania zastąpienie zajeżdżonych ogniw nowymi będzie tańsze niż wymiana akumulatora.

Drugim typem zasilania są wbudowane akumulatory - to rozwiązanie jest bardziej wygodne dla użytkowników miejskich gdzie zwykle przemieszczamy się od komputera do komputera i podładowanie nie stanowi problemu. Inna rzecz, że jeżeli słuchawki mogą pracować np. przez 15-20 h to doładowywanie nie jest aż tak kluczowe jak w przypadku smartfonów, które są włączone non-stop. Akumulatory (obecnie polimerowo-jonowe) bywają wymienne lub niewymienne i zależnie od konstrukcji słuchawek ładuje się je przez micro-USB z komputera lub ładowarką od smartfona, a wyjmowalne w ładowarce zewnętrznej podobnie jak to się kiedyś robiło z akumulatorami do kamer.

Różnice

Rozrzut cech eksploatacyjnych jest spory i warto wybrać dla siebie taki model, który najlepiej będzie pasował do preferowanego sposobu eksploatacji i nie stanie się przysłowiową kulą u nogi.

• Większość modeli po rozładowaniu traci częściowo funkcjonalność (Bluetooth, ANC, telefon), ale nadal działają jak normalne słuchawki, o ile mamy przy sobie przewód audio
• Niektóre modele do jakiegokolwiek działania wymagają zasilania - nie ma prądu nie ma słuchania w ogóle - może niepotrzebnie demonizuję to rozwiązania bo przecież nie mamy żalu do telefonu, że nie można z niego dzwonić jak padnie akumulator - taka jego uroda, więc umówmy się, że dla miejskich podróżników nie stanowi to istotnego problemu
• Dla podtrzymania zasilania wozimy ze sobą: baterie / ładowarkę / kabel USB / dodatkowy akumulator
• Niektóre modele mają ANC załączone na stałe, w innych ANC jest wyłączalne zależnie od potrzeb
• Bardzo zaawansowane modele mogą posiadać kilka trybów pracy - można się dostosować wtedy do charakteru otoczenia
• Budowane są modele: przewodowe / bezprzewodowe (Bluetooth) / oraz takie, które mogą działać i tak i tak, użytkowanie po kablu wydłuża czas pracy akumulatora.

W 1957 wszystko było lampowe (wojsku to nie przeszkadzało), w 1986 modułem sterowania tłumieniem nadal można było zabić - prototyp Bose. Gdy Bose wypuszczał swoje pierwsze słuchawki dla pilotów cywilnych w 1989 zafundował im przeźroczyste muszle. Rok 2016, minęło 59 lat - to samo plus cztery razy więcej
w wykonaniu firmy Sennheiser.

Noise Cancelling - wspólna nazwa, wiele interpretacji

•  Jeden mikrofon - zamontowany na zewnątrz - zbiera wszystko jak leci, monofoniczny sygnał tłumiący trafia jednocześnie do obu uszu, to rozwiązanie obecnie występuje już chyba tylko w budżetowych modelach najniższej jakości oraz w headsetach dla pilotów gdzie słuchawki służą wyłącznie do komunikacji głosowej, a sam pilot przebywa w homogenicznym środowisku akustycznym
• Dwa mikrofony - po jednym na kanał - to rozwiązanie obecnie najbardziej rozpowszechnione, sprawdza się znakomicie tam, gdzie zakłócenia mają charakter kierunkowy np. po jednej stronie mamy silnik, a po drugiej gadających ludzi - w kanał L i R trafiają inne sygnały tłumiące
• Dwa mikrofony - po jednym na kanał zamontowane wewnątrz - zbierają to, co się realnie przedostaje przez korpus do wnętrza.
• Dodatkowe dwa mikrofony - po jednym na kanał zamontowane wewnątrz przy wejściu do kanału słuchowego - to rozwiązanie stanowi uzupełnienie najbardziej rozwiniętych systemów i pochodzi ze środowiska profesjonalnego.
• Od czterech do sześciu mikrofonów - to najbardziej zaawansowany typ przetwarzania stosowany w modelach pozwalających również na prowadzenie wysokiej jakości 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 tylni (otoczenie), dzięki czemu nasza wypowiedź zyskuje wysoką jakość. Niektóre topowe modele smartfonów z dodatkowym mikrofonem na górnej krawędzi wykorzystuję podobny mechanizm
• Headsety dla pilotów i wojska poza tłumieniem otoczenia starają się również poprawić jakość przekazu werbalnego

Pamiętacie jak Janek przyciskał jedną ręką hełmofon do ucha by cokolwiek słyszeć,
a drugą laryngofon do krtani by jego usłyszano? No, nie miał chłopak noise cancellingu. Gdyby "Pancerni" dysponowali współczesnymi zabawkami jak M-1 Abrams i hełmy Bose Combat Vehicle Crewman to losy filmowej wojny mogłyby się inaczej potoczyć...
np. z paradą zwycięstwa w Moskwie? A swoja drogą przyjrzyjcie się uważnie pierwszemu zdjęciu - to wygląda tak jakby tam jakiś wielki głośnik siedział w środku.

Inne funkcje

• Ostatni krzyk mody to modele, które podłączone przez USB do komputera oprócz ładowania pozwalają również na bezpośrednie słuchanie plików ponieważ posiadają wbudowany DAC. To zupełnie nowa jakość obsługi gdy możemy korzystać ze stacjonarnych programów: J.River, iTunes, foobar2000 czy Tidal
• Modele bezprzewodowe zwykle posiadają wbudowany mikrofon 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)
• Sterowanie i/lub mikrofon na przewodzie sygnałowym może być dedykowany dla systemów Android, iOS lub być w miarę uniwersalny (działa mikrofon, zarządzanie utworami ale głośność nie)
• Jako konstrukcje aktywne posiadają na pokładzie wzmacniacz i sporo elektroniki od jakości których wiele zależy
• Jak na razie nie trafiłem ma prawdziwie hi-endową konstrukcję z ANC (choć jest pewien kandydat na horyzoncie), ale koncepcyjnie fakt zlokalizowania blisko siebie DAC'a, wzmacniacza i przetwornika zbliża je do ideału.

Na głowie najnowszy model AKG N90Q, cenowo (6.000 zł) pretenduje do tego miana hi-endu - technicznie na pewno, a brzmieniowo zapowiada się nieźle, acz wypowiem się po prawdziwych testach gdy się okaże ile jest warte najnowsze dzieło sygnowane przez Quincy Jonesa. Póki co w kraju jest jeden egzemplarz wystawiony na widok publiczny.

Konstrukcje słuchawek 

Przykład słuchawek wymyślonych by sprostać trudom podróży - małe, składane, bezprzewodowe, tłumiące z wyjmowalnym akumulatorem - Sennheiser Travel MM 450-X - do tańca i do różańca.

Słuchawki dokanałowe w samolocie

Przetestowałem to 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 akceptowalne 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 słuchawkami 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. Gdy samolot startuje ryzyko jest mniejsze bo pod ciśnieniem znajduje się relatywnie niewiele powietrza uwięzionego w kanale, któremu łatwiej się powoli ewakuować na zewnątrz. Wzrost ciśnienia w kabinie podczas lądowania napiera na słuchawki co dodatkowo je uszczelnia.
Powyższa uwaga dotyczy wszelkich modeli dokanałowych, nie tylko NC. 
Lecisz samolotem - nie wkładaj sobie nic do uszu.

Warto patrzeć pod nogi

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!

Podsumowanie

Wszystko można uprościć lub dowolnie skomplikować zależnie od założeń marketingowych, poziomu wiedzy inżynierów, planowanej grupy docelowej i stawianych celów dlatego też istnieje na rynku ogromne zróżnicowanie konstrukcji, modeli i cen. Kilka lat temu producenci ścigali się o to, który uzyska większą ciszę (pozostawiając kwestie jakości muzyki jakby na drugim planie), teraz to się na szczęście zmieniło i ANC stało się po prostu fajnym dodatkiem ułatwiającym życie, a nie celem samym w sobie. Obecny wyścig toczy się o jakość dźwięku, o zminimalizowanie zniekształceń, o tłumienie jak najszerszego spektrum zakłóceń, o jakość rozmów telefonicznych i o wydłużenie czasu pracy na akumulatorze. 

Czy warto kupić i używać słuchawki z ANC? Zdecydowanie tak o ile świadomie uznamy, że mamy taką potrzebę. Przebywanie w zbyt hałaśliwym środowisku z czasem może prowadzić do upośledzenia słuchu i w takiej sytuacji ANC jawi się jako rozwiązanie wręcz dobroczynne. Istnieją również takie sytuacje kiedy po prostu zależy nam na jak największej ciszy żeby się nad czymś skupić - muzyka nawet do tego nie jest potrzebna. Na pewno osoby korzystające na co dzień z transportu publicznego powinny rozważyć w pierwszej kolejności taką ewentualność. ANC'eki pozwalają na słuchanie tego co zwykle tyle, że można to robić ciszej czyli zdrowiej. Słuchawki powinny dawać nam możliwość czasowego wyłączania funkcji tłumienia (szczególnie modele bardzo skuteczne), bo o ile miło od czasu do czasu odizolować się od uciążliwości to przebywanie w tak jakby nie patrzeć sztucznym akustycznie środowisku non-stop nie jest chyba tym o czym wszyscy marzą. Kto chociaż raz w życiu znalazł się w komorze bezechowej (czy to w fabryce kolumn czy podczas badania audiometrycznego) ten wie, że nie jest to fajne miejsce do przebywania na dłużej - jest “dziwnie”. Jako zwierzęta jesteśmy przez ewolucję zaadaptowani do życia w środowisku pełnym rozproszonych i odbitych dźwięków więc zbyt silne odcięcie się od nich wywołuje alarm w organizmie - najczęściej jest to uczucie żołądka podjeżdżającego do gardła, albo "ścisk w oczach", albo zawroty głowy, albo stan ogólnego zdezorientowania i dyskomfortu, który na szczęście maleje gdy pojawia się muzyka. 

Podczas zakupów nie dajmy się omamić cyferkom opisującym stopnień tłumienia - dlatego, że jest ono mierzone dla wybranych częstotliwości, pomiar nie jest standaryzowany więc każda firma może mierzyć takie częstotliwości przy których ich produkt wypada najlepiej, a to wszystko i tak ma się nijak do tego co się wokół nas dzieje w realnym życiu. Więcej wcale nie zawsze oznacza więc lepiej. Na pewno warto też rozważyć zakup ANC’aków jako tzw. drugich słuchawek na specjalne okazje.

TESTY SŁUCHAWEK Z AKTYWNYM TŁUMIENIEM
 

AKG N60 NC
Audio Technica ATH-MSR7NC
Beoplay H8
Definitive Technology Symphony 1
Denon Globe Cruiser AH-GC20
JBL Everest Elite 700NC
Phiaton Chord MS530
Polk Audio UltraFocus 8000
PSB M4U 2
Samsung Level On Pro
Sennheiser Momentum M2 AEBT Ivory