Pierwsze próby stworzenia systemu redukcji hałasu sięgają lat 30. ubiegłego wieku. Wtedy to Dr Paul Lueg zgłosił do urzędu patentowego projekt opisujący technologię wyciszania części fal dźwiękowych, zaprojektowany z myślą o poprawie jakości dźwięku kolumn. Była to rewolucyjna teoria, która pod wieloma względami wyprzedzała swoje czasy.
Walka z hałasem została podjęta niemal ćwierć wieku później. W latach 50. i 60. Dr Laurence Fogel opracował pierwsze urządzenia służące do wytłumiania potencjalnie szkodliwych dźwięków, emitowanych przez turbiny helikopterów. Technologia została umieszczona nie w głośnikach, a w słuchawkach, co dodatkowo redukowało ryzyko uszkodzenia słuchu.
Dziś Dr Fogel uznawany jest za ojca aktywnej redukcji szumów, choć nie tylko on pracował nad tym zagadnieniem. W tym samym czasie Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych prowadziły projekt mający na celu ochronę słuchu pilotów, który również zakończył się opracowaniem słuchawek ANC. Pierwszy model został wykorzystany na pokładzie nowiutkiego (i koszmarnie głośnego) transportera Hercules. Technologia skupiała się przede wszystkim na wyeliminowaniu niskich tonów, i to skutecznie – zintegrowane z hełmem słuchawki obcinały aż 18 dB szumów.
Potęga ciszy
Tak wyglądały początki technologii ANC, ale żeby prześledzić jej komercyjny rozwój, musimy przeskoczyć o kilka dekad. Podczas długiego, międzynarodowego lotu w 1978 r., wynalazca Amar Bose zwrócił uwagę na słabą jakość pokładowych słuchawek, i stwierdził, że mógłby zaprojektować lepsze. Wyciągnął więc kartkę papieru i długopis, a po chwili miał gotowy projekt technologii redukcji szumów. Bose, znany ze swoich przypływów inspiracji (w wywiadzie dla „Popular Science” w 2004 roku opowiadał, że większość jego pomysłów powstało nie jako racjonalny plan, ale szept intuicji), miał doświadczenie w tworzeniu systemów ulepszających brzmienie – jego firma produkowała głośniki z aktywnym korektorem.
Projekt technologii ANC od Bose okazał się intuicyjny, wydajny i praktyczny, dzięki czemu szybko zagościł we wszystkich kokpitach świata. Słuchawki towarzyszyły Dickowi Rutanowi i Jeanie Yeager podczas pierwszego w historii lotu dookoła świata bez międzylądowania i uzupełniania paliwa w 1986 roku. Do komercyjnie dostępnych słuchawek trafiła ona dopiero na początku XXI wieku, ponad 20 lat od jej stworzenia; żyjemy w erze miniaturyzacji i innowacji, które napędzają jej rozwój i ewolucję.
Obecnie każdy producent inwestuje w redukcję hałasu. Dostępne na rynku systemy ANC różnią się między sobą nie tyle pod względem technologicznym, co technicznym – najważniejsze jest właściwe dobranie algorytmów tłumienia hałasów. Dobrze dopasowane mikrofony, przetworniki i oprogramowanie mogą zdziałać cuda. Poszczególne marki mają oczywiście własne przepisy na sukces, lecz ogólna zasada działania systemu pozostaje niezmienna… czyli właściwie jaka?
Z punktu widzenia fizyki dźwięk jest falą, rozchodzącą się w powietrzu i ulegającą tym samym zjawiskom co inne typy fal. Jeśli dwie takie same fale spójnie nachodzą na siebie, dochodzi do ich wzmocnienia. ANC wykorzystuje zjawisko zmiany fazy dźwięku: emitowana przez system fala jest odwrotnością tej pochodzącej z zewnątrz, dzięki czemu wzajemnie się one wygaszają. Aby efekt był jak najbardziej wyraźny, redukcja szumów powinna być idealnie zgrana z hałasem otoczenia.
Niewłaściwe ustawienie mikrofonu może nawet wzmocnić hałas
Brzmi prosto, ale w rzeczywistości dość rzadko mamy do czynienia z tylko jedną falą naraz, która na dodatek może zmieniać swoją częstotliwość i natężenie. Większość systemów ANC nie generuje idealnych przeciwieństw maskowanych dźwięków, a jedynie przybliżony, maskujący ton. Właśnie dlatego redukcja hałasu tak dobrze sprawdza się w wytłumianiu jednostajnych, buczących odgłosów – silnika samolotu, ruchu drogowego – ale potrafi przepuszczać nagłe, głośne dźwięki, na przykład okrzyki. Na dodatek zbyt intensywna redukcja szumów może negatywnie wpływać na jakość odtwarzanej muzyki. Większość systemów ANC zatrzymuje zatem głównie niskie, powtarzalne tony, łatwo przechodzące przez zamknięte konstrukcje, resztę dźwięków wytłumiając pasywnie.
Pod płaszczykiem „aktywnej redukcji hałasu” tak naprawdę kryją się trzy technologie, zapewniające różną dokładność i sposób usuwania niepożądanych odgłosów otoczenia. Najpopularniejsza z nich to feedforward. Wykorzystujące ją słuchawki mają zewnętrzny mikrofon, umieszczony na muszlach lub dousznych wkładkach, który wyłapuje hałas jeszcze zanim ten trafi do naszych uszu. Sygnał dźwiękowy przesyłany jest do procesora dźwięku, który emituje przeciwfalę przez główny przetwornik.
Rozwiązanie to cechuje się pożądaną w systemach ANC szybkością – od wykrycia odgłosu do jego zwalczenia mija dosłownie ułamek sekundy – ale ma także kilka wad. Niewłaściwe ustawienie mikrofonu może uniemożliwić poprawne tłumienie hałasu, a w skrajnych przypadkach nawet spowodować wzmocnienie niechcianych dźwięków! Technologia ma również problemy z redukcją odgłosów wiatru. Kolejnym minusem feedforward jest brak informacji zwrotnej: efekt końcowy nie trafia do procesora ANC, więc system nie wie, jak jego praca wpływa na odtwarzanie muzyki.
Problem ten rozwiązuje druga technologia redukcji szumów, feedback ANC. Tutaj mikrofon znajduje się wewnątrz słuchawki, a zatem na bieżąco rejestruje on dźwięki dobiegające z przetwornika. Dzięki temu technologia potrafi samodzielnie korygować swoją pracę i dostosowywać ją do tego, co akurat słyszy użytkownik. Feedback ANC wymaga precyzyjnej kalibracji algorytmów, ponieważ zbyt surowa redukcja hałasów może obcinać również część pasm muzyki lub generować nieprzyjemne sprzężenie zwrotne.
Technologia hybrydowa stanowi połączenie dwóch powyższych. Opiera się ona na dwóch współpracujących ze sobą mikrofonach: jednym wewnątrz słuchawki, a drugim umieszczonym na zewnątrz. Dzięki niej system może analizować zarówno odgłosy otoczenia, jak i dźwiękowy ekosystem dookoła kanału słuchowego. Układ hybrydowy potrzebuje sporej mocy obliczeniowej i niezwykle dokładnych algorytmów redukcji hałasu, w innym przypadku może on bowiem kompletnie zrujnować wrażenia dźwiękowe.
Do działania systemy ANC potrzebują mocy. Może ona zostać dostarczona poprzez złącze USB-C lub Lightning, ale klasyczny minijack w tym przypadku nie wystarczy. Większość słuchawek ma wbudowany akumulator, dzięki któremu można korzystać z nich w trybie bezprzewodowym. Jeśli szukamy rozwiązania przewodowego, warto sprawdzić, gdzie ukryta jest bateria; w wielu starszych modelach znajduje się ona w ciężkim module, umieszczonym na kablu słuchawkowym, co może przeszkadzać wielu użytkownikom. Należy pamiętać, że ANC włączone w trybie bezprzewodowym skraca żywotność baterii, więc musimy przygotować się na częstsze ładowanie słuchawek.
Termin „redukcja szumów” nie zawsze oznacza aktywny system
Podczas wybierania idealnego modelu szczególną uwagę powinniśmy zwrócić na to, co tak naprawdę kryje się pod etykietką „redukcji szumów” – termin ten nie zawsze oznacza aktywną emisję fal dźwiękowych. Każde słuchawki zamknięte charakteryzują się pewnymi pasywnymi zdolnościami tłumienia hałasu: ściśle przylegającymi do uszu poduszkami czy pozbawionymi otworów nausznikami. Te z aktywnym ANC najczęściej są znacznie droższe od pasywnych modeli.
Czy redukcja dźwięków może być zastosowana w słuchawkach otwartych? W teorii tak, jednak zaprojektowanie takiego systemu byłoby trudne – otwarta konstrukcja nie ma właściwie żadnego tłumienia pasywnego, dlatego ANC musiałoby jednocześnie przetwarzać niezliczoną ilość dźwięków otoczenia, a jak już wiemy, nadmierna obróbka pogarsza jakość dźwięku.
Znacznie częściej producenci decydują się na uzupełnienie słuchawek zamkniętych o system transparentności dźwięku, pozwalający na podsłuchiwanie odgłosów otoczenia. Istotne jest odpowiednie odwzorowanie odgłosów otoczenia, tak, żeby nie brzmiały one mechanicznie, ani nie przeszkadzały użytkownikowi w słuchaniu muzyki. Oczywiście każdy z nas dysponuje innym słuchem, dlatego przed zakupem warto samodzielnie przetestować funkcję transparentności.
Ostatnim ważnym elementem systemów ANC jest design słuchawek. W praktyce pasywne tłumienie hałasu okazuje się niemal tak samo ważne jak to aktywne: trzeba sprawdzić, czy nauszniki ściśle przylegają do głowy, a piankowe wkładki douszne zasłaniają cały kanał słuchowy. Przewagę mają tutaj masywne konstrukcje wokółuszne, ale nie należy lekceważyć niewielkich, poręcznych słuchawek true wireless – niektóre z nich odseparują nas od wszystkich odgłosów świata tak skutecznie jak te największe modele.
