Звук против звука

Как выбрать наушники с шумоподавлением

В 1978 году инженер из MIT по имени Амар Бозе надел авиационные наушники где-то над Атлантикой и обнаружил, что рёв двигателей настолько силён, что музыка под ним практически не слышна. Вместо того чтобы просто смириться с шумом в полёте, он достал салфетку и начал набрасывать уравнения ещё до посадки самолёта. То, что он записывал, казалось нарушением интуитивного правила о том, как устроен звук: нельзя победить шум, создав ещё больше шума. Но, как выясняется, можно - и физика, стоящая за этим, гораздо тоньше и деликатнее, чем осознаёт почти каждый, кто пользуется такими наушниками ежедневно. А ближе к концу этой истории вас ждёт по-настоящему неожиданный поворот: странное ощущение «давления», которое некоторые люди испытывают от наушников с шумоподавлением, не имеет вообще никакого отношения к реальному давлению воздуха.

Салфетка в самолёте

Набросок Бозе прямо в полёте лёг в основу Noise Reduction Technology Group - группы, которую он создал сразу по возвращении. Идея пролежала в основном без движения восемь лет, впервые всерьёз испытанная в 1986 году, когда двое пилотов, Дик Рутан и Джина Йегер, надели ранние прототипы шумоподавляющих наушников Bose во время первого в истории беспосадочного кругосветного полёта - девять дней и три минуты в двухместном самолёте под названием Voyager. Bose выпустила первую коммерческую авиационную гарнитуру в 1989 году, армия США приняла технологию для экипажей боевых машин в начале девяностых, а линейка Bose QuietComfort появилась у обычных потребителей в 2000-м - именно в этот момент шумоподавление перестало быть авиационным оборудованием и стало вещью, которую можно увидеть в пригородной электричке. Каждые шумоподавляющие наушники, выпущенные с тех пор, независимо от бренда, восходят к уравнениям, набросанным на салфетке где-то над Атлантикой.

Как на самом деле побеждают звук звуком

Физика, лежащая в основе, называется деструктивной интерференцией и остаётся одним из по-настоящему изящных фокусов в потребительской электронике. Звук распространяется волной - ритмичным чередованием более высокого и более низкого давления воздуха. Если сгенерировать вторую волну, идентичную во всём, кроме того, что она полностью инвертирована - так, что её пики попадают точно туда, где у исходной волны впадины, и наоборот - эти две волны сталкиваются и гасят друг друга почти до полной тишины. Это не метафора: именно поэтому в учебниках по акустике технологию шумоподавления описывают как «антишум», а не как блокировку шума.

Заставить это работать в реальной жизни - задача значительно сложнее, чем показывает физическая схема. Крошечный микрофон на внешней стороне наушника улавливает окружающий шум. Встроенный обрабатывающий чип анализирует частоту и амплитуду этого шума, затем генерирует зеркальную волну - инвертированную, подогнанную и синхронизированную с почти невообразимой точностью - и подаёт её на динамик вместе с тем, что вы на самом деле хотите слушать. Вся последовательность «захват - анализ - инверсия - воспроизведение» должна завершиться за долю миллисекунды, потому что любая заметная задержка позволяет исходной шумовой волне проскользнуть мимо ещё до того, как антишумовая волна успеет её встретить, - и всё гашение разваливается.

Три способа слушать врага

Не всякая система шумоподавления считывает входящий шум одинаково, и эта разница многое объясняет в том, почему дешёвые наушники гасят шум хуже премиальных. Системы feedforward располагают микрофон на внешней стороне наушника, направленным наружу, улавливая шум ещё до того, как он до вас дойдёт - быстрая реакция, но работающая на основе предсказания того, что случится с этим звуком на пути от микрофона до вашей барабанной перепонки, а предсказание может ошибаться, когда наушники слегка сдвигаются или входящий шум быстро меняет характер. Системы feedback размещают второй микрофон внутри наушника, слушая то, что реально доходит до вашего слухового прохода уже после факта, и корректируют антишумовой сигнал в реальном времени на основе того, что действительно прорвалось, - точнее, но медленнее, и склонны к своего рода самовозбуждающемуся завыванию обратной связи, если не спроектированы аккуратно. Гибридные системы, ставшие сегодня стандартом в любом серьёзном флагмане Sony, Bose и Apple, используют оба подхода одновременно: внешний микрофон реагирует быстро, внутренний исправляет то, что первый упустил. Именно поэтому гибридные системы стабильно превосходят однмикрофонные конструкции в более широком диапазоне частот - и именно поэтому они дороже в производстве.

Почему ваше кресло в самолёте - самая лёгкая задача для ANC

Не любой шум одинаково побеждается, и именно эта деталь объясняет, почему наушники с шумоподавлением кажутся почти волшебными в самолёте и заметно менее волшебными на шумном ужине. ANC отлично справляется с шумом, который низкочастотный, непрерывный и предсказуемый, - именно с таким профилем у ровного гула реактивного двигателя, гудения кондиционера или ритмичного грохота поезда. Это медленные, повторяющиеся волновые формы, которые обрабатывающий чип может предсказать и инвертировать с реальной уверенностью. С чем ANC справляется плохо - так это с обратным: с резким, высокочастотным, непредсказуемым звуком: плачущим младенцем, лающей собакой, звоном посуды, человеческой речью в целом, - потому что эти звуки слишком хаотично меняют высоту и амплитуду, чтобы даже быстрый процессор мог надёжно их инвертировать вовремя. Именно поэтому хорошие ANC-наушники всегда работают в паре с пассивной шумоизоляцией - простым физическим уплотнением плотно прилегающего амбушюра или вкладыша, - которая берёт на себя те высокие частоты, которые электроника в одиночку надёжно погасить не может. Активное гашение и пассивная блокировка - не конкурирующие технологии, а команда, где каждая закрывает ту часть спектра, с которой не справляется другая.

Вакуум, которого нет

А вот и обещанный поворот. Заметное число людей, пользующихся наушниками с шумоподавлением, сообщают о странном ощущении в тот момент, когда включают ANC: чувство давления, наполненности или того, что онлайн-сообщества успели прозвать «засасыванием барабанной перепонки», - будто кабина внезапно разгерметизировалась, или невидимая рука мягко тянет изнутри уха. Явление достаточно распространённое: широко цитируемый опрос читателей Wirecutter показал, что большинство респондентов испытывали его хотя бы раз.

По-настоящему увлекательная часть в том, что это ощущение практически никогда не вызвано реальным изменением давления воздуха внутри уха - у ваших наушников попросту нет механизма, способного его изменить. То, что на самом деле происходит, - своего рода перцептивная иллюзия, коренящаяся в том, что исследователи описывают через теорию обнаружения сигнала: ваш мозг постоянно откалиброван на базовый уровень фонового низкочастотного звука, в основном не замечаемого, но дающего тонкие пространственные и средовые сигналы, отслеживание которых вы не осознаёте. В момент включения ANC этот низкочастотный гул почти полностью исчезает, мозг фиксирует резкий, драматичный сдвиг в звуковой среде - и, поскольку внезапное падение низкочастотных сигналов давления также происходит при реальном изменении высоты или глубины, мозг хватается за ближайшее знакомое объяснение и интерпретирует ощущение как давление, хотя физически ничего не изменилось вовсе. Некоторые инженерные разборы добавляют второй фактор: многие системы ANC намеренно снижают силу гашения по мере роста частоты, создавая неравномерный профиль - сильное гашение в басах, постепенно ослабевающее к высоким частотам, - и этот дисбаланс сам по себе способен усиливать иллюзию, поскольку мозг теряет свой низкочастотный пространственный якорь, тогда как высокочастотный звук ослаблен лишь частично. Стоит сказать прямо: ни одно рецензируемое исследование не связывает ANC с повреждением слуха, и эффект, при всей своей неприятности для некоторых людей, - это фокус восприятия, а не физический вред; он, как правило, проходит в течение нескольких минут после снятия наушников и сильнее проявляется у тех, кто уже страдает от заложенности носовых пазух, аллергии или недавнего изменения высоты, из-за чего уши уже более чувствительны исходно.

Почему один и тот же рейс звучит по-разному в разных наушниках

Спросите часто летающих пассажиров, какой бренд лучше всего гасит гул реактивного двигателя, и вы получите по-настоящему разные ответы, и причина здесь не в маркетинге - а в том, что производители делают реальный, осознанный выбор настройки, а не все стремятся к одной и той же цели. Bose, опираясь на десятилетия авиационной инженерии, восходящей к тому самому наброску 1978 года, исторически настраивала флагманские наушники на исключительно агрессивное гашение низких частот, создавая тот самый почти вакуумный, практически полный покой, который часто летающие пассажиры ассоциируют именно с этим брендом - иногда ценой чуть менее естественного, более «обработанного» звучания в целом. Sony традиционно делает ставку на пенные амбушюры и микрофонные решётки, настроенные на более сильную работу в средних и верхних частотах, что проявляется как преимущество в приглушении высокочастотных звуков салона - грохота тележки, детского плача несколькими рядами дальше - даже когда её гашение низких частот немного отстаёт от Bose. Более новые поколения AirPods Pro от Apple, работающие на всё более мощных собственных чипах, сделали ставку именно на точную калибровку границы между тем, что гасится, и тем, что пропускается ради ситуационной осведомлённости, и недавние независимые сравнения прямо в полёте показали, что новейшие наушники Apple опережают обоих устоявшихся конкурентов именно на низкочастотном гуле двигателя - по-настоящему заметный сдвиг по сравнению с ещё несколькими годами ранее, когда авиационная родословная Bose делала подобный исход почти немыслимым. Ни одно из этих различий не делает какой-либо бренд объективно неправым - они отражают реальные, разные инженерные философии о том, какая часть хаоса авиационного салона заслуживает наиболее агрессивной обработки.

Что реально важно при покупке

Уберите маркетинг - и останется горстка конкретных факторов, предсказывающих, насколько хорошо реально будут работать наушники с шумоподавлением. Количество и расположение микрофонов значат больше, чем почти любая другая характеристика на коробке: настоящие гибридные системы с несколькими внешними и внутренними микрофонами на каждый наушник стабильно превосходят конструкции с одним лишь внешним микрофоном feedforward, и именно поэтому бюджетные ANC-наушники редко способны конкурировать с флагманами, как бы громко на упаковке ни было написано «активное шумоподавление». Посадка важна не меньше электроники, поскольку вся гибридная стратегия ANC опирается на то, что пассивная изоляция берёт на себя те частоты, с которыми не справляется электроника - неплотная посадка или неподходящий вкладыш подрывает даже лучший чип в мире. И если вы из тех, кто испытывает то самое ощущение вакуума, стоит знать, что многие наушники сейчас позволяют убавить интенсивность гашения, а не заставляют выбирать между всем и ничем - для многих этого достаточно, чтобы полностью устранить дискомфорт, сохранив при этом большую часть пользы.

То, что началось с наброска на салфетке одного раздражённого инженера где-то над Атлантикой в 1978 году, сегодня превратилось в по-настоящему сложные переговоры между физикой, психологией и обработкой сигнала за доли секунды - происходящие тихо, тысячи раз в секунду, каждый раз, когда вы надеваете наушники и мир становится чуть тише, чем ему, по идее, положено быть.