Active Noise Canceling – historia redukcji hałasu od 1933 roku…

Historia stystemu redukcji szumów Active Noise Canceling
Photo by Matheus Bertelli

Słuchawki z redukcją szumów są popularne od kilku lat, ale zastanówmy się, jak to działa i kiedy doszło do odkrycia tego systemu. Cofnijmy się do czasów prekursorów z dzieciny fizyki, którzy wyjaśniali działanie ANC daleko wcześniej zanim dysponowaliśmy sprzętem, który mógł zrealizować ich pomysł.

Początki badań teoretycznych nad wyciszaniem szumów

Wszystko zaczęło się w Niemczech w 1933 roku, kiedy Paul Lueg, doktor filozofii i medycyny, złożył wniosek patentowy na zastosowanie fal kierowanych fazowo do niwelowania tonów sinusoidalnych w kanałach i przywracania polaryzacji dźwięku wokół głośnika.

Dźwięki są złożone, ale w rzeczywistości proces ten polega na przesunięciu faz źródła drgań dźwięku, tj. drgań cząstek powietrza w tym samym kierunku co fala, w taki sposób, że ich szczyty się pokrywają lub nachodzą na siebie. Fale nachodzące na siebie się wzmacniają, a fale o przeciwnej amplitudzie się znoszą.

Kontynuując zagadnienie patentu przyznanego w 1936 roku teoretycznie już wtedy wiedziano o jak to działa, ale nie można było tego wykorzystać praktycznie. Nie było jeszcze urządzenia do rozpoznawania, przetwarzania i tworzenia dźwięku.

Dzisiaj łatwo udowodnić to zjawisko używając dowolnego, nawet darmowego programu do produkcji muzyki, tzw DAW – digital audio workstation, na przykład Audacity. Importujemy ten sam utwór lub dźwięk na dwa sąsiadujące ze sobą ślady, po czym w jednym odwracamy fazę. Skutek: pomimo wskaźników pokazujących, że pliki grają głośno, w głośnikach słychać ciszę.

Tutaj przykład usunięcia perkusji z nagrania przy użyciu techniki w uproszczeniu używanej w ANC – phase invertion.

Lata 50. – redukcja hałasu lotniczego w śmigłowcach

Pod koniec lat pięćdziesiątych Lawrence Jerome Fogel odniósł sukces i był jednym z pionierów w badaniach obliczeń i analizy fal dźwiękowych i czynnika ludzkiego. Fogel opracował systemy i patenty na aktywną redukcję hałasu lotniczego.

System ten został zaprojektowany w celu zmniejszenia hałasu pilota w obszarze kokpitu i ułatwienia komunikacji. Fogel jest uważany za wynalazcę aktywnej redukcji szumów.  Stworzył jeden z pierwszych systemów redukcji szumów do słuchawek.

Jednocześnie Laboratorium Badań Lotniczych AFRL prowadziło program badań akustycznych ukierunkowany na słuch i ochronę słuchu pilotów, terapię logopedyczną, pomiary dźwięku i modelowanie dźwięku. W latach 1956-1957 AFRL wprowadziło również projekt zestawu słuchawkowego ANR Active Noise Reduction, stworzony dla aktywnej i pasywnej ochrony słuchu.

Lata 70. – pierwsze praktyczne zastosowanie ANC przez Bose Corporation

Tutaj zaczyna się najsłynniejsza część historii o redukcji szumów przy pomocy słuchawek lotniczych. W roku 1978, inżynier dźwięku i założyciel Bose Corporation Amar Bose po raz pierwszy rozważał zmniejszenie hałasu w słuchawkach podczas lotu długiego lotu samolotem z USA do Europy.

Ze względu na hałas silników, słuchanie muzyki i relaks w samolocie były według niego niemożliwe, więc poświęcił się pomysłowi wykonania słuchawek, które zaczęły redukować hałas bezpośrednio w samolocie. Kiedy jego podróż dobiegła końca, zebrał cały zespół badawczy, aby stworzyć technologię redukcji hałasu.

W rezultacie firma BOSE opracowała nowy funkcjonalny prototyp słuchawek z wytłumieniem dźwięku. Słuchawki miały wbudowany mikrofon, który wykrywał dźwięk z zewnątrz, zanim dotarł on do ludzkich uszu.

Obwód tłumienia dźwięku następnie wykrywał odległość od głośnika słuchawek i mierzył częstotliwość oraz amplitudę fali dźwiękowej, aby stworzyć falę dźwiękową o przeciwnej amplitudzie.

Później te dwie fale dźwiękowe łączyły się z sygnałem zakłócającym, a „antydźwięk” usuwał dźwięk bez wpływu na dźwięk podstawowy. Brzmi to nieco skomplikowanie, ale dla wyjaśnienia wyobraźmy sobie, że fale o tożsamej amplitudzie wzmacniają się, a te o przeciwnej amplitudzie się redukują. Dla przykładu posłużymy się trampoliną. Gdy dwie osoby chcą skakać w tym samym momencie, trampolina będzie wyrzucać je wyżej, ale jeżeli dwie osoby będą skakać w ten sposób, że gdy jedna jest na górze, to druga właśnie się odbija, trampolina zmniejszy siłę wyrzutu.

Lata 80. Era praktycznych zastosowań ANC

To był ostateczny i prawdziwy test słuchawek Bose. Przeprowadzony w 1986 roku przez Dicka Rutana i Jeana Yeagera kilkudniowy lot. Latali dwumiejscowym samolotem zwanym Rutan Model 76 Voyager przez 9 dni, 3 minuty i 44 sekundy, ustanawiając nowy rekord wytrzymałości. Wyobraźcie sobie, jak trudno byłoby latać tak długo w powietrzu bez słuchawek redukujących szum silników!

Jednak Bose nie jest jedyną firmą słuchawkową, która stara się wyeliminować słuchawki. Inna duża niemiecka firma produkująca słuchawki, Sennheiser, aktywnie pracuje nad redukcją szumów w słuchawkach.

Zostały zaprojektowane, aby pomóc pilotom większości niemieckich samolotów Lufthansy chronić się przed hałasem o niskiej częstotliwości. W 1987 roku wprowadzili pierwszy certyfikowany (FAA-TSO) zestaw słuchawkowy z aktywnym tłumieniem dźwięku pilota o nazwie LHM 45 NoiseGard.

Dzisiaj technologia ANC jest powszechnie stosowana i dostępna w słuchawkach nausznych oraz dousznych. Tutaj znajdziecie ranking słuchawek z aktywną redukcją szumów: https://www.euro.com.pl/artykuly/wszystkie/artykul-ranking-sluchawek-z-aktywna-redukcja-szumow.bhtml

Dawid Bowie nagrywał używając przeciwfazy

Nie znaleźliśmy video, które pokazałoby dokładnie tę sytuację, ale David Bowie nagrywał w studio jednocześnie śpiew i gitarę akustyczną. Realizator nie chciał zakłócać procesu nagrań więc wpadł na pomysł, że nagra jednym mikrofonem głos i gitarę Davida, oraz na drugi mikrofon samą gitarę. Po zastosowaniu zabiegu przeciwfazy, mógł odseparować sam głos do dalszej obróbki i miksu.

 

Czy to szczyt możliwości ANC? Z pewnością nie!

Teoretycznie gdybyśmy dysponowali urządzeniami na tyle szybkimi, żeby zanalizować dźwięk i wytworzyć jego odpowiednią wersję, to moglibyśmy wyciszyć do zera każdy dźwięk, który nam przeszkadza. Trochę się boję pomyśleć czy procesory nieodległej przyszłości we współpracy ze sztuczną inteligencją nie zaserwują nam takiej możliwości. Teoretycznie moglibyśmy odseparować i wyłączyć na przykład dźwięk gadatliwego kompana podróży w samochodzie. Wystarczyłoby odtwarzać w głośnikach jego głos w przeciwfazie…

Od czasu wprowadzenia na rynek słuchawki z redukcją szumów zyskały popularność i uwagę wielu producentów słuchawek oraz innego rodzaju sprzętu audio. Ludzie zaczynają ich używać nie tylko w lotnictwie, ale także w codziennym życiu, ponieważ jest całkowicie bezpieczny dla uszu i zwiększa komfort słuchania muzyki w zatłoczonych, głośnych miejscach.

Ciekawostka na temat Lexusa LS 450 i ANC: Lexus NX – technologia i elektryczna moc 🔋⚡

Lexus NX – technologia i elektryczna moc 🔋⚡

 

Komentarze
Rate this post