Sztuczna cisza

Zawsze tak było jest i będzie, że aby z sukcesem sprzedać trzeba zaoferować klientom coś czego nie ma konkurencja. To może być zarówno jakiś gratisowy bajer, znana i ceniona marka albo też technologiczna nowinka budząca zaciekawienie i podziw. Tym ostatnim jest bez wątpienia ostatni krzyk mody w słuchawkach, czyli aktywne wyciszanie szumów. Nie wiem jak dla was ale mi coś takiego wydaje się przeczyć zdrowemu rozsądkowi i zakrawa na jakąś magiczną sztuczkę. Rozumiem, że można coś zagłuszyć, rozumiem, że można sobie włożyć palce do uszu i wyciszyć dźwięki otoczenia, ale taka „sztuczna cisza”.. No niby jak!?

O powyższym rozwiązaniu pierwszy raz usłyszałem kilka lat temu przyglądając się recenzji którychś ze słuchawek Sony. Jako, że sprzęt wyglądał w miarę normalnie (tzn. nie dla audiofilów) to mocno zdziwiła mnie cena grubo powyżej tysiąca złotych. Wgryzłem się zatem w opis funkcji gdzie znalazłem coś takiego jak ANC (Active Noise Control – ang. „Aktywna Kontrola Hałasu”). W skrócie polega to na tym, że założywszy słuchawki na głowę i oddawszy słodkim melodiom nie usłyszymy szumu ulicy, dźwięku odkurzacza czy nawet napie*dalania Człowieka Sąsiada, który uznał, że remonty najlepiej zaczyna się o ósmej w niedzielę.

Póki co wszystko wydaje się w porządku – podobny efekt obserwujemy przecież w każdych innych słuchawkach wyposażonych w dobre gąbki. Najlepsze jest jednak to, że ta Kontrola Szumów jest Aktywna i nie tylko może działać non-stop (np. wtedy kiedy akurat nie puszczamy żadnej muzyki) ale również (przede wszystkim!) sama decyduje jakie dźwięki zatrzymać, a jakie przepuścić! Dla przykładu będąc w samolocie słuchawki zagłuszą hałas silników ale przepuszczą (albo i nawet podgłośnią!) to co mówi do nas współpasażer. Sami chyba przyznacie, że ciężko rozkminić zasadę na jakiej to działa – ja miałem podobną zagwozdkę, toteż postanowiłem się doedukować w temacie; poniżej znajdziecie najważniejsze fakty:

Zacznijmy od podstaw.

  • Dźwięk to nic innego jak fala (drgania) rozchodząca się w jakimś materiale – z reguły im gęstszy tym lepiej i zasięg będzie większy. Może to być gaz (np. powietrze), ciecz (np. woda) albo ciało stałe (np. beton), ale nie może to być „nic” czyli kosmiczna próżnia, która jest absolutnie cicha (wiemy przecież, że „w kosmosie nikt nie usłyszy twojego krzyku”) i to całkiem spoko, bo jakby było inaczej to nasze złociutkie Słońce stałoby się cholernie głośne.
  • Kiedy dźwięk przechodzi z jednego ośrodka w drugi, ulega częściowemu wytłumieniu i staje się cichszy. To dlatego do wyciszania pomieszczeń nada się styropian albo gąbka, które są mieszaniną ciała stałego i powietrza.
  • Rodzaj dźwięku zależy od jego częstotliwości (szybkości drgania) – ludzka mowa, czy nawet muzyka to po prostu mieszanina różnych częstotliwości, którą nasz mózg tłumaczy w czasie rzeczywistym na zrozumiałe informacje. Zapamiętajcie ten fragment o czasie rzeczywistym, przyda się na później.
  • Dźwięki o tej samej częstotliwości mogą na siebie „wpadać” czyli interferować – wzmacniać się lub wygłuszać, wytłumaczę to w dalszej części artykułu.
  • Wysokie dźwięki (szybkie drgania, częstotliwość liczona w tysiącach drgań na sekundę) wydaje się głośniejsza, ale to niskie częstotliwości (kilka -naście/-dziesiąt drgań na sekundę) mają większy zasięg i trudniej je wytłumić.
  • Głośność dźwięku podaje się w decybelach (dB), które przedstawione są funkcją logarytmiczną. To znaczy, że różnica pomiędzy oddychaniem (10dB), a szeptem (20dB) jest minimalna; z kolei silnik Boeinga 737 (90dB) jest już czterokrotnie głośniejszy od hałasu przejeżdżającego nieopodal pociagu (80dB).

Chyba każdy z nas jeździł kiedyś na rowerze. Jak wiadomo im szybciej jedziemy tym większy opór powietrza – po prostu wiatr dmie nam w twarz, a paprochy wpadają do oczu. Czasem jednak mamy takiego farta, że wiaterek wieje normalnie, a my jedziemy w tym samym kierunku. Jeśli prędkość wiatru i naszego rowera zrównają się, wtedy opór powietrza będzie minimalny, właściwie niezauważalny – „wyzeruje się”. (co prawda tutaj rozchodzi się o prędkość, podczas gdy my mówimy o częstotliwości ale zasada jest podobna)

Wiatr to fala przemieszczającego się powietrza – w jednym miejscu pojawia się podciśnienie (powietrza jest trochę za mało) w innym nadciśnienie (powietrza jest ciut za dużo) – „fizyka” próbuje to wyrównać i mamy wiatr. Kiedy powietrze przemieści się już z jednego miejsca na drugie, różnica ciśnień się wyrówna, to następuje spokój i już nic nie wieje. W matematyce najlepiej obrazuje tę zależność sinusoida:

Analogicznie jest z dźwiękiem, który również ma swoje „góry” i „doliny”, które pokazać może sinusoidalny wykres. Dokładnie tak samo dźwięk może być wyciszony – łapiemy interesującą nas falę i:

  • jeśli jest za wysoka (nadciśnienie) to anihilujemy ją „odsysając” powietrze;
  • jeśli jest za niska (podciśnienie) to zerujemy wykres „dopompywując” powietrze;

Oczywiście jak już zostało wspomniane – fala dźwięku potrafi drgać bardzo szybko, więc i „pompka” musiałaby działać na adekwatnym poziomie. Całe szczęście, że takim mechanizmem może być absolutnie ten sam odgłos delikatnie przesunięty w czasie – wtedy górki z pierwszego dźwięku zerują się z dolinami drugiego. Nazywamy to interferencją.

Skoro teoria za nami – przejdźmy do tego co tygryski lubią najbardziej!

Witajcie drogie dzieci w programie Jakuba Słodowego! W dzisiejszym odcinku pobawimy się nieco dźwiękiem!

(dzieci): Hurraa!

Mam nadzieję, że zabraliście z domu telefony bo przydadzą nam się następujące aplikacje:

Sound Analyzer App   (1)
Audio Frequency Counter   (2)
Frequency Generator   (3)

Przyda się również szklany kieliszek, który na pewno znajdziecie w barku.. A skoro już tam jesteście to możecie przynieść coś dobrego dla Pana Jakuba, który przecież nie będzie gadał o suchym pysku, prawda dzieci?

(dzieci): Taaaaak!

Doskonale! W naszym pierwszym eksperymencie sprawdzimy sobie głośność i spektrum (składowe różnych częstotliwości) różnych zjawisk. W tym celu odpalamy pierwszą appkę i nasłuchujemy czego popadnie:

Szum mieszkania nie schodzi poniżej 24.4dB, tymczasem moje gwizdnięcie prosto w mikrofon to prawie 90dB!

Następnie przygotowujemy sobie jakiś krótki tekst do przeczytania, przełączamy naszą aplikację na kolejną zakładkę: „Spectrum Analyzer” po czym rozpoczynamy recytację:

Ludzka gardło generuje dźwięk w zakresie od kilkudziesięciu do kilku tysięcy Hz. Za granice słyszalności przyjmuje się 20Hz oraz 20kHz

Teraz z kolei przyda się wspomniany kieliszek, do którego nalewamy trochę wody – może być na dnie, do połowy albo prawie do pełna – każda ilość się nada. Maczamy palec wskazujący, a następnie powoli przesuwamy go po krawędzi kieliszka.

Jeśli robicie to powoli i precyzyjnie to powinien wam wyjść dość jednorodny dźwięk o częstotliwości powyżej tysiąca Hertzów. Aby go dokładnie zmierzyć będziemy potrzebować appki numer dwa:

Mój kieliszek w zależności od wypełnienia tworzył falę od 1100 do 1500Hz

Na koniec zostawiłem najciekawsze – ustaliwszy jaką częstotliwość najczęściej generuje nasz palec w połączeniu z kieliszkiem możemy użyć appki (3) aby wydusić dokładnie taki sam dźwięk z telefonu. Teraz kręcąc palcem po krawędzi od czasu do czasu będziemy mieli okazję doświadczyć wyżej opisanej interferencji – dochodzące do nas dźwięki będą się wzmacniać lub zerować.

Podsumowanie.

Co tu dużo pisać – magiczna sztuczka wyjaśniona: mikrofon zbiera dźwięki otoczenia, które następnie konwertowane są na postać spektrum. Teraz do pracy zabierają się algorytmy, które wiedzą jakie częstotliwości odpowiadają za szumy, a które są jak najbardziej pożądane (tj. ludzka mowa). Następnie procesor wysyła do słuchawek „kontrdźwięki”, które zerują się z hałasem lub „wzmacniacze”, które podgłaśniają to co nas może zainteresować. A za sprawą nowoczesnej technologii cała zabawa odbywa się w czasie rzeczywistym i wygląda jak czary.

Opisany przeze mnie przypadek to jednak dopiero początek, gdyż już możemy zaobserwować takie wynalazki jak Google Pixel Buds, które potrafią na bieżąco tłumaczyć obcy język – mikrofon wyłapuje angielski, a słuchawki w tym samym momencie mówią do nas po polsku. Z jednej strony zajebiste, z drugiej.. jako nauczyciel języka obcego odczuwam pewien dyskomfort..

Pomysł kosmiczny ale nie uwierzę póki nie wypróbuję

Źródła:

Wikipedia
Industrial Noise Control
CrazyNauka

 

 

Bookmark the permalink.