Активное шумоподавление

Активное шумоподавление (Active Noise Control, ANC) — это технология снижения уровня нежелательного звука (шума) путём генерации акустической волны, противоположной по фазе исходному шуму (явление деструктивной интерференции). Применяется в наушниках, гарнитурах, автомобилях, системах вентиляции и бытовой технике. Отличается от пассивной шумоизоляции (изоляции материалами) тем, что эффективно подавляет низкочастотные шумы (до 1–2 кГц), которые трудно изолировать механически.

Принцип действия

Основой технологии является явление деструктивной интерференции звуковых волн. Если две волны с одинаковой частотой и амплитудой встречаются в противофазе (сдвиг фазы на 180°), их амплитуды взаимно вычитаются, что приводит к уменьшению результирующего звукового давления. Система активного шумоподавления состоит из трёх ключевых компонентов:

Микрофон (сенсор): улавливает внешний шум и преобразует его в электрический сигнал.
Электронный блок (контроллер): обрабатывает сигнал, вычисляет его амплитуду, частоту и фазу, а затем генерирует «антишум» — сигнал, сдвинутый по фазе на 180°.
Громкоговоритель (излучатель): воспроизводит этот «антишум» в акустическом пространстве (например, внутри наушника или в салоне автомобиля).

Для эффективной работы необходимо, чтобы задержка между измерением шума и воспроизведением «антишума» была минимальной (обычно менее 0,1–0,5 миллисекунды), иначе интерференция становится неполной или даже усиливает шум. Поэтому системы ANC наиболее эффективны для периодических, предсказуемых шумов (например, гул двигателя, работа вентилятора) и менее эффективны для внезапных, импульсных звуков (хлопки, крики).

История

Идея активного подавления звука была предложена ещё в 1930-х годах. В 1934 году немецкий физик Пауль Лёг (Paul Lueg) получил патент на систему, которая генерировала звук в противофазе для подавления шума в трубах. Однако практическая реализация была невозможна из-за отсутствия электронных компонентов, способных обрабатывать сигнал в реальном времени.

Серьёзные разработки начались в 1950-х годах в США и СССР. В 1953 году американский инженер Лоуренс Фогель (Lawrence Vogel) продемонстрировал прототип наушников с активным шумоподавлением. В 1957 году компания RCA представила систему ANC для авиационных шлемов. В СССР в 1960-х годах инженеры ЦАГИ (Центральный аэрогидродинамический институт) разрабатывали системы для снижения шума в кабинах самолётов.

Широкое коммерческое применение технологии началось в 1980-х годах. В 1989 году компания Bose (США) выпустила первые массовые наушники с активным шумоподавлением для пилотов — Bose Aviation Headset X. В 1990-х годах ANC начали внедрять в автомобили (например, в модели Nissan и Lexus). В 2000-х годах технология стала доступной в потребительских наушниках и гарнитурах, а с 2010-х годов — в беспроводных наушниках-вкладышах (TWS).

Классификация систем активного шумоподавления

Системы ANC различаются по способу размещения микрофонов и алгоритму обработки сигнала.

По типу обратной связи

Feedforward (прямая связь): Микрофон расположен снаружи наушника (или вблизи источника шума). Он улавливает шум до того, как он достигнет уха пользователя. Контроллер генерирует «антишум» на основе этого сигнала. Преимущество: высокая эффективность для предсказуемых шумов. Недостаток: чувствительность к помехам (ветер, трение), сложность точного расчёта фазы для всех частот.
Feedback (обратная связь): Микрофон расположен внутри наушника, рядом с динамиком. Он измеряет результирующий звук (шум + «антишум») и корректирует сигнал, чтобы минимизировать остаточный шум. Преимущество: более точная коррекция, устойчивость к помехам. Недостаток: может усиливать высокочастотные шумы (свист) и требует более сложной электроники.
Hybrid (гибридная): Комбинирует оба подхода. Использует как внешний, так и внутренний микрофоны. Позволяет достичь максимальной эффективности в широком диапазоне частот, но требует более сложной обработки сигнала и большего энергопотребления.

По алгоритму обработки

Аналоговое ANC: Использует аналоговые электронные схемы (операционные усилители, фильтры). Обеспечивает минимальную задержку, но сложен в настройке и не адаптируется к изменяющимся условиям.
Цифровое ANC (DSP): Использует цифровой сигнальный процессор (DSP) или микроконтроллер. Позволяет реализовать сложные адаптивные алгоритмы (например, фильтр Калмана, нейронные сети), которые подстраиваются под изменяющийся шумовой фон. Современные системы ANC в наушниках и смартфонах почти всегда цифровые.

Применение

Наушники и гарнитуры

Наиболее массовое применение. Используются в:

Авиационных наушниках: для защиты слуха пилотов и снижения утомляемости от гула двигателей.
Потребительских наушниках: для комфортного прослушивания музыки в транспорте, на улице, в офисе.
Игровых гарнитурах: для погружения в игровой процесс и подавления фоновых шумов.
Слуховых аппаратах: для улучшения разборчивости речи в шумной обстановке.

Автомобильная промышленность

Системы ANC устанавливаются в салонах автомобилей для подавления шума от двигателя, дороги и ветра. Микрофоны размещаются в салоне, а «антишум» воспроизводится через штатную аудиосистему. Это позволяет сделать салон тише без увеличения массы звукоизоляции.

Авиация и космонавтика

Используется в кабинах пилотов, пассажирских салонах и для снижения шума от систем вентиляции и кондиционирования.

Промышленность и ЖКХ

Системы вентиляции и кондиционирования: для подавления низкочастотного гула вентиляторов.
Трансформаторные подстанции: для снижения шума от работающих трансформаторов.
Строительная техника: для защиты операторов от шума двигателей и гидравлики.

Бытовые приборы

Некоторые модели пылесосов, стиральных машин и кухонных вытяжек оснащаются системами ANC для снижения уровня шума.

Ограничения и недостатки

Частотный диапазон: Эффективно только для низких и средних частот (обычно до 1–2 кГц). Высокочастотные шумы (свист, шипение) лучше подавляются пассивной изоляцией.
Энергопотребление: Требует источника питания (батареи, аккумулятора). В пассивных наушниках ANC не работает.
Помехи: Ветрозащита микрофонов часто недостаточна, что приводит к появлению артефактов (шум ветра).
Эффект «заложенности ушей»: У некоторых пользователей при включении ANC возникает ощущение давления в ушах, связанное с изменением акустического давления в закрытом объёме наушника.
Сложность реализации: Для эффективной работы требуется точная настройка и калибровка системы под конкретную акустическую среду.

Интересные факты

Первый патент на активное шумоподавление был выдан в 1934 году, но первое коммерческое устройство появилось только через 55 лет.
В 2019 году компания Sony представила наушники WH-1000XM3, которые считались эталоном ANC в своём классе. Они использовали гибридную систему с двумя микрофонами на каждом наушнике.
В 2023 году компания Apple выпустила наушники AirPods Pro 2, в которых ANC было улучшено за счёт использования процессора H2 и адаптивных алгоритмов.
В России разработкой систем ANC для авиации занимается компания Авиашум (Москва), а также ряд научно-исследовательских институтов (например, НИИ авиационного оборудования).

Источники

Патент США № 2,043,416 (1934) — Paul Lueg, «Process of silencing sound oscillations».
Kuo, S. M., & Morgan, D. R. (1996). Active Noise Control Systems: Algorithms and DSP Implementations. Wiley.
Hansen, C. H., & Snyder, S. D. (1997). Active Control of Noise and Vibration. E & FN Spon.
Elliott, S. J. (2001). Signal Processing for Active Control. Academic Press.
Техническая документация компаний Bose, Sony, Apple, Samsung.
Статья «Активное шумоподавление» в журнале «Наука и жизнь», № 5, 2020.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →