Что такое шумодав – Систему активного шумоподавления научили «слышать» звук до его появления

Беседка №169. Шумоподавление в смартфонах — android.mobile-review.com

24 декабря 2017

Илья Субботин

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

О важности шумоподавления в современной мобильной электронике…

Оригинальный материал

В вашем смартфоне – куча технологий, от процессоров до модемов и даже выделенных компонентов для отслеживания гироскопа. Аппаратное обеспечение аудиочасти на сегодняшний день также плотно интегрировано в мобильные устройства. Одной из уже включенных в наши устройства, но почему-то не такой популярной технологией является поддержка подавления шума.

Обычно шумоподавление ассоциируется с беспроводными наушниками, но оно также является важнейшим элементом и в других гаджетах, включая и ваш смартфон. Оно используется как в звонках, так и в «умных ассистентах», и, возможно, является самой важной технологией в современных гаджетах.

Что такое шумоподавление?

Ответ – в самом термине: это технология, разработанная для отсечения фонового шума для улучшения слышимости. Однако достичь этого не так просто, как кажется.
Для начала – о том, как это работает. Одним из базовых законов физики является то, что звуковые волны одной амплитуды и одной частоты, находящиеся в противофазе, при складывании взаимно отсекаются. Другими словами, если взять волну с пиком в 1 вольт и совместить её с инвертированной волной в -1 вольт, то получится 0 вольт. Они взаимно «погасят» друг друга. В случае с шумоподавлением теория такова, что если мы сможем уловить фоновый шум при помощи микрофона, инвертировать фазу сигнала на определённой частоте с задержкой, равной 180 градусов, и добавить к оригинальному сигналу, то получится отсечь шум. Довольно просто.

Теория слегка нарушается, когда мы из мира теоретического перемещаемся в реальный мир. Микрофоны не идеальны, электронная конверсия добавляет собственный шум, а фаза отсекания звуковой волны, выходящей из динамика, может не совпадать с фазой шума по достижении вашего уха. Эти системы нуждаются в тонкой настройке, но даже в этом случае вы не услышите стопроцентного подавления шума. Довольно часто встречается уменьшение шума в промежутке между -20 и -30 децибел, в котором отсекается фоновый шум от 1/16 до 1/32. Значительный показатель.

Более узкие диапазоны частот позволяют добиться более точного уровня сведения или уменьшения шума, в то время как более широкие диапазоны покрывают больше частот, но не могут так значительно уменьшить амплитуду. Это важно учесть, чтобы понять плюсы и минусы, например, при попытке отфильтровать весь слышимый фоновый шум или просто отсечь шум вокруг частот человеческого голоса.

В телефоне

Если вы всё еще звоните посредством смартфона, то вы с большой долей вероятности заметили, что слышимость собеседника стала гораздо лучше, да и на другом конце звук чистый и приятный. Отчасти дело в улучшениях в качестве звонков, но для кристально чистых звонков на вашем телефоне используется активное шумоподавление для устранения части фонового шума, когда вы держите телефон у уха. Данная технология используется в телефонах уже многие годы, и она продолжает улучшаться.

Помимо основного микрофона для записи голоса, в вашем смартфоне установлены дополнительные микрофоны для шумоподавления. Записи с этих микрофонов можно использовать в описанном выше сценарии, отсекая фоновый шум. Эта же фоновая информация может использоваться для погашения шума, который «слышит» микрофон, в который вы говорите при звонке, но с инвертированием сигнала и совмещением его перед тем, как послать голосовой пакет посредством вашей сотовой сети.

Вдобавок к шумоподавлению, полученная от дополнительных микрофонов информация может использоваться для автоматической настройки громкости вызова на основе уровня фонового шума и для попытки отфильтровать задувающий в динамик ветер. Многие подобные «фишки» включены в смартфоны на уровне процессоров производства Qualcomm и других, что делает их доступными на большинстве аппаратов.

Системы с несколькими микрофонами также служат и другой цели – локализации голоса для «умных ассистентов». Подобная система необходима для определения направления входящей голосовой команды. Эта информация может затем быть использована для определения, что же является фоновым шумом, даже если это другие голоса или ТВ, который впоследствии отфильтровывается для обеспечения максимально чистого источника для алгоритмов распознавания голоса.

В аксессуарах

Очевидно, что аналогичная схема применима к устройствам «умного дома», таким как Google Home и Amazon Echo. Кроме определения направления входящей команды, эти устройства применяют алгоритмы по снижению шума и отсеканию эха, похожие на таковые в смартфонах. В Alexa используется до 6 всенаправленных микрофонов, тем самым предлагается лучшее определение речи и уменьшение шума, чем в обычном смартфоне.

Сегодня технология шумоподавления воспринимается как обязательное условие для Bluetooth-наушников, и этому есть причина. Помимо блокировки общего фонового шума, фильтры можно подстроить под специфический сценарий использования гарнитуры. Например, фитнес-наушники совсем не обязательно должны полностью блокировать шум машин ради безопасности бегунов, но разработанные для дома или путешествий модели могли бы сфокусироваться и на большем диапазоне частот.

Мне посчастливилось опробовать в тестовом режиме технологию Hybrid ANC от Qualcomm. В предлагаемую структуру входят как внутренний, так и внешний микрофоны, создаётся цепь обратной связи. Это на самом деле уменьшает общую акцентированность шума по сравнению с эквивалентным решением с управлением по входному воздействию, но предлагает очень стабильную полосу частот для блокировки огромного спектра слышимых звуков. Демо-образец, который я тестировал, полностью отсекал рёв реактивного двигателя, позволяя запросто слушать музыку в шумной обстановке даже на малой громкости.

Сценарии применения шумоподавления выходят за пределы потребительской электроники. Измерение и блокировка шума могут найти применение в промышленности, например, для сохранения слуха на производствах, а также в медицине – слухопротезировании.

Шумоподавление в смартфонах недооценено. Многие из нас используют его несколько раз в день, даже не замечая этого. Звоните ли вы посредством голосовой связи, привыкли ли к «умным» ассистентам или беспроводному воспроизведению музыки в наушниках — качество ваших любимых сервисов будет разительно отличаться без этой вроде бы неприметной технологии. Она открывает для развивающихся рынков новый мир технологий, основанных на голосе, так что мы ещё о ней услышим.

Автор — Роберт Триггс

Иногда мы не замечаем развитие некоторых технологий, постепенно начинаем принимать их за данность. Так произошло и с упомянутой автором материала технологией. Но, как можно увидеть из статьи, смартфоны с её поддержкой впоследствии окажутся в более выгодном положении за счёт более уверенной поддержки голосовых помощников и «умных» устройств.

Вполне возможно, что в данном аспекте производители увидят дополнительную возможность для маркетинга и использования знаменитых брендов, и мы увидим аппараты с пометкой «ANC by Bose / Sony / Bower & Wilkins», и т.д. В любом случае, технология полезная, главное — найти правильный подход и подстроиться под нужные сценарии. Или же наш пользовательский опыт ничего не потеряет и без шумоподавления в смартфонах?

Мой twitter

Беседка прощается с читателями АМР до 9 января, пользуясь случаем хочу поздравить Вас с наступающими праздниками и пожелать увлекательного и интересного нового года, спасибо за Ваше внимание и до новых встреч!

Шумопонижение — Википедия

Применение шумоподавления на основе вейвлет-преобразования

Шумопонижение — процесс устранения шумов из полезного сигнала с целью повышения его субъективного качества или для уменьшения уровня ошибок в каналах передачи и системах хранения цифровых данных. Методы шумоподавления концептуально очень похожи независимо от обрабатываемого сигнала, однако предварительное знание характеристик передаваемого сигнала может значительно повлиять на реализацию этих методов в зависимости от типа сигнала.

Системы шумопонижения (СШП) — системы обработки сигнала, реализованные в виде электронных схем или программных алгоритмов, предназначенные для увеличения отношения сигнал/шум за счёт избыточности либо понижения разрядности или разрешения сигнала. Также для обозначения СШП часто применяется термин «шумоподавитель».

Системы шумопонижения широко используются как для обработки звукового (аудио) сигнала, так и для видео (фото) сигнала. Большинство СШП делится на два типа:

• Фильтрация. СШП обрабатывает сигнал при приёме (воспроизведении) или записи (передаче) пытаясь очистить полезный сигнал от шума. Большинство систем обработки фотоизображений относится к этому типу.
• Системы, модифицирующие сигнал для передачи по шумным каналам (или для записи сигнала на носитель), с последующим обратным преобразованием на приёмной стороне (при воспроизведении). К ним относятся компандерные системы шумопонижения в магнитной звукозаписи, а также принцип фонокоррекции в механической грамзаписи.

Все устройства записи, как аналоговые, так и цифровые, обладают свойствами, которые делают их восприимчивыми к шуму. Шум может быть случайным и не когерентным, то есть не связанный с самим сигналом, или когерентным, вносимый устройствами записи и алгоритмами обработки.

Любые аналоговые схемы усиления и преобразования сигналов являются источниками шума. Во-первых, это тепловой шум, который вызван тепловыми процессами, влияющими на направление движения электронов. Во-вторых, это дробовой шум, причиной которого является дискретность носителей электрического заряда — электронов, ионов. Эти случайные процессы создают напряжение на выходе, которое при воспроизведении воспринимаются как шум. Наибольший вклад в собственные шумы усилительного тракта вносят первые каскады, которые усиливают слабый сигнал (единицы — доли милливольт), потому что их собственные шумы затем усиливаются следующими каскадами. Для снижения собственных шумов усилительного тракта применяются т. н. малошумящие усилители^[en], в которых различными схемотехническими методами и применением специальных полупроводниковых приборов и пассивных компонентов достигается максимально возможное отношение сигнал/шум^[1].

В случае кино-фотоплёнки и магнитной ленты шум (видимый и слышимый) вносится структурными частицами носителя. В киноплёнке зернистость определяется чувствительностью плёнки, более чувствительная плёнка имеет большую зернистость. В магнитной ленте большие гранулы магнитных частиц (обычно оксид железа) более подвержены возникновению шума. Для компенсации этого применяются бо́льшие площади плёнки (размер кадра) или магнитной ленты (ширина дорожки записи)

[2].

В фотоматрицах имеет место флуктуация «уровня чёрного» (значения сигнала каждого пикселя при отсутствии света). Чем крупнее пиксель, (что достигается увеличением размеров фотосенсора), тем лучше отношение сигнал/шум в условиях слабого освещения.

Компандерные системы шумопонижения[править | править код]

Для улучшения звучания в системах записи и передачи звука осуществляется предкоррекция звукового сигнала с использованием компандирования. Компандерные системы шумопонижения используют при передаче (записи) предварительную компрессию сигнала, то есть сжатие динамического диапазона. Это осуществляется путём дополнительного усиления сигналов малого уровня, чтобы поднять их выше уровня шумов передающего тракта или магнитной ленты. Затем, при приёме (воспроизведении) полученный сигнал экспандируется, то есть расширяется (восстанавливается до исходного значения) динамический диапазон, при этом уменьшается уровень проникших помех и шумов в канал передачи (записи). Отсюда название систем: Компрессор + Экспандер = Компандер.

Так как тракт передачи (записи) сигналов имеет две стороны — приёмную и передающую, или, иначе говоря, вход и выход, а в компандерных системах обработка сигнала производится как на входе, так и на выходе, то такую систему шумопонижения принято называть «двухсторонней» (англ. double-ended).

К наиболее известным типам компандерных СШП относится широкополосная частотнонезависимая система dbx, и семейство систем шумопонижения Dolby NR с применением частотнозависимой обработки. Основное отличие этих систем в том, что в dbx обработка применяется ко всей полосе частот звукового сигнала, а в системах Dolby отдельно в одной или нескольких полосах частот с учётом уровня громкости каждой из них.

Другие компандерные системы шумопонижения:

• CX — СШП, используемая для записи грампластинок (LP) и аналогового канала лазерных дисков (LD), редко в радиовещании, примерно аналогична Dolby B.
• ANRS, Super ANRS — СШП фирмы JVC (Victor), практически полные аналоги Dolby B и Dolby C соответственно.
• Telcom, HighCom, HighCom II, Highcom C4 — СШП фирмы Telefunken, применяются также в некоторых моделях Nakamichi, UHER и Aiwa. «Частично» (условно) совместимы с Dolby B.
• ADRES — СШП фирмы Toshiba (Aurex). Совместима с Dolby.

Односторонние шумоподавители[править | править код]

Другой тип алгоритмов предполагает процесс улучшения звучания уже имеющегося материала. В случае, когда доступа к исходному сигналу уже нет, то есть имеется только зашумленная фонограмма, полученный сигнал обрабатывается «с одной стороны», а именно — при его воспроизведении. По принятой терминологии такие шумоподавители именно так и называются — «односторонние» (от англ. single-ended).

Самый простой способ подавления шума — пороговый шумоподавитель или гейт (от англ. noise-gate), который блокирует прохождение сигналов в паузах фонограммы. Он действует как простой выключатель — либо полностью пропускает входной сигнал на выход, либо полностью его подавляет. В современных моделях задается порог срабатывания, ниже которого сигнал не проходит. Это не всегда даёт необходимый эффект, так как во время звучания тихих фрагментов уровень шума все равно остается довольно высоким и заметным на слух, либо такие фрагменты могут быть и вовсе подавляться.

Другой способ шумоподавления был распространен в бытность магнитофонов и носил название DNL (от англ. Dynamic Noise Limiter — динамический ограничитель шума). На основе анализа уровней ВЧ-составляющих обрабатываемого сигнала происходило их ослабление в том случае, если их уровень в исходном сигнале достаточно мал, и ими можно пренебречь. Для этого применялся скользящий адаптивный фильтр, который изменял полосу своего пропускания в зависимости от спектра обрабатываемого сигнала. Типичным представителем данного типа являлась отечественная система шумопонижения «Маяк».

С развитием цифровой обработки сигналов широкое распространение получил метод спектрального вычитания. Суть метода в том, что из амплитудно-частотного спектра полезного сигнала вычитается указанный заранее (или выделяемый автоматически) спектр чистого шума. Число частотных полос, на которые разбивается сигнал, в зависимости от реализации алгоритма может достигать нескольких тысяч, то есть ширина полосы, в которой ведется обработка, будет составлять единицы Герц. Это позволяет эффективно отфильтровывать гармоники полезного звукового сигнал от шумовых составляющих.

Удаление полиграфического растра применением размытия по Гауссу

Шумоподавление изображений чаще всего служит для улучшения визуального восприятия, однако возможно применение в медицине в целях увеличения четкости изображения на рентгеновских снимках, в качестве предобработки для последующего распознавания и в других случаях.

Источниками шумов на изображении могут быть:

При цифровой обработке изображений применяется пространственное шумоподавление. Выделяют следующие методы:

Шумоподавление видео — процесс устранения шума из видеосигнала. Выделяют следующие методы шумоподавления видео:

• Пространственные методы — алгоритмы шумоподавления изображения применяются для каждого кадра отдельно.
• Временные методы — усреднение между несколькими последовательно идущими кадрами. Могут появляться артефакты в виде раздвоения изображения.
• Пространственно-временные методы — так называемая 3D-фильтрация, сочетают оба метода, основаны на пространственно-временной корреляции изображения.

Методы подавления шума в видеосигнале разрабатываются и применяются в зависимости от типа шума (искажений). Типичными видами шума или искажений видеосигнала являются:

• Аналоговый шум
  • Искажения канала радиопередачи
    • Высокочастотные помехи (точки, короткие горизонтальные цветные линии и т. д.)
    • Помехи канала яркости и цветности (проблемы с антенной)
    • Раздвоение видео — появление ложных контуров
  • VHS искажения
    • Искажения цвета
    • Помехи канала яркости и цветности (типично для VHS)
    • Хаотичные сдвиги строк по краям кадра (смещение сигнала строчной синхронизации)
    • Широкие горизонтальные шумные полосы (старые кассеты или засорение видеоголовки)
  • Искажения киноплёнки
    • Грязь, пыль
    • Царапины
    • Отслоение фотографической эмульсии
    • Отпечатки пальцев
• Цифровой шум
  • Артефакты сжатия — искажения сильного сжатия потока данных
  • Окантовка — для низких и средних битрейтов, особенно для мультипликационных фильмов
  • Разбиение изображения на квадратные блоки («рассыпание»), замирание изображения — искажения в случае пропадания цифрового сигнала или повреждения носителя (царапины на DVD, замятины ленты DV).

1. ↑ Подробное рассмотрение темы построения малошумящего усилителя звукового диапазона частот см. в статье Фонокорректор.
2. ↑ Кроме того, чем шире дорожка записи, тем больше напряжение полезного сигнала на воспроизводящей головке, что тоже увеличивает отношение сигнал/шум.

беруши dBud с двумя уровнями шумоподавления / Medgadgets corporate blog / Habr

Окружающий шум — проблема, с которой знакомы многие. И речь даже не идет о представителях специфических профессий, например, ударнике в группе или диджее. По дороге до обычного офиса «наслушаешься» метро, да и в конторе — тоже шум-гам по разным причинам.

И кроме того, что громкие звуки негативно сказываются на слухе, это просто-напросто некомфортно, когда рядом с тобой то гул вентилятора, то бубнежка колл-центра, то еще какие-нибудь отзвуки. Проект dBud должен эти проблемы решить.

DBud — продукт компании EarLabs, основная миссия которой, как следует из официального сайта, защита наших ушей. Дело, в целом благое, отмеченное, если верить тому же сайту и коробке наградой Reddot 2018 (правда, сейчас ссылка ведет на 404) в области здравоохранения.

Официальный сайт щедро украшен благодарными отзывами от представителей «громких» профессий, а в сети так или иначе проскальзывают едва ли не восторженные обзоры данной модели «затычек».

И, если коротко, то после коротких тестов, которые мы провели на собственных ушах, этому всему вполне можно верить. Впрочем, никакой магии тут и не обещается.

Что такое dBud

Это пара TWS-берушей с двумя настройками громкости, снижающие окружающий шум на 11 — 24 Дб. В отличие от интеллектуальных моделей, как, к примеру, QuietOn, тут никакой электроники нет, а регулировка шумоподавления осуществляется довольно удобным «ползунком».

Дизайн прототипа, кстати, немного отличается от того, что получилось на выходе. Такой испещренной дырками поверхности, конечно, нет:

Положение 1

Положение 2

Отсутствие электроники делает их всегда рабочими, лишает владельца необходимости заряжать их, а также делает его более свободным в плане обращения: не нужно быть чрезвычайно бережным и осмотрительным. Если они случайно выскочат на пол, то с ними ничего не случится.

При этом отсутствие электроники не делает их очень уж простыми: конструкция насчитывает 15 элементов:

Сами по себе они легкие, маленькие и миниатюрные: dBud не торчат из ушей, а чтобы исключить их выпадение предусмотрен широчайший ассортимент сменных амбушюр, пенных и силиконовых.

Вообще, комплектация — сильная сторона продукта. Тут тебе и насадки, и чехольчик, и даже силиконовый проводок на шею, чтобы (опять же, если выскочат) далеко не ускакали.

Кроме того, чтобы держаться вместе таким малюткам, дополнительно предусмотрели магниты, которые позволят либо сохранить их все время вместе, либо уж потерять — так сразу оба.

Воспрепятствовать этому, опять же, должен силиконовый шнурок.

Опыт использования

Беруши удалось поносить в разных условиях, но в частной жизни для меня они больше всего уместны в офисе. Те незначительные шумы, которые периодически сливаются в единый гул и реально отвлекают, перестали быть такими навязчивыми.

Что-то, как, к примеру, звук вентилятора, ушло из жизни совсем. Голоса-диалоги стали неразличимы, неразборчивы, а посторонние звуки, типа щелчков степлера стали как бы «мягче». Полностью такие беруши шум не блокируют, что тоже правильно.

Ты не теряешь контроля за внешним миром, не теряешься в пространстве, все еще остаешься на связи с коллегами, если надо, но этот самый внешний мир и внешние коллеги теперь не такие раздражающие и отвлекающие.

На улице блокировка тоже снижает уровень шума, делая городские звуки тише, но при этом ты все-таки остаешься в безопасности, потому что машины все еще слышны. Звуки метро не такие громкие, но объявления станций нормально различимы.

Сама компания объясняет следующее:

При «открытом» положении dBud снижают окружающий фоновый шум, но при этом частоты речи/голоса слышны нормально и без искажений, что позволяет комфортно общаться с другими людьми, но при этом меньше реагировать на окружающий гул.

В «закрытом» режиме происходит плавное снижение по всему частотному спектру, но опять же без искажений, то есть шум и звуки снижаются в громкости «без потери качества».

Кому адресовано

Если брать мой личный итог, то dBud, кажется, справляется с задачей: работать стало тише и комфортнее, поэтому в офисной жизни — вещь практичная, и ее вполне можно иметь на рабочем месте. Какого-то особого дискомфорта при длительном ношении не выявлено.

DBud мы сравнили с обычными наушниками-затычками. В случае с dBud за счет того, что отверстия не полностью блокируют звук, вакуума и неприятных ощущений не выявлено.

Сама компания приводит отзывы людей таких профессий как музыканты, учителя и воспитатели, а также (что, как мне кажется, немного странно) частые посетители концертов. Также снижением шума могут заинтересоваться те, кто работает на шумном производстве, со станками, строители и ремонтные рабочие.

Традиционный купон на сделает модель дешевле на 15% — DBUDHABR до конца этой недели.

Систему активного шумоподавления научили «слышать» звук до его появления

Sheng Shen et al. / SIGCOMM, 2018

Американские инженеры разработали систему шумоподавления, которая состоит из динамика и дополнительных датчиков вокруг него. Благодаря тому, что радиосигнал распространяется быстрее звука, датчики успевают зарегистрировать звук и передать данные на динамик еще до того, как звук дойдет до него. Благодаря этому динамик успевает подобрать «противоположный» звук, совпадающий по фазе с оригинальным. В будущем эту схему можно применить для наушников, рассказывают инженеры в статье, которая была представлена на конференции SIGCOMM 2018.

Принцип работы наушников с активным шумоподавлении заключается в том, что они регистрируют приходящий к ним звук и создают звук с такой же частотой и амплитудой, но обратной фазой, благодаря чему входящий звук подавляется. Несмотря на то, что сам по себе метод позволяет эффективно подавлять окружающие звуки, реальные устройства не всегда справляются с этой задачей, особенно с акустическими колебаниями с частотой более тысячи герц. Дело в том, что на регистрацию звука и вычисления противоположной волны у микроконтроллера наушников уходит некоторое время. Из-за этого испускаемый ими звук уже не полностью противоположен входящему звуку, а отстает от него по фазе.

Ромит Рой Чоудхури (Romit Roy Choudhury) и его коллеги из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне создали систему, позволяющую аудиоустройствам заранее узнавать о приближающихся акустических колебаниях и просчитывать «противоположный» звук. Разработчики реализовали прототип системы в виде динамика, однако они отмечают, что в будущем эту схему можно будет применить и к наушникам. Помимо динамика с микрофоном в системе используются датчики-ретрансляторы, которые записывают звук и пересылают его на динамик с помощью радиосигнала на частоте 900 мегагерц.

Схема метода

Sheng Shen et al. / SIGCOMM, 2018

Ретранслятор может находиться дальше от звука, чем микрофон в динамике, поэтому созданный инженерами алгоритм анализирует все источники звука и определяет наиболее близкий к звуку. Таким же образом алгоритм может выбрать конкретный ретранслятор, если в системе используется сразу несколько устройств.

Одно из преимуществ этой системы заключается в том, что она позволяет блокировать высокочастотный звук, благодаря чему наушники можно не оснащать звукопоглощающими материалами, мешающими слышать важные звуки при выключенной системе шумоподавления. Кроме того, поскольку у системы появляется больший промежуток времени на расчет исходящего звука, для этого можно применить более требовательные к вычислительной мощности алгоритмы.

Сравнение новой системы с обычными наушниками с активным шумоподавлением

Sheng Shen et al. / SIGCOMM, 2018

Разработчики сравнили эффективность системы с коммерчески доступными наушниками с активным шумоподавлением. Во время эксперимента они записывали звук, попадающий в ухо манекена, рядом с которым были установлены наушники или динамик. Выяснилось, что серийные наушники способны подавлять только звуки с частотой до примерно тысячи герц, тогда как шумоподавление новой системы работает для звуков с частотой до четырех килогерц. Кроме того, даже на частотах до одного килогерца подавление новой системы превышает подавление протестированных наушников в среднем на 6,7 децибел.

В 2015 году на Kickstarter стартовала краудфандинговая кампания по сбору средств на наушники с активным шумоподавлением, которое можно настраивать со смартфона. К примеру, согласно заявлениям разработчиков, наушники позволяют «выключать» конкретные звуки, такие как плач ребенка, гомон толпы или шум метро.

Григорий Копиев

Как работает микрофон для шумоподавления в смартфоне

Современные смартфоны флагманского класса (а порой – и бюджетного) оснащаются системами шумоподавления, предназначенными для повышения качества звука при разговоре по телефону. Эти системы позволяют разделить полезный сигнал и шум из посторонних источников, чтобы отдать приоритет голосу. Без шумоподавления разговор в людных местах, а также в транспорте, становится трудной задачей.

Посторонние голоса, звук колес, стук подвижных частей транспортного средства, а также звучание различного инструмента, портят разговор, делая его неразборчивым. Именно с этими отрицательными явлениями и призвана бороться система подавления шума в смартфоне.

Активное шумоподавление в акустическом оборудовании

Активные системы шумоподавления, применяемые в аудиотехнике, оказались непригодными для коррекции звука в ходе разговора. Такие системы, не настроенные на частоты человеческого голоса, способны выделить стук колес поезда метро, жужжание инструмента, шум ветра и т.д. Но они не могут отличить слова одного человека от другого и при разговоре в людном месте, или там, где громко играет песня, механизм не сможет выделить именно голос говорящего по смартфону.

В ходе анализа частотного спектра чип активного подавления шума может (не обязательно) сразу отсеивать сигнал, частота которого точно соответствует голосу. К таковому, например, относятся волны на частотах ниже 50 Гц и выше 5 кГц. Если отсеять (или приглушить) вкрапления других частот – абонент «на той стороне» не услышит звук бетоносмесителя, или свист чайника. А если и услышит, то очень тихо. Так как частот недостаточно для выделения нужного голоса среди других, второй микрофон необходим.

Как работает система подавления шума в смартфоне

Альтернативным способом подавления шума при разговоре стало использование второго микрофона. Как правило, он располагается на расстоянии от основного, на верхнем торце смартфона или сзади.

Благодаря пространственному разнесению – основной микрофон в процессе разговора улавливает голос пользователя сильнее, чем вспомогательный. Тот, в свою очередь, лучше воспринимает шумы окружающей среды, так как находится дальше ото рта абонента. Чипсет смартфона (или выделенный АЦП для обработки звукового сигнала с микрофона) анализирует частотный спектр с обоих микрофонных каналов. Применяя специальный алгоритм, можно отличить голос пользователя от шума на программном уровне.

Чип Audience для шумоподавления в iPhone 4

В процессе работы звуковой процессор смартфона анализирует спектр акустических волн, получаемый с разных микрофонов. Тот из них, который считается главным, имеет приоритет, и является своего рода «эталоном». Механизм подавления шума «изучает» громкость звуков на разных частотах, чтобы выделить наиболее интенсивные. Так как главный микрофон размещен ближе ко рту, чем другим источникам – наиболее выраженным оказывается именно разговор. Сравнивая «картину» с первого микрофона – с таковой со второго, чип определяет, какие звуки вспомогательный микрофон воспринимает сильнее, чем основной. Именно они считаются шумом, и механизм подавления глушит или уменьшает громкость тонов на таких частотах.

Система шумоподавления с тремя микрофонами

Некоторые смартфоны (например, iPhone, начиная с моделей 5, 5s и 5c) оснащены сразу тремя микрофонами. Сделано это для того, чтобы повысить эффективность работы системы шумоподавления. Получая объемный звук, звуковой чип может точнее определить, какие именно акустические частоты принадлежат абоненту (и требуют усиления), а какие – сторонним источникам (и их нужно заглушить). Такой подход повышает качество общения, но делает смартфон дороже, потому пока редок.

Автоматическое подавление звуковых шумов в аудиозаписи / Habr

Однажды, при разработке одного проекта, я наткнулся на интересную задачку.
Исходные условия:
— устройство, которое посредством ffmpeg через веб-камеру записывало видео со звуковой дорожкой
— длинна записи около минуты
— создать условия, при которых 1 раз настроить шумодав, чтоб далее он работал автономно

Ну и естественно с этого момента начался мозговой штурм.

Для начала решил понять что такое шум и каким он бывает.
«Шум — совокупность апериодических звуков различной интенсивности и частоты» Wiki
Шумы, как минимум, бывают постоянными (потрескивания, гудения), и непостоянными (автомобиль, падение, музыка, удары).
С первым типом все оказалось намного проще, многие программы и алгоритмы как раз специализируются на периодичные и постоянные шумы, потому что стоит всего лишь получить маску шума (к примеру в начале записи), и по этой маске очистить все остальное. Но у меня был именно хаотический шум, так что перейдем дальше.
В моем случае шум был хаотичным, и никакой общей периодичной маски не имел, и иметь не мог. После кучи времени убитого на гугления, и чтения форумов аудифилов, я нашел 3 решения:
— Спектральное вычитание шумов
— Активное шумоподавление
— Ограничения частот, используемых человеческим голосом

Спектральное вычитание
Шум на реальном сигнале (записи) имеет несколько особенностей:
— апериодический
— имеет конечный спектр
Если для периодичного шума достаточно одной маски чтобы затереть весь шум, то в данном случае дорожка разбивается на множество отрезков, и каждый из них рассматривается как самостоятельный сигнал, и маска шума для него рассматривается индивидуально. Таким образом мы получаем ряд масок, с которыми можно работать. Идея схожа со схемой дискретного преобразования Фурье. Идею можно было бы развить, но ни одного программного продукта, работающего по такой схеме я не нашел. Поэтому данный пункт был пропущен.

Активное шумоподавление
Суть активного шумоподавления состоит в том, чтобы получать синхронный сигнал, содержащий только шум (без вокала, голоса и прочего интересующего нас звука). Далее этот «чистошумный» сигнал инвертируется в так называемую противофазу, и накладывается на шумную запись. В итоге Шум и АнтиШум подавляют друг друга, и на выходе оказывается чистая запись. Казалось бы — что проще? Но в моих условиях, не представлялось возможным иметь второй микрофон, чтобы он записывал фоновый шум, без интересующего меня наполнения. И этот пункт ушел в небытие.

Ограничения частот, используемых человеческим голосом
Опять таки, перелопатив тонны информации, за диапазон человеческого голоса был принят отрезок от 300 Гц до 3000 Гц.
Данный пункт оказался более реальным в исполнении, хоть и не гарантировал отличного результата.
Проверку решения провел через Nero Wave Editor, ограничив частоты. Фоновый шум, конечно, не исчез, но он потерял в весе, и стал монотонным и приглушенным, в то время как человеческий голос остался неизменным, и слышался уже намного лучше.

Таким образом, для себя я выбрал последний пункт. Пусть результат не идеален, но это простейший способ автономного шумоподавления, не требующий практически никаких личных затрат. Единственный нюанс оказался в том, что запись в целом становилась чуть тише, что совершенно не страшно.

P.S. Все рассуждения отталкивались именно от требований автономности к шумодаву. Естественно, если обрабатывать файлы вручную — возможностей в разы больше.

Ссылки:
Исследование проблемы подавления звуковых шумов во время видео-трансляций.

Система активного шумоподавления: виды, применение, особенности

Компания Toyota в 2008 году представила интересную, хоть и не новую, разработку — систему активного шумоподавления, которая позволяла значительно понизить уровень шума в салоне автомобиля. Особой популярности система на момент выхода не получила, однако с течением времени все меняется, и велика вероятность того, что она станет одной из самых востребованных технологий.

Назначение автомобильной системы

Во время эксплуатации автомобиль производит много сторонних шумов различной интенсивности от различных механизмов — ходовой части, двигателя, трансмиссии и элементов кузова. Поиск способов устранения шума ведется давно и весьма успешно: современные машины практически бесшумны. Несмотря на это, в салоне автомобиля при движении на высокой скорости сохраняется сторонний шум, доставляющий дискомфорт пассажирам и водителю.

Свой способ устранения данной проблемы предложила в 2008 году компания Toyota, представив систему активного шумоподавления в авто. Сама технология была отнюдь не новой, однако впервые применялась в автомобилестроении, где показала свою эффективность.

Современные системы шумоподавления понижают общий уровень шума на 5-8 дБ, работая в основном с низкочастотными звуковыми колебаниями, которые и формируют шумовую завесу в салоне. Разработками подобных систем занимаются многие автопроизводители, что позволяет оснащать ими большинство современных машин.

Работа системы шумоподавления в теории

Борьба с шумом традиционно велась пассивными средствами — либо источник шума, либо место, которое должно быть защищено от звуков, отделывалось звукопоглощающими и звукоотражающими материалами, которые считаются пассивной системой шумоподавления. Активная же система более эффективна — к примеру, автомобильные глушители, использующие в работе свойства звуковых волн. Устранить сторонние звуки можно и при помощи электроники.

Звук представляет собой волну, состоящую из чередующихся областей с пониженным и повышенным давлением, движущихся со скоростью 330 м/сек. Как и любые другие волны, звуковые могут подвергаться дифракции, интерференции, то есть вступать во взаимодействие друг с другом. Интерференция для области изучения активного шумоподавления представляет наибольший интерес.

Интерференция может провоцировать неожиданные и довольно интересные результаты. К примеру, встретившиеся в одной точке пространства и фазе две звуковые волны одинаковой частоты взаимно усиливают друг друга, соответственно, общая громкость в данной точке будет резко увеличена. Наиболее часто с таким явлением сталкиваются владельцы стереосистем или аудиосистем с сабвуфером — в комнате, где они установлены, имеется несколько областей, в которых бас становится более глубоким и мощным. Подобный эффект объясняется наложением низкочастотных звуков в фазе в конкретной точке друг на друга, что провоцирует их усиление.

Существует и обратный эффект, возникающий в случае наложения волн в противофазе: области высокого давления накладываются на области низкого давления, что полностью гасит волну. Однако на практике полного подавления волн добиться невозможно, но общую интенсивность звука понизить все же можно. Собственно, системы активного шумоподавления основаны на данном явлении.

Впервые подобные системы были реализованы в наушниках, предназначенных для строителей, работников промышленных предприятий и прочих организаций, после чего технология стала применяться в наушниках для прослушивания музыки, автомобилях и домах. Принцип работы системы шумоподавления довольно прост: на внешнюю сторону наушников устанавливаются микрофоны, улавливающие сторонние звуки. Встроенный электронный блок изменяет фазу звуков, поступающих от микрофонов, благодаря чему они могут воспроизводиться динамиками. Соответственно, к барабанной перепонке осуществлен подвод звуков от динамиков и внешних звуков, а поскольку они находится в противофазе, то происходит их гашение.

Аналогичным образом работают системы шумоподавления в автомобилях.

Устройство автомобильной системы шумоподавления

Устройство автомобильных систем шумоподавления включает следующие элементы:

• Система встроенных в потолок салона микрофонов;
• Система расположенных в разных точках салона динамиков. Чаще всего используется аудиосистема;
• Датчики, расположенные на двигателе, подвеске и прочих узлах автомобиля, являющихся основными источниками звука:
• Электронный блок управления.

Как работает система активного шумоподавления в машинах

Электронный блок системы получает информацию о сторонних шумах от датчиков и микрофонов. На основе полученных данных вносятся изменения фазы в поступающие звуки, которые воспроизводятся динамиками и, сталкиваясь с шумами в противофазе, понижают их интенсивность. Как результат — в салоне образуется пространство, в котором значительно снижен уровень шума от двигателя, колес и прочих механизмов.

Сделанная своими руками система активного шумоподавления в авто без датчиков не обходится, поскольку они фиксируют шум, возникающий при ударе подвески и колес, и другие резкие звуки. Классическая система из динамика и микрофонов фиксирует только неизменные по интенсивности и постоянные звуки — ровный гул двигателя, вибрации кузова или шуршание колес по дорожному покрытию. Система не способна реагировать на резкое изменение звуков, пропуская громкие шумы — грохот, лязг и прочие.

Датчики используются для отслеживания резких изменений звукового фона. Электронный блок, основываясь на полученных от датчиков данных, вносит изменения в формируемую динамиками звуковую картину, благодаря чему достигается более эффективное подавление сторонних шумов.

Стоит отметить, что уровень шума, производимого автомобилями, оснащенными системами активного шумоподавления, остается неизменным, поскольку система не устраняет его, а создает в салоне пространство с пониженным уровнем сторонних шумов. Такие технологии делают поездку более комфортной, однако не устраняют необходимость звукоизоляции отдельных комплектующих автомобиля.

Система шумоподавления для дома

Обеспечить полную тишину в квартире или частном доме, расположенных в черте города, довольно сложно. Отчасти решить эту проблему можно установкой стеклопакетов, однако они не гарантируют полной тишины. Впрочем, наука и техника не стоят на месте, и многие инженеры пытаются решить данную проблему, создавая своими руками активные системы шумоподавления.

Австриец Рудольф Стефанич создал одно из самых эффективных устройств подавления шума Sono. Компактная и простая система предназначена для устранения неприятных и раздражающих звуков и сохранения приятных.

Принцип действия системы активного шумоподавления в квартире Sono базируется на работе датчиков и микрофонов, определяющих сторонние шумы и фильтрующие их посредством воспроизведения аналогичных звуков в противофазе.

Акустические музыкальные наушники функционируют аналогичным образом.

Устройство системы Sono

Конструкция прибора Sono довольно интересна и представлена динамиком, микрофоном с датчиками вибрации и микропроцессором. Устройство выполнено в виде небольшого компактного диска и размещается на оконном стекле при помощи специальных присосок. Sono использует в работе оконное стекло в качестве резонатора.

Фиксация и устранение посторонних звуков осуществляется в соответствии с установленными настройками. В помещениях квартиры воспроизводятся уже обработанные шумы через встроенные динамики.

Элементами питания Sono служат батарейки, которые могут подзаряжаться от окружающего электромагнитного излучения — к примеру, от сетей Wi-Fi.

Функционал прибора Sono

Возможности системы активного шумоподавления для дома позволяют фильтровать раздражающие сторонние шумы, воспроизводя через динамики только приятные звуки. Соответствующие настройки пользователь может внести в меню прибора.

Дополнительной и не менее полезной функцией является возможность воспроизведения успокаивающих и приятных для слуха звуков — шорохов леса, шума прибоя и аналогичных.

Где купить систему Sono?

К сожалению, в свободной продаже системы активного шумоподавления Sono на сегодняшний день нет: несмотря на то, что прибор вышел в финал конкурса Джеймса Дайсона, он существует только в виде прототипа и требует инвестиций. Точно пока не известно, будет ли он в продаже или нет. Автор устройства находится в активном поиске инвесторов и партнеров, способных оказать помощь в запуске прибора в массовое производство.

Система активного звукового оформления

Системы активного звукового оформления используются для придания выпускной системе желаемого тона работы. Конструкция аналогична системе активного шумоподавления: микрофоны, аудиосистема, динамики и блок управления. Единственное отличие — на выходе аудиосистемы образуется измененный звук, а не противофаза.

Расположенные на приборной панели кнопки позволяют изменять характер звучания выпускной системы. Несмотря на то что такие системы сложны с технологической точки зрения, особой практической пользы от них нет — в основном они устанавливаются для удовлетворения драйверских пожеланий владельца. При этом стоит отметить, что измененный активный звук слышно только в салоне автомобиля.