Секреты шумоподавления: как услышать голос сквозь грохот отбойного молотка
«Это один мелкий ход для человека, но огромный скачок для всего человечества», — сказал Нил Армстронг, и через полторы секунды его слова услышали на Земле. До товарищей по экипажу, База Олдрина и находящегося на окололунной орбите Майкла Коллинза, они донеслись практически без отлагательств.
Но раньше всех историческую фразу уловил один из микрофонов гарнитуры Plantronics. «В действительности микрофонов было четыре — основной и три резервных на случай отказа, — говорит Стив Грэхем, старший инженер компании. — Но «лунная» гарнитура с современной точки зрения была весьма несложна, ее главная задача — обеспечить большую надежность. Бороться с шумами не было необходимости, потому, что на Луне их нет».
Земные условия в этом отношении значительно более твёрдые: нас везде окружают шумы, и борьба с ними — одна из основных задач инженеров-разработчиков. «Несложный метод отсеять шум — повысить чувствительность микрофона к нужному сигналу, а к вредному — понизить, — растолковывает Стив. — Достаточно расположить микрофон как возможно ближе к источнику звука и загрубить чувствительность, наряду с этим микрофон у губ уловит кроме того не сильный обращение, а шум — нет. Это ветхий способ, но он в сочетании с направленными микрофонами используется и по сей день, потому, что дает хорошие результаты и не требует сложных аппаратных и программных ответов. Как раз так делаются гарнитуры для опытных применений — для операторов телефонных центров, военных, авиамехаников, пилотов».
Мелок, да удал
Но, как подмечает Стив Грэхем, для потребительского рынка таковой подход неприемлем: люди успели привыкнуть к миниатюрной электронике, так что разработчики стремятся сделать гарнитуры максимально компактными, возложив задачу выделения отсеивания шумов и полезного сигнала на отдельный сигнальный процессор: «В отечественных самых современных беспроводных гарнитурах, таких как Voyager Edge, целых четыре микрофона. Сигналы с всенаправленных микрофонов обрабатываются посредством нескольких разных методов — анализируется спектр шума и сигнала, задержки фазы сигналов на отдельных микрофонах, и форма огибающей.
шум и Речь имеют различные характеристики, и это именно позволяет отделить нужный сигнал от помех. Таковой метод разрешает с уверенностью отсеивать умеренно громкие равномерные шумы».
Для условий, в то время, когда уровень шума, казалось бы, совсем не дает никаких возможностей для беседы, употребляются ларингофоны, принимающие колебания голосовых связок. К сожалению, ларингофоны не могут передавать звуки с частотами выше приблизительно 2 кГц, исходя из этого трудятся в весьма узкой нише — по большей части это армейские применения в экстремально шумных условиях (к примеру, в военной техники). Для потребительских гражданских потребностей такая разработка подходит не хорошо — голос собеседника всецело теряет узнаваемость.
«И мы, и отечественные коллеги из вторых компаний много раз предпринимали попытки создать улучшенный гражданский вариант ларингофонов, снимая сигнал с костей черепа, — говорит Стив. — Но уровень качества передачи речи при таком способе все равно было не на высоте, и пара лет назад от этого метода совсем отказались. А вот вторая модификация способа существует и по сей день.
Речь заходит о технологии голосовой активации, в то время, когда голос воспринимается и посредством простых микрофонов, и датчиком колебаний челюстной кости. Я сам много лет трудился над этим перспективным направлением, но у технологии имеется один значительный недочёт: при нарушении контакта датчика со щекой шумоподавление трудиться. Так что пара лет назад в Plantronics мы совсем сделали выбор в пользу многомикрофонной схемы. И не прогадали.
Развитие электроники сделало вероятным реализацию сверхсложных и идеальных методов обработки сигнала, разрешающих выделить обращение при уровне шума в 80−85 дБ, что приблизительно соответствует работе замечательного двигателя либо отбойного молотка на расстоянии в пара метров. То, что раньше считалось неосуществимым либо потребовало продолжительной постобработки посредством замечательного компьютера, сейчас делается фактически в настоящем времени».
- Проверка водой Влажность — один из основных неприятелей гарнитур. Пот — агрессивная среда, талантливая скоро вывести из строя миниатюрную электронику.
Исходя из этого готовые изделия на заводе Plantronics помещают в вакуумные камеры, где на них способом осаждения из плазмы наносится гидрофобное фторполимерное покрытие, прочно связывающееся со всеми элементами. Затем гарнитуры выборочно контролируют на гидрофобность: на поверхность наносится капля воды и измеряются углы смачивания (видна на фото).
Полна горница канистр Отдельная беспроводная гарнитура может замечательно трудиться, но что будет, в то время, когда в одном маленьком помещении таких гарнитур будут сотни и десятки, как это происходит в центрах обработки звонков? Для проверки радиоинтерференции и перекрестных радиопомех в Plantronics имеется необыкновенная лаборатория, где роль «операторов» делают канистры с водой, на каждую из которых надеты беспроводные гарнитуры. Столы с канистрами вращаются, имитируя перемещение людей.
Проверка силой Дабы обеспечивать бесперебойную работу гарнитур, выборочные экземпляры шепетильно тестируют по самым различным параметрам. В частности, на механическую прочность: особые автомобили сгибают и разгибают штанги гарнитур и нажимают на кнопки десятки тысяч раз.
От камеры до офиса
Один из главных инструментов работы звуковых инженеров Plantronics — пара безэховых камер, выложенных в пенополиуретановыми пирамидками. Такое покрытие всецело поглощает и рассеивает отраженные звуковые волны, каковые мешают измерениям. В камеры установлен манекен, только отдаленно напоминающий человека, и лишь одна его подробность воссоздана с фантастической анатомической точностью. Это уши.
Дело не только в том, что на манекене закреплены силиконовые реплики настоящих ушных раковин для крепления гарнитур, но и во внутренней начинке, которая создана по подобию и образу людских органов слуха, с их своеобразным АЧХ (линейным на малой громкости и нелинейным на большой). В камере установлены динамики, каковые смогут воспроизводить самые разные шумы — от простого разговоров и уличного шума до рева двигателей.
Помимо этого, как говорит Стив Грэхем, «в одной из камер возможно воссоздать условия Чикаго. Обращение, само собой разумеется, не о мафиозных перестрелках. Данный город известен собственными ветрами. Вентиляторы, установленные в камере, позволяют имитировать достаточно сильный ветер скоростью в 20 км/ч.
Но наряду с этим мы вносим в поток турбулентность, которая повышает уровень шума, что приблизительно соответствует настоящему ветру в 30−40 км/ч».
Но создание гарнитуры не ограничивается лишь инженерной и дизайнерской работой. Чтобы сделать конечный продукт не просто прекрасно сидящим на ухе, но и удобным для применения, в Plantronics придумали пара обычных пользователей — от операторов телефонного центра до простых офисных работников. У этих виртуальных персонажей имеется не только подробно проработанные профили, с биографиями, фотоальбомами и увлечениями, но и настоящие (!) рабочие места в офисе компании.
Это сделано чтобы любой из инженеров, дизайнеров либо маркетологов имел возможность не просто теоретически воображать, для кого он формирует собственные изделия, но и практически в буквальном смысле «влезть в шкуру» конечного пользователя.
Шепнуть на ушко
Джо Бёртон, директор по вице и технологиям-президент Plantronics, на мой вопрос о том, как он относится к «очкам» типа и умным часам Гугл Glass, отвечает легко и с уверенностью: «Я могу сделать лучше!» Он утвержает, что все то, что смогут очки за тысячу долларов и часы за пятьсот, возможно реализовать в гарнитуре, добавив к ее стоимости всего $50. И это не безлюдные слова.
Джо демонстрирует на первый взгляд простую гарнитуру Voyager Legend: «В новых серийных моделях Voyager Legend и Voyager Edge имеется датчики ношения, благодаря которым возможно машинально ответить на звонок, легко одев гарнитуру на ухо. Но это не серийная модель, а прототип, оснащенный дополнительными датчиками, каковые разрешают выяснить, к примеру, направление взгляда и положение головы человека.
Не образовывает особенной неприятности встроить в него датчики пульса и температуры, да и по большому счету тут все ограничено лишь людской фантазией. Да, само собой разумеется, у гарнитуры нет экрана, но не следует забывать, что слух — второй по информативности канал получения информации об окружающем мире. Устные подсказки, на мой взор, ничем не хуже визуальных, а в некоторых случаях (скажем, на протяжении вождения автомобиля) кроме того лучше.
Так что гарнитуры в этом отношении — весьма перспективное направление, в полной мере быть может, что именно такие устройства станут следующим поколением носимой электроники — hearables (от hear, слушать, и wearables, носимая электроника)».
Сделайте шум погромче!
В главном офисе компании Plantronics в Калифорнии сотрудники трудятся в одном громадном помещении. Дабы люди, сидящие за соседними столами, не мешали друг другу, эксперты по психоакустике придумали «звуковую маскировку».
Динамики под потолком излучают имитацию шума кондиционеров («розовый шум») и шум текущей воды, «озвучивающий» декоративные водопады (их поставили позднее, в то время, когда стало известно, что шум воды «из ниоткуда» дезориентирует людей). В случае если же эти неестественные звуки отключить, появляется парадоксальное чувство, что в помещении стало существенно шумнее: дело не только в уровне шума, но и в его характере.
Битва разработок
Сейчас на рынке гарнитур с шумоподавлением соперничают две главные разработки: многомикрофонные системы и схемы с голосовой активацией. В светло синий углу отечественного ринга — Plantronics Voyager Edge, оснащенный четырьмя всенаправленными микрофонами, сигналы с которых обрабатываются по особому методу. Его соперник — Jawbone New Era, применяющий голосовую активацию (по сигналам дополнительного датчика колебаний челюстной кости).
В качестве тестовых шумов мы применяли жужжание сеточной бритвы, музыку, шум текущей воды, уличные и аэродинамические шумы (ветер). Вот отечественные субъективные выводы.
Plantronics Voyager Edge
+ Естественная передача голоса в условиях умеренно сильных шумов
+ Голосовое меню на русском
+ Распознавание голосовых команд (а также на русском) при ответе на звонок
+ «Умные» датчики ношения гарнитуры
— Не самая уверенная посадка в ухо, при энергичных перемещениях может выпасть
Прекрасно подавляет: шум электробритвы, уличные шумы, шум текущей воды, аэродинамические шумы
Не отлично подавляет: музыку
Jawbone New Era
+ Весьма эргономичная и уверенная посадка в ухо, не выпадет кроме того при энергичных перемещениях
+ Шумоподавление в условиях весьма сильных шумов
+ Весьма мелкие размеры
— Отcутствие голосового меню на русском
— Не всегда естественная передача голоса
— не сильный шумоподавление при нехорошем контакте датчика гарнитуры со щекой
Прекрасно подавляет: уличные шумы, музыку, аэродинамические шумы
Не отлично подавляет: шум электробритвы, шум текущей воды
Уши на стене
«Стенки ушей» в офисе дизайнерской группы Plantronics — вовсе не боевые трофеи какого-нибудь племени агрессивных жестоких дикарей. В действительности, уши на стене, само собой разумеется, не настоящие, а силиконовые.
По словам шеф-дизайнера Plantronics Даррина Кэддеса, ушные раковины не просто делятся на громадные, мелкие и средние, а имеют пара десятков разных размерных параметров: «На стене уши расположены в соответствии с отечественной собственной классификации, и именно на них мы сперва примеряем все новые модели гарнитур. Но силикон не имеет возможности ответить, как эргономична та либо другая гарнитура.
Но эти копии сделаны с настоящих прототипов: любой сотрудник Plantronics при поступлении на работу сдает слепок собственного уха, и на каждой копии написан внутренний номер телефона. Так что мы обладателю, дабы он пришел и лично помог нам оценить, как комфортно сидит та либо другая модель». Одной из аналогичных оценок, к примеру, помогает «тест мокрой собаки» — в то время, когда человек надевает гарнитуру, а позже пробует стряхнуть ее характерным перемещением головы из стороны в сторону (как раз так, как псы отряхиваются от воды).
Статья «Слушать ко мне» размещена в издании «Популярная механика» (№142, август 2014).
<
h4>