Много шума для тишины

Алексей Лукин. Подавление широкополосного шума: история и новые разработки

Уменьшение широкополосного шума в аудиосигнале – одна из задач, с которыми звукорежиссеры сталкивались с самых ранних времен. Уже в начале 40-х годов в радиоприемниках широко использовались простейшие гейты для подавления помех в отсутствие сигнала. В этой статье рассказывается об эволюции средств и способов подавления шума на протяжении последних 60 лет и о современных системах шумоподавления, основанных на методе спектрального вычитания.

Рассматриваться здесь будут лишь так называемые аддитивные стационарные шумы. Стационарность означает, что такие свойства шума, как мощность и спектр, не меняются во времени. Аддитивность означает, что шум накладывается на чистый сигнал и не вносит в него других видов искажений – модуляций, нелинейных искажений. Многие ровные и однородные во времени шумы удовлетворяют этим условиям. Например, шум магнитной ленты, гул наводок электросети, шипение микрофонного предусилителя, шум вентиляции в студии звукозаписи – все эти шумы приблизительно стационарны и аддитивны.

С другой стороны, такие шумы, как щелчки, выпадения, нелинейные искажения, скрипы и шорохи, не являются стационарными и не будут рассматриваться в этой статье. Для них существуют свои способы реставрации.

Заметим, что рассматриваемые здесь шумы не обязательно должны быть широкополосными. Например, свист наводки от строчного генератора ЭЛТ-монитора (тон с частотой порядка 16 кГц) или гул фона от электросети (тон 50 Гц с гармониками) тоже являются стационарными и аддитивными помехами и допускают подавление рассматриваемыми здесь методами.

Второе дыхание

В середине двадцатого века об идеях Пола Люга вспоминают на другом континенте: в 1954–1957 годах исследователь Лоуренс Фогель из США делает три патентные заявки на первые головные гарнитуры с активным шумоподавлением, которые предлагает использовать в шлемофонах летчиков. К концу того же десятилетия Radio Corporation of America по заказу ВВС США разрабатывает и тестирует экспериментальную модель таких наушников: в лаборатории с их помощью удается ослабить шум в 100 децибелов (типичная громкость в кабине пилота) до уровня 80–85 децибелов (сравнимо с очень громким криком).

Линейка громкости

Ощущение громкости звука пропорционально не амплитуде звуковой волны, а логарифму этой амплитуды, поэтому уровень громкости звука принято измерять в специальных единицах — децибелах. Увеличение громкости на 1 децибел соответствует возрастанию звукового давления (амплитуды волны) примерно в 1,122 раз, на 10 децибел — примерно в 3,16 раз.

Схема системы активного шумоподавления в головной гарнитуре, разработанная в Radio Corporation of America по заказу ВВС США

Willard Meeker / Wright Air Development Center technical report, 1959

К концу восьмидесятых наушники с активным шумоподавлением идут в производство: в 1986 году прототипную гарнитуру от компании Bose используют пилоты «Вояджера» в ходе первого в истории беспосадочного кругосветного путешествия на самолете без дозаправок. В то же время проводятся испытания систем динамиков, устанавливаемых для борьбы с шумом внутри летательных аппаратов, а в 1992 году Nissan выпускает первый автомобиль с таким же оборудованием в салоне.

Фотография «Вояджера» перед завершением его кругосветного беспосадочного полета. Пилоты в кабине используют наушники с активным шумоподавлением

В последующие десятилетия технология распространяется и укрепляется на рынке — принцип активного шумоподавления, который поначалу сочли непригодным для военного дела, теперь приносит пользу как армии, так и массовому потребителю. Сегодня технологию используют различные наушники (как специального, так и универсального назначения), причем подавлением шума может заниматься основной динамик устройства, воспроизводя смесь полезного и заглушающего сигнала: то есть к музыке, которую вы слушаете, добавлять и «голос» перфоратора за стеной, чтобы его подавить. Кроме того, шум глушат шумом в салонах некоторых ближнемагистральных самолетов, автомобилей, а также в серверных шкафах: здесь используются уже наборы громкоговорителей (от одного до нескольких десятков), расположенных вдоль границ области, в которой необходимо погасить звук. Принцип тут тот же: уловить шум (звук двигателя, шум систем охлаждения и т.п.), обратить его фазу и «залить» полученным звуком помещение.

Re: Подавитель аудио шумов и помех.

вот ссылка на сайт, на котором подробно расписано как нужно правильно подключать,чтобы избавится от шумов
http://www.dself.dsl.pipex.com/ampin. d/balanced.htm

Администратор Регистрация 08.06.2007 Возраст 52 Сообщений 13,358 Вес репутации 10

Сигналы, какими мы их слышим. Или, точнее, видим.

Чтобы понять что же мы будем фильтровать запишем пару сигналов. Один — хороший, где речь разборчива и понятна, второй — типичный «15-й канал».

Для этого подключаем башмак к Алану и плохую антенну. Её за окно. В данном случае чем хуже — тем лучше. Выход динамика Алана к компу, на компе запускаем Адоб Аудишн и вперед!

Для начала запишем шумы 1ого канала ЧМ (Питер), и 15ого канала АМ (дальнобой).

Записали — смотрим на спектр. Здесь зелененькая линия — спектр сигнала ЧМ, красная — АМ. Соответственно файлы — air3.wav и air4.wav (кстати, там не только шумы. файлы внизу в архиве in.zip).

Заметим, что не совсем корректно здесь говорить о спектре сигнала. Скорее можно говорить об АЧХ детектора и всего, что перед ним помноженное на спектральную плотность шума. Однако, нам необходимо будет работать именно с этим сигналом. За сим будем считать, что спектр сигнала на выходе есть такой-то…

Итак — спектры ФМ и ЧМ. Ну… они похожи, однако, с ростом частоты они заваливаются — примерно на 15-20дБ от 400Гц до 4000кГц. Что-ж… это можно будет потом учесть.

Рассмотрим подробнее эти записи.

Рассматривать, а не прослушивать удобнее всего в Adobe Adudition, CoolEdit или подобных редакторах.

1. Файл air3.wav. Тут и фильтровать то нечего. На 1ом канале ЧМ автошумодав Мегажути работает адекватно, все слышно хорошо. Ну, разве лишь, некоторый зуд на 100Гц — что-то вроде помехи от источника передатчика. Почему от передатчика, а не мой локальный приемник? Да потому что в моменты паузы этого зуда нет.
Ниже — временная зависимость сигнала и его сонограмма.

Виден четкий переход от эфирного шума к несущей и обратно. Помеху 100Гц убрать не сложно.

2. air4.wav — вот здесь все гораздо хуже… Где-то виден переход от шума к голосу, а где-то нет. Например:

Вот это то мы будем пытаться фильтровать, усиливать улучшать и т.п., добиваясь чего-либо такого:

Здесь вверху нарисовано как должен выглядеть фильтрованный сигнал, а внизу исходный. (внизу архив — out1.zip). Забегая вперед отмечу, что это фильтровано одной из ранних версий моего шумодава на компе. Но это я очень сильно вперед забежал 🙂

Вообще говоря, это так уж, наверное и не надо. Так уж слишком хорошо. Шумы можно так сильно (на картинке -10дБ) и не давить, а вот адекватный, регулируемый голосовой детектор нам бы не помешал…

5. Как, что и из чего мы будем делать наш шумодав.

Порыскав по просторам интернета, я обнаружил, что всего несколько компаний делает подобные вещи. Естественно, даже речи не может идти о том чтобы у них как-либо получить подобные технологии.
В бесплатном сегменте тоже ничего разумного не нашел. Что ж, будем думать сами.

Итак, наш шумодав будет состоять из двух частей — аппаратной и программной. Мы хотим, чтобы первая была «минимальна» — в смысле как можно меньше паять и удовлетворяла требованиям выше, а вторая должна просто влезать в эту аппаратную 🙂

Выбор аппаратной платформы.

Спектр звука в рации занимает диапазон от 300 до 3000Гц. Поэтому, нам вполне хватит частоты дискретизации 8кГц. На том и порешим. Пока…

Считается, что для нормальных записи/воспроизведения звука нужно иметь аудио кодек бит эдак 16. Однако задумаемся. 16 бит это 96дБ динамического диапазона. Нужно ли нам столько? Ну хорошо, stm32f3xx некоторые имеют 16и битное АЦП, однако у него нет такого же ЦАПа. У него есть 12и битный ЦАП. Может нам хватит 12и бит и ЦАПа и АЦП?
12 бит это 72дБ динамического диапазона. Даже самые лучшие кассетные магнитофоны не имели столько.
GSM использует 13 бит и мы все хорошо слышим.
Китайские говорящие игрушки… Интересно, сколько? 1 бит? 2 бита? И ведь слышно же!

Итак, останавливаемся на том, что 12 бит для голоса вполне достаточно.
Какой проц будем использовать? Как я говорил у меня на столе их 5. Ну stm32L151 не для этого. Primer 1 тоже не то. RF Control Kit вообще для других целей. Остаются f3 и f4.
STM32F3xxx хороший проц, много периферии на борту, быстрый и т.п., но STM32F4XXX быстрее. Чем? Чем STM32F3xxx. Поэтому тренироваться будем на нем и, потом, если хватит ресурсов и не разыграются аппетиты, то спустимся до f3. Хотя, если у нас 12 бит и мы хотим выиграть еще 2 бита, то потребуется передискретизация в 16 раз, а это сразу 128кГц такта, а если еще и 3ая ПЧ 32 кГц, то… Чего-то это я сильно вперед забежал.
Кстати, чтобы избежать алиасинга на входе (ибо АЦП не есть кодеки) все-равно придется вход цифровать на большей частоте, нежели 8кГц.

АЦП имеет опорное напряжение 3 примерно вольта, значит 300мВ макс. амплитуды на выходе детектора нам надо усилить раз эдак в 5. Не проблема — rail-to-rail операционник с фильтрами НЧ на входе и выходе вполне решит задачу. ЦАП имеет такой же размах. Значит на выходе надо поставить делитель. ВСЕ!
Нет, не все. Еще стабилизатор напряжения, кварц, пару-тройку подстроечных резисторов, задающих некоторые параметры шумодава и SQL детектора, пару светодиодов для красоты, обвязка операционника, блокирующие кондеры и т.п. и вот теперь все!

P.S. почему-то не прикрепляются файлы…

,

• +5
• 21 декабря 2012, 17:11

Andrea PC Audio Software

Программное обеспечение Andrea для ПК Audio предоставляет новейшие Audio Commander и фильтры шумоподавления, которые можно использовать с USB-устройствами Andrea. Сервис поддерживает Windows.

Ознакомьтесь с основными функциями, которые поставляются с программным обеспечением Andrea для ПК:

• Приложение может обеспечить шумоподавление, а выход на динамик улучшен с помощью шумоподавления Andrea PureAudio для удаления шума из вашего VoIP-аудио.
• Очистив сигнал, который вы слушаете, вы улучшите разборчивость.
• Агрессивное шумоподавление PureAusio на выходе динамика уберет еще больше шума из вашего VoIP-звука.

Программное обеспечение поставляется с высококачественным десятиполосным графическим эквалайзером с предустановленными настройками для конкретного управления уровнями низких, средних и высоких частот для настройки звукового тона в соответствии с вашим любимым типом музыки.

Приложение также оснащено функциями записи микрофона, такими как подавление стереошума, подавление акустического эха, формирование светового луча, формирование агрессивного луча, направление луча, усиление микрофона и многое другое.

Проверьте более подробную информацию и получите программное обеспечение Andrea PC Audio Software с официального сайта.

Как обесшумить квартиру

Замена
дверей и окон

Этот способ является наиболее эффективным при устранении уличного шума. Для того, чтобы не слышать звуков транспорта, голосов людей или животных произведите замену ваших окон на двойные или тройные стеклопакеты. Старайтесь приобретать качественные окна проверенных марок, чтобы не приобрести фальсификат, который не поможет вам устранить проблему излишнего шума в квартире.

В настоящее время в продаже доступны звукоизолирующие окна, которые также прекрасно помогут вам при звукоизоляции. Воспользуйтесь советами родственников и знакомых или прочтите отзывы о продукции конкретных производителей перед тем, как сделать выбор в пользу конкретного из них.

При замене входных дверей отдавайте предпочтение массивным
видам, а лучше всего установите двойные входные двери. Таким образом, одну из
них вы сможете оббить звукоизолирующим материалом, который является дополнительным
средством шумоизоляции квартиры. Не забудьте также оббить порог уплотнителем по
всему периметру. Таким образом вы сможете защитить свое жилище от посторонних
звуков, поступающих из подъезда.

Звукоизоляция стен

Этот способ поможет в значительной степени снизить звуки, доносящиеся из соседних квартир. Прежде всего нужно устранить все щели и трещины, даже самые незначительные, так как именно они являются отличными проводниками посторонних звуков. Однако этот этап является только подготовительной стадией перед выполнением непосредственной звукоизоляции стен, которая может включать:

1. Самоклеящиеся мембраны, создающие физический барьер для посторонних звуков, представляют собой достаточно тонкое, но вместе с тем прочное полотно, которое может быть нанесено на различные покрытия стен и в помещениях любого типа. Материал весьма прост в использовании и установке, и не требует применения дополнительных инструментов. Благодаря своей тонкости он отлично подойдет для малогабаритных помещений, так как не занимает площадь при нанесении на стены.
2. Комбинированные плиты, состоящие из минеральных или синтетических материалов, или панели, оснащенные прослойкой звукопоглощающего материала. Для их применения требуется предварительная установка специального металлического каркаса. Установка такого типа шумоизоляции требует специальных навыков и инструментов. Стоит отметить, что такие материалы занимают гораздо большую площадь помещения, чем звукоизолирующие мембраны.

Рекомендуется комбинировать описанные выше варианты
звукоизоляции стен для достижения максимального результата по избавлению от
постороннего шума в квартире.

Шумоизоляция потолка

Звуки, поступающие с потолка от соседей, является самым
громким шумом. Именно поэтому необходима обязательная шумоизоляция потока в
комбинации с шумоизоляцией стен. При этом стоит отдавать предпочтение как можно
более легким материалам для того, чтобы они не отклеивались под тяжестью
собственного веса. Однако, учитывая степь громкости шума, проникающего в
квартиру через потолок, стоит отметить, что для эффективного его поглощения
требуется применение достаточно плотных материалов, которые крепятся на потолок
при помощи каркасных конструкций. Это обусловлено также мерами безопасности,
так как исключает падение материалов, прикрепленных к поверхности потолка.

Самыми популярными материалами плит для звукоизоляции
потолка является многослойный картон и кварцевый песок, которые имеют
достаточно большую массу. По этой причине они крепятся к металлическому
каркасу, предварительно установленному на потолке, при помощи саморезов.
Крепление к каркасу обусловлено также тем, что при установке плит
непосредственно на потолок при помощи дюбелей, придется делать отверстия в
самом потолке, наличие которых может только усугубить ситуацию с поступающим из
вне шумом.

Избавление
от шума в квартире при помощи подручных средств

Как стало понятно из вышеизложенного материала, для того,
чтобы оказать сопротивление звукам, проникающим в квартиру из вне, требуется
наращивание толщины стен. Так, это можно сделать при помощи корпусной мебели,
приставленной вплотную к стенам. Это могут быть шкафы с одеждой или стеллажи с
книгами.

Большое количество текстильных изделий в квартире также
поможет бороться с шумом. Ковры, ковролин, плотные шторы и занавески на окнах,
мягкие изголовья кроватей – все это поможет вам не только создать уют в доме,
но и устранить нежелательные посторонние звуки в квартире.

Причины шумов и способы их устранения

Так как цена вопроса с заменой автомагнитолы на новую нас не устраивает, то я предлагаю найти причину посторонних шумов своими руками, старым проверенным способом – методом исключения. И что бы увеличить шансы на скорейшее выявление и устранение виновника помех советую начинать от большего к меньшему, а именно от головного устройства к периферии.

Магнитола

Достаём автомагнитолу из посадочного места (кстати, фон может пропасть уже при демонтаже головного устройства) и затем:

• Попробуем отключить антенный штекер. Фонит? Идём дальше…;
• Любым подходящим проводом(см.Провода для автомагнитолы: какие они бывают), минуя все соединения и разъёмы, прокладываем плюс и минус на головное устройство напрямую от аккумуляторной батареи;

Если шумы пропали, то это значит, что главным действующим лицом этого спектакля является плохой контакт питания (кстати, так же одним из симптомов плохого контакта являются шумы, возникающие при увеличении/уменьшении громкости).
Оба питающих провода устройства в целях защиты акустической схемы автомобиля должны быть в обязательном порядке оборудованы плавкими вставками. При периодически возникающих посторонних шумах рекомендуется в схему питания автомагнитолы между положительной и отрицательной клеммой добавить конденсатор, который будет по существу работать как фильтр питания автомагнитолы, то есть сглаживать в цепи электропитания магнитолы колебания тока, стабилизировать её работу и исключать возможные звуковые помехи.

Совет! Как правило, положительная клемма обозначается как «А7» (жёлтый/красный провод), а отрицательная как «А8» (чёрный провод).

Кстати, данной доработкой мы убиваем двух зайцев – устраняем помехи и избавляемся ещё от одной проблемы, а именно от паузы, происходящей во время срабатывания стартера автомобиля, когда отключаются все потребители тока, и магнитола в том числе.
Итак, ставим больше ёмкостный конденсатор в цепь питания «головы», например 2200мкф – 16 вольт, в паре с диодом рассчитанным на тот же ток что и предохранитель автомагнитолы (например, к пяти амперному предохранителю подойдут как пятиамперные диоды КД 210 и КД 206, так и десятиамперные Д 214 и Д 215).

Внимание! Диод необходимо впаять именно на положительный провод, иначе при постановке автомобиля на сигнализацию необходимо будет выжидать некоторое время, пока не произойдёт разрядка конденсатора.

Всё это «дело» вываливаем на стол и спаиваем, как показано в схеме на фото:

Фильтр питания для автомагнитолы

Совет! Каждая автомагнитола имеет свою выдержку времени на загрузку носителя информации, а так же свои индивидуальные характеристики потребления тока. Поэтому возможно вам придётся самостоятельно подбирать для вашей автомагнитолы ёмкость конденсатора (чем больше ёмкость, тем дольше работа автомагнитолы в автономном режиме).

• Если название фирмы производителя вашей автомагнитолы хоть немного похоже на бренд Pioneer, то можно попробовать проделать следующий фокус:

Попробовать пробросить «массу» на линейные выходы устройства, то есть на внешнюю «юбку» RCA – разъёма.

Видео как своими руками сделать фильтр для автомагнитол

Дело в том, что при выходе из строя предохранителя линейных выходов именно на магнитолах данной марки устройство начинает ужасно «фонить» как на стоящем автомобиле, так и при работающем двигателе.

Внимание! Появление данной неисправности возможно при подключениях между блоками во время работы усилителя или же головного устройства, а так же при кратковременном коротком замыкании выходов усилителя.

Усилители звука

• Проверяем на предмет хорошего контакта RCA – разъём усилителя, при необходимости пропаиваем их;
• Прокладываем, вместо отключённого провода «REMOTE», помимо всех разъёмов положительный провод на устройство от аккумуляторной батареи (12 Вольт);
• Попробуем изменить местоположение «усилка», лучше всего вообще вынести его за пределы салона автомобиля (бывает, что сам бензонасос создаёт ощутимый фон во время своей работы);
• Корпус усилителя не должен соприкасаться с «массой» автомобиля;

Кабели межблоков

• «Хвостики» экранов (не земля!) должны быть надёжно закреплены на корпусе усилителя, а хвостик межблока на корпусе головного устройства;
• Отключаем межблоки от автомагнитолы и усилителя звука(см.Как подключить к автомагнитоле усилитель и сабвуфер: сам себе мастер) и «прозваниваем» их на предмет плохого контакта, его обрыва, а так же на предмет короткого замыкания с кузовом автомобиля;
• Пробуем менять их местоположение, прислушиваемся к фону и перекладываем по воздуху, желательно вне салона машины.

Кроссоверы

Проверяем кроссоверы так же методом перемещения в другое место с одновременным прослушиванием фона.

Акустическая система с проводами

«Прозваниваем» каждый провод на предмет короткого замыкания с салоном автомобиля.

Другие возможные причины

• Все точки заземления, во избежание возникновения эффекта «земляной петли» должны быть сведены в одной точке (объедините массу головного устройства с массой усилителей);
• Устраните контакт абсолютно всех компонентов систем с кузовом/массой автомобиля;
• Подчистите и подтяните клеммы аккумуляторной батареи (при контактном зажигании проверьте и прочистите контакты трамблёра);
• Попробуйте временно поменять аккумуляторную батарею и элементы системы зажигания (свечи, высоковольтные провода, трамблёр).

Как вы уже поняли помехи можно «словить» от любого другого оборудования автомобиля будь то ксенон, парктроники, свечи и высоковольтные провода системы зажигания. То есть, все системы запитанные от бортовой системы автомобиля, так или иначе «фонят».
И чтобы исключить их влияние на качество воспроизводимого звука вам просто необходимо установить в электрическую схему подключения фильтр(см.Фильтр от помех для автомагнитолы: как изготовить) для питания автомагнитолы. Ну а так как и мы не лыком шиты, то простыми рекомендациями данная инструкция заканчиваться, как вы поняли не может, поэтому предлагаю вам сделать фильтр питания для автомагнитолы своими руками.