В этой статье я хочу рассказать о новой, перспективной модели тактических наушников, выводящей звук на новый уровень.
Сейчас на рынке достаточно много моделей активных наушников, широко использующихся как в военных целях, так и на охоте, в спорте, шумном производстве. Основными полезными свойствами являются: защита органов слуха от опасных звуковых волн, фильтрация шума, а также усиление тихих звуков.
Как правило, активные или тактические наушники представляют собой охватывающие наушники закрытого типа, чашки которых сделаны из плотного, ударопрочного материала. Внутри чашек размещена электроника, излучатели в виде динамиков, уложен звукоизоляционный материал. На внешней части размещены микрофоны, передающие внешние звуки через внутренние излучатели в стерео формате.
Закрытый тип конструкции в совокупности с амбушюрами из плотного материала способен гасить звук до 30 дБ, что даёт возможность спокойно работать в шумной обстановке и не бояться за слух при выстреле. Активная часть электроники способна уменьшать громкость выходного сигнала за доли секунды, а также выделять среди шума отдельный спектр частот, например речевой, для возможности переговоров в условии постоянного шума.
Теперь подробнее о локализации источников звука, при такой схеме.
Передача звука во многом схожа с «диском Джеклина», с той разницей, что в роли диска - голова слушателя, а микрофоны направлены в одну сторону. Точно угадать позицию источника не получится, за счёт того, что передаточная функция головы задействована не полностью. Нет главного фактора - дифракции звуковых волн о геометрию уха, ведь микрофоны размещены в открытом пространстве.
Также, существуют модели в которых задействовано несколько разнонаправленных микрофонов, уже с квадрофоническим выводом звука. Но полноценно передать позицию со всех направлений они также не способны, всё по той же причине.
И тут мне в голову пришла идея:
заменить внешние микрофоны на бинауральные. То есть, разместить электретные капсюли микрофонов внутри слуховых каналов реплик ушных раковин на глубине 10 мм.
-
звук вывести не через внутренние динамики, а через внутриканальные с применением амбушюр из вспененного материала. И тут убиваем сразу двух зайцев: во-первых - улучшается звукоизоляция на 20дБ, а во-вторых - детализация звука за счёт той же звукоизоляции и более высокой чувствительности, по сравнению с внешним динамиком.
ПМ фиг.1
Первый прототип безусловно подтвердил теорию, позиция ощущается достаточно чётко, но тут выяснилась одна важная особенность:
Бинауральный звук весьма требователен к АЧХ, и построить его на микрофонах, усилителе и наушниках с высоким коэффициентом нелинейных искажений не получится. Точнее звук и позицию получить можно, но вот его качество будет оставлять желать лучшего. Поэтому, после первых испытаний прототипа я решил заменить основные элементы.
Из наиболее подходящих эл. капсюлей, которые мне удалось найти, стоит выделить две модели:
-
Panasonic WM-61A
спецификация, АЧХ -
PUI Audio AOM-5024L-HD-R
спецификация 
АЧХ
А из недорогих внутриканальных излучателей - модель Sony MDR-EX15LP.
Предусилитель применю на базе модуля с микросхемой MAX9812L c усилением 20 дБ и достаточно низким КНИ. А также модуль усилителя НЧ, для передачи звука на наушники - SAS0048. Конечно, вероятно существуют более подходящие решения, но я пока исхожу из того, что могу сделать самостоятельно в домашних условиях =) .
Что касается активной части, я считаю гораздо более эффективней применять не АРУ, а АРГ на выводе звукового сигнала к излучателям. То есть, коэффициент усиления микрофона всегда должен работать на максимум, а амплитуда выходного сигнала должна оставаться на одном уровне, комфортном для слуха. Таким образом, человек будет слышать все окружающие его звуки на приемлемой громкости. Но тут уже всё зависит от назначения, вариаций активной части может быть множество.
Также стоит упомянуть подобные решения активных наушников с бинауральным звуком в виде внутриканальных вкладышей.
Конечно, такая модель гораздо более эргономична. Но есть существенные недостатки:
уровень шумоподавления не будет выше 20-25 дБ, в то время как у охватывающих может быть до 40
бинауральный эффект таких моделей гораздо хуже, за счёт расположения микрофонов за пределами слухового канала.
функционал весьма ограничен, за счёт миниатюрных габаритов конструкции.
Ещё одним применением предложенной модели может стать запись бинаурального звука с экшн камеры. Собственно, чем я собираюсь заняться для демонстрации и продвижения идеи, при помощи камеры GoPro 3. Особенно эффективной, на мой взгляд, такая запись будет при использовании 3D камеры, но просмотр станет возможным при использовании стерео очков или шлема VR.
В общем и целом, модель выглядит весьма перспективной с широкой областью применения. Я уверен, у неё есть все шансы стать популярной во всём мире. Остаётся только реализовать. И я приложу для этого все свои усилия =).
Проект нуждается в финансировании и продвижении.
Если Вас заинтересовала идея, буду рад сотрудничеству.
e-mail: technicno15@gmail.com
Особую благодарность хочу выразить ФИПС, за помощь при оформлении патента на ПМ.
Комментарии (37)
bazilevichla
13.08.2023 11:47Полагаю, ваш продукт тоже предполагает использование ударопрочных материалов? А что касается защитного гриля?
Насколько он и поролон, который виден за ним, влияют на чувствительность и как искажают звук? Не пропадает ли из-за этого слышимость слабых источников, например, можно ли будет услышать шорох в кустах, если взять такие наушники для охоты?
Я, возможно, не совсем понял, как именно определяется диапазон усиливаемых частот, он задан конструктивно или же можно реализовать управление потенциометром или ещё как-то?
3DSound Автор
13.08.2023 11:47Слой пенополиуретана помогает защитить от ветра и пыли. Но это не конечный вариант. Для защиты от влаги потребуется водоотталкивающее покрытие, с тем условием, что будет пропускать воздух. Иначе, да, будут искажения.
bazilevichla
13.08.2023 11:47Можно ли для этого использовать мембранную ткань? Как-то зафиксировать на внутренней стороне защитного гриля, либо обтянуть его снаружи?
3DSound Автор
13.08.2023 11:47Кстати, далеко ходить не надо. Взять тот же материал, которым обтянуты портативные колонки JBL. И воду отталкивает, износоустойчив и прекрасно пропускает звук.
Kyaru
13.08.2023 11:47Мне кажется идеально бы для таких целей подошла металлическая сетка, которой микрофоны обтягивают динамические. Под нее, водоотталкивающий материал и каркас из 4х металлических дуг. Для экстримальных условий можно сделать накладки из пластика...
VT100
13.08.2023 11:47+1АРГ, боюсь, — не поможет. Промежуточные каскады будут ограничивать сигнал со всеми следующими из этого артефактами...
CBET_TbMbI
13.08.2023 11:47+2Идея для расширентя охвата аудитории: встроить слуховой аппарат для полуглухих. По сути не гаситель звука, а усилитель.
Главное, переключение режима сделать крупным, понятным, ярко видимым и исключающим случайные переключения.
Lyova5
13.08.2023 11:47Заранее извиняясь за тупой вопрос - а нельзя эти псевдоуши делать другой формы или просто побольше? Это может улучшить качество звука?
3DSound Автор
13.08.2023 11:47Резонный вопрос. Я думаю, большой популярностью будут пользоваться уши под индивидуальный заказ. При этом, заказчик должен будет прислать 3D скан своих ушей. Сами уши в модели подразумевают быстро съёмный крепёж.
Sap_ru
13.08.2023 11:47+7Во-первых, если вы стали ставить микрофоны в слепки ушей, то тогда нужно уже весь ушной канал повторять, а не просто на 10мм микрофон углубить.
Во-вторых, материал имеет принципиальное значение, иначе нужна очень крутая цифровая обработка. А если у вас есть такая обработка, то вам вообще не нужны никакие пластмассовые уши.
В-третьих, если вам пришить "чужие уши" (по форме и/или материалу), то у вас на некоторое время начнутся проблемы с позиционированием звука. Так как человек привык именно к своим ушам. То есть нет никакого смысла городить всё то, что вы городите, так как даже если идеально всё сделаете, то позиционирование идеальным всё равно не будет.
В-четвёртых, это всё решается ОЧЕНЬ сложной цифровой обработкой, а не пластиковыми ушами с углублёнными микрофонами. Несколько микрофонов с последующей обработкой, и это будет единственное правильное и работающее решение.
В-пятых, для всяких MP3, и OGG и прочем уже давно разработаны и цифровые модели головы, и цифровые модели слухового тракта в части позиционирования звука, нормализации спектра, громкости и прочего. Когда вы слушаете хорошую стереозапись классической музыки, то вы имеете возможность всем этим насладиться. Вообще без всяких пластмассовых ушей, можно преобразовывать звук от любого микрофона в пространственное звучание, которое будет понятно всем людям примерно одинаково хорошо. Но адаптировать это под данную задачу ой-ой-ой как сложно.
И обратите внимание, что даже самая крутая стереозапись имеет определённые проблемы, которые просто невозможно устранить без применения системы звуковых излучателей для каждого уха. И ещё для этого многоканальный, а не стерео, звук нужен. За последние 40 лет это очень хорошо изучено и доказано.
То есть ваша концепция уже сразу в корне не верна - одним динамиком и одним микрофоном на каждое ухо вы чуда не совершите вообще никак ни с какой самой крутой обработкой. Вашим совершенно абсолютным пределом останется пространственное разрешение, создаваемое хорошей стереозаписью. И если вы такую запись послушаете, то я подозреваю, что это окажется совсем не то, о чём вы мечтали.
А ещё лучше в современные компьютерные игры поиграть. Звук-то там идеально рассчитывается с точки зрения позиционирования, но на практике при прослушивании возникают нюансы - по динамику на ухо оказывается однозначно мало.В-шестых, если вы осилили соответствующую цифровую обработку со всеми причитающимися трюками и техническими решениями, то вся ваша конструкция выливается в три ортогонально расположенных микрофона с каждой стороны, DSP и весьма несложную программу (которую очень и очень сложно разработать). И ещё два-три динамика на каждое ухо. Поэтому патент ваш бесполезен, как ни прискорбно.
В-седьмых, "не АРУ, а АРГ" это в корне неверное решение. Причём и АРУ и АУГ оба неверны. Те, кто эту задачу решают, решают её иначе. Как - это уже отдельное ноу-хау.
В-последних, такие решения уже есть. Даже уже сразу в виде наушников от всяких лидеров, с режимами прозрачности в нужном спектре и прочим. И закрытого типа и внутриканальные уже есть (внутриканальные хуже по причине слишком небольшого разноса микрофонов). Высокой чувствительности там нет только потому, что она там не нужна, так как слушать музыку и и усиление звуков - это в противоположные стороны. Почему - отдельное знание, кстати. А кому надо, у тех уже это всё есть с шумоподавлением, ограничением громкости, усилием нужного спектра с сохранением пространственного ощущения и прочим. У военных, в честности. Но музыку в таких не послушаете по причине того, что музыка - в другу сторону, как уже сказано. И самое главное - пользователю не нужно супер-усиление с сохранением пространственного звучания. Ему нужно, условно говоря, дорогу перейти слушая музыку, чтобы не задавили, и это уже есть у всех основных брендов.
А ещё есть профессиональная звуковая аппаратура, которая пишет звук с сохранением стереокартины и всеми возможными плюшками. И шёпот и музыку и вообще всё. И с расстояния в десятки метров. Можно в сотню, наверное, но там стереокартина не нужна уже по очевидным причинам, ибо, на самом деле вам не нужно позиционировать совсем тихие или удалённые звуки. И при этом режет громкие звуки, выравнивает спектр под человеческое ухо и всё прочее. И на хорошем уровне это десятки лет работает даже в карманных профессиональных диктофонах. Но снова без прослушивания музыки, так как в другую сторону и совместить невозможно.
И стоит оно кучу денег именно потому, что со всех сторон обложено лютыми ноу-хау, 99% которых заключается собой цифровой обработке, осилив которую нужно грести деньги на звуковой и специальной аппаратуре, а не на наушниках, на которых всё придётся выбирать музыка или окружающий звук, а совмещение будет абсолютно точно давать так себе результат.
И да, для людей с проблемами со слухом это тоже уже всё есть у лидеров рынка. Но это не наушники уже. И, что характерно, пластмассовых ушей там тоже не наблюдается.Резюме и суть плохой новости в том, что предлагаемый метод устарел лет 60 и является однозначно тупиковым. Такие микрофоны, в виде головы со слепками ушей, были именно тогда и быстро умерли по объективным причинам.
3DSound Автор
13.08.2023 11:47+1Извините, не вижу корреляции вашего длинного поста с активными наушниками. И, да. Реплики ушей сделаны из силикона.
Sap_ru
13.08.2023 11:47Реплики ушей не нужны и это доказано десятки лет назад.
3DSound Автор
13.08.2023 11:47+2Ваши голословные утверждения не изменят эффективность работы модели. Изучите принцип работы передаточной функции головы.
Sap_ru
13.08.2023 11:47Просто возьмите стереонаушники и послушайте запись с такой модели.
А потом, чтобы окончательно разочароваться в идее, возьмите наушники с несколькими излучателями и снова послушайте запись с модели головы и с нескольких микрофонов с обработкой. Там вообще случится чудо: модель головы будет давать всё такую же достаточно невнятную пространственную картину, а запись с микрофонов с обработкой окажется принципиально лучше и будет прекрасно показывать разницу в звуках в передней и задней полусфере.
А применительно к статье нужно бы ещё и верх/низ различать, что совсем интересно становится.
oleg_rico
13.08.2023 11:47+1На мой взгляд излишне безапелляционное утверждение.
Кем доказано и кем проверены эти доказательства?
Sap_ru
13.08.2023 11:47Возьмите самую лучшую стереозапись и послушайте, прислушайтесь к стереокартине. Можно даже найти записи, сделанные с помощью макета головы, - их есть и они имеют определённое применение, только там вовсе не уши, а ещё и ушные каналы моделируются. И посмотрите на размер такого микрофона - его на наушники не повесишь, но суть не в этом - суть в результате.
Если лично вам это ничего не докажет, тогда ой. В идеале, конечно, вам бы ещё запись звуков с источниками в задней полусфере послушать - там совсем интересная картина, - но скорее всего и с источниками спереди всё ясно будет.
А ещё можно обратить внимание, что микрофоны в виде макета головы оказались практически полностью вытеснены наборами из нескольких микрофонов с последующей цифровой обработкой. Причём именно потому, что несколько микрофонов с обработкой дают намного лучшее пространственное разрешение, которое по очевидной причине нельзя достичь, применяя макет головы. Настолько лучше, что модели головы если и остались, то только для стереозаписи.
DmSting
13.08.2023 11:47Эммм, вбейте на ТвоейТрубе в поиск ASMR - и сможете легко убедиться как люди записывают разные звуки у микрофонов в виде макета головы - и в обычных стерео наушниках можно замечательно позиционировать источник звука.
Может быть где-нибудь, в какой-то супер специализированной и точной сфере профессиональной деятельности массив микрофонов плюс цифровая обработка обработка и дадут существенный положительный эффект, но для банальных активных наушников возможностей бинауральных микрофонов будет хватать на 99%.
Эдит, промазал с ответом, это было к посту Sap_ru
ivanstor
Утомительно в наушниках долго находится. Это не критика вашей разработки, это проблема любых наушников. Однако чувствительность к разным типам у людей разная. Кто-то плохо переносит закрытые чаши, кто-то внутриканальные вкладыши. У вас и то, и другое. Многим это будет совсем тяжело.
bazilevichla
Думаю, сохранить слух и общаться всё-таки важнее, чем предельный комфорт, так что мне кажется, что идея всё-таки классная. Тем более, что продукт рассчитан не на "многих", а на узкий круг людей, для которых изначально создавались подобные наушники. Большинство людей использует обыкновенные наушники и будут продолжать их использовать независимо от существования этого продукта, потому что им нужны фильмы/игры/музыка/подкасты, а не защита ушей от громкости стрельбы)
3DSound Автор
К сожалению, в активных наушниках сложно добиться комфорта. Для звукоизоляции нужен закрытый тип, куда не будет проникать воздух, и амбушюры из воздухо-непроницаемого материала. Иначе импульсная звуковая волна будет долбить по ушам. Для гражданских целей, можно создать комфортную модель.
MountainGoat
Не любых, и не наушников, а голов. Я в AKG k7XX или Sennheiser HD650 сижу сутки напролёт. У меня проблема чаще обратная - забываю про наушники и дёргаю провод. Ну ещё у меня есть Grado, и там своя специфика, конечно. Но если собираются носить часами и выбирают Grado - то это опять же проблема головы.
izogfif
Bose QuietComfort 35 (II или I - точно не скажу) - уже года три ношу в режиме 16/7. Амбюшуры отвратительного качества, через 4 месяца порвались, через год поролон начал крошиться. Тем не менее, сидят на голове прекрасно, находиться в них совсем не утомительно.
MoscowBrownBear
Для информации: эти амбюшюры продаются на алиэкспресе за 300 рублей, менял уже 5-6 раз (там есть разные мягкие/твердые). Заметил что рвутся они из за воды (когда на мокрую голову например надеваешь). Посторайтесь не порвать ободок, вот его тяжело заменить. Находится дома в них не тольок не утомительно я в них даже сплю иногда (у Bose есть, кстати, наушники для сна на базе этой модели - они не проигрывают музыку, только шумоподаление). Для улицы я взял всё таки вставные наушники эти слишком громоздкие
Real3L0
У меня аналогичная проблема. Но есть ещё вариант: такое устройство, которое крепится "на ухо". Пример: Plantronics Voyager Legend. (Покупал много лет эту модель.) Есть и наушники такого типа.
Т.е. они решают проблему запотевания ушей в закрытых чашах и давление в раковинах ушей у внутриканальных наушников.
Конечно, имеют свои минусы. И, вроде как, далеки от темы статьи. :)