«Соединение установлено»: как работают беспроводные наушники

Итак, вы нажали play. Что дальше? Ваш смартфон генерирует цифровой аудиосигнал — последовательность нулей и единиц. Но по воздуху эти нули и единицы сами не летают. Для этого внутри телефона есть миниатюрный радиопередатчик.

Технология Bluetooth — это главный герой в этой истории. Она работает примерно так: ваши уши (наушники) и телефон договариваются о встрече. Они сопрягаются — обмениваются цифровыми позывными, чтобы знать, кому и от кого ждать сигнал. 

После этого телефон начинает передавать закодированный цифровой поток звука. Все это происходит на частоте около 2,4 ГГц — той же самой, на которой работают ваши Wi-Fi роутеры и даже микроволновки. Но инженеры придумали хитрость: передатчик постоянно и очень быстро скачет с одной частоты на другую (так называемая псевдослучайная перестройка рабочей частоты), чтобы не сталкиваться с помехами. 

Но радиоволны — штука капризная. Они не могут передавать огромные объемы информации быстро и без сбоев. Аудиофайлы в высоком качестве — тяжеловесны. И здесь на сцену выходят кодеки.

Кодек — это такой «умный упаковщик». Он берет исходный звук, сжимает его (зачастую с потерями, выбрасывая некоторые детали, которые ваше ухо может и не заметить), и упаковывает в маленькие «радиопосылки». Самый базовый и вездесущий кодек — это SBC (Low Complexity Subband Codec). Он есть во всех устройствах Bluetooth, и он сжимает музыку довольно сильно.

Более продвинутые кодеки, как AAC (любимый кодек Apple), aptX (наиболее популярный в мире высококачественный кодек) и LDAC (от Sony), стараются сделать сжатие более умным, чтобы сохранить больше деталей, особенно для сервисов с качественным звуком. Например, LDAC может передавать до трех раз больше данных, чем стандартный SBC. 

Сжатый радиосигнал долетает до наушников. Здесь он попадает во встроенный «мозг» (микропроцессор), где тот же кодек распаковывает его обратно в цифровой поток. Но это все еще цифра — нули и единицы. Чтобы мы услышали музыку, их нужно превратить в аналоговый электрический сигнал. За это отвечает ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь) — маленькая микросхема внутри каждого наушника.

Теперь у нас есть переменный электрический ток, который «рисует» звуковую волну. Этот ток подается на звуковую катушку — маленькую катушку из проволоки, которая находится в сильном магнитном поле постоянного магнита.

Когда через катушку проходит ток, она начинает двигаться. Чем сильнее ток, тем сильнее она толкает прикрепленную к ней мембрану (тонкую пленку). Мембрана колеблется, толкает воздух, и создает те самые звуковые волны, которые долетают до вашей барабанной перепонки.

Активное шумоподавление (ANC) — это, пожалуй, самая удивительная «фишка» современных наушников. Она превращает шумную улицу в тихую библиотеку. Как это работает? С помощью... еще большего шума.

Снаружи наушников есть крошечные микрофоны. Они слушают окружающий мир: гул самолета, шум поезда, гомон офиса. Этот сигнал поступает в DSP-процессор (специализированный чип для обработки сигналов). Анализируя звук, процессор генерирует новый звук, который имеет точно такую же амплитуду (громкость), но противоположную фазу.

Другими словами, на каждую «горку» звуковой волны от шума процессор создает зеркальную «впадину». Когда эти две волны встречаются в вашем ухе, они уничтожают друг друга — это называется деструктивной интерференцией. Вуаля! Тишина. Но у этой магии есть нюансы: ANC эффективно борется с низкочастотными, монотонными шумами, но почти бесполезен против резких, высокочастотных звуков, например, крика ребенка или сигнала машины.

Беспроводные наушники — это миниатюрные компьютеры, и им нужно питание. Внутри каждого наушника прячется литий-ионный аккумулятор. Они крошечные, поэтому их емкости хватает всего на несколько часов непрерывного воспроизведения. Кейс-зарядка решает эту проблему.

Но здесь кроется главный недостаток. Батарея имеет ограниченный ресурс циклов заряд-разряд. Со временем ее емкость неизбежно падает. Через год-два активного использования ваши «любимые уши», которые раньше работали 5-6 часов, могут начать «умирать» уже через 3 часа. И в отличие от смартфона, вставить новую батарейку в наушник практически невозможно: производители заливают все клеем, чтобы сделать корпус герметичным и маленьким. Ремонт обходится дороже новой покупки.