หลักการทำงานหูฟังตัดเสียงรบกวน (Noise-Cancelling)

ในบทความนี้ ผู้สนใจจะได้เรียนรู้ หลักการทำงานหูฟังตัดเสียงรบกวน ว่าทำงานได้อย่างไร ?

หูฟังตัดเสียงรบกวน จะหมายถึง หูฟังที่สามารถสร้างเสียงรบกวนออกมา เพื่อต่อสู้กับเสียงรบกวนภายนอกในสภาพแวดล้อมต่าง ๆ ช่วยให้สามารถฟังเพลงได้ชัดเจนขึ้น หรือทำให้เงียบเพื่อสร้างสมาธิ หลักการสำคัญที่ว่านี้เรียกว่า “Destructive Interference”

ก่อนอื่นต้องทำความเข้าใจเรื่อง การรวมกันของคลื่นเสียง 2 แหล่งกำเนิด โดยความสัมพันธ์ทางเฟสของแต่ละความถี่ จะส่งผลต่อขนาดคลื่นโดยรวม

รูปแสดงการรวมกันของรูปคลื่นความถี่เดียวกัน ในระดับความดันเสียงที่เท่ากัน แต่ความสัมพันธ์ของเฟสต่างกัน

(A) เฟสสัมพัทธ์ 0 องศา คลื่นรวมความดันเสียงเพิ่มขึ้น +6 dB

(B) เฟสสัมพัทธ์ 90 องศา คลื่นรวมความดันเสียงเพิ่มขึ้น +3 dB

(C) เฟสสัมพัทธ์ 120 องศา คลื่นรวมความดันเสียงไม่เพิ่มขึ้น 0 dB

(D) เฟสสัมพัทธ์ 180 องศา คลื่นรวม Cancels Phase เกิดความดันเสียงที่ติดลบ

มาต่อที่หูฟังตัดเสียงรบกวนแบบแอคทีฟ สามารถตัดเสียงรบกวนจากสภาพแวดล้อมรอบตัวได้อย่างไร ?

เสียงรบกวนจากภายนอกจะถูกจับโดยไมโครโฟน จากนั้นสัญญาณจากไมโครโฟนจะถูกกลับเฟส 180 องศา และ Playback ผ่านลำโพง ควบคู่ไปกับเพลงที่ฟัง เมื่อทำอย่างถูกต้อง จะส่งผลให้เสียงรบกวนจากสิ่งแวดล้อมถูก Cancels Phase เหลือเพียงเสียงเพลงเท่านั้น

แต่หลักการเบื้องต้นยังมีข้อจำกัด เนื่องจากความต่างระหว่างระดับเสียงภายนอก และภายในหูฟัง

ดังนั้น Sound Engineer จึงออกแบบหูฟังที่มีไมโครโฟน 2 ตัว ตัวหนึ่งอยู่ด้านนอกเพื่อจับเสียง และอีกตัวหนึ่งอยู่ด้านในเพื่อวัดความแตกต่างของระดับเสียงรบกวน สำหรับปรับระดับเสียงรบกวนที่ Playback ผ่านลำโพงหูฟัง ให้มีระดับเสียงแม่นยำที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ เพื่อการ Cancels Phase ที่สมบูรณ์

ความท้าท้ายหนึ่งของผู้ออกแบบที่ต้องเผชิญคือ เฟสจะต้องถูกต้อง และแม่นยำ หากสัญญาณรบกวนที่กลับเฟส มีการเปลี่ยนแปลงของเวลาเพียงเล็กน้อย การ Cancels Phase จะไม่ได้ผลเท่าที่ควร

Cancels Phase ที่สมบูรณ์จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อ ระดับเสียงของสัญญาณรบกวนที่ทะลุผ่านหูฟัง และสัญญาณรบกวนที่ออกจากลำโพงหูฟัง จะต้องเท่ากัน และมีเฟสต่างกัน 180 องศาเท่านั้น

เงื่อนไขของเวลามีระยะทางเข้ามาประกอบ การออกแบบที่ผิดพลาดเพียงเล็กน้อย จะทำให้เกิดการ Cancels Phase ที่ไม่สมบูรณ์ โดยเฉพาะที่ความถี่สูง เนื่องจากคามถี่สูงมีความยาวคลื่นที่สั้น การเลื่อนของเวลาเพียงเล็กน้อย จะทำให้การ Cancels Phase ไม่สมบูรณ์ แตกต่างจากเสียงต่ำที่แทบจะไม่ได้รับผลกระทบ

นี่คือเหตุผลเมื่อใช้ Noise-Cancelling มักเกิดเหตุการณ์ที่ความถี่ต่ำ สัญญาณรบกวนดูเหมือนจะหายไป ในขณะที่ความถี่สูงยังคงอยู่ เป็นเพราะความไม่สมบูรณ์ของการออกแบบ

สรุป หลักการทำงานหูฟังตัดเสียงรบกวน (Noise-Cancelling)

ภายใต้หลักการทำงานหูฟังตัดเสียงรบกวน พื้นฐานเทคโนโลยีเหล่านี้ ดูเหมือนจะง่าย แต่ที่จริงแล้ว การนำหลักการไปใช้นั้น ต้องอาศัยหลักวิศวกรรม และการออกแบบที่ซับซ้อนมาก ซึ่งแน่นอนว่า “พวกเขาเหล่านั้นฉลาดกว่าผู้เขียนมาก ๆ”