محدودیت تاخیر: چرا حذف فعال نویز نمی‌تواند فرکانس‌های بالا را ساکت کند

برای اینکه فناوری حذف فعال نویز (ANC) واقعاً کار کند، یک شرط بی‌رحمانه و واحد باید برقرار باشد: هدفون باید موج صوتی ورودی را تشخیص دهد، آن را پردازش کند و دقیقاً یک موج معکوس بسازد، آن هم پیش از اینکه صدای اصلی به پرده گوش برسد. اگر سخت‌افزار حتی کسری از میلی‌ثانیه این پنجره زمانی را از دست بدهد، کل سیستم فرو می‌پاشد.

در این حالت، موج ضد-نویزِ تاخیردار، به جای پاک کردن صدا، با موج اصلی هم‌راستا شده و آن را تقویت می‌کند. همین محدودیت سخت‌گیرانه در تاخیر است که نشان می‌دهد چرا هدفون‌های مدرن ANC می‌توانند غرش ۲۵۰ هرتزی موتور جت را کاملاً ساکت کنند، اما در خفه کردن صدای گفتگوی نزدیک یا تق‌تق کیبورد عاجز می‌مانند.[1][3]

فیزیک این مسئله با سرعت صوت آغاز می‌شود. صوت با سرعت تقریبی ۳۴۳ متر بر ثانیه در هوا حرکت می‌کند. در یک ایرباد بی‌سیم معمولی، فاصله بین میکروفون خارجی (feedforward) تا درایور اسپیکر در داخل مجرای گوش، به زحمت به دو سانتی‌متر می‌رسد. با سرعت ۳۴۳ متر بر ثانیه، یک موج صوتی این فاصله را در حدود ۵۸ میکروثانیه طی می‌کند. برای دستیابی به حذف بی‌نقص، پردازنده داخلی هدفون باید تمام بار کاری خود را در همین پنجره زمانی میکروسکوپی به پایان برساند.[1]

این بار کاری عظیم است. سیگنال آنالوگِ میکروفون ابتدا باید از یک مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) عبور کند. سپس، یک پردازشگر سیگنال دیجیتال (DSP) — مانند تراشه‌های تگزاس اینسترومنتس (Texas Instruments) که معمولاً در تحقیقات آکوستیک استفاده می‌شوند — یک الگوریتم فیلتر تطبیقی را اجرا می‌کند تا دامنه و فاز دقیق مورد نیاز برای موج ضد-نویز را محاسبه کند.

در نهایت، سیگنال دیجیتال دوباره به آنالوگ تبدیل شده و به درایور اسپیکر فرستاده می‌شود. حتی در لوازم الکترونیکی مصرفی رده‌بالا، این رفت‌وبرگشت دیجیتالی تاخیری در حدود ۱ تا ۲ میلی‌ثانیه در پردازش ایجاد می‌کند.[1][2]

برای صداهای با فرکانس پایین، تاخیر ۱ میلی‌ثانیه‌ای بی‌ضرر است. یک همهمه ۱۰۰ هرتزی از موتور هواپیما دارای طول موجی برابر با ۳.۴ متر است، به این معنی که ۱۰ میلی‌ثانیه کامل طول می‌کشد تا موج یک چرخه کامل را طی کند. اگر موج ضد-نویز هدفون با ۱ میلی‌ثانیه تاخیر برسد، تغییر فاز ناچیز است و تداخل ویرانگر همچنان با موفقیت موج صوتی را صاف می‌کند. DSP زمان زیادی دارد تا نوسانات کند و قابل پیش‌بینی فرکانس‌های بیس را ردیابی و خنثی کند.[2]

اما با بالا رفتن گام صدا، طول موج‌ها کوچک می‌شوند و ریاضیات روی بی‌رحم خود را نشان می‌دهد. در فرکانس ۱۰۰۰ هرتز — فرکانس یک صدای جیغ‌مانند یا آژیر — طول موج تنها ۳۴ سانتی‌متر است و یک چرخه کامل دقیقاً ۱ میلی‌ثانیه طول می‌کشد. پژوهشگران در مطالعه‌ای در سال ۲۰۱۸ توسط موسسه فیزیک آمریکا (American Institute of Physics) خاطرنشان کردند: «تاخیر زمانی حتی به کوچکی ۲ میلی‌ثانیه می‌تواند عملکرد حذف نویز را کاملاً نابود کند.»[1]

پیامدهای این تاخیر مطلق است. اگر DSP برای تولید موج ضد-نویزِ یک صدای ۱۰۰۰ هرتزی ۱ میلی‌ثانیه زمان ببرد، سیگنال معکوس دقیقاً یک چرخه کامل دیرتر می‌رسد. این سیگنال به جای خنثی کردن قله موج نویز، کاملاً با قله بعدی هم‌راستا می‌شود و تداخلی سازنده ایجاد می‌کند که حجم صدا را دو برابر (+6 dB) می‌کند.

مهندسان آکوستیک در دانشگاه کالیفرنیای جنوبی (USC) اشاره می‌کنند که برای جلوگیری از این تقویت صدا، سیستم‌ها مجبورند الگوریتم‌های حذف فعال را به شدت محدود کنند؛ به طوری که با نزدیک شدن فرکانس‌ها به مرز ۱۰۰۰ هرتز، اثربخشی ANC عمداً به صفر کاهش می‌یابد.[1]

از آنجا که تراشه‌های سیلیکونی نمی‌توانند از سرعت صوت پیشی بگیرند، تولیدکنندگان برای مهار فرکانس‌های بالا کاملاً به مواد فیزیکی متوسل می‌شوند. به همین دلیل است که ایربادهای رده‌بالای ANC به یک درزگیر سیلیکونی محکم در مجرای گوش نیاز دارند و هدفون‌های روگوشی از فوم‌های حافظه‌دار متراکم استفاده می‌کنند. این موانع آکوستیک غیرفعال (پسیو) در مسدود کردن امواج صوتی کوتاه و با فرکانس بالا بسیار موثرند و دقیقاً از همان جایی که پردازش دیجیتال مجبور به تسلیم می‌شود، کار را به دست می‌گیرند.[3]

جابجا کردن مرزهای ANC به فرکانس‌های بالاتر، نیازمند کنار گذاشتن کامل پردازش دیجیتال است. برخی معماری‌های آزمایشی اکنون از حلقه‌های بازخورد آنالوگ استفاده می‌کنند و با دور زدن مراحل تبدیل ADC و DAC، به تاخیر نزدیک به صفر می‌رسند.

با این حال، فیلترهای آنالوگ فاقد انعطاف‌پذیری الگوریتم‌های دیجیتال هستند و در مدیریت محیط‌های غیرقابل پیش‌بینی و پویا کارایی کمتری دارند. تا زمانی که پردازنده‌ها نتوانند در محدوده میکروثانیه‌های تک‌رقمی عمل کنند، سکوتی که ایربادهای مصرفی وعده می‌دهند یک توهم ترکیبی باقی خواهد ماند: ریاضیات دیجیتال برای غرش‌ها، و لاستیک فیزیکی برای پچ‌پچ‌ها.[1][2][4]