سیستم‌های حذف نویز فیدفوروارد، فیدبک و هیبریدی: محل قرارگیری میکروفون چگونه بر کیفیت صدا و حذف نویز تاثیر می‌گذارد

لحظه تعیین‌کننده برای هر هدفون دارای قابلیت حذف نویز فعال (ANC) قبل از نوشتن حتی یک خط کد پردازش سیگنال دیجیتال رخ می‌دهد: این لحظه همان محل قرارگیری فیزیکی میکروفون است. این‌که سازنده میکروفون را بیرون کاپ هدفون، داخل محفظه بلندگو یا در هر دو مکان قرار دهد، دقیقاً تعیین می‌کند که هدست کدام فرکانس‌ها را می‌تواند مسدود کند و قیمت آن چقدر خواهد بود. این انتخاب معماری، تفاوت بین هدفونی است که صدای موتور جت را کاملاً ساکت می‌کند و هدفونی که فقط آن را خفه می‌کند.[1][7]

حذف نویز فعال بر اساس اصلی به نام تداخل مخرب کار می‌کند. یک میکروفون به نویز محیط گوش می‌دهد و یک پردازنده موج صوتی با فاز دقیقاً مخالف تولید می‌کند. وقتی این دو موج با هم برخورد می‌کنند، یکدیگر را خنثی می‌کنند. اما پردازنده فقط می‌تواند صدایی را معکوس کند که میکروفون واقعاً می‌شنود.[1][6]

این موضوع ما را به اولین و رایج‌ترین معماری می‌رساند: حذف نویز فیدفوروارد. در یک سیستم فیدفوروارد، میکروفون در قسمت بیرونی کاپ هدفون قرار می‌گیرد. این میکروفون نویز را قبل از گوش شما می‌شنود و به پردازنده سیگنال دیجیتال (DSP) کسری از میلی‌ثانیه فرصت می‌دهد تا صدا را تحلیل کند، فاز را معکوس کرده و آن را از طریق بلندگو پخش کند.[1][3]

از آنجا که میکروفون فیدفوروارد در بیرون قرار دارد، در ایزوله کردن نویزهای قابل پیش‌بینی و فرکانس بالا عالی عمل می‌کند. بر اساس داده‌های مهندسی آکوستیک از شرکت Ole Wolff Electronics، سیستم‌های فیدفوروارد در مدیریت فرکانس‌های تا ۱ الی ۲ کیلوهرتز بسیار موثر هستند. این ویژگی آن‌ها را برای مسدود کردن صدای مداوم کولر گازی یا زوزه پنکه ایده‌آل می‌کند.[4]

با این حال، سیستم‌های فیدفوروارد یک نقطه کور حیاتی دارند. چون میکروفون در بیرون قرار دارد، نمی‌تواند آنچه را که واقعاً داخل کاپ گوش اتفاق می‌افتد بشنود. اگر سیگنال ضد نویز کمی خطا داشته باشد، یا اگر هدفون روی سر شما جابه‌جا شود و عایق‌بندی آکوستیک تغییر کند، سیستم فیدفوروارد هیچ راهی برای اصلاح خود ندارد. این سیستم فقط به پمپاژ موج معکوس ادامه می‌دهد که گاهی اوقات می‌تواند به جای حذف نویز، آن را تقویت کند.[1][6]

علاوه بر این، میکروفون‌های فیدفوروارد به شدت در برابر صدای باد آسیب‌پذیر هستند. وزش بادی که به میکروفون خارجی برخورد می‌کند، یک صدای بم بلند و فرکانس پایین ایجاد می‌کند که پردازنده سعی در حذف آن دارد و در نتیجه یک انفجار آزاردهنده از ضد نویز را مستقیماً به گوش کاربر می‌فرستد.[1]

برای حل مشکل اصلاح خودکار، مهندسان حذف نویز فیدبک را توسعه دادند. در این معماری، میکروفون داخل کاپ گوش قرار می‌گیرد و تا حد امکان به درایور بلندگو و مجرای گوش کاربر نزدیک می‌شود.[3][6]

میکروفون فیدبک دقیقاً همان چیزی را می‌شنود که کاربر می‌شنود؛ یعنی ترکیبی از موسیقی در حال پخش و نویز محیطی که از پدهای گوش نفوذ کرده است. این امر به سیستم اجازه می‌دهد تا عملکرد خود را به طور مداوم نظارت کند. اگر حذف نویز کاملاً هماهنگ نباشد، حلقه فیدبک خطا را تشخیص داده و سیگنال ضد نویز را در لحظه تنظیم می‌کند.[3][4]

این قرارگیری داخلی باعث می‌شود سیستم فیدبک در حذف نویزهای بم فرکانس پایین، معمولاً در محدوده ۲۰ هرتز تا ۵۰۰ هرتز، فوق‌العاده خوب عمل کند. وقتی در قطار یا هواپیما نشسته‌اید، صدای عمیق و لرزان موتور توسط یک سیستم فیدبک به بهترین شکل مدیریت می‌شود. شرکت David Clark که هدست‌های هوانوردی طراحی می‌کند، برای محافظت از خلبانان در برابر غرش بی‌وقفه و فرکانس پایین موتورهای هواپیما، به شدت به این نظارت داخلی متکی است.[4][5]

اما سیستم فیدبک بی‌نقص نیست. چون میکروفون داخل کاپ قرار دارد، در کنار نویز بیرون، به موسیقی در حال پخش شما نیز گوش می‌دهد. پردازنده باید موسیقی را با دقت فیلتر کند تا به طور تصادفی نت‌های بیس آهنگ مورد علاقه شما را حذف نکند. اگر این فیلتر کردن دقیق نباشد، سیستم فیدبک می‌تواند کیفیت صدا را به شدت کاهش دهد و گرما و عمق موسیقی را از بین ببرد.[1][3]

علاوه بر این، سیستم‌های فیدبک مستعد پدیده‌ای به نام زوزه هستند. اگر هدفون عایق‌بندی خود را از دست بدهد (مثلاً به این دلیل که کاربر عینک ضخیم زده یا سر خود را به شدت می‌چرخاند)، میکروفون داخلی می‌تواند خروجی بلندگو را دریافت کرده و یک حلقه فیدبک با صدای زیر ایجاد کند، درست شبیه به زمانی که یک میکروفون روی صحنه بیش از حد به بلندگوی سیستم صوتی نزدیک می‌شود.[1]

راه‌حل نهایی که امروزه در تقریباً تمام هدفون‌های رده‌بالا یافت می‌شود، حذف نویز هیبریدی است. همان‌طور که از نام آن پیداست، سیستم‌های هیبریدی از هر دو میکروفون فیدفوروارد و فیدبک استفاده می‌کنند.[3][5]

با قرار دادن میکروفون‌ها در هر دو قسمت بیرونی و داخلی کاپ گوش، سیستم هیبریدی نقاط قوت هر دو معماری را ترکیب می‌کند. میکروفون فیدفوروارد خارجی نویزهای فرکانس بالا را زودتر دریافت می‌کند، در حالی که میکروفون فیدبک داخلی نویزهای بم فرکانس پایین را پاکسازی کرده و هرگونه خطایی در سیگنال ضد نویز را اصلاح می‌کند.[1][5][6]

یک مطالعه در سال ۲۰۲۲ که در مجله آکوستیک DAGA در مورد هدفون‌های فیدفوروارد چندکاناله منتشر شد، تاکید کرد که بهینه‌سازی موقعیت میکروفون در چندین گره، پهنای باند موثر حذف نویز را به میزان قابل توجهی گسترش می‌دهد. سیستم‌های هیبریدی می‌توانند نویز را در طیف بسیار وسیع‌تری، از ۲۰ هرتز تا ۳ کیلوهرتز، به طور قابل اعتمادی کاهش دهند و اثر مخروط سکوت را که خریداران محصولات رده‌بالا انتظار دارند، فراهم کنند.[2][7]

هزینه و پیچیدگی، بهای این حذف نویز جامع است. سیستم‌های هیبریدی به دو یا چند میکروفون در هر کاپ گوش، پردازنده‌های سیگنال دیجیتال پیشرفته‌تر برای مدیریت جریان‌های صوتی دوگانه و قدرت باتری بسیار بیشتری نیاز دارند. به همین دلیل است که این سیستم معمولاً مختص مدل‌های پرچمدار با قیمت بالای ۲۵۰ دلار است.[3][7]

برای مصرف‌کنندگان، نکته کاربردی این است که معماری را با محیط تطبیق دهند. اگر برای یک دفتر کار نسبتاً ساکت به هدفون‌های مقرون‌به‌صرفه نیاز دارید تا صدای سیستم تهویه مطبوع را مسدود کنید، یک جفت هدفون ساده فیدفوروارد کافی خواهد بود. اگر زیاد پرواز می‌کنید و با صدای بم و عمیق موتور سروکار دارید، اطمینان از اینکه هدست شما حداقل دارای مکانیزم فیدبک (یا در حالت ایده‌آل یک سیستم هیبریدی) باشد، غیرقابل مذاکره است.[6][7]

درک محل قرارگیری میکروفون، شما را از سردرگمی در اصطلاحات بازاریابی نجات می‌دهد. یک سازنده می‌تواند به الگوریتم‌های اختصاصی و کاهش نویز مبتنی بر هوش مصنوعی ببالد، اما قوانین فیزیکی آکوستیک مطلق باقی می‌مانند. محل قرارگیری میکروفون تعیین می‌کند که پردازنده چه چیزی را می‌تواند بشنود، و آنچه را که نتواند بشنود، نمی‌تواند حذف کند.[7]