هدفون ‌های نویز کنسلینگ چگونه کار می‌کنند؟

موسیقی همیشه به سلیقه‌ی افراد ارتباط پیدا می‌کند و صدایی که برای یکی خوشایند باشد، شاید برای دیگری اصلا جذاب به‌نظر نرسد. ازطرفی نویز محیطی برای همه‌‌ی افراد با همه‌ی سلیقه‌ها آزاردهنده است. خوشبختانه فناوری‌های پیشرفته‌ای برای بهبود کیفیت صدا و موسیقی در هدفون‌ها توسعه یافته‌اند. این فناوری‌ها بدون تأثیر زیاد روی کیفیت موسیقی، نویز موجود در محیط را تا حد زیادی حذف می‌کنند. هدفون‌ های نویز کنسلینگ، امروزه به ابزارهای مرسومی در دنیای فناوری تبدیل شده‌اند که بسیاری از کاربران و علاقه‌مندان به موسیقی را به خود جلب می‌کنند.

اولین تجربه‌ها و تلاش‌ها برای توسعه‌ی هدفون نویز کنسلینگ در سال ۱۹۷۸ رخ داد. امار بوز، بنیان‌گذار شرکت بوز کورپوریشن تجربه‌ای نه‌چندان خوشایند از هدفون‌های موجود در هواپیما داشت. او متوجه شد که هدفون‌ها توانایی لازم در حذف صدای موتور هواپیما را ندارند و نمی‌توان در پرواز، لذت زیادی از موسیقی برد. او در همان زمان، محاسبه و بررسی قابلیت حذف نویز در هدفون را شروع کرد و یک دهه بعد، اولین هدفون نویز کنسلینگ متولد شد.

برای درک ساختار هدفون‌ها و فناوری حذف نویز، ابتدا باید درکی کلی از مفهوم امواج صوتی داشته باشیم. همیشه برای درک ماهیت موج، موج‌های دریا مثال‌های خوبی به‌نظر می‌رسند. موجی که در آبی کم‌عمق ایجاد می‌شود، مثال خوبی از موج عرضی (Transverse Wave) است. این موج در محیط حرکت خود اثری عمود بر مسیر حرکت ایجاد می‌کند. هر موج، دارای نقاط اوج و فرود می‌شود که فاصله بین آن‌ها یا هر دو نقطه‌ی مشابه دیگر در مسیر موج، به‌نام طول موج شناخته می‌شود. دامنه‌ی موج هم به فاصله‌ی قله‌ی موج تا خط وسط گفته می‌شود. فرکانس، تعداد نقاط اوج یا فرودی است که در یک ثانیه از یک نقطه‌ی مشخص عبور می‌کنند.

موج طولی هم مشخصه‌های طول موج و اوج و فرود را شبیه به موج عرضی دارد. فاصله بین دو منطقه‌ی فشرده‌شده به‌نام طول موج شناخته می‌شود و دامنه نیز همان طول بخشی از محیط است که فشرده یا کشیده شده باشد. فرکانس هم به تعداد فشردگی یا کشیدگی گفته می‌شود که در یک ثانیه از یک نقطه‌ی مشخص عبور می‌کند.

در امواج صوتی، دامنه‌ی موج، شدت یا بلندی صدا را مشخص می‌کند. فرکانس، زیروبمی صدا (Pitch) را تعیین می‌کند. فرکانس بالا موجب تولید صداهای زیر و فرکانس پایین‌تر موجب تولید صداهای بم می‌شود. مغز توانایی تفسیر مشخصه‌های گوناگون صوت را دارد. البته امواج ابتدا باید به‌کمک یک حسگر صوتی (همان گوش) به مغز ارسال شوند.

برای شنیدن صدایی که از دیسک یا پخش‌کننده‌ی MP3 پخش می‌شود، ابتدا باید داده‌ی ذخیره‌شده را به امواج صوتی تبدیل کنیم. بای این کار باید داده‌ها به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل شوند که سپس با عبور از یک مبدل (Transducer)، از موج عرضی الکتریکی به موج طولی صوتی تبدیل خواهند شد. درنهایت، گوش توانایی تشخیص موج طولی را پیدا می‌کند. در سیستم‌‌های صوتی، بلندگوها وظیفه‌ی مبدل را ایفا می‌کنند. انجام وظیفه‌ی آن‌ها نیز ارتباط خاصی با فاصله‌ی قرارگیری تا گوش کاربر ندارد.

هدفون‌ها با این هدف توسعه پیدا کردند که کاربران، صدا را از یک مبدل و در فاصله‌ی نزدیک‌تر بشنوند. درواقع هدفون یک بلندگو است که در نزد‌یک‌ترین فاصله به گوش فرد قرار می‌گیرد. دسته‌بندی هدفون‌ها نیز بسته به فناوری مبدل و نوع ساخت آن‌ها انجام می‌شود. ابتدا نگاهی به هدفون‌های الکترواستاتیک داریم.

هدفون‌های الکترواستاتیک از اصولی استفاده می‌کنند که اکثر مردم به‌نام الکتریسیته‌ی ساکن می‌شناسند. اصول الکتریسیته ساکن می‌گوید اجسام در زمان باردارشدن یا الکترون جذب کرده یا دفع می‌کنند. جسمی که الکترون جذب کند بار منفی و جسمی که جذب کند، بار مثبت دارد. اجسام با بار متفاوت به هم جذب می‌شوند و اجسام با بار یکسان، یکدیگر را دفع می‌کنند. نیروهایی که موجب جاذبه و دافعه می‌شوند نیز به‌نام نیروهای الکترواستاتیکی شناخته می‌شوند.

برای ایجاد نیروهای الکترواستاتیکی در یک هدفون، از یک دیافراگم نازک استفاده می‌شود. دیافراگم نازک یک ورقه‌ی انعطاف‌پذیر نازک است که از جنس پلاستیک یا کاغذ یا فلز انتخاب می‌شود. ورقه‌ی مذکور، بین دو شبکه‌‌ی توری فلزی یا الکترود، معلق می‌ماند. وقتی یک سیگنال صوتی به دیافراگم اعمال می‌شود، جاذبه‌های متنوعی در مسیر الکترود ایجاد می‌کند. جاذبه‌ها و دافعه‌ها، دیافراگم را از یک شبکه دفع کرده و به سمت دیگری متمایل می‌کنند. درنهایت لرزش‌هایی در دیافراگم ایجاد می‌شود که موج صوتی لازم برای شنیدن در گوش را به‌همراه دارد.

هدفون‌های الکتروداینامیک یا داینامیک سه بخش عملکردی دارند. یک سیم‌پیچ صوتی، یک آهنربای دائمی و یک دیافراگم شبیه به مخروط، قطعات اصلی این دسته از هدفون‌ها هستند. انتهای باریک مخروط به سیم‌پیچ صوتی متصل می‌شود و وظیفه‌ی ایجاد امواج صوتی را برعهده دارد. مخروط، با لرزش‌های سریع در واکنش به لرزش سیم‌پیچ صوتی، امواج را ایجاد می‌کند. عملکرد بخش‌های مذکور، شباهت زیادی به عملکرد سه استخوان اصلی موجود در گوش دارد که بر اثر لرزش پرده‌ی گوش، صدا را دریافت می‌کنند.

لرزش سیم‌پیچ صوتی در هدفون‌های داینامیک براساس دو مشخصه‌ی اصلی علم مغناطیس رخ می‌دهد.

• قطب‌های هم‌نام مغناطیسی یکدیگر را دفع می‌کنند، درحالی‌که قطب‌های ناهمنام به یکدیگر جذب می‌شوند.
• جریان الکتریکی که از سیم‌پیج عبور می‌کند، یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند. جهت جریان ایجادشده، قطبیت میدان مغناطیسی را تعیین می‌کند.

وقتی از یک سیم‌پیچ صوتی در داخل یک میدان معناطیسی تغییر ناپذیر یک آهنربای دائمی استفاده می‌کنیم، دو مشخصه‌ی بالا وارد عمل می‌شوند. تغییر سیگنال الکتریکی که به سیم‌پیچ وارد می‌شود، باعث جابه‌جایی قطب‌های شمال و جنوب می‌شود که با سرعت بسیار زیادی هم رخ می‌دهد. با جابه‌جاشدن قطب‌های میدان مغناطیسی سیم‌پیچ، جاذبه و دافعه‌ی متناوب در آن‌ها رخ می‌دهد. ازآنجاکه آهنربا ثابت و سیم‌پیچ متحرک است، سیم‌پیچ می‌لرزد و لرزش را به دیافراگم منتقل می‌کند.

امروزه هدفون‌های داینامیک بیش از انواع دیگر در بازار دیده می‌شوند. درواقع اغلب هدفون‌های مدرن که امکانات حرفه‌ای ارائه می‌کنند و حتی هدفون‌های میان‌رده در دسته‌بندی داینامیک قرار می‌گیرد. در ادامه برخی از این انواع هدفون را معرفی و بررسی می‌کنیم.

در این هدفون‌ها همان‌طور که از نامشان بر می‌آید (به‌نام‌های on-air و open-back و open-air هم شناخته می‌شوند) گوشی‌های هدفون (Cups) بدون پوشش اضافه روی گوشی قرار می‌گیرند و به‌راحتی می‌توان بدنه‌ی آن‌ها را چرخاند تا در موقعیت بهتری قرار بگیرند. ازآنجاکه هدفون‌های روگوشی تنها روی گوش را می‌پوشانند، صدای محیط به‌راحتی از کناره‌ی گوشی‌ها وارد می‌شود و امکان حذف نویز عالی ندارند.

این هدفون‌ها گوش کاربر را به‌صورت کامل می‌پوشانند و فضایی ایزوله را ایجاد می‌کنند. به‌خاطر طراحی ایزوله‌ای که در گوشی هدفون‌ها پیاده شده است، صدای محیط به‌راحتی وارد نمی‌شود و همچنین صدای موسیقی هم به بیرون درز نمی‌کند. چنین طراحی قطعاً کیفیت صدای بیشتر بدون مزاحمت صدای بیرونی را به‌همراه دارد، اما اغلب به‌خاطر وزن بیشتر، اغلب تجربه‌ی کاربری آسانی ندارند.

هدفون‌های توگوشی خود دو دسته‌بندی دارند و قرارگیری آن‌ها در گوش می‌تواند با ایزوله شدن کامل یا با کمی فضای اضافه‌ی هوا باشد. مدل دوم به‌نام ایرباد هم شناخته می‌شود. البته اغلب هدفون‌های توگوشی امروزی به‌طور کامل در داخل کانال گوش قرار می‌گیرند و به‌نوعی ورود صدای بیرون را هم غیرممکن می‌کنند.

همیشه بخشی از صدای محیط، مزاحم تجربه‌ی موسیقی یا هر تجربه‌ی صوتی دیگر کاربر می‌شود. برخی اوقات، صدای محیط حتی مانع از شنیدن بخشی از صدا و موسیقی اصلی می‌شود. در محیط‌های شلوغ، استفاده از بهترین انواع هدفون عادی هم شاید با تجربه‌ی ناخوشایند شنیدن صدای اطراف همراه شود. هدفون‌های نویز کنسلینگ برای رفع همین مشکل طراحی شدند تا تجربه‌ی عالی را به کاربران ارائه کنند.

هدفون‌های نویز کنسلینگ در دو نوع اکتیو و پسیو ساخته می‌شوند. ازلحاظ فنی، هر هدفونی امکان حذف نویز پسیو (غیرفعال) را تا حدی دارد، چون خود ماده‌ی هدفون، امکان مسدود کردن بخشی از امواج صوتی را ارائه می‌کند. خصوصا صداهایی که در فرکانس بالاتر هستند، راحت‌تر از سایر صداها در حذف نویز غیرفعال، مسدود می‌شوند. بهترین انواع هدفون با قابلیت حذف نویز غیرفعال، از نوع پشت‌بسته هستند که با بهترین مواد مانع صدا ساخته می‌شوند. این هدفون‌ها اغلب لایه‌هایی از فوم با چگالی بالا یا مواد جاذب صدای دیگر دارند که موجب بیشتر شدن وزن‌شان نیز می‌شود. درکنار افزایش وزن، قابلیت کاهش صدای محیط به میزان ۱۵ تا ۲ دسی‌بل به کاربر ارائه می‌شود. البته چنین کاهش صدایی در محیط‌هایی همچون هواپیما که موتور، ۷۵ تا ۸۰ دسی‌بل صدا تولید می‌کند، کارایی زیادی ندارد و باید به‌دنبال هدفون‌های بهتری باشید.

در تصویر زیر، نحوه‌ی ایجاد موج با اختلاف فاز ۱۸۰ درجه را می‌بینید. دو موج در تصویر وجود دارد که یکی مربوط به موج ایجاد‌شده در هدفون است و دیگری، موج صدای محیط را نشان می‌دهد. هردوی آن‌ها، دامنه و فرکانس برابر دارند، اما اوج و فرود موج‌ها یا همان فشردگی و کشش محیط به‌گونه‌ای قرار می‌گیرد که اوج یکی، روی فرود دیگری باشد. درنتیجه، موج‌ها عملکرد یکدیگر را خنثی می‌کنند. رویکردی که به‌نام تداخل مخرب (Destructive Interference) شناخته می‌شود. درنهایت، صدای محیط از بین می‌رود و کاربر، تنها صدای اصلی موسیقی را می‌شنود.

برای ایجاد موج مخالف در هدفون نویز کنسلینگ که موج ورودی صدای محیط را خنثی می‌کند، به ابزارها و قطعات متعددی نیاز داریم. در ادامه، بخش‌های گوناگون یک هدفون با قابلیت حدف نویز را شرح می‌دهیم:

میکروفن: میکروفنی که در گوشی هدفون قرار دارد، صداهای ورودی از محیط را دریافت می‌کند که از لایه‌های حذف نویز غیرفعال عبور کرده‌ا‌ند.

مدار نویز کنسلینگ: قطعات الکترونیکی که در داخل گوشی هدفون قرار دارند، ورودی میکروفن را حس کرده و یک مشخصه از نویز ایجاد می‌کنند. این مشخصه به فرکانس و دامنه‌ی موج ورودی بستگی دارد. سپس موج جدیدی براساس همان مشخصه‌ها ایجاد شده و در فاز مخالف ۱۸۰ درجه‌ی پخش می‌شود.

باتری: وقتی یک هدفون به‌صورت فعال یا اکتیو عملیات حذف نویز را انجام می‌دهد، به انرژی نیاز دارد تا فعالیت حذف نویز به‌خوبی انجام شود. درنتیجه هدفون‌های نویز کنسلینگ باتری‌های قدرتمندتری هم دارند.

هدفون‌های نویز کنسلینگ با بهره‌برداری از قابلیت‌ها و قطعاً اضافه، ۲۰ دسی‌بل دیگر از صدای محیط را حذف می‌کنند. درنتیجه حدود ۷۰ درصد از صدای مزاحم محیط حذف می‌شود. کاربران با استفاده از این نوع هدفون می‌توانند در محیط‌های پر سرو صدا مانند قطار یا هواپیما هم تجربه‌ای عالی داشته باشند.

هدفون‌های نویز کنسلینگ اغلب توانایی خوبی در شناسایی صدای اصلی و تمایز آن از صدای محیط دارند. البته برخی از کاربران اعتقاد دارند با فعال کردن قابلیت حذف نویز، کمی از کیفیت صدا کاسته می‌شود. همچنین با حذف نویز، احتمالاً کمی تغییر در فشار هوا را هم احساس خواهید کرد. البته هدفون‌های حرفه‌ای دارای ورودی‌های هستند که صدای حبس شده در گوشی‌ها را به بیرون منتقل می‌کند، اما بازهم کمی تغییر فشار احساس می‌شود.

با وجود برخی نقاط ضعف در هدفون‌های نویز کنسلینگ، بسیاری از کاربران پس از یک بار تجربه با آن‌ها، دیگر صدای عادی و هدفون‌های معمولی را نمی‌پسندند. دلیل اصلی آن است که هدفون‌های نویز کنسلینگ کاری بیشتر از حذف صدای محیط انجام می‌دهند. استفاده‌ی طولانی‌مدت از آن‌ها، برخلاف هدفون‌های معمولی با خستگی همراه نمی‌شود، چون خبری از صداهای با فرکانس بالا در گوش کاربر نیست. به‌علاوه، برخی کاربران از این هدفون‌ها بدون پخش موسیقی تنها برای حذف صدای محیط استفاده می‌کنند تا کمی آرامش را تجربه کنند.