Kako slušalke utišajo hrup iz okolice

Slušalke uporabljamo zato, ker ne želimo motiti okolice ali ker ne želimo, da bi okolica motila nas. Pri slednjem je najenostavnejša in najcenejša rešitev izolacija ušes pred okoliškim hrupom s slušalkami, ki se kar najtesneje prilegajo in z absorpcijskim materialom zatesnijo vsako špranjo okrog ušes. To je pasivna zaščita (passive noise reduction), ki zmore hrupu odsekati kakšnih 15–20 dB. Kadar je to še vedno preglasno, stopijo na prizorišče slušalke z aktivnim odpravljanjem hrupa (active noise redution), ki hrup znižajo za dodatnih 20 dB. To pa je že znosno tudi za uporabo na letalih ali ob prometnih vpadnicah.

Sliši se kot protislovje, a takšne slušalke ustvarjajo dodaten zvok, ki povzroča tišino. Oziroma vsaj precej stiša hrup v prostoru. Zvok je longitudinalno valovanje molekul zraka, ki so tu in tam malce bolj vsaksebi (dolina), tu in tam pa nekoliko natlačene (vrh). Uho kot glasnost zazna amplitudo valovanja (kako visoke so tlačne razlike med vrhovi in dolinami), kot frekvenco pa pogostost dolin in valov v časovni enoti. Pri valovanjih pa nastopajo določeni fizikalni pojavi, izmed katerih je za slušalke koristna interferenca.

Shema delovanja aktivnega odpravljanja zunanjega hrupa

Kadar je v prostoru več valovanj, se preprosto seštejejo. Če imata hkrati na istem mestu obe valovanji dolino, na drugem mestu pa vrh, interferenco imenujemo konstruktivna. Pravimo, da sta valovanji v fazi. Rezultat je ojačenje valovanja. Druga skrajnost sta valovanji, ki sta enaki, le da sta zamaknjeni, da se prekrijejo doline z vrhovi. Če sta torej valovanji zamaknjeni za 180° oziroma v protifazi, se izničita. Pojav imenujemo destruktivna interferenca.

V teoriji je koncept preprost in res ga lahko preizkusi vsak sam. Če v sobo postavimo dva enaka zvočnika in na njiju predvajamo tona tako, da sta v antifazi, točno na sredini (v resnici kjerkoli na simetrali zveznice med njima) ne bomo slišali skoraj ničesar. Popolne tišine ne bo, ker imamo dvoje ušes, a pojav je kljub temu očiten. S slušalkami je isto, le izvedba je bolj zamotana.

Če bi poslušali zgolj antizvok, ga ne bi razločili od hrupa, ki ga želimo odpraviti. Čarovnija nastopi šele, ko součinkujeta, saj se izničita.

Slušalke morajo imeti vgrajen zvočnik, ki meri hrup iz okolice. Ta mora biti postavljen čim bliže ušesu, saj želimo izničiti hrup, ki pride v uho. Potem potrebujemo namensko vezje ali digitalni mikroprocesor, ki signal analizira in pripravi obrnjeno inačico - antizvok. Doline spremeni v vrhove in nasprotno. Če bi poslušali zgolj antizvok, ga ne bi razločili od hrupa, ki ga želimo odpraviti. Čarovnija nastopi šele, ko součinkujeta. Pri tem početju je treba biti zelo natančen, da sta si čim bolj podobna in čim bliže protifazi, drugače je rezultat lahko še hrupnejši od okolice. Mikrofon in zvočnik v slušalkah morata biti umerjena, da generiramo antizvok enake glasnosti kot hrup, drugače bo rezultat glasen.

Pomisliti pa je treba tudi na hitrost. Zvok v 0,1 milisekunde prepotuje 3,4 centimetra, električni signali v bakru (in ne elektroni) pa enako razdaljo v 0,1 ns! Obdelava signala je bistveno hitrejša od trajanja, da zvok preide skozi slušalke in sluhovod do bobniča. Te razlike v hitrosti je treba imeti v mislih pri načrtovanju slušalk. Obdelava signala kljub temu ni hipna, zato mora biti zvočnik bliže ušesu kakor mikrofon. A ker je obdelava hitra, je treba čas prehoda zvoka (hrupa iz okolice) med mikrofonom in zvočnikom vračunati v obdelavo signala kot zakasnitev.

Če sta valovanji natančno v protifazi (zamaknjeni za 180°), se uničita. Že malenkosten odmik (160°) zadostuje, da se seštejeta v moteč zvok. Če pa seštevamo valovanji v fazi ali blizu (20°), se ojačata, frekvenca pa ostane enaka.

Vseh vrst hrupa ne moremo enako dobro izničiti. Najbolje gre s periodičnim, lepo definiranim hrupom nizkih frekvenc. Zato ni presenetljivo, da je takšne slušalke z aktivnim odpravljanjem hrupa leta 1978 Amar Bose izumil, ko je sedel na avionu, kjer ga je spravljal ob živce hrup letalskih motorjev. Take slušalke danes uporablja tudi NASA za svoje pilote, moderni avtomobili pa v kabini s kopico mikrofonov in zvočnikov za boljše počutje potnikov. Slabše, a še vedno bolje kot nič se tehnologija obnese, ko se mora boriti proti spreminjajočemu se hrupu, denimo govoru ali kakšnemu cviljenju vajenca na violini.

Take slušalke seveda niso brez pomanjkljivosti. Antizvok oddajajo skupaj z zvokom, ki ga želimo poslušati. Zato se, zlasti pri cenejših izvedbah, lahko zgodi, da želeni zvok v slušalkah zveni nekoliko slabše, bolj zadušeno. A po drugi strani brez aktivnega odpravljanja hrupa v takih primerih ne bi slišali ničesar.