ระบบการขจัดเสียงรบกวน (Noise-cancelling) ในหูฟังมีหลักการอย่างไร

          ในหูฟังตามท้องตลาดนั้นถ้าเราซื้อรุ่นที่มีราคาสูงๆบางรุ่นจะมีระบบการขจัดเสียงรบกวน (Noise-cancelling) ด้วย ซึ่งแบ่งออก เป็น 2 ชนิดคือ passive noise-cancelling ระบบนี้จะป้องกันเสียงรบกวนภายนอกโดยการออกแบบหูฟังให้เสียงจากภายนอกเข้ามารบกวนน้อยที่สุด เช่นการออกแบบให้หูฟังมีขนาดพอดีกับหูของเราพอดีเพื่อป้องกันเสียงจากภายนอก หรือวัสดุที่ยืดหยุ่นเข้ากันกันรูปร่างอวัยวะของผู้สวมใส่ ส่วนอีกชนิดที่เราสนใจคือ active noise-cancelling ระบบนี้เองช่วยขจัดเสียงรบกวนได้อย่างดีเยี่ยม เพราะใช้หลักการทางฟิสิกส์คือการแทรกสอดของคลื่นมาประยุกต์ใช้ประโยชน์ ระบบการขจัดเสียงรบกวนไม่สามารถขจัดเสียงได้ทั้งหมด แต่จะทำงานได้ดีในสภาพที่เสียงรบกวนภายนอกมีลักษณะคงที่เช่นภายในร้านกาแฟที่มีเสียงคนพูดคุยกัน หรือในการโดยสารเครื่องบินหรือรถไฟ รถไฟฟ้า จะช่วยลดเสียงภายนอกลงได้มากและเราก็สามารถฟังเพลงหรือหนังสือเสียงได้อย่างเพลิดเพลิน


          ในทางฟิสิกส์เสียงคือคลื่นกล (mechanical waves) แบบหนึ่ง คลื่นกลเป็นหนึ่งในชนิดของคลื่นที่เราคุ้นเคยกันมากที่สุดเพราะเราพบเจอได้บ่อยในชีวิตประจำวัน เช่นคลื่นในน้ำ คลื่นเสียง คลื่นแผ่นดินไหว (seismic waves) เป็นต้น ทั้งหมดนี้ล้วนจัดเป็นคลื่นกล คุณสมบัติหลัก 2 ประการของคลื่นชนิดนี้คือมันประพฤติตามหลักกฎของนิวตันและมันจะดำรงอยู่ได้ต้องอาศัยวัสดุตัวกลางเช่น หิน เหล็ก น้ำหรืออากาศเป็นต้น           คลื่นมีคุณสมบัติสมบัติของคลื่นทั้ง 4 ประการ คือ การสะท้อน (reflection), การหักเห (refraction), การแทรกสอด (interference) และการเลี้ยวเบน (diffraction) บุคคลแรกที่จดสิทธิบัตร นำคุณสมบัติการแทรกสอดของคลื่นมาขจัดเสียงรบกวนคือลอว์เรนซ์ โฟเจล (Lawrence J. Fogel มีชีวิตอยู่ระหว่าง ค.ศ. 1928-2007) เขาเป็นทั้งนักวิทยาศาสตร์ วิศวกรผู้มีผลงานทางด้านวิศวกรรมการบินและวิศวกรรมไฟฟ้าจำนวนมาก โฟเจลจดสิทธิบัตรเรื่องระบบการขจัดเสียงรบกวนในปี ค.ศ. 1958 โดยใช้ชื่อสิทธิบัตรว่า “Method of improving intelligence under random noise interference” ปัญหาเนื่องมาจากในห้องคนขับเฮลิคอปเตอร์มีเสียงเครื่องยนต์และใบพัดดังมากทำให้การสื่อสารของนักบินเป็นไปด้วยความยากลำบาก โฟเจลจึงคิดหาวิธีเพื่อแก้ปัญหานี้ ดังนั้นระบบการขจัดเสียงรบกวนถูกใช้ครั้งแรกในห้องคนขับของเฮลิคอปเตอร์และเครื่องบิน หลายปีต่อมาจึงค่อยมาแพร่หลายในหูฟังของคนทั่วไป 
            การแทรกสอดของคลื่นเกิดขึ้นเมื่อคลื่นมากกว่า 2 คลื่น เคลื่อนที่มาพบกันในตัวกลางเดียวกัน ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของคลื่นโดยอาจจะเสริมกันหรือหักล้างกัน ถ้าคลื่น 2 ระลอกคลื่นมีเฟสเดียวกัน เฟสฝั่งยอดคลื่นรวมกัน เฟสฝั่งท้องคลื่นมารวมกัน ทำให้เกิดการแทรกสอดแบบเสริม (constructive interference) ถ้าคลื่น 2 ระลอกคลื่นมีเฟสตรงกันข้ามกัน เฟสฝั่งยอดคลื่นของคลื่นระลอกหนึ่งรวมกับเฟสฝั่งท้องคลื่นของคลื่นอีกระลอกหนึ่งมารวมกันทำให้หักล้างกัน ผลรวมจะเป็นศูนย์ทำให้ไม่มีคลื่นปรากฏ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการแทรกสอดแบบหักล้าง (destructive interference)           หูฟังระบบการขจัดเสียงรบกวนจะมีไมโครโฟนซ่อนอยู่ภายใน คอยรับเสียงรบกวนจากสิ่งแวดล้อม เสียงนี้จะถูกส่งไปยังวงจรการขจัดเสียงรบกวน (noise-canceling circuitry) เป็นวงจรไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ที่จะสร้างคลื่นเสียงอีกคลื่นหนึ่งที่มีเฟสตรงกันข้ามกับเสียงรบกวน คลื่นเสียงที่สร้างใหม่นี้จะไปแทรกสอดกับคลื่นเสียงรบกวนและเกิดการแทรกสอดแบบหักล้างทำให้เสียงรบกวนภายนอกหายไปโดยลำโพงขนาดเล็กของหูฟัง ฉะนั้นเราก็จะได้ยินแต่เสียงเพลงที่ไพเราะ โดยปราศจากเสียงรบกวนจากภายนอก นับเป็นเทคโนโลยีมหัศจรรย์สำหรับคนที่ชอบเรื่องเสียงดนตรี เครื่องเสียง

 

อ้างอิง

• Fogel, L. J. (1958). U.S. Patent No. 2,866,848. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.
• Resnick, R., Walker, J. and Halliday, D. (2014). Fundamentals of physics. Hoboken, N.J.: Wiley.
• http://www.centerpointaudio.com/HowNoiseCancelingWorks.aspx
• https://www.howitworksdaily.com/how-do-noise-cancelling-headphones-work/