Bạn mang tai nghe chống ồn lên sân bay — tiếng động cơ máy bay biến mất gần hết, mà tiếng nữ tiếp viên còn rõ như không có tai nghe. Tại sao máy chống ồn có thể triệt tiếng thấp mà lại chịu thua tiếng cao? Câu trả lời không phải trong các chip tối tân mà trong một thất bại đơn giản: sóng bù tới chậm một chút ích thị.
Tấm sóng đối lập vẫn là sóng: triệt bằng cách… chồng lên
Tai nghe chống ồn (ANC) không tách các tần số hay che chắn vật lý — nó gửi sóng âm ngược pha vào tai bạn, đúng lúc sóng ồn tới. Hai sóng cùng tần số nhưng cách biên 180° gặp nhau → các đỉnh của sóng bù trùng lên các hẻm của sóng ồn → tổng bằng không. Dạo này bạn nghe cái gì? Không khí yên tĩnh.
Công thức của sự triệt chính xác là mức còn lại (dB) = 20·log10(|1 − a·e^(i·2πfΔt)|), với a là tỉ số biên độ của hai sóng, f là tần số, Δt là sai lệch thời gian từ khi ghi âm tới lúc phát ngược lại. Khi a = 1 (hai sóng bằng sức), công thức này rút thành 20·log10(2·sin(πfΔt)) — chỉ một hàm sin, đặc biệt giản dị.
Sai lệch bước sóng, sai lệch gấp rưỡi
Để triệt được 10 dB (giảm đi gấp 3,16 lần), sóng bù phải tới đúng trong cửa sổ tương đối quanh pha ngược lại. Cứ tính ngược từ công thức: sin phải bằng 0,1581, điều này xảy ra khi Δt/T = 5,05% — sai lệch chỉ được một chốc bọt so với độ dài bước sóng.
Ở 1 kHz, một bước sóng là 34,3 cm, nên 5,05% ấy tương đương 1,7 cm, hay trong thời gian: 50 µs (50 phần triệu giây). Sai khỏi cửa sổ ấy, triệt yếu đi. Ở 100 Hz, bước sóng dài gấp 10 — 3,43 m — nên cửa sổ cũng dài gấp 10: 17 cm hoặc 505 µs. Máy bay phát tiếng 100 Hz, tiếp viên nói khoảng 3 kHz: bước sóng khác nhau gấp 30 lần, cửa sổ cũng khác gấp 30.
Các mạch ANC ghi âm ồn rồi chế tạo sóng bù phát qua loa trong tai nghe — tất cả phải xong trong 50 µs ở 1 kHz. Chip nhỏ hay mạch dài = trễ hơn = triệt yếu, đặc biệt dải cao nơi cửa sổ nhỏ. Vì thế mỗi tai nghe phải tùy chỉnh bằng phần mềm, vẫn không bao giờ hoàn hảo.
Tại sao máy bay mà tiếng người không
Tiếng động cơ máy bay chủ yếu ở dải 100–500 Hz — bước sóng 3,4–0,68 m — những tần số nơi một sai lệch 17–3 cm hoặc hàng trăm µs không làm cho kế hoạch sập. Lại thêm, ở dải thấp, để triệt 10 dB không cần biên độ bù hoàn hảo — a = 0,8 hay 0,9 cũng đủ khá. Mà tiếng người — vùng phát tán từ 85–255 Hz nhưng lân cận nhất ở 1–3 kHz — có tần số cao hơn gấp rồi lại cần cửa sổ nhỏ để triệt. Máy chống ồn nơi này bắt đầu bực: sai một tí, thay vì triệt, sóng bù cộng thêm, làm ồn thêm hay ít nhất là bỏ cuộc.
Đây là lý do tất cả tai nghe ANC đều lọc cứng ở dải cao — không cố triệt bằng phương pháp này, thay vào đó dùng vật liệu mềm như bọt mút để cơ học hấp thụ tiếng cao. ANC hiệu quả chỉ từ 20 Hz tới khoảng 1–2 kHz, chỉnh không hoàn hảo; tiếng người nói đòi sự yên tĩnh bắt đầu từ ngắt ANC này.
Trường hợp biên: bỏ qua sai lệch, máy bắt đầu khuếch đại
Đẩy Δt lên tới một nửa chu kỳ (T/2), sóng bù đến cùng pha với ồn. Khi ấy, |1 − e^(iπ)| = 2, mức nhảy lên +6,0 dB — máy chống ồn biến thành máy khuếch đại. Một chiếc tai nghe với trễ quá lâu hoặc lọc yếu dải cao sẽ hành động đúng vậy, làm tai bạn chịu đựng ồn gấp đôi thay vì giảm.
Đó là lý do tất cả ANC phải có ranh giới thả, thường khoảng 1–2 kHz — ở tần số cao hơn, chip đừng cố gắng triệt nữa, chỉ dùng cách âm thụ động bằng mút. Nếu máy vẫn cố chạy song song ở dải cao, không những thất bại mà còn tạo lợi thế cho ồn. Vậy nên quang cáo tai nghe ANC luôn nói “tốt nhất dưới 1 kHz” — không phải chê, đó chỉ là vật lý viết sơ đồ của nó.