Aktivní potlačení hluku ve sluchátkách hluk neblokuje, ale přehrává ho obráceně. Vysvětlíme, proč tak zmizí motory letadla, ale hlasy lidí ne, a proč vám z toho občas zalehne v uších.
Sluchátka s aktivním potlačením hluku (zkratka ANC z anglického active noise cancelling) vám do uší pouštějí zvuk i ve chvíli, kdy zrovna nic nehraje. A právě díky tomu slyšíte ticho. Zní to jako protimluv, ale stojí za tím docela jednoduchá fyzika.
V článku se podíváme, jak sluchátka hluk „obrátí“, proč to zvládnou s hukotem motoru, ale ne s hlasy lidí kolem, odkud se ten nápad vzal a proč vám se zapnutým ANC někdy zalehne v uších.
Zvuk proti zvuku
Zvuk je vlnění vzduchu. Vzduch se v rychlém sledu trochu stlačí a zase uvolní a tyhle drobné změny tlaku putují prostorem až k vašemu uchu. Podrobněji jsme to rozebrali v článku Proč slyšíme? – fyzikální akustika. Na papír to nakreslíme jako vlnu: kopec je místo, kde je vzduch víc stlačený, údolí místo, kde je naopak zředěný.
Teď si představte druhou vlnu. Úplně stejnou, jen obrácenou: kde má první kopec, má druhá údolí. Když se obě potkají, kopec vyplní údolí, změny tlaku se sečtou na nulu a výsledkem je rovná čára. Ticho.
Fyzici tomu říkají destruktivní interference a obrácené vlně se u sluchátek říká antihluk. Sluchátka s ANC tedy hluk neblokují jako zeď. Přehrávají ho, jen obráceně.[1][3]
Je to podobné, jako když se na houpačce potkají dva lidé, kteří do ní strkají z opačných stran stejně silně a ve stejnou chvíli. Houpačka se nehne, i když na ni oba působí silou.
Mikrofony venku i uvnitř
Aby sluchátka mohla hluk obrátit, musí ho nejdřív slyšet. Proto mají mikrofony, a to obvykle na dvou místech:
- Mikrofon venku na mušli zachytí hluk dřív, než dorazí k uchu. Tomu se říká dopředná vazba, anglicky feedforward.
- Mikrofon uvnitř, těsně u ucha, poslouchá, co z hluku stejně proniklo dovnitř, a dorovnává chyby. To je zpětná vazba, anglicky feedback.
Lepší sluchátka mají obojí. Tomu se říká hybridní potlačení hluku. Vnější mikrofon dává systému náskok, vnitřní kontroluje výsledek přímo tam, kde na něm záleží: u bubínku.[1][3]
Mezi mikrofony a reproduktorem sedí malý čip, signálový procesor (DSP, digital signal processor). Hluk změří, obrátí a pošle do reproduktoru. Pořád dokola, mnohotisíckrát za sekundu. A celé to musí stihnout dřív, než zvuk doletí těch pár centimetrů k vašemu bubínku.
Kolik času to je? Zvuk ve vzduchu letí rychlostí asi 343 m/s. Vzdálenost 3 cm tedy urazí za necelých 0,09 ms, tedy za zhruba 90 mikrosekund. To je celý časový rozpočet, se kterým elektronika hospodaří.
Proč zmizí motory, ale hlasy ne
Nasaďte si sluchátka s ANC v kavárně. Hučení kávovaru zmizí, ale hlasy lidí kolem ne. Důvodem je délka vlny.
Hluboký hukot motoru nebo kávovaru má vlny dlouhé i několik metrů. Mění se pomalu a procesor ho snadno dohoní. Vysoké zvuky mají vlny krátké: při 1 000 Hz měří jedna vlna jen 34 cm. Stačí zpoždění o zlomek milisekundy a místo do údolí trefíte kopec. Hluk se pak nezmenší, ale zesílí.
Lidský hlas přitom leží právě v oblasti, kde ANC začíná ztrácet dech. Navíc hlasy kolem vás nejsou rovnoměrné jako hukot motoru, mění se každou chvíli. Mozek je pak umí docela dobře vylovit i z hluku, jak popisujeme v článku o efektu koktejlového večírku.
Proč na zpoždění tolik záleží
Délku vlny spočítáte z rychlosti zvuku a frekvence:
Kde \( \lambda \) je délka vlny, \( c \approx 343\ \mathrm{m/s} \) rychlost zvuku ve vzduchu při 20 °C a \( f \) frekvence. Pro hukot o 100 Hz vyjde 3,43 m, pro tón 1 000 Hz jen 0,343 m, tedy 34 cm.
Když antihluk přijde o čas \( \tau \) později, obě vlny se už nevyruší úplně. Z hluku zbude část, kterou popisuje vztah:
Kde \( p \) je amplituda akustického tlaku. Dokud je výraz menší než 1, je výsledek tišší než původní hluk. Jakmile 1 překročí, ANC hluk naopak přidává.
Příklad: zpoždění \( \tau = 50\ \mu\mathrm{s} \) (za tu dobu zvuk urazí jen 17 mm).
- Při 100 Hz vyjde \( 2 \sin(\pi \cdot 100 \cdot 0{,}00005) \approx 0{,}031 \), tedy útlum asi 30 dB.
- Při 1 000 Hz vyjde \( \approx 0{,}31 \), útlum už jen asi 10 dB.
- Kolem 3 300 Hz je výsledek stejně hlasitý jako bez ANC a nad touto hranicí hluk sílí.
Skutečná sluchátka jsou složitější: procesor umí část zpoždění předvídat (právě k tomu slouží vnější mikrofon s náskokem) a filtry se ladí tak, aby na vysokých frekvencích raději nedělaly nic, než aby hluk zesilovaly. Princip ale zůstává: čím kratší vlna, tím přesnější musí být načasování.
Aktivní a pasivní izolace se doplňují
Proto aktivní potlačení funguje hlavně na hluboké zvuky, zhruba do 1 000 Hz. Vysoké zvuky musí zastavit obyčejná překážka: polstrování mušle nebo špunt v uchu. Tomu se říká pasivní izolace a na vysokých frekvencích funguje naopak nejlépe, protože krátké vlny se o překážku snadno „zarazí“.
Dobrá sluchátka tak ztlumí okolní hukot zhruba o 20 až 40 dB. Pro vaše ucho to je, jako kdyby hluk zeslábl na čtvrtinu až šestnáctinu. Nejvíc se to projeví tam, kde hučí rovnoměrně a hluboko: v letadle, ve vlaku nebo v autobuse.
Co znamená 20 až 40 decibelů
Decibely jsou logaritmická stupnice. Každých 10 dB znamená desetkrát menší zvukovou intenzitu (tedy výkon, který dopadá na ucho). Sluch ale nevnímá intenzitu přímo. Podle běžně užívaného pravidla působí zeslabení o 10 dB, jako by byl zvuk zhruba poloviční.
| Útlum | Intenzita zvuku | Jak hlasitě to zhruba vnímáte |
|---|---|---|
| 10 dB | 1/10 | polovina |
| 20 dB | 1/100 | čtvrtina |
| 30 dB | 1/1 000 | osmina |
| 40 dB | 1/10 000 | šestnáctina |
Odtud se v textu bere „čtvrtina až šestnáctina“. Fyzikálně zmizí z hukotu 99 až 99,99 % energie, ucho ale vnímá „jen“ čtyřikrát až šestnáctkrát tišší zvuk.
Nápad z ubrousku
Princip není nový. Patent na něj získal německý fyzik Paul Lueg už ve 30. letech minulého století.[5][4] Tehdejší elektronika na něj ale byla příliš pomalá. Elektronkové zesilovače neměly šanci obrátit zvuk dost rychle a přesně.
Do praxe nápad dotáhl až inženýr Amar Bose. V roce 1978 letěl z Curychu do Bostonu a přes hukot motorů neslyšel hudbu ve sluchátkách. Tak začal počítat, prý na papírový ubrousek.[5]
V roce 1986 nosili jeho prototypy piloti letadla Voyager při letu kolem světa bez mezipřistání. První sluchátka s aktivním potlačením hluku se začala prodávat v roce 1989.[5][4] Dlouho to byla drahá výbava pro piloty a cestovatele, do běžných bezdrátových sluchátek se ANC dostalo až s levnými a úspornými signálovými procesory .
Zalehlé uši, režim průchodnosti a zóna ticha
Možná znáte tenhle pocit: zapnete potlačení hluku a v uších vám zalehne jako v letadle. Tlak v uchu se přitom nemění. Mozek nejspíš vyhodnotí náhlý úbytek hlubokých tónů jako změnu tlaku, protože podobný „útlum basů“ zná právě ze stoupajícího letadla nebo z jízdy výtahem.
Režim průchodnosti (anglicky transparency nebo ambient mode), kdy i se sluchátky slyšíte okolí, používá stejné mikrofony, jen obráceně. Zvuk zvenku nepotlačí, ale pustí vám ho do uší. Hodí se na nádraží, když chcete slyšet hlášení, nebo na ulici kvůli bezpečnosti. O tom, jak elektronika dokáže „postavit“ zvuk kolem vašich uší, píšeme i v článku Co je Dolby Atmos?
A ještě jedna věc: celé to funguje jen v malém prostoru těsně u vašeho ucha. Antihluk je vyladěný přesně na místo, kde sedí vnitřní mikrofon. O metr dál by ta obrácená vlna dorazila s jiným zpožděním a byla by jen další hluk.
Velikost zóny ticha opět souvisí s délkou vlny. Uvádí se, že výrazné potlačení (asi o 10 dB) vydrží v oblasti velké zhruba desetinu délky vlny. Pro hukot o 100 Hz je to asi 34 cm, pro 1 000 Hz jen 3,4 cm. I proto se „tichá místnost“ pomocí ANC dělá jen velmi těžko, kdežto ve sluchátkách, kde je ucho pár centimetrů od reproduktoru, to jde.
Ve zkratce
- ANC hluk neblokuje, ale přehrává ho obráceně: kopec vlny vyplní údolí (destruktivní interference),
- vnější mikrofon (feedforward) slyší hluk dřív, vnitřní (feedback) kontroluje výsledek u ucha, hybridní ANC má oba,
- funguje hlavně na hluboké zvuky do zhruba 1 000 Hz, vysoké zvuky zastaví pasivní izolace,
- dobrá sluchátka uberou 20–40 dB, tedy na čtvrtinu až šestnáctinu vnímané hlasitosti,
- zalehnutí uší není skutečná změna tlaku a ticho vzniká jen v malé zóně u ucha.
Závěr
Sluchátka s aktivním potlačením hluku nevyrábějí ticho tím, že by zvuk zastavila. Přehrávají hluk obráceně a dvě vlny se navzájem vyruší. Funguje to skvěle na rovnoměrný hluboký hukot, hůř na krátké vlny vysokých tónů a hlasů, a proto se ANC vždycky kombinuje s dobrou pasivní izolací.
Celé vysvětlení i s ukázkou, ve které si destruktivní interferenci poslechnete na vlastní uši, najdete ve videu na kanálu Učebna č.12. A kde byste potlačení hluku potřebovali nejvíc vy: v MHD, v práci, nebo doma?
Zdroje
- IEEE TechNav: Active noise reduction. IEEE. https://technav.ieee.org/topic/active-noise-reduction/
- IEEE TechNav: Noise Cancelling. IEEE. https://technav.ieee.org/topic/noise-cancelling/
- SoundGuys: What is active noise cancellation. SoundGuys. https://www.soundguys.com/what-is-active-noise-cancellation-28344/
- MakeTechEasier. https://maketecheasier.com/?p=861428
- Headphonesty: History of noise-cancelling headphones. Headphonesty, 2020. https://www.headphonesty.com/2020/10/history-of-noise-cancelling-headphones
