Tai nghe chống ồn hoạt động như thế nào?

Đối với nhiều người lần đầu sử dụng tai nghe chống ồn, trải nghiệm thường giống như một trò ảo thuật công nghệ. Chỉ sau một lần chạm vào nút kích hoạt, những âm thanh quen thuộc xung quanh đột nhiên nhỏ đi đáng kể. Tiếng điều hòa, tiếng quạt, tiếng động cơ hay nhiều loại âm thanh nền khác dường như biến mất một cách khó hiểu.

Điều thú vị là tai nghe chống ồn không sử dụng vật liệu cách âm đặc biệt để chặn hoàn toàn âm thanh từ bên ngoài. Thay vào đó, nó đang sử dụng chính âm thanh để chống lại âm thanh.

Nghe có vẻ nghịch lý, nhưng đây chính là nền tảng của công nghệ chống ồn chủ động, hay còn gọi là Active Noise Cancelling (ANC).

Để hiểu vì sao một chiếc tai nghe nhỏ có thể làm được điều này, trước tiên cần hiểu âm thanh thực chất là gì và tai người đang nghe thế giới xung quanh theo cách nào.

Âm thanh thực chất là gì?

Để hiểu cách tai nghe chống ồn hoạt động, trước tiên cần hiểu một sự thật khá thú vị: âm thanh không phải là một vật thể mà chúng ta có thể nhìn thấy hay chạm vào. Âm thanh thực chất là những rung động lan truyền trong môi trường xung quanh.

Hãy tưởng tượng bạn thả một viên đá xuống mặt hồ yên tĩnh. Từ điểm viên đá chạm nước, các gợn sóng bắt đầu lan rộng ra mọi hướng. Âm thanh hoạt động theo nguyên lý tương tự, chỉ khác ở chỗ những "gợn sóng" này lan truyền trong không khí thay vì trên mặt nước.

Khi một chiếc loa phát nhạc, màng loa rung liên tục. Những rung động đó đẩy và kéo các phân tử không khí xung quanh, tạo ra các sóng áp suất di chuyển trong không gian. Khi những sóng này tới tai, màng nhĩ của chúng ta cũng bắt đầu rung theo.

Sau đó, não bộ sẽ chuyển những rung động cơ học đó thành thứ mà chúng ta gọi là âm thanh.

Điều quan trọng cần hiểu là mọi âm thanh trong thế giới đều tồn tại dưới dạng sóng. Tiếng quạt máy, tiếng điều hòa, tiếng động cơ ô tô, tiếng nói chuyện hay một bản nhạc yêu thích đều là các dạng sóng âm khác nhau.

Mỗi sóng âm đều có đặc điểm riêng. Một số có tần số thấp tạo ra âm trầm. Một số có tần số cao tạo ra âm thanh sắc hơn. Một số rất đều đặn và dễ dự đoán, trong khi một số khác thay đổi liên tục theo từng khoảnh khắc.

Đây chính là điểm quan trọng nhất liên quan tới công nghệ chống ồn.

Nếu âm thanh chỉ là những sóng đang lan truyền trong không khí, về mặt lý thuyết chúng ta hoàn toàn có thể tạo ra một sóng khác để tác động lên nó. Và đó chính xác là điều mà tai nghe chống ồn đang làm hàng nghìn lần mỗi giây.

Thay vì cố gắng ngăn âm thanh đi vào tai, công nghệ ANC lựa chọn một giải pháp thông minh hơn: tạo ra một sóng âm mới để làm giảm hoặc triệt tiêu sóng âm không mong muốn trước khi nó tới tai người nghe.

Nói cách khác, bí mật của tai nghe chống ồn bắt đầu từ việc hiểu rằng âm thanh chỉ là sóng. Và khi đã có sóng, vật lý học cho phép chúng ta dùng một sóng khác để tác động lên nó.

Tai nghe chống ồn biết môi trường xung quanh đang ồn như thế nào bằng cách nào?

Nếu chỉ nhìn từ bên ngoài, tai nghe chống ồn trông không khác nhiều so với các loại tai nghe thông thường. Tuy nhiên, bên trong chúng có thêm một thành phần cực kỳ quan trọng: hệ thống micro chuyên dùng để "lắng nghe" môi trường xung quanh.

Đây là điểm khác biệt lớn nhất giữa tai nghe chống ồn chủ động và các loại tai nghe chỉ sử dụng khả năng cách âm vật lý.

Trước khi có thể loại bỏ tiếng ồn, tai nghe phải biết chính xác tiếng ồn đó là gì.

Để làm được điều này, các nhà sản xuất trang bị nhiều micro nhỏ ở những vị trí khác nhau trên tai nghe. Một số micro được đặt bên ngoài để thu nhận âm thanh môi trường trước khi nó tới tai người nghe. Một số khác được đặt bên trong để theo dõi lượng âm thanh thực tế đang lọt vào tai.

Mỗi giây, những micro này liên tục ghi nhận hàng nghìn mẫu âm thanh từ môi trường xung quanh. Dữ liệu sau đó được gửi tới bộ xử lý tín hiệu số (DSP) bên trong tai nghe.

Có thể hình dung bộ xử lý này giống như một chiếc máy tính siêu nhỏ chuyên làm một nhiệm vụ duy nhất: phân tích tiếng ồn và tìm cách giảm nó nhanh nhất có thể.

Quá trình này diễn ra với tốc độ cực cao. Từ lúc micro thu được âm thanh tới khi bộ xử lý tính toán phản ứng phù hợp thường chỉ mất vài phần nghìn giây. Nhanh tới mức người dùng hoàn toàn không nhận ra điều gì đang diễn ra.

Một số mẫu tai nghe cao cấp hiện nay còn sử dụng nhiều micro cùng lúc để tăng độ chính xác. Điều này giúp thiết bị nhận biết tốt hơn các loại tiếng ồn xuất hiện từ nhiều hướng khác nhau.

Điều thú vị là tai nghe chống ồn không thực sự hiểu tiếng động cơ, tiếng quạt hay tiếng điều hòa theo cách con người hiểu. Nó không biết âm thanh đó đến từ đâu hoặc được tạo ra bởi vật gì.

Những gì hệ thống nhìn thấy chỉ là các dạng sóng âm liên tục thay đổi theo thời gian. Nhiệm vụ của nó là phân tích hình dạng của những sóng âm đó và chuẩn bị bước tiếp theo: tạo ra một sóng âm đối nghịch để triệt tiêu chúng.

Nói cách khác, trước khi chống lại tiếng ồn, tai nghe phải nghe thấy tiếng ồn trước. Hệ thống micro chính là đôi tai bí mật giúp công nghệ ANC biết chính xác mình cần chống lại điều gì.

Bí mật của ANC: dùng âm thanh để chống lại âm thanh

Đây chính là phần thú vị nhất của công nghệ chống ồn chủ động và cũng là lý do nhiều người lần đầu tìm hiểu thường cảm thấy nó giống một phép thuật công nghệ.

Sau khi các micro trên tai nghe thu nhận được tiếng ồn từ môi trường xung quanh, bộ xử lý bên trong sẽ không cố gắng "xóa" âm thanh đó theo cách thông thường. Thay vào đó, nó tạo ra một sóng âm hoàn toàn mới.

Điều đặc biệt là sóng âm mới này được tạo ra theo hướng ngược lại với sóng âm gây tiếng ồn.

Trong vật lý, hiện tượng này được gọi là ngược pha.

Hãy tưởng tượng có hai con sóng trên mặt nước. Một con sóng đang nhô lên đúng lúc con sóng còn lại đang lõm xuống với biên độ tương đương. Khi hai sóng gặp nhau, chúng có thể triệt tiêu lẫn nhau và mặt nước trở nên phẳng hơn.

Âm thanh cũng tuân theo nguyên lý tương tự.

Nếu tiếng ồn từ môi trường tạo ra một sóng âm có hình dạng nhất định, bộ xử lý của tai nghe sẽ cố gắng tạo ra một sóng âm có hình dạng gần như đối nghịch hoàn toàn. Khi hai sóng gặp nhau tại tai người nghe, năng lượng của chúng giảm xuống đáng kể.

Kết quả là âm thanh gây khó chịu trở nên nhỏ hơn hoặc thậm chí gần như biến mất.

Điều đáng kinh ngạc là toàn bộ quá trình này diễn ra liên tục hàng nghìn lần mỗi giây. Môi trường xung quanh thay đổi tới đâu, hệ thống ANC cũng phải liên tục cập nhật và tạo ra những sóng âm mới tương ứng.

Có thể hình dung tai nghe chống ồn đang thực hiện một phép tính vật lý cực nhanh trong thời gian thực. Nó liên tục nghe tiếng ồn, phân tích hình dạng sóng âm và phát ra một sóng âm đối nghịch gần như ngay lập tức.

Đây cũng là lý do công nghệ chống ồn hiện đại cần tới những bộ xử lý tín hiệu rất mạnh. Chỉ cần độ trễ quá lớn hoặc tính toán không chính xác, hiệu quả triệt tiêu tiếng ồn sẽ giảm đáng kể.

Điều thú vị là người dùng gần như không nghe thấy "âm thanh chống ồn" này. Não bộ chỉ cảm nhận được kết quả cuối cùng: môi trường xung quanh bỗng nhiên yên tĩnh hơn.

Về bản chất, ANC không chặn tiếng ồn theo nghĩa truyền thống. Nó tạo ra một âm thanh thứ hai có nhiệm vụ làm suy yếu âm thanh thứ nhất. Đó là lý do tai nghe chống ồn thường được xem là một trong những ứng dụng thú vị nhất của vật lý sóng âm trong đời sống hàng ngày.

Vì sao ANC rất hiệu quả với tiếng máy lạnh nhưng lại kém hiệu quả hơn với tiếng người nói?

Sau khi hiểu nguyên lý triệt tiêu sóng âm, một câu hỏi rất tự nhiên xuất hiện: nếu ANC có thể tạo ra sóng âm đối nghịch để loại bỏ tiếng ồn, tại sao nó không thể loại bỏ hoàn toàn mọi âm thanh xung quanh?

Câu trả lời nằm ở đặc điểm của từng loại âm thanh.

Không phải tất cả tiếng ồn trong cuộc sống đều giống nhau. Một số loại âm thanh rất đều đặn và dễ dự đoán, trong khi một số khác thay đổi liên tục theo từng khoảnh khắc.

Đây chính là yếu tố quyết định hiệu quả của công nghệ chống ồn chủ động.

Hãy lấy tiếng máy lạnh làm ví dụ. Khi máy lạnh hoạt động ổn định, âm thanh phát ra gần như không thay đổi trong thời gian dài. Tiếng quạt quay, tiếng luồng không khí hoặc tiếng động cơ vận hành đều tạo ra các dạng sóng âm tương đối ổn định.

Đối với bộ xử lý của tai nghe, đây là một nhiệm vụ khá dễ dàng. Hệ thống nhanh chóng nhận diện mẫu âm thanh, dự đoán được nó sẽ tiếp tục như thế nào và liên tục tạo ra sóng âm ngược pha để triệt tiêu.

Tương tự, tiếng động cơ máy bay, tàu điện hoặc xe buýt cũng thuộc nhóm âm thanh có tính lặp lại cao. Đó là lý do người dùng thường cảm nhận sự khác biệt rõ rệt nhất khi bật ANC trong những môi trường này.

Ngược lại, giọng nói của con người lại là một thử thách hoàn toàn khác.

Khi chúng ta nói chuyện, âm lượng, cao độ, tốc độ và cách phát âm liên tục thay đổi từng phần nhỏ của giây. Não bộ con người xử lý điều này rất dễ dàng, nhưng với một hệ thống chống ồn, đây là dạng âm thanh khó dự đoán hơn rất nhiều.

Để triệt tiêu hoàn hảo một âm thanh, tai nghe phải biết chính xác hình dạng của sóng âm gần như ngay lập tức. Với những tiếng động thay đổi liên tục như giọng nói, tiếng cười hoặc tiếng trẻ em khóc, nhiệm vụ này trở nên khó khăn hơn đáng kể.

Đó là lý do ngay cả những mẫu tai nghe chống ồn cao cấp nhất hiện nay vẫn thường để lọt lại một phần giọng nói xung quanh. Người dùng có thể nghe tiếng người nhỏ hơn trước, nhưng hiếm khi biến mất hoàn toàn.

Điều này không phải là hạn chế do chất lượng sản phẩm kém. Nó là hệ quả tự nhiên của chính nguyên lý vật lý mà công nghệ ANC đang sử dụng.

Nói đơn giản, ANC hoạt động tốt nhất khi đối mặt với những âm thanh ổn định và dễ dự đoán. Càng nhiều biến động và thay đổi liên tục, việc tạo ra sóng âm đối nghịch chính xác càng trở nên khó khăn hơn.

ANC và chống ồn thụ động khác nhau như thế nào?

Nhiều người thường nghĩ mọi chiếc tai nghe có khả năng giảm tiếng ồn đều đang sử dụng công nghệ ANC. Thực tế không phải vậy.

Trong thế giới âm thanh hiện nay tồn tại hai cách giảm tiếng ồn hoàn toàn khác nhau: chống ồn thụ động và chống ồn chủ động.

Chống ồn thụ động là phương pháp xuất hiện từ rất lâu trước khi công nghệ ANC ra đời. Cách tiếp cận này không sử dụng micro, bộ xử lý hay bất kỳ thuật toán phức tạp nào.

Thay vào đó, nó dựa hoàn toàn vào thiết kế vật lý của tai nghe.

Ví dụ, các loại nút tai silicone có thể bịt kín ống tai để hạn chế âm thanh từ bên ngoài lọt vào. Tương tự, những mẫu tai nghe chụp tai với đệm mút dày cũng tạo ra một lớp cách âm tự nhiên giữa tai người nghe và môi trường xung quanh.

Có thể hình dung chống ồn thụ động giống như việc đóng cửa sổ khi bên ngoài có nhiều tiếng động. Âm thanh không biến mất hoàn toàn nhưng bị cản lại bởi một lớp vật liệu vật lý.

Trong khi đó, chống ồn chủ động hoạt động theo cách hoàn toàn khác. Như đã giải thích ở các phần trước, ANC sử dụng micro để nghe tiếng ồn, sau đó tạo ra sóng âm ngược pha nhằm làm giảm lượng âm thanh tới tai người nghe.

Điều thú vị là hai công nghệ này không cạnh tranh với nhau. Ngược lại, chúng thường hoạt động cùng nhau.

Trên hầu hết các mẫu tai nghe chống ồn hiện đại, khả năng giảm tiếng ồn thực tế đến từ sự kết hợp của cả hai phương pháp. Phần đệm tai hoặc nút tai giúp chặn một phần âm thanh ngay từ đầu, trong khi hệ thống ANC tiếp tục xử lý những tiếng ồn còn lại.

Đó cũng là lý do một chiếc tai nghe có ANC nhưng thiết kế đệm tai kém vẫn khó đạt hiệu quả chống ồn tối đa. Công nghệ điện tử rất quan trọng, nhưng khả năng cách âm vật lý vẫn đóng vai trò nền tảng.

Một cách đơn giản, chống ồn thụ động giống như xây một bức tường để ngăn âm thanh đi vào. Còn chống ồn chủ động giống như sử dụng khoa học để làm suy yếu âm thanh trước khi nó tới tai.

Những chiếc tai nghe chống ồn tốt nhất hiện nay không chỉ dựa vào ANC. Chúng kết hợp cả khả năng cách âm vật lý và công nghệ xử lý âm thanh để tạo ra trải nghiệm yên tĩnh hơn cho người dùng.

Tai nghe chống ồn có phải là phép thuật không?

Sau khi tìm hiểu toàn bộ nguyên lý hoạt động, có thể thấy tai nghe chống ồn không hề sử dụng bất kỳ công nghệ bí ẩn nào. Mọi thứ đều được xây dựng dựa trên những quy luật vật lý đã được biết đến từ rất lâu.

Điều khiến công nghệ này trở nên ấn tượng không phải vì nó phá vỡ các định luật tự nhiên. Ngược lại, nó tận dụng các định luật đó theo một cách cực kỳ thông minh.

Tai nghe liên tục lắng nghe môi trường xung quanh bằng hệ thống micro. Bộ xử lý bên trong phân tích các sóng âm đang tồn tại trong không khí. Sau đó, thiết bị tạo ra những sóng âm ngược pha để làm giảm tác động của tiếng ồn trước khi chúng tới tai người nghe.

Tất cả quá trình đó diễn ra trong thời gian thực, hàng nghìn lần mỗi giây và gần như vô hình với người sử dụng.

Đó là lý do nhiều người lần đầu trải nghiệm ANC thường cảm thấy giống như một phép thuật. Họ không nhìn thấy bất kỳ thứ gì đang hoạt động, nhưng kết quả lại rất rõ ràng: môi trường xung quanh trở nên yên tĩnh hơn đáng kể.

Tuy nhiên, hiểu đúng về công nghệ này cũng rất quan trọng. ANC không tạo ra sự im lặng tuyệt đối. Nó không thể khiến mọi âm thanh biến mất hoàn toàn. Những giới hạn vật lý vẫn luôn tồn tại, đặc biệt với các âm thanh thay đổi liên tục như giọng nói của con người.

Nhưng chính trong những giới hạn đó, công nghệ chống ồn hiện đại đã đạt được những thành tựu đáng kinh ngạc. Chỉ với một thiết bị nhỏ nằm trên tai, người dùng có thể giảm đáng kể lượng tiếng ồn mà trước đây gần như không thể kiểm soát.

Điều thú vị là giá trị lớn nhất của ANC không nằm ở việc nó giúp nghe nhạc hay hơn. Giá trị nằm ở việc nó giúp người dùng chủ động hơn trong việc lựa chọn những gì mình muốn nghe.

Trong một thế giới ngày càng nhiều tiếng ồn, khả năng giảm bớt những âm thanh không mong muốn đã trở thành một lợi ích rất thực tế. Và đó chính là lý do công nghệ chống ồn đang xuất hiện trên ngày càng nhiều thiết bị âm thanh hiện đại.

Tai nghe chống ồn không phải là phép thuật. Nó là sự kết hợp giữa vật lý, điện tử và xử lý tín hiệu số ở mức độ rất cao. Nhưng đôi khi, những ứng dụng công nghệ thông minh nhất lại tạo ra cảm giác giống phép thuật nhất đối với người sử dụng.

Bài liên quan:

→ Vì sao ngày càng nhiều người dùng tai nghe chống ồn?

→ Có nên đeo tai nghe chống ồn nhiều giờ liên tục?

→ Tai nghe đắt tiền có nghe hay hơn thật không?

→ 5 tính năng tai nghe không dây nhiều người không dùng

→ 5 tính năng thực sự đáng tiền trên tai nghe không dây

#ANC #TaiNgheChongOn #ActiveNoiseCancelling #TaiNgheKhongDay #BluetoothEarbuds #Sony #AirPodsPro #CongNgheAmThanh #SnapSaveVN