Bayangkan anda berada di dalam kapal terbang. Bunyi enjin kedengaran berterusan, tetapi apabila fungsi pembatalan hingar pada fon kepala diaktifkan, bunyi itu menjadi lebih perlahan. Menariknya, fon kepala itu bukan sekadar menghalang bunyi daripada memasuki telinga. Ia juga menghasilkan bunyi tambahan yang direka untuk mengurangkan kesan bunyi persekitaran.
Bagaimanakah dua bunyi yang bertindih boleh menghasilkan bunyi yang lebih perlahan? Jawapannya ialah interferens memusnah, iaitu keadaan apabila dua gelombang bertindih lalu saling melemahkan.
Bunyi ialah gelombang tekanan
Bunyi merambat melalui udara sebagai gelombang mekanik. Apabila pembesar suara bergetar, ia menyebabkan perubahan tekanan udara yang bergerak menjauhi sumber bunyi. Dalam gelombang bunyi, terdapat kawasan yang mengalami tekanan lebih tinggi daripada tekanan udara purata dan kawasan yang mengalami tekanan lebih rendah, dan perubahan tekanan ini merambat melalui udara sehingga sampai ke telinga.
Bagi bunyi bernada tunggal, perubahan tekanan boleh digambarkan menggunakan lengkung gelombang sinus. Bahagian lengkung di atas garis keseimbangan mewakili tekanan yang lebih tinggi daripada tekanan purata, manakala bahagian di bawahnya mewakili tekanan yang lebih rendah. Lengkung itu ialah gambaran perubahan tekanan mengikut masa atau kedudukan, bukannya bentuk laluan sebenar molekul udara.
Apakah yang berlaku apabila dua gelombang bertindih?
Apabila dua gelombang bunyi melalui kawasan yang sama, perubahan tekanan daripada kedua-duanya bergabung. Dalam keadaan gelombang linear, tekanan bunyi paduan pada sesuatu titik ialah jumlah perubahan tekanan daripada setiap gelombang, dan prinsip ini dikenali sebagai prinsip superposisi. Jika dua gelombang menghasilkan kenaikan tekanan di atas tekanan purata pada masa yang sama, kesannya saling menguatkan, dan fenomena ini dikenali sebagai interferens membina. Sebaliknya, jika satu gelombang menghasilkan kenaikan tekanan di atas tekanan purata ketika gelombang lain menghasilkan penurunan tekanan di bawah tekanan purata, kedua-duanya boleh saling melemahkan melalui interferens memusnah.
Bagi dua gelombang sinus yang mempunyai frekuensi dan amplitud sama tetapi berbeza fasa sebanyak 180 darjah, perubahan tekanannya boleh saling membatalkan sepenuhnya pada titik pemerhatian. Namun, pembatalan sempurna memerlukan keadaan yang sangat khusus. Dalam kebanyakan keadaan sebenar, gelombang tidak mempunyai amplitud dan hubungan fasa yang sepadan dengan sempurna, jadi bunyi biasanya berkurang dan bukannya hilang sepenuhnya. Buku fizik universiti University Physics Volume 1 daripada OpenStax menerangkan bahawa gelombang linear bergabung melalui prinsip superposisi dan boleh menghasilkan interferens membina atau memusnah.
Bagaimanakah fon kepala menghasilkan bunyi yang melemahkan hingar?
Fon kepala dengan pembatalan hingar aktif biasanya menggunakan mikrofon, pemproses isyarat elektronik dan pembesar suara. Mikrofon mengesan bunyi persekitaran atau bunyi yang telah memasuki ruang berhampiran telinga. Pemproses isyarat menggunakan maklumat itu untuk menentukan bunyi tambahan yang perlu dihasilkan, lalu pembesar suara menghasilkan gelombang bunyi yang direka supaya perubahan tekanannya menentang perubahan tekanan hingar pada kawasan sasaran. Apabila kedua-dua gelombang bertindih berhampiran telinga, amplitud tekanan bunyi paduan boleh menjadi lebih kecil, dan pengguna mendengar bunyi persekitaran yang lebih perlahan.
Walau bagaimanapun, sistem itu tidak semestinya menghasilkan salinan songsang yang mudah bagi setiap bunyi yang dikesan. Pemproses perlu mengambil kira kelewatan isyarat, tindak balas pembesar suara dan laluan bunyi ke telinga. Sesetengah sistem menggunakan mikrofon di bahagian luar fon kepala, manakala sistem lain turut menggunakan mikrofon di bahagian dalam untuk mengesan baki hingar. Kajian kejuruteraan akustik menunjukkan bahawa pemprosesan isyarat dan pengurangan kelewatan sangat penting kepada prestasi pembatalan hingar aktif.
Mengapakah bunyi rendah lebih mudah dikurangkan?
Bunyi enjin, kipas dan penghawa dingin sering mempunyai komponen frekuensi rendah yang agak berterusan, dan bunyi seperti ini biasanya lebih mudah dikurangkan oleh sistem pembatalan hingar aktif berbanding bunyi yang berubah secara mendadak. Salah satu sebabnya ialah panjang gelombang. Bunyi berfrekuensi rendah mempunyai panjang gelombang yang lebih besar, jadi hubungan fasa gelombang kurang sensitif terhadap perubahan kecil kedudukan. Ciri ini, bersama sifat bunyi berfrekuensi rendah yang lazimnya lebih mudah diramal dan dikawal, membantu sistem pembatalan hingar aktif mengurangkan hingar pada frekuensi tersebut. Bunyi berfrekuensi tinggi pula mempunyai panjang gelombang yang lebih pendek, maka perubahan kedudukan yang kecil berbanding panjang gelombangnya boleh menghasilkan perubahan fasa yang ketara.
Selain itu, sistem elektronik memerlukan masa untuk mengesan, memproses dan menghasilkan bunyi tambahan. Jika bunyi persekitaran berubah terlalu cepat, bunyi tambahan mungkin tidak tiba dengan fasa dan amplitud yang diperlukan. Oleh itu, bunyi seperti ketukan mengejut atau pertuturan yang berubah-ubah mungkin tidak dikurangkan sebaik bunyi dengungan yang berterusan. Kajian semakan tentang kawalan hingar aktif menerangkan bahawa pengurangan hingar setempat lazimnya lebih berkesan pada frekuensi rendah, manakala kawalan pada frekuensi tinggi menghadapi cabaran berkaitan panjang gelombang dan kedudukan.
Apakah perbezaan antara pembatalan hingar aktif dengan pengasingan bunyi?
Fon kepala juga boleh mengurangkan bunyi melalui pengasingan pasif. Pengasingan pasif menggunakan bahan, kusyen dan reka bentuk fon kepala untuk menghalang sebahagian bunyi daripada memasuki telinga, dan kaedah ini tidak memerlukan penghasilan gelombang bunyi tambahan. Pembatalan hingar aktif pula menggunakan sistem elektronik untuk menghasilkan bunyi yang mengurangkan tekanan bunyi paduan berhampiran telinga.
Kedua-dua kaedah boleh digunakan serentak. Kusyen fon kepala membantu mengurangkan kemasukan bunyi luar, manakala sistem aktif mengurangkan sebahagian hingar yang masih sampai ke kawasan telinga, dan gabungan kedua-duanya boleh memberikan pengurangan bunyi yang lebih baik daripada penggunaan satu kaedah sahaja. Buku University Physics Volume 1 turut menerangkan penggunaan interferens memusnah dalam fon kepala dan perbezaannya daripada pengurangan bunyi secara pasif.
Dua gelombang bunyi sinus mempunyai frekuensi dan amplitud yang sama. Kedua-duanya tiba pada satu titik dengan perbezaan fasa 180 darjah. Apakah yang berlaku dalam model gelombang linear yang ideal?