בשנים האחרונות, אוזניות הנעזרות בשיטות מתקדמות לסינון רעשים נהיו פופולריות, למשל בטיסות ובפגישות זום בבית רועש. נספר על "סינון אקטיבי של רעשים" [1], שיטה שיכולה להעניק טיפת שקט בתקופתנו הרועשת.

נדמיין שאנחנו מסוגרים בחדר, מנסים להקשיב לפודקאסט של "מדע גדול בקטנה", אולם מישהו בחדר מקיש שוב ושוב על קליד "לה" בפסנתר, ומחריש את אוזנינו. אנחנו שמים אוזניות ענקיות המיועדות בין היתר לסינון רעשים באמצעות חומרים המשמשים לבידוד אקוסטי, אולם זה לא ממש עוזר.

כידוע, הקול נישא באוויר על גבי גלים. כאשר לוחצים על המקש "לה" באוקטבה הראשונה, הפטיש בפסנתר מכה במיתר שמתנדנד הלוך ושוב בקצב של כ- 442 תנודות בשנייה, מה שקרוי בפיזיקה: תדר של 442 הרץ. המיתר מרעיד את מולקולות האוויר בסביבתו, שנעות במחזוריות, מעבירות את הרעידות למולקולות השכנות, וכך הלאה, עד שהתנודות מגיעות לאוזניות, חודרות את הבידוד האקוסטי, מגיעות לאוזנינו ומשגעות אותנו.

באופן מתמטי, ניתן לתאר את עוצמת הצליל שמגיע לאוזן Y1 בזמן t באמצעות מכפלה של מספר קבוע הנקרא "משרעת" בפונקציית סינוס המתארת גל מחזורי המשתנה בזמן, כאשר המשרעת היא עוצמת הקול המקסימלית. (ראו ציור באתר). הצליל המונוטוני הזה מפריע להתרכז. מה ניתן לעשות?

רעיון: הבה ניצור במחשב צליל אחר שיוזן לרמקול באוזנייה שלנו, ביחד עם הפודקאסט שאנו מקשיבים לו. את הצליל נייצר ע"י גל Y2 הזהה בכל לגל Y1 רק שהוא מוזז ב-180 מעלות יחסית אליו, Y2 הוא לפיכך ההיפוך של Y1, כלומר Y2=-Y1.

אם נצליח במשימה, גלי הקול שיגיעו לרמקול שבאוזניה יפגשו בתוך אוזנינו בגלי הקול שיגיעו מהפסנתר. לפיכך, בכל רגע נתון, מולקולות האוויר שמתנדנדות לפי Y1 ומנסות לנענע את עור התוף שלנו פנימה והחוצה יפגשו בתבנית דומה של מולקולות אוויר שיבקשו לנענע את עור התוף לפי Y2, כלומר באותה עוצמה, אבל בדיוק בכיוון המנוגד. למשל, כאשר המולקולות המתנדנדות לפי Y1 ינסו להפעיל לחץ מקסימלי על עור התוף כדי לגרום לו להתכווצות, המולקולות המתנדנדות לפי Y2 ינסו לגרום לתת-לחץ מקסימלי כדי לגרום לעור התוף להתרחב. לכן Y2 יבטל את Y1, ואנו לא נשמע את שניהם.

בתיאור פחות דרמטי: הצליל שאנו שומעים מורכב למעשה מסכום הגלים המגיעים לאוזן. כיוון שסכום הגלים שמגיעים משני המקורות לאוזן הוא אפס, נוצרת התופעה הפיזיקלית הנקראת "התאבכות הורסת" [2], ולא ייווצר שום צליל. בדרך זו נצליח לסנן את הרעש.

כיצד נוכל ליצור את Y2 כך שיגיע בתזמון מושלם לאוזן עם Y1 והמשרעת שלו תהייה זהה לזו של Y1? זאת בעיה קשה, שכן סטייה בתזמון יכולה לשבש את התהליך. בעיה נוספת: איך לייצר את Y2, שנקרא גם "אנטי רעש", כאשר תתחיל סוף סוף נגינה אמיתית בפסנתר, והשילוב הקסום של צלילים יפיק אותות המורכבים משלל תדרים?

הרעיון שהוצע עוד בשנות השלושים לסינון רעשי רקע הוא להוסיף עוד מיקרופון חכם לאוזנייה. המיקרופון יקלוט רעשים מהסביבה, ייצור באמצעות מעגלים חשמליים סיגנלים שהם ההיפוך של הרעשים, ויזרים אותם בתזמון מתאים לרמקול באוזנייה כדי לבטל את הרעש. שיטה זו, הנקראת "סינון אקטיבי של רעשים", נראית פשוטה להבנה, אבל מימוש איכותי שלה מאוד מורכב. קיים מגוון רחב של אוזניות כאלו, באיכויות ובמחירים מגוונים אולם גם כיום אין פתרון מושלם לסינון רעשים, והיצרנים מנסים כל הזמן להתחדש ולהשתפר.

הדרך הבסיסית למימוש הטכנולוגיה נקראת “feed-forward" שבה שמים את המיקרופון בצד החיצוני של האוזנייה. המימוש בחמרה פשוט יחסית: כיוון שהרעש נקלט במרחק ידוע לפני הגיעו לאוזן, יש זמן לעבד אותו וליצר אנטי-רעש שיגיע לרמקול בתזמון מתאים. החיסרון המרכזי הוא שהשיטה לא עובדת טוב כאשר הרעש לא מגיע בדיוק מהצד, אלא מכיוונים אחרים, מה שמשבש את החישובים. חיסרון נוסף הוא שהשיטה לא עובדת טוב בתדרים גבוהים, שכן אין מספיק זמן לדגום ולהגיב [3], וגם קשה לתזמן בדיוק את החיבור בין הרעש להופכי שלו עקב אורך הגל הקצר.

בשיטה מורכבת יותר, הנקראת "feed-back", שמים את המיקרופון צמוד לאוזן. לפיכך, הרעש הנקלט במיקרופון זהה כמעט לרעש שמגיע לאוזן, והסינון טוב יותר משיטת “feed-forward". החיסרון המרכזי הוא שהמיקרופון קולט גם את מה ששומעים באוזניה (למשל את קולו הרדיופוני של יומירן בפודקאסט "מדע גדול בקטנה") וצריך לסנן אותו כדי לגלות ולהיפטר מהרעש האמיתי, מה שמסבך את תכנון המערכת.

שיטה מתקדמת ויקרה אף יותר היא השיטה ההיברידית שבה משלבים את שתי השיטות ומשתמשים בשני מיקרופונים: חיצוני ופנימי שנמצא ליד האוזן, ולעיתים משתמשים גם בבקרי משוב [4] ובמסננים אדפטיבים שלומדים את הרעש ומנסים למצוא מענה אופטימלי לסוגי רעשים שונים. קיימות כיום גם אוזניות מתקדמות אף יותר עם עם שלושה או ארבעה מיקרופונים.

נשים לב ששיטת הסינון האקטיבי מצליחה רק כאשר הרעשים הם מחזוריים, לפחות לזמן קצר, כמו למשל צלילי דיבור, רעש מנוע המטוס או מוזיקה, ולמערכת יש לפיכך זמן ללמוד אותם. אם יש רעש חד ופתאומי, למשל כאשר כדור משחק יפגע בשוגג באגרטל בחדר וינפץ אותו לרסיסים, לא נצליח להיפטר מהרעש אפילו אם נצטייד באוזניות משובחות.

מקווים שיהיה יותר שקט ורגוע בקרוב, וגם כשלא כך, נוכל לפעמים לשים אוזנייה משוכללת, לעצום עיניים, ללחוץ על מתג ההפעלה, ולהנות מהצליל של השקט.

[1] מאמר ב-EDN

[2] התאבכות הורסת 

[3] משפט הדגימה 

[4] בקר משוב