音を小さくするために、別の音を出す装置があります。ノイズキャンセルは、外の音をただ厚い壁で遮る働きとは違い、耳の近くで音による圧力の変化を打ち消すような音を作ります。「音を足すと必ずうるさくなる」という思い込みを離れ、同じ場所で同じ時刻に起きる変化を見てみましょう。
上下の波は空気が上下に動く図ではない
音の波形の縦軸には、空気の圧力が基準よりどれだけ高いか、低いかを表す場合があります。線が山になっていても、空気の粒が紙の上向きに飛んでいるという意味ではありません。圧力のプラスとマイナスが重なる図として読む必要があります。横軸が時間なのか距離なのかも、最初に確認します。
ここでは小さな圧力変化が単純に足せる模型に限ります。ある時刻に外の音がプラス3、装置の音がマイナス3なら、合計は0です。別の時刻には外の音がマイナス3、装置の音がプラス3となるように、時間的な対応も必要です。大きさが等しい二つの音を出しただけでは、正しい打ち消しになりません。
反対の波を作る場所が重要
耳元で打ち消し合うようにした波が、部屋のどこでも同じように打ち消すわけではありません。発音する場所からの距離が変われば、届くまでの時間が変わります。圧力の山と谷が出会う時刻もずれるので、ある地点では弱く、別の地点では弱くならないことがあります。
このため、ヘッドホンには周囲の音を調べるマイクや、補正する音を出す仕組みが必要です。音を聞いてから計算して出すまでにも時間がかかります。急に変化する音、一定の音、高い音が、全て同じ程度に減ると期待してはいけません。耳を覆う材料による遮音と、電気を使う能動的な打ち消しは区別します。
例題1 圧力変化を足す
同じ観測点で、時刻A、B、Cの外の音の値が順に＋4、0、−4でした。装置の音は順に−3、0、＋3でした。合計の値を求め、完全に打ち消されたか答えなさい。値は圧力変化を表す模型の単位です。
答え・解説： 合計は＋1、0、−1です。振れの大きさは小さくなりましたが、AとCで0でないため完全には消えていません。4と3をいつでも足して7とするのではなく、プラスとマイナスの向きを使います。この値をそのまま音の強さやデシベルの差と呼ぶこともできません。
例題2 逆のタイミング
ある周期的な音の一周期は0.008秒です。半周期ずれた波を、同じ振幅で耳元へ届かせる模型を考えます。必要な時刻のずれは何秒ですか。また0.008秒ずらした場合、山と谷が対応しますか。
答え・解説： 半周期は0.008÷2＝0.004秒です。一周期の0.008秒ずれでは元と同じ状態に戻り、山には山が対応するので、逆の対応ではありません。周期の半分と一周期を図の二本の波で確かめます。複雑な音全体へ一つの遅れだけを与えれば完全に消える、という一般的な説明ではありません。
エネルギーを単純にゼロと呼ばない
観測点の振動が小さくなることと、音のエネルギーが空間の全てで消滅することは同じではありません。どこで波を観測するかを指定して初めて、打ち消しの結果を説明できます。装置も電気を使っています。「電気を使わず、外の音だけで全室を無音にする」という話へ拡張しないようにしましょう。
比べるときは同じ音を使う
性能を比較する実験では、音源から耳やマイクまでの距離、装着位置、外の音の種類と大きさをそろえます。一方だけ耳当てがずれていたり、違う音を流したりすれば、装置の働き以外の差が混ざります。低い一定音と短い鋭い音を別々の表にすると、「効果がある」という一言よりも、どの条件で減ったかが具体的になります。
聞こえにくくなったことを、必ず安全な音量になったことと同一視しません。この原稿の波形模型は仕組みを理解するためのもので、耳への影響を測定する基準ではありません。目盛りの意味を確かめる姿勢を、音の学習でも保ちます。
波形を上下に足すときの約束
音の圧力を表すグラフの上側と下側は、空気が上や下へ移動する高さではありません。基準の圧力より高い側と低い側を描いています。このため、二つの波の線が交わった場所を数えても、打ち消された時間の長さにはなりません。同じ時刻に対応する縦の値を読み、その二つを足した値が合成された変化です。
元の変化がプラス三で、別の変化がマイナス三なら、その瞬間の合計はゼロです。しかし次の瞬間にプラス二とマイナス一なら、合計はプラス一となります。たった一時刻でゼロになったことと、連続して音が小さくなったことを区別しましょう。波形を何点かに区切って小さな表にすれば、符号を取り違えずに検討できます。
耳の場所から少し離れると、それぞれの音が到着するまでの時間も変わります。ある位置で逆向きに重なっていても、別の位置では完全な逆向きにならないことがあります。したがって、机の上の一か所で小さく測れた結果から、教室中の全ての場所が静かになったとはいえません。測定するマイクの位置をそろえることが比較の条件です。
突然の音は、長く一定に続く音より予測や追従が難しい場合があります。装置の説明を読む際には、どんな音でも同じ割合で消えると広げず、対象の音の種類を確認します。また耳を覆う材料が音を通しにくくする働きと、追加の音を出して重なりを調整する働きは別です。電源を切っても音が小さくなる場合、全てを能動的な打ち消しの効果として説明しないようにします。