Control de ruido activo - Active noise control

Representación gráfica de la reducción activa de ruido

El control de ruido activo ( ANC ), también conocido como cancelación de ruido ( NC ) o reducción de ruido activa ( ANR ), es un método para reducir el sonido no deseado mediante la adición de un segundo sonido diseñado específicamente para cancelar el primero. El concepto se desarrolló por primera vez a finales de la década de 1930; El trabajo de desarrollo posterior que comenzó en la década de 1950 finalmente resultó en auriculares comerciales para aerolíneas, con la tecnología disponible a fines de la década de 1980. La tecnología también se utiliza en vehículos de carretera y en teléfonos móviles .

Explicación

El sonido es una onda de presión , que consiste en períodos alternados de compresión y rarefacción . Un altavoz con cancelación de ruido emite una onda de sonido con la misma amplitud pero con fase invertida (también conocida como antifase ) en relación con el sonido original. Las ondas se combinan para formar una nueva onda, en un proceso llamado interferencia , y efectivamente se cancelan entre sí, un efecto que se llama interferencia destructiva .

El control de ruido activo moderno generalmente se logra mediante el uso de circuitos analógicos o procesamiento de señales digitales . Los algoritmos adaptativos están diseñados para analizar la forma de onda del ruido de fondo auditivo o no auditivo , luego, basándose en el algoritmo específico, generan una señal que cambiará de fase o invertirá la polaridad de la señal original. Esta señal invertida (en antifase) se amplifica y un transductor crea una onda de sonido directamente proporcional a la amplitud de la forma de onda original, creando una interferencia destructiva. Esto reduce efectivamente el volumen del ruido perceptible.

Se puede colocar un altavoz con cancelación de ruido junto con la fuente de sonido que se va a atenuar . En este caso, debe tener el mismo nivel de potencia de audio que la fuente del sonido no deseado para cancelar el ruido. Alternativamente, el transductor que emite la señal de cancelación puede ubicarse en el lugar donde se desea la atenuación del sonido (por ejemplo, el oído del usuario). Esto requiere un nivel de potencia mucho más bajo para la cancelación, pero solo es efectivo para un único usuario. La cancelación de ruido en otras ubicaciones es más difícil ya que los frentes de onda tridimensionales del sonido no deseado y la señal de cancelación podrían coincidir y crear zonas alternas de interferencia constructiva y destructiva, reduciendo el ruido en algunos puntos y duplicando el ruido en otros. En pequeños espacios cerrados (por ejemplo, el habitáculo de un coche) se puede lograr una reducción global del ruido mediante varios altavoces y micrófonos de retroalimentación , y la medición de las respuestas modales del recinto.

Aplicaciones

Las aplicaciones pueden ser "unidimensionales" o tridimensionales, según el tipo de zona a proteger. Los sonidos periódicos, incluso los complejos, son más fáciles de cancelar que los sonidos aleatorios debido a la repetición en la forma de onda.

La protección de una "zona de 1 dimensión" es más fácil y solo requiere uno o dos micrófonos y parlantes para ser efectiva. Varias aplicaciones comerciales han tenido éxito: auriculares con cancelación de ruido , silenciadores activos , dispositivos antirronquidos , extracción de canales vocales o centrales para máquinas de karaoke y control de ruido en conductos de aire acondicionado. El término "unidimensional" se refiere a una relación pistónica simple entre el ruido y el altavoz activo (reducción mecánica del ruido) o entre el altavoz activo y el oyente (auriculares).

La protección de una zona de 3 dimensiones requiere muchos micrófonos y altavoces, lo que la hace más cara. La reducción de ruido se logra más fácilmente si un solo oyente permanece inmóvil, pero si hay varios oyentes o si un solo oyente gira la cabeza o se mueve por el espacio, el desafío de la reducción de ruido se vuelve mucho más difícil. Las ondas de alta frecuencia son difíciles de reducir en tres dimensiones debido a su longitud de onda de audio relativamente corta en el aire. La longitud de onda en el aire del ruido sinusoidal a aproximadamente 800 Hz es el doble de la distancia entre el oído izquierdo y el derecho de una persona; Este tipo de ruido que proviene directamente del frente se reducirá fácilmente con un sistema activo, pero que proviene de un lado tenderá a cancelarse en un oído mientras se refuerza en el otro, haciendo que el ruido sea más fuerte, no más suave. Los sonidos de alta frecuencia por encima de 1000 Hz tienden a cancelarse y reforzarse de manera impredecible desde muchas direcciones. En resumen, la reducción de ruido más eficaz en el espacio tridimensional implica sonidos de baja frecuencia. Las aplicaciones comerciales de reducción de ruido 3-D incluyen la protección de cabinas de aviones e interiores de automóviles, pero en estas situaciones, la protección se limita principalmente a la cancelación de ruido repetitivo (o periódico), como el ruido inducido por el motor, la hélice o el rotor. Esto se debe a que la naturaleza cíclica de un motor hace que el análisis y la cancelación de ruido sean más fáciles de aplicar.

Los teléfonos móviles modernos utilizan un diseño de varios micrófonos para cancelar el ruido ambiental de la señal de voz. El sonido se captura desde el micrófono (s) más alejado de la boca [señal (es) de ruido] y desde el más cercano a la boca [señal deseada]. Las señales se procesan para cancelar el ruido de la señal deseada, produciendo una calidad de sonido de voz mejorada.

En algunos casos, el ruido se puede controlar empleando un control de vibración activo . Este enfoque es apropiado cuando la vibración de una estructura produce un ruido no deseado al acoplar la vibración al aire o al agua circundante.

Control de ruido activo frente a pasivo

El control de ruido es un medio activo o pasivo de reducir las emisiones de sonido, a menudo por comodidad personal, consideraciones ambientales o cumplimiento legal. El control de ruido activo es la reducción del sonido mediante una fuente de alimentación. El control de ruido pasivo es la reducción del sonido mediante materiales aislantes del ruido, como aislamiento, baldosas que absorben el sonido o un silenciador en lugar de una fuente de alimentación.

La cancelación activa de ruido es la más adecuada para bajas frecuencias. Para frecuencias más altas, los requisitos de espacio para las técnicas de espacio libre y zona de silencio se vuelven prohibitivos. En los sistemas basados ​​en conductos y cavidades acústicas, el número de nodos crece rápidamente a medida que aumenta la frecuencia, lo que rápidamente hace que las técnicas de control de ruido activo sean inmanejables. Los tratamientos pasivos se vuelven más efectivos a frecuencias más altas y, a menudo, brindan una solución adecuada sin la necesidad de un control activo.

Historia

Prueba de gestión electrónica del ruido en Viena, 1973

La primera patente para un sistema de control de ruido se otorgó al inventor Paul Lueg Patente estadounidense 2.043.416 en 1936. La patente describe cómo cancelar tonos sinusoidales en conductos haciendo avanzar la fase de la onda y cancelando sonidos arbitrarios en la región alrededor de un altavoz invirtiendo la polaridad . En la década de 1950, Lawrence J. Fogel patentó sistemas para cancelar el ruido en las cabinas de los helicópteros y aviones. En 1957, Willard Meeker desarrolló un modelo funcional de control activo del ruido aplicado a una orejera circumaural. Este auricular tenía un ancho de banda de atenuación activa de aproximadamente 50-500 Hz, con una atenuación máxima de aproximadamente 20 dB. A fines de la década de 1980, estuvieron disponibles los primeros auriculares con reducción activa de ruido disponibles comercialmente. Podrían funcionar con baterías de NiCad o directamente desde el sistema de energía de la aeronave.

Ver también

Referencias

enlaces externos