Активный контроль шума

Активный контроль шума ( ANC ), также известный как шумоподавление ( NC ) или активное шумоподавление ( ANR ), представляет собой метод уменьшения нежелательного звука путем добавления второго звука, специально предназначенного для подавления первого. Эта концепция была впервые разработана в конце 1930-х годов; более поздние разработки, начавшиеся в 1950-х годах, в конечном итоге привели к созданию для коммерческих авиакомпаний гарнитур , а технология стала доступной в конце 1980-х. Эта технология также используется в дорожных транспортных средствах, мобильных телефонах , наушниках и наушниках.

Объяснение

Звук представляет собой волну давления , состоящую из чередующихся периодов сжатия и разрежения . Динамик с шумоподавлением излучает звуковую волну той же амплитуды , но с инвертированной фазой (также известной как противофаза ) относительно исходного звука. Волны объединяются, образуя новую волну в процессе, называемом интерференцией , и эффективно нейтрализуют друг друга – эффект, который называется деструктивной интерференцией .

Современный активный контроль шума обычно достигается за счет использования аналоговых схем или цифровой обработки сигналов . Адаптивные алгоритмы предназначены для анализа формы фонового слухового или неаурального шума, а затем на основе конкретного алгоритма генерируют сигнал, который либо сдвигает фазу, либо инвертирует полярность исходного сигнала. Этот инвертированный сигнал (в противофазе) затем усиливается, и преобразователь создает звуковую волну, прямо пропорциональную амплитуде исходного сигнала, создавая деструктивную интерференцию. Это эффективно снижает громкость воспринимаемого шума.

Динамик шумоподавления может быть расположен рядом с источником звука, который необходимо приглушить . В этом случае он должен иметь тот же уровень мощности звука, что и источник нежелательного звука, чтобы подавить шум. Альтернативно, преобразователь, излучающий сигнал подавления, может быть расположен в месте, где требуется ослабление звука (например, в ухе пользователя). Это требует гораздо более низкого уровня мощности для отмены, но эффективно только для одного пользователя. Шумоподавление в других местах сложнее, поскольку трехмерные волновые фронты нежелательного звука и сигнала подавления могут совпадать и создавать чередующиеся зоны конструктивных и деструктивных помех, уменьшая шум в одних местах и удваивая шум в других. В небольших закрытых помещениях (например, в пассажирском салоне автомобиля) общего снижения шума можно добиться с помощью нескольких динамиков и микрофонов обратной связи , а также измерения модальных характеристик корпуса.

Приложения

Приложения могут быть «одномерными» или трехмерными, в зависимости от типа защищаемой зоны. Периодические звуки, даже сложные, легче отменить, чем случайные звуки, из-за повторения формы волны.

Защита «одномерной зоны» проще и для эффективности требует всего лишь одного или двух микрофонов и динамиков. Несколько коммерческих применений оказались успешными: наушники с шумоподавлением , активные глушители , устройства против храпа , извлечение вокала или центрального канала для караоке-машин , а также контроль шума в воздуховодах кондиционирования воздуха. Термин «1-мерность» относится к простой поршневой взаимосвязи между шумом и активным динамиком (механическое шумоподавление) или между активным динамиком и слушателем (наушники).

Защита трехмерной зоны требует большого количества микрофонов и динамиков, что делает ее более дорогостоящей. Снижения шума легче достичь, если один слушатель остается неподвижным, но если слушателей несколько, или если один слушатель поворачивает голову или перемещается по пространству, задача снижения шума значительно усложняется. Высокочастотные волны трудно уменьшить в трех измерениях из-за их относительно короткой длины волны звука в воздухе. Длина волны синусоидального шума в воздухе примерно 800 Гц вдвое превышает расстояние от левого уха среднего человека до правого уха; ^[1] такой шум, исходящий непосредственно спереди, будет легко подавлен активной системой, но шум, исходящий сбоку, будет подавляться в одном ухе и усиливаться в другом, делая шум громче, а не тише. ^[а] Высокочастотные звуки выше 1000 Гц имеют тенденцию непредсказуемо подавляться и усиливаться со многих сторон. В общем, наиболее эффективное шумоподавление в трехмерном пространстве связано с низкочастотными звуками. Коммерческое применение трехмерного шумоподавления включает защиту салонов самолетов и салонов автомобилей, но в этих ситуациях защита в основном ограничивается подавлением повторяющихся (или периодических) шумов, таких как шум двигателя, пропеллера или несущего винта. Это связано с тем, что циклический характер двигателя упрощает применение анализа и шумоподавления.

В современных мобильных телефонах используется конструкция с несколькими микрофонами для подавления окружающего шума в речевом сигнале. Звук захватывается с микрофона(ов), наиболее удаленного ото рта [шумовой сигнал(ы)] и с микрофона, расположенного ближе всего ко рту [желаемый сигнал]. Сигналы обрабатываются для подавления шума из полезного сигнала, обеспечивая улучшенное качество звука голоса. ^{[ нужна ссылка ]}

В некоторых случаях шум можно контролировать с помощью активного контроля вибрации . Этот подход подходит, когда вибрация конструкции создает нежелательный шум, связывая вибрацию с окружающим воздухом или водой.

Активный и пассивный контроль шума

Контроль шума — это активное или пассивное средство снижения уровня шума, часто для личного комфорта, экологических соображений или соблюдения законодательства. Активный шумоподавление — это снижение звука с помощью источника питания. Пассивный контроль шума — это снижение звука с помощью шумоизолирующих материалов, таких как изоляция, звукопоглощающая плитка или глушитель , а не источник питания.

Активное шумоподавление лучше всего подходит для низких частот. Для более высоких частот требования к свободному пространству и методам зон тишины становятся непомерно высокими. В системах на основе акустических полостей и воздуховодов количество узлов быстро растет с увеличением частоты, что быстро делает методы активного контроля шума неуправляемыми. Пассивное лечение становится более эффективным при более высоких частотах и часто обеспечивает адекватное решение без необходимости активного контроля. ^[2]

История

Первый патент на систему контроля шума — патент США 2 043 416 — был выдан изобретателю Полу Люгу в 1936 году. В патенте описывалось, как подавлять синусоидальные тоны в воздуховодах путем фазового продвижения волны и подавлять произвольные звуки в области вокруг громкоговорителя путем инвертирования. полярность. ^[3] В 1950-х годах Лоуренс Дж. Фогель запатентовал системы подавления шума в кабинах вертолетов и самолетов. В 1957 году Уиллард Микер разработал рабочую модель активного контроля шума, примененную к наушникам, расположенным вокруг уха. Эта гарнитура имела полосу активного затухания примерно 50–500 Гц с максимальным затуханием примерно 20 дБ. ^[3] К концу 1980-х годов стали доступны первые коммерческие гарнитуры с активным шумоподавлением. Они могли питаться от никель-кадмиевых аккумуляторов или напрямую от бортовой сети самолета.

См. также

Примечания

^ Средняя голова составляет около 21,5 см (8,5 дюйма) от уха до уха. Если предположить, что скорость звука составляет 343 метра в секунду (1125 футов в секунду), то полная длина волны тона частотой 1600 Гц достигает от уха до уха. Тон с половиной этой частоты, 800 Гц, имеет длину волны в два раза длиннее. Один такой тон, исходящий сбоку, появится в двух ушах, сдвинутых по фазе на 180 градусов — одно ухо по сравнению с другим. Звук активного шумоподавления, исходящий под другим углом, не сможет заглушить исходный тон в обоих ушах одновременно.

Ссылки

^ Мойлан, Уильям (2006). Понимание и создание микса: искусство записи . Фокальная пресса. п. 26. ISBN 0-240-80755-3 .
^ «Активный шумоподавление» (PDF) . медиалаб . Декабрь 2005 г. Архивировано из оригинала (PDF) 26 апреля 2012 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Уркхарт, Райан Л. (24 апреля 2002 г.). «Оценка улучшенного микрофона с активным шумоподавлением с использованием тестирования разборчивости речи и тестирования на основе характеристик, без даты» (PDF) . hdl : 10919/27111 . Архивировано из оригинала 26 октября 2015 г. Проверено 23 сентября 2020 г.

Внешние ссылки

Физики УБЯ успокоили вентиляторы в компьютерах и оргтехнике
Антишум, успокоение окружающей среды с помощью технологии активного шумоподавления , IEEE Potentials , апрель 1992 г.
Часто задаваемые вопросы по АНК Кристофера Э. Ракмана (Эта страница была создана в 1994 году и поддерживалась примерно до 2010 года, но больше не активна.)
Волны тишины: Digisonix, активный контроль шума и цифровая революция. Архивировано 4 марта 2016 г. в Wayback Machine.

[2] Средняя голова составляет около 21,5 см (8,5 дюйма) от уха до уха. Если предположить, что скорость звука составляет 343 метра в секунду (1125 футов в секунду), то полная длина волны тона частотой 1600 Гц достигает от уха до уха. Тон с половиной этой частоты, 800 Гц, имеет длину волны в два раза длиннее. Один такой тон, исходящий сбоку, появится в двух ушах, сдвинутых по фазе на 180 градусов — одно ухо по сравнению с другим. Звук активного шумоподавления, исходящий под другим углом, не сможет заглушить исходный тон в обоих ушах одновременно.

[1] Мойлан, Уильям (2006). Понимание и создание микса: искусство записи . Фокальная пресса. п. 26. ISBN 0-240-80755-3 .

[3] «Активный шумоподавление» (PDF) . медиалаб . Декабрь 2005 г. Архивировано из оригинала (PDF) 26 апреля 2012 г.

[auto-4] Перейти обратно: ^а ^б Уркхарт, Райан Л. (24 апреля 2002 г.). «Оценка улучшенного микрофона с активным шумоподавлением с использованием тестирования разборчивости речи и тестирования на основе характеристик, без даты» (PDF) . hdl : 10919/27111 . Архивировано из оригинала 26 октября 2015 г. Проверено 23 сентября 2020 г.

[1]

[а]

[2]

[3]