Жағымсыз дыбысты азайту әдісі: белсенді шуды басу (ANC) технологиясы. Дыбыстың қарсы толқынын жасау арқылы қандай дауыс жойылады. Наушниктерде қолданылады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Қажетсіз дыбысты азайту әдісі
Method for reducing unwanted sound
Белсенді шуды бақылау (ANC), сондай-ақ шуды жою (NC) немесе белсенді шуды азайту (ANR) деп те аталатын, бірінші дыбысты жоюға арналған екінші дыбысты қосу арқылы қажетсіз дыбысты азайту тәсілі. Бұл идея алғаш рет 1930 жылдардың соңында пайда болды; 1950 жылдары басталған одан әрі дамыту жұмыстары нәтижесінде коммерциялық авиациялық гарнитуралар құрылды, ал технология 1980 жылдардың соңында қолжетімді болды. Бұл технология автомобильдерде, ұялы телефондарда, құлаққаптарда және наушниктерде де қолданылады.
Active noise control (ANC), also known as noise cancellation (NC), or active noise reduction (ANR), is a method for reducing unwanted sound by the addition of a second sound specifically designed to cancel the first. The concept was first developed in the late 1930s; later developmental work that began in the 1950s eventually resulted in commercial airline headsets with the technology becoming available in the late 1980s. The technology is also used in road vehicles, mobile telephones, earbuds, and headphones.
Түсіндірме
Дыбыс – қысым толқыны, ол қысылу мен сирету кезеңдерінің кезектесуінен тұрады. Шуды жою динамигі бастапқы дыбысқа қатысты бірдей амплитудалы, бірақ кері фазалы (антифаза деп те аталады) дыбыс толқынын шығарады. Толқындар араласып, интерференция деп аталатын жаңа толқынды құрайды және тиімді түрде бір-бірін жояды – бұл әсер деструктивті интерференция деп аталады. Қазіргі заманғы активті шуды бақылау көбінесе аналогтық схемалар немесе цифрлық сигналды өңдеу арқылы жүзеге асырылады. Адаптивті алгоритмдер фондық дыбыстық немесе дыбыссыз шудың толқын формасын талдау үшін жасалған, содан кейін нақты алгоритмге сүйене отырып, бастапқы сигналдың фазасын өзгертетін немесе полярлығын инверттейтін сигналды жасайды. Бұл инверттелген сигнал (антифазалық) күшейтіліп, түрлендіргіш бастапқы толқынның амплитудасына пропорционал дыбыс толқынын жасайды, деструктивті интерференцияны тудырады. Бұл қабылданатын шудың күшін тиімді түрде азайтады. Шуды жою динамигі күшейтілуі тиіс дыбыс көзімен бірге орналасуы мүмкін. Бұл жағдайда, жағымсыз дыбысты жою үшін оның дыбыс қуаты бастапқы дыбыс көзімен бірдей болуы керек. Балама ретінде, жою сигналын шығаратын түрлендіргіш дыбысты басу қажетті жерде орналасуы мүмкін (мысалы, пайдаланушының құлағында). Бұл жою үшін әлдеқайда төмен қуат деңгейін қажет етеді, бірақ тек бір пайдаланушы үшін тиімді. Басқа жерлерде шуды жою қиын, өйткені жағымсыз дыбыс пен жою сигналының үш өлшемді толқын фронттары сәйкес келіп, конструктивті және деструктивті интерференцияның кезектесетін аймақтарын құруы мүмкін, бұл кейбір жерлерде шуды азайтады, ал басқаларында екі есе арттырады. Шағын жабық кеңістіктерде (мысалы, автомобильдің жолаушылар салонында) бірнеше динамиктер мен кері байланыс микрофондары арқылы және корпустың модальдық жауаптарын өлшеу арқылы жаппай шуды азайтуға қол жеткізілуі мүмкін.
Sound is a pressure wave, which consists of alternating periods of compression and rarefaction. A noise cancellation speaker emits a sound wave with the same amplitude but with inverted phase (also known as antiphase) relative to the original sound. The waves combine to form a new wave, in a process called interference, and effectively cancel each other out – an effect which is called destructive interference. Modern active noise control is generally achieved through the use of analog circuits or digital signal processing. Adaptive algorithms are designed to analyze the waveform of the background aural or nonaural noise, then based on the specific algorithm generate a signal that will either phase shift or invert the polarity of the original signal. This inverted signal (in antiphase) is then amplified and a transducer creates a sound wave directly proportional to the amplitude of the original waveform, creating destructive interference. This effectively reduces the volume of the perceivable noise. A noise cancellation speaker may be co located with the sound source to be attenuated. In this case it must have the same audio power level as the source of the unwanted sound in order to cancel the noise. Alternatively, the transducer emitting the cancellation signal may be located at the location where sound attenuation is wanted (e. g. the user's ear). This requires a much lower power level for cancellation but is effective only for a single user. Noise cancellation at other locations is more difficult as the three dimensional wavefronts of the unwanted sound and the cancellation signal could match and create alternating zones of constructive and destructive interference, reducing noise in some spots while doubling noise in others. In small enclosed spaces (e. g. the passenger compartment of a car) global noise reduction can be achieved via multiple speakers and feedback microphones, and measurement of the modal responses of the enclosure.
Қолданбалар
Қолданбалар қорғалатын аймақтың түріне байланысты "1 өлшемді" немесе 3 өлшемді болуы мүмкін. Кездейсоқ дыбыстарға қарағанда, тіпті күрделі дыбыстардың да, толқын түріндегі қайталануына байланысты жою оңайырақ. "1 өлшемді аймақты" қорғау оңайырақ және тиімді болу үшін тек бір немесе екі микрофон мен динамиктер қажет. Шуды жою құлаққаптары, белсенді дыбыс өшіргіштер, құрғақуға қарсы құрылғылар, караоке машиналары үшін дауыстық немесе орталық арнаны алу және ауа баптау құбырларындағы шуды бақылау сияқты бірнеше коммерциялық қолданулар сәтті болды. "1 өлшем" термині шу мен белсенді динамик (механикалық шуды азайту) немесе белсенді динамик пен тыңдаушы (құлақ аспаптары) арасындағы қарапайым поршеньдік қатынасты білдіреді. 3 өлшемді аймақты қорғау үшін көптеген микрофондар мен динамиктер қажет, бұл оны қымбат етеді. Дауысты азайту бір тыңдаушы тоқталып тұрғанда оңайырақ, бірақ бірнеше тыңдаушы болса немесе тыңдаушы басын бұрса немесе кеңістікте қозғалса, шуды азайту қиынға соғады. Жоғары жиілікті толқындарды үш өлшемде қысқарту қиын, себебі ауадағы аудио толқын ұзындығы салыстырмалы түрде қысқа. Шамамен 800 Гц жиілікті синусоидты шудың ауадағы толқын ұзындығы орташа адамның сол құлағынан оң құлағына дейінгі қашықтықтың екі есеге тең; мұндай шу тікелей алдыңғы жағынан келгенде белсенді жүйе оңай азайтады, бірақ бүйірден келгенде бір құлақта жойылып, екіншісінде күшейеді, шуды жұмсақ емес, қаттырақ етеді. 1000 Гц-тен жоғары жиілікті дыбыстар көптеген бағыттардан болжамсыз жойылып, күшейеді. Қорыта айтқанда, үш өлшемді кеңістіктегі шуды азайтудың ең тиімді әдісі төмен жиілікті дыбыстарды қамтиды. 3D шуды азайтудың коммерциялық қолдануы әуе кемелерінің кабиналарын және автомобильдердің ішкі бөлмелерін қорғауды қамтиды, бірақ бұл жағдайларда қорғау негізінен қозғалтқыш, винт немесе ротордың шуы сияқты қайталанатын (немесе мерзімді) шуды жоюмен шектеледі. Бұл қозғалтқыштың циклдік табиғаты талдауды және шуды жоюды қолдануды оңайлатады. Қазіргі заманғы ұялы телефондар айналадағы шуды сөз сигналдарынан алып тастау үшін көп микрофонды жүйені пайдаланады. Дыбыс ауыздан ең алыс орналасқан микрофоннан (шу сигналы) және ауызға ең жақын орналасқан микрофоннан (керекті сигнал) алынады. Сигналдар керекті сигналдан шуды жою үшін өңделеді, сөйлеу сапасы жақсарады. Кейбір жағдайларда шуды белсенді дірілді басқару арқылы бақылауға болады. Бұл тәсіл құрылыстың дірілі қоршаған ауаға немесе суға берілгенде жағымсыз шу тудыратын жағдайда қолданылады.
Applications can be "1 dimensional" or 3 dimensional, depending on the type of zone to protect. Periodic sounds, even complex ones, are easier to cancel than random sounds due to the repetition in the wave form. Protection of a "1 dimension zone" is easier and requires only one or two microphones and speakers to be effective. Several commercial applications have been successful: noise cancelling headphones, active mufflers, anti snoring devices, vocal or center channel extraction for karaoke machines, and the control of noise in air conditioning ducts. The term "1 dimension" refers to a simple pistonic relationship between the noise and the active speaker (mechanical noise reduction) or between the active speaker and the listener (headphones). Protection of a 3 dimension zone requires many microphones and speakers, making it more expensive. Noise reduction is more easily achieved with a single listener remaining stationary but if there are multiple listeners or if the single listener turns their head or moves throughout the space then the noise reduction challenge is made much more difficult. High frequency waves are difficult to reduce in three dimensions due to their relatively short audio wavelength in air. The wavelength in air of sinusoidal noise at approximately 800 Hz is double the distance of the average person's left ear to the right ear; such a noise coming directly from the front will be easily reduced by an active system but coming from the side will tend to cancel at one ear while being reinforced at the other, making the noise louder, not softer. High frequency sounds above 1000 Hz tend to cancel and reinforce unpredictably from many directions. In sum, the most effective noise reduction in three dimensional space involves low frequency sounds. Commercial applications of 3 D noise reduction include the protection of aircraft cabins and car interiors, but in these situations, protection is mainly limited to the cancellation of repetitive (or periodic) noise such as engine , propeller or rotor induced noise. This is because an engine's cyclic nature makes analysis and the noise cancellation easier to apply. Modern mobile phones use a multi microphone design to cancel out ambient noise from the speech signal. Sound is captured from the microphone(s) furthest from the mouth [noise signal(s)] and from one closest to the mouth [desired signal]. The signals are processed to cancel the noise from the desired signal, producing improved voice sound quality. In some cases, noise can be controlled by employing active vibration control. This approach is appropriate when vibration of a structure produces unwanted noise by coupling the vibration into the surrounding air or water.
Белсенді және пассивті шуды бақылау
Шуды бақылау – бұл дыбыс шығарылымдарын азайтудың белсенді немесе пассивті тәсілі, көбінесе жеке жайлылық, қоршаған ортаны ескеру немесе заң талаптарын орындау үшін қолданылады. Активті шуды бақылау – электр қуатын пайдаланып дыбысты азайту. Пассивті шуды бақылау – қуат көзіне емес, дыбысты оқшаулайтын материалдар, мысалы, изоляция, дыбыс сіңіретін плиткалар немесе глушитель арқылы дыбысты азайту. Активті шуды жою төмен жиіліктер үшін тиімдірек. Жоғары жиіліктерде бос кеңістік пен үнсіздік аймағы үшін қажетті аралықтар тым үлкен болып шығады. Акустикалық қуыстар мен арналарға негізделген жүйелерде түйіндердің саны жиілік артумен тез өседі, бұл активті шуды бақылау әдістерін басқаруды қиындатады. Пассивті шаралар жоғары жиіліктерде тиімдірек болады және көбінесе активті бақылау қажет болмайтын жеткілікті шешім ұсынады.
Noise control is an active or passive means of reducing sound emissions, often for personal comfort, environmental considerations or legal compliance. Active noise control is sound reduction using a power source. Passive noise control is sound reduction by noise isolating materials such as insulation, sound absorbing tiles, or a muffler rather than a power source. Active noise cancelling is best suited for low frequencies. For higher frequencies, the spacing requirements for free space and zone of silence techniques become prohibitive. In acoustic cavity and duct based systems, the number of nodes grows rapidly with increasing frequency, which quickly makes active noise control techniques unmanageable. Passive treatments become more effective at higher frequencies and often provide an adequate solution without the need for active control.
Тарих
Шуды басқару жүйесіне арналған алғашқы патент 1936 жылы өнертапқыш Пол Люгке берілді. Патентте толқынды фазалық түрде озыстыру арқылы каналдардағы синусоидты дыбыстарды жою және полярлығын кері бұру арқылы динамик маңындағы кез келген дыбыстарды жою қалай жасалатыны сипатталған. 1950 жылдары Лоуренс Дж. Фогель тікұшақтар мен ұшақтардың кабиналарындағы шуды жою жүйелерін патенттеді. 1957 жылы Уиллард Микер құлаққапқа қолданылатын белсенді шуды басқарудың жұмыс үлгісін жасады. Бұл құлаққаптың белсенді әлсірету жиілік диапазоны шамамен 50–500 Гц, ал максималды әлсірету шамамен 20 дБ құрады. 1980 жылдардың соңында коммерциялық түрде қолжетімді алғашқы белсенді шуды азайту гарнитуралары пайда болды. Олар NiCad батареяларымен немесе тікелей ұшақтың қуат жүйесінен қуат алатын болды.
The first patent for a noise control system——was granted to inventor Paul Lueg in 1936. The patent described how to cancel sinusoidal tones in ducts by phase advancing the wave and cancelling arbitrary sounds in the region around a loudspeaker by inverting the polarity. In the 1950s Lawrence J. Fogel patented systems to cancel the noise in helicopter and airplane cockpits. In 1957 Willard Meeker developed a working model of active noise control applied to a circumaural earmuff. This headset had an active attenuation bandwidth of approximately 50–500 Hz, with a maximum attenuation of approximately 20 dB. By the late 1980s the first commercially available active noise reduction headsets became available. They could be powered by NiCad batteries or directly from the aircraft power system.