Активное шумоподавление: технология снижения нежелательных звуков. Наушники, самолеты, телефоны. Принцип работы ANC – создание антифазной волны для компенсации шума.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Метод снижения нежелательного шума
Method for reducing unwanted sound
Активный контроль шума (ANC), также известный как шумоподавление (NC) или активное шумопоглощение (ANR), – это метод снижения нежелательного шума путем добавления второго звука, специально разработанного для подавления первого. Концепция была впервые разработана в конце 1930-х годов; последующая работа по разработке, начавшаяся в 1950-х годах, в конечном итоге привела к появлению коммерческих наушников для авиакомпаний, а технология стала доступна в конце 1980-х годов. Эта технология также используется в наземном транспорте, мобильных телефонах, внутриканальных наушниках и наушниках.
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.
Пояснение
Звук — это волна давления, состоящая из чередующихся периодов сжатия и разрежения. Динамик с шумоподавлением излучает звуковую волну с той же амплитудой, но с инвертированной фазой (также известной как антифаза) по отношению к исходному звуку. Волны объединяются, формируя новую волну в процессе, называемом интерференцией, и эффективно взаимно уничтожаются – эффект, называемый деструктивной интерференцией. Современное активное шумоподавление обычно достигается с помощью аналоговых схем или цифровой обработки сигналов. Адаптивные алгоритмы анализируют форму волны фонового слухового или неслышимого шума, а затем, на основе конкретного алгоритма, генерируют сигнал, который сдвигает фазу или инвертирует полярность исходного сигнала. Этот инвертированный сигнал (в антифазе) затем усиливается, и преобразователь создает звуковую волну, прямо пропорциональную амплитуде исходной формы волны, создавая деструктивную интерференцию. Это эффективно снижает громкость воспринимаемого шума. Динамик шумоподавления может быть расположен рядом с источником звука, который необходимо ослабить. В этом случае он должен иметь тот же уровень звуковой мощности, что и источник нежелательного звука, чтобы подавить шум. Альтернативно, преобразователь, излучающий сигнал шумоподавления, может быть расположен в месте, где требуется ослабление звука (например, в ухе пользователя). Это требует гораздо меньшей мощности для подавления, но эффективно только для одного пользователя. Шумоподавление в других местах более сложно, поскольку трехмерные волновые фронты нежелательного звука и сигнала шумоподавления могут совпадать, создавая чередующиеся зоны конструктивной и деструктивной интерференции, уменьшая шум в одних местах и усиливая его в других. В небольших закрытых пространствах (например, в салоне автомобиля) глобальное снижение шума можно достичь с помощью нескольких динамиков, микрофонов обратной связи и измерения модальных характеристик корпуса.
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.
Приложения
Применение может быть одномерным или трехмерным, в зависимости от типа зоны, которую необходимо защитить. Периодические звуки, даже сложные, легче подавить, чем случайные, из-за повторяемости в волновой форме. Защита "зоны 1 измерения" проще и требует для эффективной работы всего одного или двух микрофонов и динамиков. Несколько коммерческих применений оказались успешными: наушники с активным шумоподавлением, активные глушители, устройства против храпа, выделение вокала или центрального канала для караоке-машин и управление шумом в воздуховодах систем кондиционирования. Термин "1 измерение" относится к простой поршневой зависимости между шумом и активным динамиком (механическое снижение шума) или между активным динамиком и слушателем (наушники). Защита трехмерной зоны требует множества микрофонов и динамиков, что делает ее более дорогостоящей. Снижение шума легче достичь, когда один слушатель остается неподвижным, но если слушателей несколько или если слушатель поворачивает голову или перемещается в пространстве, задача снижения шума значительно усложняется. Высокочастотные волны трудно подавлять в трех измерениях из-за их относительно короткой длины звуковой волны в воздухе. Длина волны синусоидального шума в воздухе при частоте около 800 Гц вдвое превышает расстояние между левым и правым ухом у среднего человека; такой шум, идущий непосредственно спереди, будет легко подавлен активной системой, но приходящий сбоку будет иметь тенденцию к взаимному уничтожению в одном ухе и усилению в другом, делая шум громче, а не тише. Высокочастотные звуки выше 1000 Гц склонны к непредсказуемому взаимному уничтожению и усилению с разных направлений. В целом, наиболее эффективное снижение шума в трехмерном пространстве достигается с низкочастотными звуками. Коммерческие применения 3D-снижения шума включают защиту кабин самолетов и интерьеров автомобилей, но в этих случаях защита в основном ограничивается подавлением повторяющегося (или периодического) шума, такого как шум двигателя, винта или ротора. Это связано с тем, что цикличный характер работы двигателя облегчает анализ и применение шумоподавления. Современные мобильные телефоны используют многомикрофонную систему для подавления окружающего шума из речевого сигнала. Звук захватывается микрофонами, расположенными дальше всего от рта [шумовые сигналы], и микрофоном, расположенным ближе всего к рту [желаемый сигнал]. Сигналы обрабатываются для удаления шума из желаемого сигнала, что улучшает качество звука голоса. В некоторых случаях шум можно контролировать с помощью активного управления вибрацией. Этот подход целесообразен, когда вибрация конструкции создает нежелательный шум, передавая вибрацию в окружающий воздух или воду.
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.
Активный и пассивный контроль шума
Контроль шума – это активный или пассивный способ снижения звуковых выбросов, часто для обеспечения личного комфорта, в целях охраны окружающей среды или соблюдения нормативных требований. Активный контроль шума – это снижение шума с использованием источника энергии. Пассивный контроль шума – это снижение шума за счет звукоизоляционных материалов, таких как изоляция, звукопоглощающие плиты или глушитель, а не источника энергии. Активное шумоподавление наиболее эффективно для низких частот. Для высоких частот требования к расстояниям для методов свободного пространства и зоны тишины становятся чрезмерными. В акустических системах, основанных на полостях и воздуховодах, количество узлов быстро увеличивается с ростом частоты, что быстро делает методы активного контроля шума непрактичными. Пассивные методы становятся более эффективными на высоких частотах и часто обеспечивают достаточное решение без необходимости применения активного контроля.
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.
История
Первый патент на систему шумоподавления был выдан изобретателю Полу Луэгу в 1936 году. В патенте описывалось, как подавлять синусоидальные тоны в воздуховодах, сдвигая фазу волны, и подавлять произвольные звуки в области вокруг громкоговорителя, инвертируя полярность. В 1950-х годах Лоуренс Фогель запатентовал системы для подавления шума в кабинах вертолетов и самолетов. В 1957 году Уиллард Микер разработал рабочий прототип системы активного шумоподавления, примененный к наушникам с охватывающими амбушюрами. Эти наушники имели полосу активного подавления в диапазоне примерно 50–500 Гц, с максимальным подавлением около 20 дБ. К концу 1980-х годов появились первые коммерчески доступные наушники с активным шумоподавлением. Они могли питаться от аккумуляторов NiCad или непосредственно от бортовой энергосистемы самолета.
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.