Активный контроль шума ( ANC ), также известный как шумоподавление ( NC ) или активное шумоподавление ( ANR ), представляет собой метод снижения нежелательного звука путем добавления второго звука, специально разработанного для подавления первого. Концепция была впервые разработана в конце 1930-х годов; более поздние опытно-конструкторские работы, начавшиеся в 1950-х годах, в конечном итоге привели к появлению гарнитур для коммерческих авиакомпаний, а технология стала доступна в конце 1980-х годов. Эта технология также используется в дорожных транспортных средствах, мобильных телефонах , наушниках-капельках и наушниках-вкладышах.
Звук — это волна давления , которая состоит из чередующихся периодов сжатия и разрежения . Динамик с шумоподавлением излучает звуковую волну с той же амплитудой , 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 .
Современное активное шумоподавление обычно достигается за счет использования аналоговых схем или цифровой обработки сигнала . Адаптивные алгоритмы предназначены для анализа формы волны фонового слухового или неслухового шума, затем на основе определенного 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 исходной формы волны, создавая деструктивную интерференцию. Это эффективно снижает громкость воспринимаемого шума.
Шумоподавляющий динамик 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. В качестве альтернативы, преобразователь, излучающий сигнал подавления, может быть расположен в месте, где требуется ослабление звука (например, ухо пользователя). Это требует гораздо более низкого уровня мощности для подавления, 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 конструктивной и деструктивной интерференции, снижая шум в некоторых местах и удваивая шум в других. В небольших замкнутых пространствах (например, пассажирский салон автомобиля) глобальное шумоподавление может быть достигнуто с помощью нескольких динамиков и микрофонов обратной связи , а также измерения модальных откликов корпуса.
Приложения могут быть одномерными или трехмерными, в зависимости от типа защищаемой зоны. Периодические звуки, даже сложные, легче подавить, чем случайные звуки, из-за повторения в форме волны.
Защита одномерной зоны проще и требует только одного или двух микрофонов и динамиков для эффективности. Несколько коммерческих приложений были успешными: шумоподавляющие наушники , активные глушители , устройства против храпа , извлечение вокала или центрального канала для караоке-машин и контроль шума в воздуховодах систем кондиционирования воздуха. Термин «одномерность» относится к простому поршневому отношению между шумом и активным динамиком (механическое шумоподавление) или между активным динамиком и слушателем (наушники).
Защита трехмерной зоны требует много микрофонов и динамиков, что делает ее более дорогой. Шумоподавление легче достичь, когда один слушатель остается неподвижным, но если есть несколько слушателей или если один слушатель поворачивает голову или перемещается по пространству, то задача шумоподавления значительно усложняется. Высокочастотные волны трудно подавить в трех измерениях из-за их относительно короткой звуковой длины волны в воздухе. Длина волны в воздухе синусоидального шума примерно в 800 Гц в два раза больше расстояния от левого уха среднего человека до правого уха; [1] такой шум, идущий прямо спереди, будет легко подавлен активной системой, но идущий сбоку будет иметь тенденцию подавляться в одном ухе и усиливаться в другом, делая шум громче, а не тише. [a] Высокочастотные звуки выше 1000 Гц имеют тенденцию непредсказуемо подавляться и усиливаться со многих направлений. Подводя итог, можно сказать, что наиболее эффективное шумоподавление в трехмерном пространстве связано с низкочастотными звуками. Коммерческие приложения 3-D шумоподавления включают защиту салонов самолетов и автомобилей, но в этих ситуациях защита в основном ограничивается подавлением повторяющегося (или периодического) шума, такого как шум двигателя, пропеллера или ротора. Это связано с тем, что циклическая природа двигателя упрощает анализ и шумоподавление.
Современные мобильные телефоны используют конструкцию с несколькими микрофонами для подавления окружающего шума из речевого сигнала. Звук захватывается с микрофона(ов), наиболее удаленного ото рта (шумовой сигнал(ы)) и с микрофона, наиболее близкого ко рту (желаемый сигнал). Сигналы обрабатываются для подавления шума из желаемого сигнала, что обеспечивает улучшенное качество звука голоса.
В некоторых случаях шум можно контролировать, используя активный контроль вибрации . Этот подход уместен, когда вибрация конструкции производит нежелательный шум, связывая вибрацию с окружающим воздухом или водой.
Шумоподавление — это активный или пассивный способ снижения уровня шума, часто для личного комфорта, экологических соображений или соответствия законодательству. Активное шумоподавление — это снижение уровня шума с помощью источника питания. Пассивное шумоподавление — это снижение уровня звука с помощью шумоизолирующих материалов, таких как изоляция, звукопоглощающая плитка или глушитель , а не источника питания.
Активное шумоподавление лучше всего подходит для низких частот. Для более высоких частот требования к расстоянию для методов свободного пространства и зоны тишины становятся непомерными. В акустических системах на основе резонаторов и воздуховодов количество узлов быстро растет с ростом частоты, что быстро делает методы активного контроля шума неуправляемыми. Пассивные методы становятся более эффективными на более высоких частотах и часто обеспечивают адекватное решение без необходимости активного контроля. [2]
.jpg/1280px-Electronen-politie_bestrijdt_lawaai_in_Wenen,_Bestanddeelnr_926-2980_(cropped).jpg)
Первый патент на систему шумоподавления — патент США 2 043 416 — был выдан изобретателю Полу Люэгу в 1936 году. В патенте описывалось, как подавлять синусоидальные тоны в воздуховодах путем фазового опережения волны и подавлять произвольные звуки в области вокруг громкоговорителя путем инвертирования полярности. [3] В 1950-х годах Лоуренс Дж. Фогель запатентовал системы для подавления шума в кабинах вертолетов и самолетов. В 1957 году Уиллард Микер разработал рабочую модель активного шумоподавления, применяемую к охватывающим наушникам. Эта гарнитура имела активную полосу пропускания затухания приблизительно 50–500 Гц с максимальным затуханием приблизительно 20 дБ. [3] К концу 1980-х годов появились первые коммерчески доступные гарнитуры с активным шумоподавлением. Они могли питаться от никель-кадмиевых батарей или напрямую от системы электропитания самолета.