Control activo del ruido

El control activo del ruido ( ANC ), también conocido como cancelación de ruido ( NC ) o reducción activa del ruido ( 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 fines de la década de 1930; el trabajo de desarrollo posterior que comenzó en la década de 1950 finalmente dio como resultado los auriculares para aerolíneas comerciales , y la tecnología estuvo disponible a fines de la década de 1980. La tecnología también se utiliza en vehículos de carretera, teléfonos móviles , auriculares y cascos.

El sonido es una onda de presión , que consiste en períodos alternos de compresión y rarefacción . Un altavoz con cancelación de ruido emite una onda de sonido con la misma amplitud pero con una 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 se cancelan entre sí de manera efectiva, un efecto que se llama interferencia destructiva .

El control activo del ruido moderno se logra generalmente 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 y, luego, según el algoritmo específico, generar una señal que cambiará la 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, lo que crea una interferencia destructiva. Esto reduce de manera efectiva el volumen del ruido perceptible.

Un altavoz de cancelación de ruido puede ubicarse junto a la fuente de sonido que se desea 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 atenuar el sonido (por ejemplo, el oído del usuario). Esto requiere un nivel de potencia mucho menor para la cancelación, pero es efectivo solo para un solo usuario. La cancelación de ruido en otros lugares 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 mientras se duplica el ruido en otros. En espacios cerrados pequeños (por ejemplo, el compartimiento de pasajeros de un automóvil), se puede lograr una reducción de ruido global a través de múltiples altavoces y micrófonos de retroalimentación , y la medición de las respuestas modales del recinto.

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 unidimensional es más sencilla y requiere sólo uno o dos micrófonos y altavoces para ser efectiva. Varias aplicaciones comerciales han tenido éxito: auriculares con cancelación de ruido , silenciadores activos , dispositivos antirronquidos , extracción vocal o del canal central para máquinas de karaoke y el control del ruido en los 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 tridimensional requiere muchos micrófonos y altavoces, lo que la hace más cara. La reducción de ruido se logra más fácilmente con un solo oyente que permanece inmóvil, pero si hay varios oyentes o si el único oyente gira la cabeza o se mueve por todo el espacio, entonces 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 del oído izquierdo de la persona promedio al oído derecho; ^[1] un ruido de este tipo que viene directamente del frente se reducirá fácilmente con un sistema activo, pero que viene del lado tenderá a cancelarse en un oído mientras se refuerza en el otro, haciendo que el ruido sea más fuerte, no más suave. ^[a] 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 efectiva en el espacio tridimensional involucra sonidos de baja frecuencia. Las aplicaciones comerciales de la reducción de ruido 3D 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 múltiples micrófonos para cancelar el ruido ambiental de la señal de voz. El sonido se captura desde el micrófono o los micrófonos más alejados de la boca (la señal de ruido) y desde el más cercano a la boca (la señal deseada). Las señales se procesan para cancelar el ruido de la señal deseada, lo que produce una calidad de sonido de voz mejorada.

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

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

La cancelación activa de ruido es más adecuada para frecuencias bajas. Para frecuencias más altas, los requisitos de espaciado para las técnicas de espacio libre y zona de silencio se vuelven prohibitivos. En los sistemas acústicos basados ​​en cavidades y conductos, la cantidad de nodos crece rápidamente con el aumento de la frecuencia, lo que rápidamente hace que las técnicas de control activo del ruido 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. ^[2]

La primera patente para un sistema de control de ruido ( patente estadounidense 2.043.416 ) fue otorgada al inventor Paul Lueg en 1936. La patente describía cómo cancelar tonos sinusoidales en conductos mediante el avance de fase de la onda y la cancelación de sonidos arbitrarios en la región alrededor de un altavoz invirtiendo la polaridad. ^[3] En la década de 1950, Lawrence J. Fogel patentó sistemas para cancelar el ruido en las cabinas de mando de helicópteros y aviones. En 1957, Willard Meeker desarrolló un modelo funcional de control activo del ruido aplicado a un protector auditivo circumaural. Este auricular tenía un ancho de banda de atenuación activa de aproximadamente 50–500 Hz, con una atenuación máxima de aproximadamente 20 dB. ^[3] A fines de la década de 1980, aparecieron los primeros auriculares con reducción activa de ruido disponibles comercialmente. Podían ser alimentados por baterías de NiCad o directamente desde el sistema de energía de la aeronave.

• Diseño de sonido activo
• Cancelación de ruido adaptativa
• Coherencia (física)
• Micrófono con cancelación de ruido
• Auriculares con cancelación de ruido

• Físicos de BYU silencian ventiladores en computadoras y equipos de oficina
• Anti-ruido, silenciamiento del entorno con tecnología de cancelación activa del ruido, IEEE Potentials , abril de 1992
• Preguntas frecuentes sobre la ANC de Christopher E. Ruckman (esta página se creó en 1994 y se mantuvo hasta aproximadamente 2010, pero ya no está activa).
• Ondas de silencio: Digisonix, control activo del ruido y la revolución digital Archivado el 4 de marzo de 2016 en Wayback Machine