Control activo de ruido

El control activo de ruido ( ANC ), también conocido como cancelación de ruido ( NC ) o reducción activa de 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 finales de la década de 1930; el trabajo de desarrollo posterior, que comenzó en la década de 1950, finalmente dio como resultado los auriculares de aviación, y la tecnología estuvo disponible a finales de la década de 1980. Esta tecnología también se utiliza en vehículos terrestres, teléfonos móviles , auriculares y audífonos .

El sonido es una onda de presión , que consiste en periodos alternos de compresión y rarefacción . Un altavoz con cancelación de ruido emite una onda sonora con la misma amplitud , pero con una fase invertida (también conocida como antifase ) respecto al sonido original. Las ondas se combinan para formar una nueva onda, en un proceso llamado interferencia , y se anulan mutuamente, un efecto conocido como interferencia destructiva .

El control activo de ruido moderno se logra generalmente mediante circuitos analógicos o procesamiento digital de señales . Los algoritmos adaptativos están diseñados para analizar la forma de onda del ruido ambiental, ya sea sonoro o no sonoro, y luego, según el algoritmo específico, generan una señal que desfasa o invierte la polaridad de la señal original. Esta señal invertida (en contrafase) se amplifica y un transductor crea una onda sonora directamente proporcional a la amplitud de la forma de onda original, generando interferencia destructiva. Esto reduce eficazmente el volumen del ruido perceptible.

Un altavoz con 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 poder cancelarlo. Alternativamente, el transductor que emite la señal de cancelación puede ubicarse en el lugar donde se desea atenuar el sonido (por ejemplo, en el oído del usuario). Esto requiere un nivel de potencia mucho menor para la cancelación, pero solo es efectivo para un único usuario. La cancelación de ruido en otras ubicaciones 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 y duplicándolo en otros. En espacios pequeños y cerrados (por ejemplo, el habitáculo de un automóvil), la reducción global del ruido se puede lograr mediante múltiples altavoces y micrófonos de retroalimentación , y la medición de las respuestas modales del recinto.

La primera patente para un sistema de control de ruido —la 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 cancelar sonidos arbitrarios en la región alrededor de un altavoz mediante la inversión de la polaridad. ^{[ 1 ]} En la década de 1950, Lawrence J. Fogel patentó sistemas para cancelar el ruido en las cabinas de helicópteros y aviones. En 1957, Willard Meeker desarrolló un modelo funcional de control activo de ruido aplicado a un auricular circumaural. Este auricular tenía un ancho de banda de atenuación activa de aproximadamente 50–500  Hz, con una atenuación máxima de aproximadamente 20  dB. ^{[ 1 ]} A finales de la década de 1980, se comercializaron los primeros auriculares de reducción activa de ruido. Podían alimentarse con baterías de NiCad o directamente del sistema de alimentación de la aeronave.

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 aleatorios debido a la repetición en la forma de onda.

La protección de una zona unidimensional es más sencilla y requiere solo 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 de canal central o vocal para máquinas de karaoke y control de ruido en conductos de aire acondicionado. En auriculares con cancelación activa de ruido, un micrófono incorporado mide el ruido ambiental y el componente que aún llegaría al oído se calcula utilizando la función de transferencia acústica de los auriculares. Luego se genera una señal opuesta en los auriculares para compensar este componente. ^{[ 2 ]} En el tímpano, el sonido externo y la señal de los auriculares se combinan para formar sonido. El nivel de presión sonora se reduce significativamente. Además, el sonido deseado (voz, música) también se puede reproducir a través de los auriculares. ^{[ 3 ]} El término unidimensional se refiere a una relación simple tipo pistón entre el ruido y el altavoz activo (reducción mecánica de 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 costosa. 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 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 entre la oreja izquierda y la derecha de una persona promedio; ^{[ 4 ]} dicho ruido que proviene directamente del frente será fácilmente reducido por un sistema activo, pero que proviene 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 implica sonidos de baja frecuencia. Las aplicaciones comerciales de la reducción de ruido 3D incluyen la protección de cabinas de aeronaves e interiores de automóviles, pero en estos casos, la protección se limita principalmente a la cancelación de ruidos repetitivos (o periódicos), como el generado por el motor, la hélice o el rotor. Esto se debe a que la naturaleza cíclica del motor facilita el análisis y la aplicación de la cancelación de ruido.

Los teléfonos móviles modernos utilizan un diseño con múltiples micrófonos para eliminar el ruido ambiental de la señal de voz. El sonido se capta con el micrófono más alejado de la boca (la señal de ruido) y con el más cercano (la señal deseada). Estas señales se procesan para eliminar el ruido de la señal deseada, lo que mejora la calidad del sonido de la voz.

En algunos casos, el ruido puede controlarse mediante el control activo de vibraciones . Este método es apropiado cuando la vibración de una estructura produce ruido no deseado al acoplarse con el aire o el agua circundantes.

El control del ruido es un método activo o pasivo para reducir las emisiones sonoras, generalmente por comodidad personal, consideraciones ambientales o cumplimiento de la normativa. El control activo del ruido consiste en la reducción del sonido mediante una fuente de energía. El control pasivo del ruido consiste en la reducción del sonido mediante materiales aislantes, como paneles acústicos, baldosas fonoabsorbentes o silenciadores , en lugar de una fuente de energía.

La cancelación activa de ruido es más adecuada para bajas frecuencias. Para frecuencias más altas, los requisitos de espaciado para las técnicas de espacio libre y zona de silencio se vuelven prohibitivos. En sistemas basados ​​en cavidades acústicas y conductos, el número de nodos aumenta rápidamente con la frecuencia, lo que hace que las técnicas de control activo de ruido sean rápidamente inmanejables. Los tratamientos pasivos resultan más efectivos a frecuencias más altas y, a menudo, proporcionan una solución adecuada sin necesidad de control activo. ^{[ 5 ]}

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

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