El control activo de ruido (ANC), también conocido como cancelación de ruido (NC) o reducción activa de ruido (ANR), constituye una metodología para mitigar el sonido no deseado mediante la introducción de un sonido secundario diseñado con precisión destinado a neutralizar el original. La conceptualización inicial de esta tecnología se produjo a finales de la década de 1930, y los esfuerzos de desarrollo posteriores comenzaron en la década de 1950. Estos avances finalmente llevaron a la disponibilidad comercial de auriculares para aerolíneas que incorporaban esta tecnología a fines de la década de 1980. Actualmente, esta tecnología encuentra aplicación en diversos contextos, incluidos vehículos de carretera, teléfonos móviles y auriculares.
Elcontrol 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 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 y auriculares.
Principios de funcionamiento
El sonido se manifiesta como una onda de presión, caracterizada por fases alternas de compresión y rarefacción. Un altavoz con cancelación de ruido genera una onda sonora que posee una amplitud idéntica pero una fase invertida, comúnmente denominada antifase, en relación con el sonido primario. Luego, estas ondas se superponen, un fenómeno conocido como interferencia, que da como resultado su cancelación mutua, un efecto designado como interferencia destructiva.
Los sistemas de control activo de ruido contemporáneos suelen emplear circuitos analógicos o técnicas de procesamiento de señales digitales. Los algoritmos adaptativos están diseñados para analizar la forma de onda del ruido ambiental, ya sea auditivo o no auditivo. Posteriormente, dependiendo del algoritmo específico utilizado, se genera una señal que cambia de fase o invierte la polaridad de la señal inicial. Esta señal invertida, al estar en antifase, se amplifica y posteriormente un transductor produce una onda de sonido directamente proporcional en amplitud a la forma de onda original, induciendo así interferencias destructivas. En consecuencia, el volumen percibido del ruido disminuye sustancialmente.
Se puede colocar un altavoz con cancelación de ruido cerca de la fuente de sonido destinada a la atenuación. En tales circunstancias, el altavoz debe poseer un nivel de potencia de audio equivalente al de la fuente de sonido no deseada para lograr una cancelación de ruido efectiva. Por el contrario, el transductor responsable de emitir la señal de cancelación puede estar situado en el lugar específico donde se desea la atenuación del sonido, como por ejemplo cerca del oído del usuario. Si bien esta configuración requiere un nivel de potencia significativamente menor para la cancelación, su eficacia generalmente se limita a un solo usuario. Lograr la cancelación de ruido en múltiples ubicaciones presenta mayores desafíos, principalmente porque los frentes de onda tridimensionales del sonido no deseado y la señal de cancelación pueden interactuar para producir zonas alternas de interferencia constructiva y destructiva, disminuyendo así el ruido en ciertas áreas y potencialmente amplificándolo en otras. Dentro de recintos confinados, como el compartimiento de pasajeros de un vehículo, se puede lograr una reducción integral del ruido mediante el despliegue de múltiples parlantes y micrófonos de retroalimentación, junto con la medición de las respuestas modales del recinto.
Aplicaciones
Las aplicaciones de esta tecnología se pueden clasificar como unidimensionales o tridimensionales, dependiendo de las características de la zona que requiere protección. Los sonidos periódicos, incluso aquellos que presentan complejidad, se cancelan más fácilmente que los sonidos estocásticos, debido a la repetición inherente de la forma de onda.
La atenuación del ruido dentro de una zona unidimensional es comparativamente más sencilla y normalmente requiere sólo uno o dos micrófonos y altavoces para un funcionamiento eficaz. Existen numerosas implementaciones comerciales exitosas, que incluyen auriculares con cancelación de ruido, silenciadores activos, aparatos antirronquidos, sistemas de extracción de canales vocales o centrales para máquinas de karaoke y gestión del ruido dentro de los conductos de aire acondicionado. Dentro de los auriculares con cancelación activa de ruido, un micrófono integrado mide el ruido ambiental y el componente de ruido residual que de otro modo llegaría al oído se calcula utilizando la función de transferencia acústica de los auriculares. Posteriormente, se genera una señal opuesta dentro de los auriculares para contrarrestar este componente residual. En el tímpano, el sonido externo y la señal compensatoria de los auriculares interactúan para lograr la atenuación. Esta interacción da como resultado una reducción sustancial del nivel de presión sonora. Además, a través de los auriculares también se puede reproducir el contenido de audio deseado, como voz o música. La designación unidimensional denota una relación sencilla similar a un pistón, ya sea entre la fuente de ruido y el hablante activo (en el contexto de la reducción mecánica de ruido) o entre el hablante activo y el oyente (como se observa en los auriculares).
La protección de una zona tridimensional requiere numerosos micrófonos y altavoces, lo que aumenta los costes de implementación. La reducción del ruido se logra más fácilmente con un único oyente estacionario; sin embargo, el desafío de la reducción del ruido se vuelve significativamente complicado si hay varios oyentes presentes, o si el único oyente altera la posición de su cabeza o se mueve dentro del espacio. Las ondas de alta frecuencia son difíciles de atenuar en tres dimensiones debido a su longitud de onda de audio relativamente corta en el aire. Por ejemplo, la longitud de onda en el aire del ruido sinusoidal a aproximadamente 800 Hz es el doble de la distancia promedio entre los oídos izquierdo y derecho de una persona; Este tipo de ruido que se origina directamente desde el frente puede reducirse fácilmente mediante un sistema activo, pero si emana desde el costado, puede resultar en cancelación en un oído y refuerzo en el otro, lo que lleva a una amplificación en lugar de una atenuación del sonido. Los sonidos de alta frecuencia que superan los 1000 Hz tienden a cancelarse y reforzarse de forma impredecible desde varias direcciones. En consecuencia, la reducción de ruido más eficaz en el espacio tridimensional implica principalmente sonidos de baja frecuencia. Las aplicaciones comerciales de la reducción de ruido 3-D incluyen la protección de cabinas de aviones e interiores de automóviles; sin embargo, en estos contextos, la protección se limita principalmente a la cancelación de ruidos repetitivos (o periódicos), como el inducido por motores, hélices o rotores. Esta eficacia surge de la naturaleza cíclica y predecible de dichas fuentes de ruido, lo que simplifica los procesos de análisis y cancelación.
Los teléfonos móviles contemporáneos incorporan un diseño de múltiples micrófonos para atenuar el ruido ambiental de la señal de voz. El sonido se captura desde el micrófono ubicado más lejos de la boca (que representa la señal de ruido) y desde el micrófono más cercano a la boca (que representa la señal deseada). Luego, estas señales se procesan para cancelar el ruido de la señal deseada, lo que da como resultado una claridad de voz mejorada.
En escenarios específicos, el ruido se puede controlar mediante la implementación de técnicas activas de control de vibración. Este enfoque es particularmente efectivo cuando las vibraciones estructurales generan emisiones acústicas indeseables a través del acoplamiento con el medio fluido circundante, como el aire o el agua.
Control de ruido activo versus pasivo
Elcontrol de ruido representa una metodología para mitigar las emisiones acústicas, empleando medios activos o pasivos, frecuentemente implementadas por razones de comodidad personal, protección ambiental o cumplimiento normativo. El control de ruido activo es un método de atenuación del sonido que requiere una fuente de alimentación externa. Por el contrario, el control del ruido Pasivo se consigue mediante la aplicación de materiales aislantes del ruido, como aislamientos, paneles fonoabsorbentes o silenciadores, sin necesidad de fuente de alimentación externa.
La cancelación activa de ruido es óptimamente efectiva para aplicaciones de baja frecuencia. Para frecuencias más altas, las limitaciones espaciales de las metodologías de campo libre y zona tranquila se vuelven poco prácticas. En los sistemas acústicos basados en cavidades y conductos, la densidad nodal aumenta significativamente con el aumento de la frecuencia, lo que hace que los métodos de control activo del ruido sean rápidamente intratables. Por el contrario, las estrategias pasivas de control del ruido demuestran una mayor eficacia en frecuencias más altas, ofreciendo con frecuencia una atenuación suficiente sin recurrir a sistemas activos.
Historial
La patente inaugural de un sistema de control de ruido:EE.UU. patente 2.043.416—fue otorgada al inventor Paul Lueg en 1936. La patente detalla un método para atenuar tonos sinusoidales dentro de conductos mediante avance de fase y para cancelar sonidos arbitrarios en las proximidades de un altavoz mediante inversión de polaridad. Durante la década de 1950, Lawrence J. Fogel obtuvo patentes para sistemas diseñados para mitigar el ruido dentro de las cabinas de helicópteros y aviones. En 1957, Willard Meeker creó un prototipo funcional de control activo del ruido integrado en una orejera circumaural. Este auricular en particular exhibió un ancho de banda de atenuación activa que oscilaba entre aproximadamente 50 y 500 Hz, logrando una atenuación máxima de aproximadamente 20 dB. A finales de la década de 1980, se introdujeron los primeros auriculares con reducción activa de ruido disponibles comercialmente. Estos dispositivos podrían funcionar con baterías de NiCad o directamente desde el sistema eléctrico del avión.
Diseño de sonido activo
- Diseño de sonido activo
- Cancelación de ruido adaptativa
- Coherencia (física)
- Micrófono con cancelación de ruido
Notas
Referencias
Los físicos de BYU demuestran la reducción del ruido de los ventiladores en equipos informáticos y de oficina.
- Físicos de BYU silencian ventiladores en computadoras y equipos de oficina
- Antiruido: Silenciar el medio ambiente con tecnología de cancelación activa de ruido, publicado en IEEE Potentials, abril de 1992.
- Preguntas frecuentes sobre el control activo de ruido (ANC) de Christopher E. Ruckman (establecido originalmente en 1994 y mantenido hasta aproximadamente 2010; actualmente inactivo).
- Olas de silencio: Digisonix, control activo de ruido y la revolución digital.