Il controllo attivo del rumore (ANC), noto anche come cancellazione del rumore (NC) o riduzione attiva del rumore (ANR), costituisce una metodologia per mitigare il suono indesiderato attraverso l'introduzione di un suono secondario progettato con precisione destinato a neutralizzare l'originale. La concettualizzazione iniziale di questa tecnologia avvenne alla fine degli anni '30, con successivi sforzi di sviluppo che iniziarono negli anni '50. Questi progressi alla fine portarono alla disponibilità commerciale di cuffie aeree che incorporavano questa tecnologia entro la fine degli anni '80. Attualmente, questa tecnologia trova applicazione in diversi contesti, tra cui veicoli stradali, telefoni cellulari, auricolari e cuffie.
Il controllo attivo del rumore (ANC), noto anche come cancellazione del rumore (NC) o riduzione attiva del rumore (ANR), è un metodo per ridurre il suono indesiderato mediante l'aggiunta di un secondo suono appositamente progettato per annullare il primo. Il concetto fu sviluppato per la prima volta alla fine degli anni '30; il successivo lavoro di sviluppo iniziato negli anni '50 alla fine portò alla realizzazione di cuffie per compagnie aeree commerciali la cui tecnologia divenne disponibile alla fine degli anni '80. La tecnologia viene utilizzata anche nei veicoli stradali, nei telefoni cellulari, negli auricolari e nelle cuffie.
Principi di funzionamento
Il suono si manifesta come un'onda di pressione, caratterizzata da fasi alternate di compressione e rarefazione. Un altoparlante con cancellazione del rumore genera un'onda sonora che possiede un'ampiezza identica ma una fase invertita, comunemente chiamata antifase, rispetto al suono primario. Queste onde poi si sovrappongono, un fenomeno noto come interferenza, che porta alla loro reciproca cancellazione, un effetto definito interferenza distruttiva.
I sistemi contemporanei di controllo attivo del rumore utilizzano tipicamente circuiti analogici o tecniche di elaborazione del segnale digitale. Gli algoritmi adattivi sono progettati per analizzare la forma d'onda del rumore ambientale, sia uditivo che non uditivo. Successivamente, in base allo specifico algoritmo utilizzato, viene generato un segnale che sfasa o inverte la polarità del segnale iniziale. Questo segnale invertito, essendo in controfase, subisce un'amplificazione e un trasduttore produce successivamente un'onda sonora direttamente proporzionale in ampiezza alla forma d'onda originale, inducendo così un'interferenza distruttiva. Di conseguenza, il volume percepito del rumore viene sostanzialmente ridotto.
Un altoparlante con cancellazione del rumore può essere posizionato prossimalmente alla sorgente sonora destinata all'attenuazione. In tali circostanze, l'altoparlante deve possedere un livello di potenza audio equivalente a quello della sorgente sonora indesiderata per ottenere un'efficace cancellazione del rumore. Conversely, the transducer responsible for emitting the cancellation signal may be situated at the specific location where sound attenuation is desired, such as near a user's ear. Sebbene questa configurazione richieda un livello di potenza significativamente inferiore per la cancellazione, la sua efficacia è generalmente limitata a un singolo utente. Ottenere la cancellazione del rumore in più posizioni presenta sfide maggiori, principalmente perché i fronti d’onda tridimensionali del suono indesiderato e il segnale di cancellazione possono interagire per produrre zone alternate di interferenza costruttiva e distruttiva, diminuendo così il rumore in alcune aree e amplificandolo potenzialmente in altre. All'interno di spazi ristretti, come l'abitacolo di un veicolo, è possibile ottenere una riduzione completa del rumore attraverso l'impiego di più altoparlanti e microfoni di feedback, insieme alla misurazione delle risposte modali dell'interno.
Applicazioni
Le applicazioni di questa tecnologia possono essere classificate come unidimensionali o tridimensionali, a seconda delle caratteristiche della zona da proteggere. I suoni periodici, anche quelli che presentano complessità, vengono cancellati più facilmente dei suoni stocastici, a causa della ripetizione intrinseca della forma d'onda.
L'attenuazione del rumore all'interno di una zona unidimensionale è relativamente più semplice e in genere richiede solo uno o due microfoni e altoparlanti per un funzionamento efficace. Esistono numerose implementazioni commerciali di successo, tra cui cuffie con cancellazione del rumore, silenziatori attivi, apparecchi antirussamento, sistemi di estrazione vocale o del canale centrale per macchine karaoke e gestione del rumore all'interno dei condotti dell'aria condizionata. Nelle cuffie con cancellazione attiva del rumore, un microfono integrato misura il rumore ambientale e la componente di rumore residuo che altrimenti raggiungerebbe l'orecchio viene calcolata utilizzando la funzione di trasferimento acustico delle cuffie. Successivamente, all'interno delle cuffie viene generato un segnale opposto per contrastare questa componente residua. Nel timpano, il suono esterno e il segnale compensativo proveniente dalle cuffie interagiscono per ottenere l'attenuazione. Questa interazione si traduce in una sostanziale riduzione del livello di pressione sonora. Inoltre, i contenuti audio desiderati, come parlato o musica, possono essere riprodotti anche tramite le cuffie. La designazione 1 dimensione denota una relazione semplice, simile a un pistone, tra la sorgente del rumore e l'oratore attivo (nel contesto della riduzione meccanica del rumore) o tra l'oratore attivo e l'ascoltatore (come osservato nelle cuffie).
La protezione di una zona tridimensionale richiede numerosi microfoni e altoparlanti, aumentando così i costi di implementazione. La riduzione del rumore si ottiene più facilmente con un singolo ascoltatore stazionario; tuttavia, la sfida della riduzione del rumore diventa notevolmente complicata se sono presenti più ascoltatori o se l’unico ascoltatore altera la posizione della testa o si muove all’interno dello spazio. Le onde ad alta frequenza sono difficili da attenuare in tre dimensioni a causa della loro lunghezza d'onda audio relativamente breve nell'aria. Ad esempio, la lunghezza d'onda nell'aria del rumore sinusoidale a circa 800 Hz è il doppio della distanza media tra l'orecchio sinistro e quello destro di una persona; tale rumore proveniente direttamente dalla parte anteriore può essere facilmente ridotto da un sistema attivo, ma se proviene lateralmente può comportare la cancellazione da un orecchio e il rinforzo dall'altro, portando ad un'amplificazione anziché ad un'attenuazione del suono. I suoni ad alta frequenza superiori a 1000 Hz tendono ad annullarsi e rinforzarsi in modo imprevedibile da varie direzioni. Di conseguenza, la riduzione del rumore più efficace nello spazio tridimensionale coinvolge principalmente i suoni a bassa frequenza. Le applicazioni commerciali della riduzione del rumore 3D includono la protezione delle cabine degli aerei e degli interni delle automobili; tuttavia, in questi contesti, la protezione si limita principalmente alla cancellazione del rumore ripetitivo (o periodico), come quello indotto da motori, eliche o rotori. Questa efficacia deriva dalla natura prevedibile e ciclica di tali fonti di rumore, che semplifica i processi di analisi e cancellazione.
I telefoni cellulari contemporanei incorporano un design multimicrofono per attenuare il rumore ambientale dal segnale vocale. Il suono viene catturato dai microfoni posizionati più lontani dalla bocca (che rappresentano i segnali di rumore) e dal microfono più vicino alla bocca (che rappresenta il segnale desiderato). Questi segnali vengono quindi elaborati per cancellare il rumore dal segnale desiderato, con conseguente maggiore chiarezza della voce.
In scenari specifici, il rumore può essere controllato implementando tecniche di controllo attivo delle vibrazioni. Questo approccio è particolarmente efficace quando le vibrazioni strutturali generano emissioni acustiche indesiderate attraverso l'accoppiamento con il mezzo fluido circostante, come aria o acqua.
Controllo del rumore attivo e passivo
Il controllo del rumore rappresenta una metodologia per mitigare le emissioni acustiche, impiegando mezzi attivi o passivi, spesso implementati per motivi di comfort personale, protezione ambientale o aderenza alle normative. Active noise control is a method of sound attenuation that necessitates an external power source. Al contrario, il controllo del rumore passivo si ottiene attraverso l'applicazione di materiali isolanti dal rumore, come materiali isolanti, pannelli fonoassorbenti o silenziatori, senza richiedere un'alimentazione esterna.
La cancellazione attiva del rumore è particolarmente efficace per le applicazioni a bassa frequenza. Per frequenze più elevate, i vincoli spaziali per le metodologie in campo libero e in zona tranquilla diventano impraticabili. Nelle cavità acustiche e nei sistemi basati su condotti, la densità nodale aumenta in modo significativo con l’aumentare della frequenza, rendendo rapidamente intrattabili i metodi di controllo attivo del rumore. Al contrario, le strategie di controllo passivo del rumore dimostrano una maggiore efficacia alle frequenze più elevate, offrendo spesso un'attenuazione sufficiente senza ricorrere a sistemi attivi.
Storia
Il brevetto inaugurale per un sistema di controllo del rumore:U.S. brevetto 2.043.416: fu assegnato all'inventore Paul Lueg nel 1936. Il brevetto descriveva in dettaglio un metodo per attenuare i toni sinusoidali all'interno dei condotti attraverso l'avanzamento di fase e per cancellare suoni arbitrari in prossimità di un altoparlante mediante inversione di polarità. Durante gli anni '50, Lawrence J. Fogel ottenne brevetti per sistemi progettati per mitigare il rumore nelle cabine di pilotaggio di elicotteri e aerei. Nel 1957, Willard Meeker creò un prototipo funzionale di controllo attivo del rumore integrato in una cuffia circumaurale. Questa particolare cuffia presentava una larghezza di banda di attenuazione attiva compresa tra circa 50 e 500 Hz, ottenendo un'attenuazione di picco di circa 20 dB. Verso la fine degli anni '80 furono introdotte le prime cuffie con riduzione attiva del rumore accessibili in commercio. Questi dispositivi potrebbero essere alimentati da batterie NiCad o direttamente dall'impianto elettrico dell'aereo.
Design del suono attivo
- Design del suono attivo
- Cancellazione adattiva del rumore
- Coerenza (fisica)
- Microfono con cancellazione del rumore
Note
Riferimenti
I fisici della BYU dimostrano la riduzione del rumore delle ventole nelle apparecchiature informatiche e per ufficio.
- I fisici della BYU silenziosi fan di computer e apparecchiature per ufficio
- Anti-Noise: Quieting the Environment with Active Noise Cancellation Technology, pubblicato in IEEE Potentials, aprile 1992.
- Domande frequenti sul controllo attivo del rumore (ANC) di Christopher E. Ruckman (originariamente istituito nel 1994 e mantenuto fino al 2010 circa; attualmente inattivo).
- Onde di silenzio: Digisonix, controllo attivo del rumore e rivoluzione digitale.