Comprender la cancelación de ruido activo

Cancelación de ruido activa (ANC) aprovecha el principio físico de interferencia destructiva: cuando dos ondas de sonido de igual amplitud pero se encuentran en fase opuesta, se cancelan. En un auricular ANC típico, un micrófono captura el ruido ambiente, un circuito electrónico invierte la señal para producir antídolo, y un altavoz miniatura ofrece que invertí la onda en el canal auditivo.

El rango de frecuencias práctico donde se sobresale analógico ANC es inferior aproximadamente 1 kHz. Sobre eso, el aislamiento pasivo de los cojines auditivos y el diseño de la taza se hace cargo porque la cancelación activa exige una precisión de fase ajustada que se hace cada vez más difícil mantener a cortos longitudes de onda. Este artículo describe una topología de alimentación: el micrófono se coloca fuera de la taza del oído para capturar el ruido antes de contraste.

Comprender el camino acústico es crítico. El ruido viaja desde la fuente al micrófono externo, a través de la electrónica (con retraso de propagación), y luego desde el altavoz al tímpano. El anti-ruido debe llegar exactamente al mismo tiempo que el ruido que se filtra a través de la barrera física del auricular. Cualquier desajuste reduce la profundidad de cancelación.

Bloqueos de construcción fundamentales de un circuito ANC

Cada sistema ANC analógico incluye tres etapas principales: un preamplificador de micrófono, un inversor de fase, y un amplificador de potencia que impulsa el altavoz de auriculares. Una cuarta etapa, un amplificador de rebosante, se añade a menudo para combinar el anti-ruido con una señal de audio deseada como música o voz.

Seleccionar el amplificador operativo adecuado

La opción de salida de la serie LL+5 es una opción de alta velocidad, que permite una mayor disponibilidad de sonido en el campo de la producción, y que se puede utilizar en el sistema de sonido de la serie, y que se puede utilizar en el sistema de sonido de la serie de la serie de datos de la serie LM.

Sin importar la op-amp elegida, asegúrese de que puede conducir la impedancia de sus auriculares. Los controladores típicos del auricular tienen impedancias de 16 Ω a 64 Ω. La mayoría de los dispositivos pueden entregar sólo unos pocos milliamps, por lo que si necesita una mayor corriente de salida, añadir un simple interruptor de impulso o un IC de amplificador de auriculares dedicado después de la fase de interconexión.

Lista de componentes y especificaciones

Recopilar los siguientes elementos antes de comenzar. Se recomienda utilizar piezas estándar de agujeros para una fácil panadería.

  • Micrófono electrónico] – una pequeña cápsula omnidireccional con FET incorporado; sensibilidad típica alrededor de –44 dBV/Pa. Requiere un sesgo DC a través de un resistor (típicamente 2,2 kΩ a 10 kΩ).
  • Amplificador operativo – LM358 (envase DIP-8) o doble op-amp equivalente. Una segunda op-amp dual puede ser necesaria para la etapa de resumición si incluye la reproducción de música.
  • Resistors – valores: 2.2 kΩ, 10 kΩ, 22 kΩ, 47 kΩ, 100 kΩ, y 1 MΩ para sesgo de micrófono. 1/4 W resistencias de película de carbono están bien. Un potenciómetro de 10 kΩ trimmer para el ajuste de ganancia.
  • Capacificadores] – condensadores cerámicos (0.1 μF, 10 pF, 33 pF) para desacoplamiento y compensación de fase; condensadores electrolíticos (10 μF, 22 μF, 100 μF) para acoplamiento de señal y filtrado de potencia.
  • Potentómetro] – Trimmer de 10 kΩ para el ajuste de ganancia.
  • Conductor de auriculares] – un pequeño altavoz dinámico o elemento auricular recuperado (32 Ω o superior si se conduzca directamente por op-amp; si no, agregue un búfer).
  • ] Fuente de alimentación – una batería de 9 V con conector de arranque o un banco de DC regulado. Se necesita una red de tierra virtual para una operación de sola sola sola sola dosis.
  • Cables de pan y puentes – una tabla de pan de 830 puntos facilita el prototipado.
  • Opcional – fuente de audio (por ejemplo, smartphone) para pruebas de resumición, cable de micrófono blindado, osciloscopio para depuración, un pequeño micrófono de medición para verificación de cancelación.

Para el apareamiento, considere utilizar un módulo de micrófono electret con un circuito de sesgo incorporado (por ejemplo, MAX9814) si desea simplificar el extremo frontal, pero un diseño discreto da más control sobre el beneficio y ancho de banda. Un cable blindado para el micrófono es altamente recomendable para reducir la recolección de hum.

Diseño de circuitos detallados

Creación de un terreno virtual para una operación de un solo proveedor

Debido a que las señales de audio oscilan por encima y por debajo de un nivel de referencia, un amplificador de una sola fuente debe ser sesgado en un voltaje de velocidad media, a menudo llamado un terreno virtual. Utilice un simple divisor resistivo de dos resistores iguales (por ejemplo, 10 kΩ cada uno) entre Vcc y tierra, superada con un condensador de 10 μF en tierra.

Preamplificador de micrófono

El pequeño rendimiento del micrófono electret debe ser amplificado desde unos cuantos milímetros hasta alrededor de 100 mV o más antes de la inversión. Una configuración amplificadora no invertida es ideal debido a su impedancia de entrada alta. Conecta el micrófono a través de un capacitor de acoplamiento de 1 μF a la entrada no invertida de la primera op-amp.

Este preamplificador también proporciona un corte de bajo natural si los valores de condensador de acoplamiento son elegidos modestamente; la frecuencia de esquina de filtro de alta velocidad debe estar por debajo de 100 Hz para preservar el rango efectivo ANC. Para una cancelación más profunda en frecuencias bajas (abajo a 50 Hz), aumentar el condensador de acoplamiento a 22 μF. Los principios de configuración de op-amp detallados pueden ser estudiados este tutorial de op-amp][LT][FLT][F.

Invertir amplificador y generación anti-noise

El segundo op-amp en el paquete LM358 se configura como un amplificador de inversión con una ganancia de –1, volteando la señal preamplificada. Conectar la salida de la preamplificación a través de una resistencia de 10 kΩ a la entrada de invertido. Un resistor de retroalimentación de 10 kΩ de salida a la misma entrada establece la magnitud de ganancia a 1. La entrada de pre-inversión se vincula a tierra virtual.

La precisión de fase es crítica. El amplificador de inversión introduce un cambio de 180° en frecuencias bajas, pero el retraso de fase adicional se produce debido a la respuesta de frecuencia de op-amp y los condensadores de acoplamiento. Para frecuencias hasta unos 500 Hz, el error de fase sigue siendo mínimo. Se puede observar la profundidad de cancelación mejorar ajustando ligeramente el aumento de onda o agregando un pequeño condensador (10–33 pF)

Opcional: Resumiendo Anti-Noise con Audio Playback

Acoplamiento de audio real ANC permite escuchar música al cancelar el ruido. Para ello, el anti-noise debe mezclarse con la señal de audio sin interferir. Un amplificador de sulfuro simple con un tercer amplificador de opacidad (o un mezclador de resistores pasivos) permite conectarlo con un auricular de 10 kΩ.

Cuando se resume, se necesita precaución para evitar que el anti-noise afecte la señal musical. El amplificador de resumir debe tener un beneficio de unidad para ambos caminos para evitar cambiar el nivel de música. También se asegura de que la fuente de música sea configurada por AC y sesgada a terreno virtual para evitar mezclas de offset DC.

Diseño y Consideraciones de la oferta de energía

Una batería de 9 V proporciona una fuente de DC limpia y flotante que funciona bien con el esquema de tierra virtual. Agregue un condensador electrolítico de 100 μF y un condensador de cerámica de 0.1 μF en los carriles de alimentación para suprimir el ruido y la oscilación. Tenga en cuenta que el LM358 puede oscilar su salida sólo a 1,5 V de los carriles de suministro, así que con un suministro de 9 VPA

Para la prueba de banco, un sistema de alimentación regulado de DC a 9 V es conveniente. Sin embargo, los suministros de línea pueden introducir bucles de tierra; una batería es preferida para la prueba final. Si usted debe utilizar un adaptador de pared, incluya un rectificador de puente y un condensador de filtro de 470 μF para crear una fuente de DC flotante, a continuación, añadir el terreno virtual.

Asamblea de tableros de cálculo y pruebas iniciales

Comience por montar el separador de tierra virtual y verificar que el voltaje de punto medio es aproximadamente la mitad del suministro. Luego, construya el preamplificador del micrófono, conectando el micrófono con un cable blindado para reducir el hum. Potenciar el circuito y comprobar la salida de preamplificador con un osciloscopio o un multimetro fijado en AC; tapping el micrófono debe producir una forma de onda visible.

Para una prueba de cancelación rápida, coloque el micrófono cerca de una fuente de ruido (un ventilador o un generador de tono que juega a través de un altavoz separado) y mantenga el controlador de auriculares cerca de su oído. Puede escuchar una reducción en el hum de baja frecuencia.

Un enfoque más cuantitativo implica el uso de un osciloscopio en modo X-Y. Alimenta la señal del micrófono al canal 1 y la salida acústica (capturada por un segundo micrófono colocado en la posición del oído) para canal 2. Ajusta el trimmer hasta que la figura lisajosa se convierta en una línea diagonal recta, indicando la fase perfecta y la cancelación de amplitud.

Ajuste del circuito para el rendimiento óptimo

Optimizar el ANC analógico es en gran parte para ajustar el beneficio, ancho de banda y fase. Usar el trimmer en la ruta de retroalimentación del inversor para establecer el beneficio exacto para la cancelación más profunda en un tono de baja frecuencia objetivo (por ejemplo, 200 Hz). Un osciloscopio en el modo X-Y puede ayudar: alimentar la señal del micrófono al canal 1 y el cable de auricular constante de medición

Cuidado con la retroalimentación acústica: si el micrófono está demasiado cerca del controlador de auriculares, el anti-ruido puede conectarse al micrófono, creando aullido o oscilación. La separación física o material de amortiguación acústica dentro de la taza del oído ayuda. Usar una topología de alimentación con el micrófono fuera de la taza reduce naturalmente la retroalimentación.

Aplicaciones y limitaciones en el mundo real

Este circuito ANC de op-amp muestra el principio básico, pero los auriculares ANC comerciales utilizan técnicas más avanzadas. Feedforward ANC como se describe aquí es abierto-op; no se adapta a los cambios en el camino acústico. Feedback ANC coloca el micrófono dentro de la taza del oído, monitoreando directamente el ruido residual y minimizando continuamente, que puede cancelar un ancho de banda más amplio y manejar variaciones en el auricular.

Una de las principales limitaciones de nuestro diseño simple de feedforward es que la cancelación es efectiva sólo para sonidos que llegan al micrófono externo de forma idéntica a cómo alcanzar el tímpano. Diferentes direcciones de llegada de ruido, funciones de transferencia relacionadas con la cabeza, y la transmisión acústica de la taza del oído alteran la onda de ruido, evitando la inversión perfecta. Además, el circuito introduce un retraso fijo; si ese retraso excede el margen de onda de ruido de la frecuencia de ruido.

Problemas comunes

[LT:0] La salida del cable no es suficiente para el cable de la serie de cable [LT].

]Destorsionado anti-noise en altos niveles puede resultar de las limitaciones de oscilación de salida op-amp. Reducir el aumento de la presa o aumentar el voltaje de la oferta. Si el micrófono recoge el anti-noise del altavoz (de la grúa), aumentar la separación física o utilizar un micrófono direccional con un patrón de recogida dirigido al altavoz.

Moving Beyond Op-Amps: Digital ANC Solutions

Si desea explorar ANC de alto rendimiento, el procesamiento de señales digitales abre nuevas posibilidades. ARM Cortex-M4 de bajo costo o chips ANC dedicados como los dispositivos Alógicos ADAU1772 pueden ejecutar algoritmos de filtrado adaptables como el algoritmo de impresión digital de los DIY menos medios.

Para aquellos que desean permanecer en el dominio analógico pero mejorar el rendimiento, considere agregar una etapa de filtro de segunda orden para dar forma a la respuesta de frecuencia del micrófono. A veces, los picos de respuesta acústica de la taza de oído en ciertas frecuencias; un filtro de notch puede compensar, mejorando la flatness de cancelación. Esto requiere una medición cuidadosa pero puede producir resultados comparables a los auriculares comerciales ANC de nivel de entrada.

Consideraciones de la inclusión y el diseño acústico

El cierre físico del auricular afecta dramáticamente el rendimiento de ANC. El micrófono de alimentación debe montarse en el exterior de la taza del oído, posicionado para captar el ruido ambiente con obstrucción mínima. Un pequeño protector de espuma reduce los artefactos de ruido del viento. La proximidad del micrófono al puerto acústico de la taza del oído puede crear resonancias; experimentar con la colocación para encontrar una posición que da la respuesta de frecuencia más plana del ruido al oído.

Dentro de la taza de oído, el conductor debe estar sellado contra el cojín del oído para evitar fugas acústicas que comprometen el aislamiento pasivo y la cancelación activa. El material del cojín y el ajuste contra la cabeza determinan el corte de baja frecuencia para el aislamiento pasivo; un buen sello extiende la gama efectiva de ANC. Para DIY construye, considere usar copas de sobre-ear con relleno circunaural, que proporcionan un mejor aislamiento pasivo que los estilos de reflexión acús.

El cableado debe ser alimentado y blindado. Use pares retorcidos para señal y tierra al micrófono, y mantenga los cables de alimentación lejos de las vías de señal de audio. Una pequeña versión PCB o stripboard del circuito se puede montar dentro de la taza del oído o en un pequeño recinto usado en la banda de la cabeza. Para un prototipo portátil, dos IC LM358 (uno por canal) y una batería puede caber en una caja pequeña.

Conclusión

Construir un circuito de cancelación de ruido activo con amplificadores operativos es una manera práctica para captar interferencia de onda, analógica de señalización y electrónica de audio. El proyecto te lleva de un preamplificador de micrófono simple a un sistema ANC de alimentación totalmente funcional que puede reducir el hum y el ruido de baja frecuencia. Mientras que no puede rivalizar con el rendimiento de auriculares ANC adaptables, la experiencia enseña lecciones invaluables sobre alineación de dominio digital