Comprendre l'annulation active du bruit

Dans un casque ANC typique, un microphone capte le bruit ambiant, un circuit électronique inverse le signal pour produire un antibruit, et un haut-parleur miniature délivre cette forme d'onde inversée dans le canal auditif. L'antibruit et le bruit d'origine se combinent pour produire une variation de pression presque nulle au tympan, à condition que l'amplitude et l'alignement de phase soient précis. Ce processus doit fonctionner en temps réel avec un latence minimale – des retards dépassant quelques centaines de microsecondes déplacent l'antibruit hors d'alignement, surtout aux fréquences plus élevées où les longueurs d'onde sont plus courtes.

La gamme de fréquences pratique où l'ANC analogique excelle est inférieure à environ 1 kHz. Au-delà, l'isolement passif des coussins d'oreille et de la conception de la tasse prend le dessus parce que l'annulation active exige une précision de phase serrée qui devient de plus en plus difficile à maintenir à des longueurs d'onde plus courtes. Cet article décrit une topologie de l'alimentation avant : le microphone est placé à l'extérieur de la tasse d'oreille pour capter le bruit avant qu'il n'atteigne l'oreille.

Comprendre le chemin acoustique est critique. Le bruit se déplace de la source au microphone externe, à travers l'électronique (avec un retard de propagation), puis de l'enceinte au tympan. L'anti-bruit doit arriver exactement au même moment que le bruit qui fuit à travers le casque , barrière physique . Toute erreur réduit la profondeur d'annulation . Cette contrainte de temps de vol est pourquoi ANC de l'avant fonctionne le mieux pour le bruit basse fréquence (par exemple, le rouble moteur, le Hum CVC) où les longueurs d'onde sont assez longues pour que les petites erreurs de phase comptent moins . Les fréquences plus élevées nécessitent un alignement plus serré et dépassent souvent ce que les circuits analogiques peuvent fournir sans traitement numérique adaptatif.

Blocs de construction fondamentaux d'un circuit ANC

Chaque système analogique ANC comporte trois étapes principales : un préamplificateur de microphone, un onduleur de phase et un amplificateur de puissance qui alimente le haut-parleur. Un quatrième étage, un amplificateur de somme, est souvent ajouté pour combiner l'anti-bruit avec un signal audio désiré comme la musique ou la voix. Le microphone capte le bruit ambiant et le convertit en une petite tension électrique. Le préamplificateur augmente ce signal à un niveau utilisable tout en filtrant les composants de fréquence indésirables. L'onduleur retourne la polarité du signal, idéalement avec gain d'unité, pour générer l'anti-bruit. Une étape finale du pilote alimente le signal inversé en un petit haut-parleur. Parce que le même haut-parleur délivre également de la musique, un circuit de somme mélange les deux signaux, ce qui maintient l'anti-bruit indépendant de sorte qu'il ne déforme pas l'audio.

Sélection de l'amplificateur opérationnel approprié

Pour un casque ANC alimenté par batterie, un système d'ampli à simple tension est essentiel. Le LM358 est un système d'ampli à double courant populaire qui fonctionne à partir d'un seul rail jusqu'à 3 V, ce qui le rend adapté aux conceptions portables. Il offre un produit à bande passante adéquate (1 MHz) et un taux de rotation typique de 0,5 V/μs, suffisant pour les fréquences audio jusqu'à quelques kilohertz. Cependant, la sortie du LM358 , qui présente une distorsion croisée dans le fonctionnement de classe AB; pour un système audio plus propre, de nombreux concepteurs préfèrent le TL072 (entrée en JFET, faible bruit) ou le NE5532 (bipolaire, ultra-bruit), bien que ceux-ci nécessitent généralement une alimentation fractionnée ou une alimentation plus élevée.

Quel que soit l'amplificateur d'alimentation choisi, assurez-vous qu'il peut conduire l'impédance de votre casque. Les pilotes d'écoute standard ont des impédances de 16 ↓ à 64 ↓. La plupart des amplificateurs d'écoute peuvent livrer seulement quelques milliamps, donc si vous avez besoin d'un courant de sortie plus élevé, ajoutez un simple tampon de transistor de push-pull ou un amplificateur d'écoute IC dédié après l'onduleur. Nous allons prendre en charge un pilote d'écoute haute impédance (>100 ↓) qui peut être entraîné directement à partir de l'amplificateur d'alimentation par un condensateur d'accouplement.

Liste des composants et spécifications

Rassemblez les éléments suivants avant de commencer. Il est recommandé d'utiliser des pièces standard pour faciliter la planche à pain.

  • Le microphone électrique – une petite capsule omnidirectionnelle avec FET intégré; sensibilité typique autour de –44 dBV/Pa. Il nécessite un biais DC par une résistance (habituellement 2,2 k. à 10 k.).
  • Amplificateur opérationnel – LM358 (paquet DIP-8) ou double op-amp équivalent. Un deuxième op-amp peut être nécessaire pour la phase de synthèse si vous incluez la lecture de musique.
  • Résisteurs – valeurs: 2.2 k-, 10 k-, 22 k-, 47 k-, 100 k-, et 1 M- pour le biais du microphone. Les résistances de film de carbone 1/4 W sont bonnes. Un potentiomètre de coupe de 10 k-.
  • Capacitateurs – condensateurs céramiques (0,1 μF, 10 pF, 33 pF) pour le découplage et la compensation de phase; condensateurs électrolytiques (10 μF, 22 μF, 100 μF) pour le couplage de signaux et le filtrage de puissance.
  • Potentiomètre – 10 k.
  • Driver d'écoute – un petit haut-parleur dynamique ou un élément casque récupéré (32 γ ou plus si entraîné directement par l'op-amp; sinon ajouter un tampon).
  • Approvisionnement en énergie – une batterie 9 V avec connecteur à ressort ou un banc DC réglementé. Un réseau au sol virtuel est nécessaire pour un fonctionnement à alimentation unique.
  • Les fils de table et de saut – une table à pain de 830 points facilite le prototypage.
  • Optionnel – source audio (p. ex., smartphone) pour les tests de summing, câble de microphone blindé, oscilloscope pour le débogage, un petit microphone de mesure pour la vérification d'annulation.

Pour la planche à pain, envisagez d'utiliser un module de microphone électret avec un circuit de biais intégré (p. ex. MAX9814) si vous voulez simplifier l'extrémité avant, mais une conception discrète donne plus de contrôle sur le gain et la bande passante.

Conception détaillée du circuit

Création d'un terrain virtuel pour une opération à fournisseur unique

Comme les signaux audio oscillent au-dessus et au-dessous d'un niveau de référence, un amplificateur à alimentation unique doit être biaisé à une tension médiane de rail, souvent appelé sol virtuel. Utilisez un simple diviseur résistif de deux résistances égales (p. ex., 10 kγ chacune) entre Vcc et sol, contourné avec un condensateur de 10 μF au sol. Le point de jonction fournit une référence stable de Vcc/2. Connectez-le aux entrées non inversées des amplificateurs d'op, si nécessaire. Tous les condensateurs de couplage de signal peuvent alors coupler l'audio en courant alternatif autour de ce biais de courant continu. Assurez-vous que le condensateur est suffisamment grand (au moins 10 μF) pour maintenir l'impédance du sol virtuel à un niveau bas aux fréquences audio.

Étape de préamplificateur de microphone

La petite sortie du microphone électret doit être amplifiée de quelques millivolts à environ 100 mV ou plus avant l'inversion. Une configuration d'amplificateur non inversé est idéale en raison de son impédance d'entrée élevée. Connectez le microphone à travers un condensateur de couplage 1 μF à l'entrée non inversée du premier op-amp. Biez cette entrée au sol virtuel avec une résistance de 100 k. Le gain est réglé par la formule Gain = 1 + (R2/R1). Choisissez R1 = 2,2 k. et R2 = 22 k. Pour un gain de 11, qui peut être ajusté plus tard. Placez un condensateur 10 pF en parallèle avec R2 pour faire reculer le bruit de haute fréquence au-dessus de 15 kHz, empêchant l'oscillation. La sortie est prise de la broche d'op-amps 1 et alimentée à l'étape suivante par un condensateur de couplage 10 μF qui bloque le décrochage du sol virtuel DC.

Ce préamplificateur fournit également une coupe de basse naturelle si les valeurs du condensateur de couplage sont choisies modestement; la fréquence de l'angle de filtre passe-haute doit être inférieure à 100 Hz pour préserver la plage efficace ANC. Pour une annulation plus profonde à basse fréquence (jusqu'à 50 Hz), augmenter le condensateur de couplage à 22 μF. Les principes détaillés de configuration de l'ampop peuvent être étudiés dans ce tutoriel d'ampop.

Amplifieur inversé et génération antibruit

Le deuxième op-amp du paquet LM358 est configuré comme un amplificateur de retour avec un gain de –1, en retournant le signal préampli. Connectez la sortie de préampli à l'entrée de retour de 10 k. Une résistance de retour de 10 k., de sortie à la même entrée, définit la magnitude de gain à 1. L'entrée de non-inversion est liée au sol virtuel. La sortie porte maintenant le signal anti-bruit. Insérez une résistance variable (10 k.) en série avec la sortie de préampli pour permettre un contrôle fin du niveau d'annulation. Un condensateur 0,1 μF à travers la résistance de retour peut limiter la bande passante à environ 1,5 kHz, en fonction de la plage d'annulation de flux.

L'amplificateur de phase introduit un décalage de 180° à basse fréquence, mais un décalage de phase supplémentaire se produit en raison de la réponse de la fréquence de l'amplificateur op et des condensateurs de couplage. Pour les fréquences jusqu'à environ 500 Hz, l'erreur de phase reste minime. Vous pouvez observer une amélioration de la profondeur d'annulation en ajustant légèrement le gain de préamplificateur ou en ajoutant un petit condensateur (10–33 pF) entre l'entrée de l'inverseur et la marge de phase de tweak. L'objectif est d'aligner l'antibruit le plus près possible de la forme d'onde sonore originale à l'oreille.

Optionnel: Summing anti-bruit avec lecture audio

Pour ce faire, l'antibruit doit être mélangé avec le signal audio sans interférer. Un simple amplificateur de sommation utilisant un troisième op-amp (ou un mélangeur de résistance passive) l'accomplit. Utilisez une résistance de 10 k. à partir de la sortie antibruit et une autre résistance de 10 k. à partir de l'entrée audio (p. ex., signal de prise d'écoute, également biaisé au sol virtuel). Les deux résistances se connectent à l'entrée inverse d'un op-amp avec une résistance de rétroaction de 10 k. La sortie devient la somme des deux signaux, inversés. Une inversion finale restaure la polarité audio originale : vous pouvez soit l'ignorer (l'oreille est insensible à la phase absolue de la musique) ou insérer un tampon d'inversement. Conduisez le casque à travers un condensateur électrolytique de 100 μF pour supprimer DC. Si l'impédance du casque est faible (<64 . . , vous aurez besoin d'une étape tampon; un simple émetteur avec une paire complémentaire (BD139/B. , , utilateur de tête

Lors du summing, il faut faire preuve de prudence pour éviter que l'antibruit n'affecte le signal musical. L'amplificateur de summing devrait avoir un gain d'unité pour les deux chemins afin d'éviter de changer le niveau musical.

Conception et considérations de l'alimentation électrique

Une batterie 9 V fournit une source de courant continu propre et flottante qui fonctionne bien avec le schéma de sol virtuel. Ajoutez un condensateur électrolytique de 100 μF et un condensateur céramique de 0,1 μF à travers les rails de puissance pour supprimer le bruit et l'oscillation. Gardez à l'esprit que le LM358 ne peut basculer sa sortie qu'à environ 1,5 V des rails d'alimentation, donc avec une alimentation de 9 V, la puissance maximale de pointe est d'environ 6 V (2.1 V RMS). Cela suffit pour écouter le casque typique. Si vous avez besoin d'un antibruit plus fort, augmentez l'alimentation à 12 V ou utilisez un ampère-op rail-rail comme le MCP602. Découplez toujours chaque épingle d'alimentation op-amplificateur avec un condensateur 0,1 μF placé le plus près possible du CI. Pour une durée de vie prolongée de la batterie, considérez les ampères-op de faible puissance comme le TLV272 ou OPA2333.

Pour les essais sur banc, une alimentation en courant continu réglée à 9 V est pratique. Cependant, les alimentations alimentées par ligne peuvent introduire des boucles au sol; une batterie est préférée pour les essais finaux. Si vous devez utiliser un adaptateur mural, inclure un redresseur de pont et un condensateur de filtre 470 μF pour créer une alimentation en courant continu flottant, puis ajouter le sol virtuel.

Montage de tableau de pain et essais initiaux

Commencez par assembler le diviseur de sol virtuel et vérifier que la tension du point médian est environ la moitié de l'alimentation. Puis construisez le préamplificateur de microphone, en connectant le micro avec un câble blindé pour réduire la bosse. Alimentez le circuit et vérifiez la sortie du préamplificateur avec un oscilloscope ou un multimètre réglé en AC; appuyez sur le microphone devrait produire une forme d'onde visible. Ensuite, ajoutez l'étape d'inversion. Connectez temporairement un petit haut-parleur (par un condensateur de 100 μF) à la sortie de l'onduleur. Vous devriez entendre le bruit inversé – sonnant creux ou phaseux par rapport à l'original. Sinon, tracez l'étape du signal par étape à l'aide d'une sonde.

Pour un test d'annulation rapide, placez le microphone près d'une source de bruit (un ventilateur ou un générateur de tonalité jouant à travers un haut-parleur séparé) et maintenez le conducteur du casque près de votre oreille. Vous pouvez entendre une réduction de la hum-fréquence basse.

Une approche plus quantitative consiste à utiliser un oscilloscope en mode X-Y. Remplir le signal du microphone au canal 1 et la sortie acoustique (capturée par un deuxième microphone placé à la position de l'oreille) au canal 2. Ajuster le pare-chocs jusqu'à ce que la figure de Lissajous devienne une ligne diagonale droite, indiquant une annulation parfaite de phase et d'amplitude.

Le circuit pour une performance optimale

Optimiser l'ANC analogique est en grande partie une question de gain, de bande passante et de phase. Utilisez le trimiseur dans le chemin de rétroaction de l'onduleur pour régler le gain exact pour une annulation plus profonde à une tonalité cible basse fréquence (p. ex., 200 Hz). Un oscilloscope en mode X-Y peut aider : à alimenter le signal du microphone au canal 1 et la sortie acoustique du conducteur du casque (épicée par un petit microphone de mesure à l'intérieur d'une oreille artificielle) au canal 2 ; à ajuster pour une ligne droite.

Méfiez-vous de la rétroaction acoustique : si le microphone est trop proche du conducteur du casque, l'antibruit peut se recoupler dans le microphone, créant des hurlements ou oscillations. La séparation physique ou le matériau d'amortissement acoustique à l'intérieur de la goulotte aide. L'utilisation d'une topologie de l'alimentation avec le microphone à l'extérieur de la goulotte réduit naturellement la rétroaction. Le blindage du câble du microphone et le maintien de la sortie de l'ampop empêchent également la prise de bruit électrique non désirée.

Applications et limitations du monde réel

Ce circuit d'ACN op-amp démontre le principe de base, mais les écouteurs commerciaux ANC utilisent des techniques plus avancées. L'ANC Feedforward tel que décrit ici est ouvert-boucle; il ne s'adapte pas aux changements dans le chemin acoustique. Feedback ANC place le microphone à l'intérieur de la goulotte d'oreille, surveille directement le bruit résiduel et le minimise continuellement, ce qui peut annuler une bande passante plus large et gérer les variations de la configuration du casque.

L'une des principales limites de notre conception simple de l'alimentation avant est que l'annulation n'est efficace que pour les sons qui atteignent le microphone externe de façon identique à la façon dont ils atteindraient le tympan. Différentes directions d'arrivée du bruit, fonctions de transfert de tête et la transmission acoustique de l'oreille modifient la forme d'onde sonore, empêchant ainsi une inversion parfaite. De plus, le circuit introduit un retard fixe; si ce retard dépasse un quart de longueur d'onde de la fréquence sonore, l'annulation change à une interférence constructive à cette fréquence. Par conséquent, la plage efficace est généralement inférieure à 1 kHz, et les performances baissent fortement au-dessus de celle-ci.

Dépannage de problèmes communs

Aucune sortie du préamplificateur ne résulte souvent d'un biais de courant continu manquant pour le microphone électret. Assurez-vous que le micros est raccordé à Vcc par une résistance (généralement 2.2 k.) et que la broche source est au sol. ]Hum et bruit peuvent entrer par de longs fils non blindés; utilisez un câble blindé pour le microphone et gardez les fils d'alimentation courts. L'oscillation[ est habituellement causée par la capacité parasitaire sur l'entrée de l'amp ou par un découplage insuffisant. Ajouter une résistance de 100 Φ en série avec la sortie pour isoler les charges capacitives, et placer un condensateur de 10 pF entre l'entrée d'invertage et le sol si nécessaire. [Poor low-fréquence annulance indique soit un gain insuffisant ou un déplacement de phase.

Les limites de la rotation de sortie de l'amp op peuvent entraîner une distorsion du bruit à des niveaux élevés. Réduisez le gain de préampli ou augmentez la tension d'alimentation. Si le microphone prend l'antibruit de l'enceinte (soumission), augmentez la séparation physique ou utilisez un microphone directionnel avec un motif de prise en charge dirigé loin de l'enceinte.

Dépasser les Op-Amps : Solutions ANC numériques

Si vous voulez explorer les puces ANC haute performance, le traitement numérique du signal ouvre de nouvelles possibilités. Les puces ARM Cortex-M4 à bas prix ou ANC dédiées comme les appareils analogiques ADAU1772 peuvent exécuter des algorithmes de filtrage adaptatifs tels que l'algorithme des moindres carrés moyens (FxLMS) filtrés. Ces systèmes ajustent continuellement les coefficients de filtre antibruit pour maximiser le rejet. De nombreux amateurs de DIY ont réussi à construire des écouteurs ANC numériques à l'aide d'un micro minuscule, d'une carte Teensy ou STM32, et d'un DAC/amplificateur. Bien que plus complexes, les ANC numériques peuvent réaliser l'annulation jusqu'à 2 kHz et s'adapter aux environnements sonores changeants.

Pour ceux qui souhaitent rester dans le domaine analogique mais améliorer les performances, envisager d'ajouter une étape de filtre de deuxième ordre pour façonner la réponse de fréquence du microphone. Parfois, la coupe d'oreilles atteint des pics de réponse acoustique à certaines fréquences; un filtre en encoche peut compenser, améliorant la planéité de l'annulation.

Considérations relatives à la conception acoustique et à la présentation de l'enveloppe

Le boîtier physique du casque affecte considérablement les performances de l'ANC. Le microphone avant d'alimentation doit être monté à l'extérieur de la coupe d'oreille, positionné pour capturer le bruit ambiant avec une obstruction minimale. Un petit pare-brise en mousse réduit le bruit du vent artefacts. La proximité du microphone avec la coupe d'oreilles peut créer des résonances; expérience avec le placement pour trouver une position qui donne la réponse la plus plate de fréquence du bruit à l'oreille.

Le matériau du coussin et l'ajustement contre la tête déterminent la coupure basse fréquence pour l'isolement passif; un bon joint étend la gamme efficace de ANC. Pour les constructions de bricolage, envisager d'utiliser des gobelets surauriaux avec rembourrage circonural, qui offrent une meilleure isolation passive que les styles surauriculaires. Le matériau d'amortissement acoustique (p. ex. mousse ou feutre) à l'intérieur de la gobelet derrière le conducteur peut absorber les réflexions et réduire les résonances.

Les câbles doivent être soulagés et protégés. Utilisez des paires tordues pour le signal et le sol au microphone, et gardez les fils d'alimentation loin des voies de signal audio. Une petite version PCB ou stripboard du circuit peut être montée à l'intérieur de la coupe d'oreille ou dans un petit boîtier porté sur le bandeau. Pour un prototype portable, deux LM358 ICs (un par canal) et une batterie peuvent s'intégrer dans une petite boîte attachée au bandeau.

Conclusion

La construction d'un circuit d'annulation de bruit actif avec amplificateurs opérationnels est une façon pratique de saisir l'interférence des ondes, le conditionnement analogique du signal et l'électronique audio. Le projet vous amène d'un simple préamplificateur de microphone à un système d'alimentation entièrement fonctionnel qui peut réduire le bruit et le bruit à basse fréquence. Bien qu'il ne puisse rivaliser avec les performances des casques ANC adaptatifs commerciaux, l'expérience vous enseigne des leçons inestimables sur l'alignement de phase, la mise en scène et les contraintes du traitement analogique en temps réel.