Comprensione di cancellazione del rumore attivo

La cancellazione attiva del rumore (ANC) sfrutta il principio fisico di interferenza distruttiva: quando due onde sonore di uguale ampiezza ma di fase opposta si incontrano, si annullano a vicenda. In un tipico auricolare ANC, un microfono cattura il rumore ambientale, un circuito elettronico invertisce il segnale per produrre anti-rumore, e un altoparlante in miniatura fornisce che invertito forma d'onda nel canale uditivo.

La pratica gamma di frequenze in cui l'analogico ANC eccelle è inferiore a circa 1 kHz. Sopra di essa, l'isolamento passivo da cuscini auricolari e design della tazza prende il sopravvento perché la cancellazione attiva richiede una precisione di fase stretta che diventa sempre più difficile da mantenere a lunghezze d'onda più corte. Questo articolo descrive una base di calcolo di feedforward: il microfono viene posizionato fuori dalla tazza dell'orecchio per dimostrare il rumore prima che raggiunge l'orecchio.

Il rumore passa dalla sorgente al microfono esterno, attraverso l’elettronica (con ritardo di propagazione), e poi dal diffusore all’ardrum. L’anti rumore deve arrivare esattamente allo stesso tempo del rumore che perde attraverso la barriera fisica della cuffia. Qualsiasi errore riduce la profondità di cancellazione. Questo tempo di volo vincolo è il motivo per cui il motore di alimentazione ANC funziona meglio per gli errori di bassa frequenza.

Blocchi di costruzione fondamentali di un circuito ANC

Ogni sistema ANC analogico comprende tre fasi principali: un preamplificatore microfono, un inverter di fase, e un amplificatore di potenza che guida l'altoparlante di cuffie. Un quarto stadio - un amplificatore di sommamento - è spesso aggiunto per combinare l'anti-rumore con un segnale audio desiderato come musica o voce. Il microfono raccoglie il rumore ambientale e lo converte in una piccola tensione elettrica. Il preamplifier aumenta questo segnale ad un livello di invertibile.

Selezione dell'amplificatore operativo destro

Per un'alimentazione a batteria ANC, un'uscita a basso rendimento, un singolo modulo di alimentazione è essenziale. LM358 è un popolare doppio op-amp che opera da un singolo binario a 3 V, rendendolo adatto per i disegni portatili.

Indipendentemente dall'op-amp scelto, assicurarsi che possa guidare l'impedenza delle cuffie. I driver tipici auricolari hanno impedenze da 16 Ω a 64 Ω. La maggior parte dei dispositivi possono fornire solo pochi millimetri, quindi se avete bisogno di corrente di uscita più alta, aggiungere un semplice buffer di transistor push-pull o un amplificatore a cuffia dedicato IC dopo lo stadio inverter100.

Elenco componenti e specifiche

Raccogliere i seguenti elementi prima di iniziare. Utilizzando i pezzi standard attraverso fori per una facile pannellatura è consigliato.

  • microfono elettrico[[[] – una piccola capsula omnidirezionale con FET incorporato; sensibilità tipica intorno –44 dBV/Pa. Richiede un bias DC attraverso una resistenza (tipicamente da 2,2 kΩ a 10 kΩ).
  • amplificatore operativo[ – LM358 (pacchetto DP-8) o doppio op-amp equivalente.
  • Riscontri[] – valori: 2.2 kΩ, 10 kΩ, 22 kΩ, 47 kΩ, 100 kΩ, e 1 MΩ per microfonia bias. 1/4 W resistenze del film di carbonio sono eccellenti.
  • Capacitors[ – condensatori ceramici (0.1 μF, 10 pF, 33 pF) per il decoupling e la compensazione della fase; condensatori elettrolitici (10 μF, 22 μF, 100 μF) per l'accoppiamento del segnale e il filtraggio di potenza.
  • Potentiometro[[ – Trimmer da 10 kΩ per la regolazione del guadagno.
  • driver di telefono[[] – un piccolo altoparlante dinamico o un elemento di cuffia recuperato (32 Ω o superiore se guidato direttamente da op-amp; altrimenti aggiungere un buffer).
  • Alimentazione di potenza[[] – una batteria da 9 V con connettore a scatto o un alimentatore a panca DC regolato.
  • I fili di pannelli e saltatori[] – un panno da 830 punti facilita la prototipazione.
  • Optional[] – sorgente audio (ad esempio, smartphone) per la somma di test, cavo microfono schermato, oscilloscopio per il debugging, un piccolo microfono di misura per la verifica della cancellazione.

Per la pannellatura, prendere in considerazione l'utilizzo di un modulo microfono elettretico con un circuito integrato di bias (ad esempio, MAX9814) se si desidera semplificare l'estremità anteriore, ma un design discreto dà più controllo su guadagno e larghezza di banda.

Design del circuito dettagliato

Creazione di un terreno virtuale per un'operazione di fornitura singola

Poiché i segnali audio oscillano sopra e sotto un livello di riferimento, un amplificatore singolo deve essere polarizzato in una tensione di media pendenza, spesso chiamato un terreno virtuale. Utilizzare un divisore resistivo semplice di due resistenze uguali (ad esempio, 10 kΩ ciascuno) tra Vcc e terra, bypassato con un condensatore 10 μF a terra. Il punto di giunzione fornisce un riferimento stabile di Vcc/2. Collegare questo al non-vertin

Fase di preamplificatore per microfoni

Il microscopio elettrizzante deve essere amplificato da pochi millivolt a circa 100 mV o più prima dell'inversione. Una configurazione dell'amplificatore non invertente è ideale a causa della sua elevata impedenza di ingresso. Collegare il microfono attraverso un condensatore di μF di accoppiamento 1 Ω al ingresso non invertente del primo op-amp.

Questo preamplifier fornisce anche un taglio di basso naturale se i valori di condensatore di accoppiamento sono scelti modestamente; la frequenza di angolo filtro ad alta velocità dovrebbe essere inferiore a 100 Hz per preservare l'intervallo efficace ANC. Per la cancellazione più profonda a basse frequenze (fino a 50 Hz), aumentare il condensatore di accoppiamento a 22 μF. I principi di configurazione op-amp dettagliati possono essere studiati in questo tutorial op-amp.

Amplificatore invertente e generazione anti rumore

Il secondo op-amp nel pacchetto LM358 è configurato come un amplificatore invertente con un guadagno di –1, capovolgendo il segnale preamplificata. Collegare l'uscita preampli attraverso una resistenza 10 kΩ all'ingresso invertente.

L'amplificatore invertente introduce un cambio di 180° a basse frequenze, ma il ritardo di fase aggiuntivo avviene a causa della risposta di frequenza dell'op-amp e dei condensatori di accoppiamento.Per frequenze fino a circa 500 Hz, l'errore di fase rimane minimo. Si può osservare la profondità di annullamento migliorare regolando leggermente il guadagno preamplificatore o aggiungendo un piccolo condensatore (10–33 pF) tra la fase di ingresso invertente e il terreno per tweak obiettivo.

Facoltativo: Riepilogo anti rumore con riproduzione audio

Per fare questo, l'anti-rumore deve essere mescolato con il segnale audio senza interferire.Un amplificatore di somma semplice che utilizza un terzo op-140 (o un mixer di resistenza passiva) lo ottiene.

Quando si somma, è necessario evitare che l'anti-rumore influisca sul segnale musicale. L'amplificatore di sommatura dovrebbe avere un guadagno unitario per entrambi i percorsi per evitare di cambiare il livello musicale. Inoltre assicurarsi che la sorgente musicale sia accoppiata e biasata a terra virtuale per evitare la miscelazione di DC.

Progettazione e considerazioni dell'alimentazione elettrica

A 9 V batteria fornisce una sorgente DC pulita e galleggiante che funziona bene con lo schema di terra virtuale.Aggiunga un condensatore elettrolitico da 100 μF e un condensatore ceramico da 0,1 μF attraverso le guide di alimentazione per sopprimere il rumore e l'oscillazione. Tenete a mente che il LM358 può oscillare la sua uscita solo all'interno di circa 1,5 V della alimentazione, quindi con un'alimentazione da 9 V, l'uscita massima di decofono è approssimativamente 6 V2.1.

Per i test in panca, è conveniente un alimentatore CC regolato a 9 V. Tuttavia, i rifornimenti alimentati a linea possono introdurre i loop di terra; una batteria è preferita per il test finale. Se è necessario utilizzare un adattatore a parete, includere un raddrizzatore del ponte e un condensatore filtro da 470 μF per creare un alimentatore DC galleggiante, quindi aggiungere il terreno virtuale.

Montaggio del pannello e test iniziali

Iniziare assemblando il divisore virtuale del terreno e verificare che la tensione del punto medio sia approssimativamente la metà dell'alimentazione. Quindi costruire il preamplificatore del microfono, collegare il microfono con un cavo schermato per ridurre l'umorismo.

Per un rapido test di cancellazione, posizionare il microfono vicino a una fonte di rumore (un ventilatore o un generatore di tono che gioca attraverso un altoparlante separato) e tenere il driver di cuffie vicino all'orecchio.

Un approccio più quantitativo comporta l'utilizzo di un oscilloscopio in modalità X-Y. Alimentazione del segnale microfono al canale 1 e dell'uscita acustica (catturato da un secondo microfono posto alla posizione dell'orecchio) al canale 2. Regolare il trimmer fino a quando la figura di Lissajous diventa una linea diagonale retta, indicando la fase perfetta e la cancellazione dell'ampiezza.

Fine-Tuning il circuito per prestazioni ottimali

Ottimizzare l'ANC analogico è in gran parte di regolare il guadagno, la larghezza di banda e la fase. Utilizzare il trimmer nel percorso di feedback dell'inverter per impostare il guadagno esatto per la cancellazione più profonda a un tono di bassa frequenza di destinazione (ad esempio, 200 Hz). Un oscilloscopio in modalità X-Y può aiutare: alimentare il segnale microfono al canale 1 e l'uscita acustica del driver di cuffie (cheggiatore dritto per volta per volta per volta per volta per voltare un microfono)

Attenzione al feedback acustico: se il microfono è troppo vicino al driver di cuffie, l'anti-rumore può accoppiarsi al microfono, creando oscillazione o sterzatura. Il materiale di separazione fisica o di smorzamento acustico all'interno della tazza aiuta. Utilizzando una topologia di alimentazione verso l'esterno della tazza riduce naturalmente il feedback.

Applicazioni e Limitazioni del Mondo reale

Questo circuito op-amp ANC dimostra il principio di base, ma le cuffie commerciali ANC utilizzano tecniche più avanzate. Feedforward ANC come descritto qui è aperto-loop; non si adatta a cambiamenti nel percorso acustico. Feedback ANC mette il microfono all'interno della tazza dell'orecchio, controllando direttamente il rumore residuo e costantemente minimizzandolo, che può cancellare una larghezza di banda più ampia e gestire variazioni nella misura del cuffia.

Uno dei limiti principali del nostro semplice design feedforward è che la cancellazione è efficace solo per i suoni che raggiungono il microfono esterno identico a come raggiungere il timpano. Diverse direzioni di arrivo del rumore, funzioni di trasferimento correlate alla testa, e la trasmissione acustica della tazza altera la forma d'onda del rumore, impedendo l'inversione perfetta. Inoltre, il circuito introduce un ritardo fisso; se tale ritardo supera una lunghezza d'onda quarto della frequenza di rumore, la fase di occhiata cambia a frequenza di fase di interruzione di approfondimento.

Risoluzione dei problemi Problemi comuni

Non c'è uscita dal preamplificatore spesso deriva da un'emissione DC mancante per il microfono dell'elettrostato. Assicurare che il perno di scarico del microfono sia collegato a VccΩ attraverso un connettore (tipicamente 2.2 kΩ) e il pin di sorgente a terra

Distorted anti-noise[[] ad alti livelli possono derivare da limitazioni di uscita op-amp swing. Ridurre il guadagno preampli o aumentare la tensione di alimentazione. Se il microfono raccoglie l'anti-rumore dal diffusore (sorprendere), aumentare la separazione fisica o utilizzare un microfono direzionale con un modello di pick-up mirato dal diffusore.

Spostamento oltre gli amplificatori Op-Amps: Soluzioni Digital ANC

Se si desidera esplorare ANC ad alte prestazioni, l'elaborazione del segnale digitale apre nuove possibilità. ARM a basso costo Cortex-M4 o chip ANC dedicati come i dispositivi analogici ADAU1772 può eseguire algoritmi di filtraggio adattiva come il filtro-X meno medi quadrati (FxLMS) algoritmo. Questi sistemi regolano continuamente i coefficienti di filtro anti rumore dettagliati per massimizzare il rifiuto.

Per chi desidera rimanere nel dominio analogico ma migliorare le prestazioni, si consideri l'aggiunta di una fase di filtro di secondo ordine per modellare la risposta di frequenza del microfono. A volte i picchi di risposta acustica della tazza dell'orecchio a certe frequenze; un filtro di notch può compensare, migliorare la flatness of cancellation.

Enclosure e Considerazioni di progettazione acustica

Il microfono di alimentazione deve essere montato all'esterno della tazza dell'orecchio, posizionato per catturare il rumore ambientale con un'ostruzione minima. Un piccolo parabrezza in schiuma riduce i rumori del vento artefatti. La vicinanza del microfono alla porta acustica della tazza dell'orecchio può creare risonanze; sperimentare con il posizionamento per trovare una posizione che dà la risposta più piatta di frequenza dal rumore all'orecchio.

All'interno della coppa dell'orecchio, il conducente deve essere sigillato contro il cuscino dell'orecchio per evitare perdite acustiche che compromettono l'isolamento passivo e la cancellazione attiva. Il materiale del cuscino e si adattano alla testa determinano il cutoff a bassa frequenza per l'isolamento passivo; un buon sigillo estende la gamma efficace di ANC. Per le costruzioni fai da te, considera l'utilizzo di tazze over-ear con imbottitura circolare, che forniscono un isolamento passivo maggiore rispetto agli stili dell'orecchio.

Il cablaggio deve essere filtrato e schermato. Utilizzare coppie contorte per segnale e terra al microfono, e tenere i fili di alimentazione lontano dai percorsi segnale audio. Una piccola versione PCB o stripboard del circuito può essere montata all'interno della tazza dell'orecchio o in un piccolo contenitore indossato sulla fascia. Per un prototipo indossabile, due LM358 IC (uno per canale) e una batteria può adattarsi in una piccola scatola attaccata alla fascia.

Conclusioni

Costruire un circuito attivo di cancellazione del rumore con amplificatori operativi è un modo pratico per afferrare l'interferenza dell'onda, il condizionamento del segnale analogico e l'elettronica audio. Il progetto ti porta da un semplice preamplificatore del microfono a un sistema ANC completamente funzionale che può ridurre l'umidità bassa e rumble dell'esperimento.