Entendendo cancelamento ativo do ruído

O cancelamento ativo do ruído (ANC) aproveita o princípio físico da interferência destrutiva: quando duas ondas sonoras de amplitude igual mas fase oposta se encontram, elas se cancelam. Em um fone de ouvido típico da ANC, um microfone capta o ruído ambiente, um circuito eletrônico inverte o sinal para produzir o ruído anti-, e uma coluna em miniatura oferece essa forma de onda invertida para o canal auditivo. O ruído anti- ruído e o ruído original combinam-se para produzir variação de pressão quase zero no tímpano, desde que a amplitude e o alinhamento de fase sejam precisos. Este processo deve operar em tempo real com latência mínima – atrasos que excedem algumas centenas de microssegundos deslocam o ruído anti- ruído para fora do alinhamento, especialmente em frequências mais altas, onde os comprimentos de onda são mais curtos.

A faixa de frequência prática onde o ANC analógico se destaca é inferior a aproximadamente 1 kHz. Acima disso, o isolamento passivo das almofadas de ouvido e do design do copo assume porque o cancelamento ativo exige precisão de fase apertada que se torna cada vez mais difícil de manter em comprimentos de onda mais curtos. Este artigo descreve uma topologia de feedforward: o microfone é colocado fora do copo de ouvido para capturar o ruído antes de atingir o ouvido. Os sistemas de Feedforward são de circuito aberto e mais simples de implementar com circuitos básicos de op-amp, tornando-os ideais para aprendizagem. Em contraste, o feedback ANC coloca o microfone dentro do copo para monitorar o ruído residual, mas requer uma análise cuidadosa da estabilidade e é mais desafiador com componentes discretos. O design do feedforward aqui demonstra os conceitos essenciais, proporcionando uma base prática.

Compreender o caminho acústico é crítico. O ruído viaja da fonte para o microfone externo, através da electrónica (com atraso de propagação) e depois do alto-falante para o tímpano. O ruído anti- ruído deve chegar exactamente ao mesmo tempo que o ruído que vaza através da barreira física do fone de ouvido. Qualquer descompasso reduz a profundidade de cancelamento. Esta restrição de tempo de voo é a razão pela qual o ração para a CNA funciona melhor para o ruído de baixa frequência (por exemplo, rubor do motor, zumbido do HVAC) onde os comprimentos de onda são suficientemente longos que os pequenos erros de fase são menos importantes. As frequências mais altas requerem um alinhamento mais apertado e muitas vezes excedem o que os circuitos analógicos podem fornecer sem processamento digital adaptativo.

Blocos de construção fundamentais de um circuito ANC

Cada sistema ANC analógico inclui três fases principais: um pré- amplificador de microfones, um inversor de fase e um amplificador de potência que aciona a coluna do fone de ouvido. Um quarto estágio — um amplificador de som — é frequentemente adicionado para combinar o anti- ruído com um sinal de áudio desejado, como música ou voz. O microfone capta o ruído ambiente e converte- o numa pequena tensão eléctrica. O pré- amplificador aumenta este sinal para um nível utilizável enquanto filtra os componentes de frequência indesejados. O inversor muda a polaridade do sinal, idealmente com ganho de unidade, para gerar o ruído. Um último estágio do condutor alimenta o sinal invertido para uma pequena coluna. Porque o mesmo falante também fornece música, um circuito de som mistura ambos os sinais, mantendo o anti- ruído independente, de modo que não distorça o áudio. Este artigo detalha cada bloco e mostra como interconectá- los com componentes disponíveis e baratos.

Selecionar o amplificador operacional correto

A escolha do amplificador influencia diretamente o piso de ruído, largura de banda e o consumo de energia. Para um fone de ouvido ANC alimentado por bateria, uma baixa tensão, o op-amp de uma única fonte é essencial. O LM358 é um op-amp popular que opera de uma única linha de comando tão baixo quanto 3 V, tornando-o adequado para desenhos portáteis. Oferece um produto adequado de largura de banda de ganho (1 MHz) e uma taxa de rotação típica de 0,5 V/μs, suficiente para frequências de áudio até alguns kilohertz. No entanto, o estágio de saída do LM358 exibe distorção cruzada na operação classe-AB; para um áudio mais limpo, muitos designers preferem o TL072 (JFET-input, baixo ruído) ou o NE5532 (ruído bipolar, ultra-baixo), embora estes geralmente exijam uma fonte dividida ou uma fonte única superior. Para um projeto de panificação amigável de principiantes, a simplicidade e disponibilidade do LM358 fazem dele o ponto de partida ideal. Você pode estudar as especificações completas na [FLT58].

Independentemente do op-amp escolhido, assegure-se de que ele pode conduzir a impedância dos seus auscultadores. Os controladores típicos de fones de ouvido têm impedâncias de 16 ‡ a 64 ‡. A maioria dos amps podem fornecer apenas alguns miliamps, por isso, se necessitar de uma corrente de saída mais elevada, adicione um buffer de transistor de push-pull simples ou um amplificador de fones de ouvido dedicado IC após o estágio do inversor. Nós assumiremos um controlador de fone de ouvido de alta impedância (>100 ?) que pode ser conduzido diretamente da saída do op-amp através de um capacitor de acoplamento. Para projetos que exijam menor impedância, considere op-amps de saída de trilho para trilho, como o MCP602 ou OPA2333, que pode oscilar mais perto dos trilhos de fornecimento e fornecer mais corrente.

Lista de componentes e especificações

Reúna os seguintes itens antes de começar. Usando peças padrão através do buraco para fácil panificação é recomendado.

  • Miquicardiograma de eletricidade – uma pequena cápsula omnidirecional com FET embutido; sensibilidade típica em torno de –44 dBV/Pa. Requer um viés DC através de um resistor (tipicamente 2,2 kē a 10 k
  • Amplificador operacional – LM358 (pacote DIP-8) ou op-amp equivalente. Um segundo op-amp duplo pode ser necessário para o palco de soma se você incluir reprodução de música.
  • Resistores – valores: 2,2 kē, 10 kē, 22 kē, 47 kē, 100 k
  • Capacímetros – condensadores cerâmicos (0.1 μF, 10 pF, 33 pF) para dissociação e compensação de fases; condensadores electrolíticos (10 μF, 22 μF, 100 μF) para acoplamento de sinais e filtragem de potência.
  • Potenciômetro – 10 kē aparador para ajuste de ganho.
  • Controlador de telefone – um pequeno elemento de alto-falante dinâmico ou fone de ouvido salvo (32 ‡ ou superior se conduzido diretamente por op-amp; caso contrário, adicione um buffer).
  • Fonte de alimentação – uma bateria de 9 V com conector de encaixe ou uma alimentação regulada de banco de CC. Uma rede de terra virtual é necessária para operação de fornecimento único.
  • Fios de tábua de rosca e jumper – uma placa de pão de 830 pontos facilita a prototipagem.
  • Opcional – fonte de áudio (por exemplo, smartphone) para testes de soma, cabo de microfone blindado, osciloscópio para depuração, um pequeno microfone de medição para verificação de cancelamento.

Para panificação, considere usar um módulo de microfone eletret com um circuito de viés integrado (por exemplo, MAX9814), se você quiser simplificar a extremidade frontal, mas um design discreto dá mais controle sobre ganho e largura de banda. Um cabo blindado para o microfone é altamente recomendado para reduzir o captador de hum.

Desenho de Circuito Detalhado

Criando um motivo virtual para uma operação de fornecimento único

Dado que os sinais de áudio oscilam acima e abaixo de um nível de referência, um amplificador de fonte única deve ser tendenciosamente numa tensão média do carril, frequentemente chamada de terra virtual. Use um divisor resistivo simples de duas resistências iguais (por exemplo, 10 k

Estágio do pré- amplificador de microfone

O pequeno resultado do microfone eletrético deve ser amplificado de alguns milivolts para cerca de 100 mV ou mais antes da inversão. Uma configuração do amplificador não- invertido é ideal devido à sua elevada impedância de entrada. Ligue o microfone através de um capacitor de acoplamento de 1 μF à entrada não- inversão do primeiro op-amp. Ajusta essa entrada para o terreno virtual com um resistor de 100 k

Este pré-amplificador também fornece um corte de baixo natural se os valores do capacitor de acoplamento forem escolhidos modestamente; a frequência do canto do filtro passa-alta deve ser inferior a 100 Hz para preservar o intervalo eficaz do ANC. Para cancelamento mais profundo em frequências baixas (para baixo de 50 Hz), aumente o capacitor de acoplamento para 22 μF. Os princípios detalhados de configuração do op-amp podem ser estudados em este tutorial do op-amp[].

Invertendo Amplificador e Geração Anti- Ruído

O segundo op- amp no pacote LM358 é configurado como um amplificador de inversão com um ganho de –1, accionando o sinal pré- amplificado. Ligar a saída do pré- amp através de uma resistência de 10 k

A precisão da fase é crítica. O amplificador de inversão introduz uma mudança de 180° em frequências baixas, mas ocorre uma defasagem de fase adicional devido à resposta de frequência do próprio op-amp e aos capacitores de acoplamento. Para frequências até cerca de 500 Hz, o erro de fase permanece mínimo. Você pode observar a profundidade de cancelamento melhorar ligeiramente ajustando o ganho de pré-amp ou adicionando um pequeno capacitor (10- 33 pF) entre a entrada de inversão e a margem de fase do solo para ajustar a margem de fase. O objetivo é alinhar o anti- ruído o mais próximo possível da forma de onda sonora original no ouvido. Use um osciloscópio em modo de dupla via para comparar a saída do pré-amp e a saída do inversor; eles devem estar 180° fora de fase para uma entrada de onda sine.

Opcional: Somando Anti-ruído com reprodução de áudio

Os auscultadores ANC reais permitem- lhe ouvir música enquanto cancela o ruído. Para fazer isto, o anti- ruído deve ser misturado com o sinal de áudio sem interferir. Um amplificador de som simples, usando um terceiro op- amp (ou um misturador de resistência passiva) consegue isto. Use um resistor de 10 k

Quando somar, é necessário cuidado para evitar que o anti- ruído afete o sinal de música. O amplificador de soma deve ter ganho de unidade para ambos os caminhos para evitar alterar o nível da música. Também garantir que a fonte de música é AC-acoplada e tendenciosa para o terreno virtual para evitar a mistura DC offset.

Projeto e Considerações de Fonte de Energia

Uma bateria de 9 V fornece uma fonte de corrente contínua limpa e flutuante que funciona bem com o esquema de terra virtual. Adicione um condensador electrolítico de 100 μF e um condensador cerâmico de 0,1 μF através das carris de alimentação para suprimir o ruído e a oscilação. Lembre- se que o LM358 só pode oscilar a sua saída para cerca de 1,5 V das carris de alimentação, de modo que, com uma fonte de 9 V, a saída máxima de pico a pico é de aproximadamente 6 V (2,1 V RMS). Isso é suficiente para uma escuta típica do fone de ouvido. Se necessitar de um anti- ruído mais alto, aumente a alimentação para 12 V ou use uma op-amp de linha-a-a-ferrolha como a MCP602. Sempre dissocie os pinos de potência de cada amp com um capacitor de 0,1 μF colocado o mais próximo possível do CI. Para uma vida útil prolongada, considere os op-amps de baixa potência, como o TLV272 ou OPA2333.

Para testes em bancada, uma fonte de alimentação CC regulada definida como 9 V é conveniente. No entanto, fontes de linha podem introduzir loops de terra; uma bateria é preferida para testes finais. Se você precisa usar um adaptador de parede, inclua um retificador de ponte e um capacitor de filtro 470 μF para criar uma fonte de corrente contínua flutuante, então adicione o terreno virtual.

Montagem de tábuas de pão e testes iniciais

Comece por montar o divisor de terra virtual e verifique se a tensão do ponto médio é aproximadamente metade da fonte. Depois construa o pré- amplificador do microfone, ligando o microfone com um cabo blindado para reduzir o zumbido. Ligue o circuito e verifique a saída do pré- amplificador com um osciloscópio ou um multímetro configurado para AC; tocando no microfone deverá produzir uma forma de onda visível. A seguir, adicione o estágio de inversão. Ligue temporariamente um pequeno alto- fala (através de um condensador de 100 μF) à saída do inversor. Você deverá ouvir o ruído invertido – som oco ou phasey em comparação com o original. Se não, rastreie o estágio de sinal por estágio usando uma sonda.

Para um teste de cancelamento rápido, coloque o microfone perto de uma fonte de ruído (um ventilador ou um gerador de tom tocando através de um alto-falante separado) e segure o auscultadores perto da orelha. Você pode ouvir uma redução no zumbido de baixa frequência.

Uma abordagem mais quantitativa envolve o uso de um osciloscópio no modo X-Y. Alimente o sinal do microfone para o canal 1 e a saída acústica (capturada por um segundo microfone colocado na posição da orelha) para o canal 2. Ajuste o aparador até que a figura Lissajous se torne uma linha diagonal reta, indicando cancelamento de fase e amplitude perfeitos. Este método funciona bem para tons de teste de onda senoidal.

Ajuste fino do circuito para desempenho ideal

Otimizar o ANC analógico é principalmente sobre ajustar ganho, largura de banda e fase. Use o aparador na rota de feedback do inversor para definir o ganho exato para cancelamento mais profundo em um tom de baixa frequência alvo (por exemplo, 200 Hz). Um osciloscópio no modo X-Y pode ajudar: a alimentar o sinal do microfone no canal 1 e o controlador de fones de ouvido saída acústica (retirado por um pequeno microfone de medição dentro de uma orelha artificial) no canal 2; a ajustar para uma linha reta. Na prática, você pode usar os ouvidos: toque um tom constante de um alto- falante, ouça através dos fones de ouvido e rode o aparador até que o volume percebido seja mínimo.

Cuidado com o feedback acústico: se o microfone estiver muito perto do auscultadores, o anti- ruído pode voltar a juntar- se ao microfone, criando uivos ou oscilações. A separação física ou o material de amortecimento acústico dentro do copo auricular ajuda. Usando uma topologia de alimentação com o microfone fora do copo reduz naturalmente o feedback. Proteger o cabo do microfone e manter a entrada do op-amp leva a curto também impede o captador de ruído elétrico indesejado. Se persistir a oscilação, aumente o valor do capacitor através do resistor de feedback (por exemplo, 0,22 μF) para reduzir a largura de banda ou adicione um resistor de série pequeno (10–47 ↔) na saída do op-amp para isolar cargas capacitivas do cabo.

Aplicações e Limitações do Mundo Real

Este circuito ANC op-amp demonstra o princípio básico, mas os fones de ouvido comerciais ANC usam técnicas mais avançadas. O ANC feedforward, conforme descrito aqui, é open-loop; não se adapta às mudanças no caminho acústico. O ANC feedback coloca o microfone dentro do copo auricular, monitorando diretamente o ruído residual e minimizando-o continuamente, o que pode cancelar uma largura de banda mais ampla e manipular variações no ajuste do fone de ouvido. No entanto, os sistemas de feedback requerem uma estabilização cuidadosa do loop para evitar oscilações. As soluções ANC digitais, empregando processadores de sinal digital (DSPs) e algoritmos adaptativos como o algoritmo de Quadrados Médios de Least-X Filtered-X (FxLMS), podem alcançar desempenho superior e até mesmo cancelar ruído tonal. No entanto, a abordagem analógica continua a ser valiosa para fins educacionais, projetos DIY e implementações de baixa latência.

Uma das principais limitações do nosso design simples de feedforward é que o cancelamento é eficaz apenas para sons que chegam ao microfone externo de forma idêntica à forma como eles alcançariam o tímpano. Diferenciais direções de chegada de ruído, funções de transferência relacionadas com a cabeça, e a transmissão acústica do copo de ouvido alteram a forma de onda de ruído, impedindo a inversão perfeita. Além disso, o circuito introduz um atraso fixo; se esse atraso exceder um quarto de comprimento de onda da frequência de ruído, o cancelamento muda para interferência construtiva nessa frequência. Portanto, o intervalo eficaz é geralmente inferior a 1 kHz, e o desempenho cai acentuadamente acima disso. Para uma análise mais profunda da estabilidade e margem de fase nos sistemas de feedback, consulte este artigo de Dispositivos Analógicos].

Resolver Problemas Comuns

Ao construir este circuito, você pode encontrar vários problemas comuns. Nenhuma saída do pré-amplificador resulta frequentemente de um viés DC em falta para o microfone eletrético. Certifique-se de que o pino de drenagem do microfone está conectado ao Vcc através de um resistor (tipicamente 2,2 k

Anti-ruído distorcido em níveis elevados pode resultar de limitações de oscilação de saída op-amp. Reduza o ganho de pré-amplificador ou aumente a tensão de alimentação. Se o microfone capta o anti-ruído do alto-falante (uivando), aumente a separação física ou use um microfone direcional com um padrão de captação voltado para longe do alto-falante.

Mover-se para além dos Op-Amps: Soluções digitais ANC

Se quiser explorar ANC de alto desempenho, o processamento de sinais digitais abre novas possibilidades. Os chips ARM Cortex- M4 ou ANC dedicados, como os dispositivos analógicos ADAU1772, podem executar algoritmos de filtragem adaptativos, tais como o algoritmo de quadrados médios menos filtrados X (FxLMS). Estes sistemas podem ajustar continuamente os coeficientes de filtro anti- ruído para maximizar a rejeição. Muitos entusiastas de DIY construíram com sucesso auscultadores ANC digitais usando um pequeno microfone, uma placa Teensy ou STM32, e um DAC/amplificador. Embora mais complexos, o ANC digital pode conseguir o cancelamento até 2 kHz e adaptar-se a ambientes de ruídos em mudança. Um bom ponto de partida para compreender o algoritmo FxLMS e a sua implementação é o [[FLT: 0]] Guia de cancelamento de ruído ativo de fones de ouvido instructáveis[FLT: 1], que cobre caminhos analógicos e digitais. Adicionalmente, o Texas Instruments fornece uma nota detalhada de aplicação sobre [FLT: 2]ANC digital utilizando o código TLV320AIC304c[FLT]:

Para quem deseja permanecer no domínio analógico, mas melhorar o desempenho, considere adicionar um estágio de filtro de segunda ordem para moldar a resposta de frequência do microfone. Às vezes, o pico de resposta acústica do copo de ouvido em determinadas frequências; um filtro de entalhe pode compensar, melhorando a planicidade do cancelamento. Isto requer uma medição cuidadosa, mas pode produzir resultados comparáveis aos fones de ouvido ANC comerciais de nível de entrada.

Enclausura e Considerações de Design Acústico

O gabinete físico do fone de ouvido afeta dramaticamente o desempenho do ANC. O microfone feedforward deve ser montado no lado externo do copo de ouvido, posicionado para capturar o ruído ambiente com mínima obstrução. Uma pequena espuma pára-brisas reduz artefatos de ruído de vento. A proximidade do microfone com o porto acústico do copo de ouvido pode criar ressonâncias; experimente com colocação para encontrar uma posição que dê resposta de frequência mais plana do ruído ao ouvido.

Dentro do copo auricular, o condutor deve ser selado contra o coxim auricular para evitar fugas acústicas que comprometam o isolamento passivo e o cancelamento ativo. O material do coxim e ajuste contra a cabeça determinam o corte de baixa frequência para o isolamento passivo; um bom selo estende a gama eficaz de CAN. Para as construções DIY, considere usar copos sobre-orelhas com enchimento circunaural, que proporcionam melhor isolamento passivo do que os estilos no ouvido. Material de amortecimento acústico (por exemplo, espuma ou feltro) dentro do copo por trás do condutor pode absorver reflexos e reduzir ressonâncias.

A fiação deve ser aliviada e blindada. Use pares torcidos para o sinal e aterramento do microfone, e mantenha os fios de alimentação afastados dos caminhos de sinal de áudio. Um pequeno PCB ou versão de stripboard do circuito pode ser montado dentro da xícara de ouvido ou em um pequeno gabinete usado na faixa de cabeça. Para um protótipo wearable, dois CIs LM358 (um por canal) e uma bateria pode caber em uma pequena caixa anexada à faixa de cabeça.

Conclusão

Construir um circuito de fones de ouvido com amplificadores operacionais é uma forma prática de captar interferências de ondas, condicionamento de sinal analógico e eletrônica de áudio. O projeto leva você de um simples microfone pré-amplificador para um sistema ANC totalmente funcional que pode reduzir o zumbido de baixa frequência e o rum. Embora não possa rivalizar com o desempenho de fones de ouvido ANC adaptativos comerciais, a experiência ensina lições valiosas sobre alinhamento de fases, estadiamento de ganho e restrições de processamento analógico em tempo real. Armado com esse conhecimento, você pode experimentar ainda mais – otimizando o circuito, adicionando som de música ou transicionando para o domínio digital com um microcontrolador. Seja para um exercício de laboratório universitário ou um projeto de hobby de fim de semana, o fone de ouvido ANC continua a ser um portal clássico para engenharia de áudio mais profunda.