Активная шумовая отмена

Активное шумоподавление (ANC) использует физический принцип деструктивной интерференции: когда встречаются две звуковые волны равной амплитуды, но противоположной фазы, они отменяют друг друга. В типичном наушнике ANC микрофон захватывает окружающий шум, электронная схема инвертирует сигнал для получения антишума, и миниатюрный динамик доставляет, что инвертированная форма волны в ушной канал. Антишум и оригинальный шум объединяются, чтобы произвести почти нулевое изменение давления в барабанной перепонке, при условии, что амплитуда и выравнивание фаз точны. Этот процесс должен работать в реальном времени с минимальной задержкой - задержки, превышающие несколько сотен микросекунд, сдвигают антишум из выравнивания, особенно на более высоких частотах, где длины волн короче.

Практичный диапазон частот, где аналоговые АНК превосходит ниже приблизительно 1 кГц. Выше этого, пассивная изоляция от ушных подушек и дизайн чашки берет на себя, потому что активное аннулирование требует жесткой фазовой точности, которая становится все более трудно поддерживать на более коротких длинах волн. Эта статья описывает топологию вперед по корме: микрофон помещается за пределами ушной чашки, чтобы захватить шум, прежде чем он достигнет уха. Системы вперед подаются с открытым контуром и проще реализовать с основными схемами операционного усилителя, что делает их идеальными для обучения. Напротив, обратная связь АНК помещает микрофон внутри чашки для мониторинга остаточного шума, но она требует тщательного анализа стабильности и более сложной с дискретными компонентами. Конструкция вперед по корму здесь демонстрирует основные концепции, обеспечивая практическую основу.

Понимание акустического пути имеет решающее значение. Шум проходит от источника к внешнему микрофону, через электронику (с задержкой распространения), а затем от динамика к барабанной перепонке. Антишум должен приходить точно в то же время, что и шум, который протекает через физический барьер наушника. Любое несоответствие уменьшает глубину отмены. Это ограничение времени полета является причиной того, что передний АНК работает лучше всего для низкочастотного шума (например, грохот двигателя, гул HVAC), где длины волн достаточно велики, что небольшие фазовые ошибки имеют меньшее значение. Более высокие частоты требуют более тесного выравнивания и часто превышают то, что аналоговые схемы могут доставить без адаптивной цифровой обработки.

Фундаментальные строительные блоки схемы АНК

Каждая аналоговая система ANC включает в себя три основных этапа: предусилитель микрофона, фазовый инвертор и усилитель мощности, который приводит в движение динамик наушников. Четвёртая стадия — сумматорный усилитель — часто добавляется для объединения антишума с желаемым звуковым сигналом, таким как музыка или голос. Микрофон улавливает окружающий шум и преобразует его в крошечное электрическое напряжение. Предусилитель повышает этот сигнал до полезного уровня при фильтрации нежелательных частотных компонентов. Инвертор переворачивает полярность сигнала, в идеале с усилением единства, для генерации антишума. Заключительная стадия драйвера подает инвертированный сигнал на маленький динамик. Поскольку тот же самый динамик также подает музыку, схема суммирования смешивает оба сигнала, сохраняя антишум независимым, чтобы он не искажал звук. Эта статья подробно описывает каждый блок и показывает, как соединить их с недорогими, легкодоступными компонентами.

Выбор правильного операционного усилителя

Выбор оп-ампа напрямую влияет на шум, пропускную способность и энергопотребление. Для наушников с батарейным питанием наушники с низким напряжением, однократный оп-ампер имеет важное значение. LM358 является популярным двухконтурным оп-ампером, который работает от одной рельсы до 3 В, что делает его пригодным для портативных конструкций. Он предлагает адекватную скорость передачи данных с частотой усиления 1,5 В / мкс, достаточную для аудиочастот до нескольких килогерц. Однако на выходной стадии LM358 наблюдается искажение кроссовера в работе класса-AB; для более чистого звука многие дизайнеры предпочитают TL072 (JFET-вход, низкий шум) или NE5532 (биполярный, ультранизкий шум), хотя они обычно требуют разделения питания или более высокого единого питания. Для проекта для начинающих, простота и доступность LM358 делают его идеальной отправной точкой. Вы можете изучить полные спецификации в LM358 таблица данных [[FLT: 1]], чтобы понять его предвзятость и

Независимо от выбранного операционного усилителя, убедитесь, что он может управлять импедансом ваших наушников. Типичные драйверы наушников имеют импедансы от 16 Ω до 64 Ω. Большинство операционных усилителей могут доставлять только несколько миллиамперов, поэтому, если вам нужен более высокий выходной ток, добавьте простой буфер транзистора с нажимным усилителем или выделенный IC наушника после стадии инвертора. Мы предположим, что драйвер наушников с высоким сопротивлением (> 100 Ω) может быть приведен непосредственно из выхода операционного усилителя через конденсатор связи. Для конструкций, требующих более низкого импеданса, рассмотрите выходные операционные усилители с рельсами, такие как MCP602 или OPA2333, которые могут качаться ближе к рельсам питания и доставлять больше тока.

Список компонентов и спецификации

Соберите следующие предметы перед началом. Рекомендуется использовать стандартные детали сквозного отверстия для легкой раскладки.

  • Электронный микрофон — небольшая всенаправленная капсула со встроенным FET; типичная чувствительность около —44 дБВ/Па. Требуется смещение постоянного тока через резистор (обычно от 2,2 кОм до 10 кОм).
  • Операционный усилитель — LM358 (пакет DIP-8) или эквивалентный двойной операционный усилитель.Для этапа суммирования может потребоваться второй двойной операционный усилитель, если вы включаете воспроизведение музыки.
  • Резисторы — значения: 2,2 кОм, 10 кОм, 22 кОм, 47 кОм, 100 кОм и 1 МОм для смещения микрофона. 1/4 Вт резисторы углеродной пленки прекрасны. Триммерный потенциометр 10 кОм для корректировки коэффициента усиления.
  • Капитаны — керамические конденсаторы (0,1 мкФ, 10 пФ, 33 пФ) для разъединения и фазовой компенсации; электролитические конденсаторы (10 мкФ, 22 мкФ, 100 мкФ) для сцепления сигналов и фильтрации мощности. Рейтинг напряжения не менее 16 В.
  • Потенциометр — триммер 10 кОм для корректировки коэффициента усиления.
  • Водитель наушника — небольшой динамический динамик или спасенный элемент наушников (32 Ω или выше, если он приводится в движение непосредственно с помощью операционного усилителя; в противном случае добавьте буфер).
  • Подача электроэнергии — батарея 9 В с защелкнутым разъемом или регулируемым подачей на скамейке постоянного тока. Для работы с одним подачей необходима виртуальная наземная сеть.
  • Хлебная доска и прыгунные провода — 830-точечная доска облегчает прототипирование.
  • По желанию — аудиоисточник (например, смартфон) для суммирования тестов, экранированный микрофонный кабель, осциллограф для отладки, небольшой измерительный микрофон для проверки отмены.

Для раскладки по картону рассмотрите возможность использования модуля микрофона с электрическим экраном со встроенной схемой смещения (например, MAX9814), если вы хотите упростить переднюю часть, но дискретная конструкция дает больше контроля над коэффициентом усиления и пропускной способностью. Щитный кабель для микрофона настоятельно рекомендуется для уменьшения шума пикапа.

Подробный дизайн схемы

Создание виртуального поля для одноместной операции

Поскольку звуковые сигналы качаются выше и ниже эталонного уровня, усилитель с одним подачей должен быть смещен при напряжении средней рельсы, часто называемом виртуальным заземлением. Используйте простой резистивный делитель двух равных резисторов (например, по 10 кОм) между Vcc и землей, обойденный конденсатором 10 мкФ к земле. Точка перехода обеспечивает стабильную ссылку Vcc/2. Подключите это к неинвертирующим входам операционных усилителей, где это необходимо. Все конденсаторы связи с сигналом будут затем AC-связывать аудио вокруг этого смещения постоянного тока. Убедитесь, что конденсатор достаточно велик (по крайней мере 10 мкФ), чтобы поддерживать виртуальный импеданс земли на низких частотах. Электролитика 100 мкФ параллельно с 10 мкФ может дополнительно уменьшать шум на очень низких частотах. Виртуальный заземление должно опускаться и испускать небольшие токи без значительного изменения напряжения; значения делителя резистора должны быть достаточно низкими, чтобы обеспечить жесткую ссылку, не рисуя чрезмерную мощность.

Стадия предусилителя микрофона

Крошечный выход электронно-микрофонного микрофона должен быть усилен от нескольких милливольт до около 100 мВ или более перед инверсией. Конфигурация неинвертирующего усилителя идеальна из-за его высокого входного импеданса. Подключите микрофон через конденсатор связи 1 мкФ к неинвертируемому входу первого операционного усилителя. Предел, который вводится в виртуальную землю с резистором 100 кОм. Прирост устанавливается формулой Gain = 1 + (R2/R1). Выберите R1 = 2,2 кОм и R2 = 22 кОм для усиления 11, которое может быть отрегулировано позже. Поместите конденсатор 10 пФ параллельно с R2, чтобы откатить высокочастотный шум выше 15 кГц, предотвращая колебания. Выход берется из штифта операционного усилителя 1 и подается на следующую стадию через конденсатор связи 10 мкФ, который блокирует виртуальное смещение земли постоянного тока.

Этот преамплификатор также обеспечивает естественный разрез баса, если значения конденсатора связи выбраны скромно; частота углового фильтра высокого прохода должна быть ниже 100 Гц для сохранения эффективного диапазона ANC. Для более глубокого аннулирования на низких частотах (до 50 Гц) увеличить конденсатор связи до 22 мкФ. Детальные принципы конфигурации операционного усилителя можно изучить в этом руководстве по операционному усилителю .

Инвертирующий усилитель и генерация антишумов

Второй операционный усилитель в пакете LM358 выполнен в виде инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления -1, переворачивающего предусиленный сигнал. Подключает предусилительный выход через резистор 10 кОм к инвертируемому входу. Резистор обратной связи 10 кОм от выхода к тому же входу устанавливает величину усиления к 1. Неинвертирующий вход привязан к виртуальному заземлению. Выход теперь переносит антишумовой сигнал. Вставьте переменный резистор (10 кОм триммер) последовательно с выходом преампа, чтобы обеспечить тонкий контроль над уровнем отмены. Конденсатор 0,1 мкФ через резистор обратной связи может ограничить полосу пропускания примерно до 1,5 кГц, соответствуя диапазону отмены кормового вперед.

Точность фазы критична. Инвертирующий усилитель вносит сдвиг на 180° на низких частотах, но дополнительное отставание фазы происходит из-за собственной частотной реакции операционного усилителя и конденсаторов связи. Для частот до 500 Гц фазовая ошибка остается минимальной. Вы можете наблюдать улучшение глубины отмены, слегка отрегулировав усиление преампа или добавив небольшой конденсатор (10-33 pF) между инвертирующим входом и землей для настройки запаса фазы. Цель состоит в том, чтобы максимально точно выровнять антишумную форму волны в исходном шуме уха. Используйте осциллограф в режиме двойного следа для сравнения вывода преампа и вывода инвертора; они должны быть на 180° вне фазы для входа синусоидальной волны.

Опционально: Резюмирование Антишумов с помощью Audio Playback

Реальные наушники ANC позволяют слушать музыку при отмене шума. Для этого антишум должен быть смешанным с аудиосигналом без вмешательства. Простой сумматорный усилитель с использованием третьего оп-ампа (или пассивного резистора-миксера) достигает этого. Используйте резистор 10 кОм от входного аудиосигнала и еще 10 кОм от входного сигнала наушников, также смещенного на виртуальную землю. Оба резистора подключаются к инвертирующим входным сигналам оп-ампа с резистором обратной связи 10 кОм. Выход становится суммой двух сигналов, инвертированный. Окончательная инверсия восстанавливает исходную аудиополярность: вы можете либо игнорировать ее (ухо нечувствительно к абсолютной фазе для музыки) или вставлять инвертирующий буфер. Привод наушника через электролитический конденсатор 100 мкФ для удаления постоянного тока. Если импеданс наушников низкий (<64 Ω), вам понадобится буферная стадия; простой эмиттер-последователь с комплементарной парой (BD

При суммировании необходимо соблюдать осторожность, чтобы не допустить влияния антишума на музыкальный сигнал. Усилитель суммирования должен иметь усиление единства для обоих путей, чтобы избежать изменения музыкального уровня. Также убедитесь, что источник музыки связан с переменным током и смещен в виртуальную основу, чтобы избежать смешивания с офсетом постоянного тока.

Дизайн и соображения по энергоснабжению

9-вольтовая батарея обеспечивает чистый, плавающий источник постоянного тока, который хорошо работает с виртуальной схемой заземления. Добавьте электролитический конденсатор 100 мкФ и керамический конденсатор 0,1 мкФ через силовые рельсы для подавления шума и колебаний. Имейте в виду, что LM358 может поворачивать свою выходную мощность только в пределах примерно 1,5 В от рельсов питания, поэтому с 9 В максимальный выход пик-пик составляет примерно 6 В (2,1 В RMS). Этого достаточно для обычного прослушивания наушников. Если вам нужен более громкий антишум, увеличьте подачу до 12 В или используйте усилитель питания от рельса до рельса, такой как MCP602. Всегда разъединяйте силовые штифты каждого операционного усилителя с конденсатором 0,1 мкФ, расположенным как можно ближе к IC. Для продления срока службы батареи рассмотрите оп-амперы малой мощности, такие как TLV272 или OPA2333.

Для стендовых испытаний удобен регулируемый источник питания постоянного тока на 9 В. Однако линейные источники питания могут вводить заземленные петли; для окончательного тестирования предпочтительнее батарея. Если для создания плавающего источника питания постоянного тока необходимо использовать настенный адаптер, включить в него выпрямитель моста и конденсатор фильтра 470 мкФ, то добавьте виртуальный заземление.

Сборка и первичное тестирование Хлебной доски

Начните с сборки виртуального делителя земли и проверки того, что среднее напряжение составляет примерно половину подачи. Затем постройте микрофонный предусилитель, соединив микрофон с экранированным кабелем, чтобы уменьшить гул. Подавите схему и проверьте выход преамплификатора с помощью осциллографа или многометрового набора на переменный ток; постукивание по микрофону должно производить видимую форму волны. Далее добавьте инвертирующий этап. Временно подключите небольшой динамик (через конденсатор 100 мкФ) к выходу инвертора. Вы должны услышать инвертированный шум — звучание полое или фазовое по сравнению с оригиналом. Если нет, отследите стадию сигнала по этапу с помощью зонда.

Для быстрого теста на отмену поместите микрофон рядом с источником шума (вентилятор или генератор тонов, играющий через отдельный динамик) и удерживайте драйвер наушников возле уха. Вы можете услышать снижение низкочастотного гула. Необходима будет тонкая настройка.

Более количественный подход предполагает использование осциллографа в режиме X-Y. Подача микрофонного сигнала в канал 1 и акустического выхода (захватывается вторым микрофоном, размещенным в положении уха) в канал 2. Настройка триммера до тех пор, пока фигура Лиссажуса не станет прямой диагональной линией, указывающей на идеальную фазу и амплитуду отмены. Этот метод хорошо работает для синусоидальных тестовых тонов.

Тонкая настройка схемы для оптимальной производительности

Оптимизация аналогового ANC в значительной степени связана с регулировкой усиления, пропускной способности и фазы. Используйте триммер в пути обратной связи инвертора, чтобы установить точный коэффициент усиления для глубочайшего аннулирования при целевом низкочастотном тоне (например, 200 Гц). С помощью осциллографа в режиме X-Y можно: подай микрофонный сигнал каналу 1 и драйверу наушников акустический выход (подхваченный небольшим микрофоном измерения внутри искусственного уха) каналу 2; настройте прямую линию. На практике можно использовать уши: воспроизводите постоянный тон из громкоговорителя, слушайте через наушники и поворачивайте триммер до тех пор, пока воспринимаемый объем не будет минимальным.

Остерегайтесь акустической обратной связи: если микрофон слишком близко к драйверу наушника, антишум может соединяться обратно в микрофон, создавая воет или колебание. Физическое разделение или акустический демпфирующий материал внутри ушной чашки помогает. Использование топологии переднего хода с микрофоном снаружи чашки естественным образом уменьшает обратную связь. Защита микрофонного кабеля и удержание входных входных сигналов оп-ампера также предотвращает нежелательный электрический шумоуловитель. Если колебание сохраняется, увеличить значение конденсатора через резистор обратной связи (например, 0,22 мкФ) для уменьшения пропускной способности или добавить небольшой ряд резистора (10-47 Ω) на выходе оп-ампа для изоляции емкостных нагрузок от кабеля.

Реальные приложения и ограничения

Эта схема АНК с операционным усилителем демонстрирует основной принцип, но коммерческие наушники АНК используют более продвинутые методы. Feedforward АНК, как описано здесь, является открытым контуром; он не адаптируется к изменениям в акустическом пути. Обратная связь АНК помещает микрофон внутрь ушной чашки, непосредственно отслеживая остаточный шум и постоянно минимизируя его, что может отменить более широкую полосу пропускания и обрабатывать изменения в наушниках. Однако системы обратной связи требуют тщательной стабилизации цикла, чтобы избежать колебаний. Цифровые решения АНК, использующие цифровые процессоры сигналов (DSP) и адаптивные алгоритмы, такие как алгоритм Filtered-X Least Mean Squares (FxLMS), могут достичь превосходной производительности и даже отменить тональный шум. Тем не менее, аналоговый подход остается ценным для образовательных целей, проектов DIY и реализаций с низкой задержкой.

Одно из основных ограничений нашей простой конструкции пересылки вперед заключается в том, что отмена эффективна только для звуков, которые достигают внешнего микрофона, идентично тому, как они достигают барабанной перепонки. Различные направления поступления шума, связанные с головкой функции передачи и акустическая передача ушной чашки изменяют форму шума, предотвращая идеальную инверсию. Кроме того, схема вводит фиксированную задержку; если эта задержка превышает четверть длины волны частоты шума, отмена изменяет конструктивные помехи на этой частоте. Поэтому эффективный диапазон обычно ниже 1 кГц, и производительность резко падает выше этого. Для более глубокого взгляда на стабильность и запас фаз в системах обратной связи см. эта статья об аналоговых устройствах .

Устранение общих проблем

При создании этой схемы вы можете столкнуться с несколькими общими проблемами. Ни один выход из преамплификатора часто не является результатом отсутствующего смещения постоянного тока для электронно-вытяжного микрофона. Сливной штифт микрофона соединен с Vcc через резистор (обычно 2,2 кОм) и штифт источника к земле. Опускание и шум могут входить через длинные неэкранированные провода; используйте экранированный кабель для микрофона и держите линии питания короткими. Колебание обычно вызвано паразитической емкостью на входе операционного усилителя или недостаточной разъединенностью. Добавьте резистор 100 Ом последовательно с выходом для изоляции емкостных нагрузок и поместите конденсатор 10 ПФ между инвертирующим входом и землей, если это необходимо. [[FLT:

Отклоненный антишум на высоких уровнях может быть результатом ограничений на выходное качание операционного усилителя. Уменьшить усиление предусилителя или увеличить напряжение питания. Если микрофон улавливает антишум от динамика (выскакивания), увеличить физическое разделение или использовать направленный микрофон с шаблоном пикапа, направленным от динамика.

Выход за пределы Op-Amps: решения Digital ANC

Если вы хотите исследовать высокопроизводительный ANC, цифровая обработка сигналов открывает новые возможности. Низкозатратные ARM Cortex-M4 или специализированные чипы ANC, такие как Analog Devices ADAU1772, могут выполнять адаптивные алгоритмы фильтрации, такие как алгоритм фильтрованных-X наименее средних квадратов (FxLMS). Эти системы постоянно корректируют коэффициенты фильтрации антишумов (FxLMS) для максимизации отторжения. Многие энтузиасты DIY успешно построили цифровые наушники ANC с использованием крошечного микрофона, платы Teensy или STM32 и DAC/усилителя. В то время как более сложные цифровые ANC могут достигать отмены до 2 кГц и адаптироваться к изменяющимся шумовым средам. Хорошей отправной точкой для понимания алгоритма FxLMS и его реализации является руководство по активному шумоподавлению FLT:1, которое охватывает как аналоговые, так и цифровые пути. Кроме того, Texas Instruments предоставляет подробную прикладную записку на цифровом ANC с использованием кодека TLV320

Для тех, кто хочет остаться в аналоговой области, но улучшить производительность, рассмотрите возможность добавления этапа фильтра второго порядка для формирования частотной реакции микрофона. Иногда акустическая реакция ушной чашки достигает пика на определенных частотах; выемочный фильтр может компенсировать, улучшая плоскость отмены. Это требует тщательного измерения, но может дать результаты, сопоставимые с коммерческими наушниками ANC начального уровня.

Содержание и акустические соображения дизайна

Физическое ограждение наушников резко влияет на производительность ANC. Форвардный микрофон должен быть установлен на внешней стороне ушной чашки, расположенной для захвата окружающего шума с минимальной обструкцией. Небольшое ветровое стекло из пены уменьшает артефакты шума ветра. Близость микрофона к акустическому порту ушной чашки может создавать резонансы; эксперимент с размещением, чтобы найти положение, которое дает самую плоскую частотную реакцию от шума к уху.

Внутри ушной чашки водитель должен быть запечатан на ушной подушке, чтобы предотвратить акустические утечки, которые компрометируют как пассивную изоляцию, так и активную отмену. Материал подушки и посадка на голову определяют низкочастотную отсечку для пассивной изоляции; хорошая печать расширяет эффективный диапазон ANC. Для сборки DIY рассмотрите возможность использования ушных чашек с круговой обшивкой, которые обеспечивают лучшую пассивную изоляцию, чем стили на ухе. Акустический демпфирующий материал (например, пена или войлок) внутри чашки позади водителя может поглощать отражения и уменьшать резонансы.

Проводка должна быть смягчена и экранирована. Используйте скрученные пары для сигнала и заземления микрофона, а также держите провода питания подальше от путей аудиосигнала. Маленькая печатная плата или версия стриптопа схемы могут быть установлены внутри ушной чашки или в небольшом корпусе, который носят на повязке. Для носимого прототипа два ИС LM358 (по одному на канал) и батарея могут поместиться в небольшой коробке, прикрепленной к повязке.

Заключение

Создание активной схемы шумоподавления наушников с операционными усилителями - это практический способ улавливания волновых помех, аналогового сигнала и аудиоэлектроники. Проект переносит вас от простого микрофонного преамплификатора к полностью функциональной системе ANC, которая может уменьшить низкочастотный гул и грохот. Хотя он не может конкурировать с производительностью коммерческих адаптивных гарнитур ANC, опыт учит бесценным урокам о выравнивании фаз, постановке и ограничениях аналоговой обработки в реальном времени. Вооружившись этими знаниями, вы можете экспериментировать дальше - оптимизируя схему, добавляя музыку или переходя в цифровую область с микроконтроллером. Будь то для университетских лабораторных упражнений или проекта хобби на выходные, наушники ANC остаются классическим шлюзом для более глубокой аудиотехники.