Активне Попирання Шуму: Боротьба З Шумів За Допомогою Антифазного Звуку

Придушення шуму за допомогою звуку

Звук – це тискова хвиля, а тискові хвилі додаються лінійно (суперпозиція). Якщо згенерувати другу хвилю з тією ж амплітудою та частотою, що й небажаний звук, але зміщеною на рівно півциклу – на 180° зсунутою фазою – піки однієї лінії збігаються з днами іншої, і дві хвилі в сумі (ідеально) стають тише у точці їх перекриття. Це й є принцип активного придушення шуму (АПШ): мікрофон виявляє надходючий шум, електроніка генерує його обернену копію, а динамік випромінює цю хвилю з протифазної позиції поблизу вуха слухача, щоб дві хвилі змішувалися до того, як будь-яка з них сприймається окремо.

s(t)      = A·sin(ωt)              incoming noise
s_anti(t) = -A·sin(ωt) = A·sin(ωt + π)   anti-phase copy
s(t) + s_anti(t) = 0                for every t   (perfect cancellation)

Попередня проти зворотного зв’язку

Системи активного шумопоглинання (ANC) використовують дві архітектури, часто поєднуючи їх. Попередня ANC передбачає розміщення мікрофона зовні чашки навушників, спрямованого на джерело шуму; він виявляє звук до того, як він досягає вуха, та генерує сигнал нейтралізації в очікуванні, що добре працює для шуму, який електроніка може передбачити з цього зовнішнього джерела. Зворотний зв’язок розміщує мікрофон всередині чашки навушників, слухаючи те, що вухо ось-ось почує (включаючи шум, який просочився крізь ущільнення або був створений всередині чашки), та безперервно коригує сигнал нейтралізації відповідно до цього вимірювання – закритий контур керування замість відкритого прогнозу. Попередня ANC реагує швидше на гучні, раптові джерела шуму; зворотний зв’язок компенсує те, що не вдалося виявити попередною архітектурою, але це обмежено вимогами стабільності контуру щодо того, наскільки агресивно він може коригувати.

Чому ANC не справляється з високими частотами

Ідеальне придушення потребує, щоб антифазова сигнальна хвиля співпадала з початковою на відстань приблизно рівну довжині хвилі в точці інтересу. При частоті 100 Гц довжина хвилі в повітрі становить близько 3,4 метрів, тому похибки у кількох сантиметрах у часі або положенні є мізерною часткою циклу, і придушення залишається хорошим. При частоті 2 кГц довжина хвилі зменшується до приблизно 17 см, тому ті ж кілька сантиметрів помилки тепер становлять значну частину циклу, а вище кількох кГц геометрія руху голови відносно нерухомого мікрофона робить надійне фазове узгодження практично неможливим. Саме тому ANC-навушники добре пригнічують постійний гул літака або потяга, але майже не впливають на високочастотні приголосні звуки та дзвін – ці обробляються пасивною демпбуючою силою (фізичний герметик і амортизація).

Адаптивне фільтрування: алгоритм FxLMS

Реальний шум не є єдиною фіксованою синусоїдою, тому сигнал подавлення має бути згенерований адаптивним фільтром, який безперервно оновлюється. Стандартним підходом є алгоритм Filtered-x Least Mean Squares (FxLMS): адаптивний FIR-фільтр обробляє сигнал від опорного мікрофона для генерування сигналу подавлення, а мікрофон помилки вимірює залишковий (неподавлений) звук у цільовій точці, і коефіцієнти фільтра коригуються, зразок за зразком, в напрямку, що зменшує цей залишок – враховуючи ("фільтрування") відомі затримки та спотворення шляху від вторинного динаміка у його правилі оновлення. Це дозволяє системі відстежувати повільно змінюваний шум (підвищення обертів двигуна, пориви вітру) замість того, щоб її налаштовувати на одну фіксовану частоту.

За межами навушників

Одна й та сама ідея масштабується: автомобілі використовують шумопоглинання (ANC) у салоні для придушення гудіння двигуна та дорожнього шуму через існуючі динаміки та мікрофони панелі приладів, а промислові димозбійники використовують масиви гучномовців для придушення низькочастотного шуму від вентиляторів, що проникає по витяжних каналах HVAC. У цьому випадку 1-D геометрія каналу значно легше підтримувати фазову збірку, ніж у відкритому повітрі.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Noise Cancellation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.