El control activo de ruido ( ANC ), también conocido como cancelación de ruido ( NC ), o reducción activa de ruido ( ANR ), es un método para reducir el sonido no deseado mediante la adición de un segundo sonido diseñado específicamente para cancelar el primero. El concepto se desarrolló por primera vez a finales de la década de 1930; El trabajo de desarrollo posterior que comenzó en la década de 1950 finalmente dio como resultado auriculares para aerolíneas comerciales y la tecnología estuvo disponible a fines de la década de 1980. La tecnología también se utiliza en vehículos de carretera, teléfonos móviles , auriculares y audífonos.
El sonido es una onda de presión , que consta de períodos alternos de compresión y rarefacción . Un altavoz con cancelación de ruido emite una onda sonora con la misma amplitud pero con fase invertida (también conocida como antifase ) con respecto al sonido original. Las ondas se combinan para formar una nueva onda, en un proceso llamado interferencia , y efectivamente se cancelan entre sí, un efecto que se llama interferencia destructiva .
El control activo del ruido moderno generalmente se logra mediante el uso de circuitos analógicos o procesamiento de señales digitales . Los algoritmos adaptativos están diseñados para analizar la forma de onda del ruido auditivo o no auditivo de fondo y luego, según el algoritmo específico, generan una señal que cambiará de fase o invertirá la polaridad de la señal original. Esta señal invertida (en antifase) luego se amplifica y un transductor crea una onda de sonido directamente proporcional a la amplitud de la forma de onda original, creando una interferencia destructiva. Esto reduce efectivamente el volumen del ruido perceptible.
Se puede colocar un altavoz con cancelación de ruido junto a la fuente de sonido que se va a atenuar . En este caso debe tener el mismo nivel de potencia de audio que la fuente del sonido no deseado para poder cancelar el ruido. Alternativamente, el transductor que emite la señal de cancelación puede estar ubicado en el lugar donde se desea la atenuación del sonido (por ejemplo, el oído del usuario). Esto requiere un nivel de potencia mucho menor para la cancelación, pero solo es efectivo para un único usuario. La cancelación de ruido en otros lugares es más difícil ya que los frentes de onda tridimensionales del sonido no deseado y la señal de cancelación podrían coincidir y crear zonas alternas de interferencia constructiva y destructiva, reduciendo el ruido en algunos lugares y duplicándolo en otros. En espacios cerrados pequeños (por ejemplo, el compartimento de pasajeros de un automóvil), la reducción global del ruido se puede lograr mediante múltiples altavoces y micrófonos de retroalimentación , y midiendo las respuestas modales del recinto.
Las aplicaciones pueden ser “unidimensionales” o tridimensionales, dependiendo del tipo de zona a proteger. Los sonidos periódicos, incluso los complejos, son más fáciles de cancelar que los sonidos aleatorios debido a la repetición en la forma de onda.
La protección de una "zona unidimensional" es más fácil y requiere sólo uno o dos micrófonos y altavoces para ser efectiva. Varias aplicaciones comerciales han tenido éxito: auriculares con cancelación de ruido , silenciadores activos , dispositivos antironquidos , extracción de canal vocal o central para máquinas de karaoke y control del ruido en conductos de aire acondicionado. El término "unidimensión" se refiere a una relación pistónica simple entre el ruido y el hablante activo (reducción mecánica de ruido) o entre el hablante activo y el oyente (auriculares).
La protección de una zona tridimensional requiere muchos micrófonos y altavoces, lo que la hace más cara. La reducción de ruido se logra más fácilmente si un solo oyente permanece estacionario, pero si hay varios oyentes o si el único oyente gira la cabeza o se mueve por el espacio, el desafío de la reducción de ruido se vuelve mucho más difícil. Las ondas de alta frecuencia son difíciles de reducir en tres dimensiones debido a su longitud de onda de audio relativamente corta en el aire. La longitud de onda en el aire del ruido sinusoidal a aproximadamente 800 Hz es el doble de la distancia entre el oído izquierdo y el derecho de una persona promedio; [1] Un ruido de este tipo que proviene directamente del frente se reducirá fácilmente mediante un sistema activo, pero el que proviene del costado tenderá a cancelarse en un oído y se reforzará en el otro, lo que hará que el ruido sea más fuerte, no más suave. [a] Los sonidos de alta frecuencia por encima de 1000 Hz tienden a cancelarse y reforzarse de manera impredecible desde muchas direcciones. En resumen, la reducción de ruido más eficaz en el espacio tridimensional implica sonidos de baja frecuencia. Las aplicaciones comerciales de la reducción de ruido 3-D incluyen la protección de cabinas de aviones e interiores de automóviles, pero en estas situaciones, la protección se limita principalmente a la cancelación de ruidos repetitivos (o periódicos), como el ruido inducido por el motor, la hélice o el rotor. Esto se debe a que la naturaleza cíclica de un motor facilita la aplicación del análisis y la cancelación de ruido.
Los teléfonos móviles modernos utilizan un diseño de múltiples micrófonos para cancelar el ruido ambiental de la señal de voz. El sonido se captura desde el micrófono más alejado de la boca [señal(es) de ruido] y desde el más cercano a la boca [señal deseada]. Las señales se procesan para cancelar el ruido de la señal deseada, lo que produce una calidad de sonido de voz mejorada. [ cita necesaria ]
En algunos casos, el ruido se puede controlar empleando un control activo de vibración . Este enfoque es apropiado cuando la vibración de una estructura produce ruido no deseado al acoplar la vibración al aire o agua circundante.
El control del ruido es un medio activo o pasivo de reducir las emisiones sonoras, a menudo por comodidad personal, consideraciones ambientales o cumplimiento legal. El control activo del ruido es la reducción del sonido mediante una fuente de energía. El control pasivo del ruido es la reducción del sonido mediante materiales que aíslan el ruido, como aislamiento, baldosas que absorben el sonido o un silenciador en lugar de una fuente de energía.
La cancelación activa de ruido es más adecuada para bajas frecuencias. Para frecuencias más altas, los requisitos de separación para las técnicas de espacio libre y zona de silencio se vuelven prohibitivos. En los sistemas basados en cavidades y conductos acústicos, el número de nodos crece rápidamente al aumentar la frecuencia, lo que rápidamente hace que las técnicas de control activo del ruido sean inmanejables. Los tratamientos pasivos se vuelven más efectivos con frecuencias más altas y, a menudo, brindan una solución adecuada sin la necesidad de un control activo. [2]
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La primera patente para un sistema de control de ruido ( patente estadounidense 2.043.416 ) fue concedida al inventor Paul Lueg en 1936. La patente describía cómo cancelar tonos sinusoidales en conductos haciendo avanzar la onda en fase y cancelando sonidos arbitrarios en la región alrededor de un altavoz invirtiendo la polaridad. [3] En la década de 1950, Lawrence J. Fogel patentó sistemas para cancelar el ruido en las cabinas de helicópteros y aviones. En 1957, Willard Meeker desarrolló un modelo funcional de control activo del ruido aplicado a una orejera circumaural. Este auricular tenía un ancho de banda de atenuación activa de aproximadamente 50 a 500 Hz, con una atenuación máxima de aproximadamente 20 dB. [3] A finales de la década de 1980, aparecieron los primeros auriculares con reducción activa de ruido disponibles comercialmente. Podrían funcionar con baterías de NiCad o directamente desde el sistema de energía del avión.