Cancelación Activa de Ruido

En la actualidad  hay dos mecanismos que permiten atenuar el ruido, cuando no es posible hacerlo en la fuente que lo produce: la Cancelación Pasiva del Ruido y la Cancelación Activa del Ruido.  La  forma más popular de hacerlo es mediante auriculares, en cuyo interior se utilizan ambos mecanismos. La cancelación pasiva se comporta como un filtro pasa bajo, atenuando en gran medida las frecuencias por encima de unos pocos cientos de Hz. La cancelación activa se comporta como un filtro pasa alto, funcionando bien a frecuencias inferiores a unos pocos cientos de Hz, pero no a frecuencias más altas. Juntos, ambos mecanismos proporcionan suficiente cancelación de ruido en todo el rango de frecuencia audible. Quienes tuvimos que soportar a diario y  durante muchas horas, el ruido que producen turbinas, compresores de gas, motores y generadores, valoramos de manera especial  todo avance en la atenuación del ruido.  Por otra parte, la atenuación del ruido está muy lejos de ser un lujo para quien sea que lo deba soportar, ya que los efectos del ruido sobre la salud de los seres vivos son sumamente perjudiciales.  También  poder  escuchar  música o voz,  sin el martírio de la presencia del ruido es un objetivo muy  necesario.

Cancelación Pasiva del Ruido

Los métodos de control de ruido pasivo utilizan materiales absorbentes de sonido, como lana de vidrio, espuma acústica u otros materiales aislantes para absorber el ruido de impacto. A veces, el material se corta en geometrías especiales para mejorar sus capacidades de absorción de sonido. La capacidad general de aislamiento del ruido depende de una serie de factores, incluida la frecuencia del sonido, el tipo de material, su grosor y su geometría. En general, una propiedad común de todos los materiales de aislamiento pasivo de ruido es que el coeficiente de absorción del sonido aumenta con la frecuencia del sonido. Cuando la longitud de onda del sonido se hace más larga que el grosor del material, se hace difícil que el material absorba el sonido. Como resultado, los sistemas de control de ruido pasivo funcionan bien a frecuencias más altas, pero su efectividad se reduce significativamente a bajas frecuencias. En muchos escenarios del mundo real, el ruido de baja frecuencia es dominante en todo el espectro de ruido, en tales casos, el método de control de ruido pasivo se vuelve menos efectivo.

La carcasa del auricular, la almohadilla y la espuma  proporcionan un sello entre el oído del usuario y el entorno ruidoso. Estos materiales físicos absorben el ruido de alta frecuencia. (Fig.1)

Fig.1 – Auriculares  con cancelación pasiva

del  Ruido.  Cari ñosamente  apodados  “ZAPALLITOS”, 

en  Gas del  Estado de Argentina,  porque eran

de color verde claro  y tenían forma de ZAPALLITOS.

Este es el auricular  clásico que  nos era provisto por las empresas donde trabajamos, para protegernos del  ruido producido en las salas de máquinas y otros lugares de alto ruido. Si bien un buen diseño proporcionará una fuerte cancelación pasiva antes de que se apliquen los componentes electrónicos de la cancelación activa del ruido, la cancelación pasiva a menudo se limita a cancelar frecuencias superiores a 1 kHz. Igualmente, la mejor electrónica activa no puede compensar un diseño acústico deficiente con una cancelación pasiva mínima. En la Fig.2 se puede ver la curva de respuesta típica de un auricular  con atenuación pasiva de ruido.

Fig.2 – Curva de atenuación  de los auriculares  provistos de atenuación pasiva

del Ruido (Filtro pasa  bajo)

Cancelación Activa de Ruido

La Cancelación Activa de Ruido, denominada en inglés ANC (Active Noise Cancellation), consiste  en captar el ruido ambiente con un micrófono, generar  electrónicamente una señal  inversa al ruido, llamada  “anti - ruido” y luego sumarla con  la señal del ruido para lograr su  cancelación, lo que dará como resultado una señal de “silencio”, que entrará en el oído del usuario (Fig. 3):                                                                                                       

Fig. 3 – El ruido, el anti - ruido y  la  cancelación como resultado de sumar ambos.

Este mecanismo es conocido con el nombre de “interferencia destructiva” del ruido.

Hay tres métodos para  realizar  la cancelación activa del ruido:

1) Feedforward (Anticipación a partir de micrófono ubicado en la parte exterior de la carcasa del auricular)

2) Feedback (Realimentación a partir de micrófono ubicado dentro del auricular)

3) Método Híbrido (Combinación de los dos anteriores)

1) Feedforward

Consiste  en captar  mediante un micrófono, ubicado en la parte exterior de la carcasa del auricular, el  ruido exterior  incidente antes de que llegue al oído del usuario, invertirlo y sumarlo con el audio de entrada (voz o música),  entregando el resultado de esta operación al parlante del auricular que lo irradia hacia el oido del usuario, cancelando el ruido que le llegó en forma directa desde el exterior del auricular y permitiendo que el audio ingrese sin ser alterado y limpio de ruido al oído del usuario. (Fig. 4). 

Fig. 4 -  Disposición física del  metodo  ANC - feedforward.

En la Fig. 5 se muestra un diagrama en bloques del mecanismo feedforward de cancelación activa de ruido. El ruido exterior  al auricular (ruido ambiente) llega en forma directa al micrófono exterior  y también al espacio existente entre el cono del parlante del auricular y el oído del usuario.

El módulo G (ω) es el encargado de  producir la señal de antirruido, que luego se mezcla con la señal  de audio (voz o música) que llega mediante un cable al auricular.

Como la señal de ruido llega unos milisegundos antes al micrófono exterior que al espacio entre el parlante y el oído, es necesario un delay (incluído en el módulo Dff) que permita ajustar los tiempos para que la cancelación sea perfecta. Si el antirruido tiene un retraso de señal de más de unos pocos milisegundos, intentará cancelar el ruido “anterior” en lugar del actual y, por lo tanto, puede empeorar las cosas, ya que está tratando de corregir el pasado. Si por el contrario la señal de antiruido que llega al parlante estuviera adelantada, trataría de corregir el ruido que todavía no llegó.

                                                    Fig.  5 – Diagrama en bloques  del  método ANC – feedforward  para  un auricular. Para

el auricular del otro oído se repite elmismo esquema.

Un modo interesante que se usa comúnmente en este metodo de cancelación de ruido es el modo monitor. En este modo, el micrófono exterior se utiliza para amplificar activamente el ruido ambiental, puenteando el módulo G (ω) y el micrófono se conecta directamente al amplificador del parlante. Esto ayuda a superar la atenuación pasiva del auricular, al mantener una conversación con un vecino de vuelo en un avión, sin quitarse el auricular. Por lo general, este modo se puede activar presionando un pulsador en el auricular. 

Una desventaja que tienen los sistemas que usan el método Feedforward es que son susceptibles al ruido del viento, a causa de que el ruido directo del viento será registrado por el micrófono exterior y no será oído por el usuario en forma directa, porque el oído del usuario se encuentra protegido del viento por el auricular. Entonces se generará una señal de antirruído que intentará cancelar un ruido en un lugar donde no existe tal ruido.

2) Feedback

Una solución para superar el problema del ruido del viento es una topología ANC diferente. La segunda topología en la industria ANC es la topología de realimentación (feedback). Esta topología utiliza los mismos bloques de hardware que tenemos en las aplicaciones de feedforward. La única diferencia es la ubicación de los micrófonos, que están dentro del auricular.  Esto hace que el auricular no sea susceptible al ruido del viento.

Otra ventaja que viene con los sistemas de realimentación es la compensación automática de pequeñas fugas. Con los sistemas feedforward  es importante tener un buen sellado de los auriculares en el oído, de lo contrario se obtendrá un performance muy limitado. Este es un problema típico y muy a menudo es la razón por la cual los sistemas feedforward  no ofrecen el mismo performance en varias personas de prueba.

Los sistemas de realimentación generalmente no muestran este comportamiento. Hasta cierto punto, pueden compensar las tolerancias de sellado de los auriculares.

La mayor diferencia entre las dos topologías ANC son las características de reducción de ruido. Los sistemas de realimentación generalmente tienen una mejor performance en baja frecuencia (<100Hz) pero no alcanzan el ancho de banda de los sistemas feed-forward. Por lo general, los sistemas de realimentación pueden funcionar hasta 1 kHz y tener una distribución ANC más plana con valores pico más bajos. A su vez, los sistemas feed-forward muestran un performance mejor para los picos (típicamente hasta 25dB) con una característica en forma de cono.

Fig.6 – Diagrama en bloques para un auricular con elmétodo  ANC - feedback. Para el auricular del otro oído se repite

el mismo esquema.

La Figura 6 muestra el diagrama en bloques típico de un auricular con realimentación. La señal de audio (voz o música) se alimenta directamente al parlante. El micrófono interno y el parlante están ubicados dentro de la cápsula del auricular y crean un entorno cerrado, lo que conduce a un inconveniente general de la topología de realimentación.Como el micrófono está ubicado dentro de la cápsula del auricular, capta la señal de ruido y la señal de audio. Por lo tanto, el micrófono no puede distinguir entre señal de audio y señal de ruido, realimentando ambas, que son aplicadas al módulo G (ω) que invierte ambas señales produciendo anti ruido y “anti audio”.

Debido a que ambas señales, ruido y música, se utilizan en la ruta de realimentación, el auricular intenta cancelar la música y el ruido. Este fenómeno es conocido como pérdida de baja frecuencia del audio (voz o música) en los sistemas de realimentación ANC.

Dado que el sistema ANC de realimentación muestra un rendimiento de baja frecuencia típicamente bueno, el contenido de baja frecuencia de la música (o voz) se reduce por el nivel de performance ANC en el rango de frecuencia donde el ANC está activo (20Hz - 1kHz). Un simple truco para superar este problema se muestra en la Figura 6. Una forma de compensar las pérdidas de baja frecuencia es restar la señal de música de la señal del micrófono. Muy a menudo se usa un filtro de compensación de ganancia M (ω) para mejorar aún más este circuito de compensación. La salida del circuito de sustracción es la señal de ruido puro que se utiliza para la reducción de ruido.

Esta solución parece bastante simple en papel, pero es bastante difícil de implementar porque tenemos una ruta de señal acústica (parlante a micrófono) involucrada. Un enfoque más simple es un circuito de ecualización en la entrada de música. Con una función simple de refuerzo de graves, las pérdidas de baja frecuencia se pueden compensar, con el posible inconveniente de ser problemas de margen con los amplificadores.

Fig.7 – ANC por el método de realimentación (Feedback)

3) Método Híbrido

La Figura 8 muestra el diagrama en bloques del método híbrido, que no es más que una combinación de las topologías feed-forward and feedback. Esta tecnología combina las ventajas de ambos sistemas en una única tecnología. Le permite alcanzar los mejores niveles de atenuación  ANC (> 30dB) y el mayor ancho de banda. 

Fig. 8 – Diagrama en Bloques del método ANC – híbrido .

Dado que el método feedforward recibe el ruido enticipadamente, será el primero en cancelar  el ruido  y el residuo que quedará a la salida del parlante será eliminado por la realimentación del método feedback.

Un sistema compensa las carencias del otro sistema y viceversa. Estos sistemas suelen mostrar un rendimiento ANC superior de 20Hz a 3kHz, lo que no es posible con un sistema de feed-forward o feedback independientes.

Si bien el sistema es el más costoso (dos micrófonos por canal) y requiere mucha experiencia en producción en masa, es una solución que le permite distinguirse de los auriculares ANC normales.