En la actualidad hay dos mecanismos que permiten atenuar el
ruido, cuando no es posible hacerlo en la fuente que lo produce: la Cancelación Pasivala Cancelación Activa
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)
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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.
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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.
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Fig.2 – Curva de
atenuación de los auriculares provistos de atenuación pasiva
del Ruido (Filtro
pasa bajo)
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Cancelación Activa de Ruido
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Fig. 3 – El ruido,
el anti - ruido y la cancelación como resultado de sumar ambos.
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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).
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Fig. 4 - Disposición física del metodo
ANC - feedforward.
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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.
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Fig. 5 – Diagrama en bloques del
método ANC – feedforward
para un auricular. Para
el auricular del
otro oído se repite elmismo esquema.
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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.
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Fig.6
– Diagrama en bloques para un auricular con elmétodo ANC - feedback. Para el auricular del otro
oído se repite
el
mismo esquema.
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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.
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Fig.7
– ANC por el método de realimentación (Feedback)
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3) Método Híbrido
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Fig. 8 – Diagrama
en Bloques del método ANC – híbrido .
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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.
