NOISE CANCELLATION:

FERNANDO MAINARDES SHIINOKI

CANCELAMENTO DE RUDO

Trabalho da disciplina de Processamento Digital de Sinais do Curso de Engenharia Eltrica, Setor de Tecnologia, da Universidade Federal do Paran, Prof Marcelo Rosa.

CURITIBA

2007

Histrico

O Controle ativo de rudos e a supresso de um som indesejado pela ao de outro som esto em desenvolvimento durante os ltimos setenta anos. Desde o seu incio at hoje seu desenvolvimento dependeu do crescimento da eletrnica e barateamento de tecnologias.

Os elementos bsicos de sistema de controle ativo de rudos so compostos por um ou mais microfones para captar o rudo em algum local de interesse e meios de produzir um som adequadamente tratado que age como um controle. O som de controle normalmente criado pela ao de um sistema de alto-falantes. Estes conceitos podem ser aplicados em controle de rudo produzido por ventiladores industriais, supresso de rudos por aquecimento, ventilao e tubos de ar condicionado, reduo de sons de descarga de veculo, criao de zonas silenciosas dentro de interiores de veculo, reduo do nvel de rudo dentro de avies, e protetor de ouvido com controle de rudo ativo - comuns em aviao e uso industriais.

O controle de rudo ativo foi inventado por Paul Lueg na Alemanha em 1932. Com trs dos conceitos comuns de controle de rudo ativo: supresso de rudo em dutos, cancelamento por interferncia e a criao de zonas de silncio.

Nos anos cinqenta, Harry Olsen desenvolveu o controle de rudo ativo, usando um absorvente eletrnico de som. Para demonstrar o desempenho de um sistema experimentalmente, ele pretendeu criar uma zona de silncio sobre um indivduo, o expondo a um local silenciado. A aplicao conceitual do sistema era reduzir o nvel de rudo para passageiros de veculos. Enquanto o sistema operava, obteve-se sensvel reduo do som no local da audio do ouvinte, mas se o indivduo se movimentasse conduziria a mudanas significantes no rudo percebido pelo ouvinte. Sistemas posteriores usavam vrios atuadores para controlar o som e muitos microfones que conduziu ao conceito atual de reduo de rudo usados em veculos automotores e avies.

Em 1950 surgiram as primeiras implementaes do que se tornaria o dispositivo de controle de rudo ativo mais comum. Atualmente o protetor de ouvido ativo um acessrio comum dentro da comunidade de aviao e comercializado ao pblico para reduzir rudo enquanto voando em aeronaves, na construo civil, aparando o gramado, etc.

Foram feitas vrias publicaes relacionadas ao controle de rudo ativo pelos anos setenta e anos oitenta. O desenvolvimento de controle de rudo ativo continua hoje de maneira acelerada, com muitas das mesmas aplicaes iguais ao comprovado no trabalho original de Paul Leug. Mas o que verdadeiramente habilitou o avano rpido e a comercializao de conceitos de controle de rudo ativos foi o desenvolvimento de aparelhos compactos, leves e mais acessveis financeiramente. A eletrnica necessria para um protetor de ouvido de controle ativo freqentemente implementada dentro do prprio protetor de ouvido. Para sistemas de controle ativos de alta complexidade, o avano rpido em poder computacional e processadores compactos tem possibilitado uma maior portabilidade.Funcionamento

Som uma onda de presso no ar, que consiste de uma compresso e uma rarefao. Se um sistema de cancelamento de rudo emite uma onda sonora com a mesma amplitude e a polaridade oposta ao som original, as ondas combinam para formar uma onda nova, em um processo chamado interferncia , causando o cancelamento das duas ondas. O efeito chamado cancelamento de fase, o resultado desejado que no h nenhum som, entretanto ainda no foi obtida tal eficincia. Dependendo das circunstncias e o mtodo utilizado, a onda sonora resultante pode ser to atenuada que se torne inaudvel .

Um gerador de cancelamento de rudo pode ser co-localizado com a fonte de som a se atenuar. Neste caso, tem que ter o mesmo nvel de potncia que a fonte do som no desejada. Alternativamente, o transdutor que emite o sinal de cancelamento pode ser localizado no local onde atenuao necessria -por exemplo: ouvido do usurio. Isto requer um nvel de potncia muito inferior para o funcionamento, mas s efetivo para um nico usurio. O cancelamento de rudo em outros locais mais difcil, mesmo se utilizados vrios geradores, os sinal de cancelamento poderiam se desordenar e criarem zonas revezadas de interferncia construtiva e destrutiva. Em espaos restritos pequenos, como o compartimento de passageiro de um carro, tal cancelamento pode ser alcanado pelos geradores mltiplos, micro protetor de avaliao e medidas de realimentao.As vantagens com relao aos sistemas passivos como isolamento e absoro, a maior efetividade em baixas freqncias, menor espao utilizado e a possibilidade de bloquear rudos seletivamente.

Aplicaes

As aplicaes podem ser unidimensionais ou tridimensionais, dependendo do tipo de rea a se proteger. Sons cclicos so mais fceis cancelar que sons aleatrios devido repetio na forma de onda e a possibilidade de se dividir o som em ondas harmnicas.

A proteo de uma rea unidimensional mais fcil e exige somente um par de microfones e geradores anti-rudo. Vrias aplicaes comerciais tiveram xito: Fones ativos, silenciadores ativos e o controle de rudo em tubos de ar condicionado.

Proteo de uma zona de tridimensional requer muitos microfones e geradores, tornando o arranjo menos vantajoso. Aplicaes comerciais incluem a proteo de cabines de aeronave e interiores de carros, mas nestas situaes, a proteo limitada principalmente ao cancelamento de rudo repetitivo (ou peridico) como motores, hlices ou rudo de mquinas.Sistemas de cancelamento de rudo maiores so usados para mquinas de navios ou tneis. A natureza cclica das mquinas possibilita a anlise de FFT e ao fcil cancelamento do rudo. Esta tecnologia no mascara o rudo. O rudo ser utilizado para gerar um sinal anti-rudo que lhe ser somado, mas 180 graus fora de fase com o rudo. Este anti-rudo introduzido no ambiente de interesse, os dois sinais cancelam um ao outro removendo uma poro significante da energia sonora.

Existem muitas aplicaes para esta tecnologia:

Silenciadores ativos Reduz o rudo de escapamentos de motores, compressores, e bombas.Amortecedores ativos Anula a vibrao de mquinas giratrias, melhorando durabilidade, uso de energia e reduzindo rudo acstico secundrio.

Zonas silenciosas Gerando assentos silenciosos e cabines silenciosas para automveis, avies, caminhes e locomotivas.

Protetor de ouvido ativo - Estende a proteo da audio alm da proteo passiva . Protetores de ouvido ativos tambm podem ser seletivos, permitindo a comunicao e melhorando a segurana no local de trabalho.Rudo Aleatrio

Fontes de rudo existem ao longo de um ambiente. Existe um tipo de rudo que ocorre devido desordem, que totalmente aleatrio e impossvel de prever. Estes rudos turbulentos tendem a distribuir a energia deles uniformemente pelas faixas de freqncia e ento chamado de "Rudo de banda larga" (figura 1). Exemplos de rudo de banda larga, so o baixo rudo de freqncia de avies a jato e o rudo de impulso de uma exploso.

Figura 1: Banda LargaExiste uma grande variedade de rudos caracterizados por Rudos de Faixa Estreita, eles concentram a maior parte da energia de rudo em freqncias especficas. Quando a fonte do rudo for uma mquina giratria ou repetitiva, as freqncias de rudo so todos os mltiplos de uma freqncia fundamental e o som aproximadamente peridico. (figura 2)

Figura 2: Faixa EstreitaOs exemplos de fontes de rudo de faixa estreito incluem:

Mquinas de combusto: em transporte e como fontes de energia auxiliar.

Compressores: como fontes de energia auxiliar e em unidades de refrigerao.

Mquinas giratrias: os desequilbrios causam vibrao e rudo acstico secundrio.Transformadores de potncia: Campos magnticos fortes causam vibrao a harmnicas da freqncia no fio de alta tenso e rudo acstico secundrio.

Tecnologia de Cancelamento de Rudo

A idia criar uma cpia do rudo, process-la e us-la como "Anti-rudo" cancelando o som inicial. A figura 3 demonstra em relao ao tempo, um sinal de rudo, um sinal de anti-rudo e o rudo residual que resulta da soma dos primeiros sinais.

Figura 3: Cancelamento de RudoNote que Cancelamento de Rudo Ativo no anula o rudo, mas remove uma poro significante da energia de rudo do ambiente.Forma ClssicaEsta forma de cancelamento de rudo ativo mostrada na figura 4, usado para reduzir o rudo em um tubo de ar. Esta a aplicao clssica de Paul Lueg para cancelamento de rudo ativo e discutido amplamente em literaturas tcnicas.

Figura 4: forma clssicaAqui um microfone colocado prximo fonte de rudo no tubo para adquirir uma amostra de referncia. Ento modelada uma forma de onda de um anti-rudo para ser somada atravs do som vindo do amplificador. Um microfone residual colocado ao final do tubo para determinar como o sistema est operando e o modelo de tubo ajustado para manter o cancelamento otimizado. A compensao de realimentao necessria para que o sinal de anti-rudo que se propaga para trs do tubo ao microfone de referncia seja cancelado na medio.Estes sistemas podem cancelar rudo de banda larga. Rudo que correlacionam com a referncia sero anulados. O sistema estvel de -6 a -10 dB (50% a 70%) em baixas freqncias.Realimentao SncronaDesenvolvida por G. B. B. Chaplin em meados de 1970, muito eficiente em rudo repetitivo. Aqui, em vez do microfone de referncia, um sinal de tacmetro usado para prover informao sobre a freqncia do rudo. Considerando que toda a energia de rudo repetitiva est em mltiplos da rotao bsica da mquina, o microprocessador de DSP pode dedicar seus recursos a anular estas freqncias de rudo conhecidas. A figura 5 mostra a configurao de um sistema para reduzir rudo de descarga de mquina.

Figura 5: Cancelamento de banda estreitaA aplicao de cancelamento de rudo em escapamentos muito til para melhorar at mesmo o rendimento do motor, tendo em vista que os atuadores passivos utilizam a presso de escape passando por caminho tortuoso para a descarga, enquanto dissipa a energia de rudo esparramando-a por freqncias no fluxo turbulento.O silenciador ativo um gerador concntrico ao cano de escape e produz o anti-rudo em um anel ao redor do fim da descarga. A simetria do rudo e fontes de anti-rudo neste arranjo prov para cancelamento global do baixo rudo de freqncia (500 Hz e abaixo). O tacmetro atua como um gerador harmnico para obter a freqncia fundamental da mquina. Isto configura o sistema inteiro para concentrar seus esforos no rudo do motor.

A maioria dos Sistemas de Cancelamento de Rudo Ativos emprega uma variante do algoritmo LMS conhecida como Filtered-X. O algoritmo de LMS bsico (X LEAST MEAN SQUARE) correlaciona um sinal de erro (o rudo residual neste caso) com um sinal X de referncia. O resultado multiplicado ento por uma taxa de adaptao constante e usado para ajustar o parmetro pertinente ao filtro adaptvel. Isto repetidamente efetuado para cada parmetro de filtro convergindo para uma operao que minimiza o rudo residual.

Na prtica, porm, o algoritmo LMS no converge devido demora de processamento, e gera efeitos no caminho fsico devido aos sinais do anti-rudo. Usando um filtro compensador no sinal de referncia, ("conseqentemente o nome Filtered - X") a estabilidade restabelecida, produzindo um sistema confivel. A figura 6 mostra a frmula da correlao:

Figura 6: correlao

Amortecedores ativos

O controle de vibraes de baixas freqncias em um amortecedor passivo requer materiais macios. O outro propsito do amortecedor manter a mquina parada em uma posio, o que freqentemente no prtico. Uma soluo para este problema fazer um amortecedor ativo que s complacente (macio) s freqncias de vibrao. A figura 6 explicita o cancelamento sncrono aplicado para criar um amortecedor de isolamento ativo que realiza esta meta. (figura 7)

Figura 7: Amortecedor AtivoA fora de vibrao anulada pelo amortecedor ativo da mquina e a armao de sustento fica livre de vibraes. Isto pode reduzir grandemente rudo acstico secundrio gerado atravs de vibraes da armao de sustento e ser uma soluo boa para mquinas fixas.

Protetor de OuvidoProtetores de audio passivos padronizados so usados em muitas indstrias quando o rudo ambiental exceder a 85 dbA. Porm, eles s comeam a trabalhar a freqncias acima 250 Hz e so eficientes somente de 500 Hz para cima. Levando-se em considerao que muito da energia de rudo de mquinas giratrias est debaixo de 500 Hz e o protetor de ouvido passivo impede comunicaes entre trabalhadores, torna-se necessria uma soluo melhor.

Com a adio de um microfone e um fone de ouvido com sinal defasado, a proteo da audio do sistema passivo pode ser estendida a at 20 Hz. Esta forma simples de Protetor de ouvido por cancelamento de rudo pode ser muito eficiente mas tem algumas desvantagens:

Conforto: Eles so pesados e incmodos.

Segurana / produtividade: Eles podem ser na verdade muito eficazes. Mas tambm eliminam a fala humana e sons de advertncia.

O uso de Cancelamento de Rudo Sncrono em um protetor de ouvido oferece alguns benefcios adicionais nesses casos onde a maioria do rudo tonal. S o rudo tonal da mquina giratria cancelado. A seletividade provida por esta aproximao permite ao portador ouvir sinais de advertncia e fala de colega de trabalho enquanto so reduzidos os componentes tonais ao mnimo. Se no for necessria a utilizao de passivos adicionais o protetor de ouvido fica leve e confortvel. A figura 8 mostra um atenuador de rudo seletivo.

Figura 8: Protetor tonalZonas SilenciosasUma maneira de se criar uma zona silenciosa pessoal posicionando um jogo de geradores e microfones em uma regio e instalar uma verso multi-canal do sistema de cancelamento sncrono. Isto pode reduzir a baixa freqncia de rudo tonal naquela regio e criar uma Zona Silenciosa.Uma zona silenciosa localizada no posto de trabalho de um trabalhador pode ser produzida integrando os geradores e microfones a altura de cabea em um assento silencioso. A figura 9 mostra um Assento Silencioso com seus dois geradores de anti-rudo e microfones de realimentao colocados para criar uma zona silenciosa ao redor da cabea do indivduo sentado.

Figura 9: Zona silenciosaConclusoO controle ativo de rudos se mostra muito mais til, seguro e verstil do que os passivos, mas enfrenta dificuldades comercias h muito tempo, com explicaes que variam desde uma necessidade de indivduos de se expor aos barulhos, para uma relutncia por parte de fabricantes em incluir sistemas de controle de rudo ativos em produtos devido a custos aumentados ou uma falta de integrao entre sistemas auditivos e controle de rudo. Adicionalmente, custo e preocupaes de confiana tambm so uma barreira. Em todo caso, o fato que os sistemas de controle de rudo ativos no puderam ter um impacto significante no rudo para o qual ns estamos diariamente todo expostos, talvez para o prejuzo de todos.Bibliografia

1. http://www.wikkipedia.com2. Jeffrey N. Denenberg, PhD, NOISE CANCELLATION: QUIETING THE ENVIRONMENT, Noise Cancellation Technologies, Inc. 19973. http://www.bhi-ltd.co.uk 4. Reza Hashemian, Senior Member IEEE , Design of an Active Noise Control System

Using Combinations of DSP and FPGAs. Northern Illinois University, 1996Frequncia (Hz)

Nvel de Rudo

(dBA)

0

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Ruido

Anti-Rudo

Residual

gerador

Amp.

Compensao da

Realimentao

Filtro

-

Adaptador

Mic. De referncia

Mic. De

Resduo

Auto- falante

Controle

Auto-falante

Motor

Mic. residual

Gerador de

Harmnicas

Filtro para

Cancelamento

Adaptador

A

M

P

Controle

Tacmentro

Mquina

Rotatria

S

E

N

S

O

R

Gerador de

harmnicas

Filtro para

cancelamento

Adaptador

A

M

P

Controle

Amortecedor

ativo

R

E

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I

D

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L

Gerador de

Harmnicas

Filtro de

Cancelamento

Adaptador

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D

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I

V

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R

Fonte de

Rudo

R

E

S

I

D

U

A

L

Mic. residual

microfone

a. falante