Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Sklep HeluKabel
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Słuchawkowy układ aktywnej redukcji hałasu

Hetzer 06 Sty 2014 15:14 12681 13
  • Słuchawkowy układ aktywnej redukcji hałasu
    Słuchawkowy układ aktywnej redukcji hałasu Słuchawkowy układ aktywnej redukcji hałasu

    Słuchawki o dobrym wytłumieniu są bardzo ważnym urządzeniem dla wszystkich koneserów muzyki, którzy często słuchają jej za pomocą właśnie słuchawek, ponieważ pozwalają na komfortowy odsłuch audycji bez konieczności zwiększania jej głośności do poziomu, który zagłuszyłby dźwięki dobiegające z otoczenia, a który mógłby okazać się niebezpieczny dla ludzkiego słuchu. Ponadto, nawet kiedy nie słuchamy muzyki, słuchawki takie mogą okazać się pożytecznym urządzeniem dla ludzi, którzy pracują lub śpią w miejscach, gdzie poziom hałasu dobiegający z otoczenia jest bardzo wysoki (na przykład w samolocie, w centrum miasta itp.). Istnieje kilka metod na zredukowanie hałasu za pomocą słuchawek. Jedną z takich metod jest tak zwany aktywny system redukcji hałasu. Polega on na umieszczeniu mikrofonu na zewnątrz słuchawek, w celu wyłapania niepożądanych dźwięków, a następnie odwrócenie ich i odtworzenie ich razem z muzyką, dzięki czemu dźwięki te, wraz ze swoją odwróconą wersją będą się wzajemnie znosić. Ważnym jest jednak, aby pierwotny sygnał akustyczny oraz jego odwrócona wersja dobiegały do uszu słuchacza w dokładnie tym samym czasie. Inne urządzenia wykorzystujące tę technologię zawierają znacznie bardziej skomplikowane rozwiązania, takie jak na przykład umieszczanie dodatkowego mikrofonu wewnątrz słuchawek, aby określić stopień redukcji hałasu. W tym projekcie stawia się na rozwiązania analogowe, jego zasada działania w telegraficznym skrócie kształtuje się następująco: mikrofon zamontowany na zewnątrz zbiera hałas, sygnał ten jest następnie odwracany i sumowany z sygnałem muzyki, a następnie dociera do ucha słuchacza.

    W projekcie tym przedstawione zostanie krok po kroku jak zbudować analogowy układ redukcji hałasu w słuchawkach stereo za pomocą wzmacniaczy operacyjnych, rezystorów oraz kondensatorów. Urządzenie, które zbudujemy wyłapuje głównie hałas mający częstotliwość poniżej 1kHz, przedział ten zawiera jednak większość niepożądanych dźwięków, które docierają do nas z otoczenia, takie jak samoloty, wentylatory, samochody i inne dźwięki typowe dla aglomeracji miejskich. Obwód, którego schemat został umieszczony powyżej odpowiada tylko za jeden kanał. Wystarczy jednak po prostu go zduplikować, a otrzymamy wersję stereo.





    Aby zbudować kompletny system działający w stereo będą nam potrzebne:
    -1x para słuchawek nausznych
    -6x wzmacniacz operacyjny LT1056
    -2x mikrofon elektretowy ECM-60-PC-R
    -2x złącze audio jack 3,5mm
    -2x kondensator 0.01µF
    -4x kondensator 1nF
    -8x kondensator 10µF
    -2x rezystor 100Ω
    -2x rezystor 1kΩ
    -2x rezystor 2,2kΩ
    -2x rezystor 4,7kΩ
    -8x rezystor 10kΩ
    -2x rezystor 13kΩ
    -2x rezystor 22kΩ
    -2x rezystor 1MΩ
    -2x potencjometr 500kΩ
    -Spora ilość przewodów
    -Zasilacz (w projekcie użyto zasilacza o napięciu +/- 8V, jednak taki o napięciu 9V spisze się równie dobrze) musi być w stanie dostarczyć prąd o natężeniu przynajmniej 30mA
    -Płytka stykowa do budowy i testów
    -Oscyloskop do testów

    Urządzenie to zostało wykonane przez Simon’a Basilico i Chris’a Russ, jako część projektu EE 122A na Stanford University, nauczyciele prowadzący - Profesor Greg Kovacs oraz Laurent Giovangrandi, przy pomocy TA Bill Esposito.

    Schemat blokowy
    Słuchawkowy układ aktywnej redukcji hałasu
    Droga jaką przebywa sygnał została symbolicznie przedstawiona na powyższym schemacie. Najpierw dźwięki z otoczenia trafiają do mikrofonu, gdzie są zamieniane na sygnał elektryczny i trafiają dalej do przedwzmacniacza, następnie do filtra, który ma za zadanie opóźnić sygnał. Ostatecznie tak przetworzony sygnał trafia do wzmacniacza sumującego, gdzie dodany zostaje do sygnału słuchanej muzyki. Tutaj następuje również odwrócenie sygnału dźwięków otoczenia oraz regulacja jego amplitudy. W zależności od tego, jaką sygnał ten będzie miał amplitudę, uzyskamy większy lub mniejszy poziom redukcji sygnałów. Następnie zsumowane i przetworzone sygnały są odtwarzane w słuchawkach, dzięki czemu poza możliwością odsłuchu muzyki uzyskujemy efekt wyciszenia niepożądanych dźwięków pochodzących z otoczenia.

    Mikrofon i zasilanie
    Słuchawkowy układ aktywnej redukcji hałasu
    Mikrofon został włączony do obwodu zgodnie z powyższym schematem. Konieczne jest zastosowanie filtra dolnoprzepustowego w sekcji zasilania (R11, C5, C6, C7), aby wyeliminować możliwość przedostawania się szumów o wysokiej częstotliwości na wyjście mikrofonu. Jest to bardzo ważne, szczególnie, jeśli do zasilania urządzenia wykorzystywany będzie zasilacz sterowany cyfrowo. Rezystor R10 ma za zadanie prawidłowo spolaryzować mikrofon, kondensator C2 zastosowano zaś w celu usunięcia składowej stałej, zaś przepuszczenia tylko sygnału pochodzącego z mikrofonu. Konfiguracja ta została zapożyczona z noty katalogowej mikrofonu. Wyjście z kondensatora C2 należy podłączyć do przedwzmacniacza.

    Nota katalogowa mikrofonu dostępna jest pod adresem Link

    Przedwzmacniacz mikrofonowy
    Słuchawkowy układ aktywnej redukcji hałasu
    Sekcja przedwzmacniacza mikrofonowego ma za zadanie wstępnie wzmocnić sygnał wejściowy do poziomu pozwalającego na łatwą jego obróbkę. Wzmocnienie tej sekcji zależy właściwie od częstotliwości sygnału wejściowego. Mówiąc najprościej, ta część układu działa jak wtórnik napięciowy dla napięcia stałego oraz jako wzmacniacz nieodwracający o wzmocnieniu wyznaczanym przez stosunek R1/R2 (w naszym przypadku 22/1) dla napięcia przemiennego o każdej częstotliwości. Stopień ten ma za zadanie również zredukować poziom składowej stałej w wyjściowym sygnale. Problem ze składową stałą polega na tym, że wprowadza ona przesterowanie do sygnału wejściowego, co zaś może spowodować, że cały system nie będzie działał poprawnie.

    Opis wzmacniacza nieodwracającego (strona 3): Link
    Nota katalogowa układu LT1056: Link

    Filtr „wszystko przepustowy”
    Słuchawkowy układ aktywnej redukcji hałasu
    Filtr „wszystko przepustowy” został zastosowany w celu opóźnienia sygnału wyjściowego przy zachowaniu jego niezmienionej wartości. Opóźnienie sygnału wyjściowego jest konieczne ze względu na to, że niepożądane dźwięki, które chcemy wytłumić wymagają pewnego czasu, aby przebyć dystans równy odległości ucha od mikrofonu. Sygnał elektryczny jest o wiele szybszy od dźwięku, dlatego konieczne jest jego spowolnienie, w przeciwnym wypadku oba sygnały nie dotrą do ucha w tym samym czasie, przez co nie uzyskamy pożądanego efektu.

    Opis filtra „wszystko przepustowego”: Link

    Projektowanie filtra „wszystko przepustowego”
    Słuchawkowy układ aktywnej redukcji hałasu
    W tym punkcie przybliżona zostanie nieco procedura projektowania wspomnianego wcześniej filtra „wszystko przepustowego”. Jest to bardziej teoretyczny niż praktyczny opis, więc osoby niewtajemniczone mogą śmiało pominąć ten punkt.
    Na początku, zmierzona została odległość, która dzieli mikrofon miejsca, gdzie znajduje się ucho użytkownika słuchawek (2 cm). Następnie przeliczono czas, w jakim fala dźwiękowa pokona ten dystans:

    Code:
    S – odległość od mikrofonu do ucha
    
    V – prędkość dźwięku
    t – czas, w jakim dźwięk przebędzie odległość S
    S = V*t
    t = 2*10-2[m]/340[m/s] ≈ 60[µsec]

    Następnie, aby znaleźć kąt przesunięcia fazy, musimy ułożyć równanie:
    Code:
    Φ – kąt przesunięcia fazy
    
    f – częstotliwość
    Φ = t * f * 360
    Φ = 60[µsec] * f *360

    W tym momencie musimy zdecydować, o jakiej częstotliwości hałas chcemy redukować. Jak już wcześniej zdecydowaliśmy, będzie to 1kHz, jako wartość maksymalna, przesunięcie fazy musi wynosić zatem:
    Code:
    @60Hz: Φ = 1.3°
    
    @1kHz: Φ = 21.6°

    W tym miejscy autorzy dobierali wartość rezystora R4 oraz kondensatorów C3+C4, aby uzyskać żądane przesunięcie fazy.

    Wzmacniacz sumujący
    Słuchawkowy układ aktywnej redukcji hałasu
    Ta ostatnia już sekcja naszego układu dodaje do siebie sygnał muzyki oraz przetworzony sygnał reprezentujący niepożądane dźwięki, a następnie odwraca fazę tak zsumowanych sygnałów. Ważnym elementem zachodzącego w tym miejscu procesu jest regulacja głośności sygnału, który docelowo ma redukować hałas, tak aby jego amplituda odpowiadała amplitudzie sygnału dźwiękowego muzyki. Jest to jedna z najtrudniejszych części tego projektu. Dla ułatwienia zadania zamontowany został potencjometr. Wzmocnienie sygnału muzyki jest równe 1 (wyznaczane jest przez stosunek rezystorów R6/R8), podczas gdy wzmocnienie sygnału tłumiącego hałas jest wyznaczane przez stosunek rezystorów R6/R7. Po zmontowaniu całego systemu, należy manewrować potencjometrem, dopóki nie uzyskamy oczekiwanego efektu redukcji hałasu. Być może zabrzmiało to banalnie, jednak wbrew pozorom czynność ta jest stosunkowo trudna.

    Sygnał muzyki pobierany jest z jednego kanału złącza audio jack 3.5mm

    Opis wzmacniacza sumującego (strona 5): Link

    Rezystor ograniczający
    Słuchawkowy układ aktywnej redukcji hałasu
    Nie wymieniony został jeszcze jeden element, a mianowicie rezystor ograniczający prąd połączony szeregowo ze słuchawkami. Słuchawki, które zostały użyte w projekcie mają impedancję równą 24Ω. Jeśli będziemy używać napięcia zasilania o wartości +/- 8V, prąd wyjściowy może wynieść nawet do 333mA. Za pomocą rezystora R12 maksymalny prąd wyjściowy zostaje ograniczone do 65mA. Zabieg ten został zastosowany w celu ochrony zarówno słuchawek, jak i słuchu ich użytkownika (większy prąd oznacza głośniejszą muzykę).

    Montaż całości
    Słuchawkowy układ aktywnej redukcji hałasu
    Początkowe kroki opisywały sposób budowy jednego kanału. My chcemy jednak uzyskać stereofoniczny system wygłuszenia. Wystarczy, że zduplikujemy cały układ, w efekcie uzyskamy pełnowartościowy system aktywnej redukcji hałasu w stereo.

    W tym momencie jedyne co pozostaje do zrobienia, to przymocowanie mikrofonu do słuchawek. Mikrofon ten należy skierować na zewnątrz i umieścić go najlepiej na środku słuchawki. Niestety, to oznacza, że uzyskamy długi przewód łączący mikrofon z obwodem, co w konsekwencji spowoduje indukowanie się wielu szumów, szczególnie tych o niskiej częstotliwości, około 60Hz. Aby zredukować ten efekt autorzy radzą skręcić przewód, tak jak widać to na załączonym obrazku. Wiele pomogłoby również ekranowanie przewodu.

    Testowanie sprawności urządzenia
    Słuchawkowy układ aktywnej redukcji hałasu
    W ten sposób otrzymaliśmy słuchawki, które aktywnie tłumią niepożądane dźwięki pochodzące z otoczenia. Może nie jest to jakość równa słuchawkom fabrycznym na przykład popularnej firmy Bose stosującej to podobne rozwiązania, jednak biorąc pod uwagę koszt ich wykonania efekt jest naprawdę dobry.

    Ważne uwagi, spostrzeżenia i wnioski
    Autorzy zwracają uwagę na kilka technicznych problemów, z którymi napotkali się w trakcie projektowania i wykonywania urządzenia.

    Problemy wystąpiły z rezystorami o wartości 1kΩ zastosowanych przy wzmacniaczu operacyjnym LT1056. Występowały bardzo dziwne anomalie, które zostały zażegnane poprzez zamianę rezystorów na takie o wartości 10kΩ.

    Jeśli ktoś chciałbym użyć zasilacza sterowanego cyfrowo, warto zastosować dodatkowy filtr, ponieważ zasilacze te często są źródłem niepożądanych szumów i zakłóceń.

    Długi przewód prowadzący od mikrofonu do układu zbierał bardzo dużo zakłóceń. Jak już wcześniej zostało wspomniane, można to częściowo rozwiązać poprzez skręcenie go, tak jak zostało to pokazane na wcześniejszym zdjęciu. Warto również zastosować przewód ekranowany.

    Źródło: Link

    ----------------------------------------------------------------
    Zachęcam do przysyłania propozycji ciekawych, anglojęzycznych projektów DIY najlepiej poprzez Prywatną Wiadomość, co ciekawsze z nich postaram się przetłumaczyć!


    Fajne! Ranking DIY
  • Sklep HeluKabel
  • #2 06 Sty 2014 19:36
    flubber.trip
    Poziom 27  

    Nie wiem po stosować opóźnienie dźwięku, skoro długość fali przy 1kHz wynosi ok. 34cm (jeśli dobrze liczę). Tak samo na zdjęciu pokazana jest odległość 2cm od mikrofonu do ucha która niby wyznacza niby to opóźnienie, a przetwornik jest mniej więcej w połowie tej odległości, a potem dźwięk dociera do ucha również z opóźnieniem, gdyż fala porusza się w ośrodku tym samym co dźwięk docierający do mikrofonu, więc IMO odległość powinna być liczona od membrany przetwornika słuchawki. Proszę poprawić mój tok rozumowania jeśli się mylę.

  • #3 06 Sty 2014 19:45
    Hetzer
    Poziom 13  

    Dokładnie o tym samym pomyślałem i zastanawiałem się nad tą sprawą, jednak, jako, że jest to tłumaczenie, nie zaś mój autorski projekt, to nie chciałem wprowadzać swoich zmian. Osobiście jestem zdania, że opóźnianie sygnału w tym wypadku nie ma sensu, a nawet przeciwnie, może zaburzyć cały efekt. Ale niech się wypowie ktoś, kto ma w tym temacie więcej doświadczenia.

  • #4 06 Sty 2014 23:31
    KRYNIN
    Poziom 14  

    A dało by radę przerobić ten filtr wszystkoprzepuszczający tak żeby nie tłumił rozmów?
    Bo z tego co czytam to on tłumi wszystko. A chciał bym sobie przerobić słuchawki strzeleckie na aktywne i ten układ jest jedynym który znalazłem w internecie(no chyba że słabo szukam).

  • Sklep HeluKabel
  • #6 08 Sty 2014 00:35
    Euzebiusz23091998
    Poziom 15  

    Czy gdyby wykonac taki uklad i podłączyć zamiast słuchawek jakąś wieŻę, a mikrofony wypuścić za okno wyciszyło by to chałasy dochodzące z zewnątrz? Albo czy można by w ten sposób wyciszyć np. Jakieś urządzenie typu piła tarczowa? Kiedyś widziałem wiatraki komputerowe z takim wyciszeniem aktywnym i zdawało to egzamin. Jak by to wyglądało w przypadku większych gabarytów?

    Moderowany przez androot:

    WIEŻA nie WIERZA

  • #8 08 Sty 2014 08:39
    pimpuk
    Poziom 22  

    flubber.trip napisał:
    Nie wiem po stosować opóźnienie dźwięku

    No właśnie, też zatrzymałem się na dłużej w miejscu, w którym mowa o tym opóźnieniu.
    Dźwięk dociera do mikrofonu, dalej mamy go w postaci fali mechanicznej docierającej do ucha, oraz fali elektrycznej, obrabianej w urządzeniu. Wystarczy umieścić mikrofon obok głośnika lub lekko przed nim (kwestia dostrojenia) i nie będzie żadnego przesunięcia fali dla każdej częstotliwości.

  • #9 15 Sty 2014 07:27
    Robewit
    Poziom 25  

    Koledzy opóźnienie jest potrzebne ponieważ dźwięk zamieniony na sygnał elektryczny dostaje "przyspieszenia" z 300m/s do 300000km/s.
    Mikrofon nie może mieć kontaktu z sygnałem użytecznym ponieważ ten też byłby wytłumiony.

  • #10 15 Sty 2014 08:50
    pimpuk
    Poziom 22  

    Robewit napisał:
    dźwięk zamieniony na sygnał elektryczny dostaje "przyspieszenia"

    Ależ my to wiemy.
    Robewit napisał:
    Mikrofon nie może mieć kontaktu z sygnałem użytecznym

    To też wiemy.
    A teraz proszę użyć wyobraźni przestrzennej i okaże się, że linie opóźniające nie są potrzebne.
    Euzebiusz23091998 napisał:
    Czy gdyby wykonac taki uklad i podłączyć zamiast słuchawek jakąś wieŻę, a mikrofony wypuścić za okno

    Wtedy potrzebne by było opóźnienie.

  • #11 04 Lut 2014 15:37
    MasMas
    Poziom 16  

    Chciałbym zbudować ten układ, ale mam pytanie:

    Czy to musi być ten wzmacniacz LT1056? Jest drogi i średnio dostępny. Nie może być zwykły LM358 albo podobny?
    Mikrofon też może być dowolny, byle elektretowy?

  • #12 04 Lut 2014 20:07
    Trafo888
    Poziom 17  

    Temat jest bardzo ciekawy, a sam układ wydaje się prosty w realizacji. Szczególnie interesuje mnie skuteczność tłumienia zewnętrznego hałasu nie tyle przy słuchaniu muzyki co właśnie przy zastosowaniach wymagających ochrony narządu słuchu. Myślicie, że taki układ pod względem skuteczności i bezpieczeństwa użytkowania jest w stanie zastąpić dobre zatyczki do uszu? Może ktoś miał wcześniej taki sprzęt i może opowiedzieć czy gra jest warta świeczki. Czy to tylko bzdet, który niby działa, ale efekt nie jest powalający? Wcześniej takie słuchawki traktowałem wyłącznie jako ciekawostkę stąd nie miałem okazji przetestowania ich na sobie. Dodatkowo cena fabrycznych rozwiązań również nie bywa zachęcająca.

    Co do zastosowanego mikrofonu to myślę, że jego wybór jest krytyczny. Powinien mieć możliwie szerokie pasmo przenoszenia przy zachowaniu płaskiej charakterystyki. Idealne byłyby popularne wkładki pomiarowe jak wm61a lub podobne. O ile uda się jeszcze je zdobyć. Zwykłe wkładki za 1.50zł z lokalnego sklepiku raczej nie przejdą.

  • #13 06 Lut 2014 14:08
    Hetzer
    Poziom 13  

    Trafo888 Spotkałem się z opinią posiadacza słuchawek, które mają fabrycznie zaimplementowaną tę funkcję (chodzi o słuchawki Bose), mówił, że efekt nie powala na kolana, ale jest zauważalny. Sam niestety nie miałem okazji testować, więc się nie wypowiadam. Sposób jest jednak na tyle prosty w działaniu, że wydaje mi się, że po dokładnym zestrojeniu całego urządzenia i przemyśleniu wszystkich kwestii (choćby ta poruszana w tłumaczonym projekcie, opóźnień) da się uzyskać całkiem przyzwoity efekt.

  • #14 02 Mar 2014 21:49
    jblew
    Poziom 9  

    Używam takich słuchawek (z radiostacji wojskowej z demobilu). Z tym, że aktywne tłumienie dotyczy tylko niskich częstotliwości. Efekt jest lepiej niż zauważalny, dźwięk maszyn praktycznie znika. Dużym problemem jest jednak rozszczelnienie słuchawek. Zdarza się, że po poruszeniu głową słychać, a raczej czuć bolesne dudnienie. Nieprzyjemne uczucie. Myślę, że takie słuchawki mają sens tylko razem z bardzo dobrym tłumieniem pasywnym i odpowiednio uszczelnioną muszlą.