در محیط‌های صنعتی و شهری مدرن، نویز و صداهای مزاحم یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها در طراحی سیستم‌های صوتی، خودرو، هواپیما و فضاهای کاری است. روش‌های سنتی کاهش نویز (عایق‌کاری، جذب صوت) در حذف نویزهای فرکانس پایین و مداوم محدودیت دارند. کنترل و کاهش فعال نویز (Active Noise Control – ANC) یک فناوری هوشمند مبتنی بر اصول فیزیک صوت و پردازش سیگنال دیجیتال است که با تولید موج صوتی معکوس، نویز مزاحم را خنثی می‌کند.
این فناوری کاربردهای متنوعی دارد، از هدفون‌های شخصی و خودروهای لوکس گرفته تا کابین هواپیما و محیط‌های صنعتی. با پیشرفت الگوریتم‌های تطبیقی و هوش مصنوعی، این تکنولوژی به ابزاری ضروری در مهندسی آکوستیک مدرن تبدیل شده است.
عملکرد سیستم ANC را می‌توان در سه مرحله اصلی توضیح داد:
تشخیص نویز محیطی: میکروفون‌های حساس نویز محیط را دریافت کرده و به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کنند.
پردازش و تولید سیگنال معکوس: پردازنده سیگنال دیجیتال (DSP) با استفاده از الگوریتم‌های تطبیقی (مانند LMS و FxLMS) موجی با فاز معکوس نویز محیط تولید می‌کند. این موج وقتی با نویز اصلی ترکیب شود، باعث تداخل تخریبی و کاهش شدت صدا می‌شود.
انتشار سیگنال معکوس: بلندگوها سیگنال معکوس را به محیط یا گوش کاربر منتقل می‌کنند و اثر نویز کاهش می‌یابد.
به طور خلاصه، ANC با تشخیص، پردازش و خنثی‌سازی نویز، محیطی آرام‌تر ایجاد می‌کند.
۱.۲ تجهیزات مورد نیاز سیستم ANC
یک سیستم کنترل فعال نویز معمولی شامل اجزای زیر است:
میکروفون حسگر نویز: برای شناسایی نویز محیط و تبدیل آن به سیگنال الکتریکی.
پردازنده سیگنال دیجیتال (DSP): مغز سیستم که الگوریتم‌های تطبیقی را اجرا می‌کند و سیگنال معکوس تولید می‌نماید.
بلندگو یا عملگر صوتی: انتشار سیگنال معکوس در محیط یا هدف (مثل گوش کاربر یا کابین خودرو).
منبع تغذیه: برای تأمین انرژی تجهیزات الکترونیکی.
الگوریتم کنترل تطبیقی: نرم‌افزار یا کد DSP که وزن‌های فیلتر را به صورت بلادرنگ تنظیم می‌کند تا اثر نویز به حداقل برسد.
فیلترهای پیش‌پردازش (اختیاری): برای حذف نویز ناخواسته یا افزایش دقت الگوریتم، مانند فیلترهای پایین‌گذر یا پهنای باند محدود.
بخش ۲: اصول فیزیکی و مدل‌سازی مسیر آکوستیکی
۲.۱ تداخل تخریبی
اصل عملکرد ANC بر تداخل تخریبی (Destructive Interference) استوار است: زمانی که دو موج با دامنه مساوی و اختلاف فاز ۱۸۰ درجه همزمان در یک نقطه جمع شوند، انرژی صوتی یکدیگر را خنثی می‌کنند:
y(t)=x(t)+(−x(t))=0
در سیستم‌های ANC، میکروفون‌ها نویز محیط را دریافت و پردازنده سیگنال دیجیتال (DSP) موج معکوس تولید می‌کند تا شدت صوت کاهش یابد.
پیشنهاد ویژه:
« اولین و کاملترین دوره آموزشی نرم افزار اودئون ODEON برای طراحی آکوستیک »
در عمل، مسیر بین بلندگو و گوش شنونده یا محیط هدف تأخیر و تغییر فاز دارد. این مسیر به عنوان Secondary Path S(z) مدل می‌شود. سیگنال خروجی DSP باید اثر این مسیر را جبران کند:
y(n)=wT(n)xs(n)
که xs(n) سیگنال نویز عبور کرده از مسیر ثانویه و w(n) وزن‌های فیلتر تطبیقی هستند.
مدل‌سازی دقیق مسیر ثانویه باعث کاهش ناپایداری سیستم و بهبود عملکرد ANC می‌شود.
بخش ۳: الگوریتم‌های تطبیقی
۳.۱ الگوریتم LMS (Least Mean Square)
الگوریتم LMS یکی از پرکاربردترین روش‌ها برای ANC است. هدف آن کمینه‌سازی خطای توان سیگنال است:
e(n)=d(n)−y(n)
w(n+1)=w(n)+μ x(n) e(n)
e(n): سیگنال خطا
d(n): سیگنال نویز مرجع
μ: نرخ یادگیری
w(n): وزن‌های فیلتر
۳.۲ FxLMS (Filtered-x LMS)
در ANC، مسیر ثانویه S(z) باید در نظر گرفته شود:
w(n+1)=w(n)+μ xs(n) e(n)
که
xs(n)=x(n)∗S(z)
است. این الگوریتم برای هدفون‌ها، خودرو و کابین هواپیما بسیار مناسب است.
۳.۳ NLMS و سایر الگوریتم‌ها
NLMS (Normalized LMS): سرعت همگرایی سریع‌تر برای سیگنال‌های با دامنه متغیر
RLS (Recursive Least Squares): دقت بالاتر و همگرایی سریع‌تر اما با پیچیدگی محاسباتی بیشتر
مثال عددی:
فرض کنید نویز موتور با دامنه متوسط 1 و فرکانس 100 Hz داریم، وزن‌های فیلتر اولیه w(0)=0 و نرخ یادگیری μ=0.01. با استفاده از FxLMS، بعد از 200 نمونه، خطای e(n) تقریباً به صفر رسیده و کاهش نویز حدود 18dB–20dB خواهد بود.
بخش ۴: ساختار سیستم‌های ANC
۴.۱ Feedforward
میکروفون در مسیر نویز نصب می‌شود
مناسب برای حذف نویزهای مداوم مثل موتور خودرو یا جریان هوا
To provide the best experiences, we use technologies like cookies to store and/or access device information. Consenting to these technologies will allow us to process data such as browsing behavior or unique IDs on this site. Not consenting or withdrawing consent, may adversely affect certain features and functions.
Functional
Always active
The technical storage or access is strictly necessary for the legitimate purpose of enabling the use of a specific service explicitly requested by the subscriber or user, or for the sole purpose of carrying out the transmission of a communication over an electronic communications network.
Preferences
The technical storage or access is necessary for the legitimate purpose of storing preferences that are not requested by the subscriber or user.
Statistics
The technical storage or access that is used exclusively for statistical purposes.The technical storage or access that is used exclusively for anonymous statistical purposes. Without a subpoena, voluntary compliance on the part of your Internet Service Provider, or additional records from a third party, information stored or retrieved for this purpose alone cannot usually be used to identify you.
Marketing
The technical storage or access is required to create user profiles to send advertising, or to track the user on a website or across several websites for similar marketing purposes.
