بررسی روشهای حذف نویز (NC) در سیستم‌های صوتی

در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی شرکت‌های فعال در صنعت صوت (شامل تولیدکنندگان میکروفون، اسپیکر، ضبط‌صوت، هدفون و غیره) نویز و نحوه مواجهه با آن یک موضوع بسیار مهم است. نویز به معنی آلودگی صوتی است. در علوم مهندسی به سیگنال‌های ناخواسته که بر سیگنال‌های اصلی اثر نامطلوب می‌گذارند نویز می‌گویند. منبع نویز می‌تواند هر عامل خارجی (صداهای محیط) یا داخلی (سیگنال‌های الکتریکی نامطلوب) باشد.

تمرکز این مقاله بیشتر بر روی مواجهه با نویزهای خارجی مانند صدای اتومبیل‌ها محیطی که در آن قرار داریم، صدای ساختمان‌سازی و حذف آنها با استفاده از فرایندهای نرم‌افزاری و سخت‌افزاری می‌باشد. به‌عبارت‌دیگر آن چیزی که در ادامه این مقاله از آن به‌عنوان نویز یاد می‌کنیم صداهای مزاحمی هستند که باعث کاهش کیفیت صدای اصلی می‌شوند.

برای مواجهه با نویزهای خارجی، منابع خارجی نویز را به دودسته

1- منابع طبیعی: شامل رعد و برق، بهمن، زلزله، فوران آتشفشان، صدای حیوانات 

2- منابع غیر طبیعی: مانند کارهای ساختمانی، حمل‌ونقل، سر و صدای صنایع، هیاهوی جمعیت و غیره

تقسیم بندی میکنیم.

برای کاهش اثر نویز، راه‌های مختلفی وجود دارد. در حالت کلی راه‌های مقابله با نویز در سیستم‌های صوتی را می‌توان به دو گروه اصلی دسته‌بندی کرد:

• روش‌های غیرفعال جداسازی نویز (Passive Noise Isolation) که به‌اختصار PNI نامیده می‌شوند
• روش‌های فعال حذف نویز (Active Noise Cancelation) که به‌اختصار ANC نامیده می‌شوند.

در این مقاله به صورتی جامع به بررسی روش‌های حذف نویز (Noise Cancelation) در سیستم‌های صوتی بخصوص روش‌های فعال جداسازی نویز ANC می‌پردازیم.

روش‌های غیرفعال جداسازی نویز (Passive Noise Isolation)

احتمالاً هنگام خرید هدفون یا earbuds با اصطلاحات تخصصی مختلفی روبرو شده‌اید. دوتا از رایج‌ترین این اصطلاحات Passive Noise Isolation و Active Noise Cancelation هستند. هدف هر دو روش‌ حذف صداهای ناخواسته بیرونی است تا با کمترین مزاحمت به محتوای موردعلاقه خود گوش بدهید.

در روش PNI که به آن روش غیرفعال جداسازی نویز (Passive Noise Isolation) یا PNC نیز می‌گویند با استفاده از تجهیزات سخت‌افزاری و فیزیکی سعی می‌شود ورود نویز خارجی به فضای موردنظر مسدود (Block) شود. برای مثال در هدفون‌ها با استفاده از فوم‌هایی که متناسب با گوش کاربر طراحی شده‌اند سعی می‌شود تا از ورود صداهای محیط به فضای شنوایی جلوگیری کرد.

تصویر 1: فوم هدفون که یکی از اهداف اصلی آن جداسازی صداهای محیط از فضای پخش است

علاوه بر ارزان‌تر و مقرون‌به‌صرفه‌تر بودن روش‌های PNI یکی دیگر از مهم‌ترین مزیت‌های روش‌های PNI عدم نیاز این روش‎‌ها به منبع تغذیه (باتری) است. درحالی که در روش‌های فعال حذف نویز یا ANC نیاز است تا سیگنال‌های دریافتی توسط یک پردازنده Digital Signal Processing یا به‌اختصار DSP پردازش شده و حذف نویز انجام شود.

صنایع مختلف مخاطب روش‌های حذف نویز غیرفعال هستند. از مهم‌ترین این صنایع صنعت خودروسازی و صنعت ساختمان هستند. برای مثال در صنعت خودروسازی سعی می‌شود تا با روش‌های مختلف از ورودی صدای موتور به داخل فضای خودرو جلوگیری شود. در نتیجه انجام این کار برای سرنشینان خودرو تجربه بهتری فراهم می‌شود. یا برای مثال در صنعت ساختمان با استفاده از پنجره‌های دوجداره، درب‌های عایق یا دیوارهایی با متریال مقاوم در برابر انتقال صوت سعی می‌شود فضای خانه را در برابر ورود صداهای ناخواسته بیرونی محافظت کرد.

روش‌های فعال حذف نویز (Active Noise Cancelation)

به لطف رشد روزافزون تکنولوژی تراشه‌ها و استفاده از آن در صنعت صوت استفاده از روش‌های فعال حذف نویز دیگر یک ویژگی لوکس نیست. هرچند اولین ثبت اختراع دررابطه‌با روش‌های فعال حذف نویز در سال 1930 و توسط دکتر لوگ (Dr. Lueg) انجام شد. اما بنظر میرسد خود او هم تصور نمیکرد تا روشهای ANC به این شدت در صنایع مختلف و بین مردم پرکاربرد شود.

اصل حاکم بر روش‌های ANC قانون فیزیکی جمع‌پذیری امواج صوتی است. به‌عبارت‌دیگر اگر بتوانیم یک موج صوتی با شدت برابر و فازی (phase) مخالف با موج منبع اصلی صوت ایجاد کنیم این دو موج صوتی یکدیگر را خنثی کرده و صدایی شنیده نخواهد شد.

تصویر 2: دو موج صوتی با فاز قرینه یکدیگر را خنثی می‌کنند.

تاریخچه تکامل ANC

همان‌طور که در بالا گفتیم امواج صوتی بر روی‌هم اثر می‌گذارند و درصورتی‌که یک موج صوتی با فاز قرینه از موج صوتی مرجع ایجاد کنیم می‌توانیم شدت صدا را کاهش دهیم. همچنین اگر شدت موج قرینه برابر با شدت موج مرجع باشد می‌توان کلاً آن صدا را حذف کرد. در روش‌های ANC موج مرجع توسط یک میکروفون دریافت می‌شود (صدای نویزها مانند صدای ناخواسته محیط موج مرجع هستند) سپس توسط یک پردازنده الکترونیکی موج دریافت شده پردازش شده و یک موج صوتی قرینه با آن تولید می‌شود در نهایت موج توسط بلندگو در فضا پخش می‌شود و باعث کاهش صدای نویز می‌شود.

همان‌طور که می‌توان از آنچه گفته شده فهمید، فرایند 1- دریافت صدا، 2- پردازش آن و 3- پخش صدای قرینه باید با سرعت بسیار بالایی انجام شود تا موج قرینه همزمان با موج اصلی پخش شده و باعث کاهش شدت آن شود.

مدارهای الکترونیکی اولیه که برای این منظور استفاده می‌شدند؛ چون سرعت پردازش پایینی داشتند نتیجه خوبی نداشتند و نمی‌توانستند صدای مزاحم را به‌خوبی حذف کنند. با پیشرفت علم تراشه‌ها این مشکل تا حد بسیار زیادی حل شد و در نتیجه امروزه سیستم‌های حذف نویز از کیفیت بسیار مطلوبی برخوردار هستند.

انواع روش‌های فعال حذف نویز

تصویر زیر کلیت فرایند حذف نویز فعال را نشان می‌دهد.

تصویر 3: فرایند حذف نویز فعال

مطابق تصویر 3 ابتدا صدای ناخواسته محیط توسط یک میکروفون یا ضبط کننده صدا دریافت می‌شود. چون صدای دریافتی از محیط یک سیگنال آنالوگ است برای اینکه بتوانیم پردازش‌های لازم را بر روی آن انجام دهیم، باید ابتدا توسط یک مبدل آنالوگ به دیجیتال (A/D Converter) سیگنال صوت را به سیگنال دیجیتال تبدیل کرد. سپس سیگنال دیجیتال به پردازنده سیگنال دیجیتال (Digital Signal Processors) که به اختصار به آن DSP می‌گویند ارسال می‌شود.

پردازنده DSP توسط شرکت سازنده سیستم ANC کدنویسی می‌شود تا با استفاده از الگوریتم‌هایی خاص نویز را از صدای اصلی حذف کند. درون DSP ها صداهای نامطلوب دریافتی پردازش می‌شود تا صدایی با فاز قرینه و شدت مشابه این صداها تولید کند. در نهایت سیگنال پردازش شده توسط یک مبدل دیجیتال به آنالوگ به امواج آنالوگ تبدیل و توسط بلندگو این صدا در فضای مورد نظر پخش می‌شود.

الگوریتم‌هایی که درDSPها کدنویسی می‌شوند یکی از مهم‌ترین قسمت‌های سیستم‌های ANC هستند. هرچقدر این الگوریتم‌ها سریع‌تر و دقیق‌تر باشند و در برابر پردازش صداهای تصادفی انعطاف‌پذیری بالاتری داشته باشند نتیجه نهایی حذف نویز مطلوب‌تر خواهد بود. بخش زیادی از تفاوت کیفیت حذف نویز در هدفون‌های برندهای مختلف مانند Apple ، سونی، Sennheiser ،Bang & Olufsen  و غیره نیز در همین الگوریتم‌های متفاوتی است که این شرکت‌ها استفاده می‌کنند. در واقع این الگوریتم‌های که هر شرکت به آن دست‌یافته است از اسرار محرمانه شرکت به‌حساب می‌آیند.

الگوریتم‌هایی که در روش‌های حذف نویز فعال کاربرد دارند را می‌توان به سه گروه دسته‌بندی کرد.

حذف نویز فعال پیش‌نگر(Feed Forward ANC)

احتمالاً حذف نویز فعال Feed Forward را بتوان ساده‌ترین روش ANC در نظر گرفت. در این روش یک میکروفون در قسمت بیرونی گوشی (هدفون) قرار می‌گیرد. این روش ANC به دو منظور استفاده می‌شود:

• برای شنیدن صداهایی که خارج از هدفون وجود دارند که به آن صدای جانبی یا sidetone نیز می‌گویند.
• به‌منظور شنیدن صدای خودتان هنگامی‌که از طریق هدفون در حال مکالمه تلفنی هستید.

در واقع در مکالمه تلفنی با استفاده از هدفون اگر زمانی که صحبت می‌کنید صدای خودتان را نتوانید بشنوید مکالمه آزاردهنده خواهد بود.

صدای دریافتی توسط میکروفون چه یک صدای ناگهانی باشد یا صدایی کلی در محیط باشد با استفاده از یک DSP پردازش می‌شود تا صداهایی که در محدوده فرکانس شنوایی انسان هستند مشخص شوند. سپس بلافاصله پردازش بر روی صداهای دریافتی انجام می‌شود و سپس صدای حذف‌کننده نویز (که شدتی برابر با صدای دریافتی و فاز قرینه دارد) درون فضای هدفون پخش می‌شود. در نتیجه این عمل گوش نمی‌تواند صدای نویز را بشنود (تصویر 4).

علی‌رغم اینکه در روش‌های Feedforward ANC  از الگوریتم‌های پیچیده‌ای برای حذف نویز استفاده می‌شود؛ اما صدای نویز دریافتی توسط میکروفون خارجی و صدای نویز شنیده شده در فضای داخلی هدفون شدت متفاوتی دارند و این تفاوت در پردازش‌های DSP لحاظ نمی‌شود. در نتیجه دقت روش‌های Feed forward زیاد نیست.

حذف نویز فعال بازخوردی (Feedback ANC)

تمام هدفون‌ها از روش‌های PNI (استفاده از فوم روی گوشی هدفون) برای حذف بخشی از نویزها استفاده می‌کنند. در نتیجه در روش Feedforward چون شدت صدای نامطلوب محیط با صدای داخل فضای هدفون به دلیل وجود فوم متفاوت است و میکروفونی که صدای محیط را دریافت می‌کند خارج از هدفون قرار دارد کیفیت حذف نویز تحت‌تأثیر قرار می‌گیرد.

در حذف نویز فعال بازخوردی میکروفونی که وظیفه دریافت صداها مزاحم محیط را دارد در فضای داخلی هدفون قرار می‌گیرد و دیگر میکروفنی در فضای بیرونی قرار ندارد.

حذف نویز فعال ترکیبی(Hybrid ANC)

در روش ترکیبی هم در فضای خارجی هدفون و هم در فضای داخلی هدفون از میکروفون استفاده می‌شود. این روش ترکیب روش‌های feedforward و  feedback است. وظیفه میکروفون داخلی تصحیح خطای حاصل از پردازش صدای میکروفون خارجی است. به همین دلیل به این روش حذف نویز فعال بازخوردی Feedback ANC می‌گویند. در تصویر 4 می‌توان محل قرارگیری میکروفون اصلی (مورد 1) و میکروفون بازخوری (مورد 4) را دید.

تصویر 4: شماتیکی از حذف نویز ANC و محل قرارگیری میکروفون‌های خارجی و داخل

مثال‌هایی از کاربرد روش‌های ANC

شایع‌ترین کاربرد روش‌های حذف نویز در سیستم‌های صوتی مانند هدفون‌ها و هدست‌های بی‌سیم (wireless) است. از کاربردهای دیگر این روش‌ها به‌کارگیری آنها در فضای داخلی اتومبیل است. در واقع در اتومبیل‌ها بخصوص خودروهای لاکچری سعی می‌شود تا علاوه بر استفاده از روش‌هایPNI  با استفاده از روش فعال نیز صدای مزاحم داخل کابین سرنشینان به حداقل برسد و تجربه بهتری از سواری برای سرنشینان فراهم شود.

تصویر 5: شماتیکی از محل قرارگیری میکروفون‌ها و بلندگو‌ها در فضای خودرو

یکی دیگر از موارد استفاده از روش‌های ANC داخل فضای حمل بیمار آمبولانس‌ها است. آمبولانس‌ها زمانی که در حال حمل بیمار هستند باید آژیر خود را روشن کنند. این صدای بلند آژیر می‌تواند برای بیمار که احتمالاً حال وخیمی دارد بسیار آزاردهنده باشد. برای همین با استفاده از روش‌های ANC سعی می‌شود صدای مزاحم آژیر در فضای داخلی حذف شود. در مقاله‌ای تفاوت صدای داخل کابین آمبولانس برای حالت استفاده از روش‌های ANC و عدم استفاده از روش‌های ANC بررسی شده است. تصویر 6 نمایش دهنده صدای داخل کابین آمبولانس برای حالتی است که از روشهای ANC استفاده نمی‌شود.

تصویر 6: صدای دریافتی توسط میکروفن برای حالتی که از روش ANC استفاده نمی‌شود.

بعد از استفاده از روش‌های حذف نویز فعال صدایی که توسط میکروفون‌ها در داخل فضای کابین دریافت می‌شود به‌صورت زیر است. (تصویر 7)

تصویر 7: صدای دریافت شده توسط میکروفون داخل فضای آمبولانس بعد از استفاده از روشهای ANC

تجهیزات داده‌برداری و مهندسی صدا

حال که با مبانی پایه‌ای حاکم بر روش‌های ANC آشنا شدیم می‌توانیم به کاربرد تجهیزات داده‌برداری برای مهندسی صدا بپردازیم. یکی از مهم‌ترین بخش‌ها در روش‌های ANC الگوریتم‌های استفاده شده هستند. محققین برای دستیابی به الگوریتم‌هایی که در سریع‌ترین زمان ممکن و به بهتری شکل بتوانند نویزها را حذف کنند نیازمند تحقیقات بسیار زیادی هستند. برای این منظور در آزمایشگاه‌ها با استفاده از میکروفون‌ها، کارت‌های داده‌برداری و پردازنده‌های مانند CPU یا GPU یا FPGA به انجام تحقیقات می‌پردازند.

در زمان انجام تحقیقات برای دستیابی به الگوریتم‌های مطلوب نیاز به حضور تجهیزات پیشرفته و خاصی است. در کنار میکروفون‌های تحقیقاتی که متفاوت از میکروفون‌هایی هستند که عموم مردم با آنها آشنایی دارند، از مهم‌ترین این تجهیزات کارت داده‌برداری یا کارت DAQ است.

شرکت نشنال اینسترومنتز یا ni به‌عنوان پیشروترین شرکت در تولید کارت داده‌برداری، سخت‌افزارهای جامعی برای این منظور دارد. تجهیزات تخصصی ni برای صوت را می‌توان از به دسته‌های متفاوتی دسته‌بندی کرد.

تجهیزاتی برای پردازش باCPU  و GPU

دسته اول تجهیزات داده‌برداری PCI یا USB و یا تجهیزات cDAQ و PXI هستند. این تجهیزات اطلاعات دریافت شده را به کامپیوتر ارسال می‌کنند تا پردازش‌های لازم روی سیگنال‌های دریافتی بر روی CPU یا GPU (کارت گرافیک) در کامپیوتر انجام شود. نمونه‌ای از تجهیزات داده‌برداری که در این دسته قرار می‌گیرند عبارتند از:

1. کارت داده‌برداری  NI USB-4431
2. کارت داده‌برداری NI USB-4432
3. کارت داده‌برداری NI PCI-4461
4. کارت داده‌برداری NI PCI-4462
5. ماژول cDAQ مدل NI-9231
6. ماژول cDAQ مدل NI-9234
7. ماژول PXI-4498
8. ماژول PXI-4461

تصویر 8: کارت داده برداری تخصصی صوت و ارتعاشات (USB-4431  و PCI-4462)

تجهیزاتی برای پردازش با FPGA

دسته دوم تجهیزاتی هستند که با استفاده از پردازنده‌های FPGA به پردازش سیگنال‌های دریافتی می‌پردازند. پردازنده‌های FPGA به دلیل ساختار درونی که دارند سرعت پردازش بسیار بالاتری در مقایسه با CPU و GPU دارند. از تجهیزات داده‌برداری شرکت National Instruments که در این دسته قرار می‌گیرند تجهیزات cRIO هستند که دارای پردازنده FPGA می‌باشند. ماژول‌های cRIO وcDAQ  مشابه هستند و تفاوت آنها در شاسی‌های استفاده شده است. در تصویر 8 یک شاسی cRIO و یک شاسی cDAQ در کنار هم نمایش داده می‌شوند.

تصویر 9: شاسی cRIO با پردازنده FPGA برند ni

جمع‌بندی

این مقاله به بررسی روش‌های حذف نویز (NC) به‌ویژه روش‌های فعال (ANC) و غیرفعال (PNI)، پرداخت. در نتیجه این مقاله مشخص شد که روش‌های غیرفعال مانند استفاده از فوم‌های عایق در هدفون یا پنجره‌های دوجداره در ساختمان‌ها، با هدف مسدودسازی فیزیکی صداهای محیط، راهکاری مقرون‌به‌صرفه و بدون نیاز به منبع انرژی هستند. در مقابل، روش‌های فعال مبتنی بر فناوری ANC با تولید امواج صوتی قرینه، امکان حذف دقیق‌تر نویزهای متغیر محیطی را فراهم می‌کنند.

این نتایج با تحلیل عملکرد الگوریتم‌های پردازش سیگنال دیجیتال (DSP) و نقش حیاتی تراشه‌های پیشرفته در افزایش سرعت پردازش به دست آمدند. از دستاوردهای برجسته این مطالعه می‌توان به ارائه راهکارهای ترکیبی (Hybrid ANC) برای بهبود دقت حذف نویز و کاربردهای عملی این روش‌ها در صنایع خودروسازی، هدفون‌های پیشرفته، و حتی فضای داخلی آمبولانس‌ها اشاره کرد.

مطالعات جدید این حوزه بر بهینه‌سازی الگوریتم‌ها با کمک‌گرفتن از هوش مصنوعی، تلفیق روش‌های PNI و ANC و استفاده از پردازنده‌های FPGA برای افزایش سرعت متمرکز شده‌اند. جمله پایانی تأکیدی فناوری‌های حذف نویز، از هدفون‌های روزمره تا خودروهای پیشرفته، نشان می‌دهند که سکوت طلایی‌ترین مؤلفه در دنیای پر سروصدای امروز است.

اگر به کارت‌های داده‌برداری یا کارت DAQ برند NI نیاز دارید یا در مورد این مقاله سؤالی دارید ما در شرکت نشنال اینسترومنتز ایران به آدرس ni-daq.ir پذیرای شما هستیم.