Aktiivne mürasummutus

Aktiivne mürasummutus, ka müra vähendamine, on soovimatu müra vähendamine või summutamine teise, spetsiaalselt selleks töödeldud heli liitmisega. Idee töötati välja 1930. aastatel, kuid teema edasine uurimine jätkus alles 1950. aastatel, mille tulemusel võeti 1980. aastate lõpul kommertslennukites kasutusele müra summutavad peakomplektid. Aktiivset mürasummutust kasutatakse ka maismaasõidukites ja mobiiltelefonides.

Tehniline pool

Heli on P-laine, mis koosneb vahelduvatest perioodidest, milles laine on kokkusurutud või hõredam. Mürasummutuskõlar tekitab algse heliga võrreldes sama amplituudiga, kuid vastupidise faasiga (vastandfaasiga) helilaine. Lainete liitumisel toimub protsess nimega interferents, mille käigus tekib uus laine, kus mõlemad lained summutavad efektiivselt teineteist; seda nähtust nimetatakse destruktiivseks interferentsiks.

Nüüdisaegne mürasummutus on tavaliselt saavutatud analoog skeemide või digitaalse signaalitöötluse kaudu. On loodud kohanduvad algoritmid, et analüüsida taustal olevat kuuldavat müra ning vastavalt spetsiifilisele algoritmile genereerida uus signaal, mis muudab esialgse müra faasi või inverteerib selle polaarsuse. Seda inverteeritud signaali (vastandfaasis) võimendatakse ja muundur tekitab helilaine proportsionaalselt originaalsignaali amplituudile, tekitades destruktiivse interferentsi, mis vähendab oluliselt soovimatu müra valjust.

Mürasummutuskõlar asub enamasti müra allikale lähedal. Sellel kõlaril peab olema sama helivaljuse tasemega väljund, nagu sissetuleval müral, et seda efektiivselt hästi summutada. Alternatiivselt muundur, mis müra summutavat signaali tekitab, võib ka olla kohas, kuhu summutust on vaja (nt kuulaja kõrva). See vajab väiksemat võimsust, kuid on efektiivne ainult seadet kasutavale isikule. Suurema mastaabiga mürasummutus on palju keerukam, sest kolmedimensiooniliste mittevajalike müralainefrontide ja mürasummutuse lained võivad liituda ning tekitada nii destruktiivseid kui ka konstruktiivseid interferentsitsoone, millest mõnes on müra summutatud, kuid mõnes hoopis võimendatud. Väikestes suletud kohtades on globaalset mürasummutust lihtsam saavutada mitme kõlari ja tagasiside mikrofonide kaudu. Lisaks sõltub summutamise efektiivsus ka ruumihelikõla omadustest (näiteks ruumi ümbritsevate seinte vibratsiooni omandamine).

Kasutusalad

Kasutusalad saavad olla nii ühe- kui ka mitmemõõtmelised. Perioodilisi helisid, isegi keerulisi, on kergem summutada kui suvalist müra, sest need korduvad lainekujus.

Ühemõõtmeline summutus on lihtsam ning vajab vähem kõlareid ja mikrofone, et siiski efektiivne olla. Mitmed kommertsiaalsed aplikatsioonid on juba olnud edukad: mürasummutavad kõrvaklapid, aktiivsed summutid ning norskamis-vastased seadmed, karaoke vokaalheli eraldamismasinad ja kliimaseadmete kanalite müra kontrollimisseadmed. Mõistet "ühedimensiooniline" kasutatakse lihtsama koosluse kohta, näiteks: müra ja aktiivne valjuhääldi (mehaaniline müra vähendamine) või aktiivne valjuhääldi ja kuulaja (nt kõrvaklapid).

Mitmemõõtmeline summutus nõuab rohkem kõlareid ning mikrofone, tehes seda varianti kallimaks. Mürasummutust on lihtsam teha ühe liikumatu kuulajaga, kuid kui kuulajaid on mitu või üks pöörab pead või liigub, on müra summutamine palju keerukam. Kõrgema sagedusega müra on palju keerulisem summutada lühema heli-lainepikkuse tõttu. 800 Hz sinusoidaalse müra lainepikkus on kaks korda pikem kui keskmise inimese kahe kõrva vahemaa^[1], millest tulenevalt otse eest tulevat lainet on aktiivse kõlariga lihtsam summutada, kuid külje pealt tulev laine enemasti summutatakse ühe kõrvani jõudes ära ning teise kõrva jõudes on müra valjemaks võimendatud. Kõrgsageduslikud (üle 1000 Hz) laineid on keeruline ohjata, sest need sumbuvad ning tugevnevad ettearvamatult. Kokkuvõttes on kõige efektiivsem mitmemõõtmeline mürasummutus madalate sagedustega. Kommertsiaalsed kasutused kolmedimensioonilisele mürasummutusele on näiteks: õhusõidukite ning autode kabiinid, kus summutus on limiteeritud vaid korduvale (perioodilisele) mürale, näiteks mootori, propelleri või mõne muu rootori tekitatud müra. Mootori korduv tsükkel teeb seda müra kergemini summutatavaks.

Tänapäeva mobiiltelefonid kasutavad ümbritseva müra jaoks mitme mikrofoni disaini, et summutada muid helisid peale kõne. Heli püütakse suust kaugema(te) mikrofoni(de)ga (milles sisaldub ka müra) ning lähemal asuva(te) mikrofoni(de)ga (soovitav signaal) ning signaali töödeldakse, et summutada müra soovitud signaalist, mille tulemusel on edastatav signaal puhtam ning helikvaliteet parem.

Mõnel juhul saab müra kontrollida aktiivse vibratsiooni kontrollimise kaudu. See lähenemine on oodatav, kui mõne ehitise vibratsioon tekitab ebameeldivat müra. Selle summutamiseks suunatakse ning summutatakse müra suunates vibratsiooni ümbritsevasse õhku või vette.

Aktiivne vs. passiivne müra kontrollimine

Müra vähendatakse aktiivselt või passiivselt, et lahti saada või vähendada helireostust. Seda tehakse enamasti mugavuseks või ka loodusega seonduvalt. Aktiivseks mürasummutuseks nimetatakse energiaallikaga müra summutamist. Passiivseks mürasummutamiseks kutsutakse müra summutavate materjalidega heli manipuleerimiseks, nt materjale isoleerides, mürasummutavad seinaplaate kasutades või kasutada mikrofoniga helisvammi, mis pannakse enamasti mikrofoni peale. Mikrofoni helisvamm vähendab mikrofoni sisenevat müra selle spetsiaalse ehituse tõttu ning ei vaja toimimiseks eraldi energiaallikat.

Aktiivne mürasummutus on efektiivsem madalamate sageduse vastu ning kõrgemate sagedustega müra-signaalide summutamisel saab tõkestavaks vaba ala ning vaikusetsooni vahe tehnika. Akustilises avas ja kanaliga süsteemides suureneb sagedusega väga kiiresti ka summutustehnika vajadus ning summutamine muutub hõlmamatuks. Passiivne summutamine toimib paremini kõrgema sageduse juures ning on tihti piisav lahendus aktiivseid meetmeid kasutamata.^[2]

Ajalugu

Esimese mürasummutusalase patendi sai investor Paul Lueg 1936. aastal. Patent selgitas, kuidas summutada sinusoidaalseid kõlasid laine faasi nihutades ning summutades suvalised helid valjuhääldi ümbruses nende polaarsust inverteerides. 1950. aastatel sai Lawrence J. Fogel patendi süsteemidele, millega summutada helikopterite ja õhusõidukite kabiini kostvat müra. 1957. aastal valmis Willard Meekeril töötava aktiivse müra kontrollimise mudel, mis oli rakendatud ringikujulistele kõrvaklappidele. Sellel peakomplektil oli aktiivne sumbumise ribalaius umbes 50-500 Hz, maksimaalse sumbumisega umbes 20 dB.^[3] 1980. aastate lõpus toodi turule esimesed kommertsiaalselt kättesaadavad aktiivse mürasummutusega peakomplektid. Need olid toidetavad NiCad akude või lennumasinate toitesüsteemist.

Viited

↑ William Moylan (2006). Understanding and crafting the mix: the art of recording. Focal Press. Lk 26. ISBN 0-240-80755-3.
↑ Milosevic, Aleksandar; Schaufelberger, Urs (14. detsember 2005). "Active Noise Control" (PDF). Originaali arhiivikoopia seisuga 26. aprill 2012. Vaadatud 2. mail 2022.{{netiviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) CS1 hooldus: robot: algse URL-i olek teadmata (link)
↑ "Evaluation of an Improved Active Noise Reduction Microphone using Speech Intelligibility and Performance-Based Testing" (PDF). 26. oktoober 2015. Originaali arhiivikoopia seisuga 26. oktoober 2015. Vaadatud 2. mail 2022.{{netiviide}}: CS1 hooldus: robot: algse URL-i olek teadmata (link)

[1] William Moylan (2006). Understanding and crafting the mix: the art of recording. Focal Press. Lk 26. ISBN 0-240-80755-3.

[2] Milosevic, Aleksandar; Schaufelberger, Urs (14. detsember 2005). "Active Noise Control" (PDF). Originaali arhiivikoopia seisuga 26. aprill 2012. Vaadatud 2. mail 2022.{{netiviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) CS1 hooldus: robot: algse URL-i olek teadmata (link)

[3] "Evaluation of an Improved Active Noise Reduction Microphone using Speech Intelligibility and Performance-Based Testing" (PDF). 26. oktoober 2015. Originaali arhiivikoopia seisuga 26. oktoober 2015. Vaadatud 2. mail 2022.{{netiviide}}: CS1 hooldus: robot: algse URL-i olek teadmata (link)

[1]

[2]

[3]