التحكم النشط في الضوضاء

التحكم النشط في الضوضاء ( ANC )، المعروف أيضًا باسم إلغاء الضوضاء ( NC ) أو تقليل الضوضاء النشط ( ANR )، هو أسلوب لتقليل الأصوات غير المرغوب فيها عن طريق إضافة صوت ثانٍ مصمم خصيصًا لإلغاء الصوت الأول. طُوّر هذا المفهوم لأول مرة في أواخر ثلاثينيات القرن العشرين؛ وأسفرت أعمال التطوير اللاحقة التي بدأت في خمسينيات القرن العشرين عن سماعات رأس للطيران، وأصبحت هذه التقنية متاحة في أواخر ثمانينيات القرن العشرين. تُستخدم هذه التقنية أيضًا في المركبات البرية والهواتف المحمولة وسماعات الأذن وسماعات الرأس .

الصوت عبارة عن موجة ضغط تتكون من فترات متناوبة من الانضغاط والتخلخل . يصدر مكبر الصوت المزود بخاصية إلغاء الضوضاء موجة صوتية بنفس السعة ولكن بطور معكوس (يُعرف أيضًا بالطور المعاكس ) بالنسبة للصوت الأصلي. تتحد الموجات لتشكل موجة جديدة، في عملية تُسمى التداخل ، وتلغي بعضها بعضًا بشكل فعال - وهو تأثير يُسمى التداخل الهدام .

تُحقق أنظمة التحكم النشط الحديثة في الضوضاء عمومًا باستخدام الدوائر التناظرية أو معالجة الإشارات الرقمية . تُصمم خوارزميات تكيفية لتحليل شكل موجة الضوضاء الخلفية، سواءً كانت سمعية أو غير سمعية، ثم تُولّد، بناءً على الخوارزمية المُحددة، إشارةً تُغيّر طور الإشارة الأصلية أو تعكس قطبيتها. تُضخّم هذه الإشارة المعكوسة (في طور معاكس) ويُنشئ مُحوّل طاقة موجة صوتية تتناسب طرديًا مع سعة الموجة الأصلية، مما يُحدث تداخلًا هدّامًا. يُقلل هذا بشكل فعّال من مستوى الضوضاء المسموعة.

يمكن وضع مكبر صوت مانع للضوضاء بجوار مصدر الصوت المراد تخفيفه . في هذه الحالة، يجب أن يكون له نفس مستوى طاقة الصوت لمصدر الصوت غير المرغوب فيه لكي يتمكن من إلغاء الضوضاء. بدلاً من ذلك، يمكن وضع محول الطاقة الذي يُصدر إشارة الإلغاء في المكان المطلوب فيه تخفيف الصوت (مثل أذن المستخدم). يتطلب هذا مستوى طاقة أقل بكثير للإلغاء، ولكنه فعال فقط لمستخدم واحد. يُعد إلغاء الضوضاء في مواقع أخرى أكثر صعوبة، حيث يمكن أن تتطابق الجبهات الموجية ثلاثية الأبعاد للصوت غير المرغوب فيه وإشارة الإلغاء، مما يُنشئ مناطق متناوبة من التداخل البنّاء والهدّام، فيُقلل الضوضاء في بعض المواقع بينما يُضاعفها في مواقع أخرى. في الأماكن المغلقة الصغيرة (مثل مقصورة ركاب السيارة)، يمكن تحقيق خفض شامل للضوضاء عبر مكبرات صوت متعددة وميكروفونات تغذية راجعة ، وقياس الاستجابات النمطية للحيز.

مُنح المخترع بول لوغ أول براءة اختراع لنظام التحكم بالضوضاء - براءة الاختراع الأمريكية رقم 2,043,416 - عام 1936. وصفت براءة الاختراع كيفية إلغاء النغمات الجيبية في القنوات عن طريق تقديم طور الموجة، وإلغاء الأصوات العشوائية في المنطقة المحيطة بمكبر الصوت عن طريق عكس القطبية. ^{[ 1 ]} في خمسينيات القرن العشرين، حصل لورانس ج. فوغل على براءات اختراع لأنظمة إلغاء الضوضاء في قمرات قيادة الطائرات المروحية والطائرات. وفي عام 1957، طور ويلارد ميكر نموذجًا عمليًا للتحكم النشط بالضوضاء، مُطبقًا على واقي أذن محيطي. كان لهذا الجهاز نطاق ترددي للتخفيف النشط يتراوح بين 50 و500  هرتز تقريبًا، مع أقصى تخفيف يبلغ 20  ديسيبل تقريبًا. ^{[ 1 ]} بحلول أواخر ثمانينيات القرن العشرين، أصبحت أولى سماعات الرأس المُخصصة لتقليل الضوضاء النشطة متاحة تجاريًا. ويمكن تشغيلها ببطاريات النيكل والكادميوم أو مباشرة من نظام الطاقة في الطائرة.

يمكن أن تكون التطبيقات أحادية البعد أو ثلاثية الأبعاد، وذلك حسب نوع المنطقة المراد حمايتها. يسهل إلغاء الأصوات الدورية، حتى المعقدة منها، مقارنةً بالأصوات العشوائية نظرًا لتكرار شكل الموجة.

تُعدّ حماية منطقة أحادية البُعد أسهل، ولا تتطلب سوى ميكروفون أو اثنين ومكبر صوت واحد أو اثنين لتحقيق الفعالية. وقد حققت العديد من التطبيقات التجارية نجاحًا ملحوظًا، منها: سماعات الرأس المانعة للضوضاء ، وكاتمات الصوت النشطة ، وأجهزة منع الشخير ، وعزل الصوت أو القناة المركزية لأجهزة الكاريوكي ، والتحكم في الضوضاء في قنوات تكييف الهواء. في سماعات الرأس المزودة بخاصية إلغاء الضوضاء النشطة، يقيس ميكروفون مدمج الضوضاء المحيطة، ويتم حساب المكون الذي سيصل إلى الأذن باستخدام دالة النقل الصوتي للسماعات. ثم يتم توليد إشارة معاكسة في السماعات لتعويض هذا المكون. ^{[ 2 ]} عند طبلة الأذن، يتحد الصوت الخارجي مع الإشارة القادمة من السماعات لتكوين الصوت. ويتم خفض مستوى ضغط الصوت بشكل ملحوظ. بالإضافة إلى ذلك، يمكن إعادة إنتاج الصوت المطلوب (الكلام، الموسيقى) من خلال السماعات. ^{[ 3 ]} يشير مصطلح "أحادي البُعد" إلى علاقة بسيطة تشبه حركة المكبس بين الضوضاء ومكبر الصوت النشط (الحد الميكانيكي للضوضاء) أو بين مكبر الصوت النشط والمستمع (سماعات الرأس).

تتطلب حماية منطقة ثلاثية الأبعاد استخدام العديد من الميكروفونات ومكبرات الصوت، مما يزيد التكلفة. يسهل تقليل الضوضاء عندما يبقى مستمع واحد ثابتًا، ولكن في حال وجود عدة مستمعين، أو إذا قام المستمع بتحريك رأسه أو تحرك في المكان، يصبح تقليل الضوضاء أكثر صعوبة. يصعب تقليل الموجات عالية التردد في ثلاثة أبعاد نظرًا لقصر طول موجتها الصوتية في الهواء.  يبلغ طول موجة الضوضاء الجيبية في الهواء عند تردد 800 هرتز تقريبًا ضعف المسافة بين أذن الشخص العادي اليسرى واليمنى؛ ^{[ 4 ]} يمكن تقليل هذه الضوضاء القادمة مباشرة من الأمام بسهولة بواسطة نظام نشط، ولكن الضوضاء القادمة من الجانب تميل إلى التلاشي في إحدى الأذنين والتعزيز في الأخرى، مما يجعلها أعلى صوتًا لا أخف. ^{[ أ ]} تميل الأصوات عالية التردد التي تزيد عن 1000  هرتز إلى التلاشي والتعزيز بشكل غير متوقع من اتجاهات متعددة. باختصار، يعتمد تقليل الضوضاء الأكثر فعالية في الفضاء ثلاثي الأبعاد على الأصوات منخفضة التردد. تشمل التطبيقات التجارية لتقنية الحد من الضوضاء ثلاثية الأبعاد حماية مقصورات الطائرات والسيارات، ولكن في هذه الحالات، تقتصر الحماية بشكل أساسي على إلغاء الضوضاء المتكررة (أو الدورية) مثل الضوضاء الناتجة عن المحرك أو المروحة أو الدوار. ويعود ذلك إلى أن الطبيعة الدورية للمحرك تجعل تحليل الضوضاء وإلغائها أسهل.

تستخدم الهواتف المحمولة الحديثة تصميمًا متعدد الميكروفونات لإلغاء الضوضاء المحيطة من إشارة الكلام. يُلتقط الصوت من الميكروفون (أو الميكروفونات) الأبعد عن الفم (إشارة الضوضاء) ومن الميكروفون الأقرب إلى الفم (الإشارة المطلوبة). تُعالج الإشارات لإلغاء الضوضاء من الإشارة المطلوبة، مما يُحسّن جودة الصوت.

في بعض الحالات، يمكن التحكم في الضوضاء باستخدام تقنية التحكم النشط في الاهتزازات . يُعد هذا الأسلوب مناسبًا عندما ينتج عن اهتزاز الهيكل ضوضاء غير مرغوب فيها عن طريق نقل الاهتزاز إلى الهواء أو الماء المحيط.

التحكم في الضوضاء هو وسيلة فعّالة أو غير فعّالة للحد من انبعاثات الصوت، وغالبًا ما يكون ذلك لأسباب تتعلق بالراحة الشخصية، أو الاعتبارات البيئية، أو الامتثال القانوني. التحكم الفعّال في الضوضاء هو خفض مستوى الصوت باستخدام مصدر طاقة. أما التحكم غير الفعّال في الضوضاء فيعتمد على خفض مستوى الصوت باستخدام مواد عازلة للصوت، مثل مواد العزل، أو البلاط الماص للصوت، أو كاتم الصوت ، بدلاً من مصدر الطاقة.

يُعدّ إلغاء الضوضاء النشط الأنسب للترددات المنخفضة. أما عند الترددات العالية، فتصبح متطلبات التباعد اللازمة لتقنيات المساحة الحرة ومنطقة الصمت باهظة للغاية. في الأنظمة القائمة على التجاويف والقنوات الصوتية، يزداد عدد العُقد بسرعة مع ازدياد التردد، مما يجعل تقنيات التحكم النشط في الضوضاء غير عملية. تصبح المعالجات السلبية أكثر فعالية عند الترددات العالية، وغالبًا ما تُوفّر حلاً كافيًا دون الحاجة إلى تحكم نشط. ^{[ 5 ]}

• تصميم الصوت النشط
• إلغاء الضوضاء التكيفي
• التماسك (الفيزياء)
• ميكروفون مانع للضوضاء

• علماء الفيزياء في جامعة بريغهام يونغ يخفضون صوت المراوح في أجهزة الكمبيوتر ومعدات المكاتب
• مكافحة الضوضاء، تهدئة البيئة بتقنية إلغاء الضوضاء النشطة ، مجلة IEEE Potentials ، أبريل 1992
• الأسئلة الشائعة حول المجلس الوطني للمؤتمرات لكريستوفر إي. روكمان (تم إنشاء هذه الصفحة في عام 1994 وتم الحفاظ عليها حتى عام 2010 تقريبًا، ولكنها لم تعد نشطة).
• موجات الصمت: ديجيسونيكس، والتحكم النشط في الضوضاء، والثورة الرقمية. مؤرشف بتاريخ 4 مارس 2016 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).