ANC: la Tecnica per Eliminare i Rumori Indesiderati

ANC

L'ANC, (nota anche come ANR), è una tecnica attiva che permette l'eliminazione o la riduzione del rumore, con molteplici applicazioni nella vita di tutti i giorni: nelle cuffie hi-fi, per esaltare la qualità del suono, nel settore industriale, per migliorare le condizioni di lavoro, e, proprio recentemente, nel settore automotive per migliorare il comfort e ridurre i consumi di carburante. Che cosa è e come funziona l'ANC? Scopriamolo insieme in questo articolo.

Il controllo e la riduzione delle emissioni acustiche è un argomento che ha acquisito un'importanza e un'attenzione crescente nel corso degli ultimi anni, durante i quali abbiamo visto una attenzione sempre maggiore nei confronti dell'"inquinamento acustico". I fenomeni legati all'inquinamento acustico sono diventati sempre più pressanti per una serie di motivi, tra i quali ricordiamo:

  • aumento del numero di dispositivi elettromeccanici utilizzati nelle attività industriali (motori, ventilatori, trasformatori, compressori)
  • espansione dei centri abitativi, che ha esposto in modo maggiore la popolazione alle sorgenti di rumore (tra le quali ricordiamo anche il traffico)
  • utilizzo di materiali sempre più sottili nella realizzazione di costruzioni e veicoli, dovuti ad esigenze di contenimento dei costi di produzione

Nell'ambiente si possono individuare due tipi di rumore acustico. Il primo è dovuto alla turbolenza, ed ha un comportamento del tutto casuale. Il rumore prodotto dalla turbolenza si distribuisce in modo pressochè uniforme su tutte le bande di frequenza, e viene perciò anche detto "rumore a banda larga". Esempi di rumore prodotto dalla turbolenza sono il rumore a bassa frequenza prodotto dagli aeroplani a reazione, oppure il rumore di tipo impulsivo prodotto da una deflagrazione. Il secondo tipo di rumore occupa invece una banda ristretta di frequenze, ed è quello prodotto ad esempio dalle macchine con moto rotatorio o ripetitivo, ed è caratterizzato dall'essere periodico o "quasi" periodico. Rientrano in questa categoria il suono emesso dai comuni motori a combustione interna, dai compressori, dai frigoriferi, dalle pompe di calore, e dai sistemi sottovuoto.

Ora che abbiamo visto come suddividere le varie fonti di rumore, sorge una domanda lecita: come possiamo eliminare o quantomeno controllare, le sorgenti di rumore nocivo? Bene, la risposta è tanto immediata quanto semplice. Esistono due metodi per il controllo e l'eliminazione del rumore: il primo metodo è quello passivo mentre il secondo è quello attivo. L'approcio tradizionale al controllo del rumore acustico è basato sull'utilizzo di tecniche passive come ad esempio pannelli, barriere assorbenti, e silenziatori, in grado di attenuare il rumore indesiderato. I silenziatori di tipo passivo si basano su due concetti:

  • variazione di impedenza provocata da una combinazione di deflettori e tubi in grado di attenuare il rumore indesiderato (silenziatori reattivi)
  • perdita di energia provocata dalla propagazione del suono in un condotto rivestito con materiale fonoassorbente (silenziatori resitivi)

Un esempio di silenziatore reattivo è rappresentato dalle comuni marmitte abbinate ai motori a combustione interna, mentre un esempio di silenziatore resistivo è rappresentato dai pannelli fonoassorbenti normalmente utilizzati nei sistemi di aerazione. I sistemi di tipo passivo sono in grado di attenuare il rumore su un'ampia gamma di frequenze. Tuttavia, essi sono relativamente ingombranti, costosi e inefficaci alle basse frequenze, rendendo l'approccio passivo alla riduzione del rumore spesso impraticabile. Inoltre, questi tipi di silenziatori creano spesso una contropressione indesiderata quando il condotto è attraversato da un flusso di aria. Per poter superare le limitazioni imposte dalle tecniche di tipo passivo gli sforzi si sono nel tempo concentrati nel definire delle tecniche di controllo o eliminazione del rumore di tipo attivo, come, appunto, l'ANC.

Un sistema ANC attivo è sostanzialmente composto da un dispositivo elettroacustico in grado di eliminare il rumore indesiderato generando un "antisuono" (o meglio, un "antirumore") di ampiezza uguale a quella del rumore, ma in opposizione di fase. Il suono originale e l'"antisuono" si combinano, con l'effetto che entrambi vengono cancellati (questo fenomeno prende anche il nome di "interferenza distruttiva"). Tutto ciò è ben espresso dallo schema dell'immagine seguente, in cui si vede come dalla sovrapposizione della forma d'onda primaria (il rumore che si vuole eliminare) con l'"antirumore" (stessa ampiezza della forma d'onda primaria ma fase opposta), si ottiene un rumore risultante praticamente nullo. Il risultato di questo processo dipende fortemente dal grado di accuratezza con cui vengono generate l'ampiezza e la fase dell'antirumore.

Viste queste premesse sorprendenti, sarebbe lecito pensare che l'ANC possa essere una tecnica sempre valida ed efficace per l'eliminazione del rumore, a discapito delle tecniche di tipo passivo, meno efficienti e più dispendiose. In realtà non è sempre così. Come regola generale, infatti, occorre dire che la tecnica attiva ANC offre risultati eccellenti e superiori alle tecniche passive per rumori di bassa frequenza (da pochi Hertz fino a circa 600 Hertz). Questa gamma di frequenza è molto significativa. Perchè comprende, ad esempio, il rumore prodotto dai ventilatori, dai motori elettrici, dai motori a combustione interna, dai compressori, e anche dalle turbine per aereo. Si tratta in sostanza di forme d'onda prodotte da movimenti periodici, ripetitivi, con una certa tendenza alla risonanza alle basse frequenze. Le tecniche di eliminazione del rumore passive offrono, per contro, i migliori risultati con i rumori di alta frequenza. Ricordiamo inoltre che i rumori a bassa frequenza sono quelli più ostici da attenuare, perchè le corrispondenti forme d'onda sono "lunghe", possono percorrere distanze anche significative, e possono penetrare le barriere acustiche di tipo passivo, persino i muri di cemento armato!

La tecnica ANC si sta sviluppando rapidamente in quanto consente di ottenere, rispetto alle tradizionali tecniche passive, dei benefici significativi in termini di minori dimensioni, volume, e costo complessivo del sistema. Già nel 1936 venne presentato un progetto per l'eliminazione attiva del rumore tramite l'utilizzo di un microfono e di un altoparlante controllato elettronicamente per generare l'antirumore. Nonostante l'idea fosse valida, il brevetto praticamente non venne utilizzato perchè non si trovarono delle applicazioni reali per esso. Non solo, col senno di poi oggi possiamo anche dire che difficilmente quella soluzione avrebbe dato dei risultati soddisfacenti in quell'epoca, visto il livello di tecnologia elettronica allora presente. Oggi, infatti, sappiamo che una forma d'onda come quella sonora non presenta delle caratteristiche costanti, ma la sua fase, ampiezza, frequenza, e velocità cambiano nel tempo. Un sistema ANC, per essere efficiente, deve pertanto essere in grado di seguire queste variazioni in tempo reale (anzi, se possibile dovrebbe essere in grado di predirle applicando algoritmi di filtraggio appositi). Facile dire che basta generare una forma d'onda con la stessa ampiezza e fase opposta! Per funzionare, ciò deve essere fatto istantaneamente, senza introdurre ritardi. Ne consegue che per forza è necessario ricorrere a sistemi hardware adeguati (e qui entra in gioco la nostra amica elettronica), con largo uso di Digital Signal Processing, FPGA, e algoritmi modellati con Matlab/Simulink. Non è un caso che, storicamente, le tecniche ANC hanno visto un'esplosione significativa negli anni '80, quando sul mercato della componentistica hanno fatto il loro ingresso i primi DSP, programmati con algoritmi di tipo adattativo.

Fondamentalmente, un sistema ANC è composto dai seguenti elementi:

  • un microfono, utilizzato per misurare la sorgente primaria del rumore. Questa misura, fondamentale per poter generare il segnale antirumore, viene utilizzata come ingresso di riferimento al circuito per l'eliminazione del rumore
  • un altoparlante che emette il segnale antirumore, prodotto in uscita dal circuito di eliminazione del rumore, e sfasato di 180° rispetto al segnale da cancellare
  • un secondo microfono, con il compito di misurare il segnale antirumore prodotto dall'altoparlante. Questo segnale va anch'esso in ingresso al circuito di eliminazione del rumore e serve per misurare l'entità dell'errore generato dal sistema
  • un circuito per l'eliminazione del rumore, che riceve in ingresso i segnali provenienti dal microfono primario e dal microfono di errore, e genera in uscita il segnale antirumore riprodotto dall'altoparlante. Come già anticipato, questo circuito viene realizzato in elettronica digitale tramite uso esteso di DSP e algoritmi di filtraggio adattativo

Vediamo a questo punto lo schema a blocchi classico di un circuito ANC tra i più utilizzati. Il circuito, visibile nell'immagine sottostante, viene definito in letteratura come sistema "feedforward" (corrisponde alla descrizione data in precedenza):

La descrizione del circuito è immediata. Il segnale di riferimento x(n) viene misurato dal microfono posto in prossimità della sorgente di rumore. Il circuito di eliminazione del rumore utilizza il segnale x(n) per generare il segnale y(n) (antirumore), con la stessa ampiezza ma sfasato di 180°. Il segnale antirumore pilota poi un altoparlante per eseguire fisicamente la cancellazione del rumore. Questo tipo di circuito, per essere efficace, deve possedere un'importante caratteristica: la coerenza. Con ciò si intende dire che il segnale di riferimento (il rumore che si vuole cancellare) deve essere misurato sufficientemente in anticipo in modo tale da compensare il ritardo necessario per la generazione del segnale antirumore e la sua riproduzione nell'altoparlante. Il microfono di errore misura invece il segnale di errore e(n), utilizzato per adattare i coefficienti del filtro e minimizzare l'errore stesso. Da notare che non si può in questo caso parlare di segnale di retroazione, in quanto e(n) non viene in alcun modo confrontato con il segnale di ingresso. Nelle applicazioni reali è, in genere, necessario eliminare rumori provenienti da punti diversi (si pensi ad esempio al caso di un aereo). In questo caso il circuito precedente rimane ancora valido ma verrà modificato utilizzando N microfoni di ingresso, N microfoni di errore ed N altoparlanti.

Applicazioni dell'ANC

Molteplici sono le applicazioni pratiche dell'ANC. Anzitutto ricordiamo le cuffie, dove sia il suono originale (da mantenere e, se possibile, esaltare) sia l'antisuono sono contenuti all'interno della stessa area, posta in prossimità dei padiglioni auricolari. In questo caso, il suono indesiderato che si vuole eliminare è quello proveniente dall'esterno. Nel caso specifico delle cuffie, l'ANC può essere utilizzata per consentire di apprezzare la qualità del suono anche in condizioni ambientali ostili (ad esempio quando si viaggia in aeroplano, oppure in treno o in metropolitana). Bose, ad esempio, è stata la prima società del settore ad introdurre la tecnica ANC su alcuni modelli di cuffie, ma sono oggi disponibili sul mercato una moltitudine di prodotti con prezzi anche molto abbordabili (tenendo contro dell'elevato grado di qualità proposto). Non solo, le cuffie dotate di sistemi ANC servono anche ai piloti di aerei ed elicotteri per comprendere meglio le conversazioni vocali e i segnali di avviso o allarme generati dai sistemi di navigazione (i moderni aerei di linea, grazie alla pressurizzazione, riescono a contenere bene il rumore, ma la stessa cosa non vale per gli elicotteri, destinati a volare a quote inferiori e maggiormente soggetti al rumore proveniente dalle turbine e dalle pale). Infine, le cuffie sono utili anche semplicemente come sistema di soppressione del rumore, per proteggere l'udito e consentire condizioni di lavoro più accettabili (si pensi a chi lavora vicino agli aerei o vicino a macchinari molto rumorosi).

Un'altra applicazione dell'ANC riguarda il settore automotive, dove sta cominciando ad essere utilizzata per ridurre il rumore proveniente dal motore e dalla trasmissione. Honda, ad esempio, ha introdotto questa tecnologia sul modello Accord station wagon commercializzato in Giappone. Il sistema adottato da Honda è relativamente semplice. Un microfono collegato al sistema stereo dell'auto preleva tutto il rumore presente all'interno del veicolo, inclusa la musica o comunque l'audio proveniente dal sistema stereo. Il sistema per l'eliminazione del rumore sottrae da questo segnale il suono proveniente dallo stereo (musica o altro), e genera l'antirumore in grado di eliminare il rumore indesiderato. L'antirumore viene emesso dagli stessi altoparlanti che equipaggiano il sistema hi-fi, consentendo di ridurre i costi complessivi del sistema. I risultati sono molto soddisfacenti (riduzione del rumore pari a 10dB per frequenze sotto i 100 Hz), con una cancellazione soprattutto delle basse frequenze, senza però pregiudicare la qualità prodotta dal sistema audio del veicolo.

Honda non è comunque l'unico produttore di autoveicoli ad utilizzare l'ANC sui propri prodotti. Significativo, ad esempio, è il caso della GM, la quale ha deciso di adottare questa tecnica per ...

... ridurre i consumi del veicolo!

Sembrerà strano, ma è proprio così. Nell'ottica di ridurre i consumi di carburante (le norme sono sempre più stringenti anche nel mercato americano), gli ingegneri GM hanno pensato di abbassare il più possibile la coppia del motore che, girando a un regime di rotazione inferiore, consuma meno carburante. Il problema è che a un regime di circa 1000 giri/minuto, i motori a combustione tendono ad andare in stallo (quindi a spegnersi), e di fatto per viaggiare bisogna tenere il motore ad almeno 1500 giri/minuti. Il range compreso tra 1000 e 1500 giri è quello che garantisce il minor consumo di carburante, ma non viene utilizzato a causa del forte rumore prodotto. Ecco quindi l'idea di utilizzare un sistema di eliminazione del rumore basato sull'ANC, e calibrato per il range di frequenze prodotto dal motore del veicolo. Lo stesso tipo di soluzione adottato da GM verrà anche utilizzato da Toyota e Ford. Quest'ultima, in particolare, lo utilizza sul modello ibrido della Ford Fusion distribuito negli USA. Il sistema è fondamentalmente lo stesso, come indicato nell'immagine seguente:

Concludiamo con quella che possiamo definire una "curiosità": la società austriaca Noctua, specializzata nella produzione di sistemi per il raffreddamento dei microprocessori, ha recentemente presentato il primo tipo di "ventola" basata sulla tecnologia ANC. Si potrà finalmente dire stop ai fastidiosi ronzii e rumori di bassa frequenza provenienti dalle ventole? Mah, per il momento cominciamo a guardarci questo video relativo al prototipo del nuovo prodotto:

Per chi volesse approfondire l'argomento, consiglio di dare un'occhiata all'Application Report "Design of active noise control systems with the TMS320 family" di Texas Instruments (del quale sono state utilizzate alcune immagini). TI, da sempre all'avanguardia nel settore del Digital Signal Processing, offre delle soluzioni complete in grado di affrontare l'implementazione dei sistemi ANC.

 

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8 Comments

  1. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 27 agosto 2013
  2. slovati slovati 27 agosto 2013
  3. Emanuele Emanuele 27 agosto 2013
  4. de.biagi.marco 28 agosto 2013
  5. giamby3000 1 settembre 2013
  6. de.biagi.marco 1 settembre 2013
  7. MArco74 2 settembre 2013
  8. Tiziano.Pigliacelli Tiziano.Pigliacelli 19 settembre 2013

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