¿Cómo funcionan realmente los auriculares y audífonos con cancelación de ruido?

• Múltiples micrófonos en el interior y el exterior de los auriculares o audífonos son un componente importante en la cancelación activa de ruido.
• Los algoritmos funcionan para invertir cualquier ruido que se dirija hacia tu oído con una reacción igual y opuesta.
• La “interferencia destructiva” del ruido no deseado requiere matemáticas a la velocidad del sonido.

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Bloquear el mundo nunca ha requerido tantos conocimientos matemáticos y electrónicos de computación rápida como la última tecnología involucrada en auriculares y audífonos con cancelación de ruido. A medida que nos ponemos audífonos que se colocan sobre la oreja o dentro de la oreja para todo, desde escuchar música hasta hacer llamadas telefónicas (o simplemente para tener un poco de paz y tranquilidad en nuestro propio espacio), la ingeniería involucrada en la tecnología de cancelación de ruido es lo que crea eso. ambiente de escucha sin perturbaciones.

La ciencia de la cancelación de ruido viene con un poco de ayuda pasiva, pero la porción activa más robusta tiene dos componentes principales: micrófonos y algoritmos.

Cómo funcionan los auriculares con cancelación de ruido

Cada usuario, ya sea de auriculares o auriculares, recibe un poco de atenuación pasiva en la reducción de ruido simplemente por usar el dispositivo: el ruido de entrada se bloquea. Esta no es una parte activa de la cancelación de ruido, pero ayuda a evitar que algunas de las frecuencias altas lleguen al oído; piense en tratar de escuchar una conversación a través de una pared y el sonido bajo y confuso que escucha.

Mientras tanto, la reducción activa del ruido requiere que los micrófonos apunten tanto hacia el exterior como hacia el interior del canal auditivo. Un micrófono apunta hacia adentro, monitorea la presión del sonido en el canal auditivo y trata de llevarla a cero mientras está en un circuito de retroalimentación. “Tengo presión en este micrófono y quiero que la presión sea cero”, dice John Rule, ingeniero jefe de Bose. Mecánica Popular. “Cero presión es igual a tranquilidad. Ese bucle se ejecuta constantemente y reduce el ruido generado internamente, tu propio hablar, caminar o todo tipo de cosas que haces para generar ruido en tus oídos”.

Ponerse audífonos bloquea parte de esa presión para que no se libere, lo que puede hacer que cosas simples como masticar, caminar o hablar sean molestas, por lo que el circuito de retroalimentación busca reproducir un sonido que cancela ese ruido generado internamente.

Luke Campbell, CEO de Nura e inventor de Nuraphone, cuenta Mecánica Popular esta retroalimentación puede ser un poco más difícil de entender, pero el concepto básico ocurre cuando el micrófono entre el altavoz y el oído detecta ruido cuando no se está reproduciendo música. Luego, el altavoz inmediatamente reproduce algo para cancelar ese ruido y garantizar que la medida del altavoz sea igual a cero. Este diseño de retroalimentación funciona mejor a bajas frecuencias.

La pieza que la mayoría de la gente conoce es el micrófono que mira hacia afuera, obteniendo una vista previa de los ruidos del mundo exterior que se dirigen hacia su canal auditivo. Esto se llama realimentación. “Cualquiera que sea el ruido que golpea el exterior del capullo, los procesadores funcionan muy rápido para calcular, y el interior de los altavoces hace lo mismo y lo contrario”, dice Rule. “Ese proceso no es perfecto, pero es bastante bueno”.

Los tres componentes (pasivo, feedback y feedforward) trabajan juntos para cancelar tanto ruido como sea posible. Campbell dice que los filtros de diseño invierten los ruidos, mientras que el sistema de control combina los micrófonos interior y exterior juntos, para reproducir un sonido filtrado desde el altavoz, todo parte de una cadena de procesamiento de señal rápida.

“Todas las cosas activas son interferencias destructivas”, dice Rule. “Ese es un proceso imperfecto, por lo que es difícil hacerlo perfectamente”.

matemáticas rápidas

El tiempo no está de nuestro lado. “La velocidad de procesamiento es realmente importante”, dice Rule. Con el sonido viajando, obviamente, a la velocidad del sonido, solo hay microsegundos para que sucedan las matemáticas. “Cuanto más rápido lo haga, mayor será la frecuencia que podrá cancelar”, dice. “Una solución de bajo presupuesto utiliza procesos más lentos y solo puede cancelar frecuencias más bajas”.

Las matemáticas se mantienen en un bucle constante. “Es necesario medir muy rápidamente el ruido externo, filtrar y eliminar el ruido en menos tiempo del que tarda el ruido en atravesar los auriculares”, dice Campbell. “En el pasado, los ingenieros tenían que ajustar manualmente varios filtros. Hoy puede tomar medidas y hacer filtros digitales y simplemente acelera significativamente el proceso de diseño”.

Los micrófonos importan

Por lo general, los auriculares y audífonos tienen un micrófono apuntando internamente y múltiples micrófonos apuntando externamente, algunos para cancelación de ruido y otros para captar su voz para llamadas de audio. Los micrófonos captan bien las frecuencias bajas, pero colocarlos lo más lejos posible del oído ayuda a captar las frecuencias más altas. Por ejemplo, una longitud de onda de baja frecuencia de 100 hercios es de 12 pies, dice Rule, por lo que es fácil de agarrar para la mayoría de los micrófonos. A medida que avanza a un kilohercio, la longitud de onda cae a un pie. Una frecuencia de 10 kilohercios puede disminuir a una longitud de onda de una pulgada. Agregar un segundo micrófono externo separado en los auriculares ofrecerá una captación de sonido ligeramente mejor.

Campbell dice que los auriculares de la mejor calidad suelen funcionar para cancelar ruidos de hasta 4 kilohercios. Y la evolución de la tecnología de micrófonos (Nura cuenta con la misma serie de micrófonos Knowles utilizados por la NASA para la misión Mars 2020) ha mejorado para adaptarse mejor a los sonidos necesarios. Con componentes de mayor calidad, las variaciones en los parlantes y micrófonos se han reducido a más o menos un decibelio. Cuanto más estricta sea la tolerancia, mejor podrá la tecnología cancelar el ruido.

Creación de personalización

Cambiar el rendimiento sobre la marcha es fundamental en los productos de mejor calidad. La pieza de personalización también es exclusiva de algunas marcas, como Nura y Bose. Al usar tonos reproducidos desde los dispositivos y hacer que el micrófono interno registre la respuesta otoacústica del oído, los algoritmos determinan mejor los sonidos ideales necesarios para una escucha personalizada.

Cada persona escucha de manera diferente. Dos personas con audición normal desde el punto de vista médico que están de pie una al lado de la otra en un concierto pueden escuchar dos versiones diferentes de la misma música, con diferentes coloraciones, dice Campbell. Cualquier pérdida de audición por debajo de los 20 decibelios, equivalente a siete clics de volumen en el iPhone, se considera normal. Las diferencias individuales no están solo en el volumen, sino también en las frecuencias, lo que significa que el uso de emisiones otoacústicas para sondear automáticamente el oído interno para brindar un sonido personalizado personaliza la experiencia de cada usuario.

El órgano de la cóclea dentro del oído interno convierte las vibraciones mecánicas del sonido en señales eléctricas que se envían al cerebro para permitirle detectar el sonido. La cóclea también genera nuevas vibraciones que pueden hacer que un sonido débil regrese del oído, lo que se conoce como emisiones otoacústicas. Nura mide la sensibilidad relativa de la audición en diferentes tonos para crear un perfil de audición.

“Si pones un auricular en 10 personas diferentes, la respuesta de frecuencia medida será ligeramente diferente”, dice Campbell, señalando que el tamaño de la oreja, la forma de la cabeza y la forma en que se sienta el auricular difieren. Las variabilidades significan que la cancelación de ruido funcionará de manera diferente. El elemento adaptativo mide continuamente qué tan bien está haciendo un trabajo el algoritmo y ajusta los filtros para brindar la mejor experiencia. Los productos, como los auriculares NuraTrue Pro, tienen su propia forma única de reproducir tonos para optimizar una experiencia personalizada, adaptándose continuamente según el entorno.

“Esencialmente”, dice Campbell, “la cancelación adaptativa de ruido se autopersonaliza continuamente”.

La naturaleza única de un auricular significa que el ajuste se vuelve importante. La mayoría de las empresas ofrecen una combinación de tamaños de almohadillas y bandas de estabilidad para ayudar a mantenerlo en su lugar y mejorar el sellado. Cualquier espacio de aire puede reducir el rendimiento de la cancelación de ruido.

A medida que la tecnología ha mejorado, Rule dice que han aprendido que un ajuste de calidad permite que incluso un parlante auricular pequeño produzca graves de alta calidad, como con el nuevo QuietComfort II de Bose, que también personaliza el sonido y la cancelación de ruido mediante el uso de tonos que se reproducen en el interior. oreja. “Es una de esas cosas en las que cuanto mejor sea el ajuste, podemos cancelar más ruido, cancelar ruidos más profundos, obtener mejores graves, tener una mejor atenuación”, dice.

Auriculares vs. Auriculares: ¿Cuáles son mejores?

Los mismos conceptos se aplican a la cancelación de ruido a través de un auricular o un auricular sobre la oreja. Un auricular ofrece un diseño innatamente más fácil debido al mejor sellado y bloqueo pasivo que ocurre y la capacidad de agregar más micrófonos externos, pero ambos dispositivos usan la misma ciencia e ingeniería, incluso si los algoritmos difieren ligeramente.

En el futuro, Rule espera que la naturaleza fluida de la tecnología de cancelación de ruido solo mejore, especialmente en los auriculares. “Quiero que sean invisibles y diminutos, pero aparte de eso, me gustaría que transmitieran perfectamente el audio externo cuando estuvieran abiertos y bloquearan el audio cuando estuvieran cerrados”, dice Rule. “Creemos que en el futuro te los pondrás y los usarás cada vez más, ya que te resultan más naturales y transparentes”.