323n de control activo de ruido para...

Numero RAE: Fecha de Elaboración: 10 / 12 / 2010

Paginas: 147 Año: 2010

Título: APLICACIÓN DE CONTROL ACTIVO DE RUIDO PARA PROTECTORES AUDITIVOS INDUSTRIALES

Autores: PULIDO BAUTISTA JORGE EDUARDO

PARRA GRAJALES CHRISTIAN MAURICIO

Publicación: Biblioteca Fray Alberto Montealegre Gonzáles, Universidad De San Buenaventura (Bogotá)

Unidad Patrocinante: Facultad De Ingeniería

Palabras Clave: LMS, Feedforward, Función Transferencia, Cabeza Kemar, Protectores Auditivos, Simulink, Code Composer Studio, Tarjeta DSP TMS320C6713

Descripción: A partir del procesamiento digital de señales y basados en la teoría de control activo de ruido, el proyecto busca por medio de nuevas técnicas controlar y reducir el ruido al que están sometidos usuarios que utilicen protectores auditivo industriales, en el rango de frecuencias bajas.

El sistema de cancelación es implementado en protectores auditivos industriales utilizando la técnica conocida como Feedforward. Esta técnica utiliza dos transductores de entrada (señal de referencia y señal de error) y un transductor de salida (señal de control) para ser usado junto con el filtro adaptativo LMS programado en la tarjeta DSP TMS320C6713 a través de Simulink de Matlab.

Objetivo General: Aumentar el nivel de atenuación en frecuencias bajas, en protectores auditivos industriales, mediante técnica de control activo de ruido.

Objetivos Específicos:

• Simular el proceso de cancelación por medio de Simulink usando el algoritmo LMS.

• Implementar el modelo en protectores auditivos industriales previamente seleccionados.

• Realizar las pruebas, usando la Tarjeta DSP TMS320C6713 de TI, para medir el posible valor de atenuación deseado.

• Evaluar la eficiencia del prototipo a través de mediciones objetivas.

Ejes Temáticos: • Control Activo de Ruido

• Procesamiento de señal digital

Áreas del Conocimiento:

Ingeniería, Tecnología y Áreas Relacionadas

Conclusiones: • En base a pruebas electrónicas sobre todo el sistema se obtuvo el comportamiento de los elementos que hicieron posible el rendimiento del sistema de cancelación. Con ayuda de la visualización en un osciloscopio fue posible notar que la tarjeta DSP en configuración estándar atenúa la señal de entrada a la mitad de la original, impidiendo en un principio obtener la cancelación del ruido incidente; multiplicando la señal de salida por el doble de su valor se dio solución al problema. También fue posible comprobar que el filtro LMS si emula el sistema desconocido tomando como referencia la señal deseada de la señal de entrada. Inclusive por medio de estas pruebas fue posible comprobar el funcionamiento de los micrófonos, de la fuente dual y del pre amplificador.

• El puerto adapt del filtro LMS no fue posible usarlo con el micrófono de error, a pesar de que en la simulación el puerto adapt actualiza los coeficientes con respecto a la variación de niveles en la zona de silencio. En la práctica no llego a suceder. La documentación del filtro LMS en Simulink explica

que cuando la señal de entrada a este puerto es mayor que cero, el filtro continuamente actualiza los coeficientes, pero cuando la señal de error es menor o igual a cero, los coeficientes se mantienen en un valor constante.

• En las figuras 10 y 13 se observa un patrón de aumento entre 40Hz y 210Hz por parte de los protectores auditivos con control activo de ruido en estado desactivado. En este punto, los protectores auditivos ya contienen los transductores de salida en su interior, razón por la cual, se plantea la teoría de que al generar ruido rosa desde la fuente, el diafragma de los transductores resuena en este rango de frecuencias, produciendo una vibración que realimenta estas frecuencias haciendo que su nivel se eleve drásticamente. Además, se tiene una segunda teoría que trata de una posible resonancia en las frecuencias nombradas aportada por la cabeza KEMAR al momento de generar ruido rosa y genera el aumento en esta zona.

• El filtro LMS tiene una salida de error, en donde se puede ver el comportamiento de la señal de error a través del tiempo, si la señal tiene valores altos el filtro adaptativo modifica sus coeficientes para lograr reducir dichos valores. En la simulación es muy práctico observar esta salida porque permite ver la adaptación que tiene el filtro con respecto a las señales de entrada.

• Gracias a las comparaciones objetivas de las mediciones del sistema de control activo de ruido en recinto cerrado y al aire libre, se logra determinar que el sistema funciona conforme a la teoría y que los protectores auditivos con ANC lograron atenuar

frecuencias entre 31Hz y 130Hz. Adicionalmente, por medio de la comparación entre ámbitos de medición se logro ver que la curva de cancelación tiene una tendencia a comportarse en este caso siempre de la misma manera y a atenuar casi las mismas frecuencias.

• Para este sistema de cancelación es despreciable la distancia del micrófono de error con respecto al transductor de salida dado a la corta distancia y el poco espacio que hay para ubicar los dispositivos dentro de los protectores.

• El filtro adaptativo usado para generar el campo secundario es el filtro más básico para este tipo de control, teniendo un mejor algoritmo se puede llegar a tener un mayor control en la atenuación de frecuencias bajas.

• En las pruebas, pudimos darnos cuenta de que la ubicación del parlante ofrece ventajas y desventajas en los sistemas de control activo, haciendo depender objetivamente la cancelación de la distancia entre él y el micrófono de referencia, dado que a menor distancia mayor es la velocidad con que el filtro LMS debe responder para generar el antiruido a tiempo.

• El efecto de proximidad del diafragma del parlante con respecto al canal auditivo juega una importante tarea en el sistema ANC si se desea realizar mediciones subjetivas por la manera en que el ser humano percibe frecuencias graves en audífonos. Esto significa que teniendo mayor cercanía del parlante al canal auditivo, la respuesta subjetiva en bajas frecuencias será mucho mejor.

• Un ideal transductor electroacústico (parlante) no adiciona fase al manejo de señal y su respuesta en frecuencia es plana, desafortunadamente parlantes ideales no existen en la realidad. El comportamiento del parlante en la emisión del antiruido es un gran factor a tener en cuenta, porque el filtro adaptativo genera la señal de control y(n) que luego es enviado al parlante, donde la respuesta en frecuencia del transductor afecta dicha señal de control emitiéndola en una forma modificada a la original.

• Para procesar señales de audio y lograr su conversión análoga/digital y viceversa, es apropiado trabajar a una rata de muestreo de 44.1KHz en Matlab para tener mayor exactitud en la información; sin embargo, al manejar un mayor número de datos, el conversor demora más tiempo en realizar el muestreo de la señal y el sistema genera una latencia que aunque muy mínima puede ser, es capaz de alterar las mediciones. De la misma forma se ve afectado el comportamiento del filtro LMS puesto que este también debe procesar mayor cantidad de datos, y según las mediciones se ha comprobado que el filtro, por ser básico no es capaz de manejar demasiada información sin alterar el resultado de la cancelación. Este es el motivo por el cual se trabaja con una rata de muestreo de 8KHz, con la cual el filtro marcha adecuadamente. Otra razón es que los protectores auditivos empiezan a atenuar a partir de 300Hz hasta alcanzar los 12Khz. Y el sistema con control activo de ruido trabaja en un rango de 20Hz hasta 500Hz. Según la teoría de Nyquist en procesamiento de señal digital la frecuencia de muestreo ideal a trabajar es el doble de la frecuencia máxima de la señal a trabajar, si la frecuencia máxima es 500Hz para el rango de frecuencias bajas, la ideal para muestrear es usando

1Khz. La tarjeta trabaja con una frecuencia mínima de muestreo de 8Khz, es más que suficiente para realizar dicho procesamiento.

• La cabeza de medición utilizada en el proyecto, no es una cabeza estandarizada, pero su diseño y construcción se realizó lo más fielmente y con los recursos disponibles a una cabeza humana verdadera. Realizando las mismas mediciones con una cabeza estandarizada como por ejemplo un KEMAR, ayudaría a tener resultados más confiables y mucho más precisos.

• Dado que no se pueden comparar entre ellas las mediciones en campo cerrado y campo abierto en cuanto al valor de atenuación de los protectores auditivos ANC por las diferencias en sus características acústicas, estas dos referencias solo pueden ser comparadas para obtener con mayor exactitud la tendencia de cancelación del sistema ANC en cuanto a las frecuencias claves.

• Se logro determinar por medio de una medición objetiva espectral que los protectores auditivos en modo pasivo funcionan para frecuencias medias-altas, es decir, que su forma y el material poroso que hay en su interior permiten absorber frecuencias que se encuentran por arriba de 350Hz, y que aun después de haberles implementado el sistema de cancelación, conservan sus características de atenuación con técnicas pasivas. No obstante se sabe que su aislamiento no es suficiente para atenuar frecuencias abajo de 350Hz debido a que estas frecuencias poseen longitudes de onda mayores con respecto al área de absorción de los

protectores.

• La aplicación del Control activo de ruido en tecnologías enfocadas a la industria del entretenimiento está tomando cada vez un mayor auge, debido al continuo avance en las técnicas matemáticas aplicas en el área y la disminución de costos en cuanto al desarrollo de DSP. Dando como resultado procesadores más rápidos y más pequeños, permitiendo a los grandes fabricantes construir productos de entretenimiento como los audífonos con control activo de ruido… véase la tabla 2….

Referencias Bibliográficas:

AMBARDAR, Ashok. Procesamiento de señales analógicas y digitales. Thomson editores, 2002.

CARDENAS PATIÑO, William Andrés. Diseño y construcción de un dispositivo que permite reducir el ruido del motor de un carro en su interior, a partir del control activo de ruido. Universidad San Buenaventura, Bogotá D.C., 2010

CHASSAING, Rulph. Digital signal procesing and aplications with the C6713 and C6416 DSK. New Jersey, John Wiley and Sons, 2005.

ELLIOT, S.J. y P.A, Nelson. Active noise control. IEEE Signal Processing Magazine, pp. 12-35, October 1993.

KEHTARNAVAZ, Nasser. Real Time digital signal processing base on the TMS320C6000. University of Texas at Dallas, Newnes, 2005.

KUO, Sen M. y WOON-SENG, Gan. Active Noise Control System for Headphone Applications. IEEE Transactions On Control Systems Technology, vol. 14, no. 2, march 2006.

Romero Mier y Terán, Andrés. Desarrollo de Sistemas

de Control Activo de Ruido. Junio 20 2008, México D.F.

SHIANG-HWUA, Yu. y JWU-SHENG, Hu. Controller Design for Active Noise Cancellation Headphones Using Experimental Raw Data. IEEE/ASME Transactions On Mechatronics, vol. 6, no. 4, december 2001.

TMS320C6713 DSK Technical Reference DSP Development Systems. 2003.

Autores RAE: Christian Mauricio Parra Grajales

Jorge Eduardo Pulido Bautista

AUTOR (ES) PULIDO BAUTISTA JORGE EDUARDO PARRA GRAJALES CHRISTIAN MAURICIO

TÍTULO APLICACIÓN DE CONTROL ACTIVO DE RUIDO PARA PROTECTORES AUDITIVOS INDUSTRIALES

PALABRAS CLAVES

LMS, Feedforward, Función Transferencia, Cabeza Kemar, Protectores Auditivos, Simulink, Code Composer Studio, Tarjeta DSP TMS320C6713

DESCRIPCIÓN A partir del procesamiento digital de señales y basados en la teoría de

control activo de ruido, el proyecto busca por medio de nuevas técnicas controlar y reducir el ruido al que están sometidos usuarios que utilicen protectores auditivo industriales, en el rango de frecuencias bajas. El sistema de cancelación es implementado en protectores auditivos industriales utilizando la técnica conocida como Feedforward. Esta técnica utiliza dos transductores de entrada (señal de referencia y señal de error) y un transductor de salida (señal de control) para ser usado junto con el filtro adaptativo LMS programado en la tarjeta DSP TMS320C6713 a través de Simulink de Matlab.

FUENTES BIBLIOGRAFICAS AMBARDAR, Ashok. Procesamiento de señales analógicas y digitales. Thomson editores, 2002. CARDENAS PATIÑO, William Andrés. Diseño y construcción de un dispositivo que permite reducir el ruido del motor de un carro en su interior, a partir del control activo de ruido. Universidad San Buenaventura, Bogotá D.C., 2010 CHASSAING, Rulph. Digital signal procesing and aplications with the C6713 and C6416 DSK. New Jersey, John Wiley and Sons, 2005. ELLIOT, S.J. y P.A, Nelson. Active noise control. IEEE Signal Processing Magazine, pp. 12-35, October 1993. KEHTARNAVAZ, Nasser. Real Time digital signal processing base on the TMS320C6000. University of Texas at Dallas, Newnes, 2005. KUO, Sen M. y WOON-SENG, Gan. Active Noise Control System for Headphone Applications. IEEE Transactions On Control Systems Technology, vol. 14, no. 2, march 2006. Romero Mier y Terán, Andrés. Desarrollo de Sistemas de Control Activo de Ruido. Junio 20 2008, México D.F. SHIANG-HWUA, Yu. y JWU-SHENG, Hu. Controller Design for Active Noise Cancellation Headphones Using Experimental Raw Data. IEEE/ASME Transactions On Mechatronics, vol. 6, no. 4, december 2001. TMS320C6713 DSK Technical Reference DSP 2003.

FECHA DICIEMBRE 10 DE 2010

NUMERO RA PROGRAMA Ingeniería de sonido

CONTENIDOS OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN

Objetivo General Aumentar el nivel de atenuación en frecuencias bajas, en protectores auditivos industriales, mediante técnica de control activo de ruido.

Objetivos Específicos 1. Simular el proceso de cancelación por medio de Simulink usando el algoritmo LMS. 2. Implementar el modelo en protectores auditivos industriales previamente

seleccionados. 3. Realizar las pruebas, usando la Tarjeta DSP TMS320C6713 de TI, para medir el

posible valor de atenuación deseado. 4. Evaluar la eficiencia del prototipo a través de mediciones objetivas.

DESARROLLO INGENIERIL

Preparación preliminar para el sistema de medición con cabeza KEMAR Fabricación réplica del oído externo en silicona para moldeo Adaptación orejas a la cabeza KEMAR Adecuación de los micrófonos de medición AKG C 480 B a la cabeza KEMAR Protectores auditivos Adaptación de los micrófonos de referencia y de error en los protectores auditivos Adaptación de los transductores de salida en los protectores auditivos Diseño electrónico Diseño y construcción del pre amplificador de voltaje para micrófonos electret Diseño y construcción de la fuente dual para el preamplificador Programación tarjeta DSP Prueba electrónica Calibración del sistema de medición

RESULTADOS Y ANÁLISIS Resultados obtenidos en las mediciones Mediciones en recinto cerrado Mediciones al aire libre


METODOLOGÍA Enfoque de la investigación

El desarrollo de este proyecto tiene un enfoque empírico-analítico, debido a que mediante una base teórica se va a generar un modelo que será finalmente implementado y medido para valorar su eficiencia para un fin determinado.

LÍNEA DE INVESTIGACIÓN DE USB / SUB-LÍNEA DE FACULTAD / CAMPO TEMÁTICO DEL PROGRAMA

La línea de investigación de este proyecto es Tecnologías actuales y sociedad, la investigación tiene como fin aplicar una tecnología existente pero no desarrollada en el país; enfocada en el mejoramiento de la salud de las personas. La sub-línea de la facultad es Procesamiento de señales digitales y/o análogas, debido a que la investigación trabaja con un procesador digital de señales en tiempo real, en donde el procesamiento depende o debe seguir el paso de eventos externos. El campo temático del proyecto es Diseño de sistemas de sonido, por tratarse de un proyecto que se basa principalmente en el diseño de un hardware especializado para el control de procesos análogos y digitales aplicados a sistemas de audio.

TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN Las técnicas de recolección de información dependen de los siguientes aspectos:

• Mediciones con equipos especializados: Las mediciones se llevaran a cabo con el sonómetro de la universidad (Sonómetro Svan943A) y software de medición (SIA SmaartLive 5.4 Trial Version) 30 días de prueba.

• Simulación: Simulink, herramienta que está incluida en Matlab R2007a. Permite ver la

respuesta de sistemas idealmente, bajo ciertas condiciones. Esto permite ver el funcionamiento de los diferentes elementos que contienen el sistema a desarrollar en la investigación. También permite obtener información de los resultados de las simulaciones.

• Normas descritas en la sección 2.2; Esta investigación por tratarse de protectores auditivos en seguridad industrial, dependen de la normativa tanto nacional e internacional que rigen a estos productos. Por tanto las mediciones que se llevaran a cabo en este prototipo están muy relacionadas con dichos marcos legales.

POBLACIÓN Y MUESTRA

Debido a que la entrega del producto final es un prototipo, y las mediciones son netamente objetivas, esta investigación no tiene población.

HIPÓTESIS

Los protectores auditivos con control activo de ruido, cancelan el ruido primario (ruido no deseado o dañino para el usuario), introduciendo un ruido secundario de igual amplitud pero diferente fase en el sistema auditivo (oído externo), y sumándose con el ruido primario dando como resultado una cancelación o atenuación en un rango de frecuencias específico (frecuencias bajas). Por tanto, la atenuación en frecuencias bajas, debida al control activo de ruido, y el control pasivo para frecuencias medias-altas presente en los protectores convencionales, aumentarán el ancho de banda en atenuación de los protectores auditivos.


VARIABLES

Variables Independientes Ubicación del micrófono de error; debido a que afecta enormemente el rendimiento del sistema y la efectividad que tiene en la reducción de ruido. Transductores electroacústicos; porque adicionan fase al manejo de señal y su respuesta en frecuencia no es totalmente plana. Tiempo de procesamiento; El sistema de control activo requiere de tiempo para poder procesar la señal ideal para la atenuación sonora. Variables Dependientes La sensibilidad de los oídos; cualquier perturbación sonora es detectada por el sistema de audición y más aun cuando las fuentes están ubicadas muy cerca del oído externo.

CONCLUSIONES En base a pruebas electrónicas sobre todo el sistema se obtuvo el comportamiento de los elementos que hicieron posible el rendimiento del sistema de cancelación. Con ayuda de la visualización en un osciloscopio fue posible notar que la tarjeta DSP en configuración estándar atenúa la señal de entrada a la mitad de la original, impidiendo en un principio obtener la cancelación del ruido incidente; multiplicando la señal de salida por el doble de su valor se dio solución al problema. También fue posible comprobar que el filtro LMS si emula el sistema desconocido tomando como referencia la señal deseada de la señal de entrada. Inclusive por medio de estas pruebas fue posible comprobar el funcionamiento de los micrófonos, de la fuente dual y del pre amplificador. El puerto adapt del filtro LMS no fue posible usarlo con el micrófono de error, a pesar de que en la simulación el puerto adapt actualiza los coeficientes con respecto a la variación de niveles en la zona de silencio. En la práctica no llego a suceder. La documentación del filtro LMS en Simulink explica que cuando la señal de entrada a este puerto es mayor que cero, el filtro continuamente actualiza los coeficientes, pero cuando la señal de error es menor o igual a cero, los coeficientes se mantienen en un valor constante. En las figuras 10 y 13 se observa un patrón de aumento entre 40Hz y 210Hz por parte de los protectores auditivos con control activo de ruido en estado desactivado. En este punto, los protectores auditivos ya contienen los transductores de salida en su interior, razón por la cual, se plantea la teoría de que al generar ruido rosa desde la fuente, el diafragma de los transductores resuena en este rango de frecuencias, produciendo una vibración que realimenta estas frecuencias haciendo que su nivel se eleve drásticamente. Además, se tiene una segunda teoría que trata de una posible resonancia en las frecuencias nombradas aportada por la cabeza KEMAR al momento de generar ruido rosa y genera el aumento en esta zona.

El filtro LMS tiene una salida de error, en donde se puede ver el comportamiento de la señal de error a través del tiempo, si la señal tiene valores altos el filtro adaptativo modifica sus coeficientes para lograr reducir dichos valores. En la simulación es muy práctico observar esta salida porque permite ver la adaptación que tiene el filtro con respecto a las señales de entrada. Gracias a las comparaciones objetivas de las mediciones del sistema de control activo de ruido en recinto cerrado y al aire libre, se logra determinar que el sistema funciona conforme a la teoría y que los protectores auditivos con ANC lograron atenuar frecuencias entre 31Hz y 130Hz. Adicionalmente, por medio de la comparación entre ámbitos de medición se logro ver que la curva de cancelación tiene una tendencia a comportarse en este caso siempre de la misma manera y a atenuar casi las mismas frecuencias. Para este sistema de cancelación es despreciable la distancia del micrófono de error con respecto al transductor de salida dado a la corta distancia y el poco espacio que hay para ubicar los dispositivos dentro de los protectores. El filtro adaptativo usado para generar el campo secundario es el filtro más básico para este tipo de control, teniendo un mejor algoritmo se puede llegar a tener un mayor control en la atenuación de frecuencias bajas. En las pruebas, pudimos darnos cuenta de que la ubicación del parlante ofrece ventajas y desventajas en los sistemas de control activo, haciendo depender objetivamente la cancelación de la distancia entre él y el micrófono de referencia, dado que a menor distancia mayor es la velocidad con que el filtro LMS debe responder para generar el antiruido a tiempo. El efecto de proximidad del diafragma del parlante con respecto al canal auditivo juega una importante tarea en el sistema ANC si se desea realizar mediciones subjetivas por la manera en que el ser humano percibe frecuencias graves en audífonos. Esto significa que teniendo mayor cercanía del parlante al canal auditivo, la respuesta subjetiva en bajas frecuencias será mucho mejor. Un ideal transductor electroacústico (parlante) no adiciona fase al manejo de señal y su respuesta en frecuencia es plana, desafortunadamente parlantes ideales no existen en la realidad. El comportamiento del parlante en la emisión del antiruido es un gran factor a tener en cuenta, porque el filtro adaptativo genera la señal de control y(n) que luego es enviado al parlante, donde la respuesta en frecuencia del transductor afecta dicha señal de control emitiéndola en una forma modificada a la original. Para procesar señales de audio y lograr su conversión análoga/digital y viceversa, es apropiado trabajar a una rata de muestreo de 44.1KHz en Matlab para tener mayor exactitud en la información; sin embargo, al manejar un mayor número de datos, el conversor demora más tiempo en realizar el muestreo de la señal y el sistema genera una latencia que aunque muy mínima puede ser, es capaz de alterar las mediciones. De la misma forma se ve afectado el comportamiento del filtro LMS puesto que este también debe procesar mayor cantidad de datos, y según las mediciones se ha comprobado que el filtro, por ser básico no es capaz de manejar

demasiada información sin alterar el resultado de la cancelación. Este es el motivo por el cual se trabaja con una rata de muestreo de 8KHz, con la cual el filtro marcha adecuadamente. Otra razón es que los protectores auditivos empiezan a atenuar a partir de 300Hz hasta alcanzar los 12Khz. Y el sistema con control activo de ruido trabaja en un rango de 20Hz hasta 500Hz. Según la teoría de Nyquist en procesamiento de señal digital la frecuencia de muestreo ideal a trabajar es el doble de la frecuencia máxima de la señal a trabajar, si la frecuencia máxima es 500Hz para el rango de frecuencias bajas, la ideal para muestrear es usando 1Khz. La tarjeta trabaja con una frecuencia mínima de muestreo de 8Khz, es más que suficiente para realizar dicho procesamiento. La cabeza de medición utilizada en el proyecto, no es una cabeza estandarizada, pero su diseño y construcción se realizó lo más fielmente y con los recursos disponibles a una cabeza humana verdadera. Realizando las mismas mediciones con una cabeza estandarizada como por ejemplo un KEMAR, ayudaría a tener resultados más confiables y mucho más precisos. Dado que no se pueden comparar entre ellas las mediciones en campo cerrado y campo abierto en cuanto al valor de atenuación de los protectores auditivos ANC por las diferencias en sus características acústicas, estas dos referencias solo pueden ser comparadas para obtener con mayor exactitud la tendencia de cancelación del sistema ANC en cuanto a las frecuencias claves. Se logro determinar por medio de una medición objetiva espectral que los protectores auditivos en modo pasivo funcionan para frecuencias medias-altas, es decir, que su forma y el material poroso que hay en su interior permiten absorber frecuencias que se encuentran por arriba de 350Hz, y que aun después de haberles implementado el sistema de cancelación, conservan sus características de atenuación con técnicas pasivas. No obstante se sabe que su aislamiento no es suficiente para atenuar frecuencias abajo de 350Hz debido a que estas frecuencias poseen longitudes de onda mayores con respecto al área de absorción de los protectores. La aplicación del Control activo de ruido en tecnologías enfocadas a la industria del entretenimiento está tomando cada vez un mayor auge, debido al continuo avance en las técnicas matemáticas aplicas en el área y la disminución de costos en cuanto al desarrollo de DSP. Dando como resultado procesadores más rápidos y más pequeños, permitiendo a los grandes fabricantes construir productos de entretenimiento como los audífonos con control activo de ruido… véase la tabla 2….

APLICACIÓN DE CONTROL ACTIVO DE RUIDO PARA PROTECTORES AUDITIVOS

INDUSTRIALES

CHRISTIAN MAURICIO PARRA GRAJALES

JORGE EDUARDO PULIDO BAUTISTA

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA

PROGRAMA DE INGENIERIA DE SONIDO

PROYECTO DE GRADO

BOGOTA D.C.

2010

APLICACIÓN DE CONTROL ACTIVO DE RUIDO PARA PROTECTORES

AUDITIVOS INDUSTRIALES

CHRISTIAN MAURICIO PARRA GRAJALES

JORGE EDUARDO PULIDO BAUTISTA

Proyecto de grado para optar por el titulo de: INGENIERO DE SONIDO

Tutor:

Ingeniero Darío Páez

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA

PROGRAMA DE INGENIERIA DE SONIDO

PROYECTO DE GRADO

BOGOTA D.C.

2010

Notas de aceptación

_________________________

_________________________

_________________________

_________________________

_________________________

Presidente del jurado

_________________________

Jurado

_________________________

Jurado

Bogotá D.C, Noviembre de 2010

TABLA DE CONTENIDO

pág

INTRODUCCIÓN 31

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 32

1.1 ANTECEDENTES 32

1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 45

1.3 JUSTIFICACIÓN 45

1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN 46

1.4.1 Objetivo General 46

1.4.2 Objetivos Específicos 46

1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES 46

2. MARCO DE REFERENCIA 48

2.1 MARCO TEÓRICO 48

2.1.1 Historia 48

2.1.2 Sistemas Pasivos de Control de Ruido 49

2.1.3 Concepto de la Cancelación Activa de Ruido (ANC) 49

2.1.4 Técnicas de Control para los sistemas ANC 50

2.1.4.1 Sistemas de control a priori 50

2.1.4.2 Sistemas de control alimentados a posteriori: 51

2.1.5 Filtros adaptativos 51

2.2 MARCO LEGAL O NORMATIVO 55

2.2.1 Norma NTC 2272 55

2.2.2 Resolución 8321 año 1983 55

2.2.3 Norma IRAM 4060-1 55

2.2.4 Norma IRAM 4060-2 56

2.2.5 Norma IRAM 4060-3 56

2.2.6 ANSI S12.6-1997 56

2.2.7 ISO 4869-1:1990 56

3. METODOLOGIA 57

3.1 Enfoque de la investigación 57

3.2 LÍNEA DE INVESTIGACIÓN DE USB / SUB-LÍNEA DE FACULTAD / CAMPO TEMÁTICO DEL PROGRAMA 57

3.3 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN 57

3.4 POBLACIÓN Y MUESTRA 58

3.5 HIPÓTESIS 58

3.6 VARIABLES 59

3.6.1 Variables Independientes 59

3.6.2 Variables Dependientes 59

4. DESARROLLO INGENIERIL 60

4.1 Preparación preliminar para el sistema de medición con cabeza KEMAR 61

4.1.1 Fabricación réplica del oído externo en silicona para moldeo 61

4.1.2 Adaptación orejas a la cabeza KEMAR 65

4.1.3 Adecuación de los micrófonos de medición AKG C 480 B a la cabeza KEMAR 67

4.2 Protectores auditivos 68

4.2.1 Adaptación de los micrófonos de referencia y de error en los protectores auditivos 68

4.2.2 Adaptación de los transductores de salida en los protectores auditivos 70

4.3 Diseño electrónico 74

4.3.1 Diseño y construcción del pre amplificador de voltaje para micrófonos electret 74

4.3.2 Diseño y construcción de la fuente dual para el preamplificador 78

4.4 Programación tarjeta DSP 81

Prueba electrónica 90

4.5 Calibración del sistema de medición 92

4.6 Montaje 99

4.6.1 Flujo de señal del sistema de cancelación 99

4.7.2 Montaje total de medición 100

4.6.2 Factores determinantes en la medición para obtener el nivel de atenuación del sistema ANC 102

5. RESULTADOS Y ANÁLISIS 105

5.1 Resultados obtenidos en las mediciones 105

5.1.1 Mediciones en recinto cerrado 105

5.1.2 Mediciones al aire libre 112

6. CONCLUSIONES 119

7. ERRORES SISTEMÁTICOS 124

8. RECOMENDACIONES 126

BIBLIOGRAFIA 128

ANEXOS 129

LISTAS DE FIGURAS

pág

Figura 1. Sistema de control Feedforward 50

Figura 2. Sistema LTI 52

Figura 3. Filtro adaptativo 53

Figura 4. Bloque filtro LMS 81

Figura 5. Propiedades bloque LMS 82

Figura 6. Esquema general para medición inversión de fase 90

Figura 7. Inversiones en el plano 91

Figura 8. Conexión de interfaz con computador 94

Figura 9. Cabeza KEMAR con ANC 100

Figura 10. Cabeza KEMAR con y sin protectores auditivos 105

Figura 11. Comparación protectores auditivos con y sin ANC 106

Figura 12. Comparación cabeza KEMAR sola y protectores con ANC 109

Figura 13. Cabeza KEMAR vs. Protectores auditivos en modo pasivo 112

Figura 14. Protectores apagados vs. Protectores encendidos con k = 0.1/0.9 113

Figura 15. Cabeza KEMAR sola vs. Protectores encendidos K = 0.1/0.9 115

LISTAS DE TABLAS

pág

Tabla 1. Comparación entre audífonos con ANC 39

Tabla 2. Audífonos más vendidos en el mercado con control activo de ruido 44

Tabla 3. Valores de voltaje en pruebas electrónicas 90

Tabla 4. Funciones del SIA SmaartLive 93

Tabla 5. Atenuación protectores con ANC contante 0.1. 107

Tabla 6. Atenuación protectores con ANC constante 0.9 108

Tabla 7. Cabeza KEMAR sin protección y con protección K = 0.1 110

Tabla 8. Cabeza KEMAR sin protección y con protección K = 0.9 111

Tabla 9. Aumento presión sonora por parte de los protectores auditivos 111

Tabla 10. Cabeza KEMAR con protectores apagados y encendidos K = 0.1 114

Tabla 11. Cabeza KEMAR con protectores apagados y encendidos K = 0.9 114

Tabla 12. Cabeza KEMAR sin protectores y con protectores auditivos ANC K=0.1 116

Tabla 13. Cabeza KEMAR sin protectores y con protectores auditivos ANC K=0.9 116

Tabla 14. Aumento presión sonora por parte de los protectores auditivos 118

Tabla 15. Especificaciones técnicas capsula 134

Tabla 16. Especificaciones C480B 134

Tabla 17. Atenuación por bandas de octava para protectores auditivos Thunder 29

136

LISTA DE IMÁGENES

Pág

Imagen 1. Medición del sistema de cancelación en audífonos mediante

un KEMAR 33

Imagen 2. Posiciones del micrófono de error en el oído. 34

Imagen 3. Magnitud de frecuencia en diferentes posiciones de micrófonos 35

Imagen 4. La línea discontinua es el ruido del motor a 3700 rpm sin control

de ruido, la línea sólida es el ruido residual después del control de ruido. 37

Imagen 5. La línea discontinua es el ruido del motor a 2200 rpm sin control de

ruido, la línea sólida es el ruido residual después del control de ruido. 38

Imagen 6. La línea discontinua es el ruido del motor a 3700 rpm sin control

de ruido, la línea sólida es el ruido residual para los audífonos

Bose QuietConfort 2 39

Imagen 7. Cuatro representaciones en la respuesta de frecuencia de

los Audífonos. 41

Imagen 8. Espectro de ruido medido en la cavidad de los audífonos, con control

de ruido encendido (Línea gris) y con el control de ruido apagado (línea negra) 42

Imagen 9. Principio de cancelación ANC 48

Imagen 10. Alginato marca Hydrogum 62

Imagen 11. Preparación oído 62

Imagen 12. Toma del negativo con alginato 63

Imagen 13. Negativo en alginato del oído 63

Imagen 14. Silicona y catalizador para moldeo 64

Imagen 15. Separación molde de alginato e impreso en silicona 65

Imagen 16. Oreja en silicona ubicada en la cabeza de medición 65

Imagen 17. Lana de roca 66

Imagen 18. Base cabeza medición 67

Imagen 19. Abrazaderas para micrófonos AKG 68

Imagen 20. Perforación para Micrófono de referencia 69

Imagen 21. Micrófono de error 69

Imagen 22. Parlante Sony 71

Imagen 23. Parlante y almohadilla original 71

Imagen 24. Almohadilla a presión 72

Imagen 25. Protectores auditivos con ANC 72

Imagen 26. Sistema de cancelación vista frontal 73

Imagen 27. Sistema de cancelación perfiles derecho e izquierdo 74

Imagen 28. TL084 TI 75

Imagen 29. Diseño preamplificador en Orcad 77

Imagen 30. Capa de pistas y capa de componentes 77

Imagen 31. Preamplificador terminado 78

Imagen 32. Diseño fuente dual en Orcad 79

Imagen 33. Diseño fuente dual en Orcad 79

Imagen 34. Fuente dual terminada 80

Imagen 35. Fuente dual y preamplificador 80

Imagen 36. Osciloscopio para respuesta del sistema sin cancelación 85

Imagen 37. Cancelación generada por el filtro LMS 86

Imagen 38. Identificación sistema del Control Activo Ruido 88

Imagen 39. Diseño filtro pasa bajos 89

Imagen 41. Señal en fase 92

Imagen 40. Señal invertida 180 grados 92

Imagen 42. Niveles de señal de referencia y de medición 95

Imagen 43. Pistófono RION 96

Imagen 44. Ubicación de micrófono sobre pistófono 96

Imagen 45. Ventana de calibración 97

Imagen 46. Ventana de calibración de amplitud 98

Imagen 47. Tarjeta DSP TMS320C6713 de TI con todos sus accesorios 129

Imagen 48. Capsula de micrófono Imagen 49. Cuello móvil para micrófono 133

Imagen 50. Respuesta en frecuencia de capsula 133

Imagen 51. Micrófono C480B 134

Imagen 52. Protectores auditivos Thunder 29 135

Imagen 53. Micrófonos electret Panasonic WM63PR 137

Imagen 54. Respuesta en frecuencia de Micrófonos Panasonic 137

Imagen 55. Especificaciones micrófonos Panasonic 137

Imagen 56. Audífonos Sony MDR-V150 138

Imagen 57. Especificaciones técnicas audífonos Sony 138

LISTA DE ESQUEMAS

pág

Esquema 1. Factores determinantes de la medición 102

Esquema 2. Experimentos a realizar 103

Esquema 3. Ámbitos de medición 104

LISTA DE DIAGRAMAS

pág

Diagrama 1. Circuito del sistema ANC 40

Diagrama 2. Montaje total 60

Diagrama 3. Ubicación componentes en protectores auditivos 73

Diagrama 4. Circuito eléctrico pre-amplificador 76

Diagrama 5. Plano Fuente dual 78

Diagrama 6. Simulación sistema cancelación con señales senoidales 84

Diagrama 7. Flujo de señal en tarjeta DSP 87

Diagrama 8. Programación en Simulink 88

Diagrama 9. Señal de entrada sin inversión de fase 91

Diagrama 10. Desfase 180 de la señal de entrada mediante un amplificador

inversor 92

Diagrama 11. Flujo del sistema de cancelación 99

Diagrama 12. Montaje total de medición 100

Diagrama 13. Diagrama de bloques C6713 130

Diagrama 14. TMS320c6713 DSK codec interface 131

LISTA DE ANEXOS

ANEXO A Tarjeta DSP TMS320C6713 de Texas Instruments

ANEXO B Especificaciones técnicas micrófono AKG C 480 B

ANEXO C Especificaciones técnicas protectores auditivos Thunder 29

ANEXO D Especificaciones técnicas micrófono WM-63PR

ANEXO E Especificaciones audífonos Sony MDR-V150

ANEXO F Plano eléctrico fuente dual

ANEXO G Plano eléctrico preamplificador

GLOSARIO

ANC: Siglas en ingles (Active Noise Control), Control activo de ruido, técnica que

emplea el procesamiento de la señal digital para la reducción de ruido. La primera

patente fue realizada por Paul Lueg en 1934.

DSP: Siglas en ingles (Digital Signal Processing) Es una área de la ingeniería que

se dedica al análisis y procesamiento discreto de señales. (Audio, voz, imágenes,

video).

FUNCIÓN TRANSFERENCIA: Es un modelo matemático que a través de un

cociente relaciona la respuesta de un sistema. Es la relación entre la entrada y la

salida de un sistema LTI.

INTERFERENCIA: Cualquier proceso que altera, modifica o destruye una onda

durante su trayecto en el medio en que se propaga.

KEMAR: Siglas en ingles (Knowles electronics mannequin for acoustic research),

es un maniquí especialmente diseñado para realizar mediciones que tengan que

ver con el comportamiento del oído humano, es reconocido a nivel industrial para

realizar pruebas de estandarización en los campos de protección auditiva,

disminución de ruido, grabación y evaluación de calidad sonora.

LANA DE ROCA: Es un material fabricado a partir de lana volcánica, es muy

usado como aislamiento térmico y como protección pasiva contra el fuego.

También tiene propiedades acústicas que le permiten ser usado para aislamiento y

tratamientos acústicos.

LMS: sigla en inglés (Least Mean Square) Es una algoritmo usado en filtros

adaptativos que permite encontrar los coeficientes del filtro que permiten obtener

el valor esperado mínimo del cuadrado de la señal de error.

MICRÓFONO ELECTRET: es una variante del micrófono de condensador que

utiliza un electrodo polarizado que no necesita alimentación, el voltaje que se

necesita para que funcione es para el preamplificador, pueden ser

omnidireccionales o direccionales.

RUIDO DE FONDO: Se considera ruido de fondo cualquier sonido indeseado que

se produce de forma simultánea a la realización de una medida acústica, y que

puede afectar al resultado de la misma.

SISTEMA LTI: En procesamiento de señales digitales, es un tipo de sistema

como su nombre lo dice lineal e invariante en el tiempo, lineal significa que si la

señal de entrada es escalada por un valor, la salida del sistema también es

escalada por la misma cantidad. Es invariante en el tiempo si su comportamiento y

sus valores son fijos, o si su desplazamiento temporal en la entrada ocasiona un

desplazamiento temporal en la salida.

31

INTRODUCCIÓN

Con el adelanto de la ciencia y la tecnología a favor de la comodidad del hombre y

en pro de sus necesidades, se han ido desarrollando nuevas técnicas en cuanto al

tema de control de ruido industrial para la reducción de riesgos profesionales en

ámbitos laborales.

El proyecto a desarrollar busca por medio de estas nuevas técnicas, controlar y

reducir el ruido externo al que está expuesto un trabajador en su actividad laboral,

ya sea proveniente de la(s) máquina(s) que opera, o del entorno que lo rodea. El

control deseado se logra por medio de procesos que funcionan bajo el principio de

interferencia destructiva o cancelación de fase entre dos o más ondas

superpuestas. Teniendo en cuenta esta teoría y con la utilización de sistemas

DSP, se aplicará control activo de ruido en unos protectores auditivos industriales

comunes que carezcan de esta aplicación; la optimización de los sistemas de

control activo y el manejo de los principios acústicos de estos, representará en

ultimas el éxito del proyecto.

Éste tipo de proyectos buscan ofrecer una variedad de beneficios que vayan

desde el trabajador hasta el rendimiento de las industrias, aportando a la salud de

las personas mayores beneficios y un mejor desempeño laboral. Además, con

este proyecto en particular, se desea, por una parte, brindar un aporte tecnológico

local, que contribuya al crecimiento intelectual, promoviendo una cultura social y

generando conciencia sobre la protección auditiva en la comunidad nacional, que

represente un estilo de vida más saludable y a lo largo del tiempo, una vejez plena

para las personas. Por otra parte se desea implementar nuevas tecnologías, que

abran puertas al desarrollo industrial de Colombia y que logre, como lo han hecho

otras ramas, impulsar a ésta nación a un reconocimiento internacional en un

esfuerzo más por salir del subdesarrollo.

32

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.1 ANTECEDENTES

Active Noise Control System for Headphone Applications

Sen M. Kuo, Senior Member, IEEE, Sohini Mitra, and Woon-Seng Gan, Senior

Member, IEEE, march 2006.

Este paper presenta el diseño e implementación de un sistema de control activo

de ruido aplicado a audífonos. La posición del micrófono de error fue estudiada y

determinado experimentalmente. El diseño fue implementado usando el

procesador digital TMS320C32 para experimentos de tiempo real. El rendimiento

del sistema ha sido evaluado y comparado con audífonos existentes en el

mercado usando el mismo ruido primario, incluyendo ruido de motor. Los

resultados experimentales muestran la alta cancelación de ruido, especialmente

en bajas frecuencias.

El rendimiento del sistema ANC es determinado por la respuesta de la magnitud

del segundo procesamiento, y este es afectado por la ubicación del micrófono de

error. La localización del micrófono de error es determinada mediante el filtro

espectral de pinna.

El sistema fue implementado en unos audífonos comerciales, insertando el

micrófono de error en cada orejera. El algoritmo fue codificado en un programa de

ensamble e implementado en el Spectrum Signal Processing INC. TMS320C32

con 16 bit ADC y DAC con 4 canales de entrada y salida análoga. El diseño de los

audífonos fue probado usando ruido sinusoidal por un generador de señal y ruido

de motor de 2200 y 3700 rpm grabado previamente. Este sistema es comparado

con un sistema de audífonos con ANC comerciales.

33

Imagen 1. Medición del sistema de cancelación en audífonos mediante un KEMAR

Active Noise Control System for Headphone Applications. Sen M. Kuo, Senior

Member, IEEE, Sohini Mitra, and Woon-Seng Gan, Senior Member, IEEE,.

La Imagen 1 muestra el procedimiento de medición llevado a cabo para probar los

audífonos con ANC, Un HP3563A Control System Analyzer es usado para medir el

rendimiento (espectro de frecuencia) y estimar la función de transferencia del

sistema. En vez de construir unos nuevos audífonos, el equipo de trabajo modificó

los audífonos comerciales Sennheiser HD656 Ovation, adicionando un micrófono

de error en cada lado. La Imagen 1 muestra los audífonos montados en el KEMAR

(Knowles electronics mannequin for acoustic research). Un amplificador marca

ONKYO es usado para amplificar la señal que alimenta los parlantes que están

dentro de los audífonos.

34

Ubicación del micrófono de error

La ubicación del micrófono de error depende enormemente del efecto pinna, es

decir la asimetría y compleja construcción de los oídos causa un único set de

delays, resonancias y difracciones que dan como resultado una función de

transferencia única para cada posición de micrófono en el oído. Experimentos

intensivos condujeron la óptima localización para los micrófonos de error en el

interior de los auriculares.

Imagen 2. Posiciones del micrófono de error en el oído.



En la Imagen 2 se observan ocho posiciones diferentes para la ubicación del

micrófono de error, las posiciones 6, 7 y 8 son claramente identificadas, la función

de transferencia para cada posición de micrófono fue medida usando el HP3563A

analyzer.

35

En los resultados de la medición se encuentra una gran diferencia de respuesta en

frecuencia entre las posiciones 1 a la 4 y las obtenidas en las posiciones 5 a la 8,

que corresponden a la parte posterior y frontal del oído externo, esto es debido a

que estas dos partes del oído (posterior y frontal), tienen una distribución diferente

en la estructura del cartílago.

La localización optima del micrófono de error fue escogida basada en la magnitud

de frecuencia, es decir lo más plana posible o con el menor número de picos y

valles. En la imagen 3 son expuestas cuatro diferentes posiciones, dos en la parte

posterior (localización No. 2 y 4) y las otras dos en la parte frontal (No. 6 y 8). La

imagen 3 también compara la peor magnitud de frecuencia (localización No. 2) con

la mejor (localización No. 8).

El objetivo de los audífonos con ANC (Active Noise Control) es reducir el ruido que

es captado por el oído, el micrófono de error en la localización No.8 lo hace más

óptimo para este diseño.

Imagen 3. Magnitud de frecuencia en diferentes posiciones de micrófonos

36



Experimentos en tiempo real

Los experimentos para los audífonos con AFANC (Adaptive Feedback Active

Noise Control), fueron llevados a cabo en los laboratorios DSP de la Universidad

de Illinois. El KEMAR fue ubicado en un lugar común y corriente, para lograr un

mayor acercamiento a la vida real. El ruido primario usado para la experimentación

fue ruido sinusoidal de diferentes frecuencias y ruido de motor a 2200rpm y 3700

rpm.

El rendimiento del sistema de audífonos fue evaluado con un micrófono ubicado

dentro del KEMAR simulando la audición humana; los resultados obtenidos fueron

comparados con audífonos de marcas líderes comercialmente, llevando a cabo el

mismo procedimiento y la misma medición, es decir ubicándolos en el KEMAR

bajo idénticos parámetros de test.

El rendimiento en tiempo real para los audífonos AFANC también fue probado con

ruido de motor grabado a 2200 rpm y 3700 rpm, generado a través de una DAT.

La Imagen 4 permite observar la energía o espectro de frecuencia del ruido de

motor a 3700 rpm, la línea discontinua es el nivel de ruido original del motor, la

línea sólida es el ruido residual obtenido después de la cancelación, cabe anotar

que ambas mediciones fueron hechas con el micrófono que estaba dentro del

KEMAR. La imagen 4 muestra una cancelación de ruido considerable en los tres

primeros harmónicos. El nivel de cancelación para 61, 122 y 183 Hz son 20.906,

18.387, y 16.293 dB, respectivamente.

37

Imagen 4. La línea discontinua es el ruido del motor a 3700 rpm sin control de ruido,

la línea sólida es el ruido residual después del control de ruido.



Este mismo diseño de cancelación fue repetido para el ruido de motor grabado a

2200 rpm, el rendimiento a tiempo real es mostrado en la Imagen 5. La línea

discontinua es el espectro de frecuencia sin cancelación, y la línea sólida es el

residuo obtenido después de la cancelación. El nivel de cancelación para los

harmónicos 76, 116, 156 y 196 Hz son 14.371, 25.627, 26.767, y 13.197dB,

respectivamente.

38


la línea sólida es el ruido residual después del control de ruido.



La experimentación con el ruido de motor a 2200 rpm y 3700 rpm fue repetida

montando en el KEMAR audífonos con ANC lidéreles del mercado, la imagen 6 se

observa el espectro en frecuencia obtenido usando el analizador HP3563A. Los

resultados de la cancelación de ruido a 3700 rpm usando los audífonos

comerciales en los tres primeros harmónicos son 0.685, 8.284 y 14.575dB. La

cancelación de ruido a 2200 rpm en las frecuencias 76, 116, 156, y 196Hz fueron

0.919, 6.955, 12.25, y 13.409 dB.

39


la línea sólida es el ruido residual para los audífonos Bose QuietConfort 2


Member, IEEE, Sohini Mitra, and Woon-Seng Gan, Senior Member, IEEE.

Tabla 1. Comparación entre audífonos con ANC

40

Controller Design for Active Noise Cancellation Headphones Using

Experimental Raw Data

Shiang-Hwua Yu and Jwu-Sheng Hu

Diagrama 1. Circuito del sistema ANC

Controller Design for Active Noise Cancellation Headphones Using Experimental

Raw Data. Shiang-Hwua Yu and Jwu-Sheng Hu

Experimento Frecuencia Hz Magnitud dB

61 20,906122 18,387183 16,293

76 14,371116 25,627156 26,767196 13,197

61 0,685122 8,284183 14,575

76 14,371116 25,627156 26,767196 13,197

Ruido de motor a 2200 rpm

Aud

ifono

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n A

NC

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seña

dos

en N

IU

Aud

ifono

s co

n A

NC

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del

mer

cado

B

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etC

omfo

rt

2

Ruido residual despues del control de ruido




41

Este paper presenta un método de diseño para un controlador de cancelación

activa de ruido en audífonos, el controlador a trabajar es de tipo Feedback. El

Diagrama 1 permite ver el esquema general del controlador, el sistema funciona a

base de dos señales entrantes (r y d), en donde r es la señal que contiene

información deseada, por ejemplo música de un CDplayer o una conversación de

un teléfono celular. La otra señal d es considerada el ruido acústico que impide el

correcto funcionamiento del sistema total. El objetivo del sistema ANC con

audífonos es reproducir la señal deseada mientras se atenúa el ruido acústico de

afuera. Los audífonos utilizados en este experimento fueron los Gamma LH 065

stereo, también fue usado un micrófono de condensador miniatura para capturar el

sonido entrante al canal auditivo, y ubicado en el ear cup de los audífonos. El

controlador y prefiltro juegan un papel importante en el rendimiento de los

audífonos ANC.

Muchos factores contribuyen a la incertidumbre y al no correcto funcionamiento de

los audífonos, por ejemplo la no linealidad debido a la amplitud de excitación,

variación de parámetros causada por el cambio de temperatura y la variación de la

respuesta de la presión sonora en diferentes medios acústicos. Por ejemplo el

movimiento de los auriculares en las orejas, o las diferentes posiciones que el

usuario hace a la hora de colocarse este tipo de audífonos altera notablemente la

variación de la dinámica acústica debido a que entre los audífonos y el canal

auditivo se crea un pequeño espacio que es alterado al momento de cambiar la

posición los audífonos. En la Imagen 7 se puede ver el comportamiento de

frecuencias en diferentes posiciones de audífonos. El cambio en la respuesta de

frecuencia se ve marcada drásticamente entre cada posición debido a la

sensibilidad de dinámica acústica.

Imagen 7. Cuatro representaciones en la respuesta de frecuencia de los Audífonos.

42


Raw Data. Shiang-Hwua Yu and Jwu-Sheng Hu.

Conclusiones del paper

Un alto rendimiento de los audífonos con control activo de ruido no implica

solamente el diseño exitoso del controlador, también una alta calidad de

transductores electroacústicos (parlantes y micrófonos), con un apropiado manejo

y amplificación del circuito.

Muchos factores contribuyen al exitoso diseño de audífonos con ANC, como por

ejemplo los transductores electroacústicos; Un transductor ideal electroacústico no

adiciona fase al manejo de señal y tiene una respuesta plana de frecuencia. Los

micrófonos deben estar bien cerca de la entrada del canal auditivo para capturar

con precisión el sonido alcanzado por el oído.

La acústica dinámica del sistema de audífonos es extremadamente compleja y

tediosa, desarrollar sistemas de identificación y perturbación son tediosos y

difíciles. Además, los oídos son muy sensibles al ruido extra, producido por los

audífonos

Imagen 8. Espectro de ruido medido en la cavidad de los audífonos, con control de

ruido encendido (Línea gris) y con el control de ruido apagado (línea negra)

43


Raw Data. Shiang-Hwua Yu and Jwu-Sheng Hu.

Fue generado ruido blanco para probar el sistema Feedback, este ruido fue

medido con el dispositivo cancelador encendido y apagado. De acuerdo con la

Imagen 8 correspondiente al espectro de energía, los resultados experimentales

son consistentes con la teoría.

A continuación se muestran algunos de los auriculares más destacados que

trabajan con ANC y que se encuentran actualmente en el mercado:

Tabla 2 (Continuación)

44

Tabla 2. Audífonos más vendidos en el mercado con control activo de ruido

Marca Fotografia Detalles

So

ny

MD

R-N

C6

0

Reduce el ruido ambiental en un 75% y proporciona un ambiente más silencioso para mejorar la apreciación del sonido. Cómodos y livianos, con diseño ergonómico, para uso extendido, con diseño Aura-nomic para reducir la presión en los oídos. Interruptor incorporado para escuchar el sonido ambiental sin tener que quitarse los audífonos. Incluye estuche de transporte y adaptadores para usarse en un avión. Diafragma tipo bóveda de 40 mm que permite obtener una gama dinámica más amplia y un poderoso imán de neodimio para reproducir sonidos con alta potencia y fidelidad. Su precio en el mercado actual oscila entre USD$ 120 y USD$ 150.

Bo

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he

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35

0 Estos audífonos canceladores de ruido son catalogados como los mejores que se encuentran en el mercado por su nivel de atenuación de 90% de efectividad en ruido ambiente y por su ancho de banda que va desde 8Hz hasta 28KHz, según las especificaciones que da el fabricante. Son ideales para usar en autobuses, aviones y otros medios de transporte ruidosos. Su peso liviano los hace y muy cómodos de usar, ya que sus almohadillas ofrecen suavidad al oído y aíslan al mismo del ambiente exterior. Poseen una sensibilidad de 108dB y son compatibles con todo reproductor de audio. Tienen un precio aproximado en el mercado de USD$ 350.19

Para aquellos que prefieren un diseño compacto sobre oído y una batería recargable, los auriculares QuietComfort 3 ofrecen una combinación reducción de ruido, el funcionamiento de audio y cómodo uso. Los QuietComfort 3 son unos de los mejores auriculares con control activo de ruido que se encuentran en el mercado, debido a su calidad de audio y a la atenuación que estos tienen de casi 90% en bajas frecuencias.

La empresa Audio-Technica creó los ATH-ANC7b QuietPoint® noise-cancelling headphones, los cuales incorporan un circuito ANC (Active Noise Control) que reducen el ruido ambiente con una efectividad del 85%. Poseen un rango en frecuencia que va desde los 10Hz hasta los 25KHz, con una sensibilidad de 109 dB y una impedancia máxima de 300 Ohms. Ideal para usar con Apple® iPod®, iPhone™ and iPod touch®, reproductor DVD, computadores, sistemas de entretenimiento de vuelo y otros dispositivos; Actualmente se encuentran descontinuados por el fabricante, sin embargo los modelos que se encuentran en internet tienen un precio alrededor de USD$ 129.88.

JVC

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Estos audífonos de Panasonic, los cuales trabajan con ANC, generan una atenuación de 22 dB a 200 Hz, además de ser resistentes, generan una reducción del ruido ambiente en un 75%. Resultan muy cómodos, son compatibles con toda clase de reproductores de audio. Las espumas son intercambiables, lo que ofrece larga durabilidad; su diseño liviano y pequeño tamaño los hacen ser fácilmente portables; además de poseer una excelente calidad en reproducción de audio y una respuesta en frecuencia amplia. Hoy en día su precio en el mercado es de USD$ 199.99.

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C7

JVC saco al mercado los HA-NC250; estos audífonos combinan la calidad de sonido excepcional con la más avanzada tecnología de cancelación activa de ruido para proveer una experiencia superior de escucha. El circuito interno trabaja con técnica Feedback para control de ruido para ofrecer como resultado una reducción en el ruido ambiente de 85%. Además, esto ofrece dos tecnologías JVC innovadoras: la capa dual de alojamiento de auricular y con almohadilla. Ambos sirven para aislar al usuario del ruido de fondo. Sirve para funcionar con batería AAA o ya sea con adaptador dual; Son Compatibles con cualquier tipo de reproductor de audio y usa un plug de entrada de audio de ¼ de pulgada.Tienen un Precio aproximado en el mercado de USD$ 119.

45

1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

A nivel industrial, existen una gran variedad de productos enfocados a la

protección auditiva, sin embargo la mayoría de estos tienen una respuesta en

frecuencia limitada, y debido a que su funcionamiento es muy elemental, su

eficiencia es menor en bajas frecuencias, por esta razón dejan de ser ideales para

las tareas que un trabajador desempeña.

¿Cómo mejorar el comportamiento en frecuencia de protectores auditivos para

aumentar su eficiencia en seguridad industrial?

1.3 JUSTIFICACIÓN

Este proyecto está enfocado principalmente a la protección de la salud de las

personas que se exponen a niveles altos de ruido y que por esta razón se

encuentran en riesgo de contraer enfermedades físicas y psicológicas.

La versatilidad en el uso de este dispositivo es otra de las razones por las cuales

desarrollarlo, ya que al prototipo una vez presentado se le pueden añadir mejoras

que lo hagan mucho más funcional en el ámbito laboral y llamativo a nivel

comercial.

El beneficio a las empresas es otro factor importante, debido a que estas podrían

beneficiarse del proyecto en cuanto a seguridad industrial se refiere puesto que

aportaría a los estándares de calidad de sus actividades, además de esto las

empresas asegurarían mayor calidad en la producción y sus trabajadores rendirían

más de lo normal al sentirse en un sitio de trabajo seguro y cómodo.

Por último se realiza este proyecto con el propósito de ofrecer un aporte

tecnológico que genere un impacto a nivel nacional, en vista de que tal dispositivo

no posee antecedentes nacionales. Su construcción e implementación puede

46

llegar a ser un avance en las nuevas tecnologías que ingresan actualmente al país

por medio de la investigación.

1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN

1.4.1 Objetivo General

Aumentar el nivel de atenuación en frecuencias bajas, en protectores auditivos

industriales, mediante técnica de control activo de ruido.

1.4.2 Objetivos Específicos

• Simular el proceso de cancelación por medio de Simulink usando el

algoritmo LMS.

• Implementar el modelo en protectores auditivos industriales previamente

seleccionados.

• Realizar las pruebas, usando la Tarjeta DSP TMS320C6713 de TI, para

medir el posible valor de atenuación deseado.

• Evaluar la eficiencia del prototipo a través de mediciones objetivas.

1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES

Dentro de los alcances de este proyecto se tiene el desarrollo del prototipo como

producto comercial, esto se refiere a la capacidad de presentar el producto

visualmente atractivo para clientes potenciales, incluyendo todas sus

características y cumplimientos con las normas vigentes legales. Otro alcance es

impulsar el producto a tal punto que sea de uso común no solo industrialmente

sino en el resto de la población que desee adquirir este tipo de dispositivos para el

cuidado de su salud. Este último se ve ligado con la versatilidad de uso, ya que se

busca que el dispositivo sea atractivo para todo público, en este alcance el

47

objetivo es poderle implementar al dispositivo características adicionales como

entrada de audio, intercomunicador, control de parámetros, entre otros.

Poder realizar una valoración subjetiva por medio de la cual se logre calificar el

funcionamiento del prototipo, es otro alcance que haría este producto más

confiable e ideal, ya que sería un apoyo que complementaria las mediciones

objetivas hechas sobre el mismo. La respuesta que este tenga sobre una

población determinada será en últimas lo que represente un número de clientes

satisfechos que aumenten el éxito del producto en la sociedad.

Las limitaciones del proyecto se resumen en la capacidad de obtener respuestas

precisas del sistema por dificultades que se presenten a la hora de medir, ya que

los protectores auditivos deben ser medidos en caramas especiales y con

dispositivos especializados, a los cuales no se tiene acceso en el momento.

48

2. MARCO DE REFERENCIA

2.1 MARCO TEÓRICO

2.1.1 Historia

En el año de 1936, Paul Lueg describió las primeras ideas del control activo de ruido. El principio de funcionamiento consistía en capturar el campo sonoro con un micrófono, permitiendo manejar eléctricamente la señal resultante, para alimentarla a una segunda fuente electroacústica. En la imagen 9, existen cuatro figuras que explican las ideas básicas del control activo de ruido. En la Figura 1, el sonido es considerado como una onda plana en un ducto viajando de izquierda a derecha, originado por una fuente primaria A. El micrófono M, detecta la onda sonora incidente y la suministra al controlador electrónico V, que es el encargado de alimentar al parlante o segunda fuente L. El objetivo de usar un segundo parlante es producir una onda acústica (línea discontinua) que esté exactamente fuera de fase con la onda acústica de la fuente primaria (línea continua). La superposición de las dos ondas primaria y secundaria, resulta en una interferencia destructiva. La generación de una imagen reflejada para una onda sonora no sinusoidal es mostrada en la figura 3, las figuras 2 y 4 ilustran pensamientos de Lueg extendidos de la idea de propagación de la fuente acústica en tres dimensiones. El control activo de bajas frecuencias en propagación de ondas planas en un ducto ha llegado a ser uno de los clásicos problemas del control activo de ruido. 1

Imagen 9. Principio de cancelación ANC

Process of silencing sound oscillations. Paul Lueg. Patente No. 2.043.416 1 S.J, Elliott and P.A, Nelson. Active noise control. IEEE Signal Processing Magazine. Octubre

1993. p. 12-13

49

2.1.2 Sistemas Pasivos de Control de Ruido

Las técnicas pasivas de cancelación de ruido son las más familiares para los seres humanos, un ejemplo común y natural de éste tipo de técnicas ocurre cuando se recurre a tapar los oídos con las manos para evitar escuchar algo. La técnica consiste principalmente en tapar los oídos con algún material aislante que no transporte el sonido o bien, que lo amortigüe. El fundamento del uso de los materiales absorbentes es que cuando son alcanzados por las vibraciones sonoras provenientes del aire, sus moléculas no se mueven en la misma proporción que las del aire. Éstos materiales absorbentes actúan como un filtro paso bajas, lo que significa que las frecuencias altas son bloqueadas muy eficazmente, pero las frecuencias bajas no son afectadas de la manera deseada.2

2.1.3 Concepto de la Cancelación Activa de Ruido (ANC)

La cancelación activa de ruido (ANC) está fundamentada en la cancelación del ruido primario (ruido molesto que se desea eliminar) mediante la generación de un anti-ruido de igual amplitud y fase opuesta. Cuando se combinan el ruido primario con el anti-ruido se tiene como resultado la cancelación de ambos. Para la generación del anti-ruido se tienen dos configuraciones básicas en los sistemas de control del ANC. Los sistemas denominados Feedforward y los sistemas de Feedback. En los sistemas de control del ANC de tipo Feedforward se emplean dos micrófonos, el primer micrófono es empleado para obtener una señal de referencia y el segundo micrófono se emplea para la actualización de los coeficientes del filtro adaptivo, ya que se encarga de medir el ruido residual de la superposición el ruido primario con el anti-ruido. Por otra parte los sistemas de control del ANC de tipo Feedback emplean únicamente un micrófono, llamado micrófono de error. Éste micrófono es empleado para crear una señal de referencia y para actualizar al filtro adaptivo. Los sistemas ANC involucran necesariamente sistemas electroacústicos o electromecánicos para cancelar el ruido primario tomando como base el principio de la superposición. Los sistemas ANC actúan de manera eficiente en el rango de frecuencias bajas, donde los métodos pasivos son poco efectivos y tienden a ser estorbosos y costosos. Los métodos ANC se han vuelto muy populares ya que ofrecen beneficios de tamaño, peso, volumen y costos. La primera propuesta del empleo de estos métodos fue realizada en 1936 por Paul Lueg. Debido a que las características acústicas de las fuentes de ruido y del ambiente en general son variantes con el tiempo, las características del sonido como son su contenido en frecuencia, la amplitud, fase y velocidad no son estacionarias. Para poder lidiar con éstas características del ruido primario, el sistema de cancelación activa de ruido debe ser adaptable, por lo que en los sistemas actuales se emplean filtros digitales adaptivos que ajustan sus coeficientes para minimizar la señal de error y que pueden ser realizados con filtros FIR o filtros IIR, además de otras estructuras como los son los filtros de red (lattice) y técnicas de transformación del dominio. De todas las posibilidades mencionadas la más empleada es la del filtro transversal de tipo FIR que utiliza un algoritmo de mínimos cuadrados (LMS) para actualizar sus coeficientes. 3

2 ROMERO MIER Y TERÁN, Andrés. Desarrollo de Sistemas de Control Activo de Ruido. México

D.F. Junio 20 2008. p. 6. 3 Ibíd., p. 7.

50

2.1.4 Técnicas de Control para los sistemas ANC

De acuerdo al tipo de ruido a procesar se pueden emplear dos técnicas

principalmente:

2.1.4.1 Sistemas de control a priori

En ésta técnica conocida como Feedforward, el sistema de control recibe al menos una señal de referencia, la cual deberá ser procesada para generar la señal de control. Se le puede emplear tanto para sistemas de cancelación con espectro de banda angosta como de banda ancha. Lo importante es que la señal de referencia contenga información sobre la señal a cancelar (que se encuentren correlacionadas), de tal forma que se pueda generar la señal de control (señal de anti-ruido) adecuada.

Figura 1. Sistema de control Feedforward

Desarrollo de Sistemas de Control Activo de Ruido. Andrés Romero Mier y Terán. 2008

En la figura 1se observa la estructura del sistema de control Feedforward en la que se puede observar cómo se obtiene la señal de referencia �� mediante el uso de un micrófono para el ruido primario. La señal de referencia �� será procesada en el sistema adaptivo para generar la señal de control �� que será enviada al actuador o transductor de salida para generar el anti-ruido. Finalmente otro micrófono se encarga de obtener el ruido residual (señal de error, ��), que será empleado para ajustar los coeficientes del sistema adaptivo con el objetivo de reducir la señal de error. Funcionando de la manera descrita, el sistema adaptivo modela la función de transferencia de la trayectoria primaria, �� (trayectoria que recorre el ruido desde el punto de referencia, hasta el sitio de cancelación), por lo que a éste tipo de configuraciones también se les llama de tipo identificador. Un problema muy frecuente con estos sistemas es la realimentación que existe entre la fuente de ruido secundario (actuador) y el sensor de ruido primario, que empobrece el desempeño y puede provocar que el sistema se vuelva inestable. Para resolver este problema, en algunos casos es posible aislar al micrófono de ruido primario del actuador, sin embargo esto no siempre es posible, por lo que en estos casos se sugiere emplear otro tipo de micrófono que no se vea afectado por la señal

51

de anti-ruido cuando se obtiene la señal de referencia. Lo anterior es muy factible en sistemas en los que el ruido primario es periódico, ya que mediante el uso de sensores ópticos o tacómetros en los rotores se puede sintetizar la señal de referencia libre de la contaminación del anti-ruido.4

2.1.4.2 Sistemas de control alimentados a posteriori:

A estos sistemas de control también se les conoce como Feedback, dichos sistemas no tienen una señal de referencia como entrada, ya que la generan empleando un estimador lineal. Una vez que se ha estimado la señal de referencia se trabaja de la misma forma que en los sistemas alimentados a priori, procesando dicha señal para obtener la señal de control. Empleando el micrófono de error se obtiene el ruido residual de la señal de ruido primario con la señal de control saliente del actuador, a dicha señal de ruido residual se le conoce como señal de error ��. Para estos sistemas de control la señal de error, no sólo es empleada en la actualización de los coeficientes del filtro adaptivo, también es empleada para estimar la señal de referencia ��. Estos sistemas en realidad lo que hacen es predecir la próxima muestra de la señal de referencia, empleando la porción de ésta señal presente en la señal de error, por lo que a estos sistemas se también se les conoce como productores. Para que una señal pueda ser predecible conociendo muestras pasadas, necesariamente tiene que ser periódica, por lo que estos sistemas funcionan para señales de este tipo.5

2.1.5 Filtros adaptativos

Filtros digitales

Los filtros digitales procesan señales discretas en el tiempo, y en esencia son ejecuciones matemáticas de la ecuación del filtro en software o hardware. Aunque los filtros tienen algunas limitantes, entre sus muchas ventajas se encuentran: inmunidad a ruido fuerte, mucha exactitud (limitada sólo por el error de redondeo en la aritmética de la computadora), fácil modificación de las características del filtro, libertad de variaciones en las componentes y, por supuesto costo bajo y en disminución6.

Filtros IIR

Es un filtro recursivo cuya salida presente depende de sus propios valores

pasados y de los valores presente y pasado de la entrada. También se denomina

filtro de respuesta infinita al impulso porque su respuesta al impulso �� es

usualmente de duración infinita.

4 ROMERO MIER Y TERÁN, Andrés. Desarrollo de Sistemas de Control Activo de Ruido. México

D.F. Junio 20 2008. p. 8 5 Ibíd., p. 8.

6 AMBARDAR, Ashok. Procesamiento de señales analógicas y digitales. Thomson editores, 2002. p. 673

52

Filtros FIR

Su respuesta presente depende sólo de los términos de entrada y no muestra

dependencia (recursión) de los valores pasados de la respuesta. Se llama filtro no

recursivo, o filtro promedio móvil.

Los filtros FIR son estables y es posible diseñarlos con fase lineal y por

consiguiente, sin distorsión de fase.

Respuesta al impulso de los filtros digitales

La respuesta al impulso � �� de un sistema LTI (Lineal e invariante en el tiempo)

es simplemente la respuesta a un impulso unitario � ��. La respuesta al impulso

provee un método poderoso para encontrar la respuesta de estado cero de

sistemas LTI a entradas arbitrarias, la respuesta al impulso se utiliza

frecuentemente para evaluar el funcionamiento de los filtros digitales en el dominio

del tiempo.

Figura 2. Sistema LTI

Filtros adaptativos

Los filtros adaptativos son usados en muchas aplicaciones de procesamiento de

señal, desde cancelación de ruido hasta identificación de sistemas. Debido a que

se necesita trabajar en tiempo real y en sistemas donde los parámetros están

cambiando con el tiempo; y estos cambios no son predecibles, es bueno diseñar

filtros que sean autónomos y puedan adaptarse ellos mismos a muchas

situaciones.

53

En la mayoría de los casos los coeficientes de un filtro FIR son modificados para

compensar cambios en la señal de entrada, en la señal de salida o parámetros del

sistema. Estos filtros son usados en situaciones donde las condiciones de señal o

parámetros de sistema cambian lentamente y el filtro es ajustado para compensar

estos cambios.

Por ejemplo en la identificación de sistemas, el comportamiento de un sistema

desconocido puede ser modelado utilizando su entrada y su salida, un filtro

adaptativo FIR puede ser usado para adaptarse a la salida del sistema

desconocido basándose en la misma entrada (ver figura 3). La diferencia entre la

salida del sistema desconocido ��, y la salida del filtro adaptativo ��, constituyen el termino error ��, cual es usado para actualizar los coeficientes del

filtro FIR.

Figura 3. Filtro adaptativo

Real time digital signal processing based on the TMS320C6000. Nasser Kehtarnavaz

Si el sistema desconocido fuera un filtro pasa bajas y la señal de entrada �� fuera ruido rosa, la salida de dicho sistema sería ruido rosa modificado en la zona

de frecuencias medias y altas, esta sería la señal ��. El filtro adaptativo

conociendo las señales �� y �� puede emular el comportamiento del sistema

desconocido, en este caso el filtro adaptativo se comportará como un filtro pasa

bajos y la salida de este �� será lo más parecido a la señal deseada ��. La

señal de error �� es la diferencia entre la señal deseada y la señal de control

54

(ver Ec. 2.2), esta señal vuelve a ingresar al filtro adaptativo y es la encargada de

monitorear el rendimiento del sistema adaptativo modificando los coeficientes de

éste.

Los coeficientes del filtro adaptativo son modificados o optimizados usando un

algoritmo LMS basado en la señal de error. La salida del filtro adaptativo de la

figura 3 es la Ec. 2.1.

��

�� . �2.1�

Donde �� representa N weights (pesos) o coeficientes para un tiempo

especifico �. En la práctica es común usar la terminología weights (pesos) para los

coeficientes; debido a que este término es muy usado en los filtros adaptativos y

las redes neuronales.

La señal de error es una pieza clave para determinar que tan bien está trabajando

el filtro, debido a que nos permite medir el rendimiento del sistema

�� . �2.2�

La señal de error es la diferencia entre la señal deseada �� y la señal de salida

del filtro ��, los pesos o coeficientes �� son ajustados a medida que la

función error cuadrático medio es minimizada, esta función es � �"��, donde E

representa el valor esperado. Debido a que hay K weights o coeficientes, un

gradiente de la función error cuadrático medio es requerido. Un estimado puede

ser encontrado usando el gradiente de �"��.

�� # 1� � �� # 2$�� 0,1, . . . , ' � 1 ��. �2.3�

Esta ecuación representa el algoritmo LMS, provee una simple pero poderosa y

eficiente manera de actualizar los weights o coeficientes sin la necesidad de

promediar o diferenciar, y será usado para implementar filtros adaptativos. La

55

entrada al filtro adaptativo es ��, y la rata de convergencia y la precisión del

proceso de adaptación (adaptive step size) es $.

Para cada específico tiempo n, cada coeficiente, o weight, �� es actualizado o

reemplazado por un nuevo coeficiente a menos que la señal de error �� sea

cero. Después de la salida del filtro ��, la señal de error �� y cada uno de los

coeficientes �� son actualizados por un tiempo específico � y un nuevo sample

es adquirido (desde ADC) y la adaptación es repetida para diferentes tiempos.

Note que en la Ec. 2.3 los coeficientes no son actualizados cuando la señal de

error es cero.

2.2 MARCO LEGAL O NORMATIVO

2.2.1 Norma NTC 2272

Especifica los procedimientos psicofísicos, los requisitos físicos, un medio para

reportar los resultados para la medición de las características de protección y

atenuación de los dispositivos.

2.2.2 Resolución 8321 año 1983

Capitulo

Protección y conservación de la audición por emisión de ruido en los lugares de

trabajo.

2.2.3 Norma IRAM 4060-1

Acústica. Protectores auditivos. Parte 1: Método subjetivo de medición de la

atenuación sonora.

56

2.2.4 Norma IRAM 4060-2

Acústica. Protectores auditivos. Parte 2. Estimación de los niveles de presión

sonora efectivos compensados con la red de ecualización "A" cuando se utilizan

protectores auditivos.

2.2.5 Norma IRAM 4060-3

Acústica. Protectores auditivos. Parte 3: Método simplificado de control de calidad

para medir la pérdida por inserción de protectores del tipo cobertor.

2.2.6 ANSI S12.6-1997

2.2.7 ISO 4869-1:1990

57

3. METODOLOGIA

3.1 Enfoque de la investigación

El desarrollo de este proyecto tiene un enfoque empírico-analítico, debido a que

mediante una base teórica se va a generar un modelo que será finalmente

implementado y medido para valorar su eficiencia para un fin determinado.

3.2 LÍNEA DE INVESTIGACIÓN DE USB / SUB-LÍNEA DE FACULTAD /

CAMPO TEMÁTICO DEL PROGRAMA

La línea de investigación de este proyecto es Tecnologías actuales y sociedad, la

investigación tiene como fin aplicar una tecnología existente pero no desarrollada

en el país; enfocada en el mejoramiento de la salud de las personas.

La sub-línea de la facultad es Procesamiento de señales digitales y/o análogas,

debido a que la investigación trabaja con un procesador digital de señales en

tiempo real, en donde el procesamiento depende o debe seguir el paso de eventos

externos.

El campo temático del proyecto es Diseño de sistemas de sonido, por tratarse de

un proyecto que se basa principalmente en el diseño de un hardware

especializado para el control de procesos análogos y digitales aplicados a

sistemas de audio.

3.3 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN

Las técnicas de recolección de información dependen de los siguientes aspectos:

• Mediciones con equipos especializados: Las mediciones se llevaran a cabo

con el sonómetro de la universidad (Sonómetro Svan943A) y software de

medición (SIA SmaartLive 5.4 Trial Version) 30 días de prueba.

58

• Simulación: Simulink, herramienta que está incluida en Matlab R2007a.

Permite ver la respuesta de sistemas idealmente, bajo ciertas condiciones.

Esto permite ver el funcionamiento de los diferentes elementos que contienen

el sistema a desarrollar en la investigación. También permite obtener

información de los resultados de las simulaciones.

• Normas descritas en la sección 2.2; Esta investigación por tratarse de

protectores auditivos en seguridad industrial, dependen de la normativa tanto

nacional e internacional que rigen a estos productos. Por tanto las mediciones

que se llevaran a cabo en este prototipo están muy relacionadas con dichos

marcos legales.

3.4 POBLACIÓN Y MUESTRA

Debido a que la entrega del producto final es un prototipo, y las mediciones son

netamente objetivas, esta investigación no tiene población.

3.5 HIPÓTESIS

Los protectores auditivos con control activo de ruido, cancelan el ruido primario

(ruido no deseado o dañino para el usuario), introduciendo un ruido secundario de

igual amplitud pero diferente fase en el sistema auditivo (oído externo), y

sumándose con el ruido primario dando como resultado una cancelación o

atenuación en un rango de frecuencias específico (frecuencias bajas).

Por tanto, la atenuación en frecuencias bajas, debida al control activo de ruido, y el

control pasivo para frecuencias medias-altas presente en los protectores

convencionales, aumentarán el ancho de banda en atenuación de los protectores

auditivos.

59

3.6 VARIABLES

3.6.1 Variables Independientes

• Ubicación del micrófono de error; debido a que afecta enormemente el

rendimiento del sistema y la efectividad que tiene en la reducción de ruido.

• Transductores electroacústicos; porque adicionan fase al manejo de señal y

su respuesta en frecuencia no es totalmente plana.

• Tiempo de procesamiento; El sistema de control activo requiere de tiempo

para poder procesar la señal ideal para la atenuación sonora.

3.6.2 Variables Dependientes

• La sensibilidad de los oídos; cualquier perturbación sonora es detectada por

el sistema de audición y más aun cuando las fuentes están ubicadas muy

cerca del oído externo.

60

4. DESARROLLO INGENIERIL

Este capítulo contiene una explicación detallada acerca de los pasos necesarios a

ejecutar para la implementación del sistema de cancelación según lo planteado en

los objetivos específicos. La parte de la programación de la tarjeta contempla la

simulación del algoritmo LMS en Simulink de Matlab, su principio de

funcionamiento, parámetros influyentes en la estructura del filtro adaptativo y

pruebas de la cancelación en el mismo.

El capitulo nombra y expone la metodología llevada a cabo en la preparación de la

parte física del proyecto para la optimización del sistema de medición; esto

contempla ítems relacionados con la implementación del sistema físico de

cancelación en los protectores auditivos, diseño electrónico y la construcción de

una cabeza de medición para facilitar el método de adquisición de resultados.

Igualmente, esta sección también menciona paso a paso el proceso de calibración

del sistema para las mediciones.

Diagrama 2. Montaje total

61

En el diagrama 2, se explica el montaje total que se va a desarrollar. En el

diagrama se encuentra el sistema de medición que se compone de la cabeza

KEMAR con los micrófonos, la interfaz de audio, y el computador con el software

de medición. El sistema de cancelación que consta de los protectores auditivos

con sus respectivos micrófonos (micrófono de error y micrófono de referencia),

parlante, y tarjeta DSP. La tarjeta DSP es programada bajo Simulink de Matlab

utilizando el puerto USB. La fuente de ruido es generada a través de la interfaz de

audio.

4.1 Preparación preliminar para el sistema de medición con cabeza

KEMAR

Para poder realizar las mediciones haciendo uso de la tarjeta DSP, fue

estrictamente necesario optimizar las mediciones para que los resultados de estas

fueran lo más preciso posible. Para este fin se utilizo una cabeza de maniquí

modificada que facilito las mediciones del prototipo.

La cabeza adquirida es de fabricación nacional, está hecha en fibra de vidrio y es

de tipo androide, es decir, carece de rostro y orejas; esto con el fin de poderle

adaptar unas orejas sintéticas con características similares a las de un oído

humano promedio.

4.1.1 Fabricación réplica del oído externo en silicona para moldeo

El primer paso fue elaborar un molde exacto del oído de una persona, este debía

incluir la pinna y el conducto auditivo (oído externo). El molde, o en este caso el

negativo del oído, fue hecho con un compuesto harinoso llamado “Alginato”, este

es un producto comúnmente utilizado en odontología para realizar impresiones

dentales.

62

Imagen 10. Alginato marca Hydrogum

Al mezclar dos cucharadas de 18 gramos de alginato, con 36 mililitros de agua, el

alginato toma una contextura espesa que se endurece al dejar aproximadamente

3 minutos en reposo; en el transcurso de ese tiempo, la mezcla fue vertida sobre

un cilindro que se ubico justo sobre el oído de la persona tal como se muestra en

la imagen 11.

Imagen 11. Preparación oído

63

Imagen 12. Toma del negativo con alginato

Como se observa en imagen 11, el conducto auditivo de la persona fue protegido

con un copo de algodón para evitar que la mezcla se filtre hacia el tímpano. Una

vez transcurrido el tiempo de endurecimiento del alginato (Imagen 12), se separa

el cilindro del oído. Al ser retirado el cilindro se puede ver en la imagen 13 como

queda el molde desde el conducto auditivo hasta la pinna. Cabe anotar que se

tomaron dos muestras de este tipo, una para el oído izquierdo y otra para el oído

derecho.

Imagen 13. Negativo en alginato del oído

64

El segundo paso fue realizar un vaciado sobre este negativo para obtener la

réplica del oído; el objetivo era hacer el vaciado con algún material que imitara la

contextura de la piel, la elasticidad y maleabilidad del oído humano. Después de

algunas pruebas con diferentes materiales, finalmente se decidió trabajar con

silicona para moldeo por su contextura, resistencia, color, elasticidad y durabilidad.

Imagen 14. Silicona y catalizador para moldeo

La silicona o Rhodorsil RTV 3318 es un compuesto viscoso, el cual debe ser

mezclado con un liquido catalizador para que tome una consistencia semirrígida

parecida a una goma, teniendo en cuenta que se debe aplicar un 5% del liquido

catalizador en equivalencia a la cantidad de silicona que se piense utilizar. En este

caso la cantidad de silicona utilizada fue de 300 gramos, es decir, 150 gramos por

oído, y 15 gramos de catalizador, correspondientes al 5% de la cantidad de

silicona. Esta mezcla fue vertida directamente sobre el negativo de cada oído

usando el mismo cilindro para retener ambos compuestos. Después de dejar

reposar al aire libre la silicona durante 8 horas según como se recomienda en las

especificaciones del fabricante, se retiraron tanto el alginato como la silicona del

cilindro que los contenía; como se observa en la imagen 15 quedaron las dos

capas unidas, al separarlas, la silicona ya ha adoptado la forma del oído.

65

Imagen 15. Separación molde de alginato e impreso en silicona

Después de este procedimiento, el negativo en alginato se desecha y lo que

queda es una réplica del oído humano que simula las características físicas y la

ecualización que ofrece la forma de la pinna al comportamiento en frecuencia del

mismo.

4.1.2 Adaptación orejas a la cabeza KEMAR

Aprovechando que la cabeza es hueca por dentro, por medio de una caladora se

hicieron dos agujeros a los costados la cabeza, las orejas en silicona fueron

depositadas desde adentro hacia afuera de la misma a través de los agujeros con

el fin de que solo la pinna quedara visible desde el exterior, la base fue dejada

dentro de la cabeza y utilizada para sujetar las orejas a la cabeza por medio de

cuatro tornillos como se muestra en la imagen 16.

Imagen 16. Oreja en silicona ubicada en la cabeza de medición

66

Por ser la cabeza hueca, esta se comporta como un resonador de Helmholtz al

resonar con ciertas frecuencias, este comportamiento podría generar problemas al

momento de medir el sistema ANC, por esta razón el interior de la cabeza fue

rellenado con un material acústico altamente absorbente llamado lana de roca

previamente forrado en papel celofán, dicho material es fabricado a partir de la

roca volcánica y su función es insonorizar la cabeza por medio absorción porosa

para evitar resonancias al interior de la misma; este procedimiento se elaboro de

tal forma que los micrófonos AKG tuvieran suficiente espacio para ser ubicados

dentro de la cabeza y que fueran protegidos de las fibras de la lana por medio del

papel celofán.

Imagen 17. Lana de roca

En complemento, se fabrico un sistema para sostener la cabeza; este consta de

un tubo PVC de 1 metro de longitud, sobre el cual reposa la cabeza, y un trípode

de plástico (Imagen 18).

67

Imagen 18. Base cabeza medición

4.1.3 Adecuación de los micrófonos de medición AKG C 480 B a la

cabeza KEMAR

Para capturar la respuesta del filtro LMS se hizo uso de dos micrófonos de

medición tipo condensador AKG de referencia C 480 B; este micrófono consta de

3 elementos que son el cuerpo del micrófono (C 480 B) y dos accesorios que son

un cuello movible verticalmente a 90° (A61) y la capsula (CK 62-ULS), … Véase

Anexo B …

Fue necesario ingeniar una forma de insertar y asegurar los micrófonos de

medición AKG a la cabeza. Una gran ventaja de este micrófono de medición es su

cuello movible que gira verticalmente con un ángulo máximo de 90°, esto permitió

ubicar el diafragma de los micrófonos perpendicular al orificio del oído en el interior

de la cabeza y capturar la respuesta del sistema ANC directamente sobre el

conducto auditivo. Además el diafragma de los micrófonos reposa sobre un

pequeño vano en la silicona hecho a su medida, lo que genera un desacople con

cualquier superficie vibrante en la cabeza. Dejando un espacio entre la lana de

roca en el sector del conducto auditivo, se depositan cuidadosamente los

micrófonos de medición y se aseguran a la cabeza por medio de unas

abrazaderas plásticas que se introducen por dos orificios y abrazan los

68

micrófonos, como se muestra en la imagen 19 cada micrófono se asegura con dos

abrazaderas para dejarlos más fijos y evitar que se muevan o se desajusten del

conducto auditivo. Este procedimiento se debe realizar en esta cabeza cada vez

que se desee hacer pruebas con ANC o con otras aplicaciones.

Imagen 19. Abrazaderas para micrófonos AKG

4.2 Protectores auditivos

4.2.1 Adaptación de los micrófonos de referencia y de error en los

protectores auditivos

Para implementar el sistema de cancelación de manera correcta y aprovechar sus

ventajas acústicas, fue necesario realizar una selección de protectores auditivos

pasivos que cumplieran con unas exigencias básicas para la adaptación del

sistema ANC en su interior. La primera de estas exigencias es que debía estar

bajo el estándar de diseño y medición de alguna norma técnica que garantizara su

optimo rendimiento; la segunda era que incluyera una tabla con los valores de

atenuación y desviación estándar para hacer más fácil la comparación del sistema

hibrido (activo-pasivo), y la tercera era que debían contar con una amplia zona de

silencio sobre la cual trabajar incorporando los micrófonos de referencia, de error y

los parlantes generadores del anti-ruido … Véase Anexo C…

69

Como micrófonos de referencia y de error, se usaron 2 micrófonos de

condensador Electret marca Panasonic referencia WM-63PR … Véase Anexo D…

El micrófono de referencia fue soldado a un cable de audio blindado e introducido

por una perforación hecha en el exterior de la copa de los protectores auditivos

(imagen 20), El micrófono de error, igualmente soldado a un cable de audio, fue

ubicado a justo en frente del parlante emisor por medio de la presión que ejercen

las almohadillas desmontables de los protectores auditivos (imagen 21).

Imagen 20. Perforación para Micrófono de referencia

Imagen 21. Micrófono de error

70

Tanto el cable del micrófono de referencia como el del micrófono de error salen

por otro orificio ubicado en la parte inferior de los protectores y van conectados al

sistema de pre amplificación por medio de dos plug 1/8 TS mono. Al principio se

pensó trabajar con un micrófono de referencia y uno de error por lado, es decir, 4

micrófonos, sin embargo no es posible trabajar las 4 señales al mismo tiempo

puesto que la tarjeta DSP solo tiene una entrada de línea estéreo; por esta razón

se asumió en esta ocasión que el ruido primario será el mismo para ambos oídos y

por lo tanto se genera el mismo anti ruido por ambos parlantes.

4.2.2 Adaptación de los transductores de salida en los protectores

auditivos

Teniendo en cuenta que el rango de frecuencias a cancelar está por debajo de

500Hz, fue preciso elegir unos parlantes con buena respuesta en frecuencias

bajas para poder reproducir el anti ruido. Sin embargo estudiando el diseño de la

mayoría de los audífonos de este tipo, se deduce que el principio de

funcionamiento de estos en bajas frecuencias se basa en el efecto de proximidad

del diafragma del transductor con respecto al conducto auditivo; siendo así que a

mayor distancia menor será la percepción de frecuencias bajas por el oyente, y

entre menor sea la distancia, mucho mejor será la definición y percepción de

bajos. Considerando dicha formulación, se tomo la decisión de trabajar con unos

audífonos marca Sony de referencia MDR-V150, los cuales se basan en dicho

principio y cuentan con optima definición en frecuencias bajas… Véase Anexo E…

Para lograr adaptar los transductores dentro de los protectores auditivos, fue

necesario sacar los drivers de la carcasa original y trasladarlos dentro de la

estructura de los protectores. Como se observa en la imagen 22, la montura

desinstalada corresponde a la almohadilla que protege el driver en la carcasa

original y es ubicada en los protectores auditivos justo sobre las espumas de

aislamiento que se encuentran al interior de los mismos y que componen el

71

sistema pasivo de los protectores. También se nota en las imágenes 23 y 24 que

no fue obligatorio sujetar de ningún modo los transductores al sacarlos de los

protectores, sino que se aprovecho la presión que se ejerce al comprimir los

transductores y las espumas por medio del sistema de cierre con las almohadillas

desmontables de los protectores auditivos.

Imagen 22. Parlante Sony

Imagen 23. Parlante y almohadilla original

72

Imagen 24. Almohadilla a presión

Imagen 25. Protectores auditivos con ANC

Con este procedimiento se finaliza la etapa que abarca el sistema de medición con

la cabeza KEMAR y el sistema de cancelación en los protectores auditivos. Por

último se visualiza en el diagrama 3 como resulta el montaje en conjunto de esta

etapa, la cual facilita la recolección de datos y garantiza resultados más exactos

en las mediciones finales que se realizan.

73

Diagrama 3. Ubicación componentes en protectores auditivos

Imagen 26. Sistema de cancelación vista frontal

74

Imagen 27. Sistema de cancelación perfiles derecho e izquierdo

4.3 Diseño electrónico

4.3.1 Diseño y construcción del pre amplificador de voltaje para

micrófonos electret

Dado que la entrada de micrófono de la tarjeta DSP es mono, no permite ingresar

una señal estéreo por el mismo Jack, por esta razón se debe utilizar la entrada de

línea de la tarjeta, entrada por la cual si es posible tener la señal estéreo. Para

poder hacerlo hubo la necesidad de construir un pre amplificador para cada

micrófono, de esta manera subir el nivel de micrófono (5mV), a nivel de línea

(1.2V) las señales para poderlas trabajar en la tarjeta DSP como señales

separadas.

75

Para ello se uso el amplificador operacional TL084 de Texas Instruments de

+20dB. Este amplificador posee 4 entradas, de forma que un TL permite amplificar

la señal de ambos micrófonos.

Imagen 28. TL084 TI

El diagrama 4 muestra el plano eléctrico del pre amplificador, a la bornera (fuente

dual) llegan 3 puntos de voltaje directo, ±15 V para el funcionamiento del TL084 y

5V para el circuito de polarización de los micrófonos Electret. El circuito de

polarización para los micrófonos está compuesto por dos resistencias (R1 y R11)

que van conectadas a las entradas mono de cada micrófono. El preamplificador

posee 2 entradas mini Jack mono para plug de 3.5 mm, cada uno cuenta con su

correspondiente control de ganancia y la salida es un mini Jack estéreo. Ambas

señales después de ser pre-amplificadas pasan a la tarjeta DSP a través de un

cable estéreo para su procesamiento.

76

Diagrama 4. Circuito eléctrico pre-amplificador

Diseño Orcad

Después de realizar la etapa de pruebas en protoboard del plano del diagrama 4,

el siguiente paso fue llevar el diseño a PCB (Printer circuit board) mediante Orcad

(imagen 29). Este programa permite construir la capa de componentes (serigrafía)

y la capa de pistas, para luego ser llevado a váquela mediante los procesos

conocidos como screen y quemado en acido. El resultado se ve en la imagen 31

que muestra el circuito de pre amplificación terminado con la capa de

componentes visible y la capa de pistas en la parte posterior, junto con el anti-

solder para lograr puntos de soldadura exactos.

77

Imagen 29. Diseño preamplificador en Orcad

Imagen 30. Capa de pistas y capa de componentes

78

Imagen 31. Preamplificador terminado

4.3.2 Diseño y construcción de la fuente dual para el preamplificador

La fuente dual genera a su salida los tres voltajes DC necesarios para el

funcionamiento del preamplificador: 15V, -15V, y 5V. La figura 4 es el plano

correspondiente.

Diagrama 5. Plano Fuente dual

79

Imagen 32. Diseño fuente dual en Orcad

El mismo procedimiento de diseño y construcción electrónico del preamplificador,

es llevado a cabo para la fuente dual, desarrollando su diseño mediante Orcad

(imagen 33 y 34) y su fabricación final sobre váquela (imagen 35).

Imagen 33. Diseño fuente dual en Orcad

80

Imagen 34. Fuente dual terminada

Imagen 35. Fuente dual y preamplificador

81

4.4 Programación tarjeta DSP

Simulink

Es un software que permite realizar modelados, simulaciones e implementaciones

de sistemas dinámicos. Soporta sistemas lineales y no lineales; que pueden ser

modelados en tiempo continuo, tiempo sampleado o en forma hibrida.

Para desarrollar modelados y simulaciones este programa posee una interfaz de

usuario para construir los modelos con diagrama de bloques, esto permite crear

sistemas complejos de una manera rápida y sencilla. Las librerías de Simulink

poseen un gran archivo de bloques para realizar diferentes modelados

(componentes de sistemas lineales, no lineales, conectores, filtros, medidores de

parámetros, generadores de señal, etc.).

Filtro LMS en Simulink

Figura 4. Bloque filtro LMS

Este bloque permite utilizar el algoritmo LMS mediante un filtro FIR para calcular

los coeficientes o pesos necesarios, que serán utilizados para minimizar la señal

de error �� . En el puerto Input, conectamos la señal que deseamos filtrar ��, en el puerto Desired conectamos la señal deseada ��. El puerto Output, es la

salida de la señal filtrada �� que viene del puerto Input y es una estimación de la

señal que está entrando por el puerto Desired. La señal del puerto de salida Error

LMS Filter

LMS

Input

Desired

AdaptAdaptAdapt

Output

Error

Wts

82

�� es el resultado de sustraer la señal de salida (Output) y la señal deseada

(Desired).

El puerto Adapt, es un puerto de entrada que actualiza los pesos o coeficientes del

filtro cuando la señal de entrada a este puerto es diferente de cero. Cuando la

señal que ingresa es igual a cero, el filtro mantiene los coeficientes en un valor

constante.

Figura 5. Propiedades bloque LMS

La figura 5 son los parámetros que podemos cambiar para el funcionamiento del

bloque LMS, en esta ventana podemos ajustar el número de coeficientes del filtro

FIR y el valor del parámetro µ (step side). También nos permite habilitar el puerto

Adapt que es el encargado de actualizar los coeficientes del filtro.

Corriendo la Simulación

En esta simulación usaremos señales periódicas para mirar el comportamiento del

filtro LMS, el diagrama 6 es el esquema completo del sistema de cancelación. El

generador de señal crea una señal senoidal con amplitud de 1 y frecuencia 1

rad/sec; esta va a ser nuestra señal de referencia �� que va hacia el puerto input

del filtro LMS y hacia la entrada del sistema desconocido (Rectángulo rojo). En el

puerto desired entra la señal que viene del sistema desconocido que en este

83

ejemplo va a ser un sistema que amplifica la señal 5 veces. La señal de salida del

filtro LMS (señal ��) es invertida y luego sumada con la señal de salida del

sistema desconocido (Señal ��). Dando como resultado la cancelación de la

señal.

84

Diagrama 6. Simulación sistema cancelación con señales senoidales

Osciloscopio

85

Imagen 36. Osciloscopio para respuesta del sistema sin cancelación

La imagen 36 y 37 corresponden al osciloscopio de Simulink que muestra el

comportamiento de las señales del sistema de cancelación; En la imagen 36, la

señal No. 1 corresponde a , esta señal ingresa al sistema desconocido y da

como resultado la Señal No. 2 amplificada 5 veces, En este instante de la

simulación no esta activado el filtro LMS, es por eso que no se genera señal en la

salida del filtro (Señal No. 3), y por ende la cancelación no se da, obteniendo la

señal original a la salida (señal No. 4).

4

3

2

1

86

Imagen 37. Cancelación generada por el filtro LMS

Segundos más tarde como se ve en la imagen 37, se activa el filtro LMS, con lo

cual se ve un comportamiento totalmente diferente, la señal No. 3 indica la salida

de control que es generada por el filtro LMS a partir de la señal de referencia

, ahora el filtro LMS se comporta como el sistema desconocido amplificando la

señal cinco veces, pero en este caso también la invierte con un amplificador

2

1

4

3

87

inversor (ver diagrama 6) para luego ser sumada con la señal ��, dando como

resultado la cancelación como se observa en la señal No. 4 de la imagen 37.

Todo el funcionamiento del sistema de cancelación es elaborado primeramente en

Simulink, teniendo en cuenta que entradas y que salidas se van a utilizar en la

tarjeta DSP, la parte de procesamiento de la señal tiene que ver con todo el

filtrado necesario para alcanzar el objetivo principal del sistema. En el diagrama 7

se encuentran las tres etapas de procesamiento de la tarjeta DSP. Para la

entrada al sistema se está utilizando la entrada línea estéreo de la tarjeta DSP;

este puerto es utilizado debido a que permite ingresar dos señales independientes

que vienen de los micrófonos electret (micrófono de referencia y micrófono de

error) en esta etapa la señal está todavía en forma análoga y lista para entrar a la

parte de procesamiento, que es donde ocurre la conversión análoga digital por

parte de la tarjeta a través del codec AIC23. Luego de convertir la señal en forma

digital, es procesada por parte del DSP6713 siguiendo las instrucciones

establecidas en la programación elaborado en Simulink (ver diagrama 8). En la

tercera etapa la señal es nuevamente convertida en análoga para luego ser

enviada a la salida de audífonos en donde es convertida la señal de audio en

presión sonora por parte de un transductor eléctrico (Parlante).

Diagrama 7. Flujo de señal en tarjeta DSP

88

Diagrama 8. Programación en Simulink

El sistema desconocido

Imagen 38. Identificación sistema del Control Activo Ruido

En la Imagen 39, el sistema desconocido �� es el sistema del que no se conoce

su comportamiento ante la señal primaria (Ruido a cancelar). Debido a que este

sistema altera la señal �� convirtiéndola en ��. Los protectores auditivos son

el sistema que más altera la señal primaria (ruido rosa o tonos puros para las

mediciones en este proyecto), de una manera pasiva cambian la energía de la

señal en el rango de frecuencias medias y altas. Las frecuencias bajas no son

89

alteradas de una manera considerable, es por eso que los protectores se

comportan como un filtro pasa bajas.

En el diagrama 8 el micrófono de referencia entrega la señal a dos puertos del

LMS, una es el puerto input (Señal ��) que es el punto de partida del filtro LMS,

la otra señal tiene una etapa de filtrado con un filtro digital pasa bajos y luego entra

al puerto desired (Señal ��). La respuesta del filtro digital es la imagen 40, este

filtro tiene un comportamiento parecido a los protectores auditivos con una

frecuencia de corte de 550Hz, a partir de esta frecuencia empieza a haber

atenuación.

Imagen 39. Diseño filtro pasa bajos

El puerto Adapt recibe la señal que viene del micrófono de error (Señal de error

��) y es el encargado de monitorear el rendimiento del sistema de cancelación,

actualizando los coeficientes del filtro para lograr reducir el error residual y mejorar

la cancelación acústica entre el ruido generado por la fuente primaria (Ruido a

cancelar) y la fuente secundaria (Ruido generado por el DSP).

90

Prueba electrónica

Inversión de fase

La idea de desarrollar estas pruebas es verificar la inversión de fase por parte de

la tarjeta DSP, la figura 6 es el esquema general. La idea es generar una senal en

el generador y buscar en el osciloscopio mediante figuras de Lissajous una

frecuencia en donde este en fase la señal que viene de la salida del DSP y la señal

que viene de la salida del generador.

Figura 6. Esquema general para medición inversión de fase

Tabla 3. Valores de voltaje en pruebas electrónicas

91

Figura 7. Inversiones en el plano

La figura 7 explica el comportamiento de la figura Lissajous en fase e invertida

180º. En la tabla 3 se encuentra la frecuencia en donde las dos señales que

entran en el osciloscopio están en fase. La señal generada por el generador de

onda entra a la tarjeta DSP por la entrada de línea y sale por la salida de línea,

que luego es enviada al osciloscopio. La programación de la tarjeta en Simulink

son los diagramas 9 y 10.

Diagrama 9. Señal de entrada sin inversión de fase

92

Diagrama 10. Desfase 180 de la señal de entrada mediante un amplificador inversor

El resultado en el osciloscopio de estas programaciones son las imágenes 41 y

42.

Imagen 41. Señal en fase

4.5 Calibración del sistema de medición

Estando lista la preparación para empezar con las pruebas y mediciones del

sistema ANC en los protectores auditivos, es muy importante realizar una

Imagen 40. Señal invertida 180 grados

93

calibración de los equipos que están involucrados en las mediciones como lo son

los convertidores A/D/A y los transductores de entrada y de salida.

El proceso de calibración en este caso se hizo utilizando el software ya conocido

“SIA SmaartLive” de SIA Software Company, Inc en versión trial.

Fundamentalmente, SIA SmaartLive es un analizador de doble canal capaz de

realizar un gran número de tareas de medición para la solución de problemas y

optimización de sistemas en tiempo real. La tabla 4 muestra los modos de

medición básicos de SmaartLive que se ejercen en tiempo real:

Tabla 4. Funciones del SIA SmaartLive

El objetivo de las mediciones es determinar por medio de los micrófonos

instalados en la cabeza, el valor de atenuación que es capaz de generar el

sistema de cancelación implementado en los protectores auditivos. Para obtener la

función de transferencia del sistema, el software necesita comparar un sistema

desconocido contra un sistema conocido o de referencia en función de la fase y la

magnitud.

Lo más aconsejable es utilizar ruido rosa como la señal de referencia por su

contenido energético espectral, de este modo el software tendrá una referencia de

comparación mucho más concreta. Para el caso, el sistema desconocido viene

dado por una fuente que genera el ruido rosa y que es capturado por el micrófono

94

AKG que se encuentra en la cabeza KEMAR, y el sistema conocido es un bucle

interno con el mismo ruido rosa.

Figura 8. Conexión de interfaz con computador

La figura 8 plantea la conexión de lo que se viene explicando, el ruteo se hace por

medio de una interfaz de audio que está conectada al computador vía USB. En el

software se genera ruido rosa y se envía a la cabina por la salida 1 de la interfaz,

el micrófono AKG que captura el ruido rosa es conectado a la tarjeta por la entrada

1, se debe activar el Phantom Power en la interfaz para que el micrófono funcione.

El bucle de la señal de referencia se hace saliendo de la interfaz con el ruido rosa

por la salida 2 e ingresando nuevamente por la entrada 2 de la misma, de esta

manera se tiene la conexión general para la función de transferencia.

Inicialmente se debe ajustar el nivel de ruido que emite la fuente para que sea

congruente con la calibración general del sistema. Por medio del sonómetro

Svantek 943 A, se debe medir a 1 metro de distancia de la fuente un valor de

94dB(A) comprobando que la fuente este con su nivel de volumen al máximo para

que no sea necesario desajustar el control de ganancia de envió en la interfaz de

audio hacia la fuente. El punto de ubicación de la cabeza KEMAR junto con los

95

protectores auditivos de cancelación es el mismo punto donde se ubica el

sonómetro de medición, es decir a 1 metro de la fuente.

Para que el software inicie se hace clic en el botón ON, lo siguiente es ajustar los

niveles de salida y de entrada en un punto que asegure que no estén ni muy bajos

para evitar problemas con el ruido de fondo, ni muy altos para evitar que el

sistema sature; la imagen 43 indica el nivel apropiado de entrada y de salida que

debe tener el sistema para poder hacer la calibración.

Imagen 42. Niveles de señal de referencia y de medición

La barra verde indica el nivel de la señal de medición, y la barra azul el nivel de la

señal de referencia; nótese que ambas barras deben estar al mismo nivel. Dos

consideraciones esenciales para tener en cuenta, la primera es que para optimizar

el funcionamiento del generador interno es recomendable que el ruido rosa se

genere a un nivel de -6dB y la segunda es que para obtener mediciones fiables los

niveles de entrada y de salida se deben mantener entre -12dB y -6dB. Con estos

parámetros fijos, el siguiente paso es calibrar los micrófonos AKG y el sistema a

un nivel de referencia de 94dB, para esto se debe utilizar un pistófono como el que

se ve en la imagen 44, el cual genera un tono puro de 1KHz a 94dB.

96

Imagen 43. Pistófono RION

Para desarrollar este paso es necesario antes de cada medición sacar el

micrófono AKG de la cabeza, ubicarlo sobre el pistófono como se ve en la imagen

45 y encender el dispositivo para general el tono puro.

Imagen 44. Ubicación de micrófono sobre pistófono

97

Sin desacoplar el micrófono del pistófono, se hace clic en ON y se obtiene el

espectro de la señal; ese es el nivel al que el software debe ser calibrado para el

resto de las mediciones, sin embargo este no reconoce ese valor

automáticamente, así pues que se le debe asignar ese valor manualmente desde

la ventana “Signal Level/SPL Readout Options” que se puede visualizar dando clic

en panel que muestra el valor en dB de las señales.

Imagen 45. Ventana de calibración

Dando clic en el botón ubicada a la izquierda de la ventana “Calibrate Using Peak”,

se le da primero la orden al software de que trabaje con decibeles Pico y no con

decibeles Full Scale, parámetro con el que trabaja por default, y segundo se

muestra la ventana “Amplitud Calibration”; en esta ventana, como se ve en la

imagen 47 se estipula el valor de los 94dB como referencia en la casilla “Set this

value to” y se selecciona para hacerlo activo. Dando clic en OK el software

98

automáticamente asimila que el nivel que genera el pistófono y que captura el

micrófono AKG es de 94dB y lo toma como nivel de referencia.

Imagen 46. Ventana de calibración de amplitud

Para no descalibrar la medición, una vez que se ejecutan los pasos propuestos

anteriormente, lo más conveniente es no modificar ningún control de nivel en la

interfaz de sonido o en el SIA SmaartLive teniendo en cuenta que cambiar

cualquier parámetro después de la calibración significa alterar el sistema de

medición y esto obligaría a seguir nuevamente los pasos dispuestos para

recalibrar el sistema.

99

4.6 Montaje

4.6.1 Flujo de señal del sistema de cancelación

El flujo de señal del sistema de cancelación general (Diagrama 11), comienza con

la captura del ruido original o primario por parte del micrófono de referencia, esta

señal es elevada hasta nivel de línea al pasar por el pre amplificador análogo. La

tarjeta DSP, una vez programada, recibe esta señal y la procesa en el filtro LMS

convirtiéndola en la señal deseada (antiruido). Inmediatamente el antiruido es

expulsado de la tarjeta DSP por la salida de audífonos y reproducido por los

transductores de salida ubicados en los protectores auditivos. El micrófono de

error captura el residuo del campo acústico cancelado a manera de monitoreo y

envía esta información nuevamente a la tarjeta DSP siguiendo el mismo recorrido

del micrófono de referencia, con la diferencia de que este va internamente al

puerto adaptativo del filtro LMS.

Diagrama 11. Flujo del sistema de cancelación

En la figura 9 se observa tanto la posición de los micrófonos de referencia y de

error, como la ubicación del transductor de salida en los protectores auditivos; a su

vez la ubicación de los micrófonos de medición AKG al interior de la cabeza

100

KEMAR. Estos dispositivos hacen parte del sistema de cancelación y captura de la

atenuación del mismo dentro del montaje final de medición.

Figura 9. Cabeza KEMAR con ANC

4.7.2 Montaje total de medición

Diagrama 12. Montaje total de medición

101

La medición final comprende los sistemas anteriormente nombrados y explicados,

el sistema de cancelación y el sistema que mide la atenuación de los protectores

auditivos con control activo de ruido (diagrama 12).

La cabeza se debe ubicar al frente de la cabina de sonido en campo directo a 1

metro de distancia, los protectores auditivos dependiendo de la medición a

efectuar, deben ser ubicados de tal forma que cubran totalmente los oídos y no

dejen luces. Independientemente de que los protectores estén puestos o no en la

cabeza, el ruido rosa emitido por la fuente es capturado por los micrófonos AKG

que llevan esta señal a la interfaz de audio que se encuentra conectada

directamente al computador, en el cual por medio del software de medición se

visualiza el espectro en cuanto a frecuencia, fase y amplitud del campo sonoro

capturado por los micrófonos AKG. De esta manera, esta etapa revela el grado de

atenuación que generan los protectores auditivos con y sin control activo de ruido.

Paralelo a la etapa de medición se encuentra la etapa del sistema de cancelación

ya descrito, donde se tiene un campo sonoro capturado por el micrófono de

referencia y posteriormente procesado digitalmente por la tarjeta DSP según las

simulaciones del filtro adaptativo ANC en Simulink. El paso siguiente es generar la

señal deseada por los transductores de salida SONY, los cuales, y en

concordancia con la teoría de la cancelación acústica, emiten el campo

secundario, que al ser sumado con el campo incidente o primario, genera

interferencia destructiva en la zona de silencio y por lo tanto la cancelación

deseada. Además, la cancelación es rectificada por el micrófono de error, cuya

función es adaptar los coeficientes del filtro según el residuo de la cancelación de

los campos.

Como se puede ver, son dos sistemas independientes que trabajan en conjunto

para obtener los resultados del ejercicio. En el caso del sistema de medición, este

tendrá una variación en cuanto más se modifiquen los parámetros de cancelación

102

ya sea físicamente en los protectores auditivos o digitalmente en la configuración

del algoritmo y la tarjeta DSP.

4.6.2 Factores determinantes en la medición para obtener el nivel de

atenuación del sistema ANC

El objetivo de realizar las mediciones en SIA SmaartLive, es poder obtener la

función de transferencia del sistema de cancelación. Para saber que el sistema

está trabajando de forma correcta se debe comparar el antes y el después de los

protectores auditivos con el control activo de ruido.

Esquema 1. Factores determinantes de la medición

En el esquema 1 se encuentran los tres factores que determinan la mejor manera

de realizar la medición. El primer factor es el punto de referencia para los demás

factores, debido a que la cabeza no tiene nada de protección y su función de

103

transferencia nos permite comparar el nivel de atenuación de las dos técnicas de

control de ruido (pasiva y activa).

Esquema 2. Experimentos a realizar

El esquema 2 explica los dos tipos de ruido que se utilizan para la realización de

la medición, debido a las características del ruido rosa, que mantiene la energía a

un mismo nivel en todo el rango de frecuencias audible; el software de medición

usa este ruido como señal de referencia y lo compara con la señal que se está

midiendo por el micrófono AKG C480, con estas dos señales determina la función

de transferencia (Comportamiento de la atenuación). Los tonos puros son otra

fuente de ruido primario a probar, la frecuencia de prueba es elegida tomando la

frecuencia que mas atenúa el sistema de cancelación probándolo con el ruido rosa

como ruido primario.

104

Ámbito de medición

Esquema 3. Ámbitos de medición

El sistema de cancelación debe probarse en diferentes circunstancias, el lugar

donde se realiza las pruebas también es otro factor importante, en el esquema 3

se encuentran los dos ámbitos elegidos para la medición. En un recinto cerrado el

ruido de fondo es mucho más bajo que el ruido de fondo al aire libre, pero en el

recinto cerrado las características de la sala influyen en la medición, debido a los

modos y el tiempo de reverberación, en cambio al aire libre no existe estos

inconvenientes. Cada ámbito de medición tiene sus ventajas y desventajas, pero

la finalidad es probar el sistema de cancelación y encontrar los mejores

resultados.

105

5. RESULTADOS Y ANÁLISIS

5.1 Resultados obtenidos en las mediciones

5.1.1 Mediciones en recinto cerrado

El recinto cerrado es el primer ámbito de medición elegido para realizar las pruebas del sistema de cancelación. Las figuras 10, 11 y 12 son los resultados obtenidos en dicho ámbito. La figura 10 son los resultados obtenidos de la cabeza KEMAR sin protectores auditivos (línea azul) y la cabeza KEMAR con protectores auditivos sin ANC (línea roja).

Figura 10. Cabeza KEMAR con y sin protectores auditivos

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

10 100 1000 10000

Ma

gn

itu

d d

B

Frecuencias Hz

106

En la Figura 10 se observa el comportamiento de los protectores auditivos

mediante el control pasivo que ellos poseen (línea roja), la línea azul son los

resultados obtenidos midiendo la cabeza KEMAR sin los protectores auditivos y

con la fuente primaria radiando directamente hacia él. A partir de 280 Hz empieza

a funcionar la atenuación de los protectores, que se va incrementando a medida

que aumenta la frecuencia. En cambio, de 280 Hz hacia abajo la atenuación por

parte de los protectores no es posible, e inclusive se observa un aumento de la

presión sonora en las frecuencias 21.5Hz, 57.9Hz, 86.1Hz y 132.8Hz.

Figura 11. Comparación protectores auditivos con y sin ANC

La figura 11 son tres resultados diferentes, la línea azul es el resultado de la

cabeza KEMAR con protectores auditivos sin control activo de ruido. La línea roja

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

10 100 1000 10000

Ma

gn

itu

d d

B

Frecuencia Hz

107

y la línea verde son los resultados de los protectores auditivos con control activo

de ruido, pero con constante de adaptación de 0.9 para la línea verde y 0.1 para la

línea roja. En las frecuencias desde 20Hz hasta 180Hz, el comportamiento de las

líneas roja y verde tienen la misma forma que la línea azul, pero con una

importante atenuación. La tabla 5 y 6 se encuentran tres frecuencias (57.9, 86.1y

129.1Hz) con su respectiva atenuación para ruido rosa. El sistema de cancelación

logra realizar atenuaciones desde 20Hz hasta 210Hz, después de este rango el

sistema aumenta la presión sonora entre 210Hz y 946Hz, impidiendo que los

protectores auditivos logren atenuar, debido a que la fuente antiruido está dentro

de ellos.

Tabla 5. Atenuación protectores con ANC contante 0.1.

57,9 -12,79

86,1 -1,37

129,1 14,45

57,9 -0,25

86,1 0,08

129,1 2,86

57,9 -18,26

86,1 -5,82

129,1 8,14

57,9 -2,31

86,1 -3,51

129,1 3,77

57,9 5,47

86,1 4,45

129,1 6,31

57,9 2,06

86,1 3,59

129,1 -0,91

Atenuación con Control Activo de

Ruido

Constante adaptación: 0,1

Cabeza Kemar con protectores

auditivos y control activo ruido encendido

Ruido rosa

Tonos puros

Ruido rosa

Tonos puros


auditivos sin control activo ruido

Experimento

Ruido rosa

Frecuencia Hz Magnitud dB

Tonos puros

108

Tabla 6. Atenuación protectores con ANC constante 0.9

Las tablas 5, 6, 7 y 8 son tablas comparativas de frecuencias elegidas con una

importante cancelación (57.9Hz, 86.1Hz y 129.1Hz.) La atenuación

correspondiente por parte del sistema ANC es la diferencia entre las magnitudes

de las frecuencias para cada tipo de medición. Para la medición de la Cabeza

KEMAR con protectores auditivos con y sin control activo de ruido son las tablas 5

y 6.

Las tablas 7 y 8 son el resultado de la medición de la cabeza KEMAR sin

protectores auditivos y la cabeza KEMAR con protectores auditivos con control

activo de ruido.

La figura 12 son los resultados entre la cabeza KEMAR sin protectores auditivos

(línea azul) y la cabeza KEMAR con protectores auditivos con control activo de

ruido y constante de adaptación de 0.9 para la línea verde y 0.1 para la línea roja.

57,9 -12,79

86,1 -1,37

129,1 14,45

57,9 -0,25

86,1 0,08

129,1 2,86

57,9 -18,38

86,1 -6,43

129,1 8,54

57,9 -3,61

86,1 -4,33

129,1 3,79

57,9 5,59

86,1 5,06

129,1 5,91

57,9 3,36

86,1 4,41

129,1 0,93


Ruido



Ruido rosa

Tonos puros



Ruido rosa

Tonos puros



Ruido rosa

Tonos puros

109

En las frecuencias 243Hz, 366Hz y 581,4Hz el sistema de cancelación aumenta la

presión sonora más que la que está recibiendo solamente la cabeza KEMAR sin

ninguna protección. La Tabla 9 relaciona algunas frecuencias que son

aumentadas por parte del sistema de cancelación. Por ejemplo 243.6Hz es la

frecuencia con mayor aumento de las tres que están en la tabla. El sistema de

cancelación logra atenuar diferentes frecuencias (ver tabla 7 y 8) pero aporta

negativamente problemas de interferencia constructiva que no son posibles de

manejar por parte del filtro adaptativo. … en la sección 1.1… los resultados del

paper de Sen M. Kuo presentan los mismos inconvenientes, en las imágenes 4 y 5

se pueden observar la interferencia constructiva que se genera en algunas

frecuencias.

Figura 12. Comparación cabeza KEMAR sola y protectores con ANC

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

10 100 1000 10000

Ma

gn

itu

d d

B

Frecuencia Hz

110

Tabla 7. Cabeza KEMAR sin protección y con protección K = 0.1

57,9 -17,1

86,1 -4,83

129,1 11,68

57,9 -0,25

86,1 0,08

129,1 2,86

57,9 -18,26

86,1 -5,82

129,1 8,14

57,9 -2,31

86,1 -3,51

129,1 3,77

57,9 1,16

86,1 0,99

129,1 3,54

57,9 2,06

86,1 3,59

129,1 0,91




Ruido rosa

Tonos puros


Ruido

Ruido rosa

Tonos puros


Cabeza Kemar sin protectores

auditivos

Ruido rosa

Tonos puros

111

Tabla 8. Cabeza KEMAR sin protección y con protección K = 0.9

Tabla 9. Aumento presión sonora por parte de los protectores auditivos

57,9 -17,1

86,1 -4,83

129,1 11,68

57,9 -0,25

86,1 0,08

129,1 2,86

57,9 -18,38

86,1 -6,43

129,1 8,54

57,9 -3,61

86,1 -4,33

129,1 3,79

57,9 1,28

86,1 1,6

129,1 3,14

57,9 3,36

86,1 4,41

129,1 0,93




Ruido rosa

Tonos puros


Ruido

Ruido rosa

Tonos puros



auditivos

Ruido rosa

Tonos puros

243,6 -4,94 3,71 8,65 3,64 8,58

366,1 4,8 7,82 3,02 9,58 4,78

581,4 6,89 9,63 2,74 6,39 0,5

Magnitud dB

Cabeza KEMAR sin

protectoresAumento AumentoControl

activo ruido

on con K 0,1

Control

activo ruido

on con K 0,9Frecuencia Hz Magnitud dB Magnitud dB

112

5.1.2 Mediciones al aire libre

Dado que el ruido de fondo registrado en estas mediciones fue de 52 decibeles, el

nivel utilizado en la fuente fue de 88 decibeles con ruido rosa únicamente para

evitar que los micrófonos no distorsionaran la señal.

En la figura 13 la línea roja corresponde a la medición de la cabeza KEMAR sin

protección auditiva expuesta a ruido rosa, y la línea verde representa la medición

de los protectores auditivos sin ANC y también expuestos a ruido rosa con un nivel

de 88.7 decibeles.

Figura 13. Cabeza KEMAR vs. Protectores auditivos en modo pasivo

Ya se ha visto en el análisis de las mediciones en recinto cerrado las frecuencias

fijas que el sistema tiende a atenuar y la zona en la cual este suma energía al

sistema. En el caso de las mediciones en campo abierto, según la Figura 14 se

pueden ver que las curvas son similares en la forma que adoptan, lo que sugiere

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

10 100 1000 10000

Am

pli

tud

(d

eci

be

les)

Frecuencia (Hz)

113

el correcto funcionamiento del filtro, ya que su principal objetivo en la cancelación

según lo explicado en la teoría es buscar parecerse a los protectores auditivos.

Igualmente es posible en comparación con los resultados en el recinto, que el

sistema tiende a cancelar casi las mismas frecuencias sobre algunos picos.

Figura 14. Protectores apagados vs. Protectores encendidos con k = 0.1/0.9

En la figura 14, se comparan tres registros de diferentes mediciones en la cual, la

línea verde corresponde a la cabeza KEMAR con los protectores auditivos sin

ANC. La línea morada representa la medición de los protectores auditivos con

ANC activado y constante de adaptación 0.1. La línea azul corresponde a la

medición de los protectores auditivos con ANC activado y constante de adaptación

0.9.

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

10 100 1000 10000

Am

pli

tud

(d

eci

be

les)

Frecuencia (Hz)

114

Tabla 10. Cabeza KEMAR con protectores apagados y encendidos K = 0.1

Tabla 11. Cabeza KEMAR con protectores apagados y encendidos K = 0.9

Las tablas 10 y 11 son el resumen de atenuación que ofrecen los protectores

auditivos ANC en las mediciones hechas con ruido rosa teniendo como referencia

la respuesta de los protectores auditivos en modo pasivo. En la tabla 12 se hace el

66.4 4.59

97.6 3.38

129.1 6.01

66.4 -10.45

97.6 -10.24

129.1 -5.53

66.4 15.04

97.6 13.62

129.1 11.54

Experimento

Ruido rosa

Frecuencia Hz Magnitud dB

Ruido rosa


auditivos sin ANC


Cabeza Kemar con protectores auditivos y ANC

Ruido rosa


Ruido

31 -26.32

66.4 4.59

96.7 3.38

129.1 6.01

31 -40.95

66.4 -11.98

96.7 -11

129.1 -4.23

31 14.63

66.4 16.57

96.7 14.38

129.1 10.24

Ruido rosa




Ruido rosa




Ruido rosa


Ruido

115

recuento de los niveles de atenuación logrados por el sistema de cancelación

teniendo como referencia la respuesta de la cabeza KEMAR sin protectores

auditivos y la constante de adaptación fue configurada con un valor de 0.1. Para la

tabla 13 se realizó con un valor de 0.9 para la constante de adaptación.

Figura 15. Cabeza KEMAR sola vs. Protectores encendidos K = 0.1/0.9

En la figura 15, se tienen tres diferentes mediciones, la línea roja corresponde a la

cabeza KEMAR sin ningún tipo de protección auditiva. La línea morada representa

la medición de los protectores auditivos con ANC activado y constante de

adaptación 0.1. La línea azul corresponde a la medición de los protectores

auditivos con ANC activado y constante de adaptación 0.9.

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

10 100 1000 10000

Am

pli

tud

(d

eci

be

les)

Frecuencia (Hz)

116

Tabla 12. Cabeza KEMAR sin protectores y con protectores auditivos ANC K=0.1

Tabla 13. Cabeza KEMAR sin protectores y con protectores auditivos ANC K=0.9

Un comportamiento general visto en ambas mediciones (recinto cerrado y al aire

libre) son las figuras 10 y 13, donde se puede decir que es el aumento en bajas

frecuencias que aportan los protectores auditivos en modo pasivos en un rango de

66.4 -5.27

97.6 -6.44

129.1 -2.69

66.4 -10.45

97.6 -10.24

129.1 -5.53

66.4 5.18

97.6 3.8

129.1 2.84


RuidoRuido rosa

Magnitud dBFrecuencia HzExperimento


auditivosRuido rosa


Cabeza Kemar con protectores auditivos y ANC

Ruido rosa

31 -36.14

66.4 -5.27

96.7 -6.44

129.1 -2.69

31 -40.95

66.4 -11.98

96.7 -11

129.1 -4.23

31 4.81

66.4 6.71

96.7 4.56

129.1 1.54

Ruido rosa

Ruido rosa





Ruido



auditivos Ruido rosa

117

frecuencias entre 40Hz y 210Hz. Este comportamiento a simple vista es

impredecible, pero dado el incremento del nivel en esta zona, el filtro se comporta

y se adapta mejor cancelando mas frecuencias, en otras palabras el filtro genera

una compensación en lo que los protectores auditivos por si solos aumentan.

En el resumen de la Tabla 10, evidentemente se tienen niveles de atenuación

altos, tanto que para 66.4Hz, 97.6Hz y 129.1 se lograron valores de atenuación de

15.04dB, 13.62dB y 11.54dB respectivamente. Esto confirma la compensación que

realiza el filtro al comportamiento ascendente de los protectores auditivos en modo

pasivo. Sin embargo no se puede afirmar que los protectores en su modo pasivo

no cumplen su función en frecuencias medias y altas, en la Figura 13 se ven las

curvas que confirman que los protectores auditivos atenúan frecuencias a partir de

325Hz en poco más de 20dB, lo cual es consecuente con la tabla de atenuación

que brinda el fabricante.

Teniendo lo que sucede con los protectores pasivos, lo más fiable en este caso

para verificar el valor de atenuación del sistema de cancelación es realizar la

misma comparación, pero con la medición de la cabeza KEMAR sin protección,

esto se puede ver en las figuras 12 y 15.

Si se observa la Figura 15 es posible determinar que la cabeza KEMAR totalmente

desprotegida ya no presenta el problema de aumento en bajas frecuencias, con lo

cual es posible divisar mejor el valor de atenuación. La figura muestra que el

comportamiento del filtro sigue siendo similar en cuanto a las frecuencias que

tiende a cancelar, sin embargo, directamente enseguida de este rango, se ve un

aporte negativo por parte del filtro que se evidencia mucho mejor en la Figura 14 y

predomina entre 140Hz y 613Hz. Esto indica, como era de esperarse, que así

como el filtro realizaría cancelaciones por interferencia destructiva en bajas

frecuencias, tendería a generar de la misma manera interferencia constructiva en

algunos puntos.

118

En la tabla 12 es notable la cancelación que generan los protectores auditivos

ANC en frecuencias como 66.4Hz, 97.6Hz y 129.1, y en las cuales al realizar la

resta comparativa, se generaron más de 2 decibeles de atenuación al probar el

algoritmo con una constante de adaptación de 0.1. Sin embargo, al mirar el

comportamiento del filtro con un valor de constante de 0.9 (tabla 13), es posible

afirmar que el filtro funciona mejor, ya que genera mayor atenuación en dichas

frecuencias e incluso logra cancelar 31Hz con una magnitud de 4.81dB.

Por otro lado, la Tabla 14 muestra el aumento que genera el sistema en tres

frecuencias puntuales que son 158Hz, 223.4 y 387.6, en las cuales mejora con

respecto al aumento que se genera en las mediciones en el recinto cerrado, esta

diferencia radica en que la acústica del lugar presenta focalizaciones que

acrecientan este problema; en este caso el mayor aumento que se presento fue de

6.73dB en 387.6 con constante de adaptación en 0.1.

Finalmente, analizando estos datos se puede determinar que el filtro en efecto

cancela, y que a pesar de que también suma en algunas frecuencias, su

rendimiento se probó al máximo para obtener importantes cancelaciones con

magnitudes que auditivamente son muy notables.

Tabla 14. Aumento presión sonora por parte de los protectores auditivos

158 -2,28 1,11 3,39 1,11 3,39

223 0,91 6,56 5,65 5,24 4,33

387,6 4,33 11,06 6,73 4,62 0,29

Cabeza KEMAR sin

protectoresControl

activo ruido

on con K 0,1

Aumento Control

activo ruido

on con K 0,9

Aumento

Frecuencia Hz Magnitud dB Magnitud dB Magnitud dB

119

6. CONCLUSIONES

• En base a pruebas electrónicas sobre todo el sistema se obtuvo el

comportamiento de los elementos que hicieron posible el rendimiento del

sistema de cancelación. Con ayuda de la visualización en un osciloscopio

fue posible notar que la tarjeta DSP en configuración estándar atenúa la

señal de entrada a la mitad de la original, impidiendo en un principio obtener

la cancelación del ruido incidente; multiplicando la señal de salida por el

doble de su valor se dio solución al problema. También fue posible

comprobar que el filtro LMS si emula el sistema desconocido tomando como

referencia la señal deseada de la señal de entrada. Inclusive por medio de

estas pruebas fue posible comprobar el funcionamiento de los micrófonos,

de la fuente dual y del pre amplificador.

• El puerto adapt del filtro LMS no fue posible usarlo con el micrófono de

error, a pesar de que en la simulación el puerto adapt actualiza los

coeficientes con respecto a la variación de niveles en la zona de silencio.

En la práctica no llego a suceder. La documentación del filtro LMS en

Simulink explica que cuando la señal de entrada a este puerto es mayor

que cero, el filtro continuamente actualiza los coeficientes, pero cuando la

señal de error es menor o igual a cero, los coeficientes se mantienen en un

valor constante.

• En las figuras 10 y 13 se observa un patrón de aumento entre 40Hz y

210Hz por parte de los protectores auditivos con control activo de ruido en

estado desactivado. En este punto, los protectores auditivos ya contienen

los transductores de salida en su interior, razón por la cual, se plantea la

teoría de que al generar ruido rosa desde la fuente, el diafragma de los

120

transductores resuena en este rango de frecuencias, produciendo una

vibración que realimenta estas frecuencias haciendo que su nivel se eleve

drásticamente. Además, se tiene una segunda teoría que trata de una

posible resonancia en las frecuencias nombradas aportada por la cabeza

KEMAR al momento de generar ruido rosa y genera el aumento en esta

zona.

• El filtro LMS tiene una salida de error, en donde se puede ver el

comportamiento de la señal de error a través del tiempo, si la señal tiene

valores altos el filtro adaptativo modifica sus coeficientes para lograr reducir

dichos valores. En la simulación es muy práctico observar esta salida

porque permite ver la adaptación que tiene el filtro con respecto a las

señales de entrada.

• Gracias a las comparaciones objetivas de las mediciones del sistema de

control activo de ruido en recinto cerrado y al aire libre, se logra determinar

que el sistema funciona conforme a la teoría y que los protectores auditivos

con ANC lograron atenuar frecuencias entre 31Hz y 130Hz. Adicionalmente,

por medio de la comparación entre ámbitos de medición se logro ver que la

curva de cancelación tiene una tendencia a comportarse en este caso

siempre de la misma manera y a atenuar casi las mismas frecuencias.

• Para este sistema de cancelación es despreciable la distancia del micrófono

de error con respecto al transductor de salida dado a la corta distancia y el

poco espacio que hay para ubicar los dispositivos dentro de los protectores.

• El filtro adaptativo usado para generar el campo secundario es el filtro más

básico para este tipo de control, teniendo un mejor algoritmo se puede

llegar a tener un mayor control en la atenuación de frecuencias bajas.

121

• En las pruebas, pudimos darnos cuenta de que la ubicación del parlante

ofrece ventajas y desventajas en los sistemas de control activo, haciendo

depender objetivamente la cancelación de la distancia entre él y el

micrófono de referencia, dado que a menor distancia mayor es la velocidad

con que el filtro LMS debe responder para generar el antiruido a tiempo.

• El efecto de proximidad del diafragma del parlante con respecto al canal

auditivo juega una importante tarea en el sistema ANC si se desea realizar

mediciones subjetivas por la manera en que el ser humano percibe

frecuencias graves en audífonos. Esto significa que teniendo mayor

cercanía del parlante al canal auditivo, la respuesta subjetiva en bajas

frecuencias será mucho mejor.

• Un ideal transductor electroacústico (parlante) no adiciona fase al manejo

de señal y su respuesta en frecuencia es plana, desafortunadamente

parlantes ideales no existen en la realidad. El comportamiento del parlante

en la emisión del antiruido es un gran factor a tener en cuenta, porque el

filtro adaptativo genera la señal de control �� que luego es enviado al

parlante, donde la respuesta en frecuencia del transductor afecta dicha

señal de control emitiéndola en una forma modificada a la original.

• Para procesar señales de audio y lograr su conversión análoga/digital y

viceversa, es apropiado trabajar a una rata de muestreo de 44.1KHz en

Matlab para tener mayor exactitud en la información; sin embargo, al

manejar un mayor número de datos, el conversor demora más tiempo en

realizar el muestreo de la señal y el sistema genera una latencia que

aunque muy mínima puede ser, es capaz de alterar las mediciones. De la

misma forma se ve afectado el comportamiento del filtro LMS puesto que

122

este también debe procesar mayor cantidad de datos, y según las

mediciones se ha comprobado que el filtro, por ser básico no es capaz de

manejar demasiada información sin alterar el resultado de la cancelación.

Este es el motivo por el cual se trabajo con una rata de muestreo de 8KHz,

con la cual el filtro marcha adecuadamente. Otra razón es que los

protectores auditivos empiezan a atenuar a partir de 300Hz hasta alcanzar

los 12Khz. Y el sistema con control activo de ruido trabaja en un rango de

20Hz hasta 500Hz. Según la teoría de Nyquist en procesamiento de señal

digital la frecuencia de muestreo ideal a trabajar es el doble de la frecuencia

máxima de la señal a trabajar, si la frecuencia máxima es 500Hz para el

rango de frecuencias bajas, la ideal para muestrear es usando 1Khz. La

tarjeta trabaja con una frecuencia mínima de muestreo de 8Khz, es más

que suficiente para realizar dicho procesamiento.

• La cabeza de medición utilizada en el proyecto, no es una cabeza

estandarizada, pero su diseño y construcción se realizó lo más fielmente y

con los recursos disponibles a una cabeza humana verdadera. Realizando

las mismas mediciones con una cabeza estandarizada como por ejemplo

un KEMAR, ayudaría a tener resultados más confiables y mucho más

precisos.

• Dado que no se pueden comparar entre ellas las mediciones en campo

cerrado y campo abierto en cuanto al valor de atenuación de los protectores

auditivos ANC por las diferencias en sus características acústicas, estas

dos referencias solo pueden ser comparadas para obtener con mayor

exactitud la tendencia de cancelación del sistema ANC en cuanto a las

frecuencias claves.

• Se logro determinar por medio de una medición objetiva espectral que los

protectores auditivos en modo pasivo funcionan para frecuencias medias-

123

altas, es decir, que su forma y el material poroso que hay en su interior

permiten absorber frecuencias que se encuentran por arriba de 350Hz, y

que aun después de haberles implementado el sistema de cancelación,

conservan sus características de atenuación con técnicas pasivas. No

obstante se sabe que su aislamiento no es suficiente para atenuar

frecuencias abajo de 350Hz debido a que estas frecuencias poseen

longitudes de onda mayores con respecto al área de absorción de los

protectores.

• La aplicación del Control activo de ruido en tecnologías enfocadas a la

industria del entretenimiento está tomando cada vez un mayor auge, debido

al continuo avance en las técnicas matemáticas aplicas en el área y la

disminución de costos en cuanto al desarrollo de DSP. Dando como

resultado procesadores más rápidos y más pequeños, permitiendo a los

grandes fabricantes construir productos de entretenimiento como los

audífonos con control activo de ruido… véase la tabla 2….

124

7. ERRORES SISTEMÁTICOS

• El fenómeno del aumento de nivel en bajas frecuencias de la cabeza

KEMAR con los protectores auditivos sin control activo de ruido es un

problema que afecta enormemente la cancelación del sistema, dejando

como hipótesis que el sistema podría cancelar más decibeles en un mayor

rango si este fenómeno no se presentara.

• Las mediciones en el recinto cerrado no son 100% confiables puesto que el

lugar cuenta con evidentes problemas acústicos como modos de vibración y

eco fluctuante, sin mencionar que el lugar no posee características

anecoicas y que las reflexiones que allí se presentan influyeron en la

medición.

• Las mediciones en campo abierto se vieron altamente afectadas por el alto

ruido de fondo registrado, este obligo a calibrar el sistema de medición en

un valor que no correspondía a los 94 decibeles ni en la fuente, ni en el

micrófono de medición objetando que las mediciones puedan ser del todo

confiables. La incidencia del viento sobre los micrófonos tanto de medición

como de referencia es una variable más que aporta incertidumbre sobre la

veracidad de los resultados obtenidos en las mediciones.

• La cabeza que se utilizo para fines de medición no fue construida bajo

ningún estándar normativo de diseño para sistemas KEMAR, por ende no

permite evaluar ni validar al 100% la calidad de los resultados obtenidos,

como tampoco tomarlos como referencia para otras investigaciones.

125

• Inicialmente la fuente dual se diseño para adquirir tres voltajes simultáneos

incluyendo los 5V para el circuito de polarización de los micrófonos Electret,

sin embargo una vez quemado el circuito en baquela, la etapa de

regulación para 5V presento un ruido de tierra que no fue posible rectificar,

por esta razón se tuvo la necesidad de acoplarle al circuito una pila

cuadrada de 9V.

126

8. RECOMENDACIONES

Recomendaciones generales

• El gran auge que tiene el control activo de ruido no debería estar solamente

en la industria del entretenimiento, sino también debería tomar un papel

importante en el campo de la seguridad industrial. Protectores auditivos con

ANC serían un gran atractivo para empresarios y una mejor protección para

consumidores de estos productos.

• El uso de una cámara anecoica es la mejor manera de evitar problemas de

ruido de fondo, falencias acústicas y factores climáticos. La cámara

permitiría una mejor calibración del sistema de medición y una obtención de

datos más confiables.

Estudiantes que deseen continuar con este proyecto deberían tener en cuenta las

siguientes recomendaciones

• Usando la técnica feedforward no fue posible atenuar frecuencias entre

270Hz y 800Hz, por el contrario, en este rango no hubo interferencia

destructiva sino constructiva. Las mediciones realizadas tanto en el recinto

cerrado y al aire libre mantuvieron este comportamiento en este rango de

frecuencias. Estudiantes que deseen continuar con esta investigación

deberían realizar pruebas usando la técnica feedback y comparar los

resultados.

127

• El mejoramiento en diseño y construcción de la cabeza de medición,

porque es la herramienta más importante en este tipo de proyectos, es el

instrumento más cercano al comportamiento del oído humano. Factores

como la superficie de la cabeza, la implementación de torso, y un mejor

aislamiento dentro de ella, deberían tenerse en cuenta para obtener

mejores resultados.

• Aumentar el nivel de atenuación en frecuencias bajas usando otro filtro

adaptativo, por ejemplo el filtro FXLMS (muy usado por el Ingeniero Sen M.

Kuo) y sus variantes aplicadas en las técnicas feedback y feedforward.

128

BIBLIOGRAFIA

AMBARDAR, Ashok. Procesamiento de señales analógicas y digitales. Thomson

editores, 2002.

CARDENAS PATIÑO, William Andrés. Diseño y construcción de un dispositivo que

permite reducir el ruido del motor de un carro en su interior, a partir del control

activo de ruido. Universidad San Buenaventura, Bogotá D.C., 2010

CHASSAING, Rulph. Digital signal procesing and aplications with the C6713 and

C6416 DSK. New Jersey, John Wiley and Sons, 2005.

ELLIOT, S.J. y P.A, Nelson. Active noise control. IEEE Signal Processing

Magazine, pp. 12-35, October 1993.

KEHTARNAVAZ, Nasser. Real Time digital signal processing base on the

TMS320C6000. University of Texas at Dallas, Newnes, 2005.

KUO, Sen M. y WOON-SENG, Gan. Active Noise Control System for Headphone

Applications. IEEE Transactions On Control Systems Technology, vol. 14, no. 2,

march 2006.

Romero Mier y Terán, Andrés. Desarrollo de Sistemas de Control Activo de Ruido.

Junio 20 2008, México D.F.

SHIANG-HWUA, Yu. y JWU-SHENG, Hu. Controller Design for Active Noise

Cancellation Headphones Using Experimental Raw Data. IEEE/ASME

Transactions On Mechatronics, vol. 6, no. 4, december 2001.

TMS320C6713 DSK Technical Reference DSP Development Systems. 2003.

129

ANEXOS

ANEXO A Tarjeta DSP TMS320C6713 de Texas Instruments

Imagen 47. Tarjeta DSP TMS320C6713 de TI con todos sus accesorios

Los procesadores digitales de señales tales como la familia TMS320C6x (C6x) son

microprocesadores rápidos de propósito especial, con una arquitectura

especializada y un conjunto de instrucciones para el procesamiento de señales. La

notación C6x es empleada para designar a un miembro de la familia Texas

Instruments (TI) TMS320C6000. 7

Los procesadores digitales de señal son empleados para una amplia gama de

aplicaciones, desde sistemas de comunicación y control, hasta procesamiento de

7 Andrés Romero Mier y Terán, “Desarrollo de Sistemas de Control Activo de

Ruido”, p. 46, Junio 20 2008. Mexico D.F.

130

voz e imágenes. Los DSP de propósito general son empleados principalmente en

aplicaciones de comunicaciones (sistemas de comunicación celular). Los DSP con

aplicaciones específicas son los que dominan mercados directos al consumidor

como lo son los teléfonos celulares, radios, impresoras, reproductores MP3,

televisores de alta definición, cámaras digitales, etc. Estos procesadores se han

vuelto de común elección debido a su menor costo y que pueden manejar

diferentes tareas con solo reprogramarlos. Otra razón por la cual son utilizados

ampliamente es debido a que son utilizados para aplicaciones en tiempo real, en

donde el procesamiento debe seguir el paso de eventos externos, y en muchas

ocasiones los eventos externos son señales de entrada analógicas.

La C6713 DSK es una plataforma de desarrollo estándar de bajo costo, que

permite a los usuarios evaluar y desarrollar aplicaciones para la familia de TI

C67xx DSP.

Diagrama 13. Diagrama de bloques C6713

131

La Tarjeta DSP está equipada con una gran variedad de dispositivos internos,

diseñados para muchas aplicaciones, sus características son las siguientes8:

• Procesador Texas Instruments TMS320C6713 DSP operando a 225 MHz.

• AIC23 stereo códec.

• 16 Mbytes of synchronous DRAM.

• 512 Kbytes of non-volatile Flash memory.

• 4 LED para usuario y DIP switch.

• Expansión estándar para conectar tarjetas.

• USB host interface or external emulator.

• Single voltage power supply (+5V).

Diagrama 14. TMS320c6713 DSK codec interface

8 TMS320C6713 DSK, Technical Reference, DSP Development Systems, 2003.

132

La Interfaz DSP para señales de audio análogas funciona a través de un codec de

AIC23 y cuatro jacks audio de 3,5 mm (entrada de micrófono, entrada de línea,

salida de línea y salida de auriculares). El codec puede seleccionar el micrófono o

la entrada de línea como la entrada activa. La salida análoga es conducida a

través de la línea de salida (ganancia fija) y en la salida de auriculares (ganancia

ajustable). El Code Composer Studio se comunica con el DSK a través de un

emulador incorporado JTAG con una interfaz de host USB.

El DSK incluye 4 LED y 4 posiciones DIP switch como una simple manera de

proveer al usuario interactuar con la tarjeta. El Code composer Studio se

comunica con el DSK a través del JTAG emulator con un USB host interface.

133

ANEXO B Especificaciones técnicas micrófono AKG C 480 B

Imagen 48. Capsula de micrófono Imagen 49. Cuello móvil para micrófono

Imagen 50. Respuesta en frecuencia de capsula

134

Tabla 15. Especificaciones técnicas capsula Imagen 51. Micrófono C480B

Tabla 16. Especificaciones C480B

135

ANEXO C Especificaciones técnicas protectores auditivos Thunder 29

Imagen 52. Protectores auditivos Thunder 29

La imagen 54 muestra los protectores auditivos seleccionados a modificar, los

THUNDER 29 de Howard Leight son protectores auditivos tipo copa de alta

calidad, probados de acuerdo de la norma ANSI S3.19-1974 con clasificación de

reducción de ruido (NRR) de 29dB, la tabla 17 muestra su atenuación en

frecuencia.

136

Tabla 17. Atenuación por bandas de octava para protectores auditivos Thunder 29

137

ANEXO D Especificaciones técnicas micrófono WM-63PR

Imagen 53. Micrófonos electret Panasonic WM63PR

Imagen 54. Respuesta en frecuencia de Micrófonos Panasonic

Imagen 55. Especificaciones micrófonos Panasonic

138

ANEXO E Especificaciones audífonos Sony MDR-V150

Imagen 56. Audífonos Sony MDR-V150

Imagen 57. Especificaciones técnicas audífonos Sony

139

ANEXO F Plano eléctrico fuente dual

140

ANEXO G Plano eléctrico Preamplificador

141

APLICACIÓN DE CONTROL ACTIVO DE RUIDO PARA PROTECTORES AUDITIVOS

INDUSTRIALES

Christian Mauricio Parra Grajales Jorge Eduardo Pulido Bautista Universidad San Buenaventura

Bogotá D.C., 2010

Resumen

El proyecto busca por medio del control activo de ruido, controlar y reducir el ruido externo al que está expuesto un trabajador en su actividad laboral, ya sea proveniente de la(s) máquina(s) que opera, o del entorno que lo rodea. El control deseado se logra por medio de procesos que funcionan bajo el principio de interferencia destructiva o cancelación de fase entre dos o más ondas superpuestas. Teniendo en cuenta esta teoría y con la utilización de sistemas DSP, el control activo de ruido es aplicado en protectores auditivos industriales comunes que carecen de esta aplicación; la optimización del sistema de control activo y el manejo de los principios acústicos de estos, representa en ultimas el éxito del proyecto.

Abstract

The project aims through active noise control, reduce external noise that a worker is exposed in his work, whether from operating machinery, or the surrounding environment. The desired control is achieved through processes that operate on the principle of destructive interference or phase cancellation between two or more superimposed waves. Given this theory and the use of DSP systems, active noise control is applied to common industrial hearing protection without this application, the optimization of active control system and the management of acoustic principles such, represents latest project success.

Palabras claves

LMS, Feedforward, Control activo de ruido, Función Transferencia, Cabeza KEMAR, Protectores Auditivos, Simulink, Code Composer Studio, Tarjeta DSP TMS320C6713, filtro adaptivo

Keywords

LMS, Feedforward, Active noise control, transfer function, KEMAR, earmuff, Simulink, Code composer studio, DSP TMS320C6713, adaptive filter

Introducción

En las últimos 2 décadas el procesamiento de señal digital a tenido un importante desarrollo y evolución, siendo hoy en día indispensable en la mayoría de dispositivos que usamos diariamente. La aplicación del Control activo de ruido en tecnologías enfocadas a la industria del entretenimiento y protección auditiva está tomando cada vez un mayor auge, debido al desarrollo de procesadores DSP más pequeños y más rápidos, y porque sirven como un

142

complemento perfecto para el control pasivo de ruido.

Desarrollo de la investigación

Diagrama 15. Montaje total

En el diagrama 1 se encuentra el sistema

de medición que se compone de la cabeza

KEMAR con los micrófonos, la interfaz de

audio, y el computador con el software de

medición. El sistema de cancelación que

consta de los protectores auditivos con sus

respectivos micrófonos (micrófono de error

y micrófono de referencia), parlante y

tarjeta DSP. La tarjeta DSP es programada

bajo Simulink de Matlab utilizando el puerto

USB. La fuente de ruido es generada a

través de la interfaz de audio.

La cabeza se debe ubicar al frente de la

cabina de sonido en campo directo a 1

metro de distancia, los protectores

auditivos dependiendo de la medición a

efectuar, deben ser ubicados de tal forma

que cubran totalmente los oídos y no dejen

luces. Independientemente de que los

protectores estén puestos o no en la

cabeza, el ruido rosa emitido por la fuente

es capturado por los micrófonos AKG que

llevan esta señal a la interfaz de audio que

se encuentra conectada directamente al

computador, en el cual por medio del

software de medición se visualiza el

espectro en cuanto a frecuencia, fase y

amplitud del campo sonoro capturado por

los micrófonos AKG. De esta manera, esta

etapa revela el grado de atenuación que

generan los protectores auditivos con y sin

control activo de ruido.

Paralelo a la etapa de medición se

encuentra la etapa del sistema de

cancelación ya descrito, donde se tiene un

campo sonoro capturado por el micrófono

de referencia y posteriormente procesado

digitalmente por la tarjeta. El paso siguiente

es generar la señal deseada por los

transductores de salida, los cuales, y en

concordancia con la teoría de la

cancelación acústica, emiten el campo

secundario, que al ser sumado con el

campo incidente o primario, genera

interferencia destructiva en la zona de

silencio y por lo tanto la cancelación

deseada. Además, la cancelación es

rectificada por el micrófono de error, cuya

función es adaptar los coeficientes del filtro

según el residuo de la cancelación de los

campos.

143

Imagen 58. Programación Simulink

En la imagen 1 es mostrada la

programación realizada en Simulink para

luego ser llevado a la tarjeta mediante

Code composer studio. Las señales

tomadas por los micrófonos de error y de

referencia ingresan a la tarjeta por la

entrada linea stereo, que luego son

procesadas por el DSP de acuerdo al

código programado, en la imagen se puede

ver que la señal del micrófono de referencia

ingresa al puerto input de la tarjeta, la

señal es el resultado de procesar la

señal , mediante un filtro pasa bajas,

para luego ser ingresado a la entrada

desired del filtro LMS, la salida del filtro

adaptativo (señal de control es

llevado a la salida de audífonos que luego

alimenta al parlante para generar el

antiruido.

Imagen 59. Cabeza con protectores auditivos

Imagen 60. Micrófono referencia

Imagen 61. Micrófono de error y parlante

144

Imagen 62. Montaje total

Resultados

Figura 16. Comparación protectores

auditivos con y sin ANC

La figura 1 son tres resultados diferentes, la

línea azul es el resultado de la cabeza

KEMAR con protectores auditivos sin

control activo de ruido. La línea roja y la

línea verde son los resultados de los

protectores auditivos con control activo de

ruido, pero con constante de adaptación de

0.9 para la línea verde y 0.1 para la línea

roja. En las frecuencias desde 20Hz hasta

180Hz, el comportamiento de las líneas

roja y verde tienen la misma forma que la

línea azul, pero con una importante

atenuación. La tabla 1 y 2 se encuentran

tres frecuencias (57.9, 86.1y 129.1Hz) con

su respectiva atenuación para ruido rosa.

El sistema de cancelación logra realizar

atenuaciones desde 20Hz hasta 210Hz,

después de este rango el sistema aumenta

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

10 100 1000 10000

Ma

gn

itu

d d

B

Frecuencia Hz

145

la presión sonora entre 210Hz y 946Hz,

impidiendo que los protectores auditivos

logren atenuar, debido a que la fuente

antiruido está dentro de ellos.

Tabla 18. Atenuación protectores con ANC

contante 0.1.

Tabla 19. Atenuación protectores con ANC

constante 0.9

CONCLUSIONES

• En las figura 1 se observa un patrón

de aumento entre 40Hz y 210Hz por

parte de los protectores auditivos

con control activo de ruido en estado

desactivado. En este punto, los

protectores auditivos ya contienen

los transductores de salida en su

interior, razón por la cual, se plantea

la teoría de que al generar ruido rosa

desde la fuente, el diafragma de los

transductores resuena en este rango

de frecuencias, produciendo una

vibración que realimenta estas

frecuencias haciendo que su nivel se

eleve drásticamente. Además, se

tiene una segunda teoría que trata

de una posible resonancia en las

frecuencias nombradas aportada por

la cabeza KEMAR al momento de

generar ruido rosa y genera el

aumento en esta zona.

• El filtro LMS tiene una salida de

error, en donde se puede ver el

comportamiento de la señal de error

a través del tiempo, si la señal tiene

valores altos el filtro adaptativo

modifica sus coeficientes para lograr

reducir dichos valores. En la

simulación es muy práctico observar

esta salida porque permite ver la

adaptación que tiene el filtro con

respecto a las señales de entrada.

• Gracias a las comparaciones

objetivas de las mediciones del

sistema de control activo de ruido en

recinto cerrado y al aire libre, se

logra determinar que el sistema

funciona conforme a la teoría y que

57,9 5,47

86,1 4,45

129,1 6,31

57,9 2,06

86,1 3,59

129,1 -0,91


Ruido

Ruido rosa

Tonos puros


Experimento Frecuencia Hz Magnitud dB57,9 5,59

86,1 5,06

129,1 5,91

57,9 3,36

86,1 4,41

129,1 0,93


Ruido

Ruido rosa

Tonos puros

146

los protectores auditivos con ANC

lograron atenuar frecuencias entre

31Hz y 130Hz. Adicionalmente, por

medio de la comparación entre

ámbitos de medición se logro ver

que la curva de cancelación tiene

una tendencia a comportarse en

este caso siempre de la misma

manera y a atenuar casi las mismas

frecuencias.

• Un ideal transductor electroacústico

(parlante) no adiciona fase al manejo

de señal y su respuesta en

frecuencia es plana,

desafortunadamente parlantes

ideales no existen en la realidad. El

comportamiento del parlante en la

emisión del antiruido es un gran

factor a tener en cuenta, porque el

filtro adaptativo genera la señal de

control �� que luego es enviado al

parlante, donde la respuesta en

frecuencia del transductor afecta

dicha señal de control emitiéndola en

una forma modificada a la original.

• Se logro determinar por medio de

una medición objetiva espectral que

los protectores auditivos en modo

pasivo funcionan para frecuencias

medias-altas, es decir, que su forma

y el material poroso que hay en su

interior permiten absorber

frecuencias que se encuentran por

arriba de 350Hz, y que aun después

de haberles implementado el

sistema de cancelación, conservan

sus características de atenuación

con técnicas pasivas. No obstante

se sabe que su aislamiento no es

suficiente para atenuar frecuencias

abajo de 350Hz debido a que estas

frecuencias poseen longitudes de

onda mayores con respecto al área

de absorción de los protectores.

• Para procesar señales de audio y

lograr su conversión análoga/digital

y viceversa, es apropiado trabajar a

una rata de muestreo de 44.1KHz en

Matlab para tener mayor exactitud

en la información; sin embargo, al

manejar un mayor número de datos,

el conversor demora más tiempo en

realizar el muestreo de la señal y el

sistema genera una latencia que

aunque muy mínima puede ser, es

capaz de alterar las mediciones. De

la misma forma se ve afectado el

comportamiento del filtro LMS

puesto que este también debe

procesar mayor cantidad de datos, y

según las mediciones se ha

147

comprobado que el filtro, por ser

básico no es capaz de manejar

demasiada información sin alterar el

resultado de la cancelación. Este es

el motivo por el cual se trabajo con

una rata de muestreo de 8KHz, con

la cual el filtro marcha

adecuadamente. Otra razón es que

los protectores auditivos empiezan a

atenuar a partir de 300Hz hasta

alcanzar los 12Khz. Y el sistema con

control activo de ruido trabaja en un

rango de 20Hz hasta 500Hz. Según

la teoría de Nyquist en

procesamiento de señal digital la

frecuencia de muestreo ideal a

trabajar es el doble de la frecuencia

máxima de la señal a trabajar, si la

frecuencia máxima es 500Hz para el

rango de frecuencias bajas, la ideal

para muestrear es usando 1Khz. La

tarjeta trabaja con una frecuencia

mínima de muestreo de 8Khz, es

más que suficiente para realizar

dicho procesamiento.

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