Перевод от
_Mak_

Шумоподавляющие наушники

В сегодняшнем беспокойном и шумном мире мы все ищем тишины и покоя. И если Вы не можете улизнуть на час или два в тихий лес, Вы можете устранить окружающий шум, используя шумоподавляющие наушники. Принцип действия их заключается в том, что окружающий шум, воспринимаемый микрофоном, воспроизводится в них в противофазе, компенсируя шум, поступающий помимо их. Подобные устройства, имеющиеся в продаже, выполняют подобную задачу. Однако, создавая собственную конструкцию, Вы можете добавить дополнительные возможности, с которыми ее применение доставит Вам большее удовольствие.
Наряду с функцией шумоподавления такие наушники позволяют прослушивать сигнал от плеера. Это обеспечивает прослушивание музыки в тишине. В схеме предусмотрен переключатель фазы воспроизводимого сигнала. В этом случае фоновый звук будет усиливаться. Кроме того, наушники имеют еще ряд интересных применений, о которых мы расскажем далее.

Принципиальная схема.

Схема шумоподавителя состоит из трех каскадов, построенных на половинах сдвоенных операционных усилителей NE5532. Каждый из каскадов использует различную схему включения операционного усилителя. Первый каскад - неинвертирующий предварительный усилитель, второй - инвертор с коэффициентом усиления 1, третий - инвертирующий оконечный усилитель. Так как наушники предназначены для работы со стереосигналом, полная схема состоит из двух идентичных каналов. Далее будет описываться работа одного канала, имея в виду, что второй работает так же.

Рис. 1. Шумоподавляющие наушники - это просто инвертирующий усилитель. Все звуки после инвертирования воспроизводятся через телефоны, компенсируя исходные звуки, не оставляя ничего кроме тишины. Глубина подавления шумов может регулироваться, исходя из окружающих условий. Записи с плеера могут прослушиваться в полной тишине.

На схеме рис.1 представлена принципиальная электрическая схема шумоподавителя. Микрофон, закрепленный на наушниках, подключается к стереогнезду J1 диаметром 1/8 дюйма. Электретные микрофоны требуют питания 2-10 В для встроенных в них предварительных усилителей. Это напряжение подается через резистор R3. Цепь R1/C1 выполняет функции делителя напряжения и фильтра низких частот, предотвращая обратную связь по цепи питания. Она необходима для обеспечения высокого коэффициента усиления.
Сигнал от микрофона поступает на вход элемента ICl-a. Он включен по стандартной схеме неинвертирующего предварительного усилителя. Коэффициент усиления определяется отношением сопротивлений резисторов R8 и R6, включенных в цепь обратной связи, и составляет около 31 дБ. Резистор R4 обеспечивает привязку входа усилителя к уровню нуля питания. Два фильтра высоких частот, образованные цепочками C2/R4 и C4/R6, исключают прохождение через усилитель постоянного тока.
С выхода предварительного усилителя сигнал поступает на переключатель S1 и инвертирующий каскад. Этот каскад представляет из себя половину микросхемы NE5532, включенную по схеме инвертора с коэффициентом усиления 1, выход которого подключен ко второму контакту переключателя S1. Таким образом, переключатель S1 позволяет выбрать необходимый сигнал (инвертированный или неинвертированный). Выбранный сигнал с общего контакта S1 через потенциометр R14-a, устанавливающий необходимый его уровень, поступает на вход оконечного усилителя.
Оконечный усилитель выполнен на половине третьей микросхемы NE5532, включенной по схеме инвертирующего операционного усилителя. Коэффициент усиления каскада определяется отношением сопротивлений резисторов R19/R15. Данный тип усилителя легко модифицируется в сумматор сигналов путем добавления резистора R17. Второй сигнал поступает через него со вспомогательного хода. Уровень его устанавливается потенциометром R23-a.
Номинал резисторов R15 и R17 10 кОм выбран из следующих соображений. При таком соединении с потенциометрами, имеющими сопротивление 100 кОм и линейную характеристику зависимости сопротивления от угла поворота, общее сопротивление цепей R14-a/ R15 и R23-a/R17 меняется по логарифмическому закону, что необходимо для равномерного изменения громкости в наушниках. Так как потенциометры номиналом 100 кОм с логарифмической характеристикой встречаются гораздо реже, чем с линейной, были выбраны такая схема и такие номиналы.
Сигнал с выхода оконечного усилителя через резистор R21 поступает на гнездо J3. Резистор R21 защищает оконечный усилитель от перегрузки при коротком замыкании в цепи нагрузки. Если Вы до этого не использовали операционные усилители в качестве оконечных для наушников, Вы будете приятно удивлены. Микросхема NE5532 обеспечивает среднеквадратичный уровень сигнала 10 В на нагрузке 600 Ом с очень малыми искажениями, что соответствует выходной мощности 166 мВт, в то время как большинство плееров развивает 20-30 мВт.
Заключительное примечание относительно использования операционных усилителей в качестве оконечных для наушников. Далеко не все их типы обеспечат необходимую выходную мощность. Возможные замены NE5532 - операционные усилители ОP275 фирмы Analog Devices, OPA2604 фирмы Burr Brown, и LM833 фирмы National Semiconductor.

Конструкция.

Работа включает в себя изготовление электронной части и доработку стереонаушников. Электронная часть может быть выполнена на печатной плате собственной разработки или с использованием макетных плат, выпускаемых промышленностью.
После сборки тщательно проверьте правильность монтажа. Распространенная ошибка, совершаемая, радиолюбителями - включение устройства без такой проверки. При этом какие-то компоненты или провода могут быть установлены с неправильной полярностью. Обычный результат в этом случае - неработоспособность устройства, возможно повреждение микросхем и даже взрыв электролитических конденсаторов.



Рис. 2. Плата с электронными компонентами и батареи питания размещаются в общем корпусе. Длина соединительных проводов должна быть такой, чтобы обеспечивалась простая замена батарей.

При подсоединении гнезд желательно придерживаться общепринятых стандартов. Правый канал подключается к кольцевому контакту, левый - к наконечнику штекера. Вариант компоновки устройства и размещения органов управления представлен на рисунке 2.
Для размещения устройства может быть использован любой готовый или самодельный корпус достаточных размеров.



Рис. 3. Микрофоны установлены на соответствующих сторонах наушников. Провода от микрофонов для удобства скреплены с проводом наушников. При подключении микрофонов придерживайтесь схемы В. Минусовой вывод электретного микрофона легко определяется по перемычке между ним и корпусом.

Наушники - стандартные для аудиоаппаратуры. Модифицируются путем установки на них двух электретных микрофонов в соответствии с рис. 3.
При этом для соединения микрофонов используется тонкий провод. Лучше всего использовать готовый провод от других дешевых или неисправных наушников. Помимо всего прочего на нем уже имеется штекер.
Соблюдая правильность подсоединения левого и правого каналов, аккуратно припаяйте провода к выводам микрофонов. Проверьте их работоспособность перед их креплением.
Установите микрофоны на наушниках как показано в рис. 3A. Один из возможных способов крепления - приклеивание. При установке микрофонов будьте аккуратны и не повредите силиконовый звукоизолятор наушников. Разумеется, правый микрофон необходимо установить на правый наушник, левый - на левый. Иначе конструкция не будет работать.
После высыхания клея соедините между собой провода наушников и микрофонов, используя пластмассовые хомуты или любым другим способом. После этого можно начинать эксперименты.

Создание Тихой Зоны.

Для проверки наушников разместитесь в тихой комнате с негромким посторонним звуком, например, работающим вентилятором или кондиционером. Наденьте наушники и подключите их к шумоподавителю. Поставьте потенциометры в крайнее левое положение и включите питание. Постепенно увеличивайте уровень сигнала от микрофонов. Уровень посторонних шумов в наушниках должен уменьшаться. Если он увеличивается, с помощью S1 переключите фазу сигналов. При каком-то положении регулятора уровня шумы достигнут минимума, после чего их уровень снова начнет возрастать, так как проинвертированный сигнал будет превышать фоновый звук. Попробуйте громко поговорить. Если Вы будете слышать свой голос так, как с заложенными при насморке ушами, устройство работает правильно.
Обратите внимание, что невозможно устранить весь фоновый звук. На качество влияет компенсации шумов - частотные характеристики микрофонов, их расположение и многое другое. Не стесняйтесь экспериментировать.
Если все работает как требуется, попробуйте подключить к вспомогательному входу (J2) плеер. Для этого понадобится аудиокабель с двумя соответствующими штекерами. После подключения плеера и регулировки уровня шумов, с помощью потенциометра R23 постепенно увеличивайте уровень сигнала аудиозаписи. Он должен воспроизводиться без искажений. Поэкспериментируйте, подбирая уровни сигналов микрофонного и вспомогательного входов. Шумоподавляющие наушники - превосходное устройство для применения в условиях сильного шума, например, в помещениях с громко работающими системами вентиляции.

За пределами Тихой Зоны

Этот прибор может использоваться и в ряде других случаев, некоторые из которых не требуют никакого дополнительного оборудования. Например, включая микрофоны синфазно с внешним шумом, можно достичь улучшения слуха, например, на охоте или при наблюдении природы.
Другое необычное применение данных наушников - стереофоническая запись звука. Так как мы уже имеем два микрофона, установленных в по существу тех же самых местах, где и уши человека, все, что мы должны сделать - направить сигнал на вход магнитофона. Такая запись позволит слушателю очутиться непосредственно в записываемом акустическом поле. Два микрофона, воспроизводят все фазовые и временные характеристики звука так же, как слышим их мы. Это позволяет точно определить направление на звук.
Попробуйте провести небольшой эксперимент. Запишите речь человека, ходящего вокруг Вас. Затем прослушайте запись. Вы услышите, как источник звука движется вокруг Вас. Микрофоны, используемые в устройстве, работают в диапазоне частот 20 Гц - 20 кГц и обеспечивают преобразование с очень высоким качеством.


Рис. 4. Установка обоих микрофонов, развернутых под углом, на конце длинной палки образует звуковой зонд. Он может быть полезен для прослушивания звуков в труднодоступных местах.

Другие интересные инструменты могут быть созданы путем различного размещения микрофонов. Если два микрофона, подключенных аналогично рис. 3В, установить на конце длинного штыря диаметром примерно полдюйма, получим инструмент для прослушивания звуков в труднодоступных местах (рис. 4). С его помощью можно, например, искать неисправности в механизмах. Разместив микрофоны под углом 90-120 градусов между ними, мы получим возможность стереофонического прослушивания звука в труднодоступном месте.


Рис. 5. Параболическая тарелка или рефлектор прожектора в сочетании с микрофоном - это готовое "Большое Ухо". Микрофон установлен в фокусе отражателя. С отражателями могут быть установлены или один или два микрофона. При установке двух получаем стереозвук.

Развитие направленных микрофонов - "Большое Ухо". Общий вид показан на рисунке 5. Основной компонент - маленькая параболическая тарелка. Разместите один или оба микрофона в ее фокусе и экспериментируйте. В дальнейшем можно использовать два рефлектора (один для левого микрофона, один для правого) и экспериментировать со стереофоническим приемом удаленного звука.

Перечень элементов.

Резисторы (0,25 Вт):
R1 - 4.7 кОм
R2, R3 - 2.2 кОм
R4, R5 - 1МОм
R6, R7 - 1 кОм
R8, R9 - 33 кОм
R10-13, R15-18 - 10 кОм
R14, R23 - 100 кОм сдвоенный переменный резистор
R19, R20 - 100 кОм
R21, R22 - 47 Ом
Другие детали и материалы:
IC1-3 - NE5532
C1 - 33 мкФ, 25 В, электролитический конденсатор
C2, C3 - 0,01 мкФ керамический конденсатор
C4, C5 - 10 мкФ, 25 В электролитический конденсатор
J1-3 - аудио джеки, стерео
S1, S2 - переключатели
B1, B2 - батареи 9 В
Микрофоны, наушники, печатная плата, корпус, провод, крепеж и др.

1997, Gernsback Publications (Popular Electronics and Electronics Now).