Cancelamento de ruído: como funciona nos fones
O cancelamento de ruído de um fone de ouvido combate som com som. Microfones captam o barulho de fora, um circuito calcula uma onda igual e invertida, e o alto-falante a toca junto com a música. Onde a onda do ruído sobe, a do fone desce, e as duas se anulam antes de chegar ao tímpano.
Este artigo explica como funciona o cancelamento de ruído, com a física da interferência, a conta que mostra por que ele funciona bem para o ronco de um avião e mal para uma voz, e o que isso tem a ver com a saúde dos ouvidos. As fontes são a patente original de 1936, a linha do tempo da Bose, páginas da Sony e da Apple, o instituto americano de segurança do trabalho (NIOSH) e a Organização Mundial da Saúde.
O princípio: uma onda contra a outra
O som é uma variação de pressão do ar, que sobe e desce muitas vezes por segundo. Se duas ondas iguais chegam ao mesmo ponto com os picos desencontrados, uma no alto quando a outra está embaixo, as pressões se somam e dão zero. É a interferência destrutiva.
A ideia é antiga. A patente do alemão Paul Lueg, pedida nos Estados Unidos em 1934 e concedida em 9 de junho de 1936, descreve o processo: as oscilações sonoras a serem silenciadas são captadas por um receptor e reproduzidas por um aparelho na forma de sons com fase oposta (patente US 2.043.416). Faltava a eletrônica rápida o bastante para fazer isso na prática.
Do avião ao fone de bolso
A versão para fones nasceu de um voo. Em 19 de abril de 1978, numa viagem de Zurique a Boston, o engenheiro Amar Bose se incomodou com o ruído da cabine, pegou um lápis e começou a procurar uma solução. Ao chegar, oito horas depois, tinha um conceito de cancelamento de ruído que achava que poderia funcionar, segundo a linha do tempo da empresa. A técnica ainda levaria anos para chegar aos fones vendidos ao público.
Como o fone faz isso
Um fone com cancelamento ativo tem três partes além do alto-falante. A descrição a seguir é a usual na literatura de engenharia de áudio; não a tiramos de uma fonte única.
- Microfones externos captam o ruído antes de ele entrar na concha. É o arranjo de alimentação direta: o circuito tem um instante de antecedência para preparar a onda inversa.
- Microfones internos, perto do ouvido, escutam o que sobrou e corrigem o erro. É o arranjo de realimentação.
- Um processador ajusta continuamente o filtro que gera a onda inversa, porque o ruído muda e o encaixe do fone na cabeça também.
Os melhores fones atuais combinam os dois arranjos. O Sony WH-1000XM5, por exemplo, tem quatro microfones em cada concha, oito no total, e dois processadores dedicados, segundo a página do produto. A Apple anunciou que a segunda geração dos AirPods Pro cancela até o dobro do ruído da anterior, segundo o comunicado da empresa. Os sensores que esses aparelhos carregam são parentes dos de como funciona o giroscópio do celular.
Por que funciona melhor para sons graves
Quem usa esses fones nota: o ronco do motor some, mas a voz do vizinho continua. A razão está em duas contas.
O tamanho da onda
O comprimento de onda é a velocidade do som dividida pela frequência. Com o som a 343 m/s (ar a 20 °C):
- 100 Hz, um ronco grave: 343 ÷ 100 = 3,43 m;
- 1.000 Hz, faixa da voz: 34,3 cm;
- 10.000 Hz, um chiado agudo: 3,4 cm.
Uma onda de 3,43 m é enorme perto de uma concha de fone. A pressão sobe e desce praticamente igual em todo o espaço entre o alto-falante e o tímpano, e uma única onda inversa serve para o ouvido inteiro. Já uma onda de 3,4 cm é da ordem do tamanho do canal do ouvido e da concha: a pressão varia de um ponto para outro, e a onda inversa que anula num ponto reforça em outro.
A precisão necessária
A redução de ruído é medida em decibéis (dB). Cada 10 dB a menos significam 10 vezes menos potência sonora; 20 dB, 100 vezes menos.
Para cancelar 20 dB, o que sobra precisa ter um décimo da amplitude original. Isso exige que a onda inversa acerte a amplitude com erro menor que 10%, se a fase for perfeita, ou a fase com erro menor que cerca de 5,7 graus, se a amplitude for perfeita. Com os dois erros juntos, o resultado cai para uns 17 dB (contas nossas, pela soma de duas ondas senoidais). Em tempo, 5,7 graus valem:
- a 100 Hz: 5,7 ÷ 360 ÷ 100 ≈ 158 milionésimos de segundo;
- a 1.000 Hz: ≈ 16 milionésimos de segundo;
- a 5.000 Hz: ≈ 3 milionésimos de segundo.
A tolerância encolhe com a frequência. Para comparar: o som leva cerca de 50 milionésimos de segundo para andar 1,7 cm, uma distância típica dentro da concha, e é mais ou menos esse o tempo que o circuito tem para captar, calcular e tocar. Nos agudos, o atraso da própria eletrônica já consome a tolerância, e a correção feita pelo microfone interno fica instável se tentar agir em frequências altas.
Com erro de fase de 30 graus, o cancelamento cai para menos de 6 dB. Com 60 graus, é zero: a onda “inversa” não tira nada, mesmo com a amplitude exata. Acima disso, ela soma ruído.
| Faixa | Exemplo | Quem resolve |
|---|---|---|
| Graves, constantes | motor de avião, ar-condicionado, ônibus | cancelamento ativo |
| Médios | vozes, televisão | um pouco de cada |
| Agudos e sons repentinos | talheres, teclado, buzina | isolamento passivo: a almofada e a concha |
Por isso um bom fone com cancelamento também veda bem. A espuma barra os agudos, e a eletrônica cuida dos graves, que a almofada barra pouco. A barreira física segue a mesma lógica do isolamento acústico em estúdios.
Cancelar ruído protege a audição?
Indiretamente, pode ajudar. Em ambiente barulhento, a tendência é aumentar o volume para cobrir o ruído. Com menos ruído chegando ao ouvido, dá para ouvir a mesma música mais baixo. Essa é uma inferência nossa; o que as fontes dão são os limites de exposição.
O NIOSH recomenda, para ruído no trabalho, o limite de 85 decibéis ponderados ao longo de um turno de oito horas, e a cada 3 dB a mais o tempo de exposição deve cair pela metade. A tabela que sai dessa regra:
| Nível (dBA) | Tempo recomendado por dia, pela regra do NIOSH para o trabalho |
|---|---|
| 85 dB | 8 horas |
| 88 dB | 4 horas |
| 91 dB | 2 horas |
| 94 dB | 1 hora |
| 100 dB | 15 minutos |
Para fones de uso pessoal, o padrão da Organização Mundial da Saúde com a União Internacional de Telecomunicações é mais conservador: 80 dB para adultos e 75 dB para crianças, nos dois casos por até 40 horas por semana. Baixar o volume em 9 dB, de 94 para 85, multiplica por oito o tempo recomendado pela regra do NIOSH, que foi pensada para o trabalho e não para o lazer.
O que o cancelamento não faz
- Não cria silêncio total. Sobra sempre um resíduo, maior nos médios e agudos.
- Não lida bem com sons repentinos, que mudam mais rápido do que o filtro se adapta.
- Com vento, os microfones externos captam turbulência que não é som ambiente, e o fone pode gerar ruído em vez de tirar.
- Gasta bateria: os microfones e o processador ficam ligados o tempo todo.
O modo de transparência, comum nesses fones, usa os mesmos microfones ao contrário: em vez de anular o som de fora, reproduz parte dele, para o usuário ouvir um aviso ou uma conversa. O processamento de som dentro de aparelhos pequenos é assunto de inteligência artificial em celulares.
Perguntas frequentes
Como funciona o cancelamento de ruído?
Microfones captam o ruído, um processador gera uma onda sonora igual e invertida, e o alto-falante a reproduz. As duas ondas se anulam.
Cancelamento de ruído faz mal ao ouvido?
Na faixa em que funciona, a onda inversa reduz a pressão sonora que chega ao tímpano. Fora dela, pode acrescentar um pouco de ruído, em nível baixo. Algumas pessoas relatam sensação de pressão no ouvido; não encontramos fonte primária que a explique.
Por que ainda ouço vozes com o cancelamento ligado?
Porque o cancelamento ativo é mais eficaz nos sons graves e constantes. A voz está nos médios e muda o tempo todo.
Qual a diferença entre cancelamento ativo e isolamento passivo?
O passivo é a barreira física da concha e da almofada, que barra melhor os agudos. O ativo usa eletrônica para anular os graves.
Quem inventou o cancelamento de ruído?
O princípio foi patenteado por Paul Lueg, com patente americana concedida em 1936. A aplicação em fones foi desenvolvida a partir de 1978 por Amar Bose.
O cancelamento de ruído é uma soma que dá zero, e a dificuldade toda está em acertar a onda inversa a tempo. Ele vence os graves, em que a onda é longa e lenta, e deixa os agudos para a almofada. Outros mecanismos explicados com a conta estão em como funciona a engenharia.
