מבוא לרעשי רקע בהנדסה

כסטודנט להנדסה או מהנדס, אתה יודע שמערכות אלקטרוניות נמצאות בכל מקום, מהטלפון שלך למכונית שלך ועד למכשירי החשמל בבית שלך.

אבל אולי אתה לא יודע שלמערכות האלה יש אויב נסתר שיכול להשפיע על מידת העבודה והאמינות שלהן: רעשי רקע.

רעשי רקע, כמו זמזום חוטי חשמל או הפרעות ממכשירים אחרים, עלולים לפגוע באיכות האותות ולהקשות על מערכות אלקטרוניות לעבוד.

בשל כך, חשוב לדעת הרבה על רעשי רקע וכיצד להיפטר מהם ביעילות.

בפוסט זה בבלוג נלמד על רעשי רקע, כולל מאיפה הוא מגיע, מה הוא עושה וכיצד למנוע ממנו לבלבל את האלקטרוניקה.

הבנת רעשי רקע במערכות אלקטרוניות

הגדרה פורמלית:

האותות הלא רצויים שתמיד קיימים במערכת אלקטרונית או אחרת, ללא תלות בשאלה אם האות הלא רצוי קיים או לא.

רעש רקע הוא כל אנרגיה שאינה רצויה או מטרידה ומפריעה לאות תקשורת. זה יכול לנבוע מדברים טבעיים כמו רוח, גשם, שלג, טמפרטורה, לחות וכוח הכבידה של הירח.

זה יכול לבוא גם מדברים שאנשים יצרו, כמו מערכות אלקטרוניות, צפיפות ספקטרלית הספק, שדות מגנטיים, קווי תמסורת, גנרטורים, תחנות כוח, מחשבים או טלפונים סלולריים.

רעשי רקע משפיעים על איכות האותות במערכות אלקטרוניות בכך שהוא מקשה על אנשים לתקשר.

רעש הוא שגיאה או הפרעה אקראית של אות מידע שימושי בערוץ תקשורת שאינו רצוי.

S/N או SNR מייצגים יחס אות לרעש.

יחס האות לרעש (S/N או SNR) הוא דרך להשוות את עוצמת האות המבוקש לעוצמת רעשי הרקע. כשמדובר בשירותי רשת, עדיף יחס S/N גבוה יותר מאשר יחס נמוך יותר.

אם יחס ה-S/N של אותות Wi-Fi נמוך מדי, למשל, זה יכול לפגוע בביצועי הרשת מכיוון שהוא מקשה על מכשירים לזהות את האות שהם רוצים מהרעש.

זה יכול לגרום להורדת מנות ולשלוח נתונים שוב ושוב, להפחית את התפוקה ולהגדיל את השהיה.

כיצד מיגון והארקה עוזרים לצמצם את רעשי הרקע

מיגון והארקה יכולים לסייע בהפחתת רעשי הרקע במערכות אלקטרוניות על ידי מתן נקודת הארקה לכל המכשירים, מניעת לולאות הארקה, הגדלת המרחק בין הרשתות התוקפן לקורבן, שימוש בכבלים מסוככים והקמת מערכת הארקה נכונה.

ניתן להשתמש בכבלים מסוככים כדי למנוע מרעש אלקטרוסטטי להיכנס לתוך המוליכים וכדי לשמור על רעש אלקטרוסטטי בתוך המגן. שימוש בכבלים מסוככים בצורה הנכונה יעזור לצמצם את הרעש האלקטרוסטטי המגיע ממצב נפוץ.

כדי שלמערכת DAQ יהיו פחות בעיות רעש, יש לבצע הארקה והדבקת קרקע במהלך שלבי התכנון וההתקנה.

על ידי ביצוע שיטות עבודה מומלצות אלה, תוכל להפחית את כמות רעשי האות המשפיעים על רשתות בקרת תהליכים ולוודא שמערכות אלקטרוניות פועלות כהלכה.

מיגון יכול לסייע בהפחתת הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) והפרעות בתדר רדיו (RFI) על ידי הצבת מחסום מוליך בין המכשיר למקור ההפרעה.

שחרור כוחו של רעשי רקע: ממטרד לכלי יצירתי

עדיין קשה להבין? תן לי לשנות קצת את נקודת המבט:

נמאס לך לקבל צליל צלול וחיבורים קלים במכשירים שלך? האם אתה רוצה להפוך את המערכות האלקטרוניות שלך לקשות ומתסכלות יותר לשימוש? ובכן, כל מה שאתה צריך לעשות הוא להקשיב לרעשי הרקע! כן זה נכון.

אתה יכול להפוך מערכת שעובדת בצורה מושלמת לבלאגן כאוטי על ידי מתן לאותות הלא רצויים שתמיד קיימים במערכות אלקטרוניות להשתולל.

לא מאמין לנו? פשוט שבו, קחו את זה בקלות, ותן לרעש ברקע לעשות את שלו!

אוקיי, זו הייתה רק בדיחה שנעשתה כדי להיראות כמו פרסומת בטלוויזיה.

עכשיו נחזור להסבר...

מדידה וכימות רעשי רקע

רעשי רקע יכולים להשפיע על מערכות אלקטרוניות.

זה יכול להוריד את איכות האותות ולהשפיע על מידת העבודה של הרשת.

חשוב למדוד ולספור רעשי רקע כדי שתוכלו להבין טוב יותר כיצד הוא משפיע עליכם ולהמציא דרכים להיפטר ממנו.

שיטות למדידת רעשי רקע

במערכות אלקטרוניות, ישנן מספר דרכים למדוד ולספור רעשי רקע.

מקור רעש ששולח אות רעש ידוע למעגל המעניין הוא אחת הדרכים לעשות זאת.

זה מאפשר למדוד כמה רעש אקראי יש במעגל.

גורם הרעש משמש גם בשיטת ה-gain, שהיא דרך נוספת למדידת רעשי רקע במעגל.

נתון הרעש של מעגל נמדד בשיטת הרווח.

נתון הרעש הוא מדד לכמות הרעש שהמעגל מוסיף לאות שהוא ניתן.

מנתח ספקטרום יכול גם למדוד את כמות הספק הרעש במוצא.

מכשיר זה מודד את ספקטרום ההספק של האות וניתן להשתמש בו כדי למצוא מקורות רעש ולהבין כמה הם חזקים.

יחידות מדידה לרמות רעש חשמלי

יחידות מדידה של רמת רעש חשמלי כוללות הספק חשמלי N בוואט או dBm, מתח ממוצע ריבועי (RMS) בוולט, dBV ושגיאה ממוצעת בריבוע (MSE) בוולט בריבוע.

מדי רמת קול

מדי רמת קול הם כלים המודדים את כמות הרעש בדציבלים (dB).

למכשירים אלה יש הגדרה הנקראת A-weighting שמשנה את הקריאות כך שיתאימו לאופן שבו האוזן האנושית מגיבה לתדרים שונים.

מדי רמת קול משמשים לעתים קרובות למדידת מידת העוצמה של הסביבה, והם כלי חשוב לקביעת כללים וכללים לגבי רעש.

יחס אות לרעש (S/N)

יחס אות לרעש (S/N) הוא דרך להשוות את עוצמת האות המבוקש לעוצמת הרעש ברקע.

S/N נמדד בדרך כלל בדציבלים, וניתן להשתמש בלוגריתם בסיס 10 כדי להבין זאת.

לדוגמה, אם אתה מודד במיקרו וולט, אתה יכול להשתמש בנוסחה זו: S/N = 20 log10(Ps/Pn), כאשר Ps הוא עוצמת האות ו-Pn הוא עוצמת הרעש ברקע.

מקורות לרעש רקע במערכות אלקטרוניות וכיצד למזער או להעלים אותם

רעש יכול להגיע גם מבפנים וגם מבחוץ של מערכות אלקטרוניות. רעש שמגיע מתוך המגבר נקרא רעש פנימי. רעש שמגיע מחוץ למערכת נקרא רעש חיצוני.

רעש מוליך, המגיע למערכת דרך כבלים, ורעש מוקרן, המגיע ממקום אחר דרך האוויר או הוואקום, הם שני סוגי רעש חיצוני.

גם מעגלים אלקטרוניים במכשירים שאינם עשויים היטב ואינם חוסמים מספיק רעש מבפנים ומבחוץ יהיו רגישים יותר לרעש אות.

סינון והארקה

אחת הדרכים לצמצם או להיפטר מרעשי רקע במערכות אלקטרוניות היא לשים פילטרים על הכבלים שבהם הרעש נכנס.

כדי לעשות זאת, אתה יכול להוסיף מהדקי פריט לכבל כדי להפוך אותו לאינדוקטיבי יותר.

כדי שמערכות DAQ יסבלו פחות מבעיות רעש, עליהן להיות מתוכננות ומותקנות עם הארקה נכונה והדבקת קרקע.

הגדרת מישור הארקה יכולה לעזור לצמצם את הרעש ולוודא שלכל המעגלים במערכת יש את אותו פוטנציאל התייחסות כדי שניתן יהיה להשוות אותות שונים.

צמצום רוחב הפס

צמצום רוחב הפס של המערכת היא דרך טובה נוספת לצמצם את רעשי האות.

זה זהה לקיצור הזמן שלוקח למדידת אות דיגיטלי.

אם למגבר יש רוחב פס זהה לאות שהוא מגביר, הוא יוסיף פחות רעש חיצוני מאשר רעש עם רוחב פס גבוה יותר.

טכניקות להסרת רעשי רקע מהקלטות אודיו או וידאו ושיטות עבודה מומלצות למניעת רעשי רקע

הסרת רעשי רקע

ישנן דרכים שונות להיפטר מרעשים ברקע של הקלטות אודיו או וידאו.

דרך אחת היא להשתמש בפילטר, כמו אפקט השמע הפחתת רעש ב-TechSmith Camtasia או אפקט הפחתת הרעש ב-Audacity, הכולל בידוד הקליפ ולחיצה על Effect, Noise Reduction, Get Noise Profile.

ישנם גם כלי תוכנה כמו Krisp, Wavosaur, Samson Sound Deck, Wavepad ו-NoiseGate שניתן להוריד ולהשתמש בהם כדי לצמצם את רעשי הרקע.

מניעת רעשי רקע

ישנן כמה שיטות עבודה מומלצות שניתן להשתמש בהן כדי למנוע הקלטת רעשי רקע.

גישה יעילה אחת היא להקליט בסביבה שקטה.

ניתן לעשות זאת על ידי הקטנת הרווח בין הנושא למיקרופון והרווח בין המיקרופון לרעש גדול יותר.

כשאפשר, חשוב גם להיפטר ממקורות רעשי רקע.

לדוגמה, אתה יכול לכבות מזגנים בקרבת מקום או לעבור למקום חדש עם פחות רעשי תנועה.

שימוש במיקרופונים כיוונים יכול גם לסייע בהפחתת רעשי רקע על ידי התמקדות במקור הקול ומזעור צלילים מכיוונים אחרים.

שמשות רוח ומיקרופון חיזוק/הגברה

שימוש בשמשות קדמיות טובות במיקרופונים בעת הקלטה בחוץ היא דרך טובה נוספת לשמור על רעשי רקע שלא יפריעו.

בהתאם למכשיר המשמש להקלטת צלילים, שינוי רמת החיזוק או ההגברה של המיקרופון יכול גם להפחית את הרעש.

תוכנית פעולה

לבסוף, חשוב ללמוד כיצד להתמודד עם רעשי רקע ולתכנן מה לעשות אם קורים רעשים בלתי צפויים במהלך הקלטות או פגישות.

זה יכול לעזור לשפר את הצליל ולהפוך את רעשי הרקע לפחות בולטים.

ביטול רעשי רקע בטכנולוגיות תקשורת

רעש ברקע יכול להיות בעיה גדולה במהלך פגישות מקוונות או שיחות וידאו.

ישנן מספר דרכים להיפטר מרעשי רקע ממיקרופונים או אוזניות של מחשב, ואלה חדשות טובות.

שימוש בתכונות מובנות לביטול רעשים

צורות רבות של תקשורת כוללות תכונות מובנות לביטול רעשים המקלות על השמע במהלך פגישות או שיחות כאשר יש רעשי רקע.

לדוגמה, לאפליקציית שולחן העבודה של Microsoft Teams ולאפליקציית iOS יש שתיהן שלוש רמות של דיכוי רעשים כדי לעזור למשתתפי הפגישה לעמוד במשימה.

שימוש באפליקציות להסרת רעשי רקע של צד שלישי

דרך נוספת להיפטר מרעשי רקע היא להשתמש באפליקציות כמו Krisp, המשתמשות בטכנולוגיה המופעלת על ידי AI כדי לבטל רעשים ברקע.

בשימוש עם כלי תקשורת אחרים, יישומים אלה יכולים לשפר את איכות הצליל של שיחות.

בידוד אקוסטי של החדר או שינוי מיקום

אתה יכול גם להיפטר מרעשי רקע על ידי בידוד אקוסטי של החדר שלך או תזוזה.

במהלך פגישות תקשורת, שינויים פשוטים כמו סגירת דלתות וחלונות או מעבר לחדר שקט יותר יכולים לעזור לצמצם את הפרעות הרעש.

התאמת מיקום המיקרופון והרמקול

שינוי המיקום של המיקרופון והרמקולים שלך יכול גם לעזור לצמצם את רעשי הרקע.

אם תקרב את המיקרופון לפה שלך, הוא יכול לקלוט את הקול שלך על צלילי רקע רועשים.

הרחקת הרמקולים מהמיקרופון יכולה להפחית את כמות המשוב ורעשי הרקע.

שימוש במכשירים מסודרים

מכשירים מסודרים מבטלים אוטומטית רעשי רקע עבור שיחות טלפון על ידי יצירת בועה וירטואלית לפגישה שלך והפחתת הרעש מבלי לעמעם את המשתתפים.

טכנולוגיית המיקרופון והרמקול החכם ב-Neat עוזרת להפוך את צליל האודיו לצלול ומצמצמת את רעשי הרקע.

מזעור רעשי רקע בסביבות יומיומיות

רעש ברקע הוא בעיה שכיחה בבתים, בתי ספר, מקומות עבודה ומקומות ציבוריים.

יש מספר דברים שניתן לעשות כדי להפחית או להיפטר מרעשי רקע.

מקורות לרעש רקע בסביבות יומיומיות

כמה מקורות נפוצים של רעשי רקע בחיי היומיום הם:

• מקורות תעשייתיים כמו מפעלי טקסטיל, מפעלי הנדסה, מכונות דפוס ותעשיות מתכת.
• מכשירי חשמל רועשים עם תופים מתנופפים או מאווררים סוערים בבתים.
• רעש בבתי ספר, כמו בכיתות, קפיטריות, מסדרונות וגני שעשועים.
• רעש תעסוקתי בסביבות תעשייה וייצור כבדות, כגון חוות, קפיטריות או ברים.

אסטרטגיות למזעור רעשי רקע

• שימוש באטמי אוזניים ומחסומים.

השתמש באטמי אוזניים או באוזניות מבטלות רעשים כדי לצמצם או להיפטר מרעשי רקע.

ניתן ללבוש אותם בעבודה או בזמן שינה כדי להפחית את כמות הרעש מהסביבה.

קירות, דלתות וחלונות יכולים לשמש גם כדי לצמצם רעידות וגלי קול חזקים.

• שימוש במכשירים שקטים יותר.

בבתים, מכשירי חשמל רועשים כמו תופים מתנפלים או מאווררים מתערבלים צריכים להיות מוחלפים במכשירים שקטים יותר.

זה יכול להפחית בהרבה את הרעש בבית.

• שימוש במכונות רעש לבן/ורוד.

ניתן להשתמש במכונות רעש לבן גם כדי לכסות רעשי רקע מכיוון שהן משמיעות צליל יציב שעוזר להטביע צלילים אחרים.

אבל מכונות רעש לבן עשויות לא להיות הבחירה הטובה ביותר בכל המצבים מכיוון שהן יכולות גם להוסיף לרמת הרעש.

• טיפול אקוסטי.

שימוש בחומרים כמו פנלים או אריחים כדי לספוג גלי קול ולקצץ בזמן הדהוד נקרא טיפול אקוסטי.

זה יכול להיות מועיל במיוחד בכיתות ובמקומות אחרים שבהם מתרחשת למידה שבהם רעש ברקע יכול להסיח את הדעת.

• שינויים הנדסיים.

במקומות עבודה שבהם יש יותר מדי רעש, על המעסיקים להבין אילו אזורים או משימות גורמים ליותר מדי רעש ולנקוט בצעדים לצמצום.

זה יכול להיות ביצוע שינויים במקור הרעש או בסביבת מקום העבודה באמצעות הנדסה.

דוגמאות מכילות:

• שימוש בחומרים בולמי קול בקירות, רצפות ותקרות.
• סגירה או בידוד של ציוד רועש.
• התקנת מחסומים או וילונות קול כדי לחסום או לספוג רעש.
• ציוד מגן אישי.

כאשר הטכנולוגיה אינה מספיקה כדי לפתור את הבעיה, יש לתת לאנשים גם ציוד הגנה אישי כמו אטמי אוזניים או אטמי אוזניים.

בסך הכל, ישנן מספר דרכים להפחית או להיפטר מרעשי רקע.

אלה עשויים לכלול ביצוע שינויים במקור הרעש, שימוש בציוד מגן אישי, סידור מחדש של רהיטים, שימוש בלוחות אקוסטיים, שתילת עצים, שימוש במכונות רעש לבן/ורוד, או החלפת מכשירים רועשים במכשירים שקטים יותר.

ביטול רעשי רקע במערכות אלקטרוניות

ביטול רעשים פעיל (ANC)

טכנולוגיית בקרת רעש אקטיבית (ANC) משמשת בעולם העסקים כדי לצמצם את רעשי הרקע במערכות אלקטרוניות.

טכנולוגיית ANC פועלת על ידי הקלטת רעשי הרקע, הפיכת אות הרעש ליצירת "אנטי רעש, ולאחר מכן הוספתו לאות הפלט.

ANC יכול להיעשות עם מעגלים אנלוגיים או על ידי עיבוד אותות דיגיטליים.

הפחתת רעש דיגיטלית (DNR)

תוכניות להפחתת רעש דיגיטלית (DNR) נוצרות כדי להפחית את כמות הקול שמשמיעים מכשירי שמיעה כאשר יש רעש.

אלגוריתמי DNR מסתכלים על צורת הגל של רעשי הרקע ויוצרים אות שמשנה את הפאזה של התדר הזה או הופך אותו לחלש יותר בזמן אמת.

טכנולוגיית Digital Active Noise Cancellation (ANC) מבטלת רעשי רקע ב->40dB, שהוא הטוב ביותר בשוק.

אלגוריתמים מתקדמים

דיכוי רעשים מתקדם יכול להיעשות בעזרת אלגוריתמים מתקדמים.

מיקרופונים כפולים כל-כיווניים או מיקרופונים מרובע-כל-כיווני משמשים לקליטת אותות קול מהסביבה.

אותות אודיו אלה נשלחים למעבד אותות דיגיטלי (DSP) המשתמש באלגוריתמים כדי לעזור להפריד ולהיפטר מרעשי רקע.

עם אלגוריתמים מתקדמים יותר, זה יכול לכלול בידוד והגברה של דיבור כך שתוכל לשמוע ולהישמע בבירור לא משנה כמה הוא חזק.

ביטול רעשים אקטיבי, הפחתת רעשים דיגיטליים ואלגוריתמים מתקדמים הם כולם שיטות מתקדמות המשמשות בתעשייה להפחתת רעשי רקע במערכות אלקטרוניות.

אתה יכול לעשות את הדברים האלה עם מעגלים אנלוגיים או עיבוד אותות דיגיטלי, וייתכן שתשתמש בשניים או ארבעה מיקרופונים כל-כיווניים כדי לקלוט צלילים מהסביבה.

בסופו של דבר, דיכוי רעש מתקדם עוזר להפריד ולחסום רעשי רקע, מה שהופך את הדיבור לבהיר יותר ומפחית צלילים לא רצויים.

כיצד להסיר רעשי רקע ב-Audacity

טיפ: הפעל את לחצן הכיתוב אם אתה צריך את זה. בחר "תרגום אוטומטי" בכפתור ההגדרות, אם אינך בקי בשפה המדוברת. ייתכן שתצטרך ללחוץ תחילה על שפת הסרטון לפני שהשפה המועדפת עליך תהיה זמינה לתרגום.

האם רעשים אלו יכולים להיות שימושיים?

בשימוש ב:	תיאור:
מיסוך קול:	במקומות מסוימים, כמו משרדים פתוחים או בתי חולים, יכול להיות קשה לשמור על הפרטיות שלך ולמנוע מאנשים להפריע לך. מיסוך קול הוא פתרון אחד. זה כאשר רעש רקע מתווסף בכוונה כדי להקשות על שמיעת שיחות ו צלילים אחרים. לדוגמה, ניתן להשתמש במכונת רעש לבן או מחולל סאונד טבעי כדי ליצור צליל רקע מרגיע המכסה על הצלילים המסיחים יותר בסביבה.
סימון מים אודיו:	סימון מים אודיו הוא דרך לעקוב מהיכן הגיע אות אודיו או מי הבעלים שלו על ידי הוספת מזהה או קוד ייחודי לו. דרך אחת לעשות זאת היא להוסיף סוג מסוים של רעשי רקע לאות האודיו שבני אדם לא יכולים לשמוע אבל זה יכול להיקלט על ידי תוכנה או ציוד עם הסוג הנכון של חיישנים.
עיבוד אות:	כמה משימות עיבוד אותות, כגון זיהוי דיבור או עיבוד תמונה, יכולות להיעשות מדויקות יותר על ידי הוספת כמות קטנה של רעשי רקע. הסיבה לכך היא שרעש רקע יכול לעזור להפחית את ההשפעות של התאמה יתר או הטיה במערכת ולהפוך אותה לעמידה יותר בפני שינויים בקלט.
הפקת אודיו או מוזיקה:	ניתן להשתמש ברעשי רקע בצורה יצירתית כדי להוסיף מרקם או אווירה לשיר או להקלטה. לדוגמה, ניתן להשתמש בצליל של גשם או תנועה ברקע של שיר כדי לקבוע מצב רוח או סצנה מסוימת.
בדיקה ושיפוט:	במהלך בדיקה והערכה, לפעמים ניתן להוסיף רעשי רקע בכוונה למערכות אלקטרוניות כדי לגרום להן להיות דומות יותר לעולם האמיתי או כדי לבדוק עד כמה הן פועלות תחת לחץ. לדוגמה, יצרן רכב עשוי לבדוק את המערכת האלקטרונית של מכונית במערכות שונות סוגים של רעשי רקע כדי לוודא שהוא עובד היטב בכל המצבים.

סיכום

בסופו של דבר, רעשי רקע הם בעיה גדולה בעולם ההנדסה שלעתים קרובות מתעלמים ממנה.

כפי שראינו, זה יכול להשפיע על האיכות והאמינות של מערכות אלקטרוניות וקשה להיפטר לחלוטין.

אבל החדשות הטובות הן שישנן דרכים רבות לצמצם את ההשפעות שלה, החל משיטות פשוטות כמו מיגון והארקה ועד לאלו מורכבות יותר כמו אלגוריתמים לעיבוד אותות וביטול רעשים אקטיבי.

מהנדסים יכולים לייצר מערכות אלקטרוניות חזקות, אמינות ויעילות על ידי ידיעה מהיכן מגיע רעשי הרקע ומה הם יכולים לעשות כדי להיפטר ממנו.

לכן, בפעם הבאה שתתקלו במערכת אלקטרונית רועשת, זכרו שרעש רקע הוא לא רק מטרד; זהו גם אתגר הנדסי הדורש פתרונות יצירתיים וידע טכני.