Konstrukce systému a výsledky následného experimentálního šetření jsou rozděleny do pěti podkapitol. Nejprve je popsána konstrukce systému virtuálních sluchátek ANC. Následně je zkoumáno umístění membrány pro dosažení nejlepšího výkonu regulace. Zatřetí je stanoven výkon ANC v přítomnosti širokopásmového šedého šumu se systémem implementovaným na simulátoru hlavy a trupu (HATS). Nakonec se vyhodnocuje výkonnost systému pro různé druhy syntetizovaných signálů šumu z reálného prostředí. Nakonec je začleněno použití jednoduchého systému sledování polohy měření, který umožňuje tolerovat nevyhnutelný pohyb hlavy uživatele.
Konstrukce virtuálního sluchátkového systému ANC
Schéma zobrazující navrhované součásti systému a jejich uspořádání je uvedeno na obr. 1a. Dva sekundární reproduktory jsou umístěny za hlavou uživatele (jako by byly integrovány do opěrky hlavy), po jednom na obou stranách, aby bylo možné kontrolovat primární zvuk z okolního prostředí u každého ucha a umístit tak uživatele do tiššího prostředí. LDV se používá k určení akustického signálu na vstupu do zvukovodu měřením povrchových vibrací malého, lehkého a retroreflexního membránového snímače umístěného poblíž. Zatímco na obr. 1a jsou znázorněny dva vstupující laserové paprsky, jeden do každého ucha, pro stručnost a přehlednost je zde uvažováno a popsáno řešení s jedním uchem, avšak bez ztráty obecnosti pro ekvivalent se dvěma uchy.
Virtuální sluchátka ANC. (a) V každém uchu je vytvořena tichá zóna pomocí blízké dvojice sekundárních reproduktorů, které redukují zvuk v uchu, přičemž požadovaný chybový signál je určen z měření LDV vibrací malého membránového snímače umístěného v blízkosti zvukovodu. Pohyb uživatele je zohledněn sledovacím systémem založeným na kameře, který aktivně ovládá galvanometrem poháněná zrcadla, aby řídil laserový paprsek a udržoval jeho polohu na membráně. (b) Umístění sekundárních reproduktorů. Každý sekundární reproduktor generuje protihlukové signály prostřednictvím řídicí jednotky ANC (není zobrazena).
Pro systémy ANC je tichá zóna definována jako oblast, ve které je dosaženo útlumu zvuku o více než 10 dB, přičemž velikost zóny je přibližně desetina vlnové délky zvuku v difuzním zvukovém poli4. Je-li membrána umístěna v blízkosti zvukovodu, lze kolem ní vytvořit takovou tichou zónu, čímž se sníží zvuk šířící se k bubínku. Dva zde prezentované sekundární reproduktory byly umístěny 0,44 m od sebe s azimutálním úhlem 45 stupňů směřujícím k uživateli, jak ukazuje obr. 1b. Řídicí jednotka bere rychlost povrchových vibrací membrány z LDV jako chybový signál pro adaptivní řízení, jehož podrobnosti lze nalézt v podkapitole Metody – algoritmus řízení šumu.
Normální pohyby hlavy lze zohlednit poměrně jednoduchým sledovacím systémem založeným na kameře, naznačeným na obr. 1a, který aktivně ovládá dvojici ortogonálních, galvanometrem řízených zrcadel, aby udržoval dopad laserového paprsku sondy na střed membrány. Pomocí na míru vytvořeného algoritmu zpracování obrazu tak může LDV dálkově získávat akustický chybový signál v reálném čase.
Experimentální uspořádání je znázorněno na obr. 2a. Experiment byl proveden v tiché místnosti s hladinou akustického tlaku pozadí 38,5 dBA (A-vážená SPL, dB re. 20 μPa). Simulátor hlavy a trupu (HATS; Brüel and Kjær typ 4128-C) se simulátory pravého a levého ucha byl použit k měření zvuku, který by se projevil na ušních bubíncích v uších uživatele. Obrázek 2b ukazuje konstrukci a konfiguraci membránového snímače použitého v tomto systému. Snímač se skládá z kousku retroreflexní fólie (3 M-Scotchlite Sheeting 761027) o tloušťce 0,1 mm, která je natažena a přilepena na krátkou uzavřenou polymerovou válcovou trubičku o průměru 9,2 mm, hloubce 4,6 mm a hmotnosti přibližně 0,2 g. Výsledná kombinace je tedy z hlediska velikosti a hmotnosti prakticky co nejméně invazivní. Fólie byla použita jako membrána, aby se maximalizoval zpětně rozptýlený optický signál ve vztahu ke vstupujícímu laserovému paprsku bez ohledu na nenormální dopad paprsku, což je výhodné při nevyhnutelných pohybech hlavy. Membrána funguje podobně jako membrána mikrofonu a převádí mechanické vibrace vyvolané akustickým tlakem na elektrický signál. V tomto případě však uvnitř nejsou žádné elektronické součástky (např. předzesilovač pro zpracování měřeného signálu), ani není třeba vedení pro přenos signálu. Místo toho se úprava a převod signálu provádí na dálku v optoelektronice LDV. Byly stanoveny podrobné parametry retroreflexního materiálu a frekvenční odezvy membránového sběrače, které jsou uvedeny na doplňkovém obr. S1 a v doplňkové tabulce S1.
Experimentální uspořádání pro stacionární HATS. (a) Za HATS byly umístěny dva sekundární reproduktory pro kontrolu zvuku. Více primárních reproduktorů (zobrazeny tři) bylo umístěno libovolně, aby se simuloval nežádoucí zvuk z různých směrů. Laserový paprsek sondy z LDV byl nasměrován na membránu v uchu. (b) Membrána byla umístěna v blízkosti zvukovodu levého syntetického ucha HATS. LDV dálkově určuje povrchovou rychlost membrány jako chybový signál pro řídicí jednotku ANC.
Systém sběru dat je v navrhovaném uspořádání na vzdáleném místě spolu s LDV. LDV (Polytec PDV-100) má měřitelný frekvenční rozsah od 20 Hz do 22 kHz. LDV byl namontován na stativu, vibračně izolován od HATS a reproduktorů (Genelec 8010A). Vzorkovací frekvence řídicí jednotky ANC (Antysound TigerANC WIFI-Q) byla nastavena na 32 kHz a délka filtru pro primární i sekundární cestu byla nastavena na 1024 odboček. Je třeba poznamenat, že adaptivní řídicí algoritmus jednoduše bral přímo měřený signál rychlosti membrány a snažil se jej minimalizovat. Ačkoli by signál rychlosti mohl být potenciálně nějakým způsobem převeden na akustický tlak, nebylo to nutné – výsledek by byl stejný, ať už by se jednalo o surový signál, nebo o nějakou jeho odvozeninu.
Optimální umístění membránového snímače
Ačkoli je zřejmé, že je třeba umístit membránový snímač co nejblíže zvukovodu, není hned jasné, které konkrétní umístění/umístění bylo proveditelnější/optimálnější a jaký by mohl být výkon ANC pro každé z nich. Čtyři možná umístění sběrače jsou znázorněna na obr. 3, kde umístění č. 1 je na předním zářezu boltce, umístění č. 2 je na tragu, umístění č. 3 je v cavum concha a umístění č. 4 je na lalůčku. Experimenty byly prováděny v levém syntetickém uchu HATS. Jako primární zdroj je zde použit pouze jeden reproduktor, umístěný ve vzdálenosti 0,6 m přímo v zadní části HATS. Primárním zdrojem signálu byl širokopásmový šedý šum s upraveným Fletcher-Munsonovým křivkovým filtrem28 od 500 Hz do 6 kHz (viz doplňkový obr. S2). Filtr zde byl použit tak, aby poskytoval naměřené SPL s plochou frekvenční charakteristikou uvnitř HATS. Celková SPL na levé bubínkové membráně byla 77,7 dB (re. 20 μPa – dále pro stručnost vynecháváme) s vypnutým ANC.
Podle obr. 3 byly naměřeny SPL (dB re. 20 μPa) naměřené ze simulátoru levého ucha HATS, simulujícího zvuk, který uživatel zažívá na levé bubínkové membráně s ANC a bez ANC, když se membrána nacházela v (a) místě č. 1 – přední zářez; (b) místě č. 2 – tragus; (c) místě č. 3 – kavum concha; a (d) místě č. 4 – lalůček levého syntetického ucha HATS.
Se zapnutým ANC byly výkony v místech č. 1 a č. 2 podobné a výsledná celková SPL byla 69,2 dB, resp. 70,9 dB. Snížení zvuku však bylo významné pouze u frekvencí pod 4 kHz. Důvodem může být to, že akustický tlak naměřený v těchto dvou bodech je podobný tlaku ve zvukovodu pouze pod 4 kHz. Proto jsou kontrolní výkony v těchto dvou bodech také omezené do 4 kHz. Snížení hluku v místě č. 3 bylo nejlepší s celkovým SPL 63,5 dB při zapnuté ANC. Celková SPL byla snížena o 14,2 dB v celém frekvenčním rozsahu od 500 Hz do 6 kHz. Místo č. 4, lalůček, bylo dále od zvukovodu než kterékoli z ostatních vybraných míst. Účinný frekvenční rozsah snížení zvuku byl pouze do přibližně 3 kHz, přičemž v rozsahu 5 až 6 kHz bylo pozorováno zvýšení o přibližně 6 dB. Na základě výsledků této analýzy výkonnosti umístění membrány bylo místo č. 3 (cavum concha) určeno jako optimální umístění membrány; ve zbývajících experimentálních šetřeních popsaných v tomto dokumentu je proto použito toto umístění membrány.
Vyhodnocení výkonnosti pro širokopásmový hluk
Obrázek 4 ukazuje naměřená spektra hluku pro každé ucho bez a s ANC pro tři různé scénáře primárního zvukového pole. Reproduktory poháněné běžnými signály byly uspořádány tak, aby vytvářely stále složitější prostředí s jedním nebo více reflektory. Použitým signálem byl opět širokopásmový šedý šum ekvivalentní signálu použitému k získání výsledků uvedených na obr. 3. Všechny výsledky testů byly získány zprůměrováním dat o délce 15 s. Na obr. 4a je znázorněno uspořádání, kde byl jeden primární zdroj umístěn ve vzdálenosti 0,6 m přímo za HATS, aby se simuloval zvuk vycházející z blízkého zdroje bez zohlednění odrazů od okolí. Po zapnutí ANC bylo dosaženo útlumu téměř 15 dB, přičemž celkové SPL se snížilo ze 78,1 dB na 63,8 dB a ze 77,3 dB na 62,0 dB u levého a pravého ucha. Tento scénář je podobný scénáři prezentovanému v současném nejmodernějším systému20 , kde byl kontrolován zvuk do 1 kHz, i když zde bylo dosaženo zlepšení v mnohem širším frekvenčním rozsahu, až do 6 kHz. Stojí za zmínku, že testy byly stále prováděny na každé straně zvlášť, místo aby byly v tomto případě pořízeny současně.
Tři konfigurace primárních reproduktorů a odpovídající SPL (dB re. 20 μPa) s ANC a bez něj na obou uších. (a) K simulaci zvuku z jediného zdroje v blízkosti byl použit jediný primární reproduktor. (b) Dva primární reproduktory byly použity k simulaci dvou blízkých zdrojů zvuku nebo jednoho zdroje zvuku s blízkou odraznou plochou. (c) K simulaci zvuku z více směrů byly použity čtyři primární reproduktory, což se blíží obecnému případu v praxi.
Obrázek 4b ukazuje nastavení a výsledky ze situace, kdy byly dva primární reproduktory umístěny libovolně na dvou různých místech. To může představovat situaci, kdy se uživatel nachází v blízkosti velkého pevného odrazného povrchu, jako je stůl nebo stěna. V tomto případě jsou akustické signály z původního zdroje a odrazné plochy koherentní. Bylo dosaženo útlumu přibližně 13 dB s celkovým snížením SPL z 80,2 dB a 77,9 dB na 66,0 dB a 65,2 dB u levého a pravého ucha. Obrázek 4c ukazuje obecnější situaci, kdy existuje více reflektorů. Za tímto účelem byly na různých místech kolem hlavy libovolně rozmístěny čtyři primární reproduktory. Bylo dosaženo útlumu přibližně 11 dB s celkovým snížením SPL z 80,4 dB na 68,9 dB a z 80,1 dB na 69,4 dB u levého, resp. pravého ucha. Ve všech třech těchto příkladových scénářích přinesl demonstrovaný systém snížení o minimálně 10 dB v celém frekvenčním rozsahu 500 Hz až 6 kHz. Je třeba poznamenat, že umístění těchto primárních zdrojů bylo vytvořeno libovolně, nicméně se očekává, že pozorované kontrolní výkony budou podobné pro jakoukoli jinou podobnou konfiguraci.
Vyhodnocení výkonu pro syntetický hluk prostředí
Pro další prokázání schopností navrženého řešení byl hodnocen výkon v přítomnosti tří různých druhů předem nahraných scénářů běžného hluku prostředí. Podobně jako v nedávno realizované konfiguraci20 byl primární zdroj umístěn asi 1,2 m přímo za HATS, přičemž byl ovládán pouze jeden kanál (pravé ucho). Tři experimenty byly provedeny v hemi-anechogenní komoře. Nejprve byl jako primární zdroj signálu použit záznam vnitřního hluku letadla29 . Patnáctisekundové signály pozorované HATS před a po ANC jsou zobrazeny na obr. 5a, kde jsou rovněž zobrazena odpovídající spektra zprůměrovaná za tuto dobu. Celkové SPL se výrazně snížilo ze 74,7 dB na 59,6 dB – zlepšení o více než 15 dB. Za druhé byl zkoumán příklad hluku při přeletu letadla30 . Obrázek 5b ukazuje signál v časové oblasti pozorovaný HATS takového nestacionárního hluku před a po ANC a spektrum (zprůměrované pouze od 3 do 8 s). Opět došlo k výraznému snížení v rozsahu 500 Hz až 6 kHz. Tam, kde byl šum nejvýraznější, tj. od 3 do 8 s, se celková SPL skutečně snížila z přibližně 82,1 dB na 61,6 dB – útlum zvuku o více než 20 dB. Nakonec byla jako primární zdrojový signál použita nahrávka mluvícího davu lidí31. Obrázek 5c ukazuje 15sekundové signály v časové a frekvenční oblasti před a opět po ANC. Celkové SPL bylo kontrolováno ze 75,5 na 59,8 dB; bylo dosaženo snížení o více než 15 dB. Tabulka 1 shrnuje zprůměrované celkové SPL bez a s řízením pomocí navrženého systému pro tyto nové scénáře, kde lze pomocí navrženého systému dosáhnout snížení šumu o 15-20 dB až do 6 kHz. Zvukové záznamy před a po ANC si můžete prohlédnout prostřednictvím doplňkového filmu 1. Je důležité poznamenat, že současné nejmodernější řešení virtuálního snímání ANC s udávaným výkonem na horní frekvenci kolem 1 kHz by nepřineslo tak působivý výkon jako zde prezentovaná virtuální sluchátka ANC, protože, jak lze pozorovat na obr. 5, významnější frekvenční obsah se ve všech třech příkladových signálech vyskytuje především v oblasti 2 až 4 kHz.
Signál v časové oblasti pozorovaný pomocí HATS a odpovídající hladina akustického tlaku (dB re. 20 μPa) bez a s ANC pro (a) vnitřní hluk letadla, (b) hluk při průletu letadla a (c) okolní hluk mluvících lidí.
Vyhodnocení výkonu v přítomnosti pohybu hlavy
Člověk má tendenci vykazovat neustálý pohyb hlavy, proto by měl být laserový paprsek sondy z LDV schopen sledovat odpovídající libovolný pohyb membrány v uších. Takováto sledovací řešení LDV byla široce zkoumána, vyvíjena a aplikována pro řadu komplexních měřicích úloh26; zde uvedený scénář představuje další zajímavou aplikaci. Pro demonstraci ověření koncepce byl proto implementován jednoduchý sledovací systém. Tento na míru vytvořený sledovací systém založený na kameře je znázorněn na obr. 6 se specifikacemi uvedenými v podkapitole Metody – Systém sledování hlavy. Zde použitý scénář je stejný jako scénář popsaný na obr. 4a, tj. scénář s jediným zdrojem zvuku bezprostředně vzadu.
(a) Konfigurace systému sledování hlavy s jediným primárním reproduktorem. Systém sledování a LDV jsou umístěny na levé straně hlavy. (b) Konstrukce sledovacího systému s otočným a sklopným zrcadlem pro řízení laserového paprsku. K řídicí jednotce je připojena kamera pro sledování cílového objektu. (c) Žlutá značka je umístěna pod membránou na ušním lalůčku jako cílový objekt. (d) Schéma sledovacího systému založeného na kameře zobrazující dráhu laserového paprsku ze skenovacího LDV.
Pohyb značky na ušním lalůčku HATS, jak je znázorněno na obr. 6c, byl určen sledovacím systémem založeným na zpracování obrazu, aby se zachoval téměř optimální dopad laserového paprsku na membránu a získal se užitečný chybový signál. Doplňkový obrázek S3 a související poznámky uvádějí vliv měření mimo střed a různých úhlů dopadu laserového paprsku na výkonnost systému. Celkově se ukázalo, že výkonnost není nijak zvlášť citlivá na přesné umístění laserového paprsku na membráně, a proto se nepovažuje za nutné, aby laserový paprsek dopadal přesně do geometrického středu. Pokud je laserový paprsek mírně mimo střed, je výkonnost ANC zachována. Úhel dopadu laserového paprsku navíc neměl významný vliv na výkonnost. Při úhlu dopadu pod úctyhodnými 60 stupni poklesne signál LDV přibližně o 5 dB, což má opět minimální škodlivý vliv na výkon ANC. Tyto vlastnosti položily základ pro úspěšné použití sledovacího systému pro řízení nevyhnutelných pohybů hlavy uživatele.
Obrázek 7 ukazuje čtyři výkony ovládání – když je ANC vypnutý (1) a zapnutý (2) pro stacionární HATS a když je ANC zapnutý s vypnutým systémem sledování hlavy (3) a zapnutým (4) pro pohybující se HATS. Pohyb HATS byl realizován ručně pomocí pohybu vpřed a vzad, který simuluje pohyb osoby vsedě tam a zpět. Maximální vzdálenost, kterou HATS urazila v doplňkovém filmu 2, byla přibližně 0,08 m od špičky ke špičce s maximální rychlostí přibližně 0,04 m/s. Obrázek 7a ukazuje 15sekundový vzorek měření v časové oblasti pro každý případ se stejnou konfigurací jako na obr. 4a. Obrázek 7b ukazuje odpovídající zprůměrované frekvenční spektrum pro každý případ po celou dobu trvání. Podobně jako u výsledků dříve uvedených na obr. 4a se celkový SPL snížil z 81,1 na 64,1 dB ve frekvenčním rozsahu od 500 Hz do 6 kHz pro stacionární situaci.
ANC výkon s vyvinutým systémem sledování hlavy. (a) Čtyři 15sekundové vzorky signálu v časové oblasti pozorované systémem HATS. Horní 30sekundové trvání ukazuje akustický tlak s vypnutým a zapnutým ANC pro stacionární situaci, zatímco dolní 30sekundové trvání ukazuje akustický tlak se zapnutým ANC s vypnutým a zapnutým sledovacím systémem pro pohybující se HATS. (b) Odpovídající hladina akustického tlaku (dB re. 20 μPa) čtyř signálů.
Když se HATS pohybovala se zapnutým ANC, ale s vypnutým sledováním, hlava (tedy membrána) se vzdalovala od laserového paprsku sondy; signál LDV tak „vypadl“ nebo provedl měření vibrací nereprezentující akustický tlak v uchu. To může snadno způsobit, že se kontrolní systém rozchází, a jak ukazuje obr. 7b, celková SPL ve skutečnosti výrazně vzrostla z 81,1 na 99,5 dB. Když byl sledovací systém zapnutý, zrcadla udržovala dopad laserového paprsku na membránu při pohybu HATS. Měření LDV tak zůstalo platné pro adaptivní řízení. Jak ukazuje obr. 7b, systém snížil hluk z 81,1 na 70,4 dB v celém frekvenčním rozsahu. Výkonnost řízení si během pohybu HATS zachovala snížení nejméně o 10 dB, což dokazuje nutnost použití sledovacího systému pro systém ANC. Tyto zvukové záznamy si opět můžete prohlédnout v doplňkovém filmu 2.
.
Napsat komentář