JÄRJESTELMÄN SUUNNITTELU JA TULOKSET SEURAAVAN KOKEELLISEN TUTKIMUKSEN TULOKSET Jakaantuvat viiteen alajaksoon. Aluksi kuvataan virtuaalisen ANC-kuulokkeen järjestelmäsuunnittelu. Sen jälkeen tarkastellaan kalvon sijaintia parhaan ohjaustehon saavuttamiseksi. Kolmanneksi määritetään ANC-suorituskyky laajakaistaisen harmaan kohinan läsnä ollessa järjestelmällä, joka on toteutettu pään ja vartalon simulaattorilla (HATS). Lopuksi järjestelmän suorituskykyä arvioidaan erilaisilla syntetisoiduilla ympäristön melusignaaleilla. Lopuksi käytetään yksinkertaista mittauspaikan seurantajärjestelmää, joka mahdollistaa käyttäjän pään väistämättömän liikkeen sietämisen.
Virtuaalisen ANC-kuulokejärjestelmän suunnittelu
Kuvassa 1a esitetään kaaviokuva ehdotetuista järjestelmäkomponenteista ja niiden järjestelystä. Käyttäjän pään taakse on sijoitettu kaksi toissijaista kaiutinta (kuten ne olisivat, jos ne olisi integroitu niskatukeen), yksi kummallekin puolelle, jotta ympäröivästä ympäristöstä tuleva ensisijainen ääni voidaan ohjata kummankin korvan kohdalla ja siten sijoittaa käyttäjä hiljaisempaan ympäristöön. LDV:tä käytetään akustisen signaalin määrittämiseen korvakäytävän suulla mittaamalla lähellä sijaitsevan pienen, kevyen ja heijastavan kalvopoimurin pintavärähtelyä. Vaikka kuvassa 1a näkyy kaksi sisään tulevaa lasersädettä, yksi kumpaankin korvaan, tässä tarkastellaan ja kuvataan yhden korvan ratkaisua lyhyyden ja selkeyden vuoksi, mutta ei kuitenkaan menetetä yleisyyttä kahden korvan vastaavan ratkaisun osalta.
ANC-järjestelmissä hiljainen vyöhyke määritellään alueeksi, jolla saavutetaan yli 10 dB:n äänenvaimennus, ja vyöhykkeen koko on noin kymmenesosa diffuusin äänikentän äänen aallonpituudesta4. Kun kalvo sijoitetaan lähelle korvakäytävää, sen ympärille voidaan luoda tällainen hiljainen vyöhyke, jolloin tärykalvoon (tärykalvoon) etenevä ääni vähenee. Tässä esitetyt kaksi toissijaista kaiutinta sijoitettiin 0,44 metrin etäisyydelle toisistaan 45 asteen atsimuuttikulmaan käyttäjään päin, kuten kuvassa 1b on esitetty. Säädin käyttää LDV:ltä saatua kalvon pintavärähtelynopeutta adaptiivisen säädön virhesignaalina, jonka yksityiskohdat löytyvät alaluvusta Menetelmät – Melunhallinta-algoritmi.
Normaalit päänliikkeet voidaan ottaa huomioon suhteellisen suoraviivaisella kameraan perustuvalla seurantajärjestelmällä, joka on hahmoteltu kuvassa 1 a ja joka ohjaa aktiivisesti paria ortogonaalista galvanometri-ohjattua peiliä pitääkseen lasersäteen osumisen kalvon keskipisteen kohdalla. Soveltamalla räätälöityä kuvankäsittelyalgoritmia LDV voi siten saada akustisen virhesignaalin etänä reaaliajassa.
Koejärjestely on esitetty kuvassa 2a. Koe suoritettiin hiljaisessa huoneessa, jonka taustaäänenpainetaso oli 38,5 dBA (A-painotettu SPL, dB re. 20 μPa). Pää- ja vartalosimulaattoria (HATS; Brüel and Kjær Type 4128-C), jossa oli oikean ja vasemman korvan simulaattorit, käytettiin mittaamaan käyttäjän korvien tärykalvoihin kohdistuvaa ääntä. Kuvassa 2b esitetään tässä järjestelmässä käytetyn kalvopoimurin rakenne ja kokoonpano. Vastaanotin koostuu palasta heijastavaa kalvoa (3 M-Scotchlite Sheeting 761027), jonka paksuus on 0,1 mm ja joka on pingotettu ja kiinnitetty lyhyeen suljettuun polymeeriseen sylinterimäiseen putkeen, jonka halkaisija on 9,2 mm, syvyys 4,6 mm ja massa noin 0,2 g. Tuloksena syntynyt yhdistelmä on siis kooltaan ja massaltaan niin vähän invasiivinen kuin käytännössä on mahdollista. Kalvoa käytettiin kalvona, jotta takaisinsironneen optisen signaalin määrä suhteessa saapuvaan lasersäteeseen olisi mahdollisimman suuri riippumatta siitä, että säde ei osu normaaliin suuntaan, mikä on eduksi, kun pää liikkuu väistämättä. Kalvo toimii samalla tavalla kuin mikrofonin kalvo, joka muuntaa akustisen paineen aiheuttaman mekaanisen värähtelyn lopulta sähköiseksi signaaliksi. Tässä tapauksessa kalvon sisällä ei kuitenkaan ole elektronisia komponentteja (esim. esivahvistin, joka käsittelee mitattua signaalia) eikä signaalin siirtoon tarvita johtoja. Sen sijaan signaalin käsittely ja muuntaminen suoritetaan LDV:n optoelektroniikassa etänä. Heijastinmateriaalin ja kalvopoimijan taajuusvasteen yksityiskohtaiset parametrit on määritetty, ja ne löytyvät täydentävästä kuvasta S1 ja täydentävästä taulukosta S1.
Tiedonkeruujärjestelmä on ehdotetussa järjestelyssä etäyhteydellä yhdessä LDV:n kanssa. LDV:n (Polytec PDV-100) mitattavissa oleva taajuusalue on 20 Hz-22 kHz. LDV oli asennettu jalustalle, joka oli tärinäeristetty HATSista ja kaiuttimista (Genelec 8010A). ANC-ohjaimen (Antysound TigerANC WIFI-Q) näytteenottotaajuus asetettiin 32 kHz:iin, ja suodattimen pituudet sekä ensisijaiselle että toissijaiselle reitille asetettiin 1024 tapsiin. On huomattava, että adaptiivinen ohjausalgoritmi otti yksinkertaisesti suoraan mitatun kalvonopeussignaalin ja yritti minimoida sen. Vaikka nopeussignaali voitaisiin mahdollisesti muuntaa äänenpaineeksi jollakin tavalla, se ei ollut välttämätöntä – lopputulos olisi sama riippumatta siitä, olisiko kyseessä raakasignaali vai jokin sen johdannainen.
Kalvopoimurin optimaalinen sijoittelu
Vaikka oli ilmeistä sijoittaa kalvopoimuri mahdollisimman lähelle korvakäytävää, ei ole heti selvää, mikä tai mitkä sijainnit olivat toteuttamiskelpoisempia/optimaalisempia ja millainen ANC-suorituskyky kullakin sijainnilla voisi olla. Kuvassa 3 on esitetty neljä mahdollista sijaintia, joissa sijainti nro 1 on korvalehden etuosan lovessa, sijainti nro 2 on traguksessa, sijainti nro 3 on cavum conchassa ja sijainti nro 4 on lobuluksessa. Kokeet suoritettiin HATSin vasemmassa synteettisessä korvassa. Ensisijaisena lähteenä käytetään vain yhtä kaiutinta, joka sijaitsee 0,6 metrin päässä suoraan HATSin takana. Ensisijainen lähdesignaali oli laajakaistainen harmaa kohina, jossa oli räätälöity Fletcher-Munson-käyräsuodatin28 500 Hz:n ja 6 kHz:n välillä (ks. lisäkuva S2). Suodatinta käytettiin tässä, jotta saataisiin mitattu SPL, jolla on tasainen taajuusvaste HATSin sisällä. Kokonais-SPL vasemmalla tärykalvolla oli 77,7 dB (re. 20 μPa-omitoitu jäljempänä lyhyyden vuoksi), kun ANC oli pois päältä.
Vastaa