La conception du système et les résultats de l’investigation expérimentale ultérieure sont organisés en cinq sous-sections. Dans un premier temps, la conception du système du casque ANC virtuel est décrite. Par la suite, l’emplacement de la membrane pour la meilleure performance de contrôle est examiné. Troisièmement, les performances de la CNA en présence d’un bruit gris à large bande sont déterminées avec le système mis en œuvre sur un simulateur de tête et de torse (HATS). Enfin, les performances du système sont évaluées pour différents types de signaux synthétisés de bruit environnemental réel. En fin de compte, l’utilisation d’un système simple de suivi de l’emplacement des mesures est incorporée pour permettre de tolérer les mouvements inévitables de la tête de l’utilisateur.
Conception du système de casque ANC virtuel
Un schéma montrant les composants du système proposé et leur disposition est illustré à la figure 1a. Deux haut-parleurs secondaires sont placés derrière la tête de l’utilisateur (comme ils le seraient s’ils étaient intégrés dans un appui-tête), un de chaque côté pour contrôler le son primaire de l’environnement proche à chaque oreille et placer ainsi l’utilisateur dans un environnement plus calme. Un LDV est utilisé pour déterminer le signal acoustique à l’entrée du canal auditif en mesurant la vibration de surface d’un petit capteur à membrane, léger et rétro-réfléchissant, situé à proximité. Alors que la figure 1a montre deux faisceaux laser entrants, un vers chaque oreille, une solution à une seule oreille est considérée et décrite ici par souci de brièveté et de clarté, mais sans perte de généralité pour l’équivalent à deux oreilles.
Un casque ANC virtuel. (a) Une zone de silence est formée dans chaque oreille en utilisant une paire de haut-parleurs secondaires à proximité pour réduire le son dans l’oreille, le signal d’erreur requis étant déterminé à partir d’une mesure LDV de la vibration d’un petit capteur à membrane situé à proximité du canal auditif. Les mouvements de l’utilisateur sont pris en compte par un système de suivi par caméra, qui contrôle activement les miroirs actionnés par galvanomètre pour orienter le faisceau laser et maintenir sa position sur la membrane. (b) L’emplacement des haut-parleurs secondaires. Chaque haut-parleur secondaire génère des signaux antibruit par le biais du contrôleur ANC (non représenté).
Pour les systèmes ANC, une zone de calme est définie comme une région dans laquelle une atténuation sonore de plus de 10 dB est obtenue, la taille de la zone étant d’environ un dixième de la longueur d’onde du son dans un champ sonore diffus4. Lorsque la membrane est placée près du conduit auditif, une telle zone silencieuse peut être créée autour d’elle, réduisant ainsi le son se propageant vers la membrane tympanique (tympan). Les deux haut-parleurs secondaires présentés ici ont été placés à 0,44 m de distance avec un angle d’azimut de 45 degrés pointant vers l’utilisateur, comme le montre la figure 1b. Le contrôleur prend la vitesse de vibration de surface de la membrane à partir d’un LDV comme signal d’erreur pour le contrôle adaptatif, dont les détails peuvent être trouvés dans la sous-section Méthodes – algorithme de contrôle du bruit.
Les mouvements normaux de la tête peuvent être pris en compte par un système de suivi relativement simple basé sur une caméra, décrit dans la figure 1a, qui contrôle activement une paire de miroirs orthogonaux entraînés par galvanomètre pour maintenir l’incidence du faisceau laser de la sonde sur le centre de la membrane. Grâce à l’application d’un algorithme de traitement d’image sur mesure, le LDV peut ainsi obtenir à distance le signal d’erreur acoustique en temps réel.
Le montage expérimental est présenté sur la figure 2a. L’expérience a été réalisée dans une pièce calme avec un niveau de pression acoustique de fond de 38,5 dBA (SPL pondéré A, dB re. 20 μPa). Un simulateur de tête et de torse (HATS ; Brüel and Kjær Type 4128-C) avec des simulateurs d’oreille droite et gauche a été utilisé pour mesurer le son qui serait ressenti au niveau des tympans des oreilles d’un utilisateur. La figure 2b montre la conception et la configuration du capteur à membrane utilisé dans ce système. Le capteur consiste en un morceau de film rétroréfléchissant (3 M-Scotchlite Sheeting 761027) de 0,1 mm d’épaisseur, tendu et collé sur un court tube cylindrique en polymère fermé de 9,2 mm de diamètre, de 4,6 mm de profondeur et d’une masse d’environ 0,2 g. La combinaison résultante est donc aussi peu invasive que possible en termes de taille et de masse. Le film a été utilisé comme membrane afin de maximiser le signal optique rétrodiffusé par rapport au faisceau laser entrant, indépendamment d’une incidence non normale du faisceau, ce qui est avantageux en présence d’inévitables mouvements de la tête. La membrane fonctionne de manière similaire à un diaphragme de microphone, convertissant finalement la vibration mécanique induite par la pression acoustique en un signal électrique. Cependant, dans ce cas, il n’y a pas de composants électroniques à l’intérieur (par exemple, un préamplificateur pour traiter le signal mesuré), ni la nécessité d’un câblage pour la transmission du signal. Au lieu de cela, le conditionnement et la conversion du signal sont effectués à distance dans l’opto-électronique du LDV. Des paramètres détaillés pour le matériau rétro-réfléchissant et la réponse en fréquence du capteur à membrane ont été déterminés et peuvent être trouvés dans la figure supplémentaire S1 et le tableau supplémentaire S1.
Montage expérimental pour un HATS stationnaire. (a) Deux haut-parleurs secondaires ont été placés derrière le HATS pour le contrôle du son. Plusieurs haut-parleurs primaires (trois illustrés) ont été placés arbitrairement pour simuler le son indésirable provenant de différentes directions. Le faisceau laser de la sonde du LDV était dirigé vers la membrane de l’oreille. (b) Une membrane a été placée près du conduit auditif de l’oreille synthétique gauche du HATS. Le LDV détermine à distance la vitesse de surface de la membrane comme signal d’erreur pour le contrôleur ANC.
Le système d’acquisition de données se trouve à distance avec le LDV dans l’arrangement proposé. Le LDV (Polytec PDV-100) a une gamme de fréquence mesurable de 20 Hz à 22 kHz. Le LDV était monté sur un trépied, isolé des vibrations du HATS et des haut-parleurs (Genelec 8010A). Le taux d’échantillonnage du contrôleur ANC (Antysound TigerANC WIFI-Q) était réglé sur 32 kHz, et les longueurs de filtre pour les voies primaire et secondaire étaient réglées sur 1024 taps. Il convient de noter que l’algorithme de contrôle adaptatif a simplement pris directement le signal de vitesse de la membrane mesuré et a tenté de le minimiser. Bien que le signal de vitesse puisse potentiellement être converti en pression acoustique par certains moyens, cela n’était pas nécessaire – le résultat serait le même qu’il s’agisse du signal brut ou d’un dérivé de celui-ci.
Placement optimal du capteur à membrane
Bien qu’il soit évident de placer le capteur à membrane aussi près que possible du canal auditif, il n’est pas immédiatement clair quel(s) emplacement(s) spécifique(s) était(étaient) plus réalisable(s)/optimal(s) et quelle pourrait être la performance de la CNA pour chacun d’entre eux. Quatre emplacements possibles sont illustrés à la figure 3, l’emplacement n° 1 étant situé sur l’encoche antérieure du pavillon, l’emplacement n° 2 sur le tragus, l’emplacement n° 3 dans le cavum concha et l’emplacement n° 4 sur le lobule. Les expériences ont été réalisées dans l’oreille synthétique gauche de la HATS. Un seul haut-parleur, situé à 0,6 m directement à l’arrière de la HATS, est utilisé ici comme source primaire. Le signal de la source primaire était un bruit gris à large bande avec un filtre courbe Fletcher-Munson personnalisé28 de 500 Hz à 6 kHz (voir la figure supplémentaire S2). Le filtre a été appliqué ici pour obtenir un SPL mesuré avec une réponse en fréquence plate à l’intérieur du HATS. Le SPL global au niveau de la membrane tympanique gauche était de 77,7 dB (re. 20 μPa-omis ci-après par souci de brièveté) avec ANC désactivé.
Les SPL (dB re. 20 μPa) mesurés à partir du simulateur d’oreille gauche d’un HATS, simulant le son qu’un utilisateur ressent au niveau de la membrane tympanique gauche avec et sans CNA, lorsque la membrane se trouvait à (a) l’emplacement #1-entaille antérieure ; (b) l’emplacement #2-tragus ; (c) l’emplacement #3-cavum concha ; et (d) l’emplacement #4-lobule de l’oreille synthétique gauche du HATS.
Avec la CNA activée, les performances aux emplacements #1 et #2 étaient similaires, le SPL global résultant étant de 69,2 dB et 70,9 dB, respectivement. Cependant, la réduction sonore n’était significative qu’aux fréquences inférieures à 4 kHz. Cela peut s’expliquer par le fait que les pressions sonores mesurées à ces deux points ne sont similaires à celles du canal auditif qu’en dessous de 4 kHz. Ainsi, les performances de contrôle à ces deux points sont également limitées jusqu’à 4 kHz. La réduction du bruit au point n°3 a été la meilleure avec un SPL global de 63,5 dB lorsque le système ANC était activé. Le NPA global a été réduit de 14,2 dB sur toute la gamme de fréquences allant de 500 Hz à 6 kHz. L’emplacement n° 4, le lobule, était plus éloigné du conduit auditif que tous les autres emplacements sélectionnés. La plage de fréquence effective de la réduction du son ne s’étendait que jusqu’à environ 3 kHz, avec une augmentation d’environ 6 dB du fait observé sur la plage de 5 à 6 kHz. Sur la base des résultats de cette analyse de performance de l’emplacement de la membrane, l’emplacement #3 (le cavum concha) a été identifié comme l’emplacement optimal pour la membrane ; dans les autres investigations expérimentales décrites ici, c’est donc la position de la membrane qui est employée.
Évaluation de la performance pour le bruit à large bande
La figure 4 montre les spectres de bruit mesurés pour chaque oreille sans et avec ANC pour trois scénarios de champ sonore primaire différents. Le ou les haut-parleurs pilotés avec des signaux communs étaient disposés de manière à créer des environnements de plus en plus complexes avec un ou plusieurs réflecteurs. Le signal utilisé était à nouveau le bruit gris à large bande équivalent à celui utilisé pour obtenir les résultats présentés à la figure 3. Tous les résultats des essais ont été obtenus en faisant la moyenne sur une longueur de données de 15 secondes. La figure 4a montre la configuration où une source primaire unique était située à 0,6 m directement à l’arrière du HATS pour simuler le son provenant d’une source proche sans tenir compte des réflexions de l’environnement. Après avoir activé le système ANC, une atténuation de près de 15 dB a été réalisée, le SPL global étant réduit de 78,1 dB à 63,8 dB et de 77,3 dB à 62,0 dB aux oreilles gauche et droite respectivement. Ce scénario est similaire à celui présenté dans le système de pointe actuel20, où le son était contrôlé jusqu’à 1 kHz, bien qu’ici l’amélioration obtenue porte sur une gamme de fréquences beaucoup plus large, jusqu’à 6 kHz. Il convient de noter que les tests ont encore été effectués de chaque côté séparément au lieu d’être pris simultanément dans ce cas.
Trois configurations des haut-parleurs primaires et le SPL correspondant (dB re. 20 μPa) avec et sans ANC aux deux oreilles. (a) Un seul haut-parleur primaire a été utilisé pour simuler le son d’une source unique à proximité. (b) Deux haut-parleurs primaires ont été utilisés pour simuler deux sources sonores à proximité ou une source sonore unique avec une surface réfléchissante à proximité. (c) Quatre haut-parleurs primaires ont été utilisés pour simuler le son provenant de plusieurs directions, ce qui se rapproche d’un cas général dans la pratique.
La figure 4b montre la configuration et les résultats d’une situation dans laquelle deux haut-parleurs primaires ont été placés arbitrairement à deux endroits différents. Cela peut représenter une situation où l’utilisateur est proche d’une grande surface rigide réfléchissante, telle qu’une table ou un mur. Dans ce cas, les signaux acoustiques provenant de la source originale et du réflecteur sont cohérents. Une atténuation d’environ 13 dB a été obtenue, les NPA globaux étant réduits de 80,2 dB et 77,9 dB à 66,0 dB et 65,2 dB aux oreilles gauche et droite, respectivement. La figure 4c montre une situation plus générale où il existe plusieurs réflecteurs. Pour ce faire, quatre haut-parleurs primaires ont été positionnés arbitrairement à divers endroits autour de la tête. Une atténuation d’environ 11 dB a été obtenue avec une réduction du NPA global de 80,4 dB à 68,9 dB et de 80,1 dB à 69,4 dB aux oreilles gauche et droite respectivement. Dans ces trois exemples, le système démontré a permis une réduction minimale de 10 dB sur toute la gamme de fréquences de 500 Hz à 6 kHz. Il convient de noter que les placements de ces sources primaires ont été créés arbitrairement, cependant, les performances de contrôle observées devraient être similaires pour toute autre configuration similaire.
Évaluation des performances pour le bruit environnemental synthétique
Pour démontrer davantage la capacité de la solution proposée, les performances en présence de trois différents types de scénarios de bruit environnemental commun préenregistré ont été évaluées. Similaire à la configuration mise en œuvre récemment20, la source primaire était située à environ 1,2 m directement derrière le HATS, un seul canal (oreille droite) étant contrôlé. Les trois expériences ont été réalisées dans une chambre hémi-anéchoïque. Tout d’abord, un enregistrement du bruit intérieur d’un avion29 a été utilisé comme signal source primaire. Les signaux de 15 secondes observés par le HATS avant et après la CNA sont présentés à la figure 5a, ainsi que les spectres correspondants dont la moyenne a été calculée sur cette durée. Le NPA global a été réduit de manière significative, passant de 74,7 dB à 59,6 dB, soit une amélioration de plus de 15 dB. Deuxièmement, un exemple de bruit de survol d’un avion30 a été examiné. La figure 5b montre le signal dans le domaine temporel observé par le HATS d’un tel bruit non stationnaire avant et après la CNA et le spectre (moyenne de 3 à 8 s seulement). Là encore, on constate une réduction significative dans la plage de 500 Hz à 6 kHz. En effet, là où le bruit était le plus prononcé, c’est-à-dire de 3 à 8 s, le NPS global a été réduit d’environ 82,1 dB à 61,6 dB, soit une atténuation sonore de plus de 20 dB. Enfin, un enregistrement d’une foule de personnes parlant a été utilisé comme signal source primaire31. La figure 5c montre les signaux de 15 secondes dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel avant et après la CNA. Le NPA global a été contrôlé de 75,5 à 59,8 dB ; une réduction de plus de 15 dB a été obtenue. Le tableau 1 résume les niveaux de pression acoustique globaux moyens sans et avec contrôle à l’aide du système proposé pour ces nouveaux scénarios, où une réduction du bruit de 15-20 dB jusqu’à 6 kHz peut être obtenue à l’aide du système proposé. Les enregistrements audio avant et après la CNA peuvent être vus dans le film supplémentaire 1. Il est important de noter que la solution actuelle de CNA à détection virtuelle de l’état de l’art, avec une performance de fréquence supérieure d’environ 1 kHz, ne donnerait pas une performance aussi impressionnante que le casque de CNA virtuel présenté ici car, comme on peut l’observer sur la Fig. 5, le contenu fréquentiel plus significatif dans les trois signaux d’exemple existe principalement dans la gamme de 2 à 4 kHz.
Le signal dans le domaine temporel observé par le HATS et le niveau de pression acoustique correspondant (dB re. 20 μPa) sans et avec ANC pour (a) un bruit intérieur d’avion, (b) un bruit de survol d’avion et (c) un bruit ambiant de personnes qui parlent.
Évaluation des performances en présence d’un mouvement de la tête
Une personne est susceptible de présenter un mouvement continu de la tête, par conséquent, le faisceau laser de la sonde du LDV doit être capable de suivre le mouvement arbitraire correspondant de la membrane dans les oreilles. De telles solutions de suivi de LDV ont été largement recherchées, développées et appliquées pour de nombreuses tâches de mesure complexes26 ; le scénario présenté ici représente une autre application intéressante. Un système de suivi simple a donc été mis en œuvre pour démontrer la preuve du concept. Ce système de suivi sur mesure basé sur une caméra est illustré à la figure 6 et ses spécifications sont présentées dans la sous-section Méthodes – Système de suivi de la tête. Le scénario utilisé ici est le même que celui décrit dans la figure 4a, c’est-à-dire celui avec une seule source sonore immédiatement à l’arrière.
(a) Configuration du système de suivi de tête avec un seul haut-parleur primaire. Le système de suivi et le LDV sont placés sur le côté gauche de la tête. (b) La construction du système de suivi avec un miroir panoramique et un miroir d’inclinaison pour diriger le faisceau laser. La caméra est fixée au contrôleur pour le suivi de l’objet cible. (c) Un marqueur jaune est placé sous la membrane du lobule de l’oreille comme objet cible. (d) Schéma du système de suivi basé sur une caméra montrant le trajet du faisceau laser à partir du LDV de balayage.
Le mouvement d’un marqueur sur le lobule de l’oreille de l’HATS, comme illustré dans la figure 6c a été déterminé par le système de suivi basé sur le traitement d’image pour maintenir une incidence quasi-optimale du faisceau laser sur la membrane et produire un signal d’erreur utile. La figure supplémentaire S3 et les remarques associées présentent les effets des mesures décentrées et des différents angles d’incidence du faisceau laser sur les performances du système. Dans l’ensemble, les performances ne sont pas particulièrement sensibles à l’emplacement précis du faisceau laser sur la membrane, et il n’est donc pas nécessaire que l’incidence du faisceau laser soit précisément au centre géométrique. Avec le faisceau laser légèrement décentré, la performance de la CNA est maintenue. En outre, l’angle d’incidence du faisceau laser n’a pas affecté les performances de manière significative. Avec une incidence de 60 degrés, tout à fait remarquable, le signal LDV chute d’environ 5 dB, ce qui, là encore, n’a qu’un effet négatif minime sur les performances de la CNA. Ces caractéristiques ont jeté les bases d’une application réussie du système de suivi pour gérer les inévitables mouvements de la tête de l’utilisateur.
La figure 7 montre quatre performances de contrôle – lorsque l’ANC est désactivé (1) et activé (2) pour un HATS stationnaire et lorsque l’ANC est activé avec le système de suivi de la tête désactivé (3) et activé (4) pour un HATS en mouvement. Le mouvement du HATS a été implémenté manuellement avec un mouvement avant-arrière utilisé pour simuler une personne se déplaçant d’avant en arrière en position assise. La distance maximale parcourue par le HATS dans le film supplémentaire 2 était d’environ 0,08 m de crête à crête avec une vitesse maximale d’environ 0,04 m/s. La figure 7a montre un échantillon de 15 secondes de la mesure dans le domaine temporel pour chaque cas, avec la même configuration que sur la figure 4a. La figure 7b montre le spectre de fréquence moyen correspondant pour chaque cas pendant toute la durée. Semblable aux résultats précédemment présentés dans la figure 4a, le SPL total a été réduit de 81,1 à 64,1 dB sur la gamme de fréquences de 500 Hz à 6 kHz pour la situation stationnaire.
Performance de l’ANC avec le système de suivi de tête développé. (a) Quatre échantillons de 15 s du signal dans le domaine temporel observé par le HATS. La durée supérieure de 30 s montre la pression acoustique avec ANC désactivé et activé pour la situation stationnaire, tandis que la durée inférieure de 30 s montre la pression acoustique avec ANC activé avec le système de suivi désactivé et activé pour une HATS en mouvement. (b) Le niveau de pression acoustique correspondant (dB re. 20 μPa) des quatre signaux.
Lorsque la HATS se déplaçait avec l’ANC activé mais avec le système de suivi désactivé, la tête (donc la membrane) s’éloignait du faisceau laser de la sonde ; le signal LDV a ainsi » chuté » ou effectué une mesure de vibration non représentative de la pression acoustique à l’oreille. Cela peut facilement faire diverger le système de contrôle et, comme le montre la figure 7b, le SPL global a en fait augmenté de manière significative de 81,1 à 99,5 dB. Lorsque le système de suivi était activé, les miroirs ont maintenu l’incidence du faisceau laser sur la membrane pendant que le HATS se déplaçait. Ainsi, la mesure du SPL est restée valable pour le contrôle adaptatif. Comme le montre la figure 7b, le système a réduit le son de 81,1 à 70,4 dB sur toute la gamme de fréquences. La performance du contrôle a maintenu une réduction d’au moins 10 dB pendant le mouvement de la HATS, ce qui démontre la nécessité d’utiliser un système de suivi pour le système ANC. Encore une fois, ces enregistrements audio peuvent être vus dans le film supplémentaire 2.
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