A rendszer felépítése és az ezt követő kísérleti vizsgálatok eredményei öt alfejezetbe rendeződnek. Kezdetben a virtuális ANC fejhallgató rendszertervezését ismertetjük. Ezt követően a membránnak a legjobb szabályozási teljesítményt biztosító helyét vizsgáljuk. Harmadszor, a fej- és törzsszimulátoron (HATS) megvalósított rendszerrel meghatározásra kerül az ANC teljesítménye szélessávú szürke zaj jelenlétében. Végül a rendszer teljesítményét különböző szintetizált, valós környezeti zajjelek esetén értékelik. Végül egy egyszerű mérési helykövető rendszer alkalmazásával lehetővé válik az elkerülhetetlen felhasználói fejmozgás tolerálása.
Virtuális ANC fejhallgató rendszer tervezése
A javasolt rendszerelemeket és azok elrendezését bemutató vázlat az 1a. ábrán látható. Két másodlagos hangszóró van elhelyezve a felhasználó feje mögött (mintha egy fejtámlába lenne beépítve), egy-egy mindkét oldalon, hogy szabályozza a környezetből származó elsődleges hangot mindkét fülnél, és ezáltal csendesebb környezetbe helyezze a felhasználót. Egy LDV-t használnak a hallójárat bejáratánál lévő akusztikus jel meghatározására a közelben elhelyezett kisméretű, könnyű és fényvisszaverő membrános hangszedő felületi rezgésének mérésével. Míg az 1a. ábra két bejövő lézersugarat mutat, egyet-egyet mindkét fülre, a rövidség és az áttekinthetőség kedvéért, de a kétfülű egyenértékűség általánosságának sérelme nélkül itt egy egyfülű megoldást veszünk figyelembe és írunk le.
Egy virtuális ANC fejhallgató. (a) Mindkét fülben csendes zónát alakítanak ki egy közeli másodlagos hangszórópár használatával a fülben lévő hang csökkentésére, a szükséges hibajelet a hallójárat közelében elhelyezett kis membrános hangszedő rezgésének LDV-méréséből határozzák meg. A felhasználó mozgását egy kamera-alapú nyomkövető rendszer veszi figyelembe, amely aktívan vezérli a galvanométerrel hajtott tükröket a lézersugár irányítása és a membránon való helyzetének fenntartása érdekében. (b) A másodlagos hangszórók elhelyezkedése. Minden egyes másodlagos hangszóró zajcsökkentő jeleket generál az ANC-vezérlőn keresztül (nem látható).
Az ANC-rendszerek esetében a csendes zónát olyan területként határozzák meg, amelyben több mint 10 dB hangcsillapítás érhető el, a zóna mérete pedig a hang hullámhosszának körülbelül egy tizede a diffúz hangmezőben4. Ha a membránt a hallójárathoz közel helyezik el, ilyen csendes zóna hozható létre körülötte, ezáltal csökkentve a dobhártyára (dobhártyára) terjedő hangot. Az itt bemutatott két másodlagos hangszórót egymástól 0,44 m távolságra, 45 fokos azimutális szögben helyezték el a felhasználó felé, ahogy az 1b. ábrán látható. A szabályozó az adaptív szabályozás hibajelének a membrán felületi rezgési sebességét veszi egy LDV-től, amelynek részletei a Módszerek-zajszabályozási algoritmus alfejezetben találhatók.
A normális fejmozgásokat egy viszonylag egyszerű, kamera alapú követő rendszerrel lehet kezelni, amelyet az 1a. ábra vázol fel, és amely aktívan vezérel egy pár ortogonális, galvanométerrel vezérelt tükröt, hogy a szonda lézersugarat a membrán közepén tartsa. Egy testreszabott képfeldolgozó algoritmus alkalmazásával az LDV így távolról, valós időben képes az akusztikus hibajelzésre.
A kísérleti elrendezést a 2a. ábra mutatja be. A kísérletet egy csendes szobában végeztük, ahol a háttérhangnyomásszint 38,5 dBA volt (A-súlyozott SPL, dB re. 20 μPa). Egy jobb és bal fülszimulátorral ellátott fej- és törzsszimulátor (HATS; Brüel and Kjær 4128-C típus) szolgált a felhasználó fülében a dobhártyán érzékelhető hang mérésére. A 2b. ábra mutatja a rendszerben használt membránhangszedő kialakítását és konfigurációját. A hangszedő egy 0,1 mm vastagságú fényvisszaverő fóliadarabból (3 M-Scotchlite Sheeting 761027) áll, amely egy rövid, zárt, 9,2 mm átmérőjű, 4,6 mm mély és kb. 0,2 g tömegű polimer hengeres csőre van feszítve és rátapasztva. A kapott kombináció tehát a méret és a tömeg szempontjából a lehető legkevésbé invazív, ami gyakorlatilag lehetséges. A fóliát membránként használták, hogy a beérkező lézersugárhoz viszonyítva maximalizálják a visszaszórt optikai jelet, függetlenül a nem normális sugárbeeséstől, ami az elkerülhetetlen fejmozgások jelenlétében előnyös. A membrán a mikrofon membránjához hasonlóan működik, és az akusztikus nyomás által kiváltott mechanikus rezgést végső soron elektromos jellé alakítja. Ebben az esetben azonban nincsenek benne elektronikus alkatrészek (pl. a mért jelet feldolgozó előerősítő), és a jelátvitelhez sincs szükség vezetékekre. Ehelyett a jelek kondicionálása és átalakítása távolról, az LDV optoelektronikában történik. A fényvisszaverő anyag és a membránfelvevő frekvenciaválaszának részletes paraméterei meghatározásra kerültek, és megtalálhatók az S1. kiegészítő ábrán és az S1. kiegészítő táblázatban.
Kísérleti elrendezés egy álló HATS-hoz. (a) Két másodlagos hangszórót helyeztek el a HATS mögött a hangvezérléshez. Több elsődleges hangszórót (a képen három) tetszőlegesen helyeztünk el a különböző irányokból érkező nem kívánt hangok szimulálása érdekében. Az LDV szonda lézersugarát a fülben lévő membrán felé irányították. (b) A HATS bal oldali szintetikus fülének hallójáratához közel egy membránt helyeztek el. Az LDV távolról meghatározza a membrán felületi sebességét, amely az ANC-vezérlő hibajele.
Az adatgyűjtő rendszer a javasolt elrendezésben az LDV-vel együtt egy távoli helyen van. Az LDV (Polytec PDV-100) mérhető frekvenciatartománya 20 Hz és 22 kHz között van. Az LDV-t egy állványra szerelték, rezgésszigetelve a HATS-tól és a hangszóróktól (Genelec 8010A). Az ANC-vezérlő (Antysound TigerANC WIFI-Q) mintavételi frekvenciáját 32 kHz-re állítottuk be, és a szűrő hosszát mind az elsődleges, mind a másodlagos útvonalon 1024 csapolásra állítottuk be. Meg kell jegyezni, hogy az adaptív vezérlő algoritmus egyszerűen közvetlenül a mért membránsebesség-jelet vette, és megpróbálta azt minimalizálni. Bár a sebességjelet potenciálisan valamilyen módon át lehetett volna alakítani hangnyomássá, erre nem volt szükség – az eredmény ugyanaz lett volna, akár a nyers jel, akár annak valamilyen származéka.
A membránfelvevő optimális elhelyezése
Bár nyilvánvaló, hogy a membránfelvevőt a lehető legközelebb kell helyezni a hallójárathoz, nem egyértelmű, hogy melyik konkrét hely/ek voltak megvalósíthatóbbak/optimistábbak, és hogy az ANC teljesítménye milyen lehet mindegyiknél. A 3. ábrán négy lehetséges felvételi hely látható, ahol az 1. hely a fülkagyló elülső részén, a 2. hely a traguson, a 3. hely a cavum concha-ban, a 4. hely pedig a lebenyben van. A kísérleteket a HATS bal műfülén végeztük. Itt csak egy hangszórót használtunk elsődleges forrásként, amely 0,6 m távolságra, közvetlenül a HATS hátsó részén helyezkedik el. Az elsődleges forrásjel egy 500 Hz-től 6 kHz-ig terjedő széles sávú szürke zaj volt, testre szabott Fletcher-Munson görbeszűrővel28 (lásd a kiegészítő S2. ábrát). A szűrőt itt azért alkalmaztuk, hogy a HATS belsejében lapos frekvenciaválaszú mért SPL-t kapjunk. A teljes SPL a bal dobhártyánál 77,7 dB (re. 20 μPa- a továbbiakban a rövidség kedvéért elhagyva) volt kikapcsolt ANC-vel.
Az SPL-ek (dB re. 20 μPa), amelyeket a HATS bal fülszimulátorából mértek, szimulálva azt a hangot, amelyet a felhasználó a bal tympán membránnál ANC-vel és anélkül tapasztal, amikor a membrán (a) a HATS bal szintetikus fülének #1-anterior notch helyén; (b) a #2-tragus helyén; (c) a #3-cavum concha helyén; és (d) a #4-lobule helyén volt.
Az ANC bekapcsolásával az 1. és 2. helyeken a teljesítmény hasonló volt, a kapott teljes SPL 69,2 dB, illetve 70,9 dB volt. A hangcsökkenés azonban csak a 4 kHz alatti frekvenciákon volt jelentős. Ennek oka az lehet, hogy az e két ponton mért hangnyomás csak 4 kHz alatt hasonló a hallójáratnál mérthez. Így a két pont ellenőrzési teljesítménye is korlátozott 4 kHz-ig. A hangcsökkentés a 3. helyen volt a legjobb, 63,5 dB teljes SPL értékkel, amikor az ANC be volt kapcsolva. A teljes SPL 14,2 dB-lel csökkent az 500 Hz és 6 kHz közötti teljes frekvenciatartományban. A 4. hely, a lebeny, távolabb volt a hallójárattól, mint a többi kiválasztott hely. A hangcsökkentés hatékony frekvenciatartománya csak körülbelül 3 kHz-ig terjedt, és az 5-6 kHz-es tartományban körülbelül 6 dB-es növekedés volt megfigyelhető. A membrán helyének teljesítményelemzéséből származó eredmények alapján a 3. hely (a cavum concha) a membrán optimális helyének bizonyult; az itt leírt további kísérleti vizsgálatokban ezért ezt a membránhelyet alkalmazzák.
A szélessávú zaj teljesítményének értékelése
A 4. ábra mutatja a mért zajspektrumokat mindkét fülre ANC nélkül és ANC-vel három különböző elsődleges hangmező-forgatókönyv esetén. A közös jelekkel meghajtott hangszóró(ka)t úgy rendezték el, hogy egyre összetettebb környezetet hozzanak létre egy vagy több reflektorral. A használt jel ismét a 3. ábrán bemutatott eredményekhez használt széles sávú szürke zajjal egyenértékű jel volt. Minden vizsgálati eredményt 15 s adathosszúságú átlagolással kaptunk. A 4a. ábra azt az elrendezést mutatja, ahol egyetlen elsődleges forrás 0,6 m távolságban, közvetlenül a HATS hátsó részén helyezkedett el, hogy a közeli forrásból érkező hangot szimulálja, a környezetből származó visszaverődések figyelembevétele nélkül. Az ANC bekapcsolása után közel 15 dB csillapítás valósult meg, a teljes SPL 78,1 dB-ről 63,8 dB-re, illetve 77,3 dB-ről 62,0 dB-re csökkent a bal és a jobb fülnél. Ez a forgatókönyv hasonló a jelenlegi legkorszerűbb rendszerben20 bemutatotthoz, ahol a hangot 1 kHz-ig szabályozták, bár itt az elért javulás sokkal szélesebb, 6 kHz-ig terjedő frekvenciatartományban történt. Érdemes megjegyezni, hogy a vizsgálatokat ebben az esetben még mindig mindkét oldalon külön-külön végezték, ahelyett, hogy egyszerre végezték volna.
A primer hangszórók három konfigurációja és a megfelelő SPL (dB re. 20 μPa) ANC-vel és anélkül mindkét fülön. (a) Egyetlen elsődleges hangszórót használtunk a közelben lévő egyetlen forrásból származó hang szimulálására. (b) Két elsődleges hangszórót használtak két közeli hangforrás vagy egyetlen hangforrás és egy közeli visszaverő felület szimulálására. (c) Négy elsődleges hangszórót használtak a több irányból érkező hang szimulálására, ami megközelíti a gyakorlatban előforduló általános esetet.
A 4b. ábra egy olyan helyzet beállítását és eredményeit mutatja, amelyben két elsődleges hangszórót helyeztek el tetszőlegesen két különböző helyen. Ez olyan helyzetet ábrázolhat, amikor a felhasználó egy nagy, merev, visszaverő felület, például egy asztal vagy egy fal közelében tartózkodik. Ebben az esetben az eredeti forrásból és a reflektorból származó akusztikus jelek koherensek. Körülbelül 13 dB csillapítást értek el, a teljes hangnyomásszint 80,2 dB-ről és 77,9 dB-ről 66,0 dB-re és 65,2 dB-re csökkent a bal és a jobb fülnél. A 4c. ábra egy általánosabb helyzetet mutat, amikor több reflektor létezik. Ennek elérése érdekében négy elsődleges hangszórót helyeztek el önkényesen különböző helyeken a fej körül. Körülbelül 11 dB csillapítást értek el, a teljes SPL 80,4 dB-ről 68,9 dB-re, illetve 80,1 dB-ről 69,4 dB-re csökkent a bal és a jobb fülnél. Mindhárom példában a bemutatott rendszer legalább 10 dB-es csökkentést eredményezett a teljes 500 Hz és 6 kHz közötti frekvenciatartományban. Érdemes megjegyezni, hogy ezeknek az elsődleges forrásoknak az elhelyezését önkényesen hozták létre, azonban a megfigyelt szabályozási teljesítmény várhatóan hasonló lesz bármely más hasonló konfiguráció esetén.
Teljesítményértékelés szintetikus környezeti zaj esetén
A javasolt megoldás képességének további bizonyítására a teljesítményt három különböző típusú, előre felvett, közös környezeti zajforgatókönyv jelenlétében értékelték. A közelmúltban megvalósított konfigurációhoz20 hasonlóan az elsődleges forrást körülbelül 1,2 m-re, közvetlenül a HATS mögött helyezték el, és csak egy csatornát (jobb fül) vezéreltek. A három kísérletet hemi-anechoikus kamrában végeztük. Először a repülőgép belső zajának29 felvételét használták elsődleges forrásjelként. A HATS által az ANC előtt és után megfigyelt 15 másodperces jeleket az 5a. ábra mutatja, és az erre az időtartamra átlagolt megfelelő spektrumokat is. A teljes hangnyomásszint jelentősen csökkent, 74,7 dB-ről 59,6 dB-re, ami több mint 15 dB-es javulást jelent. Másodszor egy példát vizsgáltunk egy repülőgép elrepülési zajára30 . Az 5b. ábra az ilyen nem stacionárius zajnak a HATS által megfigyelt időtartománybeli jelét mutatja az ANC előtt és után, valamint a spektrumot (csak 3 és 8 s között átlagolva). Ismét jelentős csökkenés volt tapasztalható az 500 Hz és 6 kHz közötti tartományban. Valóban, ahol a zaj a legkifejezettebb volt, azaz 3 és 8 s között, a teljes hangnyomásszint körülbelül 82,1 dB-ről 61,6 dB-re csökkent – ez több mint 20 dB-es hangcsillapítást jelent. Végül egy beszélgető tömegről készült felvételt használtak elsődleges forrásjelként31 . Az 5c. ábra ismét az ANC előtti és utáni 15 s időtartománybeli és frekvenciatartománybeli jeleket mutatja. A teljes SPL-t 75,5 dB-ről 59,8 dB-re szabályozták; több mint 15 dB csökkenést értek el. Az 1. táblázat összefoglalja az átlagolt teljes SPL-eket a javasolt rendszerrel történő vezérlés nélkül és a javasolt rendszerrel történő vezérléssel ezekre az új forgatókönyvekre, ahol a javasolt rendszerrel 15-20 dB zajcsökkentés érhető el 6 kHz-ig. Az ANC előtti és utáni hangfelvételek az 1. kiegészítő film segítségével tekinthetők meg. Fontos megjegyezni, hogy a jelenlegi legkorszerűbb virtuális érzékelős ANC-megoldás, amelynek idézett felső frekvenciás teljesítménye 1 kHz körül van, nem nyújtana olyan lenyűgöző teljesítményt, mint az itt bemutatott virtuális ANC fejhallgató, mivel, amint az az ábrán is megfigyelhető. 5. ábra, mindhárom példajelben a jelentősebb frekvenciatartalom elsősorban a 2-4 kHz-es tartományban van.
A HATS által megfigyelt időtartománybeli jel és a hozzá tartozó hangnyomásszint (dB re. 20 μPa) ANC nélkül és ANC-vel (a) repülőgépek belső zajára, (b) repülőgépek átrepülési zajára és (c) beszélgető emberek környezeti zajára.
Teljesítményértékelés fejmozgás jelenlétében
A személy hajlamos folyamatos fejmozgást mutatni, ezért az LDV szonda lézersugarának képesnek kell lennie a fülben lévő membrán megfelelő tetszőleges mozgásának követésére. Az ilyen követő LDV-megoldásokat már széles körben kutatták, fejlesztették és alkalmazták számos összetett mérési feladathoz26; az itt bemutatott forgatókönyv egy további érdekes alkalmazást jelent. A koncepció bizonyítására ezért egy egyszerű követőrendszert valósítottunk meg. Ez a testre szabott, kameraalapú nyomkövető rendszer a 6. ábrán látható, a specifikációkat a Módszerek – Fejkövető rendszer alfejezetben ismertetjük. Az itt használt forgatókönyv ugyanaz, mint a 4a. ábrán leírt, azaz egyetlen hangforrással közvetlenül hátulról.
(a) A fejkövető rendszer konfigurációja egyetlen elsődleges hangszóróval. A nyomkövető rendszer és az LDV a fej bal oldalán helyezkedik el. (b) A követő rendszer felépítése a lézersugár irányítására szolgáló pásztázó és billenő tükörrel. A céltárgy követésére szolgáló kamera a vezérlőhöz van csatlakoztatva. (c) Célobjektumként egy sárga jelzőt helyezünk el a füllebeny membránja alatt. (d) A kameraalapú követőrendszer vázlata, amely a pásztázó LDV lézersugár útját mutatja.
A HATS füllebenyén lévő jelölő mozgását a 6c. ábrán látható módon a képfeldolgozáson alapuló követőrendszer úgy határozta meg, hogy a lézersugár közel optimális beesése a membránon megmaradjon, és hasznos hibajelzést adjon. Az S3. kiegészítő ábra és a kapcsolódó megjegyzések bemutatják a középponton kívüli mérések és a különböző lézersugár beesési szögek hatását a rendszer teljesítményére. Összességében a teljesítmény nem volt különösebben érzékeny a lézersugár pontos helyére a membránon, ezért nem tartottuk szükségesnek, hogy a lézersugár pontosan a geometriai középpontban essen be. Ha a lézersugár kissé eltér a középponttól, az ANC-teljesítmény megmarad. Továbbá a lézersugár beesési szöge nem befolyásolta jelentősen a teljesítményt. A meglehetősen figyelemre méltó 60 fokos beesési szög esetén az LDV-jel körülbelül 5 dB-lel csökken, ami ismét csak minimálisan befolyásolja hátrányosan az ANC-teljesítményt. Ezek a jellemzők megalapozták a nyomkövető rendszer sikeres alkalmazását az elkerülhetetlen felhasználói fejmozgások kezelésére.
A 7. ábra négy vezérlési teljesítményt mutat – amikor az ANC ki van kapcsolva (1) és be van kapcsolva (2) egy álló HATS esetében, valamint amikor az ANC be van kapcsolva a fejkövető rendszer kikapcsolt (3) és bekapcsolt (4) állapotában egy mozgó HATS esetében. A HATS mozgását manuálisan valósítottuk meg egy előre-hátra mozgással, amely egy ülő helyzetben előre-hátra mozgó személyt szimulál. A 2. kiegészítő filmben a HATS által megtett maximális távolság körülbelül 0,08 m volt csúcsról csúcsra, a maximális sebesség körülbelül 0,04 m/s volt. A 7a. ábra az időtartománybeli mérés 15 másodperces mintáját mutatja minden egyes esetre a 4a. ábrával megegyező konfigurációval. A 7b. ábra a megfelelő átlagolt frekvenciaspektrumot mutatja az egyes esetek esetében a teljes időtartamra. A korábban a 4a. ábrán bemutatott eredményekhez hasonlóan a teljes SPL 81,1 dB-ről 64,1 dB-re csökkent az 500 Hz és 6 kHz közötti frekvenciatartományban az álló helyzetben.
ANC teljesítmény a kifejlesztett fejkövető rendszerrel. (a) Négy 15 s-os minta a HATS által megfigyelt időtartománybeli jelből. A felső 30 s időtartam az ANC kikapcsolt és bekapcsolt állapotú hangnyomást mutatja álló helyzetben, míg az alsó 30 s időtartam az ANC bekapcsolt állapotú hangnyomást a követőrendszer kikapcsolt és bekapcsolt állapotú mozgó HATS esetén. (b) A négy jel megfelelő hangnyomásszintje (dB re. 20 μPa).
Amikor a HATS bekapcsolt ANC-vel, de kikapcsolt nyomkövető rendszerrel mozgott, a fej (tehát a membrán) eltávolodott a szonda lézersugarától; az LDV jel ezáltal “kiesett”, vagy olyan rezgésmérést végzett, amely nem reprezentálta a fülnél lévő hangnyomást. Ez könnyen eltérítheti a vezérlőrendszert, és ahogy a 7b. ábrán látható, a teljes SPL valójában jelentősen megnőtt, 81,1 dB-ről 99,5 dB-re. Amikor a követő rendszer be volt kapcsolva, a tükrök fenntartották a lézersugár beesését a membránra, miközben a HATS mozgott. Így az LDV-mérés az adaptív vezérlés esetében is érvényes maradt. Amint a 7b. ábrán látható, a rendszer a teljes frekvenciatartományban 81,1 dB-ről 70,4 dB-re csökkentette a hangot. A vezérlési teljesítmény a HATS mozgása közben is legalább 10 dB-es csökkentést tartott fenn, ami bizonyítja, hogy az ANC rendszerhez követőrendszert kell használni. Ezek a hangfelvételek ismét megtapasztalhatók a 2. kiegészítő filmben.
Vélemény, hozzászólás?