Projekt systemu i wyniki badań eksperymentalnych zostały podzielone na pięć podrozdziałów. Na początku opisano projekt systemu wirtualnej słuchawki ANC. Następnie, badana jest lokalizacja membrany w celu uzyskania najlepszej wydajności sterowania. Po trzecie, wydajność ANC w obecności szerokopasmowego szumu szarego jest określana za pomocą systemu zaimplementowanego na symulatorze głowy i tułowia (HATS). Wreszcie, wydajność systemu jest oceniana dla różnych rodzajów syntetyzowanych sygnałów szumów środowiskowych. Ostatecznie, zastosowanie prostego systemu śledzenia lokalizacji pomiaru jest włączone, aby umożliwić tolerowanie nieuniknionych ruchów głowy użytkownika.
Wirtualny projekt systemu słuchawek ANC
Schemat przedstawiający proponowane komponenty systemu i ich rozmieszczenie jest pokazany na Rys. 1a. Dwa głośniki wtórne są umieszczone za głową użytkownika (tak jak w przypadku zintegrowania ich z zagłówkiem), po jednym z każdej strony, aby kontrolować dźwięk pierwotny z otoczenia przy każdym uchu i w ten sposób umieścić użytkownika w cichszym środowisku. LDV jest używany do określenia sygnału akustycznego przy wejściu do kanału słuchowego poprzez pomiar drgań powierzchniowych małego, lekkiego i retro-refleksyjnego przetwornika membranowego umieszczonego w pobliżu. Podczas gdy Rys. 1a pokazuje dwie przychodzące wiązki laserowe, po jednej do każdego ucha, dla zwięzłości i jasności rozważane i opisane jest tutaj rozwiązanie jednouszne, ale bez utraty ogólności dla odpowiednika dwuusznego.
Wirtualna słuchawka ANC. (a) W każdym uchu tworzona jest strefa ciszy poprzez zastosowanie pobliskiej pary głośników drugorzędnych w celu ograniczenia dźwięku w uchu, przy czym wymagany sygnał błędu jest określany na podstawie pomiaru LDV drgań małej membrany przetwornika umieszczonego blisko przewodu słuchowego. Ruch użytkownika jest uwzględniany przez system śledzenia oparty na kamerze, który aktywnie steruje napędzanymi galwanometrycznie zwierciadłami w celu kierowania wiązką laserową i utrzymywania jej pozycji na membranie. (b) Rozmieszczenie głośników pomocniczych. Każdy głośnik pomocniczy generuje sygnały przeciwhałasowe za pośrednictwem sterownika ANC (nie pokazano).
W przypadku systemów ANC strefa ciszy jest definiowana jako region, w którym uzyskuje się tłumienie dźwięku większe niż 10 dB, przy czym wielkość strefy wynosi około jednej dziesiątej długości fali dźwięku w rozproszonym polu dźwiękowym4. Gdy membrana jest umieszczona blisko przewodu słuchowego, taka cicha strefa może być utworzona wokół niej, redukując w ten sposób dźwięk rozchodzący się do błony bębenkowej (bębenek). Dwa prezentowane głośniki wtórne umieszczono w odległości 0,44 m od siebie, pod kątem azymutu 45 stopni w kierunku użytkownika, jak pokazano na Rys. 1b. Kontroler pobiera prędkość drgań powierzchniowych membrany z LDV jako sygnał błędu dla sterowania adaptacyjnego, którego szczegóły można znaleźć w podrozdziale Metody – Algorytm sterowania szumem.
Normalne ruchy głowy mogą być uwzględnione przez stosunkowo prosty system śledzenia oparty na kamerze, przedstawiony na Rys. 1a, który aktywnie kontroluje parę ortogonalnych, napędzanych galwanometrem luster w celu utrzymania padania wiązki lasera sondy na środek membrany. Poprzez zastosowanie specjalnego algorytmu przetwarzania obrazu, LDV może w ten sposób zdalnie uzyskać akustyczny sygnał błędu w czasie rzeczywistym.
Ustawienie eksperymentalne jest przedstawione na Rys. 2a. Eksperyment przeprowadzono w cichym pomieszczeniu o poziomie ciśnienia akustycznego tła 38,5 dBA (A-weighted SPL, dB re. 20 μPa). Symulator głowy i tułowia (HATS; Brüel and Kjær typ 4128-C) z symulatorami prawego i lewego ucha został użyty do pomiaru dźwięku, który byłby odczuwany na błonach bębenkowych w uszach użytkownika. Rysunek 2b przedstawia budowę i konfigurację przetwornika membranowego zastosowanego w tym systemie. Membrana składa się z kawałka folii odblaskowej (3 M-Scotchlite Sheeting 761027) o grubości 0,1 mm, naciągniętej i przyklejonej do krótkiej, zamkniętej polimerowej rurki cylindrycznej o średnicy 9,2 mm, głębokości 4,6 mm i masie około 0,2 g. Powstała w ten sposób kombinacja jest zatem tak mało inwazyjna, jak to praktycznie możliwe pod względem rozmiaru i masy. Folia została użyta jako membrana, tak aby zmaksymalizować sygnał optyczny rozproszony wstecznie w stosunku do przychodzącej wiązki laserowej, niezależnie od nienormalnego padania wiązki, co jest korzystne w obecności nieuniknionych ruchów głowy. Membrana działa podobnie do membrany mikrofonu, przekształcając drgania mechaniczne wywołane ciśnieniem akustycznym ostatecznie w sygnał elektryczny. Jednakże, w tym przypadku, nie ma wewnątrz żadnych komponentów elektronicznych (np. przedwzmacniacza do przetwarzania mierzonego sygnału), ani potrzeby okablowania do transmisji sygnału. Zamiast tego, kondycjonowanie i konwersja sygnału są wykonywane zdalnie w optoelektronice LDV. Szczegółowe parametry materiału retro-refleksyjnego i odpowiedzi częstotliwościowej przetwornika membranowego zostały określone i można je znaleźć na uzupełniającym Rys. S1 i uzupełniającej Tabeli S1.
Ustawienie eksperymentalne dla stacjonarnego HATS. (a) Dwa głośniki drugorzędne umieszczono za HATS w celu kontroli dźwięku. Wiele głośników głównych (pokazano trzy) rozmieszczono arbitralnie w celu symulacji niepożądanego dźwięku z różnych kierunków. Wiązka lasera sondy z LDV była skierowana na membranę w uchu. (b) Membranę umieszczono w pobliżu przewodu słuchowego lewego ucha syntetycznego urządzenia HATS. LDV zdalnie określa prędkość powierzchni membrany jako sygnał błędu dla kontrolera ANC.
System akwizycji danych znajduje się w zdalnej lokalizacji wraz z LDV w proponowanym układzie. LDV (Polytec PDV-100) posiada mierzalny zakres częstotliwości od 20 Hz do 22 kHz. LDV był zamontowany na statywie, odizolowany od HATS i głośników (Genelec 8010A). Częstotliwość próbkowania kontrolera ANC (Antysound TigerANC WIFI-Q) ustawiono na 32 kHz, a długości filtrów zarówno dla ścieżki pierwotnej, jak i wtórnej na 1024 odczepy. Należy zauważyć, że algorytm sterowania adaptacyjnego brał bezpośrednio mierzony sygnał prędkości membrany i próbował go zminimalizować. Podczas gdy sygnał prędkości mógłby być potencjalnie przekształcony w ciśnienie akustyczne w jakiś sposób, nie było to konieczne – wynik byłby taki sam niezależnie od tego czy byłby to surowy sygnał czy jakaś jego pochodna.
Optymalne umiejscowienie głowicy membrany
Aczkolwiek oczywistym jest umieszczenie głowicy membrany tak blisko kanału słuchowego jak to tylko możliwe, nie jest od razu jasne, która konkretnie lokalizacja/ lokalizacje byłyby bardziej wykonalne/optymalne i jaka wydajność ANC mogłaby być dla każdej z nich. Na Rys. 3 zilustrowano cztery możliwe lokalizacje głowicy, gdzie lokalizacja nr 1 znajduje się na przednim wcięciu małżowiny usznej, lokalizacja nr 2 na tragusie, lokalizacja nr 3 w cavum concha, a lokalizacja nr 4 na płatku ucha. Eksperymenty przeprowadzono w lewym uchu syntetycznym urządzenia HATS. Jako główne źródło sygnału wykorzystano tylko jeden głośnik, umieszczony w odległości 0,6 m bezpośrednio z tyłu urządzenia HATS. Podstawowym sygnałem źródłowym był szerokopasmowy szum szary z dostosowanym filtrem krzywej Fletchera-Munsona28 od 500 Hz do 6 kHz (zob. Rys. S2). Filtr ten zastosowano w celu uzyskania mierzonego SPL o płaskiej charakterystyce częstotliwościowej wewnątrz HATS. Całkowity SPL przy lewej błonie bębenkowej wynosił 77,7 dB (re. 20 μPa-omijany dalej dla zwięzłości) przy wyłączonym ANC.
Spadki SPL (dB re. 20 μPa) zmierzone z symulatora lewego ucha HATS, symulującego dźwięk, którego użytkownik doświadcza na lewej błonie bębenkowej z ANC i bez ANC, gdy błona znajdowała się w (a) lokalizacji #1-wycinek przedni; (b) lokalizacji #2-tragus; (c) lokalizacji #3-cavum concha; i (d) lokalizacji #4-lobule lewego syntetycznego ucha HATS.
Przy włączonym ANC, osiągi w lokalizacji #1 i #2 były podobne, z wynikowym całkowitym SPL wynoszącym odpowiednio 69,2 dB i 70,9 dB. Jednakże redukcja dźwięku była znacząca tylko przy częstotliwościach poniżej 4 kHz. Powodem tego może być fakt, że ciśnienie akustyczne mierzone w tych dwóch punktach jest podobne do ciśnienia w kanale słuchowym poniżej 4 kHz. Dlatego też skuteczność kontroli w tych dwóch punktach jest również ograniczona do 4 kHz. Tłumienie dźwięku w punkcie nr 3 było najlepsze przy całkowitym SPL wynoszącym 63,5 dB, gdy włączona była funkcja ANC. Całkowity poziom SPL został zredukowany o 14,2 dB w całym zakresie częstotliwości od 500 Hz do 6 kHz. Lokalizacja nr 4, płatek uszny, była bardziej oddalona od przewodu słuchowego niż pozostałe wybrane lokalizacje. Efektywny zakres częstotliwości redukcji dźwięku był tylko do około 3 kHz z około 6 dB wzrostem zaobserwowanym w zakresie 5 do 6 kHz. Bazując na wynikach analizy działania lokalizacji membrany, lokalizacja #3 (cavum concha) została zidentyfikowana jako optymalna dla membrany; w pozostałych badaniach eksperymentalnych opisanych w niniejszym dokumencie, jest to zatem zastosowana pozycja membrany.
Ocena działania dla hałasu szerokopasmowego
Rysunek 4 przedstawia zmierzone widma hałasu dla każdego ucha bez i z ANC dla trzech różnych scenariuszy pierwotnego pola dźwiękowego. Głośniki napędzane wspólnymi sygnałami zostały rozmieszczone tak, aby stworzyć coraz bardziej złożone otoczenie z jednym lub wieloma reflektorami. Sygnałem stosowanym był ponownie szerokopasmowy szum szary równoważny temu, który zastosowano do uzyskania wyników przedstawionych na Rys. 3. Wszystkie wyniki badań uzyskano poprzez uśrednienie danych o długości 15s. Na rys. 4a pokazano układ, w którym pojedyncze źródło główne umieszczono w odległości 0,6 m bezpośrednio z tyłu HATS-a, aby zasymulować dźwięk pochodzący z pobliskiego źródła bez uwzględnienia odbić od otoczenia. Po włączeniu funkcji ANC uzyskano prawie 15 dB tłumienia, przy czym całkowity poziom SPL został zredukowany z 78,1 dB do 63,8 dB oraz z 77,3 dB do 62,0 dB odpowiednio w lewym i prawym uchu. Scenariusz ten jest podobny do przedstawionego w najnowocześniejszym obecnie systemie20 , w którym kontrolowano dźwięk do 1 kHz, aczkolwiek w tym przypadku uzyskana poprawa dotyczy znacznie szerszego zakresu częstotliwości, do 6 kHz. Warto zauważyć, że w tym przypadku testy nadal były przeprowadzane dla każdej strony osobno, zamiast jednocześnie.
Trzy konfiguracje głośników głównych i odpowiadający im SPL (dB re. 20 μPa) z i bez ANC przy obu uszach. (a) Pojedynczy główny głośnik był używany do symulacji dźwięku z pojedynczego źródła w pobliżu. (b) Dwa główne głośniki symulowały dwa źródła dźwięku w pobliżu lub pojedyncze źródło dźwięku z pobliską powierzchnią odbijającą. (c) Cztery główne głośniki zostały użyte do symulacji dźwięku z wielu kierunków, co stanowi przybliżenie ogólnego przypadku w praktyce.
Rysunek 4b przedstawia konfigurację i wyniki z sytuacji, w której dwa główne głośniki zostały umieszczone arbitralnie w dwóch różnych miejscach. Może to reprezentować sytuację, w której użytkownik znajduje się blisko dużej sztywnej powierzchni odbijającej, takiej jak stół lub ściana. W tym przypadku sygnały akustyczne pochodzące z pierwotnego źródła i reflektora są koherentne. Uzyskano tłumienie o około 13 dB, przy czym całkowite wartości SPL zostały zredukowane z 80,2 dB i 77,9 dB do 66,0 dB i 65,2 dB odpowiednio w lewym i prawym uchu. Rysunek 4c przedstawia bardziej ogólną sytuację, w której istnieje wiele reflektorów. W tym celu arbitralnie rozmieszczono cztery głośniki główne w różnych miejscach wokół głowy. Uzyskano tłumienie o około 11 dB, przy czym ogólny poziom SPL został obniżony z 80,4 dB do 68,9 dB oraz z 80,1 dB do 69,4 dB odpowiednio przy lewym i prawym uchu. We wszystkich trzech przykładowych scenariuszach, zademonstrowany system zapewniał redukcję o minimum 10 dB w całym zakresie częstotliwości od 500 Hz do 6 kHz. Warto zauważyć, że umiejscowienie tych pierwotnych źródeł zostało stworzone arbitralnie, jednak oczekuje się, że zaobserwowane osiągi kontroli będą podobne dla każdej innej podobnej konfiguracji.
Ocena wydajności dla syntetycznego hałasu środowiskowego
Aby dodatkowo zademonstrować możliwości proponowanego rozwiązania, oceniono wydajność w obecności trzech różnych rodzajów nagranych wcześniej scenariuszy powszechnego hałasu środowiskowego. Podobnie jak w przypadku ostatnio zaimplementowanej konfiguracji20 , źródło pierwotne znajdowało się około 1,2 m bezpośrednio za HATS, przy czym kontrolowany był tylko jeden kanał (prawe ucho). Trzy eksperymenty przeprowadzono w komorze hemi-anechogenicznej. Po pierwsze, jako głównego sygnału źródłowego użyto nagrania hałasu z wnętrza samolotu29 . Na Rys. 5a przedstawiono 15-sekundowe sygnały obserwowane przez HATS przed i po ANC oraz odpowiadające im widma uśrednione dla tego czasu. Ogólny SPL został znacznie zmniejszony z 74,7 dB do 59,6 dB – poprawa o ponad 15 dB. Po drugie, przeanalizowano przykładowy szum przelotu samolotu30. Rysunek 5b przedstawia zaobserwowany przez HATS sygnał w dziedzinie czasu takiego niestacjonarnego hałasu przed i po ANC oraz widmo (uśrednione tylko od 3 do 8 s). Ponownie, nastąpiła znacząca redukcja w zakresie od 500 Hz do 6 kHz. W rzeczywistości, tam gdzie hałas był najbardziej wyraźny, tj. od 3 do 8 s, całkowity SPL został zredukowany z około 82,1 dB do 61,6 dB – co oznacza tłumienie dźwięku o ponad 20 dB. Wreszcie, jako główny sygnał źródłowy wykorzystano nagranie tłumu rozmawiających ludzi31. Rysunek 5c przedstawia sygnały 15-s w dziedzinie czasu oraz w dziedzinie częstotliwości przed i po ponownym zastosowaniu ANC. Ogólny SPL był kontrolowany z 75,5 do 59,8 dB; uzyskano redukcję o ponad 15 dB. Tabela 1 podsumowuje uśrednione ogólne SPL bez i z kontrolą przy użyciu proponowanego systemu dla tych nowych scenariuszy, gdzie 15-20 dB redukcja hałasu do 6 kHz może być osiągnięta przy użyciu proponowanego systemu. Nagrania audio przed i po ANC można obejrzeć w filmie uzupełniającym 1. Należy zauważyć, że obecne, najnowocześniejsze rozwiązanie wirtualnego ANC, z podawaną wydajnością w zakresie górnych częstotliwości wynoszącą około 1 kHz, nie dałoby tak imponujących wyników jak prezentowana tutaj wirtualna słuchawka ANC, ponieważ, jak można zaobserwować na Rys. 5, bardziej znacząca zawartość częstotliwości we wszystkich trzech przykładowych sygnałach występuje głównie w zakresie od 2 do 4 kHz.
Sygnał w dziedzinie czasu obserwowany przez HATS i odpowiadający mu poziom ciśnienia akustycznego (dB re). 20 μPa) bez i z ANC dla (a) hałasu wnętrza samolotu, (b) hałasu przelotu samolotu i (c) hałasu otoczenia ludzi rozmawiających.
Ocena działania w obecności ruchu głowy
Osoba jest skłonna do wykazywania ciągłego ruchu głowy, dlatego wiązka laserowa z sondy LDV powinna być w stanie śledzić odpowiadający jej dowolny ruch membrany w uszach. Takie śledzące rozwiązania LDV były szeroko badane, rozwijane i stosowane w wielu złożonych zadaniach pomiarowych26; niniejszy scenariusz stanowi kolejne interesujące zastosowanie. Prosty system śledzenia został więc zaimplementowany w celu zademonstrowania dowodu słuszności koncepcji. Ten dostosowany do potrzeb system śledzenia oparty na kamerze przedstawiono na rys. 6, a jego specyfikację przedstawiono w podrozdziale Metody – System śledzenia głowy. Scenariusz zastosowany w tym przypadku jest taki sam jak ten opisany na Rys. 4a, tj. z pojedynczym źródłem dźwięku bezpośrednio z tyłu.
(a) Konfiguracja systemu śledzenia głowy z pojedynczym głównym głośnikiem. System śledzący i LDV są umieszczone po lewej stronie głowy. (b) Budowa systemu śledzącego z lustrem obrotowym i uchylnym do sterowania wiązką laserową. Kamera jest podłączona do kontrolera w celu śledzenia obiektu docelowego. (c) Żółty znacznik jest umieszczony poniżej membrany na płatku ucha jako obiekt docelowy. (d) Schemat systemu śledzenia opartego na kamerze pokazujący ścieżkę wiązki laserowej ze skanującego LDV.
Ruch znacznika na płatku ucha HATS, jak pokazano na Rys. 6c, został określony przez system śledzenia oparty na przetwarzaniu obrazu w celu utrzymania prawie optymalnego padania wiązki laserowej na błonę i uzyskania użytecznego sygnału błędu. Rysunek uzupełniający S3 i związane z nim uwagi przedstawiają wpływ pomiarów poza centrum i różnych kątów padania wiązki laserowej na działanie systemu. Ogólnie, wydajność nie była szczególnie wrażliwa na precyzyjne umiejscowienie wiązki laserowej na membranie, dlatego nie uznano za konieczne, aby wiązka laserowa padała dokładnie na geometryczny środek. Z wiązką lasera nieco poza centrum, wydajność ANC jest zachowana. Ponadto, kąt padania wiązki laserowej nie miał znaczącego wpływu na wydajność. Przy kącie padania wynoszącym 60 stopni, sygnał LDV spada o około 5 dB, co ponownie ma minimalny wpływ na wydajność ANC. Charakterystyka ta stworzyła podstawy dla udanego zastosowania systemu śledzenia do zarządzania nieuniknionymi ruchami głowy użytkownika.
Rysunek 7 przedstawia cztery parametry sterowania – gdy ANC jest wyłączony (1) i włączony (2) dla nieruchomego HATS oraz gdy ANC jest włączony z wyłączonym (3) i włączonym (4) systemem śledzenia głowy dla poruszającego się HATS. Ruch systemu HATS został zaimplementowany ręcznie przy użyciu ruchu przód-tył, aby symulować osobę poruszającą się w przód i w tył podczas siedzenia. Maksymalna odległość, jaką przebył HATS w filmie uzupełniającym 2, wynosiła około 0,08 m od szczytu do szczytu przy maksymalnej prędkości około 0,04 m/s. Rysunek 7a przedstawia 15-s próbkę pomiaru w dziedzinie czasu dla każdego przypadku przy takiej samej konfiguracji jak na rys. 4a. Rysunek 7b przedstawia odpowiednie uśrednione widmo częstotliwościowe dla każdego przypadku dla całego czasu trwania. Podobnie do wyników przedstawionych wcześniej na Rys. 4a, całkowity SPL został zredukowany z 81,1 do 64,1 dB w zakresie częstotliwości od 500 Hz do 6 kHz dla sytuacji stacjonarnej.
WydajnośćANC z opracowanym systemem śledzenia głowy. (a) Cztery 15-s próbki sygnału w dziedzinie czasu obserwowane przez HATS. Górne 30 s pokazuje ciśnienie akustyczne przy wyłączonym i włączonym ANC dla sytuacji stacjonarnej, natomiast dolne 30 s pokazuje ciśnienie akustyczne przy włączonym ANC z wyłączonym i włączonym systemem śledzenia dla poruszającego się HATS. (b) Odpowiedni poziom ciśnienia akustycznego (dB w odniesieniu do 20 μPa) czterech sygnałów.
Gdy HATS poruszał się z włączonym ANC, ale z wyłączonym śledzeniem, głowa (a zatem membrana) odsuwała się od wiązki lasera sondy; sygnał LDV w ten sposób „odpadał” lub dokonywał pomiaru drgań niereprezentatywnego dla ciśnienia akustycznego w uchu. Jak widać na Rys. 7b, ogólny poziom SPL w rzeczywistości wzrósł znacząco z 81,1 do 99,5 dB. Kiedy system śledzenia był włączony, lustra utrzymywały wiązkę lasera na membranie, gdy HATS się poruszał. Dlatego też pomiar LDV pozostawał ważny dla sterowania adaptacyjnego. Jak widać na Rys. 7b, system zredukował dźwięk z 81,1 do 70,4 dB w całym zakresie częstotliwości. Skuteczność sterowania utrzymywała się na poziomie co najmniej 10 dB podczas ruchu HATS, co dowodzi konieczności zastosowania systemu śledzącego dla systemu ANC. Ponownie, te nagrania audio można obejrzeć w filmie uzupełniającym 2.
.
Dodaj komentarz