Concepția sistemului și rezultatele investigației experimentale ulterioare sunt organizate în cinci subsecțiuni. Inițial, este descrisă proiectarea sistemului de căști ANC virtuale. Ulterior, se examinează amplasarea membranei pentru cea mai bună performanță de control. În al treilea rând, performanța ANC în prezența zgomotului gri de bandă largă este determinată cu ajutorul sistemului implementat pe un simulator de cap și trunchi (HATS). În penultimul rând, performanța sistemului este apoi evaluată pentru diferite tipuri de semnale sintetizate de zgomot ambiental din lumea reală. În cele din urmă, este încorporată utilizarea unui sistem simplu de urmărire a locației de măsurare pentru a permite tolerarea mișcării inevitabile a capului utilizatorului.
Proiectarea sistemului de căști ANC virtuale
O schemă care prezintă componentele sistemului propus și dispunerea lor este prezentată în Fig. 1a. Două difuzoare secundare sunt plasate în spatele capului unui utilizator (așa cum ar fi dacă ar fi integrate într-o tetieră), unul de fiecare parte pentru a controla sunetul primar din mediul înconjurător la fiecare ureche și pentru a plasa astfel utilizatorul într-un mediu mai liniștit. Un LDV este utilizat pentru a determina semnalul acustic la intrarea în canalul auditiv prin măsurarea vibrației de suprafață a unui captator cu membrană mică, ușoară și retroreflectorizantă, situat în apropiere. În timp ce figura 1a prezintă două fascicule laser de intrare, câte unul către fiecare ureche, o soluție cu o singură ureche este luată în considerare și descrisă aici de dragul conciziei și clarității, dar fără a se pierde din generalitatea pentru echivalentul cu două urechi.
O cască ANC virtuală. (a) O zonă de liniște este formată în fiecare ureche prin utilizarea unei perechi de difuzoare secundare din apropiere pentru a reduce sunetul în ureche, semnalul de eroare necesar fiind determinat dintr-o măsurare LDV a vibrației unui mic captator cu membrană situat în apropierea canalului auditiv. Mișcarea utilizatorului este adaptată de un sistem de urmărire bazat pe o cameră, care controlează în mod activ oglinzile acționate de galvanometru pentru a direcționa fasciculul laser și a menține poziția acestuia pe membrană. (b) Locațiile difuzoarelor secundare. Fiecare difuzor secundar generează semnale antizgomot prin intermediul controlerului ANC (nu este prezentat).
Pentru sistemele ANC, o zonă liniștită este definită ca o regiune în care se obține o atenuare a sunetului cu mai mult de 10 dB, dimensiunea zonei fiind de aproximativ o zecime din lungimea de undă a sunetului într-un câmp sonor difuz4. Atunci când membrana este plasată aproape de canalul auditiv, o astfel de zonă liniștită poate fi creată în jurul acesteia, reducând astfel sunetul care se propagă către membrana timpanică (timpanul). Cele două difuzoare secundare prezentate aici au fost plasate la o distanță de 0,44 m unul de celălalt, cu un unghi azimutal de 45 de grade îndreptat spre utilizator, așa cum se arată în Fig. 1b. Controlerul ia viteza de vibrație a suprafeței membranei de la un LDV ca semnal de eroare pentru controlul adaptiv, ale cărui detalii pot fi găsite în subsecțiunea Metode – Algoritm de control al zgomotului.
Mișcările normale ale capului pot fi luate în considerare de un sistem de urmărire relativ simplu bazat pe o cameră, prezentat în Fig. 1a, care controlează în mod activ o pereche de oglinzi ortogonale, acționate prin galvanometru, pentru a menține incidența fasciculului laser al sondei asupra centrului membranei. Prin aplicarea unui algoritm personalizat de procesare a imaginilor, LDV poate astfel să obțină de la distanță semnalul de eroare acustică în timp real.
Configurația experimentală este prezentată în Fig. 2a. Experimentul a fost efectuat într-o cameră liniștită cu un nivel de presiune acustică de fond de 38,5 dBA (SPL ponderat A, dB re. 20 μPa). Un simulator de cap și trunchi (HATS; Brüel and Kjær Type 4128-C) cu simulatoare pentru urechea dreaptă și stângă a fost utilizat pentru a măsura sunetul care ar fi resimțit la nivelul timpanelor din urechile unui utilizator. Figura 2b prezintă designul și configurația captatorului cu membrană utilizat în acest sistem. Pick-up-ul este format dintr-o bucată de folie retroreflectorizantă (3 M-Scotchlite Sheeting 761027), cu o grosime de 0,1 mm, întinsă peste și lipită de un tub cilindric polimeric scurt și închis, cu un diametru de 9,2 mm, o adâncime de 4,6 mm și o masă de aproximativ 0,2 g. Combinația rezultată este, prin urmare, cât mai puțin invazivă posibil din punct de vedere practic în ceea ce privește dimensiunea și masa. Pelicula a fost utilizată ca membrană pentru a maximiza semnalul optic retrodifuzat în raport cu fasciculul laser de intrare, indiferent de o incidență anormală a fasciculului, acest lucru fiind avantajos în prezența mișcărilor inevitabile ale capului. Membrana funcționează în mod similar cu o diafragmă de microfon, transformând vibrația mecanică indusă de presiunea acustică într-un semnal electric. Cu toate acestea, în acest caz, nu există nici componente electronice în interior (de exemplu, un preamplificator pentru a prelucra semnalul măsurat), nici nu este nevoie de cabluri pentru transmiterea semnalului. În schimb, condiționarea și conversia semnalului sunt finalizate de la distanță în optoelectronica LDV. Parametrii detaliați pentru materialul retroreflectorizant și răspunsul în frecvență al captatorului cu membrană au fost determinați și pot fi găsiți în figura suplimentară S1 și în tabelul suplimentar S1.
Configurație experimentală pentru un HATS staționar. (a) Două difuzoare secundare au fost plasate în spatele HATS pentru controlul sunetului. Mai multe difuzoare primare (trei prezentate) au fost amplasate în mod arbitrar pentru a simula sunetul nedorit din diferite direcții. Fasciculul laser al sondei de la LDV a fost direcționat spre membrana din ureche. (b) O membrană a fost plasată aproape de canalul auditiv al urechii sintetice stângi a HATS. LDV-ul determină de la distanță viteza de suprafață a membranei ca semnal de eroare pentru controlerul ANC.
Sistemul de achiziție a datelor se află într-o locație la distanță împreună cu LDV-ul în aranjamentul propus. LDV-ul (Polytec PDV-100) are un domeniu de frecvență măsurabil de la 20 Hz la 22 kHz. LDV a fost montat pe un trepied, izolat de vibrații față de HATS și de difuzoare (Genelec 8010A). Frecvența de eșantionare a controlerului ANC (Antysound TigerANC WIFI-Q) a fost setată la 32 kHz, iar lungimile filtrelor pentru ambele căi, primară și secundară, au fost setate la 1024 de atingeri. Trebuie remarcat faptul că algoritmul de control adaptiv a luat pur și simplu semnalul măsurat al vitezei membranei în mod direct și a încercat să îl minimizeze. Deși semnalul de viteză ar putea fi potențial convertit în presiune sonoră prin anumite mijloace, acest lucru nu a fost necesar – rezultatul ar fi același indiferent dacă ar fi vorba de semnalul brut sau de un derivat al acestuia.
Plasarea optimă a captatorului cu membrană
Deși este evident că trebuie să se plaseze captatorul cu membrană cât mai aproape posibil de canalul auditiv, nu este imediat clar care locație/locații specifice au fost mai fezabile/optime și care ar putea fi performanța ANC pentru fiecare dintre acestea. În Fig. 3 sunt ilustrate patru posibile locații ale pick-up-ului, în care locația nr. 1 este pe crestătura anterioară a pavilionului urechii, locația nr. 2 este pe tragus, locația nr. 3 este în cavum concha, iar locația nr. 4 este pe lobul. Experimentele au fost efectuate în urechea sintetică stângă a HATS. Un singur difuzor, situat la o distanță de 0,6 m, direct în spatele HATS, este utilizat aici ca sursă primară. Semnalul sursei primare a fost un zgomot gri de bandă largă cu un filtru de curbă Fletcher-Munson personalizat28 de la 500 Hz la 6 kHz (a se vedea figura suplimentară S2). Filtrul a fost aplicat aici pentru a obține un SPL măsurat cu un răspuns de frecvență plat în interiorul HATS. SPL-ul global la nivelul membranei timpanice stângi a fost de 77,7 dB (re. 20 μPa-omis în continuare pentru breviaritate) cu ANC dezactivat.
PSL-urile (dB re. 20 μPa) măsurate de simulatorul de ureche stângă al unui HATS, care simulează sunetul pe care un utilizator îl resimte la nivelul membranei timpanice stângi cu și fără ANC, atunci când membrana se afla la (a) locația #1-încrengătura anterioară; (b) locația #2-tragus; (c) locația #3-cavum concha; și (d) locația #4-lobul urechii sintetice stângi a HATS.
Cu ANC activat, performanțele la locațiile #1 și #2 au fost similare, SPL-ul global rezultat fiind de 69,2 dB și, respectiv, 70,9 dB. Cu toate acestea, reducerea sunetului a fost semnificativă doar la frecvențe sub 4 kHz. Motivul ar putea fi faptul că presiunile sonore măsurate în aceste două puncte sunt similare doar cu cele din canalul auditiv sub 4 kHz. Astfel, performanțele de control la cele două puncte sunt, de asemenea, limitate până la 4 kHz. Reducerea sunetului la locația nr. 3 a fost cea mai bună, cu un SPL global de 63,5 dB atunci când ANC a fost activat. SPL-ul global a fost redus cu 14,2 dB pe întreaga gamă de frecvențe, de la 500 Hz la 6 kHz. Locația nr. 4, lobul, a fost mai departe de canalul auditiv decât oricare dintre celelalte locații selectate. Intervalul de frecvență eficient al reducerii sunetului a fost doar până la aproximativ 3 kHz, cu o creștere de aproximativ 6 dB observată pe intervalul de 5 până la 6 kHz. Pe baza rezultatelor acestei analize de performanță a locației membranei, locația nr. 3 (cavum concha) a fost identificată ca fiind locația optimă pentru membrană; în restul investigațiilor experimentale descrise în prezentul document, aceasta este, prin urmare, poziția membranei utilizată.
Evaluarea performanței pentru zgomotul în bandă largă
Figura 4 prezintă spectrele de zgomot măsurate pentru fiecare ureche fără și cu ANC pentru trei scenarii diferite de câmp sonor primar. Difuzoarele acționate cu semnale comune au fost dispuse pentru a crea medii din ce în ce mai complexe, cu unul sau mai multe reflectoare. Semnalul utilizat a fost din nou zgomotul gri în bandă largă echivalent cu cel utilizat pentru a obține rezultatele prezentate în figura 3. Toate rezultatele testelor au fost obținute prin calcularea mediei pe o lungime de date de 15 secunde. Figura 4a prezintă configurația în care o singură sursă primară a fost amplasată la o distanță de 0,6 m, direct în spatele HATS, pentru a simula sunetul provenit de la o sursă apropiată, fără a lua în considerare nicio reflexie din mediul înconjurător. După activarea ANC, s-a realizat o atenuare de aproape 15 dB, SPL-ul general fiind redus de la 78,1 dB la 63,8 dB și de la 77,3 dB la 62,0 dB la urechea stângă și, respectiv, la urechea dreaptă. Acest scenariu este similar cu cel prezentat în sistemul actual de ultimă generație20, în care a fost controlat sunetul până la 1 kHz, deși aici îmbunătățirea obținută este pe o gamă de frecvențe mult mai largă, până la 6 kHz. Este demn de remarcat faptul că testele au fost în continuare efectuate pe fiecare parte în parte, în loc să fie efectuate simultan în acest caz.
Trei configurații ale difuzoarelor primare și SPL-ul corespunzător (dB re. 20 μPa) cu și fără ANC la ambele urechi. (a) Un singur difuzor primar a fost utilizat pentru a simula sunetul de la o singură sursă din apropiere. (b) Au fost utilizate două difuzoare primare pentru a simula două surse de sunet în apropiere sau o singură sursă de sunet cu o suprafață reflectantă în apropiere. (c) Patru difuzoare primare au fost utilizate pentru a simula sunetul provenit din mai multe direcții, aproximând un caz general din practică.
Figura 4b prezintă configurația și rezultatele unei situații în care două difuzoare primare au fost plasate în mod arbitrar în două locații diferite. Aceasta poate reprezenta o situație în care utilizatorul se află în apropierea unei suprafețe reflectorizante rigide mari, cum ar fi o masă sau un perete. În acest caz, semnalele acustice de la sursa originală și de la reflector sunt coerente. S-a obținut o atenuare de aproximativ 13 dB, SPL-urile totale fiind reduse de la 80,2 dB și 77,9 dB la 66,0 dB și 65,2 dB la urechea stângă și, respectiv, la urechea dreaptă. Figura 4c prezintă o situație mai generală în care există reflectoare multiple. Patru difuzoare primare au fost poziționate în mod arbitrar în diferite locații din jurul capului pentru a realiza acest lucru. S-a obținut o atenuare de aproximativ 11 dB, SPL-ul general fiind redus de la 80,4 dB la 68,9 dB și de la 80,1 dB la 69,4 dB la urechea stângă și, respectiv, dreaptă. În toate aceste trei scenarii de exemplu, sistemul demonstrat a produs o reducere de minimum 10 dB pe întreaga gamă de frecvențe de la 500 Hz la 6 kHz. Este demn de remarcat faptul că amplasarea acestor surse primare a fost creată în mod arbitrar, cu toate acestea, se așteaptă ca performanțele de control observate să fie similare pentru orice altă configurație similară.
Evaluarea performanțelor pentru zgomotul de mediu sintetic
Pentru a demonstra și mai mult capacitatea soluției propuse, au fost evaluate performanțele în prezența a trei tipuri diferite de scenarii de zgomot de mediu comune preînregistrate. Similar configurației implementate recent20, sursa primară a fost amplasată la aproximativ 1,2 m direct în spatele HATS, un singur canal (urechea dreaptă) fiind controlat. Cele trei experimente au fost efectuate într-o cameră hemi-anecoică. În primul rând, o înregistrare a zgomotului interior al aeronavei29 a fost utilizată ca semnal de sursă primară. Semnalele de 15 s observate de HATS înainte și după ANC sunt prezentate în Fig. 5a, iar spectrele corespunzătoare, mediate pe această durată, sunt, de asemenea, prezentate. SPL-ul general a fost redus semnificativ de la 74,7 dB la 59,6 dB – o îmbunătățire de peste 15 dB. În al doilea rând, a fost examinat un exemplu de zgomot de survol al unui avion30 . Figura 5b prezintă semnalul în domeniul temporal observat de HATS al unui astfel de zgomot nestaționar înainte și după ANC, precum și spectrul (calculat ca medie doar pe o perioadă cuprinsă între 3 și 8 s). Din nou, s-a înregistrat o reducere semnificativă în intervalul de la 500 Hz la 6 kHz. Într-adevăr, acolo unde zgomotul a fost cel mai pronunțat, adică de la 3 la 8 s, SPL-ul general a fost redus de la aproximativ 82,1 dB la 61,6 dB – o atenuare a sunetului cu mai mult de 20 dB. În cele din urmă, o înregistrare a unei mulțimi de oameni care vorbeau a fost utilizată ca semnal sursă principal31. Figura 5c prezintă din nou semnalele din domeniul temporal de 15 s și din domeniul de frecvență înainte și după ANC. SPL-ul general a fost controlat de la 75,5 la 59,8 dB; s-a obținut o reducere de peste 15 dB. Tabelul 1 rezumă SPL-urile globale medii fără și cu control cu ajutorul sistemului propus pentru aceste noi scenarii, în care se poate obține o reducere a zgomotului de 15-20 dB până la 6 kHz cu ajutorul sistemului propus. Înregistrările audio înainte și după ANC pot fi experimentate prin intermediul filmului suplimentar 1. Este important de remarcat faptul că actuala soluție ANC de detecție virtuală de ultimă generație, cu o performanță de frecvență superioară cotată la aproximativ 1 kHz, nu ar produce o performanță la fel de impresionantă ca și căștile ANC virtuale prezentate aici, deoarece, după cum se poate observa în Fig. 5, conținutul de frecvență mai semnificativ în toate cele trei semnale de exemplu există în principal în intervalul de 2 până la 4 kHz.
Semnalul în domeniul timpului observat de HATS și nivelul de presiune acustică corespunzător (dB re. 20 μPa) fără și cu ANC pentru (a) zgomotul interior al aeronavei, (b) zgomotul de survol al aeronavei și (c) zgomotul ambiental al persoanelor care vorbesc.
Evaluarea performanțelor în prezența mișcării capului
O persoană este predispusă să prezinte o mișcare continuă a capului, prin urmare, fasciculul laser al sondei de la LDV ar trebui să fie capabil să urmărească mișcarea arbitrară corespunzătoare a membranei din urechi. Astfel de soluții LDV de urmărire au fost cercetate, dezvoltate și aplicate pe scară largă pentru numeroase sarcini complexe de măsurare26; scenariul de față reprezintă o altă aplicație interesantă. Prin urmare, a fost implementat un sistem simplu de urmărire pentru a demonstra dovada conceptului. Acest sistem de urmărire bazat pe o cameră personalizată este prezentat în Fig. 6, cu specificațiile prezentate în subsecțiunea Metode-Sistem de urmărire a capului. Scenariul utilizat aici este același cu cel descris în Fig. 4a, și anume cel cu o singură sursă de sunet imediat în spate.
(a) Configurația sistemului de urmărire a capului cu un singur difuzor principal. Sistemul de urmărire și LDV-ul sunt plasate în partea stângă a capului. (b) Construcția sistemului de urmărire cu o oglindă panoramică și o oglindă de înclinare pentru direcționarea fasciculului laser. Camera este atașată la controler pentru urmărirea obiectului țintă. (c) Un marker galben este plasat sub membrana de pe lobul urechii ca obiect țintă. (d) Schema sistemului de urmărire bazat pe cameră care arată traiectoria fasciculului laser de la LDV-ul de scanare.
Mișcarea unui marker pe lobul urechii HATS, așa cum este ilustrat în Fig. 6c, a fost determinată de sistemul de urmărire bazat pe procesarea imaginii pentru a menține incidența aproape optimă a fasciculului laser pe membrană și a produce un semnal de eroare util. Figura suplimentară S3 și comentariile aferente prezintă efectele măsurătorilor descentrate și ale diferitelor unghiuri de incidență a fasciculului laser asupra performanței sistemului. În general, performanța nu a fost deosebit de sensibilă la poziția exactă a fasciculului laser pe membrană, considerându-se, prin urmare, că nu este necesar ca incidența fasciculului laser să fie exact în centrul geometric. În cazul în care fasciculul laser este ușor descentrat, performanța ANC se menține. În plus, unghiul de incidență al fasciculului laser nu a afectat semnificativ performanța. Cu o incidență la un unghi destul de remarcabil de 60 de grade, semnalul LDV scade cu aproximativ 5 dB, ceea ce, din nou, are un efect negativ minim asupra performanței ANC. Aceste caracteristici au pus bazele unei aplicații de succes a sistemului de urmărire pentru a gestiona mișcările inevitabile ale capului utilizatorului.
Figura 7 prezintă patru performanțe de control – când ANC este dezactivat (1) și activat (2) pentru un HATS staționar și când ANC este activat cu sistemul de urmărire a capului dezactivat (3) și activat (4) pentru un HATS în mișcare. Mișcarea HATS a fost implementată manual cu o mișcare înainte-înapoi folosită pentru a simula o persoană care se mișcă înainte și înapoi în timp ce este așezată. Distanța maximă parcursă de HATS în filmul suplimentar 2 a fost de aproximativ 0,08 m de la vârf la vârf, cu o viteză maximă de aproximativ 0,04 m/s. Figura 7a prezintă eșantionul de 15 s al măsurătorii în domeniul timpului pentru fiecare caz, cu aceeași configurație ca în figura 4a. Figura 7b prezintă spectrul de frecvență mediu corespunzător pentru fiecare caz pentru întreaga durată. Similar cu rezultatele prezentate anterior în Fig. 4a, SPL-ul total a fost redus de la 81,1 la 64,1 dB pe gama de frecvențe cuprinsă între 500 Hz și 6 kHz pentru situația staționară.
Performanța ANC cu sistemul de urmărire a capului dezvoltat. (a) Patru eșantioane de 15 s ale semnalului în domeniul temporal observat de HATS. Durata superioară de 30 s arată presiunea sonoră cu ANC dezactivat și activat pentru situația staționară, în timp ce durata inferioară de 30 s arată presiunea sonoră cu ANC activat cu sistemul de urmărire dezactivat și activat pentru un HATS în mișcare. (b) Nivelul de presiune acustică corespunzător (dB re. 20 μPa) al celor patru semnale.
Când HATS s-a deplasat cu ANC activat, dar cu sistemul de urmărire dezactivat, capul (prin urmare, membrana) s-a îndepărtat de fasciculul laser al sondei; astfel, semnalul LDV a „căzut” sau a făcut o măsurare a vibrațiilor care nu este reprezentativă pentru presiunea acustică la nivelul urechii. Acest lucru poate face cu ușurință ca sistemul de control să devieze și, după cum se arată în Fig. 7b, SPL-ul global a crescut de fapt semnificativ de la 81,1 la 99,5 dB. Atunci când sistemul de urmărire a fost activat, oglinzile au menținut incidența fasciculului laser asupra membranei în timp ce HATS se deplasa. Astfel, măsurarea LDV a rămas valabilă pentru controlul adaptiv. După cum se arată în Fig. 7b, sistemul a redus sunetul de la 81,1 la 70,4 dB pe întreaga gamă de frecvențe. Performanța controlului a menținut o reducere de cel puțin 10 dB în timpul mișcării HATS, demonstrând necesitatea utilizării unui sistem de urmărire pentru sistemul ANC. Din nou, aceste înregistrări audio pot fi experimentate în filmul suplimentar 2.
.
Lasă un răspuns