Systemets utformning och resultaten av den efterföljande experimentella undersökningen är indelade i fem underavsnitt. Inledningsvis beskrivs systemutformningen av den virtuella ANC-hörluren. Därefter undersöks var membranet placeras för att uppnå bästa kontrollprestanda. För det tredje bestäms ANC-prestanda i närvaro av bredbandigt grått brus med systemet implementerat på en huvud- och torsosimulator (HATS). Slutligen utvärderas systemets prestanda för olika typer av syntetiserade signaler av miljöbrus från den verkliga världen. Slutligen införlivas användningen av ett enkelt system för spårning av mätplatsen för att möjliggöra att användarens oundvikliga huvudrörelser tolereras.
Design av ett virtuellt ANC-hörlurssystem
En schematisk bild som visar de föreslagna systemkomponenterna och deras arrangemang visas i fig. 1a. Två sekundära högtalare är placerade bakom användarens huvud (som de skulle vara om de var integrerade i ett nackstöd), en på vardera sidan för att kontrollera det primära ljudet från den omgivande miljön vid varje öra och för att därigenom placera användaren i en tystare miljö. En LDV används för att bestämma den akustiska signalen vid ingången till hörselgången genom att mäta ytvibrationen hos en liten, lätt och retroreflekterande membranupptagare som är placerad i närheten. Även om figur 1a visar två inkommande laserstrålar, en till varje öra, beaktas och beskrivs här en lösning med ett öra för att göra det kortfattat och tydligt, men utan förlust av generalitet för motsvarigheten med två öron.
En virtuell ANC-hörlur. (a) En tyst zon bildas i varje öra genom att använda ett närliggande sekundärt högtalarpar för att minska ljudet i örat, där den nödvändiga felsignalen bestäms från en LDV-mätning av vibrationen hos en liten membranpickup som är placerad nära hörselgången. Användarens rörelser tas emot av ett kamerabaserat spårningssystem, som aktivt styr de galvanometerdrivna speglarna för att styra laserstrålen och bibehålla dess position på membranet. (b) De sekundära högtalarnas placering. Varje sekundär högtalare genererar antiljudsignaler via ANC-styrenheten (ej avbildad).
För ANC-system definieras en tyst zon som ett område där mer än 10 dB ljuddämpning uppnås, där zonens storlek är ungefär en tiondel av ljudets våglängd i ett diffust ljudfält4. När membranet placeras nära hörselgången kan en sådan tyst zon skapas runt det, vilket minskar ljudet som sprids till trumhinnan (trumhinnan). De två sekundära högtalare som presenteras här var placerade 0,44 m från varandra med en azimuthvinkel på 45 grader riktad mot användaren enligt fig. 1b. Regulatorn tar membranets ytvibrationshastighet från en LDV som felsignal för den adaptiva regleringen, vars detaljer finns i underavsnittet Metoder – Algoritm för brusreglering.
Normala huvudrörelser kan hanteras med hjälp av ett relativt okomplicerat kamerabaserat spårningssystem, som skisseras i figur 1a, och som aktivt kontrollerar ett par ortogonala, galvanometerdrivna speglar för att bibehålla sondens laserstråls infall på membranets centrum. Genom tillämpning av en skräddarsydd bildbehandlingsalgoritm kan LDV:n därmed på distans erhålla den akustiska felsignalen i realtid.
Den experimentella uppställningen presenteras i fig. 2a. Experimentet utfördes i ett tyst rum med en bakgrundsljudtrycksnivå på 38,5 dBA (A-vägt SPL, dB re. 20 μPa). En huvud- och torsosimulator (HATS; Brüel and Kjær typ 4128-C) med simulatorer för höger och vänster öra användes för att mäta det ljud som skulle upplevas vid trumhinnorna i en användares öron. Figur 2b visar utformningen och konfigurationen av den membranpickup som används i detta system. Upptagaren består av en bit retroreflekterande film (3 M-Scotchlite Sheeting 761027) med en tjocklek på 0,1 mm, som spänns över och fästs på ett kort, inneslutet polymercylindriskt rör med en diameter på 9,2 mm, ett djup på 4,6 mm och en vikt på cirka 0,2 g. Den resulterande kombinationen är därför så minimalt invasiv som det är praktiskt möjligt när det gäller storlek och vikt. Filmen användes som membran för att maximera den bakåtspridda optiska signalen i förhållande till den inkommande laserstrålen, oavsett om strålens infall är onormalt, vilket är fördelaktigt i närvaro av oundvikliga huvudrörelser. Membranet fungerar på samma sätt som ett mikrofonmembran och omvandlar den mekaniska vibration som orsakas av det akustiska trycket i slutändan till en elektrisk signal. I detta fall finns det dock varken några elektroniska komponenter inuti (t.ex. en förförstärkare för att bearbeta den uppmätta signalen) eller något behov av ledningar för signalöverföring. Istället sker signalbehandlingen och -omvandlingen på distans i LDV:s optoelektronik. Detaljerade parametrar för det retroreflekterande materialet och frekvensresponsen för membranpickupen har bestämts och finns i kompletterande figur S1 och kompletterande tabell S1.
Experimentuppställning för en stationär HATS. (a) Två sekundära högtalare placerades bakom HATS för ljudkontroll. Flera primära högtalare (tre visas) placerades godtyckligt för att simulera oönskat ljud från olika riktningar. Sondens laserstråle från LDV:n riktades mot membranet i örat. (b) Ett membran placerades nära hörselgången i det vänstra syntetiska örat på HATS. LDV:n bestämmer på distans membranets ythastighet som felsignal för ANC-regulatorn.
Datainsamlingssystemet finns på en avlägsen plats tillsammans med LDV:n i det föreslagna arrangemanget. LDV:n (Polytec PDV-100) har ett mätbart frekvensområde från 20 Hz till 22 kHz. LDV:n var monterad på ett stativ, vibrationsisolerad från HATS och högtalarna (Genelec 8010A). Samplingsfrekvensen för ANC-kontrollen (Antysound TigerANC WIFI-Q) ställdes in på 32 kHz, och filterlängderna för både primära och sekundära vägar ställdes in på 1024 tappningar. Det bör noteras att den adaptiva kontrollalgoritmen helt enkelt tog den uppmätta membranhastighetssignalen direkt och försökte minimera den. Även om hastighetssignalen eventuellt skulle kunna omvandlas till ljudtryck på något sätt var detta inte nödvändigt – resultatet skulle bli detsamma oavsett om det är den råa signalen eller något derivat av den.
Optimal placering av membranupptagaren
Och även om det är uppenbart att placera membranupptagaren så nära hörselgången som möjligt, är det inte omedelbart klart vilka specifika placeringar som var mer genomförbara/optimala och hur ANC-prestandan skulle kunna vara för var och en av dem. Fyra möjliga platser för upptagningen illustreras i figur 3, där plats 1 är på den främre tånghalsen, plats 2 är på tragus, plats 3 är i cavum concha och plats 4 är på loben. Experimenten utfördes i det vänstra syntetiska örat på HATS. Endast en högtalare, som är placerad 0,6 m bort direkt på baksidan av HATS, används här som huvudkälla. Den primära källsignalen var ett bredbandigt grått brus med ett anpassat Fletcher-Munson-kurvfilter28 från 500 Hz till 6 kHz (se kompletterande figur S2). Filtret användes här för att ge ett uppmätt SPL med ett platt frekvensomfång i HATS. Den totala SPL vid vänster trumhinnan var 77,7 dB (re. 20 μPa-omvandlad nedan för korthetens skull) med ANC avstängd.
Den totala SPL (dB re. 20 μPa) som uppmättes från den vänstra öronsimulatorn i en HATS, som simulerar det ljud som en användare upplever vid det vänstra trumhinnan med och utan ANC, när membranet befann sig vid a) position #1-anterior notch, b) position #2-tragus, c) position #3-cavum concha och d) position #4-lobule i det vänstra syntetiska örat i HATS.
Med ANC på var prestationerna vid platserna 1 och 2 likartade och det resulterande totala SPL var 69,2 dB respektive 70,9 dB. Ljudminskningen var dock endast signifikant vid frekvenser under 4 kHz. Orsaken kan vara att de ljudtryck som uppmäts vid dessa två punkter endast liknar ljudtrycket vid hörselgången under 4 kHz. Därför är kontrollfunktionerna vid de två punkterna också begränsade upp till 4 kHz. Ljudreduktionen vid punkt 3 var bäst med ett totalt SPL på 63,5 dB när ANC var på. Det totala SPL-värdet reducerades med 14,2 dB över hela frekvensområdet från 500 Hz till 6 kHz. Plats nr 4, lobuli, låg längre bort från hörselgången än någon av de andra valda platserna. Det effektiva frekvensområdet för ljudminskningen var endast upp till cirka 3 kHz med en ökning av ljudet med cirka 6 dB i området 5-6 kHz. Baserat på resultaten från denna analys av membranets placering identifierades plats 3 (cavum concha) som den optimala platsen för membranet; i de återstående experimentella undersökningarna som beskrivs här är detta därför den membranposition som används.
Prestandautvärdering av bredbandsbrus
Figur 4 visar uppmätta bullerspektra för varje öra utan och med ANC för tre olika primära ljudfältsscenarier. Högtalare som drevs med gemensamma signaler arrangerades för att skapa alltmer komplexa omgivningar med en eller flera reflektorer. Den signal som användes var återigen det bredbandiga gråa bruset motsvarande det som användes för att erhålla de resultat som presenteras i figur 3. Alla testresultat erhölls genom medelvärdesbildning över en datalängd på 15 sekunder. I figur 4a visas uppställningen där en enda primär källa var placerad 0,6 m bort direkt på baksidan av HATS för att simulera ljudet som kommer från en närliggande källa utan hänsyn till eventuella reflektioner från omgivningen. Efter att ha aktiverat ANC uppnåddes en dämpning på nästan 15 dB med ett totalt SPL som reducerades från 78,1 dB till 63,8 dB och från 77,3 dB till 62,0 dB vid vänster respektive höger öra. Detta scenario liknar det som presenterades i det nuvarande toppmoderna systemet20 , där ljudet upp till 1 kHz kontrollerades, även om den förbättring som uppnåtts här gäller ett mycket bredare frekvensområde, upp till 6 kHz. Det är värt att notera att testerna fortfarande utfördes på varje sida separat i stället för att tas samtidigt i detta fall.
Tre konfigurationer av de primära högtalarna och motsvarande SPL (dB re. 20 μPa) med och utan ANC vid båda öronen. (a) En enda primärhögtalare användes för att simulera ljudet från en enda källa i närheten. (b) Två primära högtalare användes för att simulera två ljudkällor i närheten eller en enda ljudkälla med en närliggande reflekterande yta. (c) Fyra primära högtalare användes för att simulera ljud från flera riktningar, vilket närmar sig ett allmänt fall i praktiken.
Figur 4b visar uppställningen och resultaten från en situation där två primära högtalare placerades godtyckligt på två olika platser. Detta kan representera en situation när användaren befinner sig nära en stor styv reflekterande yta, t.ex. ett bord eller en vägg. I detta fall är de akustiska signalerna från den ursprungliga källan och reflektorn samstämmiga. En dämpning på cirka 13 dB uppnåddes och det totala ljudnivån minskade från 80,2 dB och 77,9 dB till 66,0 dB och 65,2 dB vid vänster respektive höger öra. Figur 4c visar en mer allmän situation med flera reflektorer. Fyra primära högtalare placerades godtyckligt på olika platser runt huvudet för att uppnå detta. En dämpning på cirka 11 dB uppnåddes med ett totalt SPL som minskade från 80,4 dB till 68,9 dB och från 80,1 dB till 69,4 dB vid vänster respektive höger öra. I alla dessa tre exempelscenarier gav det demonstrerade systemet en minskning på minst 10 dB över hela frekvensområdet 500 Hz-6 kHz. Det är värt att notera att placeringarna av dessa primära källor skapades godtyckligt, men de observerade kontrollprestationerna förväntas vara likartade för alla andra liknande konfigurationer.
Prestationsutvärdering av syntetiskt omgivningsbuller
För att ytterligare demonstrera den föreslagna lösningens förmåga bedömdes prestandan i närvaro av tre olika typer av förinspelade scenarier med vanligt omgivningsbuller. I likhet med den konfiguration som nyligen genomförts20 var den primära källan placerad ca 1,2 m direkt bakom HATS, och endast en kanal (höger öra) kontrollerades. De tre experimenten utfördes i en hemi-anechoisk kammare. För det första användes en inspelning av flygplansbrus29 som primär källsignal. De 15-signaler som observerades av HATS före och efter ANC visas i figur 5a och motsvarande spektrum som medelvärde över denna tid visas också. Det totala SPL-värdet minskade avsevärt från 74,7 dB till 59,6 dB – en förbättring med mer än 15 dB. För det andra undersöktes ett exempel på ett flygplans förbiflygningsljud30 . Figur 5b visar den tidsdomän-signal som observerades av HATS för ett sådant icke-stationärt buller före och efter ANC samt spektrumet (medelvärde från endast 3 till 8 s). Återigen var det en betydande minskning i intervallet 500 Hz till 6 kHz. Där bullret var mest uttalat, dvs. från 3 till 8 s, minskade det totala SPL från ca 82,1 dB till 61,6 dB – en ljuddämpning på mer än 20 dB. Slutligen användes en inspelning av en folkmassa som pratar som primär källsignal31. Figur 5c visar 15-signalerna i tidsdomänen och frekvensdomänen före och efter ANC igen. Det totala SPL-värdet kontrollerades från 75,5 till 59,8 dB; en minskning på över 15 dB uppnåddes. I tabell 1 sammanfattas de genomsnittliga totala SPL-värdena utan och med kontroll med hjälp av det föreslagna systemet för dessa nya scenarier, där 15-20 dB brusreducering upp till 6 kHz kan uppnås med hjälp av det föreslagna systemet. Ljudinspelningarna före och efter ANC kan upplevas genom Supplementary Movie 1. Det är viktigt att notera att den nuvarande moderna virtuella ANC-lösningen med virtuell sensorik, med en angiven övre frekvensprestanda på cirka 1 kHz, inte skulle ge lika imponerande prestanda som den virtuella ANC-hörlur som presenteras här, eftersom det, som framgår av figur 1, inte är möjligt att uppnå en lika imponerande prestanda som den virtuella ANC-hörlur som presenteras här. 5, finns det mer betydande frekvensinnehållet i alla tre exempelsignalerna främst i intervallet 2 till 4 kHz.
Tidsdomänssignalen som observeras av HATS och motsvarande ljudtrycksnivå (dB re. 20 μPa) utan och med ANC för (a) buller från flygplan, (b) buller från förbiflygning av flygplan och (c) omgivande buller från människor som pratar.
Prestationsbedömning i närvaro av huvudrörelse
En person är benägen att uppvisa kontinuerlig huvudrörelse, därför bör sondlaserstrålen från LDV kunna följa motsvarande godtyckliga rörelse av membranet i öronen. Sådana LDV-lösningar för spårning har undersökts, utvecklats och tillämpats i stor utsträckning för många komplexa mätuppgifter26 . Ett enkelt spårningssystem genomfördes därför för att demonstrera konceptbeviset. Detta skräddarsydda kamerabaserade spårningssystem visas i figur 6 och specifikationerna presenteras i underavsnittet Metoder – Huvudspårningssystem. Det scenario som används här är detsamma som det som beskrivs i figur 4a, dvs. det med en enda ljudkälla omedelbart bakåt.
(a) Konfigurationen av huvudspårningssystemet med en enda primär högtalare. Spårningssystemet och LDV är placerade till vänster om huvudet. (b) Spårningssystemets konstruktion med en panoreringsspegel och en lutningsspegel för styrning av laserstrålen. Kameran är ansluten till styrenheten för spårning av målobjektet. (c) En gul markering placeras under membranet på öronloben som målobjekt. (d) Schematisk bild av det kamerabaserade spårningssystemet som visar laserstrålens väg från den skannande LDV:n.
Förflyttningen av en markör på öronloben på HATS, som illustreras i figur 6c, bestämdes av det bildbehandlingsbaserade spårningssystemet för att bibehålla en nästan optimal laserstrålens infall på membranet och ge en användbar felsignal. I kompletterande figur S3 och de tillhörande anmärkningarna presenteras effekterna av mätningar utanför centrum och olika infallsvinklar för laserstrålen på systemets prestanda. På det hela taget var prestandan inte särskilt känslig för laserstrålens exakta placering på membranet, och det ansågs därför inte nödvändigt att laserstrålens infall skulle vara exakt i det geometriska centrumet. Med laserstrålen något utanför centrum bibehålls ANC-prestanda. Laserstrålens infallsvinkel påverkade inte heller prestandan nämnvärt. Med en infallsvinkel på anmärkningsvärda 60 grader sjunker LDV-signalen med cirka 5 dB, vilket återigen har en minimal negativ inverkan på ANC-prestandan. Dessa egenskaper har lagt grunden för en framgångsrik tillämpning av spårningssystemet för att hantera oundvikliga huvudrörelser hos användaren.
Figur 7 visar fyra kontrollprestanda – när ANC är avstängd (1) och påslagen (2) för en stationär HATS och när ANC är påslagen med huvudspårningssystemet avstängt (3) och aktiverat (4) för en rörlig HATS. HATS:ens rörelse genomfördes manuellt med en framåt-backåt-rörelse som användes för att simulera en person som rör sig fram och tillbaka när han eller hon sitter ner. Den maximala sträckan som HATS färdades i Supplementary Movie 2 var ungefär 0,08 m från topp till topp med en maximal hastighet på ungefär 0,04 m/s. Figur 7a visar ett 15-sampel av tidsdomänmätningen för varje fall med samma konfiguration som i figur 4a. Figur 7b visar det motsvarande genomsnittliga frekvensspektrumet för varje fall under hela varaktigheten. I likhet med de resultat som tidigare presenterats i figur 4a minskade det totala SPL från 81,1 till 64,1 dB över frekvensområdet från 500 Hz till 6 kHz för den stationära situationen.
ANC-prestanda med det utvecklade huvudföljningssystemet. (a) Fyra 15-samplingar av signalen i tidsdomänen som observeras av HATS. Den övre 30 s varaktighet visar ljudtrycket med ANC av och på för den stationära situationen, medan den nedre 30 s varaktighet visar ljudtrycket med ANC på med spårningssystemet av och på för en rörlig HATS. (b) Motsvarande ljudtrycksnivå (dB re. 20 μPa) för de fyra signalerna.
När HATS rörde sig med ANC på men med spårningssystemet inaktiverat rörde sig huvudet (och därmed membranet) bort från sondens laserstråle; LDV-signalen ”tappade därmed bort” eller gjorde en vibrationsmätning som inte var representativ för ljudtrycket vid örat. Detta kan lätt få styrsystemet att avvika och, som framgår av figur 7b, ökade det totala SPL i själva verket avsevärt från 81,1 till 99,5 dB. När spårningssystemet var aktiverat höll speglarna laserstrålens infall på membranet när HATS flyttades. LDV-mätningen förblev således giltig för den adaptiva styrningen. Som framgår av figur 7b minskade systemet ljudet från 81,1 till 70,4 dB över hela frekvensområdet. Kontrollen upprätthöll en minskning på minst 10 dB under HATS:s rörelse, vilket visar att det är nödvändigt att använda ett spårningssystem för ANC-systemet. Återigen kan dessa ljudinspelningar upplevas i Supplementary Movie 2.
Lämna ett svar