Het systeemontwerp en de resultaten van het daaropvolgende experimentele onderzoek zijn onderverdeeld in vijf subparagrafen. Eerst wordt het systeemontwerp van de virtuele ANC-hoofdtelefoon beschreven. Vervolgens wordt de plaats van het membraan voor de beste controleprestaties onderzocht. Ten derde worden de ANC-prestaties in aanwezigheid van breedbandige grijze ruis bepaald met het systeem geïmplementeerd op een hoofd- en rompsimulator (HATS). Ten slotte worden de systeemprestaties geëvalueerd voor verschillende soorten gesynthetiseerde omgevingsruissignalen uit de echte wereld. Tenslotte wordt gebruik gemaakt van een eenvoudig systeem voor het traceren van de meetlocatie, zodat onvermijdelijke hoofdbewegingen van de gebruiker kunnen worden getolereerd.
Virtueel ANC hoofdtelefoonsysteem ontwerp
Een schematische voorstelling van de voorgestelde systeemcomponenten en hun opstelling is te zien in Fig. 1a. Twee secundaire luidsprekers worden geplaatst achter het hoofd van een gebruiker (zoals ze zouden zijn indien geïntegreerd in een hoofdsteun), een aan elke kant om het primaire geluid uit de omgeving te controleren op elk oor en daardoor de gebruiker in een stillere omgeving te plaatsen. Een LDV wordt gebruikt om het akoestische signaal aan de ingang van de gehoorgang te bepalen door de oppervlaktetrilling te meten van een kleine, lichte en retro-reflecterende membraan pick-up die vlakbij is geplaatst. Hoewel Fig. 1a twee inkomende laserstralen toont, één naar elk oor, wordt hier kortheidshalve en ter wille van de duidelijkheid een oplossing voor één oor overwogen en beschreven, maar zonder verlies van generaliteit voor het equivalent voor twee oren.
Een virtuele ANC-hoofdtelefoon. (a) In elk oor wordt een stiltezone gevormd door gebruik te maken van een nabijgelegen secundair luidsprekerpaar om het geluid in het oor te reduceren, waarbij het vereiste foutsignaal wordt bepaald aan de hand van een LDV-meting van de trilling van een kleine membraan pick-up die zich dicht bij de gehoorgang bevindt. Bewegingen van de gebruiker worden opgevangen door een cameragebaseerd volgsysteem, dat actief de galvanometergestuurde spiegels bestuurt om de laserstraal te sturen en zijn positie op het membraan te handhaven. (b) De locaties van de secundaire luidsprekers. Elke secundaire luidspreker genereert antigeluidssignalen via de ANC-regelaar (niet afgebeeld).
Voor ANC-systemen wordt een stille zone gedefinieerd als een gebied waarin meer dan 10 dB geluiddemping wordt bereikt, waarbij de grootte van de zone ongeveer een tiende is van de golflengte van het geluid in een diffuus geluidsveld4. Wanneer het membraan dicht bij de gehoorgang wordt geplaatst, kan rondom het membraan een dergelijke stille zone worden gecreëerd, waardoor het geluid dat zich voortplant naar het trommelvlies (trommelvlies) wordt gereduceerd. De twee secundaire luidsprekers die hier worden gepresenteerd, zijn 0,44 m uit elkaar geplaatst met een azimuthhoek van 45 graden, gericht naar de gebruiker, zoals te zien is in Fig. 1b. De controller neemt het oppervlak trillingssnelheid van het membraan van een LDV als de fout signaal voor de adaptieve controle, waarvan de details zijn te vinden in de Methods-Noise control algoritme subsectie.
Normale hoofd bewegingen kunnen worden opgevangen door een relatief eenvoudige camera-gebaseerde tracking systeem, geschetst in Fig. 1a, die actief een paar orthogonale, galvanometer-aangedreven spiegels controleert om de sonde laserbundel invalshoek op het midden van het membraan te handhaven. Door de toepassing van een op maat gemaakt beeldverwerkingsalgoritme, kan de LDV daardoor op afstand de akoestische fout signaal in real-time.
De experimentele opstelling wordt gepresenteerd in Fig. 2a. Het experiment werd uitgevoerd in een stille kamer met een achtergrondgeluidsdrukniveau van 38,5 dBA (A-gewogen SPL, dB re. 20 μPa). Een hoofd- en rompsimulator (HATS; Brüel en Kjær Type 4128-C) met rechter- en linkeroorsimulatoren werd gebruikt om het geluid te meten dat zou worden ervaren aan de trommelvliezen in de oren van een gebruiker. Figuur 2b toont het ontwerp en de configuratie van de membraan pick-up die in dit systeem wordt gebruikt. De pick-up bestaat uit een stukje retro-reflecterende folie (3 M-Scotchlite Sheeting 761027), 0,1 mm dik, opgespannen over en vastgekleefd aan een kort, gesloten polymeer cilindervormig buisje met een diameter van 9,2 mm, een diepte van 4,6 mm en een massa van ongeveer 0,2 g. De resulterende combinatie is dus zo minimaal invasief als praktisch mogelijk is in termen van grootte en massa. De folie werd als membraan gebruikt om het teruggekaatste optische signaal ten opzichte van de inkomende laserstraal te maximaliseren, ongeacht een niet-normale bundelinval, hetgeen voordelig is bij onvermijdelijke hoofdbewegingen. Het membraan werkt op dezelfde wijze als een microfoonmembraan, waarbij de door de akoestische druk veroorzaakte mechanische trilling uiteindelijk in een elektrisch signaal wordt omgezet. In dit geval zijn er echter geen elektronische componenten in het membraan aanwezig (b.v. een voorversterker om het gemeten signaal te verwerken), noch is er bedrading nodig voor de signaaloverdracht. In plaats daarvan worden de signaalconditionering en -omzetting op afstand voltooid in de opto-elektronica van de LDV. Gedetailleerde parameters voor de retro-reflecterende materiaal en de frequentierespons van het membraan pick-up zijn bepaald en zijn te vinden in aanvullende Fig. S1 en aanvullende tabel S1.
Experimentele opstelling voor een stationaire HATS. (a) Twee secundaire luidsprekers werden achter de HATS geplaatst voor de regeling van het geluid. Meerdere primaire luidsprekers (drie afgebeeld) werden willekeurig geplaatst om ongewenst geluid uit verschillende richtingen te simuleren. De sonde laserstraal van de LDV werd gericht op het membraan in het oor. (b) Een membraan werd geplaatst dicht bij de gehoorgang van de linker synthetische oor van de HATS. De LDV op afstand bepaalt het oppervlak snelheid van het membraan als de fout signaal voor de ANC controller.
De data-acquisitie systeem is op een externe locatie samen met de LDV in de voorgestelde regeling. De LDV (Polytec PDV-100) heeft een meetbaar frequentiebereik van 20 Hz tot 22 kHz. De LDV was op een statief gemonteerd, trillingsgeïsoleerd van de HATS en de luidsprekers (Genelec 8010A). De bemonsteringsfrequentie van de ANC-controller (Antysound TigerANC WIFI-Q) werd ingesteld op 32 kHz, en de filterlengten voor zowel het primaire als het secundaire pad werden ingesteld op 1024 taps. Opgemerkt moet worden dat het adaptieve regelalgoritme eenvoudigweg het gemeten membraansnelheidsignaal rechtstreeks nam en trachtte te minimaliseren. Hoewel het mogelijk zou zijn het snelheidssignaal op de een of andere manier in geluidsdruk om te zetten, was dit niet nodig – het resultaat zou hetzelfde zijn, of het nu het ruwe signaal was of een afgeleide daarvan.
Optimale plaatsing van de membraan pick-up
Hoewel het voor de hand ligt de membraan pick-up zo dicht mogelijk bij de gehoorgang te plaatsen, is het niet meteen duidelijk welke specifieke locatie(s) haalbaarder/optimaal zijn en wat de ANC-prestaties voor elke locatie zouden kunnen zijn. Vier mogelijke pick-up locaties worden geïllustreerd in Fig. 3, waar locatie # 1 is op de anterieure inkeping van de pinna, locatie # 2 is op de tragus, locatie # 3 is in de cavum concha, en locatie # 4 is op de lobule. De experimenten werden uitgevoerd in het linker synthetische oor van de HATS. Slechts één luidspreker, op 0.6 m afstand direct achter de HATS, werd hier gebruikt als de primaire bron. De primaire bron signaal was een breedband grijze ruis met een aangepaste Fletcher-Munson curve filter28 van 500 Hz tot 6 kHz (zie Supplementary Fig. S2). Het filter werd hier toegepast om een gemeten SPL met een vlakke frequentierespons in de HATS te verkrijgen. De totale SPL bij de linker trommelvlies was 77,7 dB (re. 20 pi – hierna weggelaten voor de beknoptheid) met ANC off.
De SPLs (dB re. 20 μPa) gemeten met de linkeroorsimulator van een HATS, die het geluid simuleert dat een gebruiker ervaart bij het linkerympanisch membraan met en zonder ANC, wanneer het membraan zich bevond op a) locatie #1-anterior notch; b) locatie #2-tragus; c) locatie #3-cavum concha; en d) locatie #4-lobule van het linker synthetische oor van de HATS.
Met ANC aan, waren de prestaties op locaties #1 en #2 vergelijkbaar met de resulterende totale SPL van respectievelijk 69.2 dB en 70.9 dB. De geluidsreductie was echter alleen significant bij frequenties onder 4 kHz. De reden hiervoor kan zijn dat de op deze twee punten gemeten geluidsdrukken slechts vergelijkbaar zijn met die in de gehoorgang beneden 4 kHz. De controleprestaties op deze twee punten zijn dus ook beperkt tot 4 kHz. De geluidsvermindering op locatie #3 was het beste met een totale SPL van 63,5 dB wanneer ANC was ingeschakeld. De totale SPL werd verminderd met 14,2 dB over het hele frequentiebereik van 500 Hz tot 6 kHz. Locatie 4, de lobule, was verder van de gehoorgang verwijderd dan de andere geselecteerde locaties. Het effectieve frequentiebereik van de geluidsvermindering was slechts tot ongeveer 3 kHz met een ongeveer 6 dB toename in feite waargenomen over het 5 tot 6 kHz bereik. Op basis van de resultaten van deze analyse van de membraanlocatie werd locatie #3 (de cavum concha) aangewezen als de optimale locatie voor het membraan; in de overige hier beschreven experimentele onderzoeken is dit dan ook de gebruikte membraanpositie.
Prestatie-evaluatie voor breedbandgeluid
Figuur 4 toont de gemeten geluidsspectra voor elk oor zonder en met ANC voor drie verschillende primaire geluidsveldscenario’s. Luidspreker(s) aangedreven met gemeenschappelijke signalen werden opgesteld om steeds complexere omgevingen te creëren met één of meerdere reflectoren. Het gebruikte signaal was opnieuw de breedbandige grijze ruis die equivalent is aan het signaal dat gebruikt werd om de in Fig. 3 gepresenteerde resultaten te verkrijgen. Alle testresultaten werden verkregen door het gemiddelde te berekenen over een datalengte van 15 seconden. Figuur 4a toont de opstelling waarbij een enkele primaire bron op een afstand van 0,6 m direct achter de HATS was geplaatst om het geluid te simuleren dat afkomstig was van een nabije bron zonder rekening te houden met reflecties uit de omgeving. Na het inschakelen van ANC werd een demping van bijna 15 dB bereikt, waarbij de totale SPL werd verminderd van 78,1 dB tot 63,8 dB en van 77,3 dB tot 62,0 dB bij respectievelijk het linker- en het rechteroor. Dit scenario is vergelijkbaar met dat van het huidige geavanceerde systeem20 , waarbij het geluid tot 1 kHz werd geregeld, zij het dat de bereikte verbetering hier over een veel breder frequentiebereik gaat, tot 6 kHz. Opgemerkt zij dat de tests in dit geval nog steeds aan elke kant afzonderlijk werden uitgevoerd in plaats van gelijktijdig.
Drie configuraties van de primaire luidsprekers en de bijbehorende SPL (dB re. 20 μPa) met en zonder ANC aan beide oren. (a) Een enkele primaire luidspreker werd gebruikt om het geluid van een enkele bron dichtbij te simuleren. (b) Twee primaire luidsprekers werden gebruikt om twee geluidsbronnen in de buurt of één geluidsbron met een reflecterend oppervlak in de buurt te simuleren. (c) Vier primaire luidsprekers werden gebruikt om geluid uit meerdere richtingen te simuleren, waarmee een algemeen praktijkgeval werd benaderd.
Figuur 4b toont de opstelling en resultaten van een situatie waarin twee primaire luidsprekers willekeurig op twee verschillende plaatsen werden geplaatst. Dit kan een situatie voorstellen waarin de gebruiker zich dicht bij een groot star reflecterend oppervlak bevindt, zoals een tafel of een muur. In dit geval zijn de akoestische signalen van de oorspronkelijke bron en de reflector coherent. Er werd een verzwakking van ongeveer 13 dB verkregen, waarbij de totale SPL’s werden teruggebracht van 80,2 dB en 77,9 dB tot 66,0 dB en 65,2 dB aan respectievelijk het linker- en het rechteroor. Figuur 4c toont een meer algemene situatie met meerdere reflectoren. Vier primaire luidsprekers werden willekeurig op verschillende plaatsen rond het hoofd geplaatst om dit te bereiken. Ongeveer 11 dB demping werd verkregen met een totale SPL vermindering van 80.4 dB tot 68.9 dB en van 80.1 dB tot 69.4 dB bij respectievelijk het linker- en het rechteroor. In alle drie de voorbeeldscenario’s leverde het gedemonstreerde systeem een reductie op van minimaal 10 dB over het hele frequentiebereik van 500 Hz tot 6 kHz. Het is vermeldenswaard dat de plaatsing van deze primaire bronnen willekeurig werd gecreëerd, maar de waargenomen controleprestaties zullen naar verwachting vergelijkbaar zijn voor elke andere soortgelijke configuratie.
Prestatie-evaluatie voor synthetisch omgevingslawaai
Om het vermogen van de voorgestelde oplossing verder aan te tonen, werden de prestaties in de aanwezigheid van drie verschillende soorten vooraf opgenomen gangbare omgevingslawaaiscenario’s beoordeeld. Vergelijkbaar met de configuratie die onlangs werd geïmplementeerd20 , bevond de primaire bron zich ongeveer 1,2 m direct achter de HATS, waarbij slechts één kanaal (rechteroor) werd gecontroleerd. De drie experimenten werden uitgevoerd in een hemi-anechoïsche kamer. Ten eerste werd een opname van vliegtuiglawaai29 gebruikt als het primaire bronsignaal. De 15-signalen die door de HATS werden waargenomen voor en na ANC zijn te zien in Fig. 5a met de overeenkomstige spectra gemiddeld over deze tijdsduur ook weergegeven. De totale SPL werd aanzienlijk verlaagd van 74,7 dB tot 59,6 dB – een verbetering met meer dan 15 dB. Ten tweede werd een voorbeeld van een vliegtuig dat overvliegt30 onderzocht. Figuur 5b toont het door de HATS waargenomen tijddomeinsignaal van een dergelijk niet-stationair geluid voor en na ANC en het spectrum (gemiddeld van slechts 3 tot 8 s). Ook hier was er een aanzienlijke vermindering in het bereik van 500 Hz tot 6 kHz. Daar waar de ruis het meest uitgesproken was, d.w.z. van 3 tot 8 s, werd de totale SPL teruggebracht van ongeveer 82,1 dB tot 61,6 dB – een geluidsvermindering van meer dan 20 dB. Tenslotte werd een opname van een groep pratende mensen gebruikt als het primaire bronsignaal31. Figuur 5c toont de 15-s tijdsdomein- en de frequentiedomeinsignalen voor en na ANC opnieuw. De totale SPL werd geregeld van 75,5 tot 59,8 dB; er werd meer dan 15 dB reductie bereikt. Tabel 1 geeft een overzicht van de gemiddelde totale SPL’s zonder en met regeling met behulp van het voorgestelde systeem voor deze nieuwe scenario’s, waarbij 15-20 dB ruisonderdrukking tot 6 kHz kan worden bereikt met behulp van het voorgestelde systeem. De geluidsopnamen voor en na ANC kunnen worden bekeken via supplementair filmpje 1. Het is belangrijk op te merken dat de huidige state-of-the-art virtuele sensing ANC oplossing, met een geciteerde bovenfrequentie prestatie van ongeveer 1 kHz, niet zo’n indrukwekkende prestatie zou opleveren als de hier gepresenteerde virtuele ANC hoofdtelefoon omdat, zoals kan worden waargenomen in Fig. 5, de meer significante frequentie-inhoud in alle drie voorbeeldsignalen voornamelijk bestaat in het bereik van 2 tot 4 kHz.
Het door de HATS waargenomen tijddomein-signaal en het bijbehorende geluidsdrukniveau (dB re. 20 μPa) zonder en met ANC voor (a) vliegtuiglawaai binnenshuis, (b) vliegtuiglawaai bij voorbijvliegen en (c) omgevingslawaai van pratende mensen.
Prestatie-evaluatie in aanwezigheid van hoofdbeweging
Een persoon heeft de neiging om voortdurend hoofdbewegingen te vertonen, daarom moet de laserstraal van de LDV in staat zijn om de overeenkomstige willekeurige beweging van het membraan in de oren te volgen. Dergelijke tracking LDV oplossingen zijn op grote schaal onderzocht, ontwikkeld en toegepast voor tal van complexe meettaken 26; het scenario hier is een verdere interessante toepassing. Een eenvoudige tracking systeem werd daarom geïmplementeerd om het bewijs van concept te demonstreren. Dit op maat gemaakte cameragebaseerde volgsysteem is afgebeeld in fig. 6 met specificaties gepresenteerd in de subsectie Methoden-Hoofdvolgsysteem. Het hier gebruikte scenario is hetzelfde als dat beschreven in Fig. 4a, d.w.z. dat met een enkele geluidsbron onmiddellijk achteraan.
(a) Configuratie van het hoofdtrackingsysteem met een enkele primaire luidspreker. Het volgsysteem en de LDV zijn aan de linkerkant van het hoofd geplaatst. (b) De constructie van het volgsysteem met een pan- en een tiltspiegel voor het sturen van de laserstraal. De camera is bevestigd aan de controller voor het doel object tracking. (c) Een gele marker is geplaatst onder het membraan op het oor lobule als het doel object. (d) Schema van de camera-gebaseerde tracking systeem met de laserstraal pad van de scanning LDV.
De beweging van een marker op het oor lobule van de HATS, zoals geïllustreerd in Fig. 6c werd bepaald door de beeldverwerking gebaseerde tracking systeem om bijna-optimale laserstraal invallende op het membraan te handhaven en een bruikbare fout signaal opleveren. Aanvullende figuur S3 en de bijbehorende opmerkingen presenteren de effecten van off-centre metingen en verschillende laserstraal invalshoeken op de systeemprestaties. Over het geheel genomen was de prestatie niet bijzonder gevoelig voor de precieze plaats van de laserstraal op het membraan, zodat het niet nodig werd geacht dat de laserstraal precies in het geometrische middelpunt viel. Met de laserstraal enigszins uit het midden, blijven de ANC-prestaties gehandhaafd. Bovendien had de invalshoek van de laserstraal geen significante invloed op de prestaties. Met een invalshoek van een opmerkelijke 60 graden daalt het LDV-signaal met ongeveer 5 dB, hetgeen opnieuw een minimaal nadelig effect heeft op de ANC-prestaties. Deze eigenschappen hebben de basis gelegd voor de succesvolle toepassing van het volgsysteem om onvermijdelijke hoofdbewegingen van de gebruiker te beheren.
Figuur 7 toont vier controleprestaties-wanneer ANC uit (1) en aan (2) is voor een stilstaande HATS en wanneer ANC aan is met het hoofdvolgsysteem uitgeschakeld (3) en ingeschakeld (4) voor een bewegende HATS. De beweging van de HATS werd manueel geïmplementeerd met een voor-achterwaartse beweging die werd gebruikt om een persoon te simuleren die heen en weer beweegt terwijl hij zit. De maximumafstand die de HATS in de aanvullende film 2 aflegde was ongeveer 0,08 m piek-tot-piek met een maximumsnelheid van ongeveer 0,04 m/s. Figuur 7a toont de 15-sample van de tijd-domein meting voor elk geval met dezelfde configuratie als in Fig. 4a. Figuur 7b toont het overeenkomstige gemiddelde frequentiespectrum voor elk geval voor de gehele duur. Vergelijkbaar met de eerder in Fig. 4a gepresenteerde resultaten, werd de totale SPL verminderd van 81,1 tot 64,1 dB over het frequentiebereik van 500 Hz tot 6 kHz voor de stationaire situatie.
ANC-prestaties met het ontwikkelde hoofdtrackingsysteem. (a) Vier 15-samples van het tijdsdomeinsignaal waargenomen door de HATS. De bovenste 30 s tonen de geluidsdruk met ANC uit en aan voor de stationaire situatie, terwijl de onderste 30 s de geluidsdruk tonen met ANC aan met het volgsysteem uit en aan voor een bewegende HATS. (b) Het overeenkomstige geluidsdrukniveau (dB re. 20 μPa) van de vier signalen.
Wanneer de HATS bewoog met ANC aan maar met het volgsysteem uitgeschakeld, bewoog het hoofd (dus het membraan) weg van de laserbundel van de sonde; het LDV-signaal viel daardoor “weg” of maakte een trillingsmeting die niet representatief was voor de geluidsdruk aan het oor. Dit kan het regelsysteem gemakkelijk doen afwijken en, zoals blijkt uit Fig. 7b, nam de totale SPL in feite aanzienlijk toe van 81,1 tot 99,5 dB. Wanneer het volgsysteem was ingeschakeld, handhaafden de spiegels de inval van de laserstraal op het membraan terwijl de HATS bewoog. Aldus bleef de LDV meting geldig voor de adaptieve regeling. Zoals blijkt uit fig. 7b, verminderde het systeem het geluid van 81,1 tot 70,4 dB over het gehele frequentiebereik. De regelprestaties handhaafden een reductie van ten minste 10 dB tijdens de beweging van de HATS, hetgeen de noodzaak aantoont van het gebruik van een volgsysteem voor het ANC-systeem. Nogmaals, deze audio-opnamen kunnen worden ervaren in Supplementary Movie 2.
Geef een antwoord