FI94564C

FI94564C - Aktiivinen melunvaimennusjärjestelmä

Info

Publication number: FI94564C
Application number: FI920642A
Authority: FI
Inventors: Juha Kuusama
Original assignee: Nokia Deutschland Gmbh
Priority date: 1992-02-14
Filing date: 1992-02-14
Publication date: 1995-09-25
Also published as: DE69312520T2; DE69312520D1; EP0555786A2; FI920642A0; US5440641A; FI94564B; FI920642A; EP0555786B1; JPH05289680A; EP0555786A3; JP3449493B2

Description

1 94564

Aktiivinen melunvaimennusjärjestelmä Tämän keksinnön kohteena on aktiivinen melunvaimennus järjestelmä, joka käsittää välineet yhden tai useamman 5 kohdealueen meluun verrannollisen referenssisignaalin kehittämiseksi, useita elektronisia välineitä, joiden siirtofunktiot ovat aseteltavia, kuten adaptiivisia suotimia, sovitettuina vastaanottamaan referenssisignaalin tai -signaalit ja kehittämään vastamelusignaalit, useita ääniläh-10 teitä sovitettuina vastaanottamaan vastamelusignaalit ja kehittämään kohdealueeseen vastamelua siinä esiintyvän melun ainakin osittaiseksi kumoamiseksi, useita ilmaisimia kohdealueen jäännösmelun havaitsemiseksi ja muuttamiseksi sähköisiksi jäännösmelusignaaleiksi, kunkin elektronisen 15 välineen ja kunkin ilmaisimen välisen siirtotien estimoidun siirtofunktion omaavat siirtotievälineet sovitettuina vastaanottamaan referenssisignaalin tai -signaalit ja viritysvälineet, jotka on sovitettu vastaanottamaan ·. jäännösmelusignaalit ja siirtotievälineiden ulostulosig- 20 naalit ja kehittämään virityssignaalit ja välittämään ne elektronisille välineille niiden siirtofunktioiden virittämiseksi.

Yllä kuvatunkaltaista aktiivista melunvaimennus järjestelmää, jossa on useita vastamelusignaaleja lähettäviä : · 25 äänilähteitä ja useita jäännösmelua vastaanottavia ilmaisimia, ovat ehdottaneet S.J. Elliot, I.A. Stothers ja P.A. Nelson artikkelissaan "A Multiple Error LMS Algorithm and its Application to the Active Control of Sound and Vibration", IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and .30 Signal Processing, voi. ASSP-35, No. 10, Oct. 1987. Täi-laista järjestelmää havainnollistava lohkokaavio on esitetty myös oheisen piirustuksen kuviossa 1, johon myös seuraavassa viitataan.

Oletetaan järjestelmään sisältyvän L kaiutinta 2 ja 35 M mikrofonia 3. Referenssisignaali x(n) syötetään L adap- 2 94564 tiiviselle suotimelle 1, joilla kullakin on siirtofunktio W(i,n), millä tarkoitetaan siirtofunktiota i ajanhetkellä n. Merkinnällä w(i,j,n) tarkoitetaan tällöin seuraavassa FIR-suotimella mallinnetun siirtofunktion i kerrointa j 5 ajanhetkellä n. Olkoon näiden siirtofunktioiden pituus I. Näiden suotimien ulostulot y(k,n), joka on siis siirto-funktion W(k,n) ulostulosignaali, syötetään L kaiuttimelle 2. Olkoon siirtofunktio i. kaiuttimelta j. mikrofonille C(i,j,n), jolloin sen kerroin k . ajanhetkellä n on 10 c(i,j,k,n). Mallintakaamme edelleen näitä siirtofunktioita FIR-suotimilla ja olkoon kunkin suotimen pituus J. Signaalit kultakin kaiuttimelta 2 vastaanotetaan kullakin mikrofonilla 3. Signaali m. mikrofonilta 3 on e(m,n), joka on signaalien summa kaikilta kaiuttimilta 2, johon edelleen 15 summautuu jäännösmelu d(m,n). Tätä tilannetta on havainnollistettu oheisen piirustuksen kuvion 2 lohkokaaviossa, jossa selvyyden vuoksi on esitetty ainoastaan yksi mikrofoni 3.

. Yllä esitettyjen lähtöolettamusten pohjalta voidaan 20 johtaa seuraavat yhtälöt 1-1 y(k,n) = £ w(k,i,n)x(n-i) (1) i-0 : 25 L J-l e(m,n) = £ £ c(l,m,j,n)y(l,n-j)+d(m,n) (2) 1-1j-0 ..30 L J-l 1-1 e(m,n) = Σ Σ c(1<m»j»n) Jw(k,i,n-j)x(n-i-j)+d(m,n) (3) 1-1j-0 i-0

Jos kokonaismeluksi N^,. siinä tilassa, jossa vasta- 35 melusignaalit on sovitettu toimimaan eli niin sanotussa 3 94564 kohdealueessa, määritetään kaikkien mikrofonisignaalien oletusarvojen neliöt saadaan seuraava yhtälö 5 Ntot = E j £e2(m,n)| (4)

l Β«1 J

Kokonaisvirheen differentiaali siirtofunktion 10 W(l,i) kertoimen i suhteen on 3Ntot „„ f ^ % de(m,n) ) —— = 2E MJe(m,n) ——— — . (5)

dw(l,i,n) l5ii dw(l,i,n) J

15

Oletetaan, että W(l,n) ja C(l,m,n) ovat hetkellisesti ajan suhteen muuttumattomia, mikä puolestaan merkitsee, että ne muuttuvat ainoastaan hitaasti verrattuina referenssisignaaliin x(n) ja jäännösmeluun d(m,n). Tällöin 20 siirtofunktiota W(l,n) merkitään W(l) sekä siirtofunktiota C(l,m,n) merkitään C(l,m). Vastaavasti ko. funktioiden irnnet kertoimet merkitään w(l,i) sekä c(l,m,i). Derivoimalla yhtälö 3 saadaan 25 3e(m,n) ————— = £ c(l,m, j )x(n-i-j ) . (6) dw(l,i) γ.ο

Oletetaan edelleen, että on olemassa estimaatit 30 siirtofunktioille C(l,m) ja merkitään näitä estimaatteja C'(l,m). Jos kutakin siirtofunktion W(l) kerrointa w(l,i) asetellaan kullakin näytteenottohetkellä määrällä, joka on verrannollinen kaavan 5 antaman differentiaalin negatiivi-seen hetkellisarvoon, saadaan modifioitu monikanavainen • < 35 suodatettu-x tyyppinen algoritmi siirtofunktion kertoimel- le w(l,i,n+l), joka siis kuvaa ko. kertoimen arvoa uudella hetkellä n+1.

4 94564 M J-l w( 1, i,n+l )=w( l,i,n)-aj] e(m,n)]Tc'(l,m, j )x(n-i-j ) , (7) m=l j-0 5 missä a on sovituskerroin.

Yllä kuvattua algoritmia on kokeiltu reaaliaikaisessa prototyypissä ja mitattu sen toimintaa. Tätä on raportoitu yllä mainitussa Elliot et ai.:in artikkelissa.

10 Oleellista melunvaimentumista havaittiin vain referens-sisignaalin taajuudella. Oleellisena yllä kuvatun algoritmin ja siihen perustuvan järjestelmän ongelmana on, että siinä käytetään kiinteitä siirtofunktioita kaiuttimien ja ilmaisimien välisten siirtoteiden estimointiin. Monikana-15 vaisessa järjestelmässä tämä merkitsee useiden siirtofunktioiden mittaustarvetta kutakin asennusta varten. Jos esimerkiksi käytetään neljää kaiutinta ja kahdeksaa ilmaisinta, täytyy mitata 32 erilaisen siirtotien siirtofunktiot, mikä ei käytännön syistä ole laisinkaan yksinkertaista. *20 Lisäksi kiinteiden siirtofunktioestimaattien käyttö tekee järjestelmän kyvyttömäksi reagoimaan muutoksiin kohdealueen akustiikassa, kuten esimerkiksi matkustajien paikan ja lukumäärän muutoksiin, jos kohdealueena on ajoneuvo, muutoksiin lämpötilassa ja kosteudessa tai muutoksiin, jotka 25 aiheutuvat komponenttien vanhenemisesta tai vaurioitumi-sesta.

Esillä olevan keksinnön tavoitteena on tuoda esiin aktiivinen melunvaimennusjärjestelmä, jossa yllä mainittuja ongelmia on onnistuttu oleellisesti vähentämään. Tämä 30 tavoite saavutetaan keksinnön mukaisen aktiivisen melun-.*" valmennusjärjestelmän avulla, jolle on tunnusomaista, että järjestelmä edelleen käsittää toiset viritysvälineet, jotka on sovitettu vastaanottamaan sekä vastamelusignaalit että jäännösmelusignaalit sekä kehittämään toiset viritys-35 signaalit ja välittämään ne siirtotievälineille niiden siirtofunktioiden virittämiseksi.

5 94564

Keksinnön mukaisen järjestelmän avulla aikaansaatavissa oleva parannus aikaisemmin tunnettuun järjestelmään nähden perustuu oivallukseen, että siirtoteiden siirto-funktioita ei tarvitse mitata vaan että ne voidaan esti-5 moida, kun estimoinnin avuksi käytetään takaisinkytkentä-tietoa itse järjestelmän toiminnasta. Näiden estimoitujen siirtoteiden siirtofunktioiden avulla voidaan puolestaan estimoida ne signaalit, jotka näiden siirtoteiden kautta aiheuttavat jäännösmelusignaaleja tietylle ilmaisimelle.

10 Vähentämällä tällä tavoin estimoidut jäännösmelusignaalit kunkin ilmaisimen vastaanottamasta jäännösmelusta voidaan saada "puhtaammat" jäännösmelusignaalit käytettäväksi elektronisten välineiden, kuten adaptiivisten suotimien, siirtofunktioiden virittämiseen. Tämän mukaisesti siirto- 15 teiden siirtofunktioita voidaan virittää perustuen kullakin uudella näytteenottohetkellä n+1 määritettävään siirtofunktion C'(l,m) kertoimen j uuteen arvoon perustuen algoritmiin 20 c' (l,m, j ,n+1 )=c ' (l,m, j ,n)-·- L J-l 13 e(m,n)-£ £ c' (h,m,k,n)y(h,n-k) y(l,n-j) , h“l,hi*l k-0 25 • i jossa β on sovituskerroin.

Yllä esitetty algoritmi voidaan johtaa seuraavasti. Ensinnäkin derivoimalla yllä esitetty yhtälö 2 kertoimen c(l,m,j) suhteen saadaan 30 de(m,n) -:-. = y(l^n-j) . (8) dc(l,m,3,n) 35 Jos estimoitua siirtotien siirtofunktion kerrointa merkitään c'(l,m,j) saadaan yhtälön 8 perusteella LMS-tyyppinen algoritmi näiden kertoimien rekursiiviseksi es-timoimiseksi 6 94564 c'(l,m,j,n+l)=c'(l,m,j,n)+fle(m,n)y(l,n-j) . (9)

Yhtälön 9 mukainen algoritmi ei kuitenkaan käytännössä juurikaan toimi, koska signaali e(m,n), jota on käy-5 tetty siirtofunktion C'(l,m) estimoimiseen sisältää korre loivia melukomponentteja, nimittäin signaalit kaikista muista kaiuttimista m. ilmaisimelle 3. Käyttämällä yhtälön 9 mukaisia siirtofunktioestimaatteja kyetään kuitenkin laskemaan estimaatit myös näille häiritseville signaaleille) le ja nämä voidaan vähentää signaalista e(m,n), jotta saadaan "puhtaampi" jäännösmelusignaali sovitusta varten.

Tällä tavoin päädytään jo yllä kuvattuun yhtälöön uuden kertoimen c'(1,m,j,n+1) laskemista varten 15 c'(l,m,j,n+l)=c'(l,m,j,n)+ L J-l β e(m,n)-£ £ c'(h,m,k,n)y(h,n-k) y(l,n-j) , (10) h-l.hiU k-0 * 20

Seuraavassa keksinnön mukaista järjestelmää kuvataan vielä viitaten oheiseen piirustukseen, jossa kuvio 1 kuvaa tunnetun kaltaista aktiivista melun-vaimennusjärjestelmää, . : 25 kuvio 2 esittää lohkokaavion, joka havainnollistaa kuvion 1 mukaisen järjestelmän toimintaa ja kuvio 3 esittää keksinnön mukaisen aktiivisen me-lunvaimennusjärjestelmän periaatteellisen lohkokaavion.

Kuten yllä on jo osittain kuvattu, kuviossa 1 on 30 esitetty aktiivinen melunvaimennusjärjestelmä, jossa refe-renssisignaali lohkossa 7 tapahtuvan esikäsittelyn jälkeen « syötetään adaptiivisille suotimille 1, joita on L kappaletta. Näiden suotimien 1 ulostulot syötetään lohkossa 8 tapahtuvan vahvistuksen jälkeen kaiuttimelle 2, joita myös 35 on L kappaletta. Nämä kaiuttimet 2 kohdistavat kohdealueeseen L vastamelusignaalia y(l,n). Näiden vastamelusignaa- 7 94564 lien vaikutusta tarkkaillaan ilmaisimilla 3, joita on M kappaletta. Näiden ilmaisimien 3 vastaanottamia jäännösme-lusignaaleja e(m,n) käsitellään ensin esikäsittelylohkoissa 9, joita on M kappaletta ja sen jälkeen ne johdetaan 5 lohkoon 5. Lohkolle 5 syötetään myös lohkoilta 4 saatavat signaalit. Lohkot 4 estimoivat kiinteiden estimaattien C' avulla kunkin kaiuttimen ja kunkin ilmaisimen välisen siirtotien siirtofunktiota. Yhtälön 7 mukaisesti näille siirtoteiden siirtofunktioestimaateille syötetään refe-10 renssisignaali x, jota kuitenkin on viivästetty sekä adaptiivisten suotimien 1 että itse siirtotien aiheuttamilla viiveillä, joten se saa referenssisignaalin hetkeltä n-i-j. Nämä viiveet synnytetään viivelohkoilla 10. Sekä viivelohkoja 10 että siirtotien siirtofunktioestimaatti-15 lohkoja 4 on L * M kappaletta. Lohkojen 4 ja lohkojen 9 ulostulot yhdistetään lohkossa 5, joka on sovitettu yhtälön 7 mukaisesti laskemaan uudet arvot adaptiivisten suotimien 1 siirtofunktioille W.

Yllä mainituista syistä kuvion 1 mukainen järjes-20 telmä ei kuitenkaan toimi parhaalla mahdollisella tavalla ja sitä onkin keksinnön mukaisesti täydennetty siten, että on päädytty kuvion 3 mukaiseen järjestelmään. Tässä kuviossa 3 on kuvion 1 järjestelmää vastaaville lohkoille annettu vastaavat viitemerkit. Tämä tarkoittaa myös sitä, ·’ 25 että vastaavan viitemerkin omaavat lohkot toimivat täysin samalla tavoin. Kuvion 1 mukaisesta järjestelmästä poiketen kuvion 3 mukainen järjestelmä käsittää lohkon 6, joka yllä määritetyn yhtälön 10 mukaisesti on sovitettu laskemaan uusia siirtoteiden siirtofunktioestimaatteja käytet-..30 täväksi lohkoissa 4. Yhtälön 10 mukaisesti lohko 6 on so-vitettu vastaanottamaan sekä vastamelusignaalit y(l,n) että jäännösmelusignaalit e(m,n). Vastamelusignaalit syötetään lohkolle 6 vasta viivelohkojen 11 jälkeen. Näiden lohkojen 11 viiveet vastaavat siirtotiellä esiintyvää vii-35 vettä. Käytännössähän kaiuttimien 2 signaalit ehtivät il- 8 94564 maisimille vasta joidenkin millisekuntien jälkeen sen jälkeen kun ne on syötetty kaiuttimille 2. Jotta lohkossa 6 tätä tyhjää aikaa ei tarvitsisi ottaa huomioon käytetään viivelohkoja 11. Lohkossa 6 yhtälön 10 perusteella kyetään 5 nyt määrittelemään uudet arvot siirtoteiden siirtofunktioiden estimaateille ja syöttämään ne lohkoille 4 käytettäväksi samalla tavoin kuin kuvion 1 järjestelmässä adaptiivisten suotimien 1 siirtofunktioiden W asetteluun.

Yllä keksinnön mukaista järjestelmää on kuvattu 10 vain yhden esimerkinomaisen toteutuksen avulla ja on ymmärrettävää, että keksinnön mukainen toiminta voidaan aikaansaada hyvinkin erikaltaisten laiteratkaisujen avulla ilman että sen toiminta poikkeaa oheisissa patenttivaatimuksissa määritellyn järjestelmän toiminnasta.

Claims

9 94564

1. Aktiivinen melunvaimennusjärjestelmä, joka käsittää 5 välineet yhden tai useamman kohdealueen meluun ver rannollisen referenssisignaalin (x(n)) kehittämiseksi, useita elektronisia välineitä (1), joiden siirto-funktiot (W) ovat aseteltavia, kuten adaptiivisia suotimia, sovitettuina vastaanottamaan referenssisignaalin tai 10 -signaalit (x(n)) ja kehittämään vastamelusignaalit (y(l/n)), useita äänilähteitä (2) sovitettuina vastaanottamaan vastamelusignaalit (y(l,n)) ja kehittämään kohdealueeseen vastamelua siinä esiintyvän melun ainakin osittai-15 seksi kumoamiseksi, useita ilmaisimia (3) kohdealueen jäännösmelun havaitsemiseksi ja muuttamiseksi sähköisiksi jäännösmelusig-naaleiksi (e(m,n)), ·. kunkin elektronisen välineen ja kunkin ilmaisimen 20 välisen siirtotien estimoidun siirtofunktion (C') omaavat siirtotievälineet (4) sovitettuina vastaanottamaan referenssisignaalin tai -signaalit (x(n)) ja viritysvälineet (5), jotka on sovitettu vastaanottamaan jäännösmelusignaalit (e(m,n)) ja siirtotievälinei-·’ 25 den (4) ulostulosignaalit ja kehittämään virityssignaalit (w) ja välittämään ne elektronisille välineille (1) niiden siirtofunktioiden (W) virittämiseksi, tunnettu siitä, että järjestelmä edelleen käsittää toiset viritysvälineet (6), jotka on sovitettu vas-.. 30 taanottamaan vastamelusignaalit (y(l,n)) ja jäännösmelu-signaalit (e(m,n)) ja kehittämään toiset virityssignaalit (c) ja välittämään ne siirtotievälineille (4) niiden siirtofunktioiden (C') virittämiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestelmä, 35 tunnettu siitä, että toiset viritysvälineet (6) ίο 94564 kehittävät toisen virityssignaalin perustuen siirtotievä-lineiden siirtofunktioiden kertoimien uusiin arvoihin (c' (Ι,ιιι, j ,n+l)) määritettynä algoritmilla 5 c'(l,m,j,n+l) = c'(l,m,j,n)+ L J-l fl β(ιη,η)-Γ V c' (h,m,k,n)y(h,n-k) y(l,n-j) , h-infi«l T-0 10 missä β on sovituskerroin, L on kaiuttimen kokonaislukumäärä ja 1 kulloinkin kyseessä olevan kaiuttimen järjestysluku, m on kulloinkin kyseessä olevan mikrofonin järjestysluku, J on suotimen pituus ja j sen kerroin ajanhet-15 kellä n. > · t · « 11 94564