IT202000025033A1 - APPARATUS AND METHOD FOR THE ACTIVE CANCELLATION OF NOISE IN A CLOSED ENVIRONMENT - Google Patents
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Description
APPARATO E METODO PER LA CANCELLAZIONE ATTIVA DI APPARATUS AND METHOD FOR THE ACTIVE ERASURE OF
RUMORE IN UN AMBIENTE CHIUSO NOISE IN A CLOSED ENVIRONMENT
DESCRIZIONE DESCRIPTION
Campo tecnico dell?invenzione Technical field of the invention
La presente invenzione si riferisce, in generale, a dispositivi e metodi per la cancellazione attiva dei rumori in ambienti chiusi quali la stanza di un?abitazione. The present invention refers, in general, to devices and methods for the active cancellation of noise in closed environments such as the room of a house.
Background Background
L?articolo scientifico ?Active Control of Sound Transmission Through Windows With Carbon Nanotube-Based Transparent Actuators?, Xun Yu, Rajesh Rajamani, Kim A. Stelson, and Tianhong Cui, esplora un apparato di riduzione attiva del rumore da applicare a una finestra di un ambiente chiuso. L?apparato descritto utilizza un film trasparente di polimero piezoelettrico (PVDF) che ha il vantaggio di essere visivamente poco invasivo. Grazie ad un array di microfoni di riferimento posizionati all?esterno della finestra stessa, l?apparato riesce ad attenuare i rumori entranti dalla finestra facendo opportunamente vibrare il film trasparente. Test effettuati su una finestra di dimensione 20cm x 20cm, hanno prodotto attenuazioni medie di 12 dB, per frequenze superiori ai 500 Hz. The scientific paper ?Active Control of Sound Transmission Through Windows With Carbon Nanotube-Based Transparent Actuators?, Xun Yu, Rajesh Rajamani, Kim A. Stelson, and Tianhong Cui, explores an active noise reduction apparatus to be applied to a a closed environment. The apparatus described uses a transparent film of piezoelectric polymer (PVDF) which has the advantage of being visually minimally invasive. Thanks to an array of reference microphones positioned outside the window itself, the apparatus manages to attenuate the noises entering from the window by suitably vibrating the transparent film. Tests carried out on a 20cm x 20cm window have produced average attenuations of 12 dB, for frequencies above 500 Hz.
Tuttavia, il polimero piezoelettrico ha un costo molto alto che rende l?adozione dell?apparato difficoltosa. Inoltre, tale apparato ? progettato esclusivamente per essere sostituito ad una finestra. Infine, l?apparato ha un?efficacia limitata a basse frequenze. However, the piezoelectric polymer has a very high cost which makes the adoption of the apparatus difficult. Furthermore, this device designed exclusively to be substituted for a window. Finally, the apparatus has limited effectiveness at low frequencies.
L?articolo scientifico ?Open loop active control of noise through open windows?, Chuang Shi, Tatsuya Murao, Dongyuan Shi, Bhan Lam, and Woon-Seng Gan propone una matrice di altoparlanti da posizionare in uno spazio lasciato libero da un?apertura di una finestra. Gli altoparlanti sono controllati indipendente l?uno dall?altro in anello aperto tramite un algoritmo noto di cancellazione del rumore. Tuttavia una soluzione ad anello aperto ? difficilmente riproducibile in ambienti e condizioni diverse, rendendo la soluzione descritta di difficile e costosa riproduzione. The scientific article ?Open loop active control of noise through open windows?, Chuang Shi, Tatsuya Murao, Dongyuan Shi, Bhan Lam, and Woon-Seng Gan proposes a loudspeaker matrix to be positioned in a space left free by an opening of a window. The loudspeakers are controlled independently of each other in an open loop using a known noise cancellation algorithm. However an open loop solution? difficult to reproduce in different environments and conditions, making the solution described difficult and expensive to reproduce.
Sommario dell?invenzione Summary of the invention
Il problema tecnico affrontato ? pertanto quello di fornire un apparato e un metodo per la cancellazione attiva di rumori in ambienti chiusi che sia economico e versatile. The technical problem faced? therefore that of providing an apparatus and a method for the active cancellation of noises in closed environments which is cheap and versatile.
Tale problema viene risolto da un apparato secondo la rivendicazione 1 e da un metodo secondo la rivendicazione 8. This problem is solved by an apparatus according to claim 1 and by a method according to claim 8.
Caratteristiche preferite della presente invenzione sono oggetto delle rivendicazioni dipendenti. Preferred features of the present invention are the subject of the dependent claims.
L?invenzione prevede, per quanto riguarda l?apparato, una pluralit? di altoparlanti, almeno un microfono interno e mezzi di elaborazione e controllo degli altoparlanti, in cui i mezzi di elaborazione e controllo comandano la pluralit? di altoparlanti in modo sincrono e secondo un algoritmo di cancellazione attiva di rumore affinch? detta pluralit? di altoparlanti emetta un?onda piana. Per quanto riguarda il metodo, l?invenzione prevede un passo di ricevere un primo segnale rappresentante rumore entrante in un ambiente chiuso da almeno un microfono ed elaborare, in funzione di tale primo segnale, un primo segnale di controllo identico per la pluralit? di altoparlanti secondo un algoritmo di cancellazione attiva di rumore ad anello chiuso affinch? detta pluralit? di altoparlanti emetta un?onda piana. Ci? consente all?apparato e al metodo per la cancellazione attiva di rumore di essere semplice da realizzare e facilmente adattabile a ambienti e condizioni diverse grazie ai costi di setup notevolmente ridotti. The invention provides, as regards the apparatus, a plurality of loudspeakers, at least one internal microphone and loudspeaker processing and control means, wherein the processing and control means control the plurality of speakers synchronously and according to an active noise cancellation algorithm so that said plurality? speakers emit a plane wave. As far as the method is concerned, the invention provides a step of receiving a first signal representing noise entering a closed environment from at least one microphone and processing, as a function of this first signal, a first control signal identical for the plurality of microphones. of speakers according to an active closed-loop noise cancellation algorithm so that said plurality? speakers emit a plane wave. There? allows the apparatus and method for active noise cancellation to be simple to implement and easily adaptable to different environments and conditions thanks to significantly reduced setup costs.
Ancora, il controllo di tipo sincrono ha il vantaggio di ridurre notevolmente i requisiti hardware richiesti per l?esecuzione del metodo. Furthermore, the synchronous type control has the advantage of notably reducing the hardware requirements required for the execution of the method.
Grazie all?utilizzo di un?onda piana si ottiene interferenza distruttiva in pi? punti dello spazio. Questo permette di attutire efficacemente un rumore entrante da superfici piane che si distribuisce in maniera planare, contrariamente all?abbattimento di tipo puntuale, per esempio in uno spazio ristretto intorno alle orecchie dell?ascoltatore. Thanks to the use of a plane wave, more destructive interference is obtained. points of space. This makes it possible to effectively dampen incoming noise from flat surfaces which is distributed in a planar manner, contrary to point-type damping, for example in a confined space around the listener's ears.
Grazie alla disposizione a griglia della pluralit? di altoparlanti, l?impatto visivo del sistema ? particolarmente ridotto. L?apparato pu? quindi essere applicato facilmente su finestre e pareti senza che esso crei intralcio o un cattivo effetto estetico. In particolare, nel caso di applicazione dell?apparato a una finestra, si ha vantaggiosamente una riduzione della luce entrante inferiore al 2%. Thanks to the grid arrangement of the plurality? of speakers, the? visual impact of the system? particularly reduced. The apparatus can? therefore it can be easily applied to windows and walls without creating a hindrance or a bad aesthetic effect. In particular, in the case of application of the apparatus to a window, there is advantageously a reduction of the incoming light of less than 2%.
Altri vantaggi, caratteristiche e modi di impiego della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di alcune forme di realizzazione, presentate a scopo esemplificativo e non limitativo. Other advantages, characteristics and ways of using the present invention will become evident from the following detailed description of some embodiments, presented by way of non-limiting example.
Descrizione breve delle figure Brief description of the figures
Verr? fatto riferimento alla figura dei disegni allegati, in cui: Will I come referring to the figure of the attached drawings, in which:
? la Figura 1 mostra una vista schematica di una pluralit? di altoparlanti disposti su un piano di matrice XY (uno degli altoparlanti ? mostrato ingrandito a titolo puramente esemplificativo); ? Figure 1 shows a schematic view of a plurality? of loudspeakers arranged on an XY matrix plane (one of the loudspeakers is shown enlarged purely by way of example);
? la Figura 2 mostra una raffigurazione schematica di un apparato per la cancellazione attiva di rumore in un ambiente chiuso secondo la presente divulgazione; e ? Figure 2 shows a schematic representation of an apparatus for active noise cancellation in a closed environment according to the present disclosure; And
? la Figura 3 mostra uno schema a blocchi di un apparato di cancellazione attiva di rumore secondo la presente divulgazione. ? Figure 3 shows a block diagram of an active noise cancellation apparatus according to the present disclosure.
Le dimensioni rappresentate nelle figure sopra introdotte vanno intese come puramente esemplificative e non sono necessariamente mostrate in proporzione. The dimensions shown in the figures introduced above are to be understood as purely exemplary and are not necessarily shown in proportion.
Descrizione dettagliata di forme di realizzazione preferite Detailed description of preferred embodiments
Con riferimento alle Figure 1 e 2, un apparato per la cancellazione attiva di rumore in un ambiente chiuso, quale una stanza con o senza finestra, comprende una pluralit? di altoparlanti, almeno un microfono interno e mezzi di elaborazione e controllo degli altoparlanti. With reference to Figures 1 and 2 , an apparatus for active noise cancellation in an enclosed environment, such as a room with or without a window, comprises a plurality of noise cancellers. of loudspeakers, at least one internal microphone and loudspeaker processing and control means.
Gli altoparlanti sono disposti secondo un numero m di righe avente una direzione parallela a un primo asse X e un numero n di colonne avente una direzione parallela a un secondo asse Y, perpendicolare al primo asse X. Inoltre, la pluralit? di altoparlanti giace su un piano di matrice XY ed ? disposta perpendicolarmente rispetto a una direzione principale di un rumore esterno da attenuare. The loudspeakers are arranged according to a number m of rows having a direction parallel to a first axis X and a number n of columns having a direction parallel to a second axis Y, perpendicular to the first axis X. Furthermore, the plurality? of loudspeakers lies on an XY matrix plane and ? arranged perpendicular to a principal direction of an external noise to be attenuated.
Secondo un aspetto, gli altoparlanti sono preferibilmente disposti secondo un numero m di righe equidistanziate e secondo un numero n di colonne equidistanziate, in una formazione sostanzialmente a ?griglia?. Tale griglia di altoparlanti pu? essere applicata, per esempio, a una parete dalla quale proviene rumore esterno, oppure al di sopra di una finestra. According to one aspect, the loudspeakers are preferably arranged in a number m of equally spaced rows and in a number n of equally spaced columns, in a substantially "grid" formation. This speaker grille can be applied, for example, to a wall from which external noise comes, or above a window.
I mezzi di elaborazione e controllo degli altoparlanti, per esempio un Digital Signal Processor, sono in comunicazione di dati, via cavo o in modo wireless, con il microfono e con la pluralit? di altoparlanti. Vantaggiosamente tali mezzi di elaborazione e controllo comandano gli altoparlanti in modo sincrono o asincrono, e/o con la stessa potenza o con potenza determinata in funzione della posizione di ciascun altoparlante sul piano di matrice XY e secondo un algoritmo, ad anello chiuso, di cancellazione attiva di rumore affinch? la pluralit? di altoparlanti emetta un?onda piana. The loudspeaker processing and control means, for example a Digital Signal Processor, are in data communication, via cable or wirelessly, with the microphone and with the plurality of speakers. of speakers. Advantageously, these processing and control means control the loudspeakers synchronously or asynchronously, and/or with the same power or with a power determined according to the position of each loudspeaker on the XY matrix plane and according to a closed-loop cancellation algorithm. active noise so that? the plurality? speakers emit a plane wave.
Secondo un aspetto, il microfono interno ? di tipo direzionale, cio? un microfono configurato per rilevare il rumore proveniente da un?unica direzione. Preferibilmente, il microfono interno direzionale ? posto a una certa distanza dalla pluralit? di altoparlanti e diretto verso di essi in modo da rilevare il rumore entrante perpendicolarmente all?interno dell?ambiente chiuso e attenuato dall?apparato escludendo il pi? possibile disturbi esterni, quali voci e rumori prodotti all?interno dell?ambiente chiuso o i suoni di riverbero prodotti dalla griglia di speaker. La distanza alla quale deve essere posto il microfono direzionale ? preferibilmente maggiore della distanza alla quale ? generata l?onda piana a partire dalla pluralit? di altoparlanti, tipicamente nell?ordine dei decimetri a partire dagli altoparlanti. In one aspect, the internal microphone ? directional, that is? a microphone configured to detect noise coming from only one direction. Preferably, the internal directional microphone ? placed at a certain distance from the plurality? of loudspeakers and directed towards them in order to detect the noise entering perpendicularly inside the closed and attenuated environment by the apparatus excluding the pi? possible external disturbances, such as voices and noises produced inside the closed environment or the reverberation sounds produced by the speaker grille. How far should the directional microphone be placed? preferably greater than the distance at which ? generated the plane wave starting from the plurality? of loudspeakers, typically in the order of decimetres starting from the loudspeakers.
L?algoritmo di controllo ? di tipo noto e, a tale proposito, si fa riferimento alla pubblicazione scientifica ?Active Noise Control: A Tutorial Review?, S.M. Kuo ; D.R. Morgan. The control algorithm? of known type and, in this regard, reference is made to the scientific publication ?Active Noise Control: A Tutorial Review?, S.M. Kuo; D.R. morgan.
Preferibilmente l?algoritmo ? di tipo Broadband con stima offline della secondary path, i.e. la funzione di trasferimento tra il segnale acquisito dal microfono interno e il segnale emesso effettivamente dalla griglia di altoparlanti, in modo che l?algoritmo abbia una fase iniziale di calibrazione. Preferably the? algorithm ? Broadband type with offline estimation of the secondary path, i.e. the transfer function between the signal acquired by the internal microphone and the signal actually emitted by the loudspeaker grid, so that the algorithm has an initial calibration phase.
Secondo un aspetto, ciascun altoparlante della pluralit? di altoparlanti ha una superficie di emissione di suono di dimensione planare inferiore a 3 cm<2 >rispetto a detto piano di matrice XY. According to one aspect, each speaker of the plurality? of loudspeakers has a sound emission surface with a planar dimension of less than 3 cm<2> with respect to said XY matrix plane.
Secondo un aspetto, la pluralit? di altoparlanti ha una densit? compresa fra 90 e 110 altoparlanti per m<2>, ancor pi? preferibilmente 100 per m<2>. According to one aspect, the plurality of speakers has a density? between 90 and 110 speakers per m<2>, even more? preferably 100 per m<2>.
Secondo un aspetto, l?apparato per la cancellazione attiva del rumore comprende, inoltre, almeno un microfono esterno configurato per rilevare il rumore all?esterno dell'ambiente chiuso in corrispondenza di una fonte di rumore. Tale microfono esterno ? per esempio utilizzato in un algoritmo di feedforward per migliorare l?attenuazione del rumore ottenuta da tale apparato. Preferibilmente, il microfono esterno ? anch?esso direzionale e posto in modo da rilevare il rumore entrante nell?ambiente chiuso perpendicolarmente. According to one aspect, the active noise canceling apparatus further comprises at least one external microphone configured to detect noise outside the enclosed space at a noise source. Such an external microphone ? for example used in a feedforward algorithm to improve the noise attenuation obtained by such an apparatus. Preferably, the external microphone ? also directional and placed in such a way as to detect the noise entering the closed environment perpendicularly.
Il metodo per la cancellazione attiva di rumore in un ambiente chiuso comprende i seguenti passi: The method for active noise cancellation in an enclosed environment includes the following steps:
- fornire una pluralit? di altoparlanti disposti secondo un numero m di righe avente una direzione parallela a un primo asse X e un numero n di colonne avente una direzione parallela a un secondo asse Y, perpendicolare al primo asse X, in cui la pluralit? di altoparlanti giace su un piano di matrice XY ed ? disposta perpendicolarmente rispetto a una direzione principale di una fonte di rumore da attenuare; - provide a plurality? of loudspeakers arranged according to a number m of rows having a direction parallel to a first axis X and a number n of columns having a direction parallel to a second axis Y, perpendicular to the first axis X, in which the plurality? of loudspeakers lies on an XY matrix plane and ? arranged perpendicular to a principal direction of a noise source to be attenuated;
- fornire almeno un microfono disposto all'interno dell'ambiente chiuso e configurato per rilevare il rumore nell'ambiente chiuso; - providing at least one microphone placed inside the closed environment and configured to detect noise in the closed environment;
- ricevere un primo segnale rappresentante il rumore nell'ambiente chiuso dal microfono ed elaborare, in funzione di tale segnale, almeno un segnale di controllo, che pu? essere identico o differenziato per ciascun altoparlante, per la pluralit? di altoparlanti secondo un algoritmo di cancellazione attiva di rumore ad anello chiuso affinch? la pluralit? di altoparlanti emetta un?onda piana. Preferibilmente l?algoritmo ? di tipo adattativo, i.e. un algoritmo che adatta i parametri del controllore nel tempo in modo da minimizzare il segnale residuo percepito dal microfono interno tramite un algoritmo di minimizzazione. - receiving a first signal representing the noise in the closed environment from the microphone and processing, as a function of this signal, at least one control signal, which can be identical or differentiated for each speaker, for the plurality? of speakers according to a closed-loop active noise cancellation algorithm so that the plurality? speakers emit a plane wave. Preferably the? algorithm ? adaptive, i.e. an algorithm that adapts the controller parameters over time in order to minimize the residual signal perceived by the internal microphone through a minimization algorithm.
Secondo un aspetto, il metodo comprende i seguenti ulteriori passi: In one aspect, the method comprises the following further steps:
- fornire almeno un microfono esterno configurato per rilevare il rumore all?esterno dell'ambiente chiuso in corrispondenza di una fonte di rumore; - providing at least one external microphone configured to detect noise outside the closed environment in correspondence with a noise source;
- ricevere un secondo segnale rappresentante il rumore esterno dal microfono esterno e modificare, in funzione di tale secondo segnale, il segnale di controllo secondo un algoritmo di feedforward. - receiving a second signal representing the external noise from the external microphone and modifying, as a function of this second signal, the control signal according to a feedforward algorithm.
? da intendersi che il metodo pu? comprendere un ulteriore passo di porre la pluralit? di altoparlanti in corrispondenza di una parete, una parete con finestra, o solo una finestra di detto ambiente chiuso, interessata da una fonte di rumore esterno. ? to be understood that the method can? understand a further step to put the plurality? of loudspeakers in correspondence with a wall, a wall with a window, or just a window of said closed environment, affected by an external noise source.
Secondo un aspetto, il metodo comprende un ulteriore passo iniziale di di autocalibrazione e stima funzione di trasferimento della ?secondary path?. Questo passo iniziale comprende posizionare il microfono interno ad una certa distanza dalla griglia di altoparlanti, riprodurre un rumore bianco dalla griglia e, in base a quanto sentito dal microfono, stimare la ?secondary path?. According to one aspect, the method comprises a further initial step of self-calibration and transfer function estimation of the ?secondary path?. This initial step involves placing the internal microphone some distance from the speaker grille, playing white noise from the grille, and based on what is heard from the microphone, estimating the secondary path.
Uno schema a blocchi di un apparato di cancellazione attiva di rumore secondo la presente divulgazione ? mostrato in Figura 3. Esso comprende sostanzialmente uno o pi? microfoni interfacciati con una scheda di elaborazione, che riceve energia elettrica da un alimentatore, e che implementa un algoritmo per la cancellazione attiva del rumore. Sulla base dei segnali acquisiti dai microfoni, la scheda di elaborazione determina come pilotare gli altoparlanti ("speaker") generando opportuni segnali di pilotaggio. Tali segnali di pilotaggio vengono amplificati con un amplificatore alimentato in modo da poter comandare la pluralit? di altoparlanti, tipicamente disposti a matrice ("griglia") per cancellare, o per lo meno ridurre, il rumore captato dai microfoni. A block diagram of an active noise cancellation apparatus according to the present disclosure? shown in Figure 3. It substantially comprises one or more? microphones interfaced with a processing board, which receives electricity from a power supply, and which implements an algorithm for active noise cancellation. On the basis of the signals acquired by the microphones, the processing board determines how to drive the loudspeakers by generating suitable driving signals. These driving signals are amplified with a powered amplifier so as to be able to control the plurality? loudspeakers, typically arranged in a matrix ("grid") to cancel, or at least reduce, the noise picked up by the microphones.
La presente invenzione ? stata fin qui descritta con riferimento a forme preferite di realizzazione. ? da intendersi che possano esistere altre forme di realizzazione che afferiscono al medesimo nucleo inventivo, come definito dall?ambito di protezione delle rivendicazioni qui di seguito riportate. The present invention ? been described heretofore with reference to preferred embodiments. ? it should be understood that there may exist other embodiments which pertain to the same inventive core, as defined by the scope of protection of the claims set forth below.
Claims (14)
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| Title |
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| CHUANG SHITATSUYA MURAODONGYUAN SHIBHAN LAMWOON-SENG GAN, OPEN LOOP ACTIVE CONTROL OF NOISE THROUGH OPEN WINDOWS |
| S.M. KUOD.R. MORGAN, ACTIVE NOISE CONTROL: A TUTORIAL REVIEW |
| XUN YURAJESH RAJAMANIKIM A. STELSONTIANHONG CUE, ACTIVE CONTROL OF SOUND TRANSMISSION THROUGH WINDOWS WITH CARBON NANOTUBE-BASED TRANSPARENT ACTUATORS |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2022084913A1 (en) | 2022-04-28 |
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