NO175798B - Fremgangsmåte og anordning til aktiv stöydemping i et lokalt område - Google Patents

Abstract

En fremgangsmåte til aktiv støydemping basert på destruktiv interferens av lydbølger for å redusere energien i et lydfelt benytter to omnidireksjonelle mikrofoner anordnet i tilknytning til en høyttaler. Ved hjelp av mikrofonene elimineres den akustiske tilbakekobling gjennom en lukket sløyfe bestående av mikrofonen og høyttaleren. Den benyttede høyttaler er en åpen høyttaler med dipolkarakteristikk, slik at en av mikrofonene vil være mer følsom for fjernfeltet og dermed for den støy som skal dempes. Fremgangsmåten utføres ved hjelp av en anordning som omfatter en digital signalprosessor til behandling av mikrofonsignalene og som til høyttaleren leverer et utgangssignal hvor til-bakekoblingskomponenten fra høyttaleren hovedsakelig er eliminert, mens ut-gangssignalets fase og amplitude er justert slik at det oppnås en effektiv kansellering av støyen i et område av høyttalerens nærfelt. Den digitale signalprosessor kan fortrinnsvis være implementert i form av programmoduler på en integrert krets. Med fremgangsmåten og anordningen oppnås det en integrert demping på nesten 20 dB avhengig av hvordan filtreringen i den digitale signalprosessor er adaptert. I praksis kan det fås en stille sone i høyttalerens nærfelt og med et dempningsbånd som strekker seg fra ca. 100-500 Hz.

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte til aktiv støydemping i et lokalt område i henhold til innledningen av krav 1. Oppfinnelsen angår også en anordning til aktiv støydemping i et lokalt område i henhold til innledningen av krav 9.

Det er kjent å benytte en aktiv støydemping basert på lyd-bølgers destruktive interferens for dermed å redusere energien i et lydfelt. En såkalt kansellerende lydkilde benyttes til å frembringe et lydfelt med samme spektrum som det lydfelt som skal dempes, men med motsatt fase av dette. Når amplituden til de to lydfelt er identisk, vil resultatet ideelt sett være en total demping av lydenergien ved utfasing. Problemet er å finne det kansellerende lydfelt som gir optimal støyreduksjon eller støydemping. Dette problem blir vanskeligere jo flere akustiske dimensjoner lydbølgene forplantes i. I romdomenet vil det alltid være tre akustiske dimensjoner.

Ved bruk av aktiv støyreduksjon basert på destruktiv interferens, blir lydfeltet som ønskes dempet, detektert av en spesiell mikrofonoppstilling og de detekterte mikrofonsignaler etter en signalbehandling levert med korrekt amplitude og fase til en høyttaler som fungerer som den støykansellerende lydkilde. For at støykanselleringen skal være effektiv, må lyden som detekteres av mikrofonarrangementet og lyden fra høyttaleren være koherent, dvs. at avstandene mellom mikrofoner, høyttaler og det området hvor støydempingen eller kanselleringen skal finne sted, må være små. Det er et problem at små avstander mellom mikrofon og høyttaler som er forbundet i et elektrisk nettverk, normalt vil føre til akustisk tilbakekobling, såkalt hyling.

Det har også vært gjort forsøk på å generere et lokalt støydempet område eller en såkalt stille sone ved å benytte et referansesignal. Dreier det seg f.eks. om støy fra en roterende maskin, noe som er vanlig i biler og fly, kan referansesignalet genereres på basis av turtallet til den roterende maskin og det kansellerende signal igjen genereres på basis av dette. Dermed unngår man problemet med tilbakekobling, men et system av denne art vil bare kunne dempe lyd som kommer fra kilden for referansesignalet og disse kilder bør fortrinnsvis være slik at de avgir en ren tone. Det vil si at det i praksis er dette konseptet for aktiv støydemping begrenset til støy fra roterende maskiner.

Videre er det et problem ved aktiv støydemping i et lokalt område at lyden, dvs. støyen, forsterkes i andre områder. Spesielt vil dette være et problem ved et støydempende system som f.eks. er installert i et passasjersete, da støydemping på et sted, dvs. ved et passasjersete kan føre til at støyen forsterkes i området for nabosetet.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en fremgangsmåte og en anordning til aktiv støydemping i et lokalt område, slik at de ovennevnte problemer i alt vesentlig blir eliminert.

Denne hensikt oppnås ved en fremgangsmåte som er kjennetegnet ved de trekk som fremgår av karakteristikken til krav 1 og en anordning som er kjennetegnet ved de trekk som fremgår av karakteristikken til krav 9. Ytterligere trekk og fordeler ved fremgangsmåten og anordningen i henhold til oppfinnelsen fremgår av henholdsvis de uselvstendige krav 2-8 og de uselvstendige krav 10-14.

Fremgangsmåten og anordningen i henhold til den foreliggende oppfinnelse skal nå forklares nærmere i tilknytning til et eksempel, hvor en utførelse av anordningen i henhold til oppfinnelsen vist på den ledsagende tegning benyttes til å realisere fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen. Fig. 1 viser skjematisk en teknisk installasjon til generering av en stille sone. Fig. 2 viser et blokkdiagram for signalbehandlingen ved generering av en stille sone.

På fig. 1 er det vist en installasjon for å generere en stille sone, f.eks. i tilknytning til et sete som kan være førersete eller passasjersete i et kjøretøy eller fartøy. Installasjonen omfatter en høyttaler som fortrinnsvis er anordnet like ved hodet til den person son benytter setet. Ved kanten av høyttaleren er det anordnet to mikrofoner i samme plan, ortogonalt på høyttalerens senterakse og i samme radiale retning fra denne akse. Mikrofonenes avstand fra høyttalerens senterakse er imidlertid noe forskjellig. Dermed kan problemet med akustisk tilbakekobling fra høyttaleren elimineres ved at den innbyrdes følsomhet og tidsforsinkelse mellom mikrofonene justeres slik at lyd fra høyttaleren både med hensyn til retning og avstand kanselleres. Mikrofonene har praktisk talt samme følsomhet for lyd fra alle andre deler av rommet hvor installasjonen befinner seg, også i retning av høyttaleren, men bortenfor denne. En slik installasjon gjør det derfor mulig å dempe lyd fra alle steder i rommet hvor installasjonen benyttes.

Som vist på fig. 1, vil mikrofonene fange opp lyden, dvs. støyen eller lydfeltet i rommet i nærheten av stedet hvor støydempingen eller kanselleringen ønskes. Derfor vil det i prinsippet være mulig automatisk å generere en korrekt kansellering uavhengig av lydfeltets lydstyrke og forløpet i tids- og frekvensdomenet, idet effektiviteten av støydempingen i praksis bare er begrenset ved parametre bestemt av systemet, såsom installasjonens geometri, den benyttede høyttaler, de benyttede mikrofoner og den eventuelle elektroniske behandling av de signaler som detekteres av mikrofonene.

Høyttaleren som er vist benyttet på fig. 1, er en åpen høyt-taler, dvs. at den har en såkalt dipolkarakteristikk, hvilket igjen betyr at høyttaleren gir forholdsvis liten utstråling til fjernfeltet, men derimot genererer et forholdsvis sterkere nærfelt. Slik høyttaleren er installert, vil dette nærfelt befinne seg i området hvor støyen ønskes kansellert. Installasjonen vil derfor unngå problemet med at lyden forsterkes i området utenfor kanselleringssonen. Videre er det også en fordel at det benyttes en åpen høyttaler med dipolkarakteristikk, da det fås redusert tilbakekobling i den lukkede sløyfe mikrofon-høyttaler fordi mikrofonene er montert på kanten av høyttaleren og fortrinnsvis i høyttalerens frontplan, slik det kan ses av fig. 1.

De benyttede mikrofoner er omnidireksjonelle mikrofoner. De signaler som detekteres av mikrofonene sendes igjennom respektive mikrofonforsterkere og leveres til første og andre innganger på en analog/digitalomformer. Utgangene fra analog/ digitalomformeren er forbundet med respektive innganger på en digital signalprosessor, idet disse innganger svarer til henholdsvis det første og det annet mikrofonsignal. Den digitale signalprosessor omfatter på den første mikrofonkanal et dempingstrinn og et forsinkelsestrinn som demper og forsinker signalet fra mikrofonen som befinner seg nærmest høyttalerens senterakse. Dermed fås eksakt de samme signaler på de to mikrofonkanaler. Det prosesserte mikrofonsignal inverteres deretter i den digitale signalprosessor i et invertertrinn og de to mikrofonsignaler leveres så til et addisjonstrinn som summerer dem. Ved summeringen kanselleres høyttaler-lyden som fanges opp av mikrofonene, mens mikrofonene ellers detekterer lyden fra alle andre steder i rommet. Dette vil føre til en betydelig reduksjon av den akustiske tilbakekobling i systemet og dermed forbedre støydempingen i den stille sone. Vanligvis vil de to mikrofoner ha en følsomhetsforskjell på ca. 10 dB. Det innebærer at lyd som kommer fra alle andre retninger og avstander enn fra høyttaleren hovedsakelig vil detekteres med den mikrofon som befinner seg på størst avstand fra høyt-talerens senterakse og deteksjonen blir i praksis således omnidireksjonell.

Det summerte og prosesserte digitale mikrofonsignal blir gitt til et filter i den digitale signalprosessor. Dette filteret er fortrinnsvis et FIR-filter av adaptiv art som er optimert slik at lyden fra høyttaleren kansellerer den uønskede støy i et område som befinner seg rett ut for høyttaleren, eksempelvis 10 cm fra høyttaleren.

Det skal forstås at den digitale signalprosessor er implementert med programmoduler, idet demping, forsinkelse, invertering og summering fortrinnsvis skjer i en første programmodul, mens FIR-filteret utgjør en annen programmodul.

Programmodulene vil således svare til ekvivalente elektriske nettverk i en hypotetisk analog signalbehandling.

Vanligvis og som vist på fig. 2, er det mellom utgangen på digital/analogomformeren og inngangen på høyttaleren koblet en effektforsterker, men forsterkningen kunne eksempelvis også realiseres på det digitale utgangssignal før omformingen ved å realisere digital/analogomformeren som en multipliserende omformer.

Dermed får høyttaleren nå et inngangssignal som representerer støyen i rommet, idet høyttalerens eget utgangssignal er eliminert. Selve utgangssignalet fra høyttaleren er gitt korrekt amplitude og fase, dvs. motsatt fase av hva som kan betraktes som støyen fra fjernfeltet som kommer inn i området hvor støydemping ønskes. Det fås dermed en effektiv kansellering av støyen i dette område, slik at det dannes en stille sone, samtidig som tilbakekoblingen mellom høyttaler og mikrofoner effektivt er redusert.

Eksperimentelle målinger med bruk av fremgangsmåten og anordningen i henhold til oppfinnelsen har vist at man kan få en reduksjon i den akustiske tilbakekobling på 20,7 dB, og at reduksjonen i tilbakekoblingen er størst ved frekvenser under 400 Hz. Stabilitetsmarginen er funnet å være større enn 10 dB for alle frekvenser mellom 50 og 1000 Hz.

Ved en passende adapsjon av det benyttede FIR-filter ble det oppnådd en integrert demping på inntil 19,3 dB som målt ved øret på et kunsthode benyttet i den eksperimentelle under-søkelse. Den maksimale demping var 31 dB og ble oppnådd ved en frekvens på 270 Hz, mens dempningsbåndet optimalt strakk seg fra 100 til 460 Hz. Det var mulig å oppnå dempning over et større frekvensområde, men dette reduserte den integrerte dempningsverdi. Det viste seg at filterets tidslengde og forsinkelse påvirket dempningsmuligheten. Ved den benyttede forsøksoppstilling måtte FIR-filteret kunne simulere en impulsrespons med en varighet på 10 ms for å gi en akseptabel dempning.

Det skal forstås at fremgangsmåten og den til realisering av denne benyttede anordning ikke er begrenset til det her viste utførelseseksempel, men kan realiseres praktisk på andre måter innenfor rammen av de vedføyde krav.

Claims (14)

1. Fremgangsmåte til aktiv støydemping i et lokalt område, spesielt til generering av en såkalt stille sone i det lokale område, hvor det benyttes en høyttaler og to mikrofoner, og hvor fremgangsmåten er karakterisert ved å anordne høyttaleren tilstøtende det lokale område hvor den stille sone skal genereres, idet høyttaleren er en åpen høyttaler, å anordne en første mikrofon med en gitt første radiell avstand fra høyttalerens senterakse, å anordne en annen mikrofon med en gitt annen radiell avstand fra høyttalerens senterakse, slik at den annen radielle avstand er større enn den første radielle avstand og idet mikrofonene befinner seg i samme radielle retning og fortrinnsvis i samme ortogonale plan på høyttalerens senterakse like ved kanten av høyttaleren, å detektere det akustiske signal generert av høyttaleren og overlagret det i det lokale område forekommende lydfelt med henholdsvis den første og den annen mikrofon, slik at det fås et respektive første og annet mikrofonsignal, å forsinke det første mikrofonsignal med en verdi svarende til gangtidsforskjellen mellom den første og annen radielle avstand, å dempe det første mikrofonsignal med en verdi svarende til intensitetsforskjellen mellom de detekterte mikrofonsignaler, slik at det fås et prosessert første mikrofonsignal med samme intensitet som det annet mikrofonsignal, hvoretter det første prosesserte mikrofonsignal inverteres og summeres med det annet mikrofonsignal til et sumsignal som etter filtrering og forsterkning leveres til høyttaleren.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at de to mikrofonsignaler forsterkes etter utgangen fra den respektive mikrofon, men før prosesseringen.

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 2, karakterisert ved at de forsterkede mikrofonsignaler før prosesseringen omformes til digitale signaler i en analog/digital omformer.

4. Fremgangsmåte i henhold til krav 3, karakterisert ved at digitalsignalene prosesseres i en digital signalprosessor, idet det første digitalsignal som svarer til det første mikrofonsignal, dempes, forsinkes og inverteres før det summeres med det annet digitalsignal som svarer til det annet mikrofonsignal, hvoretter det summerte digitalsignal filtreres og omformes til et analogt utgangssignal i en digital/analog-omformer, og forsterkes i en effektforsterker og leveres til høyttaleren.

5. Fremgangsmåte i henhold til krav 4, karakterisert ved at det til filtreringen benyttes et FIR-filter, fortrin ensvis et adaptivt FIR-filter.

6. Fremgangsmåte i henhold til et av de foregående krav, karakterisert ved at det benyttes mikrofoner med omnidireksjonell karakteristikk.

7. Fremgangsmåte i henhold til et av de foregående krav, karakterisert ved at det benyttes en høyttaler med dipolkarakteristikk.

8. Fremgangsmåte i henhold til et av de foregående krav, karakterisert ved at støydempingen optimeres i romdomenet eller frekvensdomenet gjennom en adapsjon av filteret.

9. Anordning til aktiv støydemping i et lokalt område, spesielt til generering av en såkalt stille sone i det lokale område, hvor det benyttes en høyttaler og to mikrofoner, karakterisert ved at høyttaleren er anordnet tilstøtende det lokale område hvor den stille sone skal genereres, idet høyttaleren er en åpen høyttaler, at det er anordnet en første mikrofon med en gitt første radiell avstand fra høyttalerens senterakse, at det er anordnet en annen mikrofon like ved den første med en gitt annen og større radiell avstand fra høyttalerens senterakse, idet mikrofonene befinner seg i samme radielle retning og fortrinnsvis i samme ortogonale plan på høyttalerens senterakse like ved kanten av høyttaleren, at utgangen fra hver av mikrofonene er forbundet med respektive innganger på en analog/digitalomformer, at utgangene på analog/digitalomformeren er forbundet med respektive innganger på en digital signalprosessor, idet hver inngang svarer til en mikrofonkanal, at signalprosessoren omfatter et dempingstrinn koblet til inngangen som svarer til den første mikrofonkanal, et forsinkelsestrinn forbundet til utgangen på dempingstrinnet og et invertertrinn forbundet til utgangen på forsinkelsestrinnet, at utgangen på invertertrinnet er ført til en første inngang på et addisjonstrinn hvis annen inngang er forbundet med den annen mikrofonsignalkanal, at utgangen på summeringstrinnet er forbundet med et filtertrinn koblet foran utgangen på den digitale signalprosessor, og at utgangen på den digitale signalprosessor over en digital/analogomf ormer er forbundet med inngangen på en høyttaler.

10. Anordning i henhold til krav 9, karakterisert ved at høyttaleren har dipolkarakteristikk.

11. Anordning i henhold til krav 10, karakterisert ved at mikrofonene har omnidireksjonell karakteristikk.

12. Anordning i henhold til et av kravene 8-11, karakterisert ved at det mellom hver mikrofon og inngangen på analog/digital-omformeren er koblet en mikrofonforsterker.

13. Anordning i henhold til krav 8, karakterisert ved at filteret i den digitale signalprosessor er et FIR-filter, fortrinnsvis et adaptivt FIR-filter.

14. Anordning i henhold til krav 8, karakterisert ved at det mellom digital/analog-omformeren og høyttaleren er koblet en effektforsterker.