Digitale signaalverwerking II

Active noise control(actieve ruiscontrole)

Auditorium B14/11/20089u45 – 10u05

Jeffrey VanspauwenKenneth De Noël

Overzicht

• Introductie

• Actieve ruiscontrole• Akoestische principes• Actieve controlestategieën• Globaal controlesysteem• Praktische toepassing

• Conclusie

INTRODUCTIEMethodes om ongewenste signalen te onderdrukken

Introductie

• Methoden om ongewenst geluid te onderdrukken:– Conventionele methodes:

• Werken in het algemeen niet op lage frequenties• Bv. Passieve geluidsabsorbeerders

– Actieve ruiscontrole:• Ze kunnen selectief geluid blokkeren• Destructieve interferentie tussen geluidsvelden gegenereerd door:

– De oorspronkelijke (primaire) geluidsbron– Een secundaire bron waarvan de akoestische uitgang gecontroleerd kan worden

door elektrische signalen

• De signaalverwerking zorgt voor de generatie en controle van deze elektrische signalen

ACTIEVE RUISCONTROLEDestructieve en constructieve interferentie

Actieve ruiscontrole

• Destructieve interferentie:– Faserelatie tussen de twee bronnen:

• De aangestuurde, secundaire bron (luidspreker) produceert een akoestische golf die uit fase is met de golf die geproduceerd wordt door de primaire bron

• Voor een precieze balans moet de controle zich aan een verandering in zijn omgeving kunnen aanpassen

– De akoestische druk wordt naar nul gedreven door de secundaire bron correct aan te sturen m.b.v. een monitorerende microfo(o)n(en)

Actieve ruiscontrole

• Constructieve interferentie:– Op de punten in de ruimte waar de twee druk-

componenten in fase zijn met elkaar zijn, is er een verhoging van het geluidsniveau

– Hierdoor worden de microfoon en de secundaire bron dichtbij elkaar geplaatst waardoor ze goed aan elkaar gekoppeld worden

• Men krijgt een zone van stilte rond de microfoon:– Een reductie van >10 dB is mogelijk

AKOESTISCHE PRINCIPES

Afstand tussen de bronnenControledoeleinden

Akoestische principes

• Grote afstand:– Bronnen zijn onafhankelijk van elkaar– Totale Puit is verdubbeld

• Kleine afstand:– Interferentie is sterker– Totale Puit is gereduceerd in vgl. met

één enkele, opererende bron– Daling van de uitstralingsefficiëntie

Figuur: De netto akoestische Puit i.f.v. de onderlinge afstand in vgl. met hun golflengte

Akoestische principes

• Twee actieve controledoeleinden:– De minimalisatie van Puit door de amplitude en fase

van de secundaire bron aan te passen met respect tot de primaire bron voor elke afstand

– De maximalisatie van de akoestische vermogen-absorptie:• Dit leidt echter tot een verhoogde Puit van het bronpaar

doordat bijna de helft van het uitgestraalde vermogen geabsorbeerd wordt en de andere helft niet

ACTIEVE CONTROLESTRATEGIEËN

Feedforwardcontrole Feedbackcontrole

Actieve controlestrategieën

• Feedforwardcontrole:– Referentiemicrofoon + foutmicrofoon + luidspreker– Referentiesignaal: goede correlatie met ruissignaal– Secundair pad: faseverschuiving uitgangssignaal

filtered-x LMS (robuust voor fouten)

Actieve controlestrategieën• Feedbackcontrole:– Foutmicrofoon + luidspreker– Geschatte waarde ruis = referentiesignaal

feedback wordt feedforward– Stabiliteitscriterium– Filtered-x LMS

GLOBAAL CONTROLESYSTEEM

Adaptieve filtersAlgoritmes

Globaal controlesysteem

• De laagfrequente geluidsvelden zijn periodiek• Het controlefilter moet adaptief zijn om

verandering in excitatie op te vangen:– Bv. Verandering van de motorsnelheid

• Voor elektrische ruisonderdrukking wordt gebruik gemaakt van het LMS algoritme– Convergentiesnelheid is belangrijk

• Er kunnen meerdere microfonen en secundaire geluidsbronnen geplaatst worden

PRAKTISCHE TOEPASSINGActieve ruiscontrole in een auto

Praktische toepassing (auto)

• Het referentiesignaal wordt aan een feedforwardcontroller doorgegeven om zes luidsprekers in de auto aan te sturen

• Reductie van 10-15 dB op motorruis en4-5 dB op totale ruis

CONCLUSIE

BeperkingenVooruitgangen

Conclusie

• Actieve geluidscontrole zal nooit een wonder-middel zijn voor alle ruiscontrolesystemen

• Ze blijven beperkt tot situaties in dewelke de verwijdering tussen de bronnen min. op dezelfde orde is als de akoestische golflengte

• De beste verbetering is gekomen dankzij de vooruitgangen op het gebied van DSP’s

Bedankt voor jullie aandacht!

Vragen ?

Jeffrey VanspauwenKenneth De Noël

Boeken

• Active control of sound– Nelson, P. A. / Elliott, S. J. – XII, 436 p. , ISBN 0-12-515425-9

• Signal processing for active control– Elliott, S. J. – XVIII, 511 p. , ISBN 0-12-237085-6

• Active noise control systems : algorithms and DSP implementations– Kuo, Sen M. / Morgan, Dennis R. – XV, 389 p. , ISBN 0-471-13424-4