Aktiivinen meluntorjunta

Transkriptio

1 Aktiivinen meluntorjunta Vesa Välimäki Signaalinkäsittelyn ja akustiikan laitos Aalto-yliopisto Vesa Välimäki 1 Aktiivinen meluntorjunta Luennon sisältö Aktiivisen meluntorjunnan perusteet Sovelluksia Ilmastointikanava, kuulokkeet, kuljetusvälineet Adaptiivinen suodatus ja häiriönpoisto Vesa Välimäki 2

2 Aktiivisen meluntorjunnan perusteet Elektroniikka on ääntä nopeampaa! Melu rekisteröidään mikrofonilla Tuotetaan elektroniikalla vastaääntä, joka soitetaan kaiuttimesta Melu ja vastamelu kumoavat toisensa Suurin etu: hyvä matalien äänten vaimennus Akustisen siirtofunktion mallintaminen Miten melu etenee mikrofonipisteestä vaimennuspisteeseen Myös vaiheen kääntö Hiljaisen alueen koko riippuu geometriasta Yksiulotteisissa tapauksissa täydellinen vaimennus mahdollinen 3D-tilassa hiljainen alue on yleensä pieni ANC = Active Noise Control Vesa Välimäki 3 Aktiivisen meluntorjunnan lyhyt historia Paul Lueg keksi perusidean Saksassa 1930-luvulla Toteutus mahdollinen vasta vuosikymmeniä myöhemmin Käsisäätöisiä järjestelmiä 1950-luvulla Automaattisesti säädettäviä analogisia ANC-järjestelmiä 1960-luvulla Digitaaliset ANC-järjestelmät 1980-luvulla Ensimmäinen oppikirja vuonna 1992 P. A. Nelson ja S. J. Elliott (ISVR, University of Southampton, UK), Active Control of Sound Teollisuussovelluksia 1990-luvulta alkaen Aktiiviset kuulosuojaimet, ilmastointilaitteiden vaimentimet, kodinkoneet, autot, lentokoneet Pölynimuri Muuntaja Ääniesimerkit: David Crawford, 1996, Vesa Välimäki 4

3 Aktiivinen ilmastointikanavan vaimennin Paul Luegin Saksassa v patentoima ilmastointikanavan vaimennusjärjestelmä N. 50 vuotta aikaansa edellä Lähde: P. A. Nelson ja S. J. Elliott, Active Control of Sound, Vesa Välimäki 5 Manuaalinen aktiivinen melunvaimennin Conoverin manuaalinen muuntajamelun vaimennusjärjestelmä v Lähde: P. A. Nelson ja S. J. Elliott, Active Control of Sound, Vesa Välimäki 6

4 Aktiivisen meluntorjunnan sovelluksia Ilmastointijärjestelmät toimistoissa ja teollisuudessa Ilmastointiputkessa kulkeva puhallinmelu ei muuten juurikaan vaimene Aktiiviset kuulosuojaimet ja kuulokkeet Passiivisen ja aktiivisen vaimennuksen yhteistulos loistava Kuljetusvälineiden matkustamot (lentokoneet, autot, junat) Matkustamon mukavuus nousemassa merkittäväksi kilpailutekijäksi Sukellusveneiden häivetekniikka (stealth submarines) Moottoriäänen aktiivisella vaimentamisella vaikeutetaan passiivista kuuntelua Kuorsauksenvaimennusjärjestelmä Kehitetty ainakin 2 järjestelmää USAssa (1992 ja 2004) (lähde: Scott C. Douglas, Southern Methodist Univ., Dallas, TX) Kaikissa sovelluksissa ANC-järjestelmän on oltava adaptiivinen Muutokset mahdollisia lämpötilassa, kosteudessa, lian määrässä, virtausnopeudessa, kaiuttimissa ja mikrofoneissa Vesa Välimäki 7 Ilmastointikanavan aktiivinen vaimennus Erinomaisen sopiva sovellusalue Puhallin aiheuttaa melua, joka etenee putkessa lähes vaimenematta Passiiviset vaimentimet aiheuttavat virtausvastusta Aktiivinen meluntorjunta helppoa rajataajuuden alapuolella Vesa Välimäki 8

5 ANC ilmastointikanavassa - Perusratkaisu Referenssimikrofoni rekisteröi melun Adaptiivinen järjestelmä tuottaa vastaäänen Mallintaa melun etenemisen siirtotiellä H ja kääntää signaalin vaiheen Virhemikrofonin avulla tarkistetaan onnistuiko vaimennus Ongelmia tavallisia kaiuttimia ja mikrofoneja käytettäessä!!! Ilmastointilaite Referenssimikrofoni Vastaäänilähde Virhemikforoni Avoin pää Siirtotie H Melu Ylävirta Adaptiivinen järjestelmä Vastaääni Referenssisignaali Virhesignaali Alavirta Vesa Välimäki 9 Akustinen takaisinkytkentä Tavallinen kaiutin säteilee putkessa yhtä hyvin molempiin suuntiin Referenssimikrofoni kuulee yhtä hyvin molemmista suunnista Referenssisignaaliin sekoittuu vastaääntä, mikä haittaa vaimennusta Akustisen kierron vaara Ilmastointilaite Referenssimikrofoni Vastaäänilähde Virhemikforoni Avoin pää Melu Ylävirta Akust kierto Adaptiivinen järjestelmä Vastaääni Referenssisignaali Virhesignaali Alavirta Vesa Välimäki 10

6 Ongelma ylävirran puolelta katsottuna Vastaäänilähde toimii akustisena heijastimena Ilmastointilaitteen ja kaiuttimen välille syntyy uusia seisovia aaltoja Melutaso saattaa kasvaa ylävirran puolella ja järjestelmä voi alkaa kiertää Ilmastointilaite Referenssimikrofoni Vastaäänilähde Virhemikforoni Avoin pää Adaptiivinen järjestelmä Vastaääni Referenssisignaali Virhesignaali Ylävirta R puh Akust kierto Alavirta Vesa Välimäki 11 Ongelma alavirran puolelta katsottuna Referenssimikrofoni toimii akustisena heijastimena Putken avoimen pään ja ref. mikrofonin välille syntyy uusia seisovia aaltoja Putken akustiset ominaisuudet muuttuvat ja melutaso saattaa kasvaa Ilmastointilaite Referenssimikrofoni Vastaäänilähde Virhemikforoni Avoin pää Adaptiivinen järjestelmä Vastaääni Referenssisignaali Virhesignaali Ylävirta Alavirta Akust kierto R avoin Vesa Välimäki 12

7 Takaisinkytkennän sähköinen eliminointi Mallinnetaan takaisinkytkentä ja kumotaan se sähköisesti Vastaääni ei ala kiertää, mutta etenee silti molempiin suuntiin Ilmastointilaite Referenssimikrofoni Vastaäänilähde Virhemikforoni Avoin pää Vastaääni Adaptiivinen järjestelmä + Tak.kytk. malli Vastaäänen tuotto Vesa Välimäki 13 Parhaimmillaan hyvä vaimennus Testi-ilmastointikanavassa kaiutin melulähteenä Puhaltimen lapataajuudella saavutettiin yli 20 db ja laajalla kaistalla usean db:n vaimennus Passivinen Aktiivinen Lp (db) Series Taajuus (Hz) Vesa Välimäki 14

8 Yksisuuntainen melunvaimennus Yksisuuntainen äänilähde ei säteile vastaääntä ylävirtaan Yksisuuntainen mikrofoni estää uusien heijastusten syntymisen (ref. esim. Seppo Uosukainen, väitöskirja, 1999) Ilmastointilaite Referenssimikrofoniparin havaintosuunta Vastaäänilähteen säteilysuunta Mic 1 Mic 2 Act 1 Act 2 Error Mic Avoin pää Suodin Suodin Suodin Suodin Adaptiivinen järjestelmä Vesa Välimäki 15 Yksisuuntaisen vastaäänilähteen edut Saavutetaan hyvä vaimennus ja äänitaso ei kasva ylävirran puolella Puhallimelu Vastaääni Molemmat yhdessä Jopa 6 db lisää Amplitudi Amplitudi Vain alkuperäinen melu suuntainen aktuaattori suuntainen aktuaattori Tavallinen kaiutin Kaiutinpari Paikka Vesa Välimäki 16

9 Swinbanksin mikrofonipari Alun perin rakenne yksisuuntaisen kaiutinparin toteutukseen Toisen anturin signaali viivästetään ja vähennetään x 1( n) (z) x 2 ( n) S d Vaimentaa alavirran suunnasta tulevan aallon x 2 Sivuvaikutus: ylävirrasta tuleva aalto x 1 ylipäästösuodattuu Viiveen oltava erittäin tarkka Digitaalinen murtoviivesuodin H d (z) Oletus: S d (z) on puhdas viive Häviöitä, heijastuksia tms. ei huomioida + - (z) H d 1 2 y(n) Vesa Välimäki 17 Swinbanksin mikrofoniparin suunnittelu Valittu toimintakaista Hz Näytteenottotaajuus 2000 Hz Ylin käsiteltävä taajuus (ns. Nyquist-taajuus) 1000 Hz Mikrofonien välinen etäisyys 25,5 cm Rajoittaa suuntaavuuden ylärajataajuudeksi 670 Hz Mikrofonien välinen aallon etenemisviive 1,5 näyteväliä Suuntaavuuden mitta: etu-takasuhde (Back-to-front ratio) BFR( f ) Gdown( f ) Gup( f ) BFR = 0 Yksisuuntainen järjestelmä (toive) BFR = 1 Molemmista suunnista havaitseva järjestelmä (pielessä) Lähde: V. Välimäki et al., Unidirectional Solutions for Active Noise Control in Ducts, in Proc. InterNoise Vesa Välimäki 18

10 Swinbanksin sensoripari: suunnitteluesimerkki Amplitudivaste ylävirtaan (toive: 0 db) Amplitudivaste alavirtaan (toive: db) Suuntaavuus (BFR) (toive: db) Viivelinja FIR-suodin Kokopäästösuodin Lähde: V. Välimäki et al., Unidirectional Solutions for Active Noise Control in Ducts, in Proc. InterNoise Vesa Välimäki 19 Tulevaisuuden auton äänenvaimennin Tavallinen pakoputken äänenvaimennin pienentää auton tehoa Aktiivinen äänenvaimennin ei pienennä tehoa, koska se ei aiheuta vastusta Säästöä polttoainekustannuksissa? Resonaattori Moottori Pakoputki Signaaligeneraattori Virhemikrofoni Vahvistin ANC Vesa Välimäki 20

11 Aktiiviset kuulosuojaimet Kuulokkeissa mikrofoni ja vaiheenkääntävä vahvistin Sekä analogisia että digitaalisia malleja Myös äänen kuunteluun Melunvaimennus ei vaikuta äänentoistoon! Passiivisia kuulosuojaimia parempi vaimennus pienillä taajuuksilla Passiiviset kuulosuojaimet toimivat erittäin hyvin korkeilla taajuuksilla Myötäkytketyissä digitaalisissa suojaimissa tarvitaan ulkopuolinen referenssimikrofoni Analog Digital Vesa Välimäki 21 Johdatus adaptiivisiin järjestelmiin Muuttuvassa ympäristössä pärjääminen vaatii sopeutumista Yleinen periaate luonnossakin: sopeudu tai kuole! Adaptiivista suodinta tarvitaan, kun suotimen haluttu vaste muuttuu ajan myötä Widrow ja Hoff keksivät LMS-algoritmin v LMS (engl. least mean squares) = pienin keskim. neliövirhe Keksintö liittyi ADALINE-nimisen hermoverkon kehittämiseen Vesa Välimäki 22

12 Adaptiivisen suodatukset perusidea repeat forever Suodata yksi näyte laske virhe korjaa suodinkertoimia end Referenssisignaali Adapt. suodin Lähtösig. Virhesig. Haluttu signaali + Erikoisia vaatimuksia! Haluttu signaali pitää tietää virheen määrittämiseksi (aktiivisessa meluntorjunnassa haluttu signaali = 0) Tarvitaan sääntö suodinkertoimien muuttamiseen niin, että virhe pienenee Vesa Välimäki 23 LMS-Algoritmi Sääntö FIR-suotimen kertoimien muuttamiseen siten, että neliövirhe keskimäärin pienenee (Widrow-Hoff -algoritmi): w(n + 1) = w(n) + 2 e(n)x(n) w(n) on suodinkerroinvektori on suppenemiskerroin x(n) on tulosignaalinvektori e(n) = d(n) y(n) = d(n) w T (n)x(n) on virhesignaali Kerroinvektorin w alkuarvoilla ei väliä Nollia tai satunnaislukuja tai hyvä arvaus Vesa Välimäki 24

13 Suppenemisnopeus Vaikeinta on valita suppenemiskertoimen arvo Stabiilisuusehto adaptoitumiselle P 0 2 missä P on tulosignaalin teho Jos on liian pieni, adaptoituminen hidasta, mutta lopullinen virhe pieni Jos on suuri, nopea adaptoituminen, mutta lopullinen virhe suuri (engl. misadjustment) If on liian suuri, algoritmi ei suppene, vaan räjähtää Signaalin teho P voidaan estimoida monella eri tavalla Vesa Välimäki 25 LMS-algoritmin hyvät & huonot puolet Edelleen erittäin suosittu menetelmä Hyvät puolet + Yksinkertainen ja toimiva + Pieni muistintarve (vain viivelinja ja edelliset kertoimet) Huonot puolet Hidas suppeneminen Suppenemisnopeus riippuu signaalista (amplitudi, spektri) Liian raskas joihinkin sovelluksiin Vesa Välimäki 26

14 LMS-Algoritmin variaatioita Monet muunnelmat pyrkivät 1) parantamaan laskentatehokkuutta tai 2) nopeuttamaan adaptoitumista Normalisoitu LMS (NLMS) normalisoi tulosignaalin tehon Muuttuvan askelkoon LMS (VS-LMS) muuttaa suppenemiskerrointa nopeuttaakseen adaptoitumista Etumerkki-LMS käyttää virheen e(n) tai tulosignaalin x(n) tai molempien pelkkää etumerkkiä välttääkseen kertolaskuja Taajuusalueen LMS käyttää FFT- tai DCT-algoritmia ja adaptoi suotimen taajuusvasteen ja paljon muita Vesa Välimäki 27 Adaptiivinen häiriönpoisto Häiriöiden poisto digitoiduista sähköisistä signaaleista varhaisin sovellus: verkkohäiriön (60 Hz) poistaminen ECGmittauksista (Widrow et al., 1975) Taustamelun poisto viestintäjärjestelmissä Esim. hävittäjälentäjien keskustelun kypärämikrofonilla Periodisen häiriön poisto ilman referenssisignaalia Jos häiriötaajuus tai taajuudet tunnetaan, voidaan tehdä synteettinen referenssisignaali Esim. verkkohurinan poisto äänitteestä Viivästettyä tulosignaalia voidaan käyttää referenssinä Erikoistapaus: DC-häiriön poisto Vesa Välimäki 28

15 Adaptiivinen häiriönpoisto Ref: Widrow et al., Vesa Välimäki 29 Adaptiivinen häiriönpoisto Ref: Widrow et al., Vesa Välimäki 30

16 Häiriönpoistodemo 0 Äänitetään erikseen hyötysignaali (mukana häiriö) ja häiriösignaali (ilman hyötysignaalia) Ääniesimerkit äänitetty hävittäjälentäjän kypärämikrofonista ja ohjaamossa Hyötysignaali (puhetta) Häiriö (mm. moottori) Hyötysignaali + vähän häiriötä Lähde: Vesa Välimäki 31 Verkkohurinan poisto musiikista Kitaristin äänite vaikuttaa olevan pilalla, mutta adaptiivinen suodin voi korjata sen! Tarvitaan referenssisignaali, mutta se on helposti saatavilla Häiriöinen äänite ( La Foa ) Pelkkä häiriö (50 Hz + sen harmonisia) LMS-algoritmin jälkeen (N = 9; = 0,005) LMS-algoritmin jälkeen (N = 9; = 0,1 0,001) Ensin nopea konvergointi, sitten hitaampi Alkuperäinen äänite ilman häiriötä ( La Foa ) Vesa Välimäki 32

17 Verkkohurinan spektri Perustaajuus (50 Hz) ja paljon sen parittomia harmonisia Vesa Välimäki 33 Adaptiivisten järjestelmien käyttötavat 1) Siirtofunktion mallintaminen Adaptiivinen suodin oppii (aikamuuttuvan) siirtofunktion Esim. aktiivisessa meluntorjunnassa 2) Käänteismallinnus Adaptiivinen suodin oppii käänteissiirtofunktion Esim. adaptiivisessa kaiuttimen ekvalisoinnissa 3) Ennustaminen Adaptiivinen suodin oppii ennustamaan järjestelmän lähtösignaalin Esim. ennustuskoodaus, ADPCM, spektrin mallinnus 4) Häiriönpoisto Periodisen tai laajakaistaisen häiriön vähentäminen Esim. kaiunpoisto puhelinjärjestelmissä Vesa Välimäki 34

18 Siirtofunktion mallintaminen Yritetään saada järjestelmän ja mallin lähtösignaalit samoiksi (niiden erotus nollaksi) Kohinaa Virhe Lähde: Vesa Välimäki 35 Käänteismallinnus Opetetaan malli kumoamaan järjestelmän siirtofunktio Vaatii yleensä mallinnusviiveen (engl. modeling delay) Lähde: Vesa Välimäki 36

19 Ennustaminen Adaptiivinen suodin oppii tuottamaan signaalin seuraavan arvon edellisten näytteiden perusteella Lähde: Vesa Välimäki 37 Häiriön poistaminen Vähennetään suodatettu häiriösignaali n (k) hyötysignaalin ja häiriön yhdistelmästä s(k) + n(k) Lähde: Vesa Välimäki 38

20 FXLMS-algoritmi Monissa akustisissa meluntorjuntatilanteissa virhesignaalia ei voida mitata suoraan Mikrofoni ei voi olla samassa pisteessä kuin vastaäänilähde (kaiutin) LMS-algoritmi ei suppene, jos virhesignaali on viivästynyt FXLMS-algoritmi (Filtered-X LMS) käyttää suodinestimaattia S(z) virhepolun siirtofunktiolle Referenssisignaali x(n) suodatetaan suotimella S(z), jolloin kompensoidaan viive virhe- ja referenssisignaalien välillä Monet keksivät samanaikaisesti (Morgan, 1981; Burgess, 1981; Widrow 1981) Vesa Välimäki 39 FXLMS-algoritmi FXLMS-algoritmi (Filtered-X LMS) käyttää suodinestimaattia S(z) virhepolun siirtofunktiolle DSP Fyysinen maailma Vesa Välimäki 40

21 Virhepolku ja takaisinkytkentäpolku Virhepolku S(z) = siirtofunktio kaiuttimesta virhemikrofoniin Takaisinkytkentäpolku F(z) = siirtofunktio kaiuttimesta ref. mikrofoniin Siirtofunktio sähköisestä signaalista toiseen, sis. vahvistimen, muuntimet yms. Ilmastointilaite Referenssimikrofoni Vastaäänilähde Virhemikrofoni Avoin pää F(z) Vastaääni S(z) Adaptiivinen järjestelmä + Tak.kytk. malli Vastaäänen tuotto Vesa Välimäki Virhepolun impulssivaste Amplitudi 0 LMS Mitattu Takaisinkytkentäpolun imp.vaste 0.05 Aika (ms) Amplitudi 0 LMS Mitattu Aika (ms) Vesa Välimäki 42

22 Magnitudi (db) Magnitudi (db) 0-50 Virhepolun amplitudivaste Takaisinkytkentäpolun amplitudivaste LMS Mitattu Taajuus (Hz) LMS Mitattu Taajuus (Hz) Vesa Välimäki 43 Adaptiivisten suotimien audiosovelluksia Äänentoistojärjestelmien automaattinen ekvalisointi Esim. kotiteatterilaitteistot Kaiunpoisto Puhelinjärjestelmät (kokeilut aloitettiin v. 1965) Hands free puhelimet esim. autoissa Videoneuvottelujärjestelmät Akustisen kierron vähentäminen digitaalisissa kuulolaitteissa Melun ekvalisointi Esim. työkoneissa halutaan vaimentaa melua, muttei poistaa kokonaan; autoissa moottorin äänensävyä voidaan muokata urheilullisemmaksi Keilanmuodostus Esim. mikrofonirivistöt videoneuvottelujärjestelmissä tai SONARissa (vedenalainen äänitutka), joka perustuu hydrofonirivistöön Vesa Välimäki 44

23 Yhteenveto Aktiivinen meluntorjunta on vanha idea, mutta edelleen tulevaisuuden teknologiaa Käytetään yleensä passiivisen vaimennuksen rinnalla Aktiivinen vaimennus toimii hyvin pienillä taajuuksilla, passiivinen suurilla Suosituin sovellus nyt aktiiviset kuulosuojaimet ja kuulokkeet Tulevaisuudessa aktiivinen meluntorjunta yleistynee Mikroprosessori monissa laitteissa ja laskentatehoa riittävästi Mahdollista lisätä asiakastyytyväisyyttä tai saavuttaa kustannussäästöjä (esim. auton aktiivinen äänenvaimennin) Alan patentit vanhenemassa (voimassa 20 vuotta) Vesa Välimäki 45 Lukemista tenttiin S. J. Elliott, Down with noise, IEEE Spectrum, pp , June B. Rafaely, Active noise reducing headset: an overview, Proc. INTERNOISE 2001, Haag, Alankomaat, Aug Muita lähteitä B. Widrow et al., Adaptive noise cancelling: principles and applications, Proc. IEEE, vol. 63, no. 12, pp , Dec, S. M. Kuo and D. R. Morgan, Active noise control: a tutorial review, Proc. IEEE, vol. 87, no. 6, pp , June P. A. Nelson and S. J. Elliott, Active Control of Sound. Academic Press, S. M. Kuo and D. R. Morgan, Active Noise Control Systems: Algorithms and DSP Implementations. Wiley, S. Haykin, Adaptive Filter Theory (3rd ed.). Prentice-Hall, (989 p.) Vesa Välimäki 46