Multi-channel virtual-microphone feedback minimum-variance active noise control system

Abstract

Classical active noise control systems are designed to minimise, in a sense, the residual signal at the microphone providing information about acoustic noise and secondary sound interference. The secondary sound operates at the same time on the acoustic noise at other positions including user ears. In the worst case this can result in sound reinforcement at those positions. In many applications placing another microphone directly at the ears is not accepted. It is then justified to make efforts to design a dedicated system. The purpose is to minimise the mean-square value of the noise at the desired location while performing measurements of sound interference results at another location. This can be done by employing the general idea of Vrtual-Microphone Control systems. However, for many active noise control applications the use of a single pair of microphone and loudspeaker does not suffice to obtain satisfactory performance, i.e. generate a zone of quiet of acceptable dimensions. Moreover, for some applications, presence of an obstacle, e.g. the head in an active headrest system, constitutes a barrier for the zone of quiet at one side to propagate to the other side. Therefore, more microphones and loudspeakers are often necessary. In the most general case a coupling between subsequent pairs should be taken into account resulting in a multi-channel system. In previous papers of the author adaptive systems have been designed and analysed. In this paper a fixed parameter multi-channel Virtual-Microphone Control system, optimal in the mean- square sense, is designed. It includes non-minimum phase property of the system channels. Both the case of more inputs than outputs as well as the case of more outputs than inputs are considered. Factorization techniques have been used for the design. The system is verified by successfully controlling noise for the active headrest system.

Klasyczne układy aktywnej redukcji hałasu projektowane są w celu minimalizacji według określonego kryterium sygnału mierzonego przez mikrofon dostarczający informacji o efektach interferencji hałasu i generowanego dźwięku wtórnego. Jednak dźwięk wtórny propaguje również w inne miejsca w przestrzeni (np. do uszu użytkownika), gdzie interferuje z obecnym tam hałasem, co może skutkować wzmocnieniem dźwięku w tamtych miejscach. W przypadku wielu aplikacji umieszczenie w nich mikrofonów nie jest możliwe. Wówczas należy zaprojektować dedykowany układ sterowania, którego celem jest redukcja dźwięku w zadanym położeniu, podczas gdy pomiar przeprowadzany jest w innym miejscu. W tym celu można wykorzystać ideę tzw. mikrofonów wirtualnych. Zastosowanie jednej pary mikrofon-głośnik często nie wystarcza do otrzymania zadowalających efektów redukcji hałasu, np. wygenerowania strefy ciszy odpowiednich rozmiarów. Ponadto, obecność przeszkód na drodze dźwięku wtórnego może uniemożliwiać właściwe działanie układu. Ma to np. miejsce w aktywnym zagłówku fotela, dla którego głowa użytkownika stanowi przeszkodę dla propagacji dźwięku do obydwu uszu. Wówczas niezbędne jest zastosowanie większej liczby mikrofonów i głośników. W ogólnym przypadku należy uwzględnić wzajemne interakcje poszczególnych torów i traktować układ, jako wielowymiarowy. W poprzednich pracach autora zaprojektowano szereg adaptacyjnych algorytmów sterowania z mikrofonami wirtualnymi. W niniejszej publikacji prezentowany jest wielokanałowy układ regulacji z mikrofonami wirtualnymi, o stałych parametrach, redukujący poziom ciśnienia akustycznego dźwięku w zadanych położeniach. Uwzględnia on nieminimalnofazowość kanałów obiektu. Rozpatrzony jest przypadek większej liczby wejść niż wyjść układu, jak również przypadek odwrotny. Przy projekcie posłużono się metodami faktoryzacji. Zaproponowany układ zweryfikowany jest w kontekście redukcji hałasu w aktywnym ochronniku słuchu.