БГУИР МОДУЛЬ КОМПЕНСАЦИИ АКУСТИЧЕСКОГО …dedf.promwad.com/materials/DEDF2012-Novikov... · Базой послужила аппаратная платформа

БГУИР

МОДУЛЬ КОМПЕНСАЦИИ АКУСТИЧЕСКОГО ШУМА C ПЕРИОДИЧЕСКИМИ СОСТАВЛЯЮЩИМИ

В СИСТЕМАХ ВЕНТИЛЯЦИИ

А.Е. НОВИКОВ(1,2), А.А. ПЕТРОВСКИЙ(1)

Белорусский государственный университет информатики

и радиоэлектроники(1)

П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь

«Promwad»(2), Ольшевского, 22-501, Минск, 220073, Беларусь

page 2

БГУИР

ВВЕДЕНИЕ

2012 © Promwad Innovation Company

ЧТО Описывается практическая реализация системы активного шумоподавления, направленной на ослабление периодических составляющих в шуме вентиляции

КАК Система построена с применением адаптивных алгоритмов DLMS,

FxLMS. Конфигурация – 2 микрофона, 1 динамик. Система выполнена на отладочном модуле DSK6713 с процессором

TMS320C6713. Построена модель участка вентиляции из поливинилхлоридных труб

диаметром 110 мм.

РЕЗУЛЬТАТ Достигнут уровень ослабления шума 25 дБ на частоте 250 Гц

page 3

БГУИР

Текущий статус и планы

На данный момент построены математические модели

работы системы, собран макет. Макет, как и модели,

подтвердили свою работоспособностью

Планируется разработка и изготовление опытных образцов

устройств (как одноканальных, так и многоканальных).

Планируется разработка рекомендаций для пассивной

звукоизоляции, что позволит комплексно решать проблему

шума.


page 4

БГУИР

СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ШУМА В ВЕНТИЛЯЦИИ


ANC

Микрофон

ошибки

Опорный

микрофон

Компенсирующий динамик

Участок вентиляционной трубы

Вентилятор

x(n) y(n) e(n)

1) Входной микрофон (или другой неакустический датчик) фиксирует шум, производимый вентилятором. Система выделяет гармонические составляющие 2) Система генерирует сигнал, способный ослабить гармонические составляющие шума и выдает его на компенсирующий динамик. 3) В результате интерференции звуковых волн шум ослабляется. В соответствии с показаниями микрофона ошибки система постоянно подстраивается

Рисунок 1 – Схема системы

page 5

БГУИР

ОТСЛЕЖИВАНИЕ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ПОДАВЛЯЕМОГО СИГНАЛА

Частота главной гармоники отслеживается при помощи метода [1]. Суть метода заключается в использовании адаптивного режекторного фильтра, который «вырезает» периодические составляющие (в них сосредоточена большая часть энергии сигнала). Частота режекции подстраивается по методу LMS, минимизируя ошибку-остаток сигнала.

[1] Li Tan, Jean Jiang and Liangmo Wang. Adaptive Harmonic IIR Notch

Filters for Frequency Estimation and Tracking. Adaptive Filtering.

InTech, 2011.

0 2 4 6 8 10 12 14 160

100

200

300

400

500

Время, с

Часто

та,

Гц

Рисунок 2 a) - Первая гармоника входного сигнала (SNR≈8 дБ), спектрограмма b) - Контур частоты первой гармоники


page 6

БГУИР

ОДНОКАНАЛЬНАЯ СИСТЕМА АКТИВНОГО ШУМОПОДАВЛЕНИЯ

P(z)

W(z)

LMS

S(z)

+

S(z)

x(n)

x’(n)

d(n)

y’(n)y(n)

e(n)

Рисунок 3 – Одноканальная система с применением FXLMS либо DLMS алгоритмов

Первичным путем P(z) называется участок, который звук проходит между опорным микрофоном и микрофоном ошибки. Первичный путь является полностью акустическим. Вторичный путь S(z) – это путь сигнала, начиная от выхода адаптивного фильтра и до микрофона ошибки. Вторичный путь включает ЦАП, восстанавливающий фильтр, усилитель, динамик, акустический путь от динамика до микрофона ошибки, микрофон ошибки, предусилитель, сглаживающий фильтр и АЦП


page 7

БГУИР

FxLMS (ЛИБО DLMS) АЛГОРИТМ Введение в схему (либо Δ для DLMS) позволяет сопоставить во времени

сигналу ошибки e(n) входной сигнал x(n). ( )S z

1 ( )n n n e n '

w w xОбновление коэффициентов фильтра

* ( )n S n n'

x xМоделирование вторичного пути для

FxLMS (для DLMS x(n) задерживается

на Δ тактов)

'( )e n d n y n Получение сигнала ошибки, который

минимизируется

где w(n), w(n+1) – коэффициенты фильтра в текущий и следующий момент времени;

µ – шаг адаптации

– опорный сигнал, прошедший через фильтр

e(n) – ошибка, результат работы

– фильтр, имитирующий вторичный путь, * обозначает линейную свертку

𝒙 𝑛 – опорный сигнал

где d(n) – звуковой сигнал, который требуется ослабить

– компенсирующий сигнал

Ошибка e(n) получается путем интерференции звуковых волн

n'

x ( )S n

( )S n

'( )y n


page 8

БГУИР

УЗКОПОЛОСНАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ

РЕЖЕКТОРНЫХ ФИЛЬТРОВ ВТОРОГО ПОРЯДКА

Σ

z

sin

cos

S(z)

LMS

z

Σ

x0(n)

x’0(n)

x1(n)

x’1(n)

w0(n)

w1(n)

y(n)d(n)

e(n)-

+

+

+

W(z)

Рисунок 4 – Фильтр 2 порядка. Может устанавливаться параллельно несколько штук

( 1) ( ) ( ) ( ), 0,1l l lw n w n x n e n l

Частота sin и cos – результат работы блока, который оценивает частоту главной

гармоники. Блоки задержки z-Δ ставятся для работы по алгоритму DLMS. Для

алгоритма FxLMS они заменяются фильтром


page 9

БГУИР

ПОЛУЧЕНИЕ КОПИИ ВТОРИЧНОГО ПУТИ

Для успешной практической реализации системы должен быть оценен

вторичный путь S(z) и получена его оценка .

Рисунок 5 – Оценка вторичного пути

( )S n


Генератор

шумаNLMS

V

Σ

x(n)

Акустический

путь

y(n)

d(n)

e(n)

+

+

DSK6713

page 10

БГУИР

ПОЛУЧЕНИЕ КОПИИ ВТОРИЧНОГО ПУТИ

( ) ( )( 1) ( )

( ) ( )T

n e nn n

n n

xv v

x x

Обновление коэффициентов фильтра,

который будет являться фильтром ( )S n

0 50 100 150 200 250 300

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

0.15Коэффициентв фильтра

Номер коэффициента

Зн

ачен

ие

ко

эфф

иц

иен

та

Рисунок 6 – Оценка вторичного пути (при частоте дискретизации 8 кГц)


page 11

БГУИР

МОДЕЛИРОВАНИЕ

Рисунок 7 – Исходный звуковой сигнал и

результат моделирования

В модели был использован входной сигнал с SNR ≈ 8 дБ.

Фильтр имитировал качественный вторичный путь (фильтры

с малой групповой задержкой, качественные динамики). Контур

частоты гармоник со временем изменялся.

( )S n


page 12

БГУИР

МОДЕЛИРОВАНИЕ

Рисунок 8 – Исходный звуковой сигнал и

результат моделирования

В модели был использован входной сигнал с SNR ≈ 8 дБ. Фильтр имитировал

качественный вторичный путь (фильтры с малой групповой задержкой, качественные

динамики). Контур частоты гармоник со временем почти не изменялся.

page 13

БГУИР

ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ. ВВОД-ВЫВОД АУДИО

Ввод-вывод аудиоданных возложен на блок EDMA (Enhanced Direct

Memory Access) и реализован по принципу «пинг-понг».

Созданы четыре буфера длиной 4 слова каждый: входной «пинг»,

входной «понг», выходной «пинг» и выходной «понг».

В каждый момент времени происходит накопление одного из

входных буферов и передача на ЦАП одного из выходных буферов,

в то время как процессор обрабатывает другой накопленный

входной буфер и заполняет выходной буфер.

Размер каждого буфера равен 4 элементам по 16 бит каждый.


page 14

БГУИР

ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ. МАКЕТ

1

2

3

4

5

Диаметр трубы 115 мм, длина –

1500 мм, длина отвода – 450 мм,

диаметр компенсирующего

динамика 85 мм. Угол между осью

компенсирующего динамика и

направлением распространения

шума составляет 135°. Микрофон

ошибки расположен на оси

компенсирующего динамика на

расстоянии 110 мм от него. Все

торцы труб открыты.

Рисунок 9 - Макет участка вентиляционной системы

1 – источник шума (вентилятор или динамик), 2 – компенсирующий динамик, 3 –

отверстие для установки микрофона ошибки, 4 – микрофон для анализа уровня

ослабления шума (подключен к ПК), 5 – отладочная плата DSK6713


page 15

БГУИР

ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ. РЕЗУЛЬТАТ РАБОТЫ МАКЕТА

Рисунок 10 – Спектрограмма аудиозаписи реальной

работы макета. В качестве подавляемого сигнала

выступал гармонический сигнал частотой 250 Гц 2012 © Promwad Innovation Company

page 16

БГУИР


0 200 400 600 800 1000

-80

-60

-40

-20

0

Частота, Гц

дБ

До включения (-5,1 дБ)

После включения (-30,1 дБ)

Рисунок 11 – Спектр аудиозаписи реальной работы

макета. В качестве подавляемого сигнала выступал

гармонический сигнал частотой 250 Гц 2012 © Promwad Innovation Company

page 17

БГУИР


0 2 4 6 8 10-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

Время, с

Ам

пли

туд

а

0 2 4 6 8 10-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

Время, сО

слаб

лен

ие

сигн

ала,

дБ

а) – форма аудио сигнала, система включается в момент 2,5 с и

выключается в 8,2 с; б) – в момент работы системы уровень

ослабления шума составил 25 дБ на частоте 250 Гц

Рисунок 12 – Результаты работы системы


page 18

БГУИР

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основании задержанного алгоритма наименьших квадратов и

адаптивных двухкоэффициентных режекторных фильтров была

реализована система компенсации акустического шума для систем

вентиляции.

2. Базой послужила аппаратная платформа DSK6713. Уровень подавления

шума на частоте 250 Гц составил 25 дБ.

page 19

БГУИР

Центр разработок в Москве: Ленинградский проспект, д. 68, стр. 16

Тел: +7(495) 642-82-43

Эл. адрес: [email protected]

Сайт: www.promwad.ru

Центр разработок в Минске: ул.Ольшевского, 22, 8-й этаж

Тел. +375 (17) 312–12–46

Эл. адрес: [email protected]

Сайт: www.promwad.com

Инновационная

компания

Promwad

Спасибо за внимание

Белорусский

государственный

университет информатики

и радиоэлектроники

П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь


http://www.promwad.ru/

Documents

БГУИР МОДУЛЬ КОМПЕНСАЦИИ АКУСТИЧЕСКОГО …dedf.promwad.com/materials/DEDF2012-Novikov... · Базой послужила аппаратная платформа