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          關于主動降噪耳機,你想知道的一切(四)

          | S.Li

          編輯 | 貳沐 子魚

          2021年繼續更新Active Noise Cancellation (ANC)!在之前的文章中介紹了前饋和反饋主動降噪(FF, FB ANC)的基本原理, 并且我們得知在計算濾波器的過程中,次級路徑(secondary path, ??)是一個非常重要的因素。重新回顧一下,這個次級路徑是指從耳機喇叭到Error mic的聲學傳遞函數(??)。大家可以回顧ANC第一篇去了解如何測量次級路徑(注意,之前的文章中用了??來表達次級路徑,這篇文章用的是??)。

          這個??很多變,?因人而異(主要是外耳的形狀),并且隨著耳機佩戴的情況而改變。

          關于主動降噪耳機,你想知道的一切(四)

          圖一:次級路徑的測量結果 [1].

          圖一顯示了Bose QC20(入耳式降噪耳機)次級路徑在不同佩戴情景下的幅度和相位[1]?!皃ersons“ 和“dummy head“ 是指耳機正常佩戴在人和人工頭上的測量結果。這里還測量了兩種實際情況:1. 耳機放在桌子上面(不佩戴,“open“) ,2. 用手把耳機聲音出口堵住(“closed“) ??梢钥吹?,當耳機放在桌子上時,低頻的幅度有個明顯的下降 (能量泄露leakage)。反之,當把耳機聲音出口堵住時,幅度在400Hz到1000Hz的時候有所上升。當然即使是正常佩戴情況,在低頻的時候也有很大的波動。

          一般情況下,我們會測量正常佩戴情況下的???來設計自適應或者非自適應降噪濾波器。但是??的變化有可能導致濾波器的不穩定或者自適應濾波器不收斂等等情況。這一篇主要介紹Secondary Path的實時檢測方法。

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          圖二:實時檢測次級路徑(Eriksson模型) [2,3].

          第一個經典的方法是用一個額外的噪聲源來進行實時的次級路徑檢測[2]。圖二紅框外的部分是基本的FxLMS前饋自適應濾波器的結構圖。其中??是真實的次級路徑,??是測量到的次級路徑。紅框內的部分表示利用一個額外的噪聲源來實時測量次級路徑的結構圖。圖中用了LMS的方法來迭代更新次級路徑,所檢測到的次級路徑將會被用到前饋FxLMS的降噪系統中??梢钥吹綀D中有了兩個自適應系統,一個用來降噪,另一個用來檢測次級路徑。我們來看看??的迭代過程(紅色框內):

          ?? ? ? ? ?(1)

          其中n代表一個離散時刻,??代表步長, ???是內部噪聲生成器所生成的噪聲。粗的黑體代表向量。我們再來看看這個測量誤差??包括哪些:

          ?

          ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ….? (2)

          因為這個系統同時有兩個自適應系統并且同時用同一個Error mic作為檢測誤差的接收器,只有當??和???非相關時,??的迭代才會收斂,否則LMS自適應系統會很難收斂。即使如此,兩個自適應系統會相互干涉,因為總有一部分誤差不屬于自己的自適應系統。對于次級路徑自適應系統來說,??就是干擾。對于FF ANC自適應系統來說,內部噪聲??就是干擾項。

          基于Eriksson模型,Zhang提出了一個改進的框架結構來減少兩個自適應系統的互相干擾 [4] (圖三),用來提高降噪和檢測次級路徑自適應系統的收斂性。怎么做呢? 就是再引進一個自適應系統(H(z),綠框所示)。這個自適應系統就是專門用來解決他們互相干擾的部分。

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          圖三:實時檢測次級路徑(Zhang模型) [3,4].

          我們可以看到,不同于Eriksson模型,用Error mic測量得到的冗余噪聲不直接用于FF ANC 自適應濾波器,而是把次級路徑自適應系統帶來的干擾項??移除了。同時,用Error mic測量得到的冗余噪聲也不直接用于次級路徑的自適應濾波器,而是把FF ANC自適應系統帶來的干擾項??移除了。

          關于主動降噪耳機,你想知道的一切(四)

          圖四:次級路徑實時加權 [5].

          Guldenschuh提出一種比較實用的方法來避免因為次級路徑改變而導致的ANC自適應系統不收斂 [5]。原理很簡單,首先測量了兩種情況下的次級路徑:一種是正常佩戴下的次級路徑 (??), 另一種是在有很大leakage的情況下的次級路徑(比如耳機只罩住部分耳朵,或者耳機放在桌上 等等,???)。這兩個次級路徑會加權并相加用于的ANC FxLMS的計算。在系統內部會生成一個18Hz的次聲波用來檢測耳機的佩戴情況。如圖一所示,當有leakage出現的時候,次級路徑在低頻的幅度要小于正常佩戴的情況。如此一來可以通過相關性檢測來確定當前的佩戴情況,從而來確定當前情況下兩個次級路徑的權值。因為次聲波從原理上來說是聽不見的,所用此方法不會影響降噪功能。

          當然還有很多其他的方法來實時檢測次級路徑,但大多數停留在了實驗室階段,距離真正的產品實現還是有段距離。

          關于主動降噪耳機,你想知道的一切(四)

          作者:S.Li

          在德國流浪多年的聲學博士生,主要研究課題有雙耳聲,心理聲學,主動降噪等。

          參考

          [1] S. Liebich, J. Fabry, P. Jax and P. Vary, Acoustic path database for ANC in-ear headphone development,ICA, 2019.

          [2] L.J. Eriksson, and M.C. Allie: Use of random noise for on-line transducermodeling in an adaptive attenuation system. J. Acoust. Soc. Am., 85(2) (1989), 797–802.

          [3] Y.Kajikawa, W.-S. Gan, and S. M. Kuo. “Recent advances on active noise control: open issues and innovative applications.” APSIPA Transactions on Signal and Information Processing 1 (2012).

          [4] M. Zhang, H. Lan, W. Ser: Cross-updated active noise controlsystem with on-line secondary path modeling. IEEE Trans. Speech Audio Process.,? 9(5) (2001), 5, 98–602.

          [5] M. Guldenschuh. “Secondary-path models in adaptive-noise-control headphones.” 3rd International Conference on Systems and Control. IEEE, 2013.

           

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