Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem

TVE-F 17 020 juni

Examensarbete 15 hp

Juni 2017

Projekt inom framkopplat aktivt

brusreduceringssystem

Philip Ahl

Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box 536 751 21 Uppsala Telefon: 018 – 471 30 03 Telefax: 018 – 471 30 00 Hemsida: http://www.teknat.uu.se/student

Abstract

Projekt inom framkopplat aktivt

brusreduceringssystem

Philip Ahl, Simon Johansson Norman

Detta projekt behandlar ämnet aktiv brusreducering och undersöker idén om ett framkopplat mellansteg mellan hörlur och telefon som implementerar aktiv brusreducering i hörlurar som inte förfogar den tekniken. Grundlig amplitud- och fasanalys har gjorts i form av ljudmätningar och filterdesign. Utifrån ljudtesterna beräknades en maximal brusreduceringsnivå till ca 90%. Utifrån systemets

egenskaper har elektroniska komponenter valts och ett blockschema bestämnts. Slutsatsen är att en framkopplad lösning till detta

problem är möjligt att konstruera men inte optimalt i en tredimensionell miljö.

Populärvetenskaplig sammanfattning

Om du reser någonstans och sitter på ett tåg eller i ett flygplan så omfamnas resan av ett lågmält buller. Ljud som studsar omkring i flygplansvingarna eller gnissel från tågrälsen. Det finns olika sätt man kan få det att bli tystare. Man kan exempelvis ta på sig hörselkåpor eller överrösta med musik i sina hörlurar, eller så kan man kombinera dessa tekniker och helt enkelt försumma en stor del av ljudet. Hörselkåpor eller öronproppar dämpar ljud bra, framför allt högfrekvent ljud, på grund av att de är isolerade. Det kallas passiv brusreducering och trots att det inte är i fokus i denna rapport så kommer det behövas ta hänsyn till.

Med hjälp av elektroniska filter och mikrofoner går det att bygga upp ett system som aktivt brusreducerar. Systemet i fråga kommer att ta upp det omgivande bruset och skicka ut ett antiljud som ska tysta brusets ljudvågor i form av destruktiv interferens. Denna teknik kan appliceras inuti bilar, högtalare eller hörlurar. Projektet bygger på idén att åstakomma aktiv brusreducering även om hörlurarna inte är utrustade med den tekniken. Rapporten ska försöka bena ut konceptet för aktiv brusreducering och hur man konstruerar ett mellansteg mellan telefonen och hörlurarna som ska tysta ner brus av vissa frekvenser.

Det gjordes ljudtester för att uppskatta hur bruset uppfattas i en användares öra. Utifrån testdatan beräknades den gräns som systemet maximalt kan brusreducera vilket blev omkring 90%. De elektroniska komponenter som krävs för systemet bestämms och problematiken för systemets koncept och arbetsgången tas upp och diskuteras.

Innehåll

1.3.2 Approximation av hörlurens överföringsfunktion . . . 7

1.3.3 Kretskonstruktion . . . 8

1.4 Fasförkjutningsfilter . . . 9

2 Resultat 10

3 Diskussion 11

1

Introduktion

Konceptet aktiv brusreducering, hädan efter kallat ABR, introducerades redan på 30-talet då Paul Lueg patenterade bullerreducering i rör, destruktiv interferens och så kallade ”tysta zoner”[1]. Tekniken applicerades på hörlurar 1950 men användes inte offentligt förrän 1986 av Bose då Dick Rutan och Jeana Yeager flög jorden runt. Med teknologins framfart har utvecklingen lett till att ABR är på en kommersiell nivå. Det hittas i dagens moderna hörlurar, vanligvis i en kombination mellan passiv och aktiv brusreducering där t.ex. Bose fortfarande står som flaggskepp. Passiv brusreducering består av isolering, ofta i form av kåpor eller muffar på hörlurarna som omringar öronen. Denna typ av brusreducering dämpar ljud av högre frekvenser medan ABR behandlar lågfrekvent ljud.

1.1

Målbeskrivning

Projektets mål är att studera aktiv brusreducering, framför allt idén att oavsett hörlur kunna skapa ett ABR-system och hur man går till väga för att konstruera det. Idén grundas i att med en analog metod skapa en modul med flera 3,5 mm utgångar där man kan ansluta hörlurar. Modulen ska klara av att spela upp musik eller annat ljud via en 3,5 mm ingång. Eftersom ett flertal olika typer av hörlurar ska kunna kopplas in kommer det inte finnas någon mikrofon inuti hörluren. Detta resulterar i att ABR-systemet inte kommer att kunna vara återkopplat utan enbart framkopplat. Bruset kommer alltså enbart tas upp via en mikrofon i modulen och olika mätningar kommer behöva göras från både örat och modulen. Ljud av olika frekvenser ska undersökas, men en begränsning av intervallet kommer att behövas.

Problematiken med ABR i 3-dimensionella rum är att ljudvågor har en komplex och komplicerad utbredning vid olika frekvenser. När en ljudkälla avger ett ljud tas det upp av mikrofonen vid olika tillfällen på grund av eko och möbler i rummet. Snabba ljudvågor med höga frekvenser kommer vara svårare att behandla, vilket betyder att en begränsing på vilket frekvensspann som kan reduceras måste göras.

Ett huvudkoncept i projektets idé är möjligheten att ansluta ett flertal hörlurar. Samma modul ska kunna behandla brus för personer som befinner sig på olika platser i rummet. Detta resulterar i att det kommer behöva finnas en (eller flera) kalibreringsratt(ar) vid respektive utgång.

1.1.1 Hypotes

Ett av de svåraste problemen med projektet kan antas vara att ställa upp en så verklig bild av ABR-systemet som möjligt med dess överföringsfunktion i en rimlig storleksordning. Detta för att kunna minimera antalet variabla koefficienter som kommer att agera kalibrering för respektive hörlursutgång. Ett annat problem är att modulen inte kommer att kunna reducera brus i för höga frekvenser. Därför måste frekvensbandet begränsas och en total brusreducering blir inte möjlig. Resultatet i form av brusreducering kommer även bero på vilka hörlurar som används då den passiva brusreduceringen spelar roll. Systemets tidsfördröjning mellan mikrofonen och högtalaren måste även tas hänsyn till under projektets gång.

1.2

Teori

Det finns två typer av ABR-koncept, det ena använder sig av ett återkopplat system och har en mikrofon inuti hörluren och det andra är ett framkopplat system och har en mikrofon utanför hörluren. Båda koncepten använder sig av principen destruktiv interferens. Genom att spela upp ljudvågor i hörluren som är i motfas av det ljud som örat tar upp, även kallat antiljud, ger superpositionen av dessa ljudvågor en tystnad i örat. En huvudidé i detta projekt är att brusreduceringen ska fungera med flera typer av hörlurar, vilket betyder att det inte går att implementera återkoppling. I ett framkopplat system tar mikrofonen upp det omgivande bruset innan det når fram till örat. Därför kommer bruset vara förkjutet i tiden när bruset når örat. För att implementera ABR med framkoppling ställs en s.k. överföringsfunktion upp för hörluren. Överföringsfunktionen ska representera hur hörluren ändrar det inkommande bruset relativt hur det låter i mikrofonen som tar upp bruset först. Hörlurens överföringsfunktion tas fram genom att göra ljudmätningar av sinussignaler med olika frekvenser och sedan jämföra dessa signaler[3]. Figur 1 visar hur brusreduceringsmodulen ska fungera med framkoppling. Y(s) är en extern ljudsignal eller brus som modulens mikrofon tar upp. Y(s) kommer också uppfattas av örat men inte likadant eftersom hörluren reducerar bruset passivt, samt att bruset kommer vara förkjutet i tiden. G(s) representerar hörlurens överföringsfunktion och H(s) är det filter som implementeras i modulen för att destruktiv interferens ska ske i hörluren. Ljudet som örat tar upp består av Y (s)H(s)+ Y(s)G(s) + M(s) och om filtret H(s) har samma överföringsfunktion som hörlurens G(s) men förskjuter signalen 180 grader kommer destruktiv interferens ske och bara musiken kommer höras.

Figur 1: Blockschema för framkopplingssystemet

För att konstruera projektets brusreduceringssytem krävs ett antal byggblock. Framförallt ska systemet göra tre saker med det inkommande bruset som systemet tar upp. Den inkomande signalen från bruset behöver fasförkjutas i tiden för att matcha hur signalen låter i örat. Sedan måste signalen amplitudförändras för att matcha signalens styrka i örat och till sist inverteras så att signalen skickas in i örat i motfas. Figur 2 visar ett blockschema för de byggblock som behöver implementeras i en konstruktion av brusreduceringssystemet.

Figur 2: Blockschema för framkopplingssystemet

Till vänster i figur 2 tar systemets mikrofon upp den inkommande brussignalen som sedan behöver förstärkas av en mikrofonförstärkare. Fasförkjutningen av signalen görs med hjälp av ett fasförskjutningsfilter. Efter fasförkjutningsfiltret behöver signalen amplitudförändras samt inverteras. En additionskrets är sedan nödvändig för att addera in musiken från musikkällan. Musikkällan och den förändrade brussignalen skickas sedan till hörluren som drivs av en effektförstärkare.

1.3

Metodbeskrivning

1.3.1 Ljudmätningar

För att ta reda på hur bruset uppfattas i hörluren gjordes flera ljudmätningar. Hörluren som användes är av typen ”over ear” och är av modellen Steelseries Sibera V2. Ett externt ljudkort och två mikrofoner införskaffades för utförandet. Dessa mikrofoner hade en amplitudskillnad på det inspelade ljudet gentemot varandra där den ena mikrofonen spelade in ljud ungefär 30% lägre. Denna skillnad i mikrofonkänslighet togs till hänsyn i mätningarna i form av en konstant koefficient. Ljudmätningarna utfördes genom att spela upp sinusvågor med 20 olika frekvenser från 100 Hz till 2000 Hz, från en högtalare, se figur 3. Även 50 Hz testades. Sinusvågorna spelades sedan in via två mikrofoner, en som var ca 20 cm från högtalaren och en som var inuti hörluren. Mikrofonernas inspelade ljud jämfördes senare för att få fram en överföringsfunktion för hörlurens passiva brusreducering.

Figur 4 visar en ljudmätning som gjordes av en sinusvåg på 900 Hz i mikrofonen närmast högtalaren. Figuren visar inte en helt ren sinusvåg utan den visar på något överlagrat brus. Bruset visade sig vara ett nätbrus som finns i elnätet med en frekvens på 50 Hz som låg överlagrad på all mätdata. Detta brus eliminerades genom att implementera ett filter som dämpar frekvenser på 50 Hz. Det gjordes genom att designa ett tidsdisktret bandstoppfilter med nollställen på randen till enhetscirkeln som motsvarar 50 Hz. Filtrets bodediagram visas i figur 5. All data från de inspelade ljudmätningarna filtrerades sedan med hjälp av filtret för att sedan kunna analyseras. Figur 6 visar datan efter filtrering.

Figur 4: Ljudtmätning av en 900 Hz sinusvåg

Figur 6: Filtrerad data av ljudmätning på 900 Hz

1.3.2 Approximation av hörlurens överföringsfunktion

Hörlurens överföringsfunktion G(s) i figur 7 representerar hur hörlurens passiva brusreducering påverkar inkommande brus. Eftersom mikrofonen på brusreduceringssystemet tar upp brus innan samma brus når örat kommer bruset i örat att vara faskförskjutet i tiden. Hörlurens överföringsfunktion approximerades genom att analysera mätdatan från ljudmätningarna för varje uppmätt frekvens. Amplituder och fasskillnader av den inkommande signalen (Y(s) i figur 7) jämfördes mellan mikrofonen som representerade brusreduceringssystemet och mikrofonen inuti hörluren. Figur 7 visar framkopplingen i brusreduceringssystemet i form av signaler och komponenters överföringsfunnktioner i kretsen. Det kan antas att både mikrofonförstärkaren, A(s), och hörlursförstärkaren, B(s), kan komma att påverka insignalen något med en viss fasförskjutning eller amplitudändring. H(s) i figur 7 representerar överföringsfunktionen av det filter som kommer att fasförkjuta, amplitudförändra och invertera insignalen för att destruktiv interferens ska ske i hörluren. Överföringsfunktionen H(s) kan bestå av flera elektroniska komponenter. Ekvation 1 visar vad ljudet in i örat utan musik tillagt kommer bestå av.

Y (s)A(s)H(s)B(s)+ Y(s)G(s) (1)

Om destruktiv interferens ska uppstå krävs två saker. Dels att absolutbeloppet av förstärkarna och H(s) är detsamma som absolutbeloppet av överföringsfunktionen för den passiva brusredu-ceringen i hörluren. Inuti hörluren är signalen Y(s) förkjuten i tiden och detta kan ses som att G(s) tidsförskjuter signalen Y(s) vilket leder till att det andra kravet är att förstärkarna och H(s) måste vara i ofas relativt G(s) (alltså att det är fasvridna 180 grader jämfört med G(s)). Kraven representeras i ekvation 2 och 3.

| A(s)H(s)B(s)|= |G(s)| (2)

Figur 7: Blockschema över framkopplingssytemet i form av ljudsignaler/brus och komponenters överföringsfunktioner.

1.3.3 Kretskonstruktion

Den initiala kretskortsidéen grundades i att med hjälp av operationsförstärkare och passiva komponenter bygga upp de förstärkarkretsar och filter som krävs. En förstärkare behövs för att förstärka signalen som mikrofonen tar upp och en ska ge en effekt som kan driva hörluren. Det kommer även behövas förstärkarkretsar som ändrar signalens amplitud samt inverterar. I figur 2 ses ett blockschema över förstärkarkretsarna. I projektet användes Ångströmslabo-ratoriets kopplingsplattor och de icke-inverterade förstärkningskretsarna byggdes av inköpta komponenter samt elektroniklabbarnas förråd av komponenter. OP-förstärkarna testades i enkla förstärkarkretsar för att verifiera att de gav ut en förstärkning. Det beställdes en förförstärkar-modul på ett mindre kretskort.

Kretschemat för den mono-förförstärkaren som inhandlades visas i figur 8. Förförstärkaren är byggd för audiosignaler och är baserad på en lättillgänglig OP-förstärkare (LM358) och passar till att användas som en förförstärkare för mikrofoner[2]. Alla passiva komponenter som följdes med den inköpta förförstärk behövdes lödas på det medföljande kretskortet.

1.4

Fasförkjutningsfilter

För att få den förstärkta signalen från mikrofonförsärkaren att hamna i fas behövs ett fasför-skjutningsfilter implementeras i form av en RC-krets. Ett RC-filter består av en resistor i serie med en kondensator. Om ideala förhållanden antas där förstärkarna inte ger signalen någon fasvridning så räcker det att RC-kretsen fasvrider insignalen så mycket som ljudmätningarna kräver. Till exempel, vid ljudmätningarna av en sinussignal på 200 Hz är signalen i hörluren fasförkjutet ca 0.58 % av en period. En RC-krets för en inkommande sinussignal på 200 hz behöver då fasförkjuta signalen 0.58% av en period, alltså ungefär 1,16π radianer. Efter fasför-skjutningen ska den inkommande signalen ligga i fas med signalen som örat tar upp i hörluren. För att destruktiv interferens ska uppstå mellan signalerna krävs ytterliggare en fasvridning på 180°eller π radianer, alltså en halv period. Denna fasvridning erhålls lättast med en inverterad OP-förstärkarkrets. Med rätt värden på resistorerna i den inverterade förstärkarkretsen kan både signalens amplitudskillnad och fasvridning på en halv period tas hänsyn till. Efter signalen passerat den inverterade förstärkaren skickas den vidare till hörluren och interferensen sker av ljudvågorna då örat tar upp bruset.

Figur 9: RC-filter. Vin är insignalen och Vcär utsignalen, båda i form av en spänningsskillnad.

2

Resultat

Projektet lyckades aldrig nå en praktisk prototyp av brusreduceringssystem. Projektet bytte därför riktning med resultat som endast är teoretiska. Det uppstod ett jordningsproblem i kopplingsplattan med OP-kretsarna. Referensernas spänningsskillnader blev för stora relativt mikrofonernas små insignaler. Den inhandlade förstärkarmodulen gav också en ohanterbar signal från mikrofonen.

Från ljudmätningarna approximerades en överföringsfunktion för den passiva brusreduceringen mellan den yttre mikrofonen och örat. Frekvenssvaret för amplitudkvoten mellan yttre mikrofon och inkommande ljudet i örat samt en kurvanpassning visas i figur 10.

Figur 10: Frekvenssvaret av ljudmätningarna med dess approximation.

Amplitud- och fasskillnader togs fram för respektive frekvens. Därefter approximerades en teoretisk brusreducering för en viss frekvens av mätdatan. Den teoretiska brusreduceringen visas i figur 11 och figur 12 för sinusignaler på 200 Hz respektive 900 Hz. Signalens amplitud reducerades ungefär 90% och motsvarar den maximala gräns systemet skulle ha klarat av att reducera. Den teoretiska brusreduceringen erhölls genom att ändra mätdatan av insignalen från den yttre mikrofonen med hänsyn till amplitudkvoten och fasskillnaden mellan mikrofonerna. Denna ändring av insignalen kan ses som det filter som skulle implementeras i kretskortet. Efter ändringen av insignalen adderades signalen med det ljud örat tar upp och resultatet av denna addition är en brusreducerad signal (som visas i figur 11 och figur 12).

Figur 11: Brusreducering av

sinussignal på 200 Hz Figur 12: Brusreducering av sinussignal på 900Hz

3

Diskussion

Kurvanpassningen av frekvenssvaret i figur 10 visar på att överföringsfunktionen för hörluren dämpar mer ju högre frekvensen på signalen är. Denna dämpning är rimlig med hänsyn till att passiv brusreducering är mest optimal för högfrekvent brus[4]. De resultat som visas i figur 11 och 12 är endast teoretiska och inte implementerade i en krets och är specifika lösningar för givna frekvenser av ljudmätningarna. Den teoretiska brusreduceringen motsvarar snarare den maximala gräns som brusreduceringsystemet skulle kunna uppnå om alla de elektriska komponenter som skulle implementerats fungerat helt optimalt under ideella förhållanden. Resultatet motsvarar en otroligt förenklad överföringsfunktion för varje frekvens. Hade detta realiserats med en krets och testats i samma miljö som ljudtesterna gjordes i hade det möjligen fått ett liknande svar. Men för att få det ABR-system som målet var, behövs en betydligt mer komplex överföringsfunktion approximeras för att ta hänsyn till så brett frekvensspann som möjligt. Ett RC-filter för varje frekvens hade behövts för att brusreducera mer än en sinussignal. Vardagligt brus är ljud från alla möjliga saker i tillvaron som består av oändligt många överlagrade sinussignaler. Ett rimligt resultat som skulle kunna uppnås om ett sådant här brusreduceringssystem byggts kan antas vara att brusreducera några enstaka överlagrade sinussignaler i ett frekvensspann mellan 100 Hz - 500 Hz. Detta kan genomföras genom en implementering av seriekopplade RC-filter som förkjuter vardera frekvens tillräckligt mycket. RC-filtrens komponentvärden skulle då bestämts utifrån de ljudmätningar som gjorts för att ändra signalerna till rätt fasförskjutning.

Under projektets arbetsgång har flera problem och utmaningar stötts på som både har fördröjt och försvårat arbetet. Några utmaningarna skulle kunnats elimineras med hjälp av en bättre översikt över projektets tillvägagångssätt, längre tid för planering och en bredare teoretisk kunskap. Ett bättre tillvägagångssätt hade varit att först lyckas ta fram en krets som kunde förstärka en mikrofonsignal och sedan skicka in signalen och driva en hörlur. När detta sedan uppnåtts hade ljudmätningarna kunnat utföras för att få fram en överföringsfunktion för hörluren.

som valts, exempelvis valet att bygga upp förstärkarkretsen på kopplingsplattan, visade sig inte vara tidseffektivt. Grundinställningen till projektet i helhet var från början att konstruera alla delmoment och inte köpa färdiga konstruktioner. Begränsningen av tidsramen ledde till att målet har begränsats. Då en av mikrofonerna gick sönder under projektet på grund av överbelastning kunde inte flera hörlurar testas för ljudmätningar.

För ljudmätningarna behövdes högtalare med tillräckligt stor effekt för att det intrinsiska bruset i de införskaffade mikrofonerna skulle bli överröstat. Det resulterade i att alla ljudmätningar skedde på en annan plats där det fanns tillgång till ett större ljudsystem än där all elektroniklabo-ration skedde. Detta resulterade i sin tur till en väldigt ineffektiv arbetsgång då laboelektroniklabo-rationsmiljön och testmiljön var på olika platser.

I den laborationsmiljö där den initiala kretskonstruktionen gjordes blev störningar ett stort problem. Systemet sattes upp på en kopplingsplatta och drevs med DC-spänning, funktions-generator och oscilloskop användes. Insignalen till den uppkopplade kretsen blev väldigt liten eftersom mikrofonen hade låg precision. Kopplingsplattans brus blev relativt insignalens brus mycket stora.

En av huvudanledningarna till att konstruktionen inte kunde genomföras på kopplingsplatta var att det uppstod ett jordningsproblem. Vi använder oss av olika typer av instrument som jobbar mot olika referenser. Eftersom mikrofonen arbetar med så pass låg spänning så märks de små krypströmmar som uppstår i den instabila referensen. Jordplanet leder då en liten ström och det skapas potentialskillnader. Detta leder till att referensen i sig beter sig som ett brus och därmed blir mätningar och ljudbehandlingarna oanvändbara.

Universitetets laborationssalar har inte varit försedda med all den utrustning som krävts för projektets genomförande. Därmed har majoriteten av arbetets utrustning införskaffats. Det har lett till att mycket av projektets tid hamnade i att få tag på rätt komponenter och utrustning. Vid senare reflektion över projektplanen skulle en annan disposition använts. Många av de små problem som uppstått samt ineffektiviteten under vägen hade kunnat undvikas om projektet börja med att konstruera mikrofon- och drivförstärkare. Vi hade då kunnat låta systemets överföringsfunktion vara 1 och utifrån det bilda oss en tydligare helhetsbild.

4

Slutsatser

Mycket av den problematik som uppståt under projektets gång har berott på att planering och disposition av arbetet kunde gjorts tydligare redan från början. En fullständig och detaljerad teori samt metodbeskrivning hade varit det första steget, för att sedan bygga en grundmodul att basera arbetet utifrån.

Brus och störningar är ett fenomen som konstant kan skapa problem i elektriska kretsar. För att undvika detta i så stort mån som möjligt så bör man försöka kringgå generell extern laborations-utrustning, där så många noder och kablar kan agera antenner. Att även använda elnätet som matningsström ger ett överlagrat brus på 50 Hz. Detta kan undvikas om man använder en extern spänningskälla som batterier eller om man t.ex. samplar i en frekvens som är i en multipel av

Slutligen har projektet gett inblick i att framkoppling inte är optimalt lämpat för rumsliga problem. Eftersom framkoppling är ett strömlinjeformat koncept så krävs det att omgivningen och problemet är strömlinjeformat. Alltså att man kan approximera problemet endimensionellt. Framkoppling är mer lämpat för situationer då bruskällan är enklare att förutspå. Likt dagens hörlurar så passar rumslig aktiv brusreducering bäst i en kombination av de koncept som begränsar projektet. En kombination av passiv och aktiv brusreducering samt återkoppling med framkoppling ger en optimal brusreducering.

Referenser

[1] Michael Hirte, University of Alaska Fairbanks, 2007

http://ffden-2.phys.uaf.edu/212_spring2011.web.dir/michael_ hirte/history.htm

[2] Anykits katalog sida 4 ”Mono audio preamplifier A012” https://www.scribd.com/document/99169577/Anykits-Catalog

[3] Sven Johansson, Blekinge Tekniska Högskola, Doktorsavhandling, 2003 ”Active control of Propeller-Induced Noise in Aircraft”

[4] Terrance R. Bourk, United States Patent, Patent nr. 5.182.774 , 1993 ”Noise cancellation headset”