Virtual sensors for local, three dimensional, broadband multiple-channel active noise control and the effects on the quiet zones

In this paper, two state of the art virtual sensor algorithms, i.e. the Remote Microphone Technique (RMT) and the Kalman filter based Virtual Sensing algorithm (KVS) are compared, in both state space (SS) and finite impulse response (FIR) implementations. The comparison focuses on the accuracy of the estimated sound pressure signals at the virtual locations and is based on actual measurements in a practical situation. The FIR implementation of the RMT algorithm was found to produce the most reliable results. It is implemented in a local, three dimensional, real-time, multiple-channel, broadband active noise control system. With this implementation, the benefits and limitations of the RMT-ANC system on the shape and size of the quiet zones are investigated

Active Noise Control in The New Century: The Role and Prospect of Signal Processing

Since Paul Leug's 1933 patent application for a system for the active control of sound, the field of active noise control (ANC) has not flourished until the advent of digital signal processors forty years ago. Early theoretical advancements in digital signal processing and processors laid the groundwork for the phenomenal growth of the field, particularly over the past quarter-century. The widespread commercial success of ANC in aircraft cabins, automobile cabins, and headsets demonstrates the immeasurable public health and economic benefits of ANC. This article continues where Elliott and Nelson's 1993 Signal Processing Magazine article and Elliott's 1997 50th anniversary commentary~\cite{kahrs1997past} on ANC left off, tracing the technical developments and applications in ANC spurred by the seminal texts of Nelson and Elliott (1991), Kuo and Morgan (1996), Hansen and Snyder (1996), and Elliott (2001) since the turn of the century. This article focuses on technical developments pertaining to real-world implementations, such as improving algorithmic convergence, reducing system latency, and extending control to non-stationary and/or broadband noise, as well as the commercial transition challenges from analog to digital ANC systems. Finally, open issues and the future of ANC in the era of artificial intelligence are discussed.Comment: Inter-Noise 202

Distributed and Collaborative Processing of Audio Signals: Algorithms, Tools and Applications

Tesis por compendio[ES] Esta tesis se enmarca en el campo de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TIC), especialmente en el área del procesado digital de la señal. En la actualidad, y debido al auge del Internet de los cosas (IoT), existe un creciente interés por las redes de sensores inalámbricos (WSN), es decir, redes compuestas de diferentes tipos de dispositivos específicamente distribuidos en una determinada zona para realizar diferentes tareas de procesado de señal. Estos dispositivos o nodos suelen estar equipados con transductores electroacústicos así como con potentes y eficientes procesadores con capacidad de comunicación. En el caso particular de las redes de sensores acústicos (ASN), los nodos se dedican a resolver diferentes tareas de procesado de señales acústicas. El desarrollo de potentes sistemas de procesado centralizado han permitido aumentar el número de canales de audio, ampliar el área de control o implementar algoritmos más complejos. En la mayoría de los casos, una topología de ASN distribuida puede ser deseable debido a varios factores tales como el número limitado de canales utilizados por los dispositivos de adquisición y reproducción de audio, la conveniencia de un sistema escalable o las altas exigencias computacionales de los sistemas centralizados. Todos estos aspectos pueden llevar a la utilización de nuevas técnicas de procesado distribuido de señales con el fin de aplicarlas en ASNs. Para ello, una de las principales aportaciones de esta tesis es el desarrollo de algoritmos de filtrado adaptativo para sistemas de audio multicanal en redes distribuidas. Es importante tener en cuenta que, para aplicaciones de control del campo sonoro (SFC), como el control activo de ruido (ANC) o la ecualización activa de ruido (ANE), los nodos acústicos deben estar equipados con actuadores con el fin de controlar y modificar el campo sonoro. Sin embargo, la mayoría de las propuestas de redes distribuidas adaptativas utilizadas para resolver problemas de control del campo sonoro no tienen en cuenta que los nodos pueden interferir o modificar el comportamiento del resto. Por lo tanto, otra contribución destacable de esta tesis se centra en el análisis de cómo el sistema acústico afecta el comportamiento de los nodos dentro de una ASN. En los casos en que el entorno acústico afecta negativamente a la estabilidad del sistema, se han propuesto varias estrategias distribuidas para resolver el problema de interferencia acústica con el objetivo de estabilizar los sistemas de ANC. En el diseño de los algoritmos distribuidos también se han tenido en cuenta aspectos de implementación práctica. Además, con el objetivo de crear perfiles de ecualización diferentes en zonas de escucha independientes en presencia de ruidos multitonales, se han presentado varios algoritmos distribuidos de ANE en banda estrecha y banda ancha sobre una ASN con una comunicación colaborativa y compuesta por nodos acústicos. Se presentan además resultados experimentales para validar el uso de los algoritmos distribuidos propuestos en el trabajo para aplicaciones prácticas. Para ello, se ha diseñado un software de simulación acústica que permite analizar el rendimiento de los algoritmos desarrollados en la tesis. Finalmente, se ha realizado una implementación práctica que permite ejecutar aplicaciones multicanal de SFC. Para ello, se ha desarrollado un prototipo en tiempo real que controla las aplicaciones de ANC y ANE utilizando nodos acústicos colaborativos. El prototipo consiste en dos sistemas de control de audio personalizado (PAC) compuestos por un asiento de coche y un nodo acústico, el cual está equipado con dos altavoces, dos micrófonos y un procesador con capacidad de comunicación entre los dos nodos. De esta manera, es posible crear dos zonas independientes de control de ruido que mejoran el confort acústico del usuario sin necesidad de utilizar auriculares.[CA] Aquesta tesi s'emmarca en el camp de les Tecnologies de la Informació i les Comunicacions (TIC), especialment en l'àrea del processament digital del senyal. En l'actualitat, i a causa de l'auge de la Internet dels coses (IoT), existeix un creixent interés per les xarxes de sensors sense fils (WSN), és a dir, xarxes compostes de diferents tipus de dispositius específicament distribuïts en una determinada zona per a fer diferents tasques de processament de senyal. Aquests dispositius o nodes solen estar equipats amb transductors electroacústics així com amb potents i eficients processadors amb capacitat de comunicació. En el cas particular de les xarxes de sensors acústics (ASN), els nodes es dediquen a resoldre diferents tasques de processament de senyals acústics. El desenvolupament de potents sistemes de processament centralitzat han permés augmentar el nombre de canals d'àudio, ampliar l'àrea de control o implementar algorismes més complexos. En la majoria dels casos, una topologia de ASN distribuïda pot ser desitjable a causa de diversos factors tals com el nombre limitat de canals utilitzats pels dispositius d'adquisició i reproducció d'àudio, la conveniència d'un sistema escalable o les altes exigències computacionals dels sistemes centralitzats. Tots aquests aspectes poden portar a la utilització de noves tècniques de processament distribuït de senyals amb la finalitat d'aplicar-les en ASNs. Per a això, una de les principals aportacions d'aquesta tesi és el desenvolupament d'algorismes de filtrat adaptatiu per a sistemes d'àudio multicanal en xarxes distribuïdes. És important tindre en compte que, per a aplicacions de control del camp sonor (SFC), com el control actiu de soroll (ANC) o l'equalització activa de soroll (ANE), els nodes acústics han d'estar equipats amb actuadors amb la finalitat de controlar i modificar el camp sonor. No obstant això, la majoria de les propostes de xarxes distribuïdes adaptatives utilitzades per a resoldre problemes de control del camp sonor no tenen en compte que els nodes poden modificar el comportament de la resta. Per tant, una altra contribució destacable d'aquesta tesi se centra en l'anàlisi de com el sistema acústic afecta el comportament dels nodes dins d'una ASN. En els casos en què l'entorn acústic afecta negativament a l'estabilitat del sistema, s'han proposat diverses estratègies distribuïdes per a resoldre el problema d'interferència acústica amb l'objectiu d'estabilitzar els sistemes de ANC. En el disseny dels algorismes distribuïts també s'han tingut en compte aspectes d'implementació pràctica. A més, amb l'objectiu de crear perfils d'equalització diferents en zones d'escolta independents en presència de sorolls multitonales, s'han presentat diversos algorismes distribuïts de ANE en banda estreta i banda ampla sobre una ASN amb una comunicació col·laborativa i composta per nodes acústics. Es presenten a més resultats experimentals per a validar l'ús dels algorismes distribuïts proposats en el treball per a aplicacions pràctiques. Per a això, s'ha dissenyat un programari de simulació acústica que permet analitzar el rendiment dels algorismes desenvolupats en la tesi. Finalment, s'ha realitzat una implementació pràctica que permet executar aplicacions multicanal de SFC. Per a això, s'ha desenvolupat un prototip en temps real que controla les aplicacions de ANC i ANE utilitzant nodes acústics col·laboratius. El prototip consisteix en dos sistemes de control d'àudio personalitzat (PAC) compostos per un seient de cotxe i un node acústic, el qual està equipat amb dos altaveus, dos micròfons i un processador amb capacitat de comunicació entre els dos nodes. D'aquesta manera, és possible crear dues zones independents de control de soroll que milloren el confort acústic de l'usuari sense necessitat d'utilitzar auriculars.[EN] This thesis fits into the field of Information and Communications Technology (ICT), especially in the area of digital signal processing. Nowadays and due to the rise of the Internet of Things (IoT), there is a growing interest in wireless sensor networks (WSN), that is, networks composed of different types of devices specifically distributed in some area to perform different signal processsing tasks. These devices, also referred to as nodes, are usually equipped with electroacoustic transducers as well as powerful and efficient processors with communication capability. In the particular case of acoustic sensor networks (ASN), nodes are dedicated to solving different acoustic signal processing tasks. These audio signal processing applications have been undergone a major development in recent years due in part to the advances made in computer hardware and software. The development of powerful centralized processing systems has allowed the number of audio channels to be increased, the control area to be extended or more complex algorithmms to be implemented. In most cases, a distributed ASN topology can be desirable due to several factors such as the limited number of channels used by the sound acquisition and reproduction devices, the convenience of a scalable system or the high computational demands of a centralized fashion. All these aspects may lead to the use of novel distributed signal processing techniques with the aim to be applied over ASNs. To this end, one of the main contributions of this dissertation is the development of adaptive filtering algorithms for multichannel sound systems over distributed networks. Note that, for sound field control (SFC) applications, such as active noise control (ANC) or active noise equalization (ANE), acoustic nodes must be not only equipped with sensors but also with actuators in order to control and modify the sound field. However, most of the adaptive distributed networks approaches used to solve soundfield control problems do not take into account that the nodes may interfere or modify the behaviour of the rest. Therefore, other important contribution of this thesis is focused on analyzing how the acoustic system affects the behavior of the nodes within an ASN. In cases where the acoustic environment adversely affects the system stability, several distributed strategies have been proposed for solving the acoustic interference problem with the aim to stabilize ANC control systems. These strategies are based on both collaborative and non-collaborative approaches. Implementation aspects such as hardware constraints, sensor locations, convergenge rate or computational and communication burden, have been also considered on the design of the distributed algorithms. Moreover and with the aim to create independent-zone equalization profiles in the presence of multi-tonal noises, distributed narrowband and broadband ANE algorithms over an ASN with a collaborative learning and composed of acoustic nodes have been presented. Experimental results are presented to validate the use of the distributed algorithms proposed in the work for practical applications. For this purpose, an acoustic simulation software has been specifically designed to analyze the performance of the developed algorithms. Finally, the performance of the proposed distributed algorithms for multichannel SFC applications has been evaluated by means of a real practical implementation. To this end, a real-time prototype that controls both ANC and ANE applications by using collaborative acoustic nodes has been developed. The prototype consists of two personal audio control (PAC) systems composed of a car seat and an acoustic node, which is equipped with two loudspeakers, two microphones and a processor with communications capability. In this way, it is possible to create two independent noise control zones improving the acoustic comfort of the user without the use of headphones.Antoñanzas Manuel, C. (2019). Distributed and Collaborative Processing of Audio Signals: Algorithms, Tools and Applications [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/130209TESISCompendi

A review of virtual sensing algorithms for active noise control

Traditional local active noise control systems minimise the measured acoustic pressure to generate a zone of quiet at the physical error sensor location. The resulting zone of quiet is generally limited in size and this requires the physical error sensor be placed at the desired location of attenuation, which is often inconvenient. To overcome this, a number of virtual sensing algorithms have been developed for active noise control. Using the physical error signal, the control signal and knowledge of the system, these virtual sensing algorithms estimate the error signal at a location that is remote from the physical error sensor, referred to as the virtual location. Instead of minimising the physical error signal, the estimated error signal is minimised with the active noise control system to generate a zone of quiet at the virtual location. This paper will review a number of virtual sensing algorithms developed for active noise control. Additionally, the performance of these virtual sensing algorithms in numerical simulations and in experiments is discussed and compared.Danielle Moreau, Ben Cazzolato, Anthony Zander and Cornelis Peterse

Acoustic isolation and absorption with smart foams

Les mousses actives sont des solutions composites de contrôle du bruit qui combinent les avantages complémentaires du matériau en mousse passif et des actionneurs piézoélectriques répartis spatialement à l'intérieur des mousses. Une étude sur le problème de l'amélioration de l'indice d'affaiblissement des mousses actives en utilisant des stratégies de contrôle actif a été effectuée à la fois numériquement et expérimentalement à l'intérieur d'un guide d'onde sous la condition de propagation en ondes planes. Trois différents modèles de prototypes de mousse active ont été pris en compte dans les simulations par éléments finis et leur efficacité à annuler l'onde transmise en aval de la mousse active a été étudiée. Des études expérimentales afin d'optimiser l'indice d'affaiblissement des mousses actives sous une commande prédictive SISO avec un microphone unidirectionnel comme capteur d'erreur démontrent que l'efficacité du contrôle sur une large gamme de fréquences est bonne. Le problème physique de l'annulation de la propagation des ondes sonores est étudié en détail dans les simulations numériques et elles apportent un éclairage précieux sur l'altération de la réponse vibratoire de l'actionneur piézo-électrique de la mousse active sous contrôle optimal.Les résultats des simulations ont aussi contribué à l'identification de stratégies de contrôle-de rechange pour l'atténuation de l'onde sonore transmise à l'aide de la réponse sensorielle de l'actionneur distribué. On peut pour cela remplacer éventuellement l'utilisation de microphones en champ lointain et ainsi améliorer notablement la compacité du système de contrôle actif. La réponse sensorielle d'un piezo-actionneur, en raison de sa déformation mécanique est indépendante de la réponse de sa charge totale, avec la compensation analogique-numérique hybride de la"capacite feedthrough" de l'actionneur, à l'aide d'un algorithme adaptatif. Cette charge mécanique de réponse s'est revélé être une bonne approximation de la vitesse radiale du volume de l'actionneur, et peut être utilisée comme signal d'erreur pour maximiser l'indice d'affaiblissement du système de mousse active. En outre, elle a été utilisée dans l'absorption et les problèmes de contrôle TL, fonctionnant sur une erreur de stratégie virtuelle de détection, et a produit les résultats souhaités sur une large plage de fréquences. Le succès du principe capteur/actionneur dans les problèmes de contrôle actif du bruit peut donner des améliorations importantes en termes de positions et de configurations de capteurs d'erreurs associés aux systèmes de contrôle actif

Active structural acoustic control using the remote sensor method

Active structural acoustic control (ASAC) is an effective method of reducing the sound radiation from vibrating structures. In order to implement ASAC systems using only structural actuators and sensors, it is necessary to employ a model of the sound radiation from the structure. Such models have been presented in the literature for simple structures, such as baffled rectangular plates, and methods of determining the radiation modes of more complex practical structures using experimental data have also been explored. A similar problem arises in the context of active noise control, where cancellation of a disturbance is required at positions in space where it is not possible to locate a physical error microphone. In this case the signals at the cancellation points can be estimated from the outputs of remotely located measurement sensors using the “remote microphone method”. This remote microphone method is extended here to the ASAC problem, in which the pressures at a number of microphone locations must be estimated from measurements on the structure of the radiating system. The control and estimation strategies are described and the performance is assessed for a typical structural radiation problem

Active control of noise transmitted from barriers

Active noise cancellation is a unique approach that helps passive noise control in reducing sound levels at low frequencies; nevertheless, successful use of active noise cancellation necessitates performing numerous and tedious experiments together with defining several parameters properly. The locations and quantity of active control system transducers are among these parameters. The present research provides a comprehensive framework for placing control sources and error microphones near a noise barrier in order to improve its efficiency in both narrowband and broadband noise spectra. To accomplish this, the appropriate locations for the control sources are first determined using a repetitive computation method, and then the optimizations are completed by determining the best position for the error microphone. Several alternative transducer locations near the barrier are incorporated in the repetitive computation, and the optimal sites for the control sources and error microphones are found using two-step optimization methods as well as the genetic algorithms approach. The findings reveal that the best places to put the control sources are on the incident side, below the barrier's edge, and the best locations to place the error microphones are on the shadow side, as close as possible to the target area. The effect of ground reflection on the efficiency of the active noise control system is also investigated, and it is discovered that while ground reflection has no significant effect on the performance of the active noise control system for broadband frequency ranges, it does reduce the control system's efficiency at tonal noises. In order to optimize more parameters, further calculations are performed based on the genetic optimizer. The output of the GA calculations found new configurations for the control units that result in higher noise level reduction at the target area. In addition to the active noise barrier, the application of active noise cancellation for open windows as a particular case of the barrier is explored as a particular case of the barrier. Different arrangements are studied for the control units close to the open windows, including linear, boundary, and planar control arrangements. The effect of several parameters such as the incident angle of noise waves, the distance between error microphones and the opening, and the number of control units are investigated. The results demonstrate that the active noise control system with obliqued linear placements of transducers have higher performance than the other arrangements. Furthermore, when the frequency and incident angle increase, the effectiveness of active noise reduction decreases.La cancelación activa de ruido es un enfoque único que ayuda al control pasivo del ruido a reducir los niveles de sonido a bajas frecuencias; sin embargo, el uso exitoso de la cancelación activa de ruido requiere la realización de numerosos y tediosos experimentos junto con la definición adecuada de varios parámetros. La ubicación y la cantidad de transductores del sistema de control activo se encuentran entre estos parámetros. La presente investigación proporciona un marco completo para colocar fuentes de control y micrófonos de error cerca de una barrera de ruido con el fin de mejorar su eficiencia en espectros de ruido de banda estrecha y banda ancha. Para lograr esto, primero se determinan las ubicaciones apropiadas para las fuentes de control usando un método de cálculo repetitivo, y luego se completan las optimizaciones determinando la mejor posición para el micrófono de error. Varias ubicaciones de transductores alternativas cerca de la barrera se incorporan en el cálculo repetitivo, y los sitios óptimos para las fuentes de control y los micrófonos de error se encuentran utilizando métodos de optimización de dos pasos, así como el enfoque de algoritmos genéticos. Los hallazgos revelan que los mejores lugares para colocar las fuentes de control están en el lado del incidente, debajo del borde de la barrera, y los mejores lugares para colocar los micrófonos de error están en el lado de la sombra, lo más cerca posible del área objetivo. También se investiga el efecto de la reflexión del suelo sobre la eficiencia del sistema de control de ruido activo, y se descubre que si bien la reflexión del suelo no tiene un efecto significativo en el rendimiento del sistema de control de ruido activo para rangos de frecuencia de banda ancha, sí reduce el rendimiento del sistema de control. eficiencia en ruidos tonales. Para optimizar más parámetros, se realizan más cálculos basadosen el optimizador genético. El resultado de los cálculos de GA encontró nuevas configuraciones para las unidades de control que dan como resultado una mayor reducción del nivel de ruido en el área objetivo. Además de la barrera de ruido activa, se explora la aplicación de la cancelación de ruido activa para ventanas abiertas como un caso particular de la barrera. Se estudian cuatro disposiciones para las unidades de control cercanas a las ventanas abiertas. Las unidades de control en una configuración de límite se colocan en el borde de la abertura, mientras que en el control plano, se ubican en la superficie de la abertura. En una configuración de contorno, las unidades de control se colocan en el borde de la abertura, mientras que en un diseño plano, se colocan en la superficie de la abertura. Se investiga el efecto de varios parámetros como el ángulo de incidencia de las ondas de ruido, la distancia entre los micrófonos de error y la apertura, y el número de unidades de control. Los resultados demuestran que el sistema de control de ruido activo con configuración plana tiene un rendimiento más alto que el control de límites. Además, cuando la frecuencia y el ángulo de incidencia aumentan, la eficacia de la reducción activa del ruido disminuye.Postprint (published version