Die Welt ist laut und stressig. Besonders in Städten mit vielen Autos, Zügen und Flugzeugen, welche durch ihren Störpegel zur Belastung werden. Gerade deswegen ist das Thema der aktiven Geräuschunterdrückung (eng.: Active Noise Cancelling (ANC)) spannend, um dieser Belastung zu entfliehen. Seit mehreren Jahren gibt es bereits verschiedene Produkte, welche ANC-Systeme anwenden. Zum Einsatz kommen dabei verschiedene ANC-Methoden.
Unterschieden wird in drei ANC-Methoden: Feedback-ANC, Feedforward-ANC, sowie adaptives Feedforward-ANC. In diesem Projekt wurde eine Feedback-ANC-Methode angewandt. Bei Feedback-ANC befindet sich das Mikrofon innerhalb des Kopfhörers möglichst nahe am Lautsprecher. Das von außen kommende Störsignal wird vom Kopfhörer passiv gedämpft und kommt so am Trommelfell und am Mikrofon an (bezeichnet als Sekundärer Pfad). Um diesen Störschall auszulöschen, wird vom Feedback-Regler ein gegenphasiges Signal erzeugt und über den Lautsprecher wiedergegeben. Dieses interferiert mit dem durch die Ohrmuschel des Kopfhörers kommenden Störschall und löscht diesen möglichst weit aus. Das innen liegende Mikrofon misst somit nur den übrig bleibenden Restfehler. Dieser Restfehler wird dann phasengedreht auf den Feedback-Regler rückgekoppelt und zur Erzeugung des Regler-Signals genutzt.
In dem Projekt wurde sich mit der Nachrüstung eines Feedback-ANC-Systems am Studiokopfkörer DT 770 Pro des Herstellers Beyerdynamic beschäftigt. Hierfür wurde zunächst der Kopfhörer mit einem Mikrofon ausgestattet. Das Mikrofon wurde mit einem modularen Anschluss umgesetzt und vor der Membran des Kopfhörers angebracht (siehe Bild). Als Audioprozessor wurde der ADAU1777 von Analog Devices verwendet. Im Zuge des Projekts sollten drei verschiedene Mikrofone für Messungen des Sekundären Pfades genutzt und auf ihre Tauglichkeit für ein ANC-System überprüft werden. Die Umsetzung eines Feedback-Reglers wurde auf Grundlage des von Piero Rivera Benois und Udo Zölzer veröffentlichten Artikels zur Optimierung eines Feedback-Reglers durchgeführt (siehe [1]). Diese Regler-Optimierung, welche einen stabilen robusten Regler entwerfen soll, beruht auf einer nicht-linearen Optimierungsmethode, welche aus Messdaten des Sekundären Pfades und vier Frequenz-Gewichtungsfunktionen einen geeigneten Regler berechnet. In der Abbildung sind die Gewichtungsfunktionen, welche auf Grundlage des gemessenen Sekundären Pfades erstellt wurden, zu sehen. Aufgrund des zeitlichen Rahmens des Projekts, war es nicht möglich das Nachrüsten von Feedback-ANC beim Beyerdynamic DT 770 Pro zu Ende zu bringen. Um aktive Geräuschunterdrückung auf dem Kopfhörer einsetzen zu können, müsste im nächsten Schritt der optimale Feedback-Regler in Second-Order-Section-Filter umgewandelt werden und auf dem Signalprozessor implementiert werden. Um dann den erzeugten Regler in der Geräuschunterdrückung zu beurteilen, wäre eine objektive Messung mit einem Kunstkopf und psychoakustische Tests mit Proband*innen nötig.
Literaturhinweis:
P. Rivera Benois, U. Zölzer: Psychoacoustic Optimization of a Feedback Controller for Active Noise Cancelling Headphones, 26th International Congress of Sound and Vibration, 7-11 July 2019
Autor*innen: Jordan Alwon, Swantje Hansen, Tilljan Jansohn
Betreuer: Dr. Uwe Simmer