Local and global active noise control systems in vehicle cabins

Abstract

Excessive noise in vehicle cabins, particularly from the propulsion systems and their interaction with the environment (e.g., wind, road, waves),significantly diminishes the acoustic comfort of passengers. At low frequencies, where acoustic energy is typically concentrated in these disturbances, the feasibility of using conventional passive sound insulation techniques is limited due to the increased weight and thickness of these structures as the wavelength of the acoustic disturbances increases. The primary objective of this doctoral thesis is to devise and evaluate innovative systems for global and local active noise control in the cabins of small aircraft and yachts. The proposed methods focus on enhancing the performance of existing techniques, while also exploring the potential for integration into real-world applications. Initially, the focus is on developing a local active noise control system, known as the active headrest, which is installed at the front headrest of the passenger seat. The purpose of this system is to create a quiet zone around the ears, where a substantial reduction in sound pressure level is achieved, and the zone must be large enough to allow for gentle head movements while maintaining the reduced noise level. The development of this system involved an initial evaluation of a low-complexity linear adaptive control algorithm, with the aim of facilitating its implementation in digital signal processing systems and enabling the operation of multiple such systems, without requiring powerful processors. The mixed error FxLMS algorithm, an alternative to the multichannel FxLMS algorithm, was found to be an effective solution for local noise control systems, as it reduced computational complexity without significantly impacting performance. In the second phase of the system’s development, a method for estimating acoustic pressure in the passenger’s ears was incorporated, using microphones positioned a few centimeters away. This method, based on linear extrapolation, allowed for the relocation of the quiet zone to the desired location without the need for physical microphones, which are often constrained by spatial limitations. Finally, to achieve greater sound level reduction, a nonlinear algorithm was employed, based on a simple single-level functional link neural network. This algorithm combined mixed error and linear extrapolation techniques, offering the benefits previously mentioned. The system demonstrated improved performance, particularly for real-world acoustic disturbances recorded in vehicle cabins. In the last part of this thesis, an investigation was conducted into the sound field of the entire cabin when multiple local control systems were operational simultaneously. The findings revealed that although quiet zones persisted in front of the headrest, the sound levels in the sub-regions of the cabin remained high. To address this issue, a global active noise control system was devised, which utilized active sound absorbers. The examination of this system demonstrated that by strategically positioning the absorbers, a reduction of over 10 dB in sound pressure levels could be attained in all areas of a small cabin.

Ο θόρυβος στις καμπίνες των μέσων μεταφοράς, που προέρχεται κυρίως από τα συστήματα πρόωσης καθώς και την αλληλεπίδραση τους με το περιβάλλον (π.χ. άνεμος, δρόμος, κύματα), αποτελεί έναν σημαντικό παράγοντα που υποβαθμίζει την ακουστική άνεση των επιβατών. Ειδικά στις χαμηλές συχνότητες, όπου συνήθως είναι συγκεντρωμένη η ακουστική ενέργεια στις εν λόγω διαταραχές, η δυνατότητα χρήσης συμβατικών παθητικών τεχνικών ηχομόνωσης είναι μειωμένη, μιας και το βάρος και το πάχος αυτών των παθητικών δομών αυξάνεται με την αύξηση του μήκους κύματος των ακουστικών διαταραχών. Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη και η αξιολόγηση καινοτόμων συστημάτων ολικού και τοπικού ενεργητικού ελέγχου θορύβου σε καμπίνες μικρών αεροσκαφών και σκαφών αναψυχής. Οι προτεινόμενες μέθοδοι, εστιάζουν αφενός στη βελτίωση της απόδοσης των υπαρχόντων τεχνικών και αφετέρου στη δυνατότητα ενσωμάτωσης σε πραγματικές εφαρμογές. Έτσι, αρχικά δίνεται έμφαση στην ανάπτυξη ενός συστήματος τοπικού ελέγχου θορύβου, το οποίο εγκαθίσταται στο προσκέφαλο της θέσης του επιβάτη (ενεργό προσκέφαλο). Σκοπός του συστήματος αυτού είναι η δημιουργία μιας περιοχή γύρω από τα αυτιά, όπου επιτυγχάνεται σημαντική μείωση της ηχοστάθμης. Επιπλέον, η περιοχή αυτή, η οποία ονομάζεται ζώνη ησυχίας πρέπει να είναι αρκετά μεγάλη, ώστε να επιτρέπει ήπιες κινήσεις του κεφαλιού του επιβάτη, διατηρώντας τη μειωμένη στάθμη θορύβου. Το πρώτο στάδιο της ανάπτυξης του συστήματος αυτού περιελάμβανε την αξιολόγηση ενός γραμμικού προσαρμοστικού αλγορίθμου ελέγχου με χαμηλή υπολογιστική πολυπλοκότητα, ώστε να είναι πιο εύκολη η υλοποίηση σε ενσωματωμένα ψηφιακά συστήματα καθώς και η παράλληλη λειτουργία πολλών τέτοιων συστημάτων χωρίς να υπάρχει ανάγκη για ισχυρούς επεξεργαστές ψηφιακού σήματος που θα ανέβαζαν το κόστος της εφαρμογής. Πράγματι, ο αλγόριθμος αυτός που ονομάζεται FxLMS μικτού σφάλματος και αποτελεί εναλλακτική του πολυκαναλικού αλγορίθμου FxLMS, φάνηκε ότι αποτελεί έναν αλγόριθμο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην υλοποίηση τοπικών συστημάτων ελέγχου θορύβου μειώνοντας την υπολογιστική πολυπλοκότητα, χωρίς να επηρεάζεται ιδιαίτερα η απόδοση Έπειτα, στο δεύτερο στάδιο ανάπτυξης του συστήματος τοπικού ελέγχου θορύβου, ενσωματώθηκε μια μέθοδος εκτίμησης της ακουστικής πίεσης στα αυτιά του επιβάτη, με τη χρήση μικροφώνων που βρίσκονται σε απόσταση μερικών εκατοστών από αυτά. Η μέθοδος αυτή που βασίζεται στη γραμμική παρέκταση, δίνει τη δυνατότητα μεταφοράς της ζώνης ησυχίας στο σημείο ενδιαφέροντος, χωρίς την τοποθέτηση φυσικών μικροφώνων, το οποίο συνήθως αντιμετωπίζει χωροταξικούς περιορισμούς. Τέλος, για να επιτευχθεί μεγαλύτερη μείωση της ηχοστάθμης χρησιμοποιήθηκε ένας μη γραμμικός αλγόριθμος βασισμένος σε ένα απλό νευρωνικό δίκτυο ενός επιπέδου (FLNN). Στον αλγόριθμο αυτό ενσωματώθηκαν οι τεχνικές του μικτού σφάλματος και της γραμμικής παρέκτασης προσφέροντας τα πλεονεκτήματα πουαναφέρθηκαν παραπάνω. Έτσι, παρατηρήθηκε καλύτερη απόδοση ιδιαίτερα για πραγματικές ακουστικές διαταραχές που ηχογραφήθηκαν σε καμπίνες μέσων μεταφοράς. Στο τελευταίο κομμάτι της παρούσας διδακτορικής διατριβής, μελετήθηκε το ακουστικό πεδίο ολόκληρης της καμπίνας, όταν λειτουργούν ταυτόχρονα πολλά συστήματα τοπικού ελέγχου θορύβου, διαπιστώνοντας ότι ενώ οι ζώνες ησυχίας εξακολουθούν να υπάρχουν μπροστά στο προσκέφαλο, η ηχοστάθμη παραμένει υψηλή στις υπόλοιπες περιοχές της καμπίνας. Έτσι δημιουργήθηκε η ανάγκη ανάπτυξης ενός συστήματος συνολικού ελέγχου του ηχητικού πεδίου, που βασίζεται σε ενεργούς απορροφητές ήχου. Η μελέτη του συστήματος αυτού έδειξε ότι με κατάλληλη τοποθέτηση των απορροφητών, μπορεί να επιτευχθεί μείωση της ηχοστάθμης μεγαλύτερης των 10 dB σε όλες της περιοχές μιας μικρής καμπίνας.