DE3688624T2 - Interference limitation arrangements. - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Anordnungen zur Verminderung des Pegels von akustischen Störschallfeldern innerhalb der Innenräume oder Umhüllungen von sogenannten Ohrschutzvorrichtungen oder Ohrhörer-Anordnungen, wenn sie von Personen (beispielsweise Piloten, Fahrzeuglenkern, Industriearbeitern) in Umgebungen mit einem hohen Störschallpegel getragen werden.The invention relates to arrangements for reducing the level of acoustic noise fields within the interiors or enclosures of so-called ear protection devices or earphone arrangements when they are worn by people (for example pilots, vehicle drivers, industrial workers) in environments with a high noise level.
Bekannte aktive Störschallverminderungs-Systeme (ANR) zur Reduzierung des vorher genannten akustischen Störschallfeldes in Ohrschutzvorrichtungen weisen kleine störschallaufnehmende Mikrofone und störschallunterdrückende Wandler auf, die innerhalb der Innenräume oder Umhüllungen der entsprechenden Ohrschutzvorrichtungen angebracht sind. Die störschallaufnehmenden Mikrofone produzieren elektrische Ausgangssignale als Reaktion auf das akustische Störschallfeld innerhalb der genannten Räume und diese Ausgangs-Signale werden phaseninvertiert, gefiltert und in einem Rückkoppelungskreis verstärkt, um ein einem störschall-unterdrückenden Wandler zuzuführendes störschallunterdrückendes Signal zu produzieren, welche entsprechende störschallunterdrückende akustische Signale von im wesentlich gleicher Amplitude aber entgegengesetzter Phase zu den Wellenformen des akustischen Störschallfeldes erzeugen.Known active noise reduction (ANR) systems for reducing the aforementioned acoustic noise field in ear protectors include small noise-pickup microphones and noise-cancelling transducers mounted within the interiors or enclosures of the respective ear protectors. The noise-pickup microphones produce electrical output signals in response to the acoustic noise field within said spaces and these output signals are phase-inverted, filtered and amplified in a feedback loop to produce a noise-cancelling signal to be fed to a noise-cancelling transducer which produces corresponding noise-cancelling acoustic signals of substantially equal amplitude but opposite phase to the waveforms of the acoustic noise field.
Ein Beispiel einer ANR Anordnung ist in der Offenlegungsschrift DE 3133107 A1 beschrieben, welche die Verwendung von zwei Mikrophonen und einem automatischen Verstärkungssteuerungsschaltkreis zeigt, welcher eine variable Rückkoppelungsverstärkung bereitstellt, in Abhängigkeit der variablen Störschallverminderung, welche durch den Betrieb der ANR Anordnung erzeugt wurde.An example of an ANR arrangement is described in the publication DE 3133107 A1, which shows the use of two microphones and an automatic gain control circuit which provides a variable feedback gain depending on the variable noise reduction produced by the operation of the ANR arrangement.
In der vorliegenden Beschreibung ist der Begriff "Umgebungsstörschall" als ein Störschall zu verstehen, welcher infolge von externen Quellen innerhalb des Raumes einer Ohrschutzvorrichtung auftritt. Es wird nachfolgend von Störschallverminderung (ANR) ein reduzierter Rauschpegel innerhalb der Räume herrschen. Es kann gezeigt werden, daß solche ANR Anordnungen eine Störschallreduktion bei einer bestimmten Frequenz erzeugen, welche gegeben ist durch:In the present description, the term "ambient noise" is to be understood as noise that occurs as a result of external sources within the space of an ear protector. A reduced noise level will be achieved within the space by Analog Noise Reduction (ANR). It can be shown that such ANR arrangements produce an an acoustic noise reduction at a certain frequency, which is given by:
(1 + 2GcosΦ + G²)1/2(1 + 2GcosΦ + G²)1/2
worin G die totale Verstärkung der Rückkoppelungsanordnung und Φ der totale Schleifen-Phasenwechsel bei einer bestimmten, betrachteten Frequenz darstellt. Aus dieser Formel ist direkt ersichtlich, daß der Maßstab der erzielten Störschallverminderung hochgradig von der totalen Rückkoppelungs-Schleifenverstärkung abhängt. Infolge der nicht-perfekten Übertragungsfunktionen der schallaufnehmenden Mikrophone und störschallunterdrückenden Umwandlern wird die Anordnung zur akustischen Störschalverminderung, bei bestimmten Frequenzen, in-phasen Signale (d. h. positive Rückkoppelung) anstelle von gegen-phasen Signale (d. h. negative Rückkoppelung) den störschallvermindernden Umwandlern zuführen. Um zu verhindern, daß das ANR System unstabil wird, muß die Rückkoppelungsverstärkung des gesamten Systemes bei den betreffenden Frequenzen kleiner als eins gehalten werden, da sonst die Störschallpegel in den Räumen der Ohrhörer-Anordnungen durch die den störschallvermindernden Umwandlern zugeführten positiven Rückkoppelungssignale tatsächlich erhöht anstatt vermindert werden. Obwohl die Rückkoppelungsverstärkung bei den vorgenannten Frequenzen unterhalb von eins gehalten werden muß, um die Stabilität beizubehalten, muß trotzdem die Rückkoppelungsverstärkung des ANR genügend hoch sein, um eine optimale akustische Störschallverminderung zu erreichen.where G is the total gain of the feedback arrangement and Φ is the total loop phase change at a certain frequency under consideration. From this formula it is immediately apparent that the degree of noise reduction achieved is highly dependent on the total feedback loop gain. Due to the imperfect transfer functions of the sound-pickup microphones and noise-suppressing transducers, the acoustic noise reduction arrangement will, at certain frequencies, feed in-phase signals (i.e., positive feedback) instead of anti-phase signals (i.e., negative feedback) to the noise-reducing transducers. To prevent the ANR system from becoming unstable, the feedback gain of the entire system must be kept less than one at the frequencies in question, otherwise the noise levels in the earphone array rooms will actually be increased rather than reduced by the positive feedback signals fed to the noise-reducing transducers. Although the feedback gain must be kept below one at the above frequencies to maintain stability, the feedback gain of the ANR must still be sufficiently high to achieve optimal acoustic noise reduction.
Feste Rückkoppelungsverstärkungs-Regelungstechniken könnten angewendet werden, wenn es keine Änderungen gäbe, welche wahrscheinlich in den Charakteristiken der Komponenten des ANR im Verlaufe der Zeit auftreten. Trotzdem würden solche festen Rückkoppelungsverstärkungs-Techniken nicht die erforderlichen Kompensationen für Änderungen in der Empfindlichkeit der störschallvermindernden Wandler bereitstellen, welche von Änderungen des Volumens der Ohrhörer-Räume herrühren, welche dann auftreten, wenn eine Ohrhörer-Anordnung von verschiedenen Personen getragen wird oder von kleinen Änderungen der Position der Ohrhörer-Anordnung, welche wahrscheinlich verursacht werden durch normale Bewegungen des Kopfes des Trägers.Fixed feedback gain control techniques could be used if there were no changes likely to occur in the characteristics of the components of the ANR over time. However, such fixed feedback gain techniques would not provide the necessary compensations for changes in the sensitivity of the noise-reducing transducers resulting from changes in the volume of the earphone cavities that occur when an earphone assembly is worn by different persons or from small changes in the position of the earphone assembly that are likely to be caused by normal movements of the wearer's head.
Automatische Rückkoppelungsverstärkungs-Regelungstechnik würde geeignet sein, um die vorhergenannten geforderte Kompensation bereitzustellen, aber das herkömmliche verfahren war bisher, daß das Ausgangssignal der schallaufnehmenden Mikrophone der ANR Anordnung für automatische Verstärkungsregelungszwecke verwendet worden war.Automatic feedback gain control technique would be suitable to provide the aforementioned required compensation, but the conventional approach has been to use the output of the sound-pickup microphones of the ANR array for automatic gain control purposes.
Änderungen im Mikrophon Ausgang können aus einer Änderung der Rückkoppelungsverstärkung (beispielsweise infolge von Kopfhörerbewegungen) herrühren, welche erfordern, daß die automatische Verstärkerregelungs-Anordnung reagiert, um die Verstärkung einzustellen, und sie können ebenfalls von einer Änderung des externen Störschallspektrums/-pegels herrühren. Wie dem auch sei, die Ursache dieser Änderungen der Rückkoppelungsverstärkung kann in einem aktiven störschallunterdruckenden System, welches schallaufnehmende Mikrophon- Ausgänge nur zu Verstärkungsregelungszwecken verwendet, nicht unterschieden werden. Daraus folgt, daß die automatische Verstärkungsregelung eine Verstärkung bewirkt, welche kontinuierlich um den erforderlichen Wert oszilliert.Changes in microphone output may result from a change in feedback gain (e.g. due to headphone movement) which requires the automatic gain control arrangement to react to adjust the gain, and may also result from a change in the external noise spectrum/level. However, the cause of these changes in feedback gain cannot be distinguished in an active noise cancelling system which uses sound-pickup microphone outputs only for gain control purposes. It follows that the automatic gain control produces a gain which continuously oscillates around the required value.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zur Störschallverminderung bereitzustellen, welche Mittel fuhr die automatische Einstellung der Rückkoppelungsverstärkung als Reaktion auf den Pegel des gemessenen empfangenen Störschalls besitzt.An object of the present invention is to provide an arrangement for noise reduction which has means for automatically adjusting the feedback gain in response to the level of the measured received noise.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen eine Ohrhörer-Anordnung zur aktiven Störschallverminderung mit einer Ohrhörer-Vorrichtung, einem ersten und zweiten Mikrophon und einem automatischen Verstärkungsregelungsschaltkreis, angeordnet um in Abhängigkeit von einer variablen Störschallverminderung, welche durch den Betrieb der aktiven Störschallverminderungsanordnung erzeugt wird, eine variable Rückkoppelungsverstärkung zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Mikrophon entsprechend innerhalb vorderen und hinteren Innenräumen der Ohrhörer-Vorrichtung angeordnet sind, wobei der vordere Raum offen ist, um mit dem Kopf des Trägers in Kontakt zu kommen, und der hintere Raum ein geschlossener Raum innerhalb der Ohrhörer-Vorrichtung ist, und die Mikrophone auf den gegenüberliegenden Seiten einer sich zwischen diesen beiden Räumen erstreckenden, störschallvermindernden Wandlermembran angeordnet sind, in welchen das erste Mikrophon den Rauschpegel innerhalb des vorderen Raumes erfaßt und ein Ausgangssignal erzeugt, welches durch einen variablen Verstärker verstärkt und invertiert wird, bevor es auf den störschallvermindernden Wandler übertragen wird, und in welchen das zweite Mikrophon dem Rauschpegel innerhalb des hinteren Raumes erfaßt und ein Ausgangssignal erzeugt, welches zusammen mit dem Ausgangssignal des ersten Mikrophones im automatischen Verstärkungsregelungsschaltkreis verarbeitet wird, um ein Verstärkungssteuersignal zu erzeugen, welches auf den variablen Verstärker Übertragen wird und welches dazu dient, sicherzustellen, daß ein Pegel der gemessenen Störschallverminderung konstant gehalten bleibt.According to the present invention there is provided an earphone assembly for active noise reduction with an earphone device, a first and second microphone and an automatic gain control circuit arranged to effect a variable feedback gain in dependence on a variable noise reduction produced by the operation of the active noise reduction assembly, characterized in that the first and second microphones are arranged respectively within front and rear interior spaces of the earphone device, the front space being open to come into contact with the wearer's head and the rear space being a closed space within the earphone device, and the microphones are arranged on the opposite sides of a noise reducing transducer diaphragm extending between these two spaces, in which the first microphone detects the noise level within the front space and produces an output signal which is amplified and inverted by a variable amplifier before being transmitted to the noise reduction transducer, and in which the second microphone senses the noise level within the rear room and produces an output signal which is processed together with the output signal of the first microphone in the automatic gain control circuit to produce a gain control signal which is transmitted to the variable amplifier and which serves to ensure that a level of the measured noise reduction is kept constant.
Vorzugsweise umfaßt der automatische Verstärkungsregelungsschaltkreis einen Addier-Schaltkreis, welcher angeordnet ist, um Signale in Abhängigkeit der Ausgangssignale des ersten und zweiten Mikrophones zu empfangen; einen ersten Umsetzer, um ein Gleichstromsignal in Abhängigkeit des Ausgangssignales des ersten Mikrophones bereitzustellen, einen zweiten Umsetzer, um ein Gleichstromsignal in Abhängigkeit des Ausgangssignales des Addier-Schaltkreises bereitzustellen, und einen Vergleicher-Schaltkreis, um die Signale in Abhängigkeit der vom ersten und zweiten Umsetzer bereitgestellten Gleichstromsignale zu Vergleichen; angeordnet, um in Abhängigkeit dieses Vergleiches ein Verstärkungssteuersignal für die Regelung der Verstärkung der störschallvermindernden Anordnung bereitzustellen.Preferably, the automatic gain control circuit comprises an adder circuit arranged to receive signals in dependence on the output signals of the first and second microphones; a first converter for providing a direct current signal in dependence on the output signal of the first microphone, a second converter for providing a direct current signal in dependence on the output signal of the adder circuit, and a comparator circuit for comparing the signals in dependence on the direct current signals provided by the first and second converters; arranged to provide a gain control signal for controlling the gain of the noise-reducing arrangement in dependence on this comparison.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der einzigen Zeichnung noch näher erläutert, worin ein schematisches Diagramm einer Anordnung zur aktiven Störschallverminderung, welche einen automatischen Verstärkungsregelungs-Schaltkreis beinhaltet, dargestellt ist.An embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the single drawing, in which a schematic diagram of an arrangement for active noise reduction, which includes an automatic gain control circuit, is shown.
Die in der Figur dargestellte Anordnung zur Störschallverminderung weist eine allgemein schalenförmige, ohrenumschließende Ohrhörer-Anordnung 1 auf, die angeordnet ist, die Ohren 2 des Trägers zu umschließen. Der Rand der Anordnung 1 ist mittels eines nachgiebigen Ringpolsters 4 gegen die Seite des Kopfes 3 des Trägers abgepolstert.The noise reduction arrangement shown in the figure comprises a generally cup-shaped, circumaural earphone arrangement 1 arranged to enclose the ears 2 of the wearer. The edge of the arrangement 1 is padded against the side of the head 3 of the wearer by means of a flexible ring pad 4.
Wie bei bekannten Anordnungen zur aktiven Störschallverminderung umhüllt die Ohrhörer-Anordnung 1 ein kleines Mikrophon 5, welches die Schallautstärke innerhalb des Ohrhörers neben dem Ohr 2 des Trägers aufnimmt und ein elektrisches Ausgangssignal in Abhängigkeit des aufgenommen Schalles bereitstellt. Dieses Ausgangssignal des Mikrophons wird durch einen Verstärker 6 verstärkt und das verstärkte Signal wird dann invertiert und gefiltert durch einen Phasen-Inverter/-Filter 7, bevor es zu einem störschallunterdruckenden Wandler 8 gelangt. Dieser Wandler 8 beinhaltet eine bewegliche Membran 9, welche an eine Öffnung eines steifen Wandelementes 10 angebracht ist. Die Membrane 9 und das Wandelement 10 unterteilen das Innere der Ohrhörer-Anordnung 1 in einen vorderen Raum 11, welcher das schallaufnehmende Mikrophon 5 beherbergt, und einen geschlossenen hinteren Raum 12.As with known arrangements for active noise reduction, the earphone arrangement 1 encloses a small microphone 5, which records the sound volume inside the earphone next to the wearer's ear 2 and provides an electrical output signal depending on the recorded sound. This output signal of the microphone is amplified by an amplifier 6 and the amplified signal is then inverted and filtered by a phase inverter/filter 7 before it reaches a noise suppressing transducer 8. This transducer 8 includes a movable membrane 9 which is attached to an opening of a rigid wall element 10. The membrane 9 and the wall element 10 divide the interior of the earphone assembly 1 into a front space 11 which houses the sound-receiving microphone 5 and a closed rear space 12.
Das Vorsehen von Mitteln, welche die Ohrhörer-Anordnung in zwei separate Räume aufteilt, erlaubt dem Ohrhörer, tieffrequente Töne von hohem Pegel zu erzeugen. Der Hintergrunddruck hinter der Membran 9 wird im hinteren Raum 12 des Ohrhörers gehalten und es wird dadurch verhindert, daß er sich mit dem Druck im vorderen Raum mischt. Typischerweise ist der Störschallpegel bei Frequenzen bis zu ca. 500 Hz in beiden Ohrhörer-Räumen 11 und 12 zusammenhängend. Die auf die Wandler 8 angewandten störschallunterdruckenden Signale verursachen Vibrationen der Membran 9 und erzeugen akustische Signale gleicher Amplitude aber gegensätzlicher Phase zu den durch das Mikrophon 5 aufgenommenen Störschallsignalen.The provision of means which divides the earphone assembly into two separate compartments allows the earphone to produce high level low frequency sounds. The background pressure behind the diaphragm 9 is maintained in the rear compartment 12 of the earphone and is thereby prevented from mixing with the pressure in the front compartment. Typically the noise level at frequencies up to about 500 Hz is consistent in both earphone compartments 11 and 12. The noise cancelling signals applied to the transducers 8 cause vibrations of the diaphragm 9 and produce acoustic signals of equal amplitude but opposite phase to the noise signals picked up by the microphone 5.
Es ist klar ersichtlich, daß das schallaufnehmende Mikrofon 5 nur den Störschallpegel innerhalb des Ohrhörerraumes 11 aufnimmt, nachdem Störschallverminderung aufgetreten ist.It is clearly evident that the sound-recording microphone 5 only records the noise level within the earphone space 11 after noise reduction has occurred.
Für den Zweck, die Rückkoppelungsverstärkung des Rückkoppelungskreises in Übereinstimmung mit Veränderungen des gemessenen Störschalles zu variieren, beinhaltet die dargestellte erfindungsgemäße Anordnung ein weiteres, zum Mikrofon 5 identisches, störschallaufnehmendes Mikrofon 13, welches innerhalb des geschlossenen hinteren Raumes 12 der Ohrhörerstruktur 1 angeordnet ist.For the purpose of varying the feedback gain of the feedback circuit in accordance with changes in the measured noise, the illustrated arrangement according to the invention includes a further noise-receiving microphone 13, identical to the microphone 5, which is arranged within the closed rear space 12 of the earphone structure 1.
Es sei hier angemerkt, daß der Störschall in beiden Ohrhörerräumen 11 und 12 die gleiche Amplitude und Phase bei tiefen Frequenzen aufweist, da der Ohrhörer für Tieffrequenzgeräusche im wesentlichen durchlässig ist. Bewegung der Wandlermembran 9 in Richtung des vorderen Raumes 11 erhöht den Druck im vorderen Raum, aber vermindert den Druck im hinteren Raum 12. Daraus folgt, daß im hinteren Raum 12 erzeugte Geräusche um 180º phasenverschoben gegenüber denjenigen im vorderen Raum 11 erzeugten sind. Dementsprechend nimmt das Mikrofon 5 Umgebungsgeräusche plus Antiphasen-Störschall auf während das Mikrofon 13 Umgebungsgeräusche minus Antiphasen-Störschall aufnimmt. Die sich daraus ergebenden störschalldarstellenden Ausganssignale, welche von den Mikrophonen 5 und 13 erhalten werden, werden entsprechenden Bandpass-Filter 14 und 15 zugeführt, welche eine Ausgang im tiefen Frequenzbereich (typisch 300-400Hz) bereitstellen. Bei diesen tiefen Frequenzen sind die störschallunterdruckenden Signale, welche dem Wandler 8 zugeführt werden, 180º phasenverschoben gegenüber dem durch das im Raum 11 angeordnete Mikrofon 5 aufgenommenen Störschall. Die Ausgänge der Filter 14 und 15 werden einem Signaladdierer 16 zugeführt, welcher Ausgangssignale bereitstellt, welche einzig mit dem Umgebungsstörschall in Bezug stehen, wobei die durch die Mikrofone 5 und 13 aufgenommenen antiphasen störschallvermindernden Komponenten durch den Additionsvorgang gegenseitig ausgelöscht werden.It should be noted here that the noise in both earphone compartments 11 and 12 has the same amplitude and phase at low frequencies because the earphone is essentially transparent to low frequency noise. Movement of the transducer diaphragm 9 toward the front compartment 11 increases the pressure in the front compartment but decreases the pressure in the rear compartment 12. As a result, noises generated in the rear compartment 12 are 180º out of phase with those generated in the front compartment 11. Accordingly, microphone 5 picks up ambient noise plus antiphase noise while microphone 13 picks up ambient noise minus antiphase noise. The resulting noise-representing output signals obtained from microphones 5 and 13 are fed to corresponding bandpass filters 14 and 15, which provide an output in the low frequency range (typically 300-400 Hz). At these low frequencies, the noise-suppressing signals fed to transducer 8 are 180º out of phase with the noise picked up by microphone 5 arranged in room 11. The outputs of filters 14 and 15 are fed to a signal adder 16, which provides output signals that are related only to the ambient noise, with the antiphase noise-reducing components picked up by microphones 5 and 13 being mutually cancelled out by the addition process.
Das Ausgangssignal des Addierers 16 und das Ausgangssignal vom Filter 14 werden durch entsprechende Grundmittel Rechteckspannungs zu Gleichstrom Umwandlern 17 und 18 zu Gleichstrompegel umgewandelt, mit den aus dem Mikrophon 5 gewonnenen Signalen, welchen ein vorbestimmter Verstärkungswert durch eine Verstärker 19 erhalten haben, um mit dem benötigten Pegel von Störschallverminderung Übereinzustimmen. Die Ausgänge der Wandler 17 und 18 (nach der Verstärkung mittels des Verstärkers 19) werden einen Spannungsvergleicher 20 zugeführt, welcher die Gleichstrompegel der Ausgänge vergleicht und dementsprechend ein Verstärkungs-Steuersignal erzeugt, welches dem Verstärker 6 zugeführt wird, wobei das Steuersignal einen Wert besitzt, welcher gewährleistet, daß die gemessene Störschallverminderung der Anordnung konstant gehalten wird.The output signal of the adder 16 and the output signal of the filter 14 are converted to DC levels by respective basic means of square wave voltage to DC converters 17 and 18, with the signals obtained from the microphone 5 having received a predetermined gain value by an amplifier 19 to correspond to the required level of noise reduction. The outputs of the converters 17 and 18 (after amplification by the amplifier 19) are fed to a voltage comparator 20 which compares the DC levels of the outputs and accordingly generates a gain control signal which is fed to the amplifier 6, the control signal having a value which ensures that the measured noise reduction of the arrangement is kept constant.
Es ist klar, daß eine weitere aktive Störschallverminderungsanordnung mit automatischer Rückkoppelungsverstärkung, wie in der Zeichnung dargestellt, in der Praxis für das anderer Ohr des Trägers vorgesehen ist.It will be appreciated that a further active noise reduction arrangement with automatic feedback amplification, as shown in the drawing, is in practice provided for the other ear of the wearer.
Es ist ebenfalls klar, daß obwohl die hier beschriebene besondere Ausführungsform auf eine ohrumschließende Ohrhörerstruktur gerichtet ist, die Erfindung ebenfalls auf alternative Zweikammer-Ohrhörerstrukturen angewandt werden kann, wie solche des SUPRA-AURALEN Typs.It will also be appreciated that although the particular embodiment described here is directed to a circumaural earphone structure, the invention may also be applied to alternative dual-chamber earphone structures, such as those of the SUPRA-AURAL type.
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