16
TVE-F 17 020 juni Examensarbete 15 hp Juni 2017 Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem Philip Ahl Simon Johansson Norman

Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem1162115/... · 2017-12-03 · TVE-F 17 020 juni Examensarbete 15 hp Juni 2017 Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem

  • Upload
    others

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem1162115/... · 2017-12-03 · TVE-F 17 020 juni Examensarbete 15 hp Juni 2017 Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem

TVE-F 17 020 juni

Examensarbete 15 hpJuni 2017

Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem

Philip AhlSimon Johansson Norman

Page 2: Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem1162115/... · 2017-12-03 · TVE-F 17 020 juni Examensarbete 15 hp Juni 2017 Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem

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 aktivtbrusreduceringssystem

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.

ISSN: 1401-5757, TVE-F 17 020 juniExaminator: Martin SjödinÄmnesgranskare: Jonas LindhHandledare: Mikael Sternad

Page 3: Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem1162115/... · 2017-12-03 · TVE-F 17 020 juni Examensarbete 15 hp Juni 2017 Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem

Populärvetenskaplig sammanfattning

Om du reser någonstans och sitter på ett tåg eller i ett flygplan så omfamnas resan av ett lågmältbuller. Ljud som studsar omkring i flygplansvingarna eller gnissel från tågrälsen. Det finns olikasätt man kan få det att bli tystare. Man kan exempelvis ta på sig hörselkåpor eller överrösta medmusik i sina hörlurar, eller så kan man kombinera dessa tekniker och helt enkelt försumma enstor 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 fokusi denna rapport så kommer det behövas ta hänsyn till.

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

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

1

Page 4: Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem1162115/... · 2017-12-03 · TVE-F 17 020 juni Examensarbete 15 hp Juni 2017 Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem

Innehåll1 Introduktion 3

1.1 Målbeskrivning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.1.1 Hypotes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2 Teori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3 Metodbeskrivning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3.1 Ljudmätningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3.2 Approximation av hörlurens överföringsfunktion . . . . . . . . . . . . 71.3.3 Kretskonstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.4 Fasförkjutningsfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2 Resultat 10

3 Diskussion 11

4 Slutsatser 12

2

Page 5: Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem1162115/... · 2017-12-03 · TVE-F 17 020 juni Examensarbete 15 hp Juni 2017 Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem

1 Introduktion

Konceptet aktiv brusreducering, hädan efter kallatABR, introducerades redan på 30-talet då PaulLueg 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 dåDick Rutan och Jeana Yeager flög jorden runt. Med teknologins framfart har utvecklingenlett till att ABR är på en kommersiell nivå. Det hittas i dagens moderna hörlurar, vanligvisi en kombination mellan passiv och aktiv brusreducering där t.ex. Bose fortfarande står somflaggskepp. Passiv brusreducering består av isolering, ofta i form av kåpor eller muffar påhörlurarna som omringar öronen. Denna typ av brusreducering dämpar ljud av högre frekvensermedan ABR behandlar lågfrekvent ljud.

1.1 Målbeskrivning

Projektets mål är att studera aktiv brusreducering, framför allt idén att oavsett hörlur kunnaskapa ett ABR-system och hur man går till väga för att konstruera det. Idén grundas i att meden 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 ettflertal olika typer av hörlurar ska kunna kopplas in kommer det inte finnas någon mikrofoninuti hörluren. Detta resulterar i att ABR-systemet inte kommer att kunna vara återkopplat utanenbart framkopplat. Bruset kommer alltså enbart tas upp via en mikrofon i modulen och olikamätningar kommer behöva göras från både örat och modulen. Ljud av olika frekvenser skaundersökas, men en begränsning av intervallet kommer att behövas.

ProblematikenmedABR i 3-dimensionella rum är att ljudvågor har en komplex och kompliceradutbredning vid olika frekvenser. När en ljudkälla avger ett ljud tas det upp av mikrofonen vidolika tillfällen på grund av eko och möbler i rummet. Snabba ljudvågor med höga frekvenserkommer vara svårare att behandla, vilket betyder att en begränsing på vilket frekvensspann somkan reduceras måste göras.

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

1.1.1 Hypotes

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

3

Page 6: Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem1162115/... · 2017-12-03 · TVE-F 17 020 juni Examensarbete 15 hp Juni 2017 Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem

1.2 Teori

Det finns två typer av ABR-koncept, det ena använder sig av ett återkopplat system och har enmikrofon inuti hörluren och det andra är ett framkopplat system och har en mikrofon utanförhörluren. Båda koncepten använder sig av principen destruktiv interferens. Genom att spelaupp 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 attbrusreduceringen ska fungera med flera typer av hörlurar, vilket betyder att det inte går attimplementera återkoppling. I ett framkopplat system tar mikrofonen upp det omgivande brusetinnan det når fram till örat. Därför kommer bruset vara förkjutet i tiden när bruset når örat. Föratt implementera ABR med framkoppling ställs en s.k. överföringsfunktion upp för hörluren.Överföringsfunktionen ska representera hur hörluren ändrar det inkommande bruset relativt hurdet låter i mikrofonen som tar upp bruset först. Hörlurens överföringsfunktion tas fram genom attgöra 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 externljudsignal eller brus som modulens mikrofon tar upp. Y(s) kommer också uppfattas av örat meninte likadant eftersom hörluren reducerar bruset passivt, samt att bruset kommer vara förkjutet itiden. G(s) representerar hörlurens överföringsfunktion och H(s) är det filter som implementerasi modulen för att destruktiv interferens ska ske i hörluren. Ljudet som örat tar upp består avY (s)H(s) +Y (s)G(s) + M(s) och om filtret H(s) har samma överföringsfunktion som hörlurensG(s) men förskjuter signalen 180 grader kommer destruktiv interferens ske och bara musikenkommer höras.

Figur 1: Blockschema för framkopplingssystemet

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

4

Page 7: Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem1162115/... · 2017-12-03 · TVE-F 17 020 juni Examensarbete 15 hp Juni 2017 Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem

Figur 2: Blockschema för framkopplingssystemet

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

1.3 Metodbeskrivning

1.3.1 Ljudmätningar

För att ta reda på hur bruset uppfattas i hörluren gjordes flera ljudmätningar. Hörluren somanvändes är av typen ”over ear” och är av modellen Steelseries Sibera V2. Ett externt ljudkortoch två mikrofoner införskaffades för utförandet. Dessa mikrofoner hade en amplitudskillnadpå 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 konstantkoefficient. Ljudmätningarna utfördes genom att spela upp sinusvågor med 20 olika frekvenserfrån 100 Hz till 2000 Hz, från en högtalare, se figur 3. Även 50 Hz testades. Sinusvågornaspelades sedan in via två mikrofoner, en som var ca 20 cm från högtalaren och en som var inutihörluren. Mikrofonernas inspelade ljud jämfördes senare för att få fram en överföringsfunktionför hörlurens passiva brusreducering.

Figur 3: Ljudtmätning av en 900 Hz sinusvåg

5

Page 8: Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem1162115/... · 2017-12-03 · TVE-F 17 020 juni Examensarbete 15 hp Juni 2017 Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem

Figur 4 visar en ljudmätning som gjordes av en sinusvåg på 900 Hz i mikrofonen närmasthögtalaren. Figuren visar inte en helt ren sinusvåg utan den visar på något överlagrat brus. Brusetvisade sig vara ett nätbrus som finns i elnätet med en frekvens på 50 Hz som låg överlagrad på allmätdata. Detta brus eliminerades genom att implementera ett filter som dämpar frekvenser på50 Hz. Det gjordes genom att designa ett tidsdisktret bandstoppfilter med nollställen på randentill enhetscirkeln som motsvarar 50 Hz. Filtrets bodediagram visas i figur 5. All data från deinspelade 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 5: Tidsdiskret bandstoppfilter för frekvensen 50 Hz

6

Page 9: Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem1162115/... · 2017-12-03 · TVE-F 17 020 juni Examensarbete 15 hp Juni 2017 Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem

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 brusreduceringpåverkar inkommande brus. Eftersom mikrofonen på brusreduceringssystemet tar upp brusinnan samma brus når örat kommer bruset i örat att vara faskförskjutet i tiden. Hörlurensöverföringsfunktion approximerades genom att analysera mätdatan från ljudmätningarna förvarje uppmätt frekvens. Amplituder och fasskillnader av den inkommande signalen (Y(s) i figur7) jämfördes mellan mikrofonen som representerade brusreduceringssystemet och mikrofoneninuti hörluren. Figur 7 visar framkopplingen i brusreduceringssystemet i form av signaler ochkomponenters överföringsfunnktioner i kretsen. Det kan antas att både mikrofonförstärkaren,A(s), och hörlursförstärkaren, B(s), kan komma att påverka insignalen något med en vissfasförskjutning eller amplitudändring. H(s) i figur 7 representerar överföringsfunktionen av detfilter som kommer att fasförkjuta, amplitudförändra och invertera insignalen för att destruktivinterferens ska ske i hörluren. Överföringsfunktionen H(s) kan bestå av flera elektroniskakomponenter. 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 förstärkarnaoch 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 attG(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)). Kravenrepresenteras i ekvation 2 och 3.

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

arg(A(s)) + arg(H(s)) + arg(B(s)) = arg(G(s)) + 180° (3)

7

Page 10: Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem1162115/... · 2017-12-03 · TVE-F 17 020 juni Examensarbete 15 hp Juni 2017 Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem

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

1.3.3 Kretskonstruktion

Den initiala kretskortsidéen grundades i att med hjälp av operationsförstärkare och passivakomponenter bygga upp de förstärkarkretsar och filter som krävs. En förstärkare behövs för attförstärka 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 inköptakomponenter samt elektroniklabbarnas förråd av komponenter. OP-förstärkarna testades i enklaförstärkarkretsar 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 ärbyggd för audiosignaler och är baserad på en lättillgänglig OP-förstärkare (LM358) och passartill att användas som en förförstärkare för mikrofoner[2]. Alla passiva komponenter som följdesmed den inköpta förförstärk behövdes lödas på det medföljande kretskortet.

Figur 8: Kretsschema över den inköpta förförstärkaren med komponentvärden.

8

Page 11: Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem1162115/... · 2017-12-03 · TVE-F 17 020 juni Examensarbete 15 hp Juni 2017 Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem

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 seriemed en kondensator. Om ideala förhållanden antas där förstärkarna inte ger signalen någonfasvridning så räcker det att RC-kretsen fasvrider insignalen så mycket som ljudmätningarnakräver. Till exempel, vid ljudmätningarna av en sinussignal på 200 Hz är signalen i hörlurenfasförkjutet ca 0.58 % av en period. En RC-krets för en inkommande sinussignal på 200 hzbehöver 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 på180°eller π radianer, alltså en halv period. Denna fasvridning erhålls lättast med en inverteradOP-förstärkarkrets. Med rätt värden på resistorerna i den inverterade förstärkarkretsen kan bådesignalens amplitudskillnad och fasvridning på en halv period tas hänsyn till. Efter signalenpasserat den inverterade förstärkaren skickas den vidare till hörluren och interferensen sker avljudvågorna då örat tar upp bruset.

Figur 9: RC-filter. Vin är insignalen och Vc är utsignalen, båda i form av en spänningsskillnad.R är resistorvärdet, C är kondensatornvärdet och I är strömmen.

9

Page 12: Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem1162115/... · 2017-12-03 · TVE-F 17 020 juni Examensarbete 15 hp Juni 2017 Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem

2 Resultat

Projektet lyckades aldrig nå en praktisk prototyp av brusreduceringssystem. Projektet byttedärför riktning med resultat som endast är teoretiska. Det uppstod ett jordningsproblem ikopplingsplattan med OP-kretsarna. Referensernas spänningsskillnader blev för stora relativtmikrofonernas små insignaler. Den inhandlade förstärkarmodulen gav också en ohanterbarsignal från mikrofonen.

Från ljudmätningarna approximerades en överföringsfunktion för den passiva brusreduceringenmellan den yttre mikrofonen och örat. Frekvenssvaret för amplitudkvoten mellan yttre mikrofonoch 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 enteoretisk brusreducering för en viss frekvens av mätdatan. Den teoretiska brusreduceringenvisas i figur 11 och figur 12 för sinusignaler på 200 Hz respektive 900 Hz. Signalens amplitudreducerades ungefär 90% och motsvarar den maximala gräns systemet skulle ha klarat av attreducera. Den teoretiska brusreduceringen erhölls genom att ändra mätdatan av insignalen frånden yttre mikrofonen med hänsyn till amplitudkvoten och fasskillnaden mellan mikrofonerna.Denna ändring av insignalen kan ses som det filter som skulle implementeras i kretskortet. Efterändringen av insignalen adderades signalen med det ljud örat tar upp och resultatet av dennaaddition är en brusreducerad signal (som visas i figur 11 och figur 12).

10

Page 13: Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem1162115/... · 2017-12-03 · TVE-F 17 020 juni Examensarbete 15 hp Juni 2017 Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem

Figur 11: Brusreducering avsinussignal på 200 Hz

Figur 12: Brusreducering av sinussignal på 900Hz

3 Diskussion

Kurvanpassningen av frekvenssvaret i figur 10 visar på att överföringsfunktionen för hörlurendämpar mer ju högre frekvensen på signalen är. Denna dämpning är rimlig med hänsyn till attpassiv brusreducering är mest optimal för högfrekvent brus[4]. De resultat som visas i figur11 och 12 är endast teoretiska och inte implementerade i en krets och är specifika lösningarför givna frekvenser av ljudmätningarna. Den teoretiska brusreduceringen motsvarar snarareden maximala gräns som brusreduceringsystemet skulle kunna uppnå om alla de elektriskakomponenter som skulle implementerats fungerat helt optimalt under ideella förhållanden.Resultatet motsvarar en otroligt förenklad överföringsfunktion för varje frekvens. Hade dettarealiserats med en krets och testats i samma miljö som ljudtesterna gjordes i hade det möjligenfått ett liknande svar. Men för att få det ABR-system som målet var, behövs en betydligtmer komplex överföringsfunktion approximeras för att ta hänsyn till så brett frekvensspannsom möjligt. Ett RC-filter för varje frekvens hade behövts för att brusreducera mer än ensinussignal. Vardagligt brus är ljud från alla möjliga saker i tillvaron som består av oändligtmånga överlagrade sinussignaler. Ett rimligt resultat som skulle kunna uppnås om ett sådanthär brusreduceringssystem byggts kan antas vara att brusreducera några enstaka överlagradesinussignaler i ett frekvensspann mellan 100 Hz - 500 Hz. Detta kan genomföras genom enimplementering av seriekopplade RC-filter som förkjuter vardera frekvens tillräckligt mycket.RC-filtrens komponentvärden skulle då bestämts utifrån de ljudmätningar som gjorts för attändra signalerna till rätt fasförskjutning.

Under projektets arbetsgång har flera problem och utmaningar stötts på sombåde har fördröjt ochförsvårat arbetet. Några utmaningarna skulle kunnats elimineras med hjälp av en bättre översiktöver 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 enmikrofonsignal och sedan skicka in signalen och driva en hörlur. När detta sedan uppnåtts hadeljudmätningarna kunnat utföras för att få fram en överföringsfunktion för hörluren.

Utmed projektets arbetsgång har målet och hypotesen skalats ner. En del av de tillvägagångssätt

11

Page 14: Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem1162115/... · 2017-12-03 · TVE-F 17 020 juni Examensarbete 15 hp Juni 2017 Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem

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

För ljudmätningarna behövdes högtalare med tillräckligt stor effekt för att det intrinsiska bruseti de införskaffade mikrofonerna skulle bli överröstat. Det resulterade i att alla ljudmätningarskedde 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 laborationsmiljönoch testmiljön var på olika platser.

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

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

Universitetets laborationssalar har inte varit försedda med all den utrustning som krävts förprojektets genomförande. Därmed har majoriteten av arbetets utrustning införskaffats. Det harlett 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 småproblem som uppstått samt ineffektiviteten under vägen hade kunnat undvikas om projektetbörja med att konstruera mikrofon- och drivförstärkare. Vi hade då kunnat låta systemetsöverföringsfunktion 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 ochdisposition av arbetet kunde gjorts tydligare redan från början. En fullständig och detaljeradteori samt metodbeskrivning hade varit det första steget, för att sedan bygga en grundmodul attbasera arbetet utifrån.

Brus och störningar är ett fenomen som konstant kan skapa problem i elektriska kretsar. För attundvika detta i så stort mån sommöjligt så bör man försöka kringgå generell extern laborations-utrustning, där så många noder och kablar kan agera antenner. Att även använda elnätet sommatningsström ger ett överlagrat brus på 50 Hz. Detta kan undvikas om man använder en externspänningskälla som batterier eller om man t.ex. samplar i en frekvens som är i en multipel av50.

12

Page 15: Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem1162115/... · 2017-12-03 · TVE-F 17 020 juni Examensarbete 15 hp Juni 2017 Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem

Slutligen har projektet gett inblick i att framkoppling inte är optimalt lämpat för rumsligaproblem. Eftersom framkoppling är ett strömlinjeformat koncept så krävs det att omgivningenoch problemet är strömlinjeformat. Alltså att man kan approximera problemet endimensionellt.Framkoppling är mer lämpat för situationer då bruskällan är enklare att förutspå. Likt dagenshörlurar så passar rumslig aktiv brusreducering bäst i en kombination av de koncept sombegränsar projektet. En kombination av passiv och aktiv brusreducering samt återkoppling medframkoppling ger en optimal brusreducering.

13

Page 16: Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem1162115/... · 2017-12-03 · TVE-F 17 020 juni Examensarbete 15 hp Juni 2017 Projekt inom framkopplat aktivt brusreduceringssystem

Referenser

[1] Michael Hirte, University of Alaska Fairbanks, 2007http://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”https://www.google.com/patents/US5182774

14