Ανάπτυξη ηχητικού συστήματος ακυρωτικής παρεμβολής μεταξύ καναλιών σε ανακλαστικό χώρο

Κάντε κλικ εδώ για να κατεβάσετε αυτό το έγγραφο

Alberto Erspamer, ΧΡΗΣΤΟΣ ΓΙΑΚΟΠΟΥΛΟΣ, ΙΩΑΝΝΗΣ ΑΝΤΩΝΙΑΔΗΣ

Η παρούσα εργασία περιγράφει την ανάπτυξη ενός στερεοφωνικού συστήματος αναπαραγωγής με χρήση της τεχνικής της ακυρωτικής παρεμβολής μεταξύ καναλιών (crosstalk cancellation). H εν λόγω τεχνική χρησιμοποιείται ευρέως και έχει ιδιαίτερη χρησιμότητα για την βελτίωση της ποιότητας του ήχου στερεοφωνικών και πολυκαναλικών συστημάτων αναπαραγωγής, για την δημιουργία συστημάτων ακουστικής πραγματικότητας και συχνά για τον έλεγχο της ακουστικής ενέργειας σε ανακλαστικά περιβάλλοντα όπως δωμάτια ή μέσα μεταφοράς. Χρησιμοποιείται επίσης ευρέως σε ιατρικές (ακουστικά βοηθήματα) και εκπαιδευτικές εφαρμογές (εκπαίδευση σε προσομοιωμένα ηχητικά περιβάλλοντα). Σημαντικό πλεονέκτημα της μεθόδου σε σχέση με άλλες μεθόδους αναπαραγωγής είναι η μειωμένη απαίτηση για ηχεία σε σχέση με παραδοσιακές αλλά πολυδάπανες τεχνικές όπως η χωρική σύνθεση ακουστικών πεδίων (Wave field synthesis). Ταυτόχρονα, η χρήση λιγότερων ακουστικών πηγών συνεπάγεται και μείωση της απαιτούμενης επεξεργαστικής ισχύος, που είναι επίσης ιδιαίτερα σημαντικό για την ρεαλιστική υλοποίηση ενός τέτοιου συστήματος. Στην συγκεκριμένη εργασία, σκοπός είναι η ακριβής αναπαραγωγή δύο καταγεγραμμένων σημειακών πηγών σε δύο σημεία ενδιαφέροντος (πχ τα αυτιά ενός χρήστη). Σε αυτή την περίπτωση, σημαντικό πλεονέκτημα του συστήματος είναι ότι δεν απαιτείται η χρήση ακουστικών για την ακριβή αναπαραγωγή των σημάτων, καθώς η επίδραση του χώρου, των τοίχων και των προκαλούμενων ανακλάσεων αντισταθμίζεται από το σύστημα ακυρωτικής παρεμβολής. Παρουσιάζονται τόσο πειραματικά όσο και αποτελέσματα προσομοίωσης στην περίπτωση αναπαραγωγής σε δύο σημεία ενδιαφέροντος όπου δεν παρεμβάλλεται κάποιο εμπόδιο ανάμεσα στα δύο σημεία αναπαραγωγής και στην περίπτωση που παρεμβάλλεται. Τα πειραματικά αποτελέσματα και τα αποτελέσματα προσομοίωσης δείχνουν την πολύ καλή απόδοση του συστήματος. Η απόδοση του συστήματος εκτιμάται επίσης τόσο για μονοσυχνοτικά όσο και για σήματα ευρέους φάσματος. Τα δεύτερα συντελούν στην αποτελεσματικότερη αξιολόγηση του συστήματος για εφαρμογές πραγματικού τύπου όπου ζητούμενο είναι η αναπαραγωγή σημάτων ομιλίας ή μουσικής. Οι προσομοιώσεις δείχνουν την εξάρτιση της απόδοσης του συστήματος από τους περιβάλλοντες τοίχους. Λόγω της ύπαρξης ανακλάσεων στο περιβάλλον του εργαστηρίου, ο ελεγκτής που χρησιμοποιείται κάνει χρήση της τεχνικής ελαχίστων τετραγώνων για την εύρεση των βέλτιστων ακουστικών μονοπατιών και την αποτελεσματική αναστροφή τους. Στο άρθρο γίνεται βιβλιογραφική ανάλυση και άλλων τεχνικών αναστροφής μονοπατιού και εξετάζονται οι περιορισμοί της κάθε μεθόδου ειδικά στην περίπτωση αναπαραγωγής σε πραγματικούς χώρους. Γίνεται αναλυτική διερεύνηση όλων των παραμέτρων του συστήματος όπως το μήκος του φίλτρου και ο συντελεστής σύγκλισης. Η αποδοτικότητα του συστήματος διερευνάται για την περίπτωση αναπαραγωγής στατιστικά ανεξάρτητων σημάτων παρόμοιας συνολικής ενέργειας, αλλά και για την περίπτωση δημιουργίας δύο ακουστικών ζωνών εκ των οποίων η μία είναι η ζώνη ησυχίας και η άλλη η ζώνη αναπαραγωγής. Σε αυτή την περίπτωση το ένα εκ των δύο σημάτων έχει μηδενική ενέργεια και το σύστημα κρίνεται με βάση το εύρος των δημιουργούμενων ζωνών. Η έκταση του δημιουργούμενου εύρους είναι σημαντική για την δυνατότητα του χρήστη του συστήματος να μπορεί να μετακινεί το κεφάλι του. Συμπεραίνεται ότι το εύρος των δημιουργούμενων ζωνών εξαρτάται από την συχνότητα αναπαραγωγής και το μεγαλύτερο εύρος ζώνης επιτυγχάνεται για τις χαμηλότερες συχνότητες. Τέλος παρουσιάζονται αποτελέσματα σχετικά με τον απαιτούμενο χρόνο σύγκλισης και την εξάρτηση του από το μήκος φίλτρου που επιλέγεται. Παράλληλα διερευνάται το απαιτούμενο μήκος φίλτρου για διαφορετικές αποστάσεις ηχείων από τα σημεία αναπαραγωγής. Διαπιστώνεται ότι σε ένα χώρο με ανακλάσεις, η αυξανόμενη απόσταση μεταξύ των ηχείων και των σημείων αναπαραγωγής επηρεάζει την απόδοση του συστήματος. Το σύστημα υλοποιήθηκε σε ένα πραγματικό ανακλαστικό περιβάλλον εργαστηρίου χωρίς την επένδυση των τοίχων με ηχοαπορροφητικά υλικά, προκειμένου να διαπιστωθεί η δυνατότητα χρήσης του σε ένα πραγματικό περιβάλλον.. Οι προσομοιώσεις έγιναν στο υπολογιστικό περιβάλλον προσομοίωσης COMSOL. Η ψηφιακή επεξεργασία των σημάτων γίνεται σε έναν τυπικό σταθερό υπολογιστή με σκοπό την εύκολη επέκταση ενός τυπικού συστήματος αναπαραγωγής χωρίς την χρήση εξειδικευμένου υλικού επεξεργασίας σήματος. Ο προγραμματισμός έγινε στην γλώσσα PYTHON, που χρησιμοποιήθηκε τόσο για το προσομοιωμένο όσο και για το πραγματικό σύστημα. Συμπερασματικά, το σύστημα κρίνεται αποτελεσματικό για την αναπαραγωγή στατιστικά ανεξάρτητων σημάτων σε δύο σημεία ενδιαφέροντος και για την δημιουργία ξεχωριστών ακουστικών ζωνών σημαντικού εύρους.