Adaptive Feedback-Regelung zur aktiven Lärmreduktion mit In-Ear-Kopfhörern

Autor: Christoph Bruhnken

ISBN: 978-3-944586-33-5

Dissertation, Leibniz Universität Hannover, 2014

Herausgeber der Reihe: Eduard Reithmeier

Band-Nr.: imr 02/2013

Umfang: 120 Seiten, 79 Abbildungen

Schlagworte: Aktive Schallreduktion, Larmkompensation, aktive Kopfhorer, adaptiver Feedback-Regler

Kurzfassung: Verstärkt durch die Forderung nach hoher Mobilität und der damit zusammenhängenden Nutzung von Verkehrsmitteln, nimmt die Schallbelastung heutzutage immer weiter zu. Eine Möglichkeit, diese Dauerbelastung der Ohren zu reduzieren, bieten Kopfhörer mit aktiver Schallreduktion (ANC). Zurzeit sind vor allem ohrumschließende oder -aufliegende Kopfhörer mit meist statischen und vereinzelt adaptiven ANC-Algorithmen am Markt erhältlich. Im Bereich der Audiowiedergabe bieten In-Ear-Kopfhörer häufig eine kostengünstige Alternative zu diesen Muschelkopfhörern. Deswegen wird in dieser Arbeit, die in Kooperation mit der Firma Sennheiser electronic entstand, ein Beitrag zur aktiven Schallreduktion mit In-Ear-Kopfhörern geleistet. Dabei liegt der Fokus auf der Feedback-Regelung (FB). Diese wird sowohl statisch als auch adaptiv nicht nur realisiert, sondern ihre Wirkung auch durch Probandenmessungen validiert. Probandenmessungen der Sekundärstrecke (Regelstrecke) zeigen jedoch ein entscheidendes Problem bei den verwendeten In-Ear-Kopfhörern: ausgeprägte interpersonelle Varianzen. Diese schränken die Übertragbarkeit von Messungen an Testköpfen auf den Menschen ein. Das wiederum bedeutet, dass am Testkopf ausgelegte Regler zu instabilem Regelkreisverhalten beim Menschen führen können. Zur Lösung wird ein Verfahren vorgestellt, welches auf der Separierung dieses Problems basiert. Dazu werden die Probandenmessungen der Sekundärstrecke mit Hilfe der Berechnung des Cepstrums in ihren minimalphasigen Anteil und ihren Allpass zerlegt. Das Allpassverhalten zeigt für die verwendeten Kopfhörer über alle Probandenmessungen nahezu identische Verläufe. Darauf aufbauend können für dieses Allpassverhalten und für ein gegebenes Störspektrum statische Regler durch Optimalregelung ermittelt werden. Anschließend wird durch die Verwendung eines inversen Modells der minimalphasige Anteil im Mittel ausgeglichen und somit ein statischer Regler entworfen. Angelehnt an dieses Verfahren wird ein volladaptiver Feedback-Regler für In-Ear-Kopfhörer vorgestellt, auf einer Echtzeitplattform umgesetzt und probandenbasiert validiert. Dieser adaptive Regler basiert auf einer Online-Identifkation der Regelstrecke und einer anschließenden Adaption mit Hilfe eines geschätzten Störsignals. Bei den Betrachtungen steht die Recheneffzienz, die Beschränkung der Stellgrößen, die Konvergenz der Adaption und die Stabilität des Regelkreises besonders im Fokus. Abschließend zeigen probandenbasierte Untersuchungen, dass der statische und der adaptive Regler für die getesteten realitätsnahen Störanregungen zu guten aktiven Dämpfungen führen. Zur Bewertung der Ergebnisse werden neben den quantitativen Messungen der Dämpfungen auch Bewertungsbögen von Probanden ausgefüllt.