[논문 리뷰] Active control of scattered acoustic radiation: a real-time implementation

Emmanuel Friot, Régine Guillermin외 1명|arXiv (Cornell University)|2005. 11. 18.

Acoustic Wave Phenomena ResearchEngineering참고 문헌 9인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 3차원 고체 평행육면체에서 발생하는 산산이 튀는 음향 노이즈를 줄이기 위한 실시간 능동 제어 시스템을 제시한다. 이 시스템은 반음향실에서 14개의 loudspeaker와 18개의 마이크로폰을 사용하며, 총 압력 측정치를 선형 필터링하여 사전에 특정한 주파수 응답 함수(FRFs)를 이용해 산산이 튀는 노이즈를 추정하고, 수정된 필터드-오차 LMS 알고리즘을 적용하여 산산이 튀는 노이즈를 최소화한다. 그 결과 오차 센서에서 평균 10 dB의 감소를 달성하였으며, 이는 3D 경계 요소 방법(BEM) 시뮬레이션으로 예측된 최적 성능에 매우 가까운 결과이다.

ABSTRACT

This paper presents an active noise control experiment designed to validate a real-time control strategy for reduction of the noise scattered from a three-dimensional body. The control algorithm relies on estimating the scattered noise by linear filtering of the total noise measured around the body; suitable filters are identified from off-line measurements. A modified Filtered-Error Least-Mean-Squares algorithm then leads to the adaptive filters which drive the secondary sources. The paper provides the numerical simulations using a Boundary Element Method which helped in designing a feasible experiment in an anechoic chamber with a limited number of control sources. Eventually a real-time pure-tone implementation with 14 ordinary loudspeakers and a large body is shown to yield on average a 10 dB reduction of the scattered noise at the error sensors, which is close to the optimum reduction predicted by the numerical simulations for the sensor arrangement.

연구 동기 및 목표

• 3차원 고체에서 발생하는 산산이 튀는 음향 노이즈를 줄이기 위한 실시간 능동 제어 전략을 개발하고 검증하는 것.
• 입사파나 매질의 성질에 대한 사전 지식 없이도 산산이 튀는 노이즈를 제어할 수 있음을 보여주는 것.
• 제한된 채널 수를 가진 일반적인 부품(스 loudspeaker, 마이크로폰, DSP 시스템)을 사용하여 실현 가능한 실험을 설계하는 것.
• 총 압력의 선형 필터링 기반 제어 전략이 이론적으로 예측된 최적 성능에 매우 가까운 성능을 달성할 수 있음을 검증하는 것.
• 반음향실에서 벽면 반사음을 줄이는 등의 실용적 응용 가능성을 탐색하는 것. 다만 고채널 수 시나리오로의 확장에는 도전 과제가 있음.

제안 방법

• 제어 전략은 사전에 특정한 주파수 응답 함수(FRFs)를 사용하여 총 음압 측정치를 선형 필터링하여 산산이 튀는 노이즈를 추정한다.
• 이 FRFs는 보조 소스의 입력에서 마이크로폰 출력으로의 맵핑을 나타내며, 보조 소스만 활성화된 상태에서 현장 측정을 통해 특정된다. 이 과정에서 전파 및 소스 동역학이 제어기 설계에 통합된다.
• 수정된 필터드-오차 최소 평균 제곱(FELMS) 알고리즘은 추정된 산산이 튀는 노이즈를 오차 신호로 사용하여 보조 소스를 구동하는 필터를 적응적으로 갱신한다.
• 경계 요소 방법(BEM)을 사용한 수치 시뮬레이션을 통해 최적의 센서 및 액추에이터 배치를 결정하였으며, 이는 폭넓은 산산이 튀는 노이즈 감소를 위해 파장당 3개의 마이크로폰이 필요하다는 것을 확인하였다.
• 실시간 구현은 대규모 반음향실에서 다중 프로세서 시스템(COMPARS)을 사용하였으며, 16개의 외부 마이크로폰이 총 압력과 산산이 튀는 압력을 측정하여 검증하였다.
• 제어는 음향 피드백으로 인한 불안정성 위험을 방지하기 위해 전기적 기준 신호를 사용하였다. 특히 산산이 튀는 노이즈가 총 노이즈의 약 10%에 불과하므로 이는 특히 중요했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반적인 loudspeaker와 마이크로폰를 사용하여 3차원 고체에서 발생하는 산산이 튀는 음향 노이즈를 실시간 능동 제어 시스템이 효과적으로 줄일 수 있는가?
• RQ2 입사파에 대한 지식 없이 총 압력 측정치와 사전 특정된 FRFs만을 사용하여 산산이 튀는 노이즈를 얼마나 정확히 추정하고 제거할 수 있는가?
• RQ3 센서와 액추에이터의 수와 배열이 3차원 구조에서 달성 가능한 노이즈 감소에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이론적으로 예측된 최적 성능에 근접한 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ5 반음향실에서 벽면 반사음을 줄이는 등의 실용적 응용에 충분히 강인한가?

주요 결과

• 16개의 오차 마이크로폰에서 산산이 튀는 노이즈가 평균적으로 10 dB 감소하였으며, 이는 주어진 센서 및 액추에이터 배열 조건에서 3D 경계 요소 방법(BEM) 시뮬레이션으로 예측된 최적 감소 수준에 매우 가까운 결과이다.
• 모든 오차 마이크로폰에서 최소 5 dB 이상의 노이즈 감소를 달성하였고, 일부 위치에서는 20 dB 초과의 감소를 기록하여 산산이 튀는 필드가 강한 곳에서 성능이 더 뛰어났다.
• 오차 센서에서의 총 노이즈 수준은 제어에 의해 거의 영향을 받지 않았으며, 이는 감소 효과가 주로 총 노이즈의 약 10%에 불과한 산산이 튀는 성분에 국한되어 있음을 확인하였다.
• 추정된 오차 신호는 진짜 산산이 튀는 노이즈와 비교해 30%의 오차를 보였지만, 제어 성능은 여전히 효과적이었으며, 이는 추정 오차에 대해 강인함을 시사한다.
• 전기적 기준 신호의 사용은 음향 피드백으로 인한 불안정 문제를 방지하였으며, 제어 중 피드백 수준이 낮아 음향 기준 신호도 가능했을 것으로 보인다.
• 계산 부담은 표준 FELMS 알고리즘의 두 배 수준이었으며, 이는 폭넓은 대역 구현이 원칙적으로 가능하다는 것을 시사하지만, 임의의 노이즈에서 수렴 문제로 인해 이를 추진하지는 않았다.