WO2018194469A2

WO2018194469A2 - Portable device for adaptive noise reduction

Info

Publication number: WO2018194469A2
Application number: PCT/PA2018/000005
Authority: WO
Inventors: Ronald BARAZARTE; Maytee ZAMBRANO; Carlos Medina; Gaudalupe GONZÁLEZ
Original assignee: Universidad Tecnologica De Panama
Current assignee: Universidad Tecnologica De Panama
Priority date: 2017-02-08
Filing date: 2018-01-30
Publication date: 2018-10-25
Anticipated expiration: 2019-08-08
Also published as: WO2018194469A8; WO2018194469A3

Abstract

The invention relates to a device and method for reducing noise, in indoor and outdoor areas, from multiple unwanted sound sources or from a single mobile noise source. The device is a set of loudspeakers that consists of multiple panels assembled together in a geometric configuration that depends on the coverage angle of the loudspeakers used. The device implements an active signal-processing method which consists of an estimator of the equivalent noise source, an adaptive phase shifting and correction unit, and a loudspeaker control unit, which synthesises the sound.

Description

DISPOSITIVO PORTÁTIL PARA REDUCCIÓN ADAPTATIVA DEL RUIDO PORTABLE DEVICE FOR ADAPTIVE NOISE REDUCTION

ANTECEDENTES BACKGROUND

Esta invención se refiere a un dispositivo y método para reducir el ruido, en las zonas interiores y exteriores, a partir de múltiples fuentes de sonido no deseadas, así como su aplicación en fuentes de ruido móviles. La invención concierne la aplicación de un método de estimación y "atenuación activa" de una fuente de sonido "adaptativa" en la cual el ruido no deseado es parcialmente cancelado nulificando las ondas de sonido generadoras y alimentadas en la ubicación. Se ha prestado especial atención al diseño geométrico y, al arreglo de los sensores de sonido y del equipo de reproducción de sonido del dispositivo para garantizar la reducción de ruido. La invención se refiere a tal dispositivo y método para su uso, sobre todo, en las obras de construcción en zonas urbanas y zonas sensibles al ruido, así como las fuentes de ruido móvil como animales, seres humanos, máquinas herramientas y electrodoméstico. This invention relates to a device and method for reducing noise, in indoor and outdoor areas, from multiple unwanted sound sources, as well as its application in mobile noise sources. The invention concerns the application of a method of estimation and "active attenuation" of an "adaptive" sound source in which unwanted noise is partially canceled by nullifying the generating and fed sound waves at the location. Special attention has been given to the geometric design and the arrangement of the sound sensors and the sound reproduction equipment of the device to ensure noise reduction. The invention relates to such a device and method for its use, especially in construction works in urban areas and noise-sensitive areas, as well as mobile noise sources such as animals, humans, machine tools and household appliances.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN BACKGROUND OF THE INVENTION

Las obras de construcción son una fuente de contaminación acústica. Debido a esto, hay muchas leyes en todo el mundo que requieren que los sitios de construcción trabajen durante el día, con el fin de evitar perturbar el sueño de las personas. Sin embargo, algunos de estos trabajos requieren cierres de calles, que a su vez aumentan el congestionamiento vehicular durante el día. También, el ruido fuerte afecta a los humanos tanto física como psicológicamente, que puede manifestarse en una reducción de nuestro rendimiento y nuestra capacidad para reaccionar ante situaciones de emergencia, así como también en el daño irreversible de la audición y otros problemas de salud. Aun así, algunos trabajos de construcción se tienen que hacer en interiores o cerca de instalaciones tales como escuelas, hoteles, hospitales y oficinas, lo que implica un gran problema. Por lo tanto, se requiere una solución para minimizar el ruido producido por estos sitios de construcción. Construction sites are a source of noise pollution. Because of this, there are many laws around the world that require construction sites to work during the day, in order to avoid disturbing people's sleep. However, some of these jobs require street closures, which in turn increase vehicular congestion during the day. Also, loud noise affects humans both physically and psychologically, which can manifest itself in a reduction in our performance and our ability to react to emergency situations, as well as irreversible damage to hearing and other health problems. Even so, some construction work has to be done indoors or near facilities such as schools, hotels, hospitals and offices, which implies a big problem. Therefore, a solution is required to minimize the noise produced by these construction sites.

Hay otras situaciones en las que la reducción de ruido sería deseable. Por ejemplo, un perro ladrando continuamente, el llanto de un bebé en un área cerrada, el uso de máquinas herramientas e incluso electrodomésticos pueden producir un ruido molesto. Sin embargo, en estos casos, la fuente de ruido es móvil y una solución que pueda ser adjunta a ella sería necesaria. Las técnicas de reducción de ruido, esquemas y equipo relacionado se muestran en numerosas invenciones anteriores. Sin embargo, la tecnología de reducción de ruido basado en el procesamiento de señales se ha utilizado anteriormente para eliminar los componentes de ruido producidos a partir de una fuente en un espacio específico y normalmente pequeño, así como en la patente US 8,270,626 B2, expedida a Shridhar, et. al. en septiembre 2012, y la patente US 6,654,467, expedida a York, et. al. en noviembre 2003, en lugar de cancelar el ruido producido por múltiples fuentes a medida que se propaga radialmente. Por otro lado, diversos materiales y recintos se han ideado previamente para reducir el ruido en aplicaciones relacionadas con nuestro campo de invención como en la patente US 6,581 ,724 B2, expedida a Dutton, et. al. en junio 2003, pero difieren de la nuestra en que nosotros no disipamos o amortiguamos el ruido mecánicamente.There are other situations in which noise reduction would be desirable. For example, a dog barking continuously, the crying of a baby in an enclosed area, the use of machine tools and even appliances can produce annoying noise. However, in these cases, the noise source is mobile and a solution that can be attached to it would be necessary. Noise reduction techniques, schemes and related equipment are shown in numerous previous inventions. However, noise reduction technology based on signal processing has previously been used to eliminate noise components produced from a source in a specific and normally small space, as well as in US Patent 8,270,626 B2, issued to Shridhar, et. to the. in September 2012, and US Patent 6,654,467, issued to York, et. to the. in November 2003, instead of canceling the noise produced by multiple sources as it spreads radially. On the other hand, various materials and enclosures have been previously designed to reduce noise in applications related to our field of invention as in US Patent 6,581, 724 B2, issued to Dutton, et. to the. in June 2003, but they differ from ours in that we do not dissipate or dampen noise mechanically.

Por lo tanto, una solución compacta y portátil para este problema basado en un enfoque de procesamiento de sonido sería altamente deseable. Tal solución permitiría una instalación más fácil que un recinto modular y a su vez reducirá el tiempo y costos de implementación. También tendría que ser aplicable tanto en interiores como en exteriores y adaptarse a las diferentes condiciones y a la ubicación de las fuentes de ruido de forma automática, y en caso de que se vaya a reducir una única fuente de ruido móvil, la solución debe ser acoplable a ella. Therefore, a compact and portable solution for this problem based on a sound processing approach would be highly desirable. Such a solution would allow an easier installation than a modular enclosure and in turn will reduce the time and costs of implementation. It should also be applicable both indoors and outdoors and adapt to different conditions and to the location of the noise sources automatically, and in case a single mobile noise source is to be reduced, the solution must be docking to her.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN DESCRIPTION OF THE INVENTION

El principal objetivo de la presente invención es proporcionar una reducción significativa de ruido, sobre todo, en zonas sensibles al ruido o unido a fuentes de ruido móviles utilizando un dispositivo portátil compacto, que incluye una unidad de control y procesamiento que implementa un método activo de procesamiento de señal para disminuir el nivel de ruido producido por varias fuentes de sonido. Otro objetivo de esta invención es el uso de un método activo de procesamiento de señal para la reducción de ruido de varias fuentes de sonido. The main objective of the present invention is to provide a significant reduction of noise, especially in areas sensitive to noise or connected to mobile noise sources using a compact portable device, which includes a control and processing unit that implements an active method of Signal processing to decrease the level of noise produced by various sound sources. Another object of this invention is the use of an active signal processing method for noise reduction from various sound sources.

Dispositivo de acuerdo con la presente invención se va a colocar en ambientes ruidosos exteriores o interiores creados por varias fuentes de ruido acústico o unidos a una única fuente de ruido móvil. La realización preferida de este dispositivo comprende una estructura piramidal de cuatro lados con un arreglo de cuatro sensores de sonido de entrada y cuatro altavoces, un par de sensores - altavoces en cada lado de la pirámide. El método considerado en esta invención consiste en tomar muestras del ruido capturado por los sensores, y el procesamiento de estas muestras por medios digitales a fin de determinar una fuente de ruido equivalente (ubicación e intensidad), que entonces se utiliza para generar una señal de cancelación de ruido. Esta señal de cancelación se vuelve a procesar y se descompone y cada uno de los componentes resultantes es amplificado y reproducido a través de cada uno de los altavoces. El anti-ruido acústico resultante generado se combina con el ruido de las fuentes para reducir considerablemente el nivel de ruido en el entorno. Las fuentes de ruido son periódicamente muestreadas para actualizar la información de ruido y hacer que el sistema sea adaptivo y autoajustable. Además, el método contempla un proceso para evitar que el dispositivo cancele la señal anti-ruido de salida del dispositivo en sí. Device according to the present invention is to be placed in noisy outdoor or indoor environments created by various sources of acoustic noise or linked to a single mobile noise source. The preferred embodiment of this device comprises a four-sided pyramidal structure with an arrangement of four input sound sensors and four speakers, a pair of sensor-speakers on each side of the pyramid. The method considered in this invention consists in taking samples of the noise captured by the sensors, and processing these samples by digital means in order to determine an equivalent noise source (location and intensity), which is then used to generate a signal from Noise Cancellation. This cancellation signal is reprocessed and decomposes and each of the resulting components is amplified and reproduced through each of the speakers. The resulting acoustic anti-noise generated is combined with source noise to significantly reduce the level of noise in the environment. The noise sources are periodically sampled to update the noise information and make the system adaptive and self-adjusting. In addition, the method contemplates a process to prevent the device from canceling the output anti-noise signal of the device itself.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS DESCRIPTION OF THE FIGURES

FIG. 1 es un dibujo pictórico de la realización preferida de nuestra invención que indica los componentes principales. FIG. 1 is a pictorial drawing of the preferred embodiment of our invention indicating the main components.

FIG. 2 muestra la parte superior, posterior y lateral de la realización preferida de nuestra invención, así como un dibujo pictórico. FIG. 2 shows the top, back and side of the preferred embodiment of our invention, as well as a pictorial drawing.

FIG. 3 es el diagrama funcional de nuestra invención. Muestra los dispositivos de entrada, las etapas de procesamiento de señales y los altavoces. FIG. 3 is the functional diagram of our invention. Shows input devices, signal processing stages and speakers.

FIG. 4 muestra la parte superior, posterior y lateral de una realización alternativa de nuestra invención, así como su dibujo pictórico. FIG. 4 shows the top, back and side of an alternative embodiment of our invention, as well as its pictorial drawing.

DESCRIPCION DETALLA DE LA INVENCIÓN DESCRIPTION DETAIL OF THE INVENTION

Tal como se describe a continuación, las siguientes figuras muestran el dispositivo portátil para la reducción de ruido adaptativo. Los dibujos están destinados a demostrar la funcionalidad de un dispositivo de este tipo y sus componentes principales. Sin embargo, estas imágenes no están a escala. Varios tamaños y formas del dispositivo se pueden determinar, en base de los requisitos de salida de potencia específica de la aplicación y las tecnologías disponibles altavoces y micrófonos. Aun así, los dibujos son lo suficientemente claros para establecer el concepto de funcionamiento y metodología. As described below, the following figures show the portable device for adaptive noise reduction. The drawings are intended to demonstrate the functionality of such a device and its main components. However, these images are not to scale. Various sizes and shapes of the device can be determined, based on the application specific power output requirements and the available speaker and microphone technologies. Even so, the drawings are clear enough to establish the concept of operation and methodology.

FIG. 1 es un dibujo pictórico de la realización preferida de nuestra invención que indica los componentes principales. La invención se compone de un conjunto de altavoces 1 y una fuente de poder 6. Esta realización particular del conjunto de altavoces consiste en cuatro paneles triangulares 2 ensamblados juntos en una configuración piramidal. Tal configuración se ha elegido de modo que el efecto de reducción de ruido producido por el dispositivo tenga una cobertura semiesférica. Un altavoz con un ángulo de cobertura de 90 ° 3 se instala en cada panel triangular 2, orientado de manera que juntos cubran 360 ° horizontalmente y 180 ° verticalmente sin producir reflejos con el suelo. Un sensor de sonido 4 es instalado en cada panel triangular también. Estos sensores de sonido proporcionan una cobertura de 360° alrededor del conjunto de altavoces. Esta realización de la invención se puede realizar con geometrías alternativas dependiendo del ángulo de cobertura de los altavoces utilizados. El conjunto de altavoces 1 está conectado a la fuente de potencia 6 a través del cable de alimentación 5. FIG. 1 is a pictorial drawing of the preferred embodiment of our invention indicating the main components. The invention is comprised of a speaker set 1 and a power source 6. This particular embodiment of the speaker set consists of four triangular panels 2 assembled together in a pyramidal configuration. Such configuration has been chosen so that the noise reduction effect produced by the device has hemispherical coverage. A loudspeaker with a coverage angle of 90 ° 3 is installed in each triangular panel 2, oriented so that together they cover 360 ° horizontally and 180 ° vertically without producing reflections with the ground. A sound sensor 4 is installed in each triangular panel as well. These sound sensors provide 360 ° coverage around the speaker set. This realization of the The invention can be carried out with alternative geometries depending on the coverage angle of the speakers used. The speaker set 1 is connected to the power source 6 through the power cable 5.

FIG. 2 muestra la parte superior, posterior y lateral de la realización preferida de nuestra invención, así como un dibujo pictórico. Estas vistas demuestran claramente la simetría de la realización de nuestra invención. Esta simetría permite el correcto funcionamiento del dispositivo, sin tener en cuenta su ubicación con respecto a las fuentes de ruido cuyo efecto estamos tratando de cancelar. FIG. 2 shows the top, back and side of the preferred embodiment of our invention, as well as a pictorial drawing. These views clearly demonstrate the symmetry of the realization of our invention. This symmetry allows the correct functioning of the device, regardless of its location with respect to the noise sources whose effect we are trying to cancel.

FIG. 3 es el diagrama funcional de nuestra invención. Muestra los dispositivos de entrada, las etapas de procesamiento de señales y los altavoces. Los sensores de ruido 7 recogen los niveles de ruido que se perciben en cada lado del conjunto de altavoces. La señal de estos sensores se envía a la unidad de control y procesamiento 8. Una vez en la unidad de procesamiento, estas señales se comparan y se combinan en el estimador de fuente equivalente acústico 9. Allí, la posición, la amplitud y la forma de onda de una fuente equivalente se estiman, que es representativa de la suma de todas las fuentes de ruido percibidas por nuestra invención. La señal y la posición resultante se envía entonces a 10, la unidad de desplazamiento de fase y corrección adaptativa. Esta unidad genera una forma de onda que anularía la fuente de ruido equivalente y la corrige por cualquier retraso u otras perturbaciones que afectarían la cancelación de ruido adecuada. Después de esto, que la señal entra en la unidad de control de altavoces 11 , en esta unidad las componentes de audio requeridos de cada altavoz para sintetizar la fuente de ruido de cancelación equivalente son determinadas y enviadas a cada uno de los altavoces 12 que luego producen las señales de audio necesarias para reducir él ruido equivalente generado en el lugar de uso de nuestra invención. El rango de frecuencia de la fuente de ruido equivalente a reducirse es seleccionable. FIG. 3 is the functional diagram of our invention. Shows input devices, signal processing stages and speakers. The noise sensors 7 collect the noise levels that are perceived on each side of the speaker set. The signal from these sensors is sent to the control and processing unit 8. Once in the processing unit, these signals are compared and combined in the acoustic equivalent source estimator 9. There, the position, amplitude and shape Wavelengths of an equivalent source are estimated, which is representative of the sum of all noise sources perceived by our invention. The signal and the resulting position are then sent to 10, the phase shift unit and adaptive correction. This unit generates a waveform that would cancel out the equivalent noise source and correct it for any delay or other disturbances that would affect proper noise cancellation. After this, that the signal enters the speaker control unit 11, in this unit the audio components required of each speaker to synthesize the equivalent cancellation noise source are determined and sent to each of the speakers 12 which then They produce the audio signals necessary to reduce the equivalent noise generated at the place of use of our invention. The frequency range of the equivalent noise source to be reduced is selectable.

FIG. 4 muestra la parte superior, posterior y lateral de una realización alternativa de nuestra invención, así como su dibujo pictórico. Una realización alternativa del conjunto de altavoces 13 se compone de cuatro paneles triangulares 14 que forman una pirámide de tres lados. Un altavoz con un ángulo de cobertura de 120° 15 junto con un sensor de sonido 16 se coloca en cada lado de la pirámide y en su base. El conjunto de altavoces 13 está conectado a la fuente de poder 17 a través del cable de poder 18. El conjunto de altavoces está suspendido verticalmente por un cable 19. Esta configuración produce un efecto de reducción de ruido de cobertura esférica. Esta realización de la invención se puede realizar con geometrías alternativas dependiendo del ángulo de cobertura de los altavoces utilizados FIG. 4 shows the top, back and side of an alternative embodiment of our invention, as well as its pictorial drawing. An alternative embodiment of the speaker assembly 13 is composed of four triangular panels 14 that form a three-sided pyramid. A loudspeaker with a coverage angle of 120 ° 15 together with a sound sensor 16 is placed on each side of the pyramid and at its base. The speaker set 13 is connected to the power source 17 through the power cable 18. The speaker set is suspended vertically by a cable 19. This configuration produces a spherical coverage noise reduction effect. This embodiment of the invention can be performed with alternative geometries depending on the coverage angle of the speakers used.

Claims

1. A device to reduce noise, in indoor and outdoor areas, from multiple unwanted sound sources or from a single mobile noise source. This device consists of:

A set of speakers and a power source connected through a power cable. The speaker set consists of multiple panels assembled together in a geometric configuration that depends on the coverage angle of the speakers used. The configuration allows the noise reduction effect produced by the device to have spherical or hemispherical coverage.

Speakers installed on all panels of the speaker set, oriented so that together they cover the noise reduction space.

Sound sensors installed on each panel. These sound sensors provide coverage around the speaker set.

A control and processing unit that implements an active method of signal processing to decrease the level of noise produced by various sound sources.

2. The device of claim 1, wherein an active method of signal processing to decrease the level of noise produced by various sound sources consists of:

The noise sensors that collect the noise levels that are perceived on each side of the speaker set.

The signal from these sensors is sent to the control and processing unit, where these signals are compared and combined in the equivalent acoustic source estimator.

The signal and the resulting position are then sent to the adaptive phase shift and correction unit, which generates a waveform that would cancel the equivalent noise source and correct it for any delay or other disturbances that would affect the proper noise cancellation.

That signal is sent to the speaker control unit, where the required audio components of each speaker to synthesize the noise required to cancel the equivalent source are determined. Those components sent to each of the speakers that produce the audio signals necessary to reduce the equivalent noise generated at the place of use of our invention.

The ability to select the frequency range of the noise that is reduced

3. The device of claim 1 that executes the method of claim 2 in any possible geometric configuration, depending on the coverage angle of the speakers used and whether a spherical or hemispherical coverage will be provided by the device.

4. The device of claim 1 that executes the method of claim 2 in any of the geometric configurations of claim 3 and all possible dimensions, in relation to the power requirement of the specific application for which it is used.

5. The device of claim 1 that executes the method of claim 2 in any of the geometric configurations of claim 3 and all possible dimensions of claim 4, made of any material that is required for the specific application for which used.