Active Acoustic Attenuator

8/12/2019 Active Acoustic Attenuator

1/27

U n i t e d S t a t e sWarnaka e t a 1 .

0 1 0 1 1 1 [ 1 9 ]

[ 5 4 ] ACTIVEACOUSTICAT T E N U AT O R

[ 7 5 ] I n v e n t o r s :G l e n nE . Wa r n a k a ,E r i e ;L y n nA .P o o l e ;J i r iT i c h y , b o t h o f S t a t e

C o l l e g e , a l l o f P a .[ 7 3 ] A s s i g n e e : L o r dC o r p o r a t i o n ,E r i e , P a .[ 2 1 ] A p p l .N o . :2 1 3 , 2 5 4[ 2 2 ] F i l e d : D e c . 5 , 1 9 8 0

[ 5 1 ] I n t . 0 1 . 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 1104B 15/00;H04B11/00;FOlN 1 / 0 6

[ 5 2 ] us. 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 381/71; 3 8 1 / 7 3[ 5 8 ] F i e l d o f S e a r c h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 1 7 9 / 1 F , 1 P , 1 D;

1 8 1 / 2 0 6 ;3 8 1 / 7 1 , 9 4 , 9 e ,9 8 ,1 0 3 , 1 0 8 ,1 2 1[ 5 6 ] R e f e r e n c e s C i t e d

U . S . PAT E N T DOCUMENTS

2 ,0 4 3 ,4 1 6 6/1936 Lueg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . . . . . . .. . 381/712,618,353 11/1952 Hendrick . . . . . . . . .

2 , 7 7 6 , 0 2 0 1 / 1 9 5 7 Conove r e t a 1 .2 , 9 8 3 , 7 9 0 5 / 1 9 6 13 , 2 4 7 , 9 2 5 4 / 1 9 6 6 1 7 9 / 1 1 4R3 , 396 , 812 8/1968 . . . .. . 181/250

3 , 6 8 5 , 6 1 0 8 / 1 9 7 2 1 8 1 / 2 0 63 , 7 8 4 , 7 4 7 1 / 1 9 7 4 1 7 9 / 8 1 B

3,826,870 7 /1974 Wurm t a l .,922,488 11/1975 Gabr . . . . . . . .. .

3 ,9 3 6 ,6 0 6 2/1976 Wanke . . . . .. .

4 , 0 2 5 , 7 2 4 5 / 1 9 7 7 D a v i d s o n ,J r . e t a 1 .4 , 044 , 203 8/1977 Swinbanks . . . . . . . . . . .. .

4,109,108 8 /1978 C o x o n e t a l . . .4 , 122 , 303 1 0 / 1 9 7 8 C h a p l i n e t a 1 . . . . . . . . 1 7 9 /1 P

4,153,815 5/1979 Chaplin e t a ] . . . . .. . 179/1 P

4,171,465 10/1979 Swinbanks . . . . . . .. .4 , 1 7 7 , 8 7 4 1 2 / 1 9 7 9 An g el in i e t a 1 . . . . . . . . . .

4,238,746 12 /1980 McCool t a 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3 3 3 / 1 6 6

FOREIGN PATENT DOCUMENTS

2507428 8/1975 Fed . Rep. of Germany . . .. . 181/2061 3 5 7 3 3 0 6 /1974 Uni ted Kingdom . . . . . . . . . . . . .. 181/2061512014 5/ 1978 United ingdom .

OTHER P U B L I C AT I O N S

MohammedU l y s s e s F i p s ,I . R . E . ,N o i s e N e u t r a l i z e r ,A p r . 1 9 5 2 ,p p . 5 2 - 5 3 .R a d i oE l e c t r o n i c s ,S o u n dD e s t r o y sS o u n d ,A u g . 1 9 5 4 ,p p . 7 0 - 7 1 .

[ 1 1 ] P a t e n t Number:

[ 4 5 ] Date o f P a t e n t :4 , 4 7 3 , 9 0 6

S e p .2 5 ,1 9 8 4

W. B . C o n o v e r ,F i g h t i n g N o i s ew i t h N o i s e , M a r . 1 9 5 6 ,p p . 7 8 - 8 2 , 9 2 .H . F . O l s o n , E l e c t r o n icC o n t r o l o fN o i s e , Vi b r a t i o n , &R e v e r b e r a t i o n ,S e p .1 9 5 6 ,p p .9 6 6 - 9 7 2 .D i S t e f a n o ,e t a l . ,L i n e a r S y s t e m s& i f f e r e n t i a lEquat i o n s ,1 9 6 7 , p p . 3 1 - 3 2a n d The L a p l a c e T r a n s f o r mp p .5 6 - 5 9 ,p p . 3 5 5 - 3 5 6 .J . C . B l e a z y , E l e c t r o n i c S o u n dA b s o r b e r , A p r . 1 9 6 2 ,v o l . . l 0 ,N o . 2 , p p . 1 3 5 - 1 3 9 .S . Onoda t a l . ,A u t o m a t i cC o n t r o lo f S t a t i o n a r yN o i s eb y M e a n so f D i r e c t i v i t yS y n t h e s i s ,A u g . 2 1 - 2 8 ,1 9 6 8 ,p p . F-l85-F-l88.B .W i d r o w ,A d a p t i v eF i l t e r s ,1 9 7 1 ,p p . 1 - 2 5 .J . J .M . J e s s e l e t 2 1 1 . ,Active So u n d Absorbers I n An irD u c t , 1 9 7 2 , p p .3 8 4 - 3 9 0 .M. A . S w i n b a n k s ,The A c t i v eC o n t r o l o fSound P r o p ag a t i o n i n Long D u c t s , 1 9 7 3 , p p .4 1 2 - 4 3 6 .B . Widrow t a l . ,A d a p t i v eN o i s eC a n c e l l i n g :P r i n c i p l e sa n d A p p l i c a t i o n s ,D e c . 1 9 7 4 . v o l . 6 3 ,N o . 1 2 .

( L i s t cont inued o n n e x t p a g e . )

P r i m a r yExaminer-A. D . P e l l i n e ns s i s t a n tExaminerRandall P . Myers

A t t o r n e y, A g e n t , o rF i rm Wood , Herron & Evans

[ 5 7 ] A BST RA CTAn c t i v e a t t e n u a t o r i s provided f o r t h e a t t e n u a t i o no f ar e l a t i v e l y b r o a db a n do f l o w e rf r e q u e n c yv i b r a t i o n s u c ha s s oun d w a v e s f ro m a given s o u r c e , b y t h e i n t r o d u ct i o no f c a n c e l l i n g v i b r a t i o n h a v i n g t h e m i r r o r i m a g ea m p l i t u d ea n d p h a s ec h a r a c t e r i t i c s o f t h e s o u r c e v i b r at i o n .The a c t i v e a t t e nu a t o r h e r e i n i n c l u d e s an i n p u t

s e n s o r f o r d e t e c t i n g t h e s o u r c e v i b r a t i o n , a c a n c e l l i n gs p e a k e r f o r g e n e r a t i n g c a n c e l l i n g v i b r a t i o n , a n e r r o rs e n s o r f o r s e n s i n gt h e combination of o u r c e and c a n c e ll i n g v i b r a t i o n , a n d a n e l e c t r o ni c c o n t r o l l e rc o u p l e dt ot h e i n p u t s e n s o r , c a n c e l l i n g s p e a k e r and e r r o r s e n s o r .The e l e c t r o n i c c o n t r o l l e r i n c l u d e s a n a d a p t i v e c a n c e ll i n g ? l t e r which e m p l o y sa d e t e r m i n i s t i c a l g o r i t h mo p e r a b l et o accommodate t h e p r o p a g a t i o nd e l a y s o f t h ev i b r a t i o n s e n s e d b y t h e i n p u t and e r r o r s e n s o r s , andp r o d u c ea n o u t p u t t o a c t i v a t e and o n t r o l t h e c a n c e l l i n gs p e a k e rf o rt h e p r o d u c t i o n o fc a n c e l l i n gv i b r a t i o n .

2 1 C l a i m s , 1 8 D r a w i n gF i g u r e s


2/27

4 , 4 7 3 , 9 0 6P a g e2

OTHER PUBLICATIONSJ . H . B . P o o l e e t a l . ,A n E x p e r i m e n t a lS t u d y o f Swinb a n k s Methods o f A c t i v e A t t e n u a t i o n o fSound i nD u c t s , 1 9 7 6 , p p . 2 5 7 - 2 6 6 .H . G .L e v e n t h a l l ,D e v e l o p m e n t si n A c t i v eA t t e n u a t o r s ,O c t . 1 9 7 6 , p p . 1 - 1 0 .J . M. M c C o o l ,P r i n c i p l e sa n d A p p l i c a t i o n so f A d a p t i v eF i l t e r s :A u t o r i a l R e v i e w , M a r .1 9 7 7 , i - 3 1 .A p p a r e n tD i s c l o s u r eDocument o f C h a p l i ne t a l . ,d a t e dO c t . 2 6 ,1 9 7 7 .M . G . L a r i m o r e ,A d a p t i v e N o i s eC a n c e l l i n gV i a I n p u tE q u a l i z a t i o n , 1 9 7 8 p p . 3 0 4 - 3 0 9 .N. Hesselmann, I n v e s t i g a t i o n of Noise Reduction on a1 0 0kVA r a n s f o r m e rTank by Means o f A c t i v eMetho d s , 1 9 7 8 , p p . 2 7 - 3 4 .G . C a n e v e t ,A c t i v eSound A b s o r p t i o ni na n A i r Condit i o n i n g D u c t , 1 9 7 8 , p p .3 3 3 - 3 4 5 .J o u r n a l o f S o u n d , A c t i v eA t t e n u a t i o n o f N o i s e i nD u c t s , 1 9 7 8p p . 3 0 8 - 3 0 9 .G . B . B . C h a p l i ne t a l . ,The Sound o f S i l e n c e , J u l .1 9 7 8 .

E l e c t r o n i c s ,M i c r o p r o c e s s o r - B a s e dS o u n d D e a d e n e rC u t s Low-Frequency N o i s eU p t o 2 0 d B i n Te s t s , J u l .6 , 1 9 7 8 , p p . 7 0 - 7 1 .

New S c i e n t i s t , S c i e n t i s t s M a k e a Sucker of a L o u dS p e a k e rand M a k e Your Own i c r o ? c h e 0 n a VideoD i s c . ,S e p . 2 8 ,1 9 7 8 p . 9 3 9 .M. R . S a m b u r , A d a p t i v eN o i s e C a n c e l i n gf o rS p e e c hS i g n a l s ,O c t . 1 9 7 8 ,v o l .A S S P - 2 6 ,N o . 5 , p p . 4 1 9 - 4 2 3 .NRDC News, NRDC a n d Lord C o r p o r a t i o nA nn o u n ce D i s c l o s u r e Agre e me n t o n Active S i l e n c e r s ,Nov. 2 0 ,1 9 7 8 , p p . 1 - 2 .J . E . P a u l ,A d a p t i v e D i g i t a lT e c h n i q u e sf o r A u d i oN o i s eC a n c e l l a t i o n ,1 9 7 9v o l .1 , N o . 4 . , p p . 2 - 7 .A. R . D a v i d s o n ,J r . Active Reduction o f Low Freq u e n c yS o u n dFrom L a r g e Vi b r a t i n g S u r f a c e s ,A u g .1 5 ,1 9 7 5 , p p . i - 9 and C h a p t e rV p . 1 3 4 - 1 6 7 .R . E . K a l m a n ,O n t h e G e n e r a lTheory o f C o n t r o l S y st e r n s ,p p . 4 8 1 - 4 9 2 .J . C . B u r g e s s , A c t i v e A d a p t i v e Sound C o n t r o l i n aD u c t : A o m p u t e rS i m u l a t i o n ,1 9 8 1 , p p . 7 1 5 - 7 2 6 .R . D. M a r c i n i a k ,A e a r ? e l d , Underwater Measurement S y s t e m , 1 9 7 9 , p p . 9 5 5 - 9 6 4 .The 1 0 0 t hM e e t i n go f t h e A c o u s t i c a l S o c i e t yo f A m e r

i c a ,Nov. 2 1 ,1 9 8 0 , p p . 8 9 1 - 8 9 2 .Warnaka, A c t i v eA t t e n u a t i o no f Noise-The S t a t e o f t h eA r t , M a y - J u n .1 9 8 2 ,p p . -1 0 0 - 1 1 0 .


3/27

U.S. Patent S e p . 2 5 , 1 9 8 4 S h e e t1 o f 1 2 4,473,906

PRIOR ART

_ _ _ _ ( 5

F i g u r e /

PRIOR ART

1 5 1 /

F i g u r e2PRIOR ART

O

F g u r e 3

PRIOR ART


4/27

US. P a t e n t S e p .2 5 ,1 9 8 4 S h e e t2 o f1 2 4,473,906

m ,SuE

m m k

55:.33


5/27


6/27

U.S. Patent S e p .2 5 ,1 9 8 4 S h e e t 4o f1 2 4,473,906

I500

800000

3 0 00 0FREQUEN Yz

_ [ 1 |,,F0F H H H

Figu

2 00O

x

Q__ ____I 0 06 0 5 0


7/27

US. Patent S e p .2 5 ,1 9 8 4 S h e e t5 o f 1 2 4,473,906

I500

I0000000

300

FREQUEN Yz Figur

2 0 0

I 0 0l | n |o o8 n q 3 8 9 0


8/27

US. Patent S e p .2 5 ,1 9 8 4 S h e e t6 o f1 2 4,473 ,906


9/27


10/27

US. atent S e p .2 5 ,1 9 8 4 S h e e t8 o f 1 2 4,473 ,906

,,5 3


11/27

US. Patent S e p .2 5 ,1 9 8 4 S h e e t9 o f 1 2 4,473,906


12/27


13/27

U.S. Patent S e p .2 5 ,1 9 8 4 S h e e t1 1o f 1 2 4,473,906

Owemw bumqm0...

FYI}

w k

WW

mumnwaz

E d

m?muoowoum m

.51w }53

E

Emwnzaowwm5 6w


14/27

US. Patent S e p .2 5 ,1 9 8 4 S h e e t1 2o f 1 2 4,473 ,906

mQm O

N 0T J

NEE-4 ?l .m

m m3

mwszl

0218258


15/27

4 , 4 7 3 , 9 0 61

A C T I V EACOUSTIC ATTENUATOR

FIELD OF THE INVENTION

The s u b j e c t i n v e n t i o n r e l a t e st o t h e ? e l d o f a c o u s t i ca t t e n u a t i o n , a n d , more p a r t i c u l a r l y, t o a d e v i c e c a p a b l eo f a t t e n u a t i n g a narrow o r broad b an d of lower f r eq u e n c ys o u n d a n ds i n g l ef r e q u e n c i e sp r o p a g a t i n gf r o ma g i v e n s o u r c ethrough a con?ned a r e a s u c ha s a d u c t b yt h e i n t r o d u c t i o n o f c a n c e l l i n g s o u n d which s 1 8 0 o u to f p h a s ea n d e q u a l i n a m p l i t u d et o t h e s o u r c e s o u n d .

BACKGROUND OF THE INVENTION

S i g n i ? c a n tr e d u c t i o n si n t h e s o u n dp r e s s u r e l e v e l so fsound c a r r i e d t h r o u g h con?ned e n c l o s u r e s s u c h a sd u c t s h a s been a n u n r e s o l v e dproblem f o r m a n y y e a r s .I n f a c t o r i e s ,f o r e x a m p l e ,t h e n o i s e p r o d u c e dby m ac h i n e r y a n d v a r i o u s m a n u f a c t u r i n go p e r a t i o n s may b ec a r r i e d f r o m t h e h e a t i n g a n d v e n t i l a t i n g d u c t s i n s u c ha r e a s t o t h e d u c t s which connect t o of?ces a nd o t h e rp a r t s o f t h e p l a n t s i n which a low l e v e l o f n o i s e i s d es i r e d .T h i s i s p a r t i c u l a r l y a p r o b l e mw i t h low f r e q u e n c yn o i s e

i nt h e r a n g e o f i n f r a s o u n d t o 8 0 0 H e r t z , s i n c e

p a s s i v e means t o a t t e n u a t e s u c h f r e q u e n c i e s a r e c o s t l y ,r e l a t i v e l yi n e f f i c i e n ta n d p h y s i c a l l y l a r g ei n s i z em a k i n gthem i m p r a c t i c a lf o r u s e i n m o s tlow f r e q u e n c ya p p l i c at i o n s .

B e g i n n i n gi n 1 9 2 5 a n d c o n t i n u i n g a t a n e x t r e m e l yr a p i d p a c e t o d a y , d e v e l o p m e n t s i n e l e c t r o n i c sh a v em a d e t h e c o n c e p to f a c t i v e a t t e n u a t i o no f n o i s e t o b en o t o n l y a p o s s i b l e b u t a t t r a c t i v e a l t e r n a t i v e t o p a s s i v ea t t e n u a t i o n o f low f r e q u e n c i e s . The p r i n c i p l e o f s oc a l l e d a c t i v e a t t e n u a t i o n i s b a s e d o n t h e f a c t t h a t t h es p e e d o f s o u n d i n a i ri s m uch l e s st h a n t h e s p e e d o fe l e c t r i c a l s i g n a l s .I n t h e t i m e i t t a k e s f o r a sound w a v et o p r o p a g a t ef rom a l o c a t i o n where i t i s d e t e c t e d t o ar e m o t e l o c a t i o n where i t m a y b e a t t e n u a t e d , t h e r e i ss u f ? c i e n t t i m e t o s a m p l et h e p r o p a g a t i n gw a v e ,p r o c e s ssuch i n f o r m a t i o n w i t h i nan e l e c t r o n i c c i r c u i t and prod u ce a s i g n a l t o d r i v e a s p e a k e r which i n t r o d u c e s canc e l l i n gs o u n d 1 8 0 o u t o f p h a s ea n d e q u a l i n a m p l i t u d et o t h e p r o p a g a t i n gs o u n d . Although t h e p r o c e s so f a ct i v e a t t e n u a t i o n o f sound s t a t e d above a p p e a r s t o b ec o n c e p t u a l l ys i m p l e , a r e v i e w o f t h e p r i o r a r t i nt h i sa r e a w i l li l l u s t r a t et h e c o m p l e x i ty o ft h e p r o b l e m t a n dt h e d i f ? c u l t y o f o b t a i n i n ggood a t t e n u a t i o n o v e r a r e l at i v e l yb r o a d b a n d o f l o w e rf r e q u e n c i e s .

O n e o f t h e ? r s t e f f o r t s i n t h e a r e a o f a c t i v e a t t e n u at o r s i s d i s c l o s e d i n US . P a t . No. 2 , 0 4 3 , 4 1 6t o Luegshown i n FIG. 1 . The Lueg s y s t e mi s a monopole cons i s t i n go f a m i c r o p h o n e , a mp l i ? e ra n d s p e a k e r . The

microphone d e t e c t s t h e s o u r c e sound and c o n v e r t s i t si n t o a n e l e c t r i c a ls i g n a l which i s f e d t o t h e a m p l i ? e r .The l o u d s p e a k e r , d r i v e nb y t h e a m p l i ? e r , i s d i s p o s e ddownstream from t h e microphone a t a l o c a t i o n t o g i v et h e n e c e s s a r y t i m e d e l a y t o a c c o m p l i s ha 1 8 0 p h a s er e v e r s a l from t h e s o u r c es o u n d . The o u d s p e a k e ri n j e c t sa m i r r o r image o f t h e s o u r c e sound i n t o t h e d u c t s o ' t h a ta s t h e s o u r c e s ou nd p a s s e s t h e l o c a t i o no f t h e louds p e a k e r , a volume o f e i t h e r h i g h o r low p r e s s u r e a i r i si n t r o d u c e d 1 8 0 o u t o f p h a s e w i t h t h e c o r r e s p o n d i n gh i g h a n d low p r e s s u r e volume o f a i r o f t h e s o u r c es o u n d .When t h e l o u d s p e a k e ri s p e r f e c t l ys y n c h r o n i z e dw i t h t h e p a s s a g eo f t h e s o u r c en o i s e , t h e p r e s s u r eo f t h e

. s o u r c e n o i s eand t h a t o f t h e l o u d s p e a k e r a v e r a g e st o 0( a m b i e n ts t a t i cp r e s s u r e ) a n d t h e n o i s e i s c a n c e l l e d .

I t i s a p p a r e n tfrom a n e x a m i n a t i o no f t h e Lueg s y s t e mt h a t a t t e n u a t i o n w i l l o c c u r i f t h e d i s t a n c e between t h e

5

1 5

2 5

40

4 5

6 0

6 5

2m i c r o p h o n e( w h e r e t h e s o u r c e s o u n d i s s a m p l e d )a n dt h e l o u d s p e a k e r( w h e r e t h e c a n c e l l i n g s o u n d i s i n t r od u c e d ) s s u c h t h a tt h e p h a s es h i f to f t h e e l e c t r i c a ls i g n a ls e n t t o t h e a m p l i ? e re q u a l s 1 8 0 o r a n odd m u l t i p l e o f1 8 0 . However, t h i s c o n d i t i o n w i l l occur o n l y f o r as p e c i ? c s t a t i o n a r y a c o u s t i c s i g n a lwhich d o e s n o t v a r yi n t i m e . As a p r a c t i c a l m a t t e r t h e r e f o r e , t h e Lueg s y stem i s e f f e c t i v e o n l y f o r a s i n g l e f r e q u e n c y s i n c e no

means a r e p r o v i d e d t o accommodate p h a s e c h a n g e .W h a t t h i s l i m i t a t i o n o f t h e Lu eg system s hows i s t h a t -t h e r e a r e t w o p a r a m e t e r swhich mu s t b e met f o r gooda t t e n u a t i o n ,i n c l u d i n g d e l a yt i m e , t oa l l o w t h e a c o u s t i cw a v e o m o v e f rom t h e p o i n t o f d e t e c t i o n t o t h e p o i n t o fa t t e n u a t i o n , and p h a s e , t o a s s u r e t h a t a t t e n u a t i o n o c c u r sa t t h e p o i n t o f i n t r o d u c t i o n o f t h e c a n c e l l i n g a c o u s t i cwave

I n a d d i t i o n t o t h e l i m i t a t i o n o f t h e Lueg s y s t e ma s s o ~c i a t e d w i t h p h a s ed e t e c t i o n a n d a c c o m o d a t i o n ,a p r o bl e m e x i s t sw i t h t h e g e n e r a t i o n o fs t a n d i n gwaves by t h el o u d s p e a k e ri n t h e u p s t r e a md i r e c t i o n t o w a r d t h e m ic r o p h o n e .B e c a u s eo f t h e s t a n d i n g wave p a t t e r n ,t h ep r e s s u r e o f t h e sound ? e l d a t t h e microphone i s a r t i ?c i a l l y nonuniform which means t h a t a t a g i v e n f r eq u en cy t h e microphone may be l o c a t e d a t a n o d e ora n t i n o d e o f a s t a n d i n gwave. T h e r e f o r et h e c a n c e l l a t i o ns i g n a l p r o d u c e db y t h e s p e a k e rm a y b e made t o b e t o og r e a t o r t o o l i t t l e .A s a r e s u l t , t h e so u n d ? e l d m a y bea m p l i ? e db y t h e s t a n d i n gwaves i n s u c h a w a y t h a t t h er e s u l t i n gp r o p a g a t i o nd o w n s t r e a mf r o m t h e s p e a k e rc o u l d b e e v e n g r e a t e r t h a n t h e s o u n dp r o d u c e dby t h es o u r c e . I n a d d i t i o n , t h e s t a n d i n gw a v e ? e l d c o u l di n t e ns i f y t h e sound p r e s s u r e i n t h e d u c t and more soundc o u l d p a s s t h r o u g h t h e w a l l s o f t h e d u c t c r e a t i n g as e c o n d a r yp r o b l e m .

I n a n e f f o r t t o a v o i d t h e a b o v e - i d e n t i ? e ds t a n d i n gwave p r o b l e ma n d e x p a n dt h e f r e q u e n c y r a n g e o fa t t e nu a t i o n , s e v e r a l a c t i v e a t t e n u a t i o n s y s t e m s have b e e nd e v e l o p e ds u b s e q u e n tt o t h e Lueg y s t e m .One r i o r a r ts y s t e m , s h o w n i n FIG. 2 , u t i l i z e st h e c o m b i n a t i o no f am o n o p o l e / d i p o l e a r r a n g e m en tw i t h t h e d i p o l e b e i n gl o c a t e d on o n e w a l l o f t h e d u c t a n d t h e monopole b e i n gl o c a t e d o n t h e o p p o s i t es i d e o f t h e d u c t a s shown. T h i ss y s t e mw a s ? r s t i n t r o d u c e db y M . J e s s e l and G. Mang i a n t e and i s d e s c r i b e d i n a p a p e r e n t i t l e d , A c t i v eSound A b s o r b e r s. I n An A i r D u c t , JS V 1 9 7 2 ) 2 3( 3 , 3 8 3 - 3 9 0 ) .The d i p o l e a n d m o n o p o l eo f t h e J e s s e ls y s t e ma r e p h a s e ds o t h a t t h e y add i n t h e downstreamd i r e c t i o n and s u b t r a c t i n t h e u p s t r e a md i r e c t i o n a l l o wi n g a u n i d i r e c t i o n a l p r o p a g a t i o nt o b e formed when t h es o u r c e s a r e b a l a n c e d . I t h a s been found h o w e v e r t h a t

t h e r e s u l t s o b t a i n a b l e w i t h t h e J e s s e l s y s t e m a r e f r equency d e p e n d e n tand r e l a t e d t o t h e h a l f wave l e n g t ho f t h e d i p o l e s e p a r a t i o n .I n a d d i t i o n ,t h e c o m p l e x i t yo ft h i ss y s t e m d o e sn o t l e n d i t s e l ff o r u s e i n m a n y p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s .

A s a me a ns o f s i m p l i ? c a t i o no f t h e J e s s e l system andt o o b t a i n i m p r o v e dp e r f o r m a n c e ,t h e d i p o l e s y s t e m sshown i n FIGS. 3 and 4 were d e v e l o p e d .The s y s t e mshown i n FIG. 3 i s d i s c u s s e d i n U S . P a t . No. 4 , 0 4 4 , 2 0 3t o S w i n b a n k s .Swinbanks removed t h e monopole f o u n di n J e s s e la n d a l t e r e d t h e p h a s e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h ed i p o l e s o t h a t t h e p r o p a g a t i o n o fb o t h s o u r c e s i s addedi n t h e downstream d i r e c t i o n and c a n c e l l e di n a d i r e c t i o nu p s t r e a mtoward t h e m i c r o p h o n e .The a c t i v e a t t e n u a

t o r shown i n FIG. 4 , and d i s c l o s e d i n U S . P a t . No.4 , 1 0 9 , 1 0 8t o Coxon e t a l , l o c a t e s t h e microphone b etween two l o u d s p e a k e r st o produce a mi n i mu m l e v e l a t


16/27

4,473,9063

t h e m i c r o p h o n ep o s i t i o n when t h e p r o p e r p h a s i n gb et w e e n t h e s p e a k e r s i s i n t r o d u c e d . W h i l et h i ss y s t e mi sr e ? e c t i v e and p r o d u c e s a s t a n d i n g w a v e p a t t e r n u ps t r e a mo f t h e d i p o l e ,t h e d e t e c t i o n s y s t e m ( m i c r o p h o n e )i s n o t a f f e c t e d b e c a u s ei t i s l o c a t e d b e t w e e nt h e s p e a ke r s ,u n l i k e t h e Swinbanks s y s t e m .

I n r e v i e w i n gt h e p e r f o r m a n c eo f t h e d i p o l e a n d d i p ol e / m o n o p o l es y s t e m s , i t h a s b e e n f o u n d t h a t e a c h o f

t h e s e m u l t i s o u r c es y s t e m s s e e m t o have geometry r el a t e dl i m i t a t i o n s .The h y s i c a l s p a c i n go f t h e l o u d s p e a ke r s a n d m i c r o p h o n e sp r o d u c e sa t u n i n g e f f e c t whichs e t st h e f r e q u e n c y o fb e s t p e r f o r m a n c eand t h e bandw i d t h . Although h i g h l e v e l s o f a t t e n u a t i o n a r e p o s s i b l e ,p a r t i c u l a r l y w i t h t h e S w i n b a n k ss y s t e m s ,s u c ha p e r f o rmance i s o b t a i n a b l e o n l y t h r o u g h a r e l a t i v e l y s m a l lband width on t h e o r d e r o f a b o u t 2 o c t a v e smaximum.A c c o r d i n g l y , t h e m o s t r e c e n t a p p r o a c h e st o a c t i v en o i s e a t t e n ua t i o n i n d u c t s have c o n c e n t r a t e d on imp r o v e m e n to f t h e m o n o p o l es y s t e m? r s ti n t r o d u c e db yLueg a s d i s c u s s e d a b o v e . U S . P a t . No. 4 , 1 2 2 , 3 0 3 t oC h a p l i ne t a 1 i s o n e e x a m p l eo f a monopole s y s t e m i nw h i c h r e l a t i v e l ys o p h i s t i c a t e d e l e c t r o n i cc i r c u i t r yi si n c o r p o r a t e d i n t o t h e b a s i cm i c r o p h o n e / l o u d s p e a k e rc o n s t r u c t i o nf o u n di n t h e Lueg s y s t e m . I nC h a p l i ne t a l ,a s e c o n d a r yc a n c e l l i n gwave s produced b y a ? r s t e l e ct r i c a ls i g n a l which r e p r e s e n t s t h e p r i m a r ys o u n dwaves e n s e d b y a m i c r o p h o n e .The ? r s t e l e c t r i c a ls i g n a li sc o n v o l v e dw i t h t h e s e c o n d s i g n a l d e r i v e d f r o m t h es y s t e m i m p u l s e r e s p o n s ea s a program o f o p e r a t i o n a ls t e p s .T h i s p r o c e s sr e p r e s e n t s t h e s t a n d a r d o p e r a t i o no fan a d a p t i v e ? l t e r a s d e s c r i b e d i n Fe e dba c k and C o nt r o l S y s t e m s , S c h a u m sO u t l i n e S e r i e s ,1 9 6 7 ,p p .1 7 9 - 1 8 5 ; A d a p t i v eF i l t e r s ,W i d r o w ,B . ,A s p e c t so fN e t w o r ka n d S y s t e m T e o r y ,( 1 9 7 1 ) ; P r i n c i p l e sa n dA p p l i c a t i o n so f A d a p t i v eF i l t e r s :A u t o r i a l R e v i e w ,M c C o o l ,J . M . ; W i d r o w ,B . ,I n s t i t u t eo f l e c t r i c a lE n g in e e r s ,( 1 9 7 6 ) .To a v o i d t h e p r o b l e mo f s t a n d i n g wavesp r o d u c e db y t h el o u d s p e a k e ra n d p r o p a g a t e d u p s t r e a mt o t h e microphone, C h a p l i ne t a 1 s u g g e s t s t h e u s eo f au n i d i r e c t i o n a l m i c r o p h o n eo r l i n i n g t h e d u c t b e t w e e nt h e s p e a k e r a n d m i c r o p h o n ew i t h a c o u s t i c a l l y a b s o rb a n t m a t e r i a l . I n a d d i t i o n , C h a p l i n e t a l s u g g e s t s t h ep o s s i b i l i t yo f i n c o r p o r a t i n gc i r c u i t r y t o p r o v i d e a s e co n d c o n v o l u t i o n c a p a b l eo f c o m p e n s a t i n gf o rt h e f e e db a c ks i g n a lp r o d u c e db y t h e u p s t r e a ms t a n d i n g w a v e s .However, a s d i s c u s s e d i n m o r e d e t a i l below, t h e s oc a l l e d a d a p t a t i o n p r o c e s s o ft h e C h a p l i ne t a l s y s t e moccurs over a p e r i o d of f r om 5 t o 30 minutes and s t h u sd e p e n d e n t o n t h e s o u r c e s i g n a lr e m a i n i n g e s s e n t i a l l yc o n s t a n t over t h a t p e r i o d . Moreover, t h e c o n t r o l s y stem f u n c t i o n s s o s l o w l y t h a t i n most p r a c t i c a l c a s e s i t

mus t b e m a n u a l l ys h u t o f f w h i l e t h e ? r s t c o n v o l u t i o np r o c e s s i s s t i l lo p e r a t i v e t o a v o i d s y s t e mh u n t i n g o ro s c i l l a t i o n between b e t t e r and p o o r e r r e s u l t s .

I t s h o u l da l s o b e n o t e d t h a t e a c ho f t h e s y s t e m si d e n t i?ed above s h a r e a common problem which i n m a n yp r a c t i c a la p p l i c a t i o n sw i l lr e d u c e i f n o t e l i m i n a t e t h e i rp o t e n t i a l u s e .I n e a c h c a s e , t h e s p e a k e r p o r t i o n o f t h es y s t e mi s p l a c e d d i r e c t l y i n t h e e n v i r o n m e n to f t h e d u c tt o i n t r o d u c e t h e c a n c e l l i n gs o u n d . I t i s a n t i c i p a t e d t h a ti n many a p p l i c a t i o n se x i s t i n gs p e a k e r sw i l ln o t b e a b l et o s u r v i v e t h e t e m p e r a t u r e s , p a r t i c u l a t e s o r o t h e r f o re i g n m a t e r i a l s f o u n d i n t h e environment o f t h e d u c t o ri n u n p r o t e c t e da r e a s o u t s i d e o f t h e d u c t .

SUMMARY OF THE INVENTION

The s u b j e c t i n v e n t i o n i s a modi?ed m o n o p o l e - t y p ea c t i v e a c o u s t i c a t t e n u a t o r which m a y b e t h o u g h t o fa s

2 5

3 5

40

4 5

6 5

4c o n s i s t i n g o f t h r e e s e p a r a t e c o m p o n e n t s ' i n c l u d i n gap h y s i c a l s y s t e m , e l e c t r o n i c c i r c u i t r ya n d a c o u p l i n gc o m p o n e n tb e t w e e nt h e p h y s i c a l s y s t e ma n dc i r c u i t r y .The p h y s i c a ls y s t e mc o n s i s t so f t h e d u c t t h r o u g hw h i c hso u n d wa ve s propagate f rom a g i v e n s o u r c e , an a c o u s t i cm i x e r c o n n e c t e di n l i n ew i t h t h e d u c t , a s p e a k e r d i sp o s e d i n a p r o t e c t i v e e n c l o s u r e a t a s p a c e d d i s t a n c ef r o m t h e d u c t a n d a w a v e g u i d ec o n n e c t i n gt h e s p e a k e r

t o t h e a c o u s t i c m i x e r .The e l e c t r o n i c c i r c u i t r y c o m p on e n t o f t h e a c t i v e a t t e n u a t o r h e r e i n c o n s i s t s o f t h r e ed i s t i n c ta d a p t i v e ? l t e r s u t i l i z i n ga m o d i ? c a t i o no f t h eWidr ow- I - I o f f LMS r l e a s t mean squar e a lgo r i t hm i n at r u e a d a p t i v e a c o u s t i c c a n c e l l i n gc o n ? g u r a t i o n .A icrophone a r r a y , d i s p o s e d i n t h e d u c t a t a l o c a t i o n ups t r e a m f r o m t h e a c o u s t i cm i x e r , a n d a microphone p o s it i o n e d w i t h i n t h e a c o u s t i cm i x e rdownstream f r o m t h ew a v e g u i d e f o r mt h e c o u p l i n gm e a n sb e t w e e nt h e p h y s ic a ls y s t e ma n d e l e c t r o n i c c i r c u i t r y .

As d i s c u s s e d i n d e t a i lb e l o w , t h e o p e r a t i o n o f t h es u b j e c t i n v e n t i o n m a y b e d e s c r i b e di n g e n e r a l t e r m s a sf o l l o w s .The microphone a r r a y s e n s e s t h e s o u r c esoundi n t h e d u c t and c o n v e r t s i t t o an e l e c t r i c a l s i g n a l whichi s s e n t t o a modi?ed a d a p t i v e ? l t e r i n t h e e l e c t r o n i cc i r c u i t r yc o m p o n e n th e r e i n .The a d a p t i v e ? l t e rg e n e ra t e s a s i g n a l t o d r i v e t h e s p e a k e r f o r t h e p r o d u c t i o n o f c a n c e l l i n g s o u n d 1 8 0 o u t o f p h a s e w i t h t h e s o u r c es o u n d ,w h i c hp r o p a g a t e st h r o u g ht h e w a v e g u i d et o t h ea c o u s t i c m i x e r where i t i s combined w i t h t h e s o u r c es o u n d . The microphone l o c a t e d i n a p o s i t i o n d o w ns t r e a m f r o m t h e w a v e g u i d ew i t h i n t h e a c o u s t i c m i x e r ,d e t e c t s t h e s o u n dr e s u l t i n g from t h e c o m b i n a t i o no f t h es o u r c e a n d c a n c e l l i n g s o u n d a n d p r o d u c e sa s i g n a l

- whi c h r e p r e s e n t s the error or d i f f e r e n c e b e tw een thea t t e n u a t i o n a c h i e v e di n t h e a c o u s t i c m i x e r and t h e d es i r e d a t t e n u a t i o n b a s e d on p r e s e t l e v e l s .T h i s e r r o r s i gn a l i s i n t r o d u c e d i n t o t h e a d a p t i v e ? l t e r which t h e na d j u s t si t ss i g n a ld r i v i n g t h e s p e a k e rs o t h a tt h e c a n c e ll i n g s o u n d p r o p a g a t i n gi n t o t h e a c o u s t i c m i x e r moren e a r l y a p p r o x i m a t e st h e m i r r o r i m a g e o f t h e s o u r c es o u n d . High l e v e l s o f a t t e n u a t i o n a r e t h u s a c h i e v e dw i t h i n t h e a c o u s t i c m i x e r a n d everywhere i n t h e f a r? e l d .

S e v e r a l i m p r o v e m e n t s a n dd e p a r t u r e s f r o mp r i o r a r ta c t i v e a t t e n u a t o r s y s t e m sh a v e b e e nmade n t h e s u b j e c ti n v e n t i o n b o t h i n t h e p h y s i c a l s y s t e m a n d e l e c t r o n i cc i r c u i t r y c o m p o n e n t sd e s c r i b e d a b o v e . T h e s e w i l lb ec o m e a p p a r e n t i n t h e f o l l o w i n gd i s c u s s i o n o f t h e p r ef e r r e de m b o d i m e n t .S u c hi m p r o v e m e n t sh a v e r e s u l t e di n a p e r f o r m a n c ec a p a b i l i t y o f t h e a c t i v e a t t e n u a t o rh e r e i n which f a r e x c e e d s t h a t o f any k n o w n s y s t e m sb o t h i n t e r m s o f t h e a t t e n u a t i o n a c h i e v e dand t h e s p e e d

a n d ? e x i b i l i t yo f o p e r a t i o n .T h e r e f o r ei t i s a n o b j e c t o f t h e s u b j e c t i n v e n t i o n t op r o v i d e a n a c t i v e a c o u s t i c a t t e nu a t o r c o n s i s t i n g o f ap h y s i c a lc o m p o n e n t ,a n e l e c t r i c a lc i r c u i t r yc o m p o n e n tand c o u p l i n gme a ns between t h e t w o .

I t i s a n o t h e ro b j e c t o f t h e s u b j e c t i n v e n t i o nt o p r o v i d ea n a c t i v e a c o u s t i c a t t e n u a t o rh a v i n g a p h y s i c a l s y s t e mcomponent c h a r a c t e r i z e dby a s p e a k e r d i s p o s e di n ap r o t e c t i v e e n c l o s u r ea t a l o c a t i o n remote from t h e d u c t ,which s c o n n e c t e dt h e r e t o by a w a v e g u i d e .

I t i s a f u r t h e r o b j e c t h e r e i n t o p r o v i d e a n a c t i v ea c o u s t i c a t t e n u a t o r h a v i n g a p h y s i c a l s y s t e m c o m p on e n t c o n s i s t i n go f an a c o u s t i cmixer i n t o which a w a v eg u i d e i s c o n n e c t e da t a d i s c r e t e d i s t a n c e f rom t h e t e r m in a t i o n t h e r e o f .

I t i s s t i l la n o t h e r o b j e c t o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n t op r o v i d ean a c t i v e a c o u s t i c a t t e n u a t o ri n which t h e r e i s a


17/27

4 , 4 7 3 , 9 0 65

s p e c i ? c g e o m e t r i c a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e r e l a t i v el o c a t i o no f t h e m i c r o p h o n ea r r a y ,s p e a k e r , w a v e g u i d eand e r r o r microphone w h i c h ' i s n e c e s s a r yt o a c h i e v ed e s i r e d a t t e n u a t i o n .

I t i s a s t i l lf u r t h e r o b j e c t t o p r o v i d e a na c t i v e a c o u s t i ca t t e n u a t o r h a v i n g a n e l e c t r o n i c c i r c u i t r y componentc h a r a c t e r i z e db y a d a p t i v e ? l t e r su t i l i z i n ga m o d i ? e dW i d r o w - R o f fLMS l g o r i t h m .

I t i sa n o t h e ro b j e c t o f t h e s u b j e c t i n v e n t i o nt o p r o v i d ean a c t i v e a c o u s t i c a t t e n u a t o rhaving an e l e c t r o n i c c i rc u i t r y component which o p e r a t e s i n a d e t e r m i n i s t i cf a s h i o n , i n c o n t r a s t t o p r i o r a r t t r i a land e r r o r c i r c u i t r yf u n c t i o n s .

I t i s a f u r t h e r o b j e c t o f t h e s u b j e c t i n v e n t i o n t o p r ov i d e an a c t i v e a c o u s t i ca t t e n u a t o r having an e l e c t r o n i cc i r c u i t r yc o m p o n e n tc o n s i s t i n go f t h r e ed i s t i n c ta d a p ti v e ? l t e r se a c h p r o v i d i n ga s e p a r a t e f u n c t i o n .

DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

O b j e c t s i n a d d i t i o n t o t h e f o r e g o i n g w i l lbecomea p p a r e n tu p o nc o n s i d e r a t i o no f t h e f o l l o w i n gd e s c r i pt i o nt a k e n i n c o n j u n c t i o nw i t h t h e a c c o m p a n y i n gd r a wi n g sw h e r e i n :

F I G . 1 i s t h e p r i o r a r tLueg m o n o p o l ea c o u s t i ca t t e nu a t o r s y s t e m .

FIG. 2 i s t h e p r i o r a r tJ e s s e l e t a 1t r i p o l e o r monopol e / d i p o l e a c o u s t i ca t t e n u a t o r s y s t e m .

FIG. 3 i s t h e p r i o r a r tS w i n b a n k se t a 1d i p o l e a c o u s t i ca t t e n u a t o r s y s t e m .

FIG. 4 i s t h e p r i o r a r t Coxon e t a l d i p o l e a c o u s t i ca t t e n u a t o r s y s t e m .

FIG. 5 i s a view o f a s i m p l i ? e d v er s i o no f t h e a c t i v ea c o u s t i c a t t e n u a t o ro f t h e s u b j e c t i n v e n t i o n .

F I G . 6 s a p a r t i a lv i e wo f t h e s u b j e c t i n v e n t i o n showi n g v a r i o u sp o i n t so f i n t r o d u c t i o no f t h e w a v e g u i d ei n t ot h e a c o u s t i c m ix e r .

FIG. 7 i s a n a l t e r n a t e embodiment o f t h e s u b j e c ti n v e n t i o n i n which two w a v e g u i d e sa r e s y m m e t r i c a l l yi n t r o d u c e di n t o t h e a c o u s t i c m i x e r .

FIG. 7 a i s a v a r i a t i o n o f t h e s y m m e t r i c a li n t r o d u c t i o no f t h e w a v e g u i d e ( s )i n t o t h e a c o u s t i c m i x e r .

FIG. 7 b i s a p a r t i a l c r o s s s e c t i o n a l view t a k e n g e n e ra l l ya l o n g l i n e7 b 7 bo f F I G . 7 a .

FIG. 8 i s a g r a p ho f t h e a t t e n ua t i o n a c h i e v e dh e r e i nw i t h t h e c o n ? g u r a t i o no f t h e s u b j e c t i n v e n t i o nshown nFIG. 6 .

FIG. 9 i s a g r a p h o f t h e a t t e n ua t i o na c h i e v e dh e r e i nw i t h t h e c o n ? g u r a t i o no f t h e s u b j e c t i n v e n t i o nshown nF I G . 7 b .

FIG. 1 0 shows a m u l t i s t a g i n gf u n c t i o n o f t h e s u b j e c ti n v e n t i o n i n which a s i n g l ee l e c t r i c a lc i r c u i t r y compon e n t i s u s e d w i t h p h y s i c a ls y s t e ma n d c o u p l i n gcompon e n t s i n two s e p a r a t e d u c t s .

F I G . 1 1 s h o w sa m u l t i s t a g i n g f u n c t i o no f t h e s u b j e c ti n v e n t i o n i n which t w o } s e t s o f m i c r o p h o n ea r r a y s ,s p e a k e r sa n d e r r o r m i c r o p h o n e sa r e d i s p o s e di n s e r i e sw i t h i n a s i n g l e d u c t c o n t r o l l e d by a s i n g l e e l e c t r i c a lc i r c u i t r yc o m p o n e n t .

F I G . 1 2 i s a p a r t i a lb l o c k d i a g r a mo f t h e d i g i t a l r e a li z a t i o n o f a n a d a p t i v e ? l t e r w i t h t h e s t a n d a r dWi d r o wH o f fLMS l g o r i t h m .

F I G . 1 3 i s a p a r t i a lb l o c kd i a g r a mo f t h e d i g i t a lr e a li z a t i o n o f a n a d a p t i v e ? l t e r h e r e i n w i t h a modi?ed Wi

d r o w - R o f fL M S l g o r i t h m .FIG. 1 4 i s a b l o c k d i a g r a mo f t h e e l e c t r i c a lc i r c u i t r yc o m p o n e n to f t h e s u b j e c t i n v e n t i o n .

2 5

3 0

3 5

4 5

5 0

5 5

6 5

6FIG. 1 5 i s a b l o c k diagram o f t h e a d a p t i v e u n co u

p l i n g ? l t e rp o r t i o no f t h e e l e c t r i c a lc i r c u i t r yc o m p o n e n th e r e i n .

FIG. 1 6 i s a b l o c kd i a g r a mo f t h e a d a p t i v ecompensat i o n ? l t e rp o r t i o n o f t h e e l e c t r i c a lc i r c u i t r yc o m p o n e n therein. '

DETAILED DESCRIPTION THEINVENTION

I n i t i a l l y ,i t s h o u l db e n o t e d t h a t t h e a p p r o a c ht a k e n i nt h e s u b j e c t i n v e n t i o n t o a c h i e v e a c t i v e a t t e n u a t i o n o fn o i s e i s b e l i e v e d t o b e a s i g n i ? c a n t d e p a r t u r e from t h ea p p r o a c hf o l l o w e di n t h e d e v e l o p m e n to f p r i o r a r t s y st e m s . A l l p r e v i o u s known d e s i g n s o f s y s t e m s f o r t h ea c t i v e a t t e n u a t i o n o f s o und w i t h i n a d u c t have proc e e d e di n i t i a l l yw i t h a n a t t e m p t t o s o l v e t h e p r o b l e mi ni t s e n t i r e t y .T h i s a p p r o a c hi n v a r i a b l y i n v o l v e s a s y mb o l i c m a t h e m a t i c a lt r e a t m e n t o ft h e s u b j e c t which t e n d st o r e s u l t i n t h e o r e t i c a l g e n e r a l i t i e s a t t h e e x p e n s e o fo b t a i n i n gs p e c i ? c d e s i g nd e t a i l s .

The s u b j e c t i n v e n t i o n was c o n c e i v e da n d d e s i g n e dw i t h t h e r e c o g n i t i o nt h a t a c t i v e s y s t e m sf o r t h e a t t e n u at i o n o f n o i s e i n d u c t s i n v o l v et h r e e d i s c r e t e componentp a r t si n c l u d i n g t h e p h y s i c a l s y s t e m , t h e e l e c t r o n i c s y st e m ( c o n t r o l l e r )a n d t h e c o u p l i n gs y s t e mb e t w e e nt h et w o . T h i s a p p r o a c hr e c o g n i z e st h e p a r a l l e ln a t u r e o f t h es y s t e m a n d t h e f a c tt h a ts y s t e m p e r f o r m a n c ec a n n o te x c e e d t h e p e r f o r m a n c eo f a n y c o m p o n e n tp a r t .Byi n d e p e n d e nt l y d e v e l o p i n ga n d t e s t i n ge a c h c o m p o n e n tp a r t o f t h e s y s t e mh e r e i n , i t h a s b e e n f o u n dt h a t r e s u l t swere o b t a i n e d m u c h more q u i c k l y t h a ni n p a s t e x p e r ie n c e . T h i s i s p r i m a r i l yd u e t o t h e f a c tt h a t a n y p r o b l e m sencountered i n system o p e r a t i o nwe re m u c h m o r e e a si l yi d e n t i ? e d a s b e i n gc a u s e dby s p e c i ? ccomponent o ft h e s y s t e m , t h u s e l i m i n a t i n gg u e s s work a n d u n n e e d e dm o d i ? c a t i o n .Although s u c h a p r o c e d u r e s e e m st o b ec o n c e p t u a l l ya p p a r e n t , i t i sb e l i e v e d t h a tp r o g r e s si n t h ea r e a -o f a c t i v e s o u n d a t t e n u a t i o n h a s been n e e d l e s s l yd e l a y e d t o a t l e a s tsome e x t e n t s i m p l yb y t h e u n d u e l yc o m p l e xa p p r o a c ht o t h e p r o b l e mu t i l i z e db y p r i o ra r ti n v e n t o r s .

PHYSICAL SYSTEM COMPONENT

R e f e r r i n gn o w t o t h e d r a w i n g sa n d i n p a r t i c u l a r t oFIG. 5 , t h e a c t i v e a c o u s t i c a t t e n u a t o ro f t h e s u b j e c ti n v e n t i o n i s l a b e l l e d g e n e r a l l y w i t h t h e r e f e r e n c e 1 1 .Asd i s c u s s e d a b o v e , t h e a c t i v e a t t e n u a t o r 1 1 m a y b et h o u g h t o f a s c o n s i s t i n g o f t h r e e d i s t i n c tc o m p o n e n t sa n d t h e d i s c u s s i o ni n t h i ss e c t i o n w i l lb e d i r e c t e d p r im a r i l y t o t h e p h y s i c a ls y s t e mc o m p o n e n tw i t h g e n e r a lr e f e r e n c e s t o t h e o t h e r components where n e c e s s a r y .

The p h y s i c a ls y s t e m i n c l u d e s a d u c t 1 3 t h r o u g hwhichsound from a g i v e n s o u r c e p r o p a g a t e s , a n a c o u s t i cm i x e r1 5 c o n n e c t e dt o d u c t 1 3 ,a s p e a k e r1 7 which s t h es o u r c e o fc a n c e l l i n gsound and a w a v e g u i d e 1 9 whichc o n n e c t st h e s p e a k e r1 7 w i t h t h e a c o u s t i cm i x e r 1 5 .

Although t h e a c o u s t i c m i x e r 1 5 i s shown a s h a v i n gas l i g h t l yl a r g e rd i a m e t e r t h a n d u c t1 3 , t h i sg e o m e t r i cr e l a t i o n s h i pi s n o t r e q u i r e d f o rp r o p e r p e r f o r m a n c eo fa c t i v e a t t e n u a t o r 1 3 and s shown e r e i n f o r p u r p o s e so fd i s c u s s i o na n d i l l u s t r a t i o no n l y .

One o f t h e i m m e d i a t e l ya p p a r e n ta d v a n t a g e so f t h ea c t i v e a t t e n u a t o r 1 1 o v e r p r i o r a r t s y s t e m si s t h a t t h es p e a k e r 1 7 i s d i s p o s e d a t a r e m o t e l o c a t i o n from t h ed u c t 1 3 ,and i s c o n n e c t e dt o a c o u s t i c m i x e r 1 5 b y a n

e l o n g a t e dw a v e g u i d e1 9 w h i c hmay b e p r o v i d e d w i t hv a l v e means ( n o t shown) t o p r e v e n t d u s t p a r t i c l e s ,c a u st i c m a t e r i a l o r o t h e r d e b r i s ?owing t h r o u g h d u c t 1 3


18/27

4 , 4 7 3 , 9 0 67

f r o m d a m a g i n gs p e a k e r 1 7 .As shown i n F I G S . 1 - 4 ,e a c h o f t h e p r i o r a r t a c t i v e a t t e n u a t o r s d i s p o s e t h es p e a k e r d i r e c t l y i n t h e d u c t w h e r e t h e i n t e r n a la n de x t e r n a l c o n d i t i o n s which c o u l d b e encountered i nmany a p p l i c a t i o n swould q u i c k l y damage o r r u i n t h e m .The s p e a k e r 1 7 i s n o t o n l y p r o t e c t e d f r o m t h e i n t e r n a le n v i r o n m e n to f t h e d u c t 1 3 a n d a c o u s t i c m i x e r 1 5 bywaveguide 1 9 , b u t i t i s c o n t a i n e d i n a n e n c l o s u r e 2 1

which p r o t e c t s s p e a k e r 1 7 f r o m t h e e x t e r n a l e n v i r o nment o f t h e d u c t 1 3 . Enclosure 2 1 must have a h i g ht r a n s m i s s i o n l o s s and m a y a l s o b e l i n e d w i t h a c o u s t ic a l l y a b s o r b a n tm a t e r i a l t o f u r t h e r p r e v e n t t h e o u t p u t o fs p e a k e r 1 7from p r o p a g a t i n g n a d i r e c t i o n o t h e r t h a nt h r o u g h w a v e g u i d e1 9 . I t s h o u l d b e u n d e r s t o o dt h a tw a v e g u i d e1 9 i s c o m p l e t e l ys e p a r a t e f r o m d u c t 1 3 a n da c o u s t i cm i x e r 1 5 ;t h a t i s , waveguide 1 9 i s n o t a b r a n c hd u c t and t h u s no ?ow f rom t h e main d u c t 1 3 i s c a r r i e dt h r o u g ht h ew a v e g u i d e1 9 .W a v e g u i d e1 9 i s p r o v i d e ds o l e l y f o r t h e p u r p o s e s o f c a r r y i ngt h e c a n c e l l i n g n o i s ef r o m s p e a k e r 1 7t o a c o u s t i c m i x e r 1 5 a n d f o r i s o l a t i n g

1 3 .

The e l e c t r o n i c component o f t h e a c t i v e a t t e n u a t o r 1 1i s shown i n i t s s i m p l e s t f o r m i n FIG. 5 f o r p u r p o s e so ft h e p r e s e n t d i s c u s s i o n . A e t a i l e d d e s c r i p t i o n o f t h ee l e c t r o n i c s o f t h e s u b j e c t i n v e n t i o n w i l lb e p r o v i d e dbelow i n c l u d i n g a n e x p l a n a t i o n o f t h e c o m p l e t ec i rc u i t r y u t i l i z e dh e r e i n . The s i m p l i ? e d v e r s i o n o f t h ee l e c t r o n i c component o f a c t i v e a t t e n u a t o r 1 1 i n c l u d e sa n a d a p t i v e ? l t e r 2 3 , a n a m p l i ? e r2 5 , a p h a s ec o r r e c t i o n? l t e r 29 and a DC l o o p l a b e l l e d g e n e r a l l y w i t h t h er e f e r e n c e 3 1 .The c o u p l i n gcomponent o f t h e s u b j e c ti n v e n t i o n ,w h i c hc o u p l e st h e p h y s i c a ls y s t e mw i t h t h ee l e c t r o n i c s y s t e m , c o n s i s t s o f a microphone a r r a y 3 3d i s p o s e d i n d u c t 1 3 i n advance o r upstream o f w a v eg u i d e 1 9 f o r s e n s i n g t h e s o u r c e s o u n d ,and a microp h o n e 3 5 d i s p o s e d i n a c o u s t i c m i x e r 1 5 d o w n s t r e a mfrom waveguide 1 9 f o r p u r p o s e st o b e c o m e a p p a r e n tb e l o w .

G e n e r a l l y , i n t h e c a n c e l l i n g m o d e o f o p e r a t i o n , a ct i v e a t t e n u a t o r 1 1 o p e r a t e sa s f o l l o w s .Broad band n o i s ep r o p a g a t e sd o w n d u c t 1 3 a n d i s s e n s e d by microphonea r r a y 3 3 which p r o d u c e sa s i g n a l s e n t t o a d a p t i v e ? l t e r2 3 . Adaptive ? l t e r 2 3 p r o v i d e s a n o u t p u t t o d r i v es p e a k e r1 7 w h i c hi n t r o d u c e s c a n c e l l i n g n o i s e t h r o u g hwaveguide 1 9 i n t o a c o u s t i c m i x e r 1 5 . S i n c e a soundw a v e c o n s i s t s of a sequence of compress ions a n d r a re f a c t i o n s a t a g i v e n p h a s ea n d f r e q u e n c y , t h e p r e s s u r eo fsuch w a v e s c a n b e r e d u c e d or cancelled b y generati n g a s e c o n d a r ywave a v i n g c o m p r e s s i o n sa n d r a r e f a ct i o n s e q u a l i n a m p l i t u d ea n d 1 8 0 o u t o f p h a s e w i t ht h ep r i m a r y s o u n dw a v e s . The microphone 3 5 l o c a t e ddownstream from waveguide 1 9 i n a c o u s t i c m i x e r 1 5s e n s e s t h e d e g r e e of a t t e n u a t i o n o r c a n c e l l a t i o no f t h es o u r c e sound a f t e r t h e sound w a v e s produced b ys p e a k e r 1 7h a v eb e e n combined w i t h i t . The s i g n a l f r o mmicrophone 35 i s s e n t t o a d a p t i v e ? l t e r 23 a s an e r r o rs i g n a l ,w h i c h , i n e f f e c t ,i s a n i n d i c a t i o n o f t h e a t t e n u at i o n a c h i e v e d w i t h i n a c o u s t i c m i x e r 1 5 .The a d a p t i v e? l t e r o p e r a t e s t o a d j u s t i t s o u t p u t d e p e n d i n gon t h ec h a r a c t e r o f t h e e r r o r s i g n a l ,s o t h a t t h e s p e a k e r 1 7 i sd r i v e n t o produce c a n c e l l i n g sound which i s moren e a r l y e q u a l i na m p l i t u d ea n d 1 8 0 o u t o f p h a s ew i t h t h esource so u n d .

R e f e r r i n gn o w t o FIG. 6 , a g e o m e t r i c a lr e q u i r e m e n t

f o r optimum o p e r a t i o n o f a c t i v e a t t e n u a t o r 1 1 i s i l l u st r a t e d .I n FIG. 6 , t h e w a v e g u i d e1 9 i s shown e n t e r i n ga c o u s t i c m i x e r 1 5 a t l o c a t i o n s D 1 , D2 a n d D 3 r e s p e c

a n d p r o t e c t i n gs p e a k e r1 7 f r o mt h e e n v i r o n m e n to f d u c t

1 0

20

2 5

3 0

3 5

4 5

5 0

6 0

6 5

8t i v e l y from t h e e n d o f What w i l l b e c o n s i d e r e dt h e e n t i r ed u c t s y s t e m .I n a c c o r d a n c e w i tht h e r e l a t i o n s h i pshownbelow e q u a t i o n ( 1 ) , i t h a s b e e n f o u n dt h a t t h e waveg u i d e 1 9must b e p o s i t i o n e d a t a s p e c i ? c d i s t a n c e fromt h e end o f a c o u s t i c m i x e r 1 5 t o o b t a i n p r o p e r a t t e n u at i o n o f t h e s o u r c es i g n a l b e f o r e t l e a v e s t h e d u c t s y s t e m .T h i s r e l a t i o n s h i pi s

D> 3l ( 1 )

Where:D=distance o f waveguide 1 9 f r o m t h e e n d o f t h e

d u c t s y s t e m .l = t h e l a r g e s td i m e n s i o n( h e i g h t o r w i d t h ) o f t h e

a c o u s t i c mixer 1 5 o r t h e d i a m e t e r o fa r oun d d u c t .The r e l a t i o n s h i p shown n E q u a t i o n( 1 )e x p r e s s e s at h r e s h o l d c o n d i t i o nf o r t h e p h y s i c a l p l a c e m e n to fwaveguide 1 9 from t h e e n d o f t h e d u c t s y s t e mw h e r e i no p t i m u ma t t e n u a t i o n r e s u l t s .E q u a t i o n( 1 )m a y b e e x p r e s s e d i n t e r m s o f a t t e n u a t i o n a s f o ll o w s :

A d B = B t a n h ( : 1 1 ) ( 2 )

Where:A d 1 3 = a t t e n u a t i o ni n d e c i b e l s,B=a l i m i t i n g maximum a t t e n u a t i o n f o r a g i v e n g e o

m e t r i c a lr e l a t i o n s h i pl = c h a r a c t e r i s t i c d u c t d i m e n s i o ne . g .t h e d i a m e t e r o f

a c i r c u l a r d u c t l e n g t h of a s i d e of a square ductl o n g e s t s i d e o f a r e c t a n g u l a r d u c t

a=Any n u m b e r zero or g r e a t e r~ E q u a t i o n( 2 )r e v e a l s t h a tt h e a t t e n u a t i o n o b t a i n e d w i t ht h e a c t i v e a t t e n u t a t o r 1 1 v a r i e s a c c o r d i n gt o t h e h y p e rb o l i c t a n g e n t o f ( 1 1a s t h e l o c a t i o n o f waveguide 1 9 i sm o v e d r e l a t i v e t o t h e end o f t h e d u c t s y s t e mwhich h a sb e e n shown i n FIG. 6 a s t h e t e r m i n a t i o n o f a c o u s t i cm i x e r 1 5 .As m e n t i o n e da b o v e , t h e s y s t e mp e r f o r m a n c eof a c t i v e a t t e n u a t o r 1 1 can b e no b e t t e r than t h e l i m i t at i o n o f any o f i t s c o m p o n e n t s .The g e o m e t r i c a ll i m i t at i o n o f t h e p h y s i c a ls y s t e mcomponent d i s c u s s e da b o v emu s t b e o b s e r v e d t o o p t i m i z e t h e o v e r a l l a t t e n u a t i o nwhich can be a c h i e v e d .

I t s h o u l db e n o t e d t h a t w h i l e FIGS. 5 and 6 s h o w t h ewaveguide 1 9 a s e n t e r i ng a c o u s t i c m i x e r 1 5 a t a r i g h ta n g l e , t h i si s n o t a r e q u i r e m e n to f t h e s u b j e c t i n v e n t i o n .E x t e n s i v e e x p e r i m e n t a t i o nh a s b e e n c o n d u c t e d i nwhich w a v e g u i d e1 9 i s d i s p o s e da t v a r i o u s a n g l e sr e l at i v et o a c o u s t i cm i x e r 1 5 i n c l u d i ng a n g l e so f , 3 0 ,4 5 and 6 0 . I n e a c h i n s t a n c e , t h e l e v e l o f a t t e n u a t i o n obs e r v e d w a s e s s e n t i a l l y e q u a l t o t h a t f o r t h e c a s e i nwhich waveguide 1 9 i s p e r p e n d i c u l a rt o a c o u s t i c m i x e r1 5 .T h i s f e a t u r e o f t h e s u b j e c t i n v e n t i o n i s p a r t i c u l a r l ya d v a n t a g e o u sf r o m t h e s t a n d p o i n t o f i n s t a l l a t i o n ,s i n c ei t i sa n t i c i p a t e d t h a t m a n y a p p l i c a t i o n sm a y h a v e s p a c el i m i t a t i o n swhich would r e q u i r e t h a t t h e w a v e g u i d e1 9be i n t r o d u c e d i n t o a d u c t a t an a n g l e o t h e r t h a n9 0 .

O n e o f t h e p r i m a r ya t t r a c t i o n s o f a c t i v e n o i s e a t t e n ua t o r s i s t h e i r u s e f u l n e s s i n a t t e n u a t i n g sound o f r e l at i v e l y low f r e q u e n c i e s .R e f e r r i n g t o F I G . 8 , a g r a p ho ft h e a t t e n u a t i o n p o s s i b l e i n t h e p h y s i c a l s y s t e m o ft h es u b j e c ti n v e n t i o n h a v i n g t h e c o n ? g u r a t i o ns h o w ni nFIGS. 5 and 6 i s i l l u s t r a t e d .The r e s u l t s o b t a i n e d showt h e d e c a y i n a t t e n u a t i o n a s waveguide 1 9 i s m o v e dtoward t h e end o f t h e d u c t s y s t e m , i n a c c o r d a n c e w i t h

E q u a t i o n s( 1 )a n d ( 2 ) .The a t t e n u a t i o n l e v e l sw e r e o bs e r v e d i n a l a b o r a t o r y environment i n a d u c t havingd i m e n s i o n so f 5 i n c h e s b y 7 i n c h e s , w i t h o u t u s i n g t h e


19/27

4 , 4 7 3 , 9 0 6

e l e c t r i c a lc i r c u i t r yc o m p o n e n to f t h e s u b j e c t i n v e n t i o n .A s s u c h , t h e d a t a p o i n t s r e f l e c tt h e maximum a t t e n u at i o n l e v e l s which c a n b e o b t a i n e d w i t h t h e p h y s i c a ls y s t e md e s c r i b e da b o v e .A c t u a la t t e n u a t i o n l e v e l su s i n gt h e e l e c t r i c a l components h e r e i n have been f o u n d t o b ei n t h e r a n g e o fbetween 2 5 and 3 5 db f o r 5 i n c h b y 7 i n c hd u c t s and f o r d u c t s h a v i n ga wide r a n g e o f d i m e n s i o n s .T h i s r e d u c t i o n i n t h e l e v e l o f l a t t e n u a t i o n i s due t o n o r

m a l component t o l e r a n c e s , a p p r o x i m a t i o n sa n d e r r o r si n t h e e l e c t r o n i c s y s t e ma n d b e c a u s et h e s i g n a l t o n o i s er a t i oo f s t a t e - o f - t h e - a r t e l e c t r i c a lcomponents i s o f t h eo r d e r o f 6 0 d b , a l l o f which a c t t o l i m i t t h e o v e r a l ls y s t e mp e r f o r m a n c e .

A s c a n b e o b s e r v e di n FIG. 8 , t h e embodiment o f t h es u b j e c t i n v e n t i o n shown n FIGS. 5 a n d 6 i s c a p a b l eo fp r o v i d i n g r e l a t i v e l yh i g h a t t e n u a t i o n t o a f r e q u e n c yl e v e l where t h e ? r s t c r o s s m o d e s e n c o u n t e r e d .For a 5i n c h b y 7 i n c h d u c t , t h e ? r s t c r o s s m o d e o c c u r s a t a pp r o x i m a t e l y9 8 0 H z .A l t h o u g hh i g h e rf r e q u e n c i e sc o u l db e a t t e n u a t e d u s i n gp a s s i v em e a n s ,t h e s i z e ,e x p e n s ea n di n e f ? c i e n c y o f p a s s i v e a t t e n ua t o r s l i m i t st h e i r u s e i nmany a p p l i c a t i o n s . I t was u n e x p e c t e d l yd i s c o v e r e d ,h o w e v e r ,t h a t t h e r a n g e o f a t t e n u a t i o n p o s s i b l e w i t ha c t i v e n o i s e a t t e n u a t o r 1 1 c o u l d b e expanded t o f r eq u e n c i e s up t o t h e s e c o n dc r o s s m o d e b y i n t r o d u c i n gt h e c a n c e l l i n gs o u n d t h r o u g hw a v e g u i d e s1 9 d i s p o s e di n t h e s y m m e t r i cc o n ? g u r a t i o n sshown n FIGS. 7 a n d7 1 1 .FIG. 9 shows a graph f o r a c o n ? g u r a t i o no f a c t i v ea t t e n u a t o r s 1 1 e s s e n t i a l l y t h e same a s t h a t s h o w n i nFIG. 7 a i n w h i c h , a p a i r o f waveguides 1 9 a r e i n t r od u ced p a r a l l e l t o and on e i t h e r s i d e o f d u c t 1 3 ,whichco n ?rms t h e e l i m i na t i o n o f t h e ? r s t c r o s s mode.

The o l l o w i n gd e s c r i p t i o nw i l lp r o v i d ea s h o r t di s c u ss i o n o f t h e t h e o r e t i c a l r e a s o n s f o r t h e e l i m i n a t i o n o f t h e? r s t c r o s s m o de where c a n c e l l i n g s o u n d i s s y m m e t r ic a l l y i n t r o d u c e di n t o a d u c t c a r r y i n g t h e s o u r c e s o u n d .R e f e r r i n g t o FIG. 7 b ,which s a n e n d view o f t h e e mb o d i m e n to f t h e s u b j e c t i n v e n t i o n shown n FIG. a , t h ed i m e n s i o n s o ft h e primary d u c t 1 3 a r e g i v e n a s a and bt h r o u g hwhich t h e s o u r c es o u n di s p r o p a g a t e d ,and t h ed i m e n s i o n s o ft h e s y m m e t r i c a l l yd i s p o s e d s e c o n d a r yd u c t 1 4 ( c o r r e s p o n d i n gt o waveguide 1 9 )a r e g i v e n a s ca n d e t h r o u g h which t h e c a n c e l l i n g s o u n d i s p r o p ag a t e d . Assumin t h a t t h e s o u r c e s o u n d a n dc a n c e l l i n gsound p r o p a g a t ei n t h e z d i r e c t io n , t h e sound p r e s s u r ea ta n y p o i n t ( x , y , ZO) i n t h e d u c t m a y b e e x p r e s s e da sf o l l o w s :

( 3 )

Where:A m : d e s c r i b e s a c o e f ? c i e n tdependent o n t h e s o u r c e

m X c o s b y :OS

1 5

45

5 5

D e s c r i b e st h e p r o p a g a t i o no f wa ve s i n t h e x and yd i r e c t i o n f o r a d u c t with hard w a l l s

e ? k z z :d e s c r i b e s t h e p r o p a g a t i o no f w av es i n t h e zd i r e c t i o n

e i w :d e s c r i b e s a t i m e t e r m .From E q u a t i o n( 3 )c o n v e n t i o n a lm e t h o d so f s o l u t i o n

m a y b e u s e d t o s h o w t h a t t h e sound p r e s s u r ebelow t h e? r s t c r o s s mode may b e expressed a s :

6 5

1 0

p c

a b( 4 )

Where:p = d e n s i t yo f t h em e d i u mc = s p e e do f s o u n dU 1 = v e l o c i t ya m p l i t u d eo f t h e c a n c e l l i n gs o u n dU 2 = v e l o c i t ya m p l i t u d eo f t h e s o u r c e s o u n dS 1 = a r e ao v e r w h i c ht h e v e l o c i t y a m p l i t u d ei s U ]S 2 = a r e ao v e r w h i c ht h e v e l o c i t y a m p l i t u d ei s U2To a c h i e v e t h e o r e t i c a l l yc o m p l e t e c a n c e l l a t i o n

( P o o = 0 )E q u a t i o n4 b e c o m e s :

O r , e x p r e s s e dd i f f e r e n t l y :

S 6U 1: _U2 ( )

E q u a t i o n s5 a n d 6 r e v e a l t h a t t h e volume f l o w o f t h ec a n c e l l i n gs o u r c e must have t h e s a me magnitude a s t h a to f t h e n o i s e s o u r c e b u t 1 8 0 o u t o f p h a s e , which s w e l lknown. However, t h e e f f e c t on t h e ? r s t c r o s s m o d e o fi n t r o d u c i n g t h ec a n c e l l i n g s o u n d s y m m e t r i c a l l yt o t h es o u r c e s o u n d i s s u r p r i s i n g , and was ? r s t f o u n d e m p i r ic a l l y .Based on t h e t h e o r e t i c a l c o n s i d e r a t i o n se x p r e s s e da b o v e , i t c a n b e shown t h a t t h e p r e s s u r e a t any p o i n t( x , y ,z O ) i n t h e d u c t i s g i v e n b y :

( 7 )

B m n )C O 5

For t h e c o n d i t i o n s o f c a n c e l l a t i o n o f p l a n e wavesg i v e n i n E q u a t i o n s( 5 )a n d ( 6 )a b o v e , t h e c o e f ? c i e n tBmn a n s i m i l a r l yb e shown b y c o n v e n ti o n a l t e c h n i q u est o b e :

2mn

( 3 )

T h u s , f o r t h e ? r s t c r o s s m o d e where m=l and n=0,a s s u m i n ga i s g r e a t e r t h a n b , B m o = O s i n c e t h e t e r m_ [ 1+ ) ' ] i n E q u a t i o n( 8 )e q u a l s Z e r o f o rm: . T h i ss h o w st h a ti n t h e c o n ? g u r a t i o no f t h e s u b j e c t i n v e n t i o nshown i n FIGS. 7 and 7 a , t h e f r e q u e n c y r a n g eo v e rw h i c hr e l a t i v e l yh i g h a c o u s t i c a t t e n ua t i o nm a y b e o b

t a i n e d i s e f f e c t i v e l y d o u b l e db y e l i m i n a t i o no f t h e ? r s tcross m o d e .T e c h n i q u e ss i m i l a r t o t h o s e u s e d i n t i m e - s h a r i n gc o m

p u t e r s m a y b e a p p l i e d t o t h e e l e c t r o n i c c i r c u i t r y c o mp o n e n th e r e i n ,w i t h a p p r o p r i a t em o d i ? c a t i o nf o rm i c r op h o n ea n d l o u d s p e a k e rt r a n s d u c e r c h a r a c t e r i s t i c s ,t op e r m i t m u l t i - s t a g eo r d u p l e xo p e r a t i o no f a c t i v e a t t e n ua t o r 1 1 a s s h o w n i n F IGS . 10 and 1 1 . R e f e r r i n gt o FI G.1 0 ,a s e p a r a t e m i c r o p h o n ea r r a y 3 3 ,s p e a k e r 1 7 ,waveg u i d e 1 9 a n d m i c r o p h o n e3 5 i s p r o v i d e df o r two s e p ar a t e d u c t s 1 3e a c h h a v i n ga n a c o u s t i cm i x e r 1 5 .A i n g l ee l e c t r i c a lc i r c u i t r yc o m p o n e n to f t h e s u b j e c t i n v e n t i o n ,a s d e s c r i b e d a b o v e ,i s c a p a b l eo f c o n t r o l l i n g t h e s e p ar a t e p h y s i c a ls y s t e mcomponents t o a c h i e v ea t t e n u a t i o ni n b o t h o f t h e d u c t s 1 3 .T h u s , i n a p p l i c a t i o n swhere twos e p a r a t e duct s ys tems a r e run p a r a l l e l t o one anotherwith each system c a r r y i n g t h e same o r a d i f f e r e n t


20/27

4,473,906 I1 1

s o u r c e s o u n d ,t h e a c t i v e a t t e n u a t o r 1 1 h e r e i n h a s t h ec a p a b i l i t yo f a c h i e v i n ga t t e n u a t i o n i nb o t h s y s t e m sw i t ha s i n g l e e l e c t r i c a lc i r c u i t r y c o m p o n e n t .

A e c o n d a p p l i c a t i o n o f t h i sm u l t i - s t a g e o r d u p l e xc a p a b i l i t yo f t h e s u b j e c t i n v e n t i o n i s shown n F I G . 1 1 .I n s o m e i n s t a n c e s i t may b e d e s i r e a b l e t o o b t a i n a l e v e lo f a t t e n u a t i o n i n e x c e s s o f 2 5 t o 3 5 d b . T h e con?gurat i o n o f FIG. 1 1 i n c l u d e s tw o s e t s o f microphone a r r a y s

3 3 , s p e a k e r s 1 7 ,w a v e g u i d e s1 9 a n d m i c r o p h o n e s3 5w i t h o n e s e tb e i n g d i s p o s e ddownstream f rom t h e o t h e rw i t h i n t h e same duct 1 3 . A s t h e source s ound propag a t e s t h r o u g hd u c t 1 3 i t w i l lb e a t t e n u a t e d by t h e ? r s ts p e a k e r 1 7a s d i s c u s s e d a b o v e , a n d t h e n t h e a t t e n u a t e ds o u r c e sound w i l l b e a t t e n u a t e d f u r t h e r b y t h e s e c o n ds p e a k e r1 7 i n t h e same m a n n e r .By l a c i n g two s e p a r a t ep h y s i c a ls y s t e mcomponents o f a c t i v e a t t e n u a t o r 1 1 i ns e r i e sw i t h i n a s i n g l e d u c t 1 3 ,t h e a t t e n u a t i o n o b t a i n e dw i l l b e a d d i t i v e and r e s u l t i n a s i g n i ? c a n t r e d u c t i o n i nt h e d e c i b e l l e v e lo f t h e s o u n dwhich ? n a l l y l e a v e s t h ed u c t s y s t e m .A g a i n ,a s i n g l ee l e c t r i c a lc i r c u i t r y compon e n t o f t h e s u b j e c t i n v e n t i o n u s i n g t i m e - s h a r i n gt e c hn i q u e s i s c a p a b l e o f c o n t r o l l i n g b o t h s e t so f p h y s i c a ls y s t e m c o m p o n e n t s .

ELECTRONIC CIRCUITRY

The e c o n d p r i m a r ycomponent f t h e a c t i v e a c o u s t i ca t t e n u a t o r 1 1 o f t h e s u b j e c t i n v e n t i o n i s t h e e l e c t r o n i ci m p l e m e n t a t i o no r c o n t r o l o f t h e p h y s i c a l s y s t e m d es c r i b e d a b o v e . A r i e f d e s c r i p t i o no f t h e p r i o r a r tm a yb e h e l p f u l i n a p p r e c i a t i n g t h e a d v a n c e smade i n t h ee l e c t r o n i c c o n t r o l c i r c u i t r y h e r e i n . The l i n e a r s u m m at i o no f t w o e q u a l a n d o p p o s i t e s i g n a l sh a s l o n g b e e nr e c o g n i z e da s one approach t o producing a n e l e c t r o n i co r a c o u s t i c n u l l .S e v e r a l o f t h e a c o u s t i c c a n c e l l e r s d ev e l o p e dt o d a t e a r e b a s e d on t h e e q u a l and o p p o s i t e p r i n c i p l e w h e r e i n a c a n c e l l i n g wave g e n e r a t e d by al o u d s p e a k e ri s i n t r o d u c e di n t o a con?ned s p a c e s u c h a sa d u c t t o r e d u c e t h e p r e s s u r e v a r i a t i o n s produced b ysound w av es p r o p a g a t i n gthrough t h e d u c t from ag i v e n s o u r c e . I n t h e s i m p l e s t m o d e l , t h e s i g n a lg e n e ra t e d b y t h e sou rce s considered t o b e a pure tone r e p r es e n t e d b y a s i n g l er o t a t i n g v e c t o r . The a n c e l l i n gs i g n a lm u s t t r a c k t h e s o u r c e w i t h i ns o m e m a x i m u m p e r m i s s ib l e e r r o r t o o b t a i n t h e d e s i r e d a t t e n u a t i o n . A i g n i ? c a n tp r o b l e mw i t h t h i sa p p r o a c h ,w h i c hi s r e c o g n i z e da n ds o l v e d b y t h e p r e s e n t i n v e n t i o n , i s t h a t t h e p e r m i s s i b l ea m p l i t u d ea n d p h a s e e r r o r s must b e h e l d w i t h i n t o l e ra n c e s which a r e a v a i l a b l e only i n t h e very b e s t a c o u s t i cd e v i c e s . For e x a m p l e ,t o o b t a i n 2 0 d e c i b e l s o f c a n c e l l at i o n t h e e r r o r s i n t h e m i c r o p h o n e s ,s p e a k e r a n d e l e ct r o n i c s o f s u c h s y s t e m smust b e l e s st h a n 1 d e c i b e l i n

a m p l i t u d eand 6 i n p h a s e . A s d i s c u s s e d i n more d e t a i lb e l o w , t h e s u b j e c t i n v e n t i o n o v e r c o m e st h i sp r o b l e mu s i n g a t o l e r a n c e r e l a x a t i o n t e c h n i q u e b a s e d on f e e db a c k p r i n c i p l e s .R a t h e r t h a n r e q u i r i n g a c c u r a c yi n a l lc o m p o n e n t s ,a f e e d b a c k s y s t e mc o n c e n t r a t e st h e p e r f o rmance r e q u i r e m e n t si n a few e a s i l y c o n t r o l l e d d e v i c e s .

O n e o f t h e most r e c e n t s o - c a l l e d a c t i v e a t t e n u a t i o ns y s t e m si s f o u n di n U S . a t . N o . 4 , 1 2 2 , 3 0 3t o C h a p l i ne ta l , which o s t e n s i b l yu s e s a n a d a p t i v e p r o c e s st o gene r a t e a c a n c e l l i n gw a v e c a p a b l eo f c r e a t i n g a n u l l w h e nc o m b i n e d with t h e s o u n d w a v e s f r o m a s o u r c e . Ane x a m i n a t io n o ft h i s s y s t e m however r e v e a l s t h a t t h ee l e c t r o n i c c i r c u i t r y does n o t r e l y on a t r u e a d a p t i v ep r o c e s s , b u t i n v o l v e s a t r i a l and e r r o r approach i nwhi c h a s e r i e s of s u c c e s s i v eg u e s s e s or e s t i m a t i o n s a r em a d e o f t h e e r r o r s i g n a l ,which i s t h e d i f f e r e n c e b etween t h e d e s i r e d and a c t u a l a t t e n u a t i o n . E v e n t u a l l y ,

2 0

2 5

3 0

3 5

40

4 5

6 5

1 2t h e g u e s s e so f t h e e r r o r s i g n a l b e c o m e c l o s e r and c l o s e ra p p r o x i m a t io n s o ft h e d e s i r e d e r r o r a c c o r d i n gt o p r e s e tv a l u e s . Not o n l y i s t h e t r i a la n d e r r o r method u n d u e l yl e n g t h y( i nt h e r a n g e o fb e t w e e n5 a n d 3 0 m i n u t e s ) , b u ta f t e rt h e p r o c e s si s c o m p l e t e dt h e s y s t e mm u s tb e m a n ua l l yshu tdown t o a v o i d s y s t e mh u n t i n g o r o s c i l l a t i o nbetween b e t t e r and p o o r e rr e s u l t s .I n a d d i t i o n , once t h et r i a land e r r o r p r o c e s s h a sbegun i n t h e C h a p l i ne t a 1s y s t e m , any c hange i n t h e s o u r c e sound i n t h e 5 t o 3 0m i n u t e sr e q u i r e d t o c o m p l e t et h e p r o c e s sw i l la l s o r e s u l ti n s y s t e mh u n t i n g .

One k e y a s p e c t o f t h e e l e c t r o n i c c i r c u i t r y h e r e i n i st h a t i t i s a d e t e r m i n i s t i c s y s t e m u t i l i z i n gt r u e a d a p t i v e? l t e r s i n c o n t r a s t t o t h e t r i a land e r r o r approach t a u g h ti n C h a p l i ne t a l .T h i s means t h a t t h e e l e c t r o n i c c i r c u i t r yo f t h e s u b j e c t i n v e nt i o n a u t o m a t i c a l l ya d j u s t s i t s o w np a r a m e t e r sa n d s e e k s t o o p t i m i z e i t s p e r f o r m a n c ea cc o r d i n gt o s p e c i ? cc r i t e r i a .A d d i t i o n a l l y, b y u s i n g t h ef e e d b a c k p r i n c i p l e sm e n t i o n e da b o v e , t h e e l e c t r o n i cc i r c u i t r y h e r e i n i s n o t n e a r l y a s dependent on t h e t o l e ra n c e r e q u i r e m e n t s o fa c o u s t i c d e v i c e s u s e d i n m a n y o ft h e known p r i o r a r ts y s t e m s . I nf a c t ,where t h e p e r m i ss i b l ea m p l i t u d e a n d p h a s e e r r o r s o f a c o u s t i c d e v i c e su s e d i n p r i o r a r t s y s t e m sa r e on t h e o r d e r o f 1 d e c i b e l i na m p l i t u d e a n d 6 i np h a s e , t h e e l e c t r o n i cc i r c u i t r yh e r e i n c a n t o l e r a t e a m p l i t u d e a n d p h a s e e r r o r s i n t h er a n g e o f a t l e a s t1 0 d ec i b e l s a n d 4 5 p h a s e .By r e l a x i n gt h e t o l e r a n c e r e q u i r e m e n t s ,t h e i n s t a l l a t i o na n d m a i n t en a n c e o f t h i ss y s t e mm a y b e p e r f o r m e dby t e c h n i c i a n so f o r d i n a r y s k i l lm a k i n gt h e a c t i v e a c o u s t i c a t t e n u a t o r1 1 c o m m e r c i a l l yv i a b l e i n a v a r i e t y o f a p p l i c a t i o n s .

The e l e c t r o n i c c i r c u i t r y f o r t h e a c t i v e a t t e n u a t o r 1 1u t i l i z e s a modi?ed fo rm o f t h e Wid ro w -H o ff LMSa d a p t i v e a l g o r i t h mi n a t r u e a d a p t i v e a c o u s t i c c a n c e ll i n gc o n ? g u r a t i o n .The LMS l g o r i t h mw a s d e s i g n e df o r u s e i n s i g n a l e n h a n c e m e n ts y s t e m swhere t h e s i g n a lt o n o i s e improvement, o r t h e n o i s e r e d u c t i o n , w as

a c h i e v e ds o l e l yi n t h e e l e c t r o n i c c i r c u i t r y .T h i s a l g or i t h m was s i g n i ? c a n t l ymodi?ed n t h e s u b j e c t c i r c u i t r yt o p e r m i t o p e r a t i o nwhen t h e v i b r a t i o n o r n o i s e r e d u ct i o n and/or c a n c e l l a t i o n i s t o b e a c h i e v e di n a p h y s i c a ls y s t e m h a v i n g i n h e r e n t d e l a y s s u c h a s i n a n a c o u s t i c? e l d . The m o d i ? c a t i o n so f t h e Widrow-Hoff LMS l g or i t h m r e t a i nt h e s i g n a lp r o c e s s i n ga d v a n t a g e si n h e r e n ti n t h e o r i g i n a la l g o r i t h ma n d p e r m i t s t h e s ea d v a n t a g e st o b e a p p l i e d t o a c t i v e a c o u s t i c c a n c e l l i n gp r o b l e m s .O t h e r a d a p t i v e a l g o r i t h m se x i s tf o rt h e s o l u t i o n o f t h eq u a d r a t i c e r r o r f u n c t i o n a n d many o f t h e s e c o u l d b emodi?ed f o r s a t i s f a c t o r yo p e r a t i o n i n a n a c o u s t i c c a nc e l l o r .The p u r p o s eo f t h e a d a p t i v e a l g o r i t h m , a s d i sc u s s e d i n d e t a i l below, i s t o ? nd an op t imum o r n e a r

optimum s o l u t i o n t o t h e c a n c e l l i n g? l t e rp r o b l e m .S u c ho t h e r a l g o r i t h m s , modi?ed i n a c c o r d a n c e w i t h t h et e a c h i n g s h e r e i n , c a n a c c o m p l i s ht h i s f u n c t i o n a n ds h o u l d b e c o n s i d e r e dw i t h i n t h e s c o p e o f t h e s u b j e c ti n v e n t i o n .

B e f o r ed i s c u s s i n gt h e m o d i ? c a t i o no f t h e LMS l g or i t h m i n t h e a d a p t i v e ? l t e r s o f t h e s u b j e c t i n v e n t i o n , ar e v i e w o f a n a d a p t i v e ? l t e r h a v i n g a s t a n d a r d LMSa l g o r i t h mg o v e r n i n g i t s o p e r a t i o n w i l lb e d i s c u s s e d .R e f e r r i n gt o FIG. 1 2 ,a n a d a p t i v e ? l t e r u s i n g t h e s t a nd a r d Widrow-Hoff LMS l g o r i t h mi s s h o w n .The b a s i celement o f an a d a p t i v e ? l t e r i s k n o w n a s a t r a n s v e r s a l? l t e r 5 3 a s i n d i c a t e d i n d o t t e d l i n e s i n F IG. 1 2 . T h et r a n s v e r s a l ? l t e r 53 can be v i s u a l i z e d a s a s e r i e s o f d e l a ye l e m e n t s w i t h t h e ? l t e r o u t p u t b e i n g d e r i v e d from aw e i g h t e ds u m m a t i o no f t h e d e l a y e do u t p u t s . I n F I G . 1 2 ,a s e t o f n measurements S ( t ) i s sampled t o fo rm n sample


21/27


22/27


23/27


24/27


25/27


26/27


27/27

Active Acoustic Attenuator

Documents

Transcript of Active Acoustic Attenuator