Khắc phục tiếng hú trong hệ thống tăng âm sử dụng phương pháp dịch chuyển tần số

Nội dung text: Khắc phục tiếng hú trong hệ thống tăng âm sử dụng phương pháp dịch chuyển tần số

1. Tạp chí Khoa học - Chuyên san: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ và Môi trường 2013: 1-9 KHẮC PHỤC TIẾNG HÚ TRONG HỆ THỐNG TĂNG ÂM SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP DỊCH CHUYỂN TẦN SỐ Phạm Sơn Hà1, Trần Thanh Hùng2 ABSTRACT Today, the sound amplication system plays an important and useful role in human life.It is widely used in many places such as conference room, lecture hall, musical theater and recording studio as well as in telecommunication and mobile devices. However, there is a drawback of using this system. That is the existence of howling which can be known as the Larsen effect appearing in the system, when there is audio feedback back to the microphone. This phenomenon could reduce the sound quality and cause unpleasant to the listener. This paper presents the nature of the Larsen effect and the method to prevent the the Larsen effect using frequency shifting. Keywords: Sound amplication system, howlings, Larsen effect, frequency shifting Title: Prevention howling in the sound amplication system using frequency shifting method TÓM TẮT Hệ thống tăng âm ngày nay đóng vai trò rất quan trọng và hữu ích trong cuộc sống của con người, nó được sử dụng rất rộng rãi trong các phòng họp, giảng đường, các sân khấu âm nhạc, các phòng thu âm, cho đến các thiết bị viễn thông và di động. Tuy nhiên các hệ thống tăng âm vẫn còn tồn tại nhược điểm đó là vẫn thường xuyên xuất hiện tiếng hú trong hệ thống khi có sự phản hồi âm thanh trở lại micro. Hiện tượng này còn được gọi là hiệu ứng Larsen, làm giảm chất lượng âm thanh và gây khó chịu cho người nghe. Bài báo này trình bày bản chất của hiệu ứng Larsen và cách ngăn chặn hiệu ứng Larsen dựa vào phương pháp dịch chuyển tần số. Từ khóa: Hệ thống tăng âm, tiếng hú, hiệu ứng Larsen, dịch chuyển tần số 1 GIỚI THIỆU 1.1 Hiệu ứng Larsen Hiệu ứng Larsen, còn được gọi là hiện tượng phản hồi âm học, được một nhà khoa học người Đan Mạch tên là Soren Larsen (1871-1957) phát hiện ra vào giữa những năm 1920 (Wikipedia, 2013). Hiện tượng này xảy ra khi xuất hiện vòng lặp cộng hưởng, micro thu được âm thanh do chính nó phát ra sau đó khuếch đại thêm rồi phát ra loa và rồi tiếp tục thu lại, khuếch đại thêm nhiều lần nữa, âm thanh mỗi lúc một lớn lên cho đến khi đạt cực đại và phát ra tiếng hú (M. R. Schroeder, 1964). Hiệu ứng này được minh họa trên Hình 1. Âm thanh từ người nói (P) phát ra được micro (M) thu lại, đưa đến bộ khuếch đại công suất (A) khuếch đại lên và truyền 1 Học viên lớp Cao học Kỹ thuật điện tử 2011A, Khoa Điện – Điện tử, ĐHSPKT TPHCM 2 Bộ môn Tự động hóa, Khoa Công nghệ, Đại học Cần Thơ, email: tthung@ctu.edu.vn (tác giả chịu trách nhiệm chính) 1
2. Tạp chí Khoa học - Chuyên san: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ và Môi trường 2013: 1-9 đến loa (S) để phát ra. Âm thanh từ loa (S) phát ra sẽ truyền đến người nghe (Z), đồng thời một phần âm cũng truyền đến micro và được micro thu lại. Nếu âm thu lại giống âm của người nói phát ra sẽ xảy ra hiện tượng cộng hưởng và dẫn đến phát sinh tiếng hú. Hiệu ứng Larsen chịu ảnh hưởng chủ yếu do hệ số khuếch đại của hệ thống tăng âm và vị trí tương quan giữa micro và loa. Ngoài ra khi âm thanh phát ra môi trường sẽ bị phản xạ trở lại micro theo các cách khác nhau, sự phản xạ này cũng góp phần tác động lên hiệu ứng Larsen. Hình 1: Sơ đồ minh họa hệ thống âm thanh có hiện tƣợng phản hồi âm 1.2 Phƣơng pháp dịch chuyển tần số Có nhiều phương pháp thực hiện ngăn chặn tiếng hú như phương pháp tự động điều chỉnh độ lợi (AGC), biến điệu tần số tuần hoàn, biến điệu pha tuần hoàn, dịch chuyển tần số và sử dụng các bộ lọc số thích nghi. Giải pháp dịch chuyển tần số là giải pháp được đánh giá có hiệu quả nhất trong ngăn chặn hiện tượng phản hồi âm, giải pháp này làm cho tần số sóng âm do phản hồi lại khác tần số trước đó nên tránh được hiện tượng phản hồi dương và loại trừ được tiếng hú rít phát ra (Toon van Watershoot and Marc Moonen, 2011), (Peter Svensson, 1999). Dựa vào đặc điểm của tai người là khả năng phân biệt sự thay đổi cao độ có giới hạn nên giải pháp này sẽ dịch chuyển tất cả các thành phần tần số phát ra lên hoặc xuống một trị số f đủ nhỏ để tai người không nhận ra được sự thay đổi đó (Jan Scheuing and Bin Yang, 2006), (M. R. Schroeder, 1964), (Edgar Berdahl and Dan Harris, 2010). Đáp ứng tần số của bộ dịch chuyển tần số H(,t) e jmt (1) Giả sử tín hiệu từ micro là m(t) và được lấy mẫu với tần số fS . Sau đó tín hiệu các mẫu tín hiệu m(n) sẽ được chia thành từng khối mb(n) với chiều dài L. Do đó: m(n) mb (n bL) (2) b 2
3. Tạp chí Khoa học - Chuyên san: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ và Môi trường 2013: 1-9 Biến đổi Fourier rời rạc tín hiệu chuyển tín hiệu sang miền tần số: 2 N 1 j k N M b (k) mb (n)e (3) n 0 Ta sẽ nhận được một khối mẫu sau: S (N / 2 1)S (N / 2 1)S S , , , f s , , , với S 2 f S N N N N Nếu N L thì ta phải chèn thêm “mẫu 0” ( tần số bằng 0) vào ta có: S (N / 2 1)S (N / 2 1)S S 0, , , , f s , , , N N N N  Nếu ta dịch tất cả các thành phần tần số một giá trị  S thì ta sẽ nhận được N N N Qb (k) 0, M b (0), , M b ( 2), M b ( 1), , M b (N 1),0 2 2 f Khoảng dịch chuyển ứng với N mẫu f S . Ví dụ N=4096 mẫu. Vậy N f 44100 f S 10,7 Hz N 4096 Điều này cho thấy rằng nếu chọn số mẫu quá nhỏ thì khoảng dịch tần số sẽ rất lớn. Sau đó có thể dùng biến đổi Fourier ngược để chuyển tín hiệu từ miền tần số trở lại miền thời gian. Hạn chế của phương pháp này vấn đề thời gian trễ. Nếu số mẫu càng lớn thì làm tăng thời gian trễ của hệ thống. Thời gian trễ ứng với số lượng mẫu N như sau:  N / f S . Ví dụ mỗi khối có 4096 mẫu, tần số lấy mẫu fS=44100Hz thì  N / f S 4096 / 44100 0,092s 92ms . Do đó tùy thuộc vào từng hệ thống cụ thể và tín hiệu là giọng nói hay âm nhạc mà nên chọn số mẫu cho phù hợp. 2 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Khảo sát đặc tính của hiệu ứng Larsen Một chương trình thu thập dữ liệu tự động được xây dựng trên nền Matlab\Simulink được dùng để khảo sát đặc tính của hiệu ứng Larsen (Hình 2). Tín hiệu tương tự từ micro đưa vào sẽ được biến đổi thành tín hiệu số, được lấy mẫu với tần số 8000Hz và được lưu vào bộ đệm, sau đó được xuất ra hệ thống tăng âm và loa. Cách thực hiện: Cho hệ thống thu âm hoạt động sau đó đưa micro từ xa đến gần loa cho đến cho đến khi phát sinh tiếng hú. 3
4. Tạp chí Khoa học - Chuyên san: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ và Môi trường 2013: 1-9 Thời gian thu âm 20s, âm thanh đưa vào trực tiếp từ micro là một đoạn âm ngắn khoảng 5s. Hình 2: Sơ đồ mô phỏng thu thập dữ liệu liên tục Tin hieu ngo ra 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Bien Bien do(V) -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 So mau(n) 4 x 10 Hình 3: Tín hiệu đƣợc biểu diễn theo thời gian Mat do pho cong suat cua tin hieu ngo ra -35 -40 -45 -50 -55 -60 Bien Bien do(dB) -65 -70 -75 -80 -85 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Tan so(kHz) Hình 4: Mật độ phổ công suất của tín hiệu trên miền tần số 4
5. Tạp chí Khoa học - Chuyên san: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ và Môi trường 2013: 1-9 Tiếp tục thực hiện các thực nghiệm tương tự nhưng đối với các môi trường và hệ thống âm thanh có công suất khác nhau ta rút ra được đặc tính của hiệu ứng Larsen như sau: Hiệu ứng Larsen làm hệ thống phát sinh tiếng hú. Tiếng hú ban đầu xuất hiện với âm lượng nhỏ sau đó lớn dần và đạt giá trị cực đại (Hình 3). Thời điểm phát sinh tiếng hú đối với các hệ thống là khác nhau, tùy thuộc vào âm phản hồi là lớn hay nhỏ. Tiếng hú trong hệ thống tăng âm được đặc trưng bởi tần số Larsen, nơi có biên độ lớn nhất trên phổ tần số (Hình 4). Tần số Larsen phụ thuộc vào từng hệ thống tăng âm và các môi trường khác nhau. Đối với các hệ thống tăng âm có công suất nhỏ thì thường chỉ có một tần số Larsen nhưng đối với các hệ thống công suất lớn và môi trường phức tạp thì có thể có nhiều tần số Larsen. 2.2 Thực hiện ngăn chặn hiệu ứng Larsen Chương trình ngăn chặn hiệu ứng Larsen theo phương pháp dịch chuyển tần số được xây dựng trên Matlab\Simulink như trong Hình 5.Tín hiệu tương tự từ micro đưa vào sẽ được biến đổi thành tín hiệu số, được lấy mẫu với tần số 8000Hz, sau đó tín hiệu được chuyển sang miền tần số và được dịch đi một giá trị f , cuối cùng được chuyển ngược trở lại miền thời gian và xuất ra hệ thống tăng âm và loa. f Khoảng dịch chuyển ứng với N=512 mẫu f S . Tần số lấy mẫu fs=8000Hz. N f 8000 Vậy f S 15,625 Hz N 512 Tuy nhiên tín hiệu thu âm là tiếng nói nên khoảng tần số dịch chuyển và bị trễ do quá trình xử lý là khó nhận ra và có thể chấp nhận được. Do hiện có tượng rò rĩ âm phổ khi tiến hành biến đổi DFT tín hiệu và IDFT khôi phục tín hiệu nên cửa sổ Harming được sử dụng để hạn chế việc này. Hình 5: Sơ đồ mô phỏng sử dụng phƣơng pháp dịch chuyển tần số 5
6. Tạp chí Khoa học - Chuyên san: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ và Môi trường 2013: 1-9 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Rất nhiều thực nghiện đã được thực hiện bằng chương trình chương trình ngăn chặn hiệu ứng Larsen, trong nhiều điều kiện khác nhau. Kết quả đều có chung một đặc điểm là tín hiệu phản hồi âm rất nhỏ và nhanh chóng biến mất, thể hiện rõ trên tín hiệu âm thanh theo thời gian (Hình 6) và trên cả phổ tín hiệu (Hình 7). Tiếng hú hoàn toàn không phát sinh, thậm chí ta có thể giảm khoảng cách giữa micro và loa. Biên độ của một số tần số bị giảm nhưng không đáng kể và không làm giảm chất lượng của tín hiệu. Tin hieu ngo ra 0.6 0.4 0.2 0 Bien Bien do(V) -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 So mau(n) 4 x 10 Hình 6: Tín hiệu ngõ ra theo thời gian dùng phƣơng pháp dịch chuyển tần số Mat do pho cong suat cua tin hieu ngo ra -45 -50 -55 -60 -65 -70 Bien Bien do(dB) -75 -80 -85 -90 -95 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Tan so(kHz) Hình 7: Mật độ phổ công suất của tín hiệu dùng phƣơng pháp dịch chuyển tần số 6
7. Tạp chí Khoa học - Chuyên san: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ và Môi trường 2013: 1-9 Phương pháp dịch chuyển tần số làm cho tần số tín hiệu bị lệch đi một giá trị f nên tín hiệu phản hồi sẽ có tần số khác đi và tránh được hiện tượng cộng hưởng dương, do đó ngăn chặn được tiếng hú phát sinh trong hệ thống.Tín hiệu sau mỗi vòng phản hồi sẽ giảm đi một lượng f nên sau vài vòng phản hồi sẽ giảm xuống dưới mức nghe thấy. Nếu chọn f càng lớn thì càng có hiệu quả tuy nhiên sẽ làm giảm chất lượng của tín hiệu, do đó khi áp dụng phương pháp này thì tùy theo tín hiệu là giọng nói hay âm nhạc mà ta chọn giá trị f phù hợp. 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Bài báo đã trình bày được bản chất của hiệu ứng Larsen làm phát sinh tiếng hú không mong muốn trong các hệ thống tăng âm và cách thức ngăn chặn điều này sử dụng phương pháp dịch chuyển tần số. Phương pháp ngăn chặn hiệu ứng Larsen với giải pháp phần mềm Matlab đã được cài đặt trên máy tính. Kết quả thực nghiệm cho thấy phương pháp này có thể ngăn chặn hiệu quả tiếng hú. Tuy nhiên giải pháp này cũng chỉ áp dụng cho hệ thống tăng âm đơn kênh. Để có thể ứng dụng rộng rãi hơn trong thực tế có thể thực hiện phương pháp này bằng cách cài đặt chương trình trên các vi điều khiển và các kit DSP và có thể mở rộng cho các hệ thống tăng âm đa kênh. TÀI LIỆU THAM KHẢO Wikipedia, 2013. Audio feedback. truy cập ngày 15/1/2013. Toon van Watershoot and Marc Moonen, 2011. Fifty years of Acoustis Feedback Control: State of the Art and Future Challenges. Proceedings of the IEEE, vol. 99, no. 2, pp. 288 – 327. Peter Svensson, 1999. Performance of some linear time-varying systems in control of acoustic feedback. Journal of the Acoustical Society of America, vol. 106, Issue 1, pp. 240-254 Jan Scheuing and Bin Yang, 2006. Frequency shifting for acoustic feedback reduction. European DSP Education and Research Symposium (EDERS), Munchen. M. R. Schroeder, 1964. Improvement of acoustic- feedback stability by frequency shifting. J. Acoust, Soc. Amer, vol. 36, no. 9 pp. 1718-1724. Edgar Berdahl and Dan Harris, 2010. Frequency shifting for acoustic howling suppression. Proc. of the 13th Int. Conference on Digital Audio Effects (DAFx-10), Graz, Austria. 7
8. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.