Optimización de la colaboración entre sensores en control activo de ruido; análisis y paralelización

Abstract

[ES] El control activo de ruido es una técnica de reciente desarrollo que permite controlar el ruido mediante la superposición de una onda sonora de su misma amplitud, pero con una fase opuesta de 180 grados, produciendo una interferencia destructiva que resulta en la ¿cancelación¿ del ruido. Esto significa que las crestas y los valles de las ondas se anulan entre sí, eliminando o reduciendo la intensidad del ruido en ciertas áreas del espacio, minimizando las interferencias mientras se maximiza la estabilidad. Sin embargo, este enfoque se vuelve especialmente complejo en habitaciones cerradas (debido a reverberaciones) y cuando se emplean múltiples nodos (pares micrófono-altavoz), donde pueden surgir acoplamientos indeseados que provocan inestabilidad y su posterior fallo del control del ruido. Para solucionar este problema, se establecen ¿colaboraciones¿ entre los nodos que conllevan un incremento del coste de comunicaciones.

En este trabajo, realizado en colaboración con investigadores del Departamento de Comunicaciones de la UPV y del Instituto de Investigación ITEAM-UPV, se ha estudiado el control activo de sonido mediante la búsqueda de la mejor configuración de colaboración entre nodos, minimizando el número de contribuciones, pero asegurando la estabilidad del sistema. La determinación exacta de la estabilidad de una configuración dada requiere el cálculo de la matriz del sistema y de sus autovalores. Dado un sistema con pocos nodos (hasta 4) es posible estudiar de forma exhaustiva todas las configuraciones y determinar la óptima. Sin embargo, para una mayor cantidad de nodos, el número de configuraciones posibles se dispara y por lo tanto también se incrementa el coste computacional de la búsqueda, volviéndose prohibitivo.

Con el objetivo de reducir este coste en la búsqueda exhaustiva, se han desarrollado métodos iterativos, pero que aún así, siguen requiriendo grandes costes de cómputo. Además, se ha desarrollado un método heurístico que ofrece resultados satisfactorios para las configuraciones con un número grande de nodos. Este método también es paralelizable y permite obtener un resultado coincidente con el óptimo (método exhaustivo) en la mayoría de los casos comprobados.

[EN] Active noise control is a recently developed technique that allows noise to be controlled by superimposing a sound wave of the same amplitude, but with an opposite phase of 180 degrees, producing destructive interference that results in noise ¿cancellation¿. This means that the peaks and troughs of the waves cancel each other out, eliminating or reducing the intensity of noise in certain areas of space, minimizing interference while maximizing stability. However, this approach becomes especially complex in closed rooms (due to reverberations) and when multiple nodes (microphone-speaker pairs) are used, where undesired couplings can arise causing instability and subsequent failure of noise control. To solve this problem, "partnerships" are established between the nodes that lead to an increase in the cost of communications.

In this work, carried out in collaboration with researchers from the Communications Department of the UPV and the ITEAM-UPV Research Institute, active sound control has been studied by searching for the best collaboration configuration between nodes, minimizing the number of contributions , but ensuring the stability of the system. The exact determination of the stability of a given configuration requires the calculation of the matrix of the system and its eigenvalues. Given a system with few nodes (up to 4) it is possible to exhaustively study all the configurations and determine the optimal one. However, for a larger number of nodes, the number of possible configurations becomes too high and therefore the computational cost of the search also increases, becoming prohibitive.

In order to reduce this cost in the exhaustive search, iterative methods have been developed, but even so, they still require large computational costs. In addition, a heuristic method has been developed that offers satisfactory results for configurations with a large number of nodes. This method is also parallelizable and allows to obtain a result that coincides with the optimal one (exhaustive method) in most of the verified cases.