Active Occlusion Cancellation for Hear-Through Headphones

Abstract

Hear-through headphones enable communication with other people without the need to remove the headphones. However, wearing headphones alters the user's perception of their own voice to be unnaturally loud at low frequencies due to the occlusion effect. The effect is caused by an increase in low frequency bone-conducted sound inside the ear canal.

This thesis evaluates the use of analog feedback controller in order to perform active occlusion cancellation for in-ear headphones with hear-through functionality. In order to evaluate the effectiveness of the occlusion cancellation, sound pressure was measured in the ear canal under two settings: cancellation off and on. Effects of the cancellation on the hear-through equalization were also determined in free and diffuse field measurements.

Analog feedback control is found to provide reduction in the occlusion effect in a frequency range of few hundred hertz. The frequency range is limited by the frequency-dependent phase shift occurring in the feedback loop. It was also found that the hear-through signal is amplified at the transition band of the analog controller. A digital and an analog filter was used to compensate for this amplification, both of which yielded similar results. This compensation is not performed for hear-through at low frequencies, since the attenuation also benefits the user by reducing external background noise.

Läpikuuluvuuskuulokkeet mahdollistavat toisten ihmisten kanssa kommunikoimisen ilman, että kuulokkeet täytyy poistaa. Kuulokkeet kuitenkin muuttavat käyttäjien aistimusta heidän omasta äänestään, mikä koetaan häiritsevänä. Muutos johtuu okkluusioilmiöstä, jossa käyttäjän oman äänen matalataajuuksiset ja luujohtuneet komponentit vahvistuvat kun korvakäytävä on suljettu.

Tämä diplomityö arvioi vastamelun käyttöä käyttäjän oman äänen luujohtuneen komponentin vaimennuksessa. Tätä varten korvakäytävään luotiin äänenpainetta sekä luujohdekuulokkeiden että käyttäjän oman äänen avulla. Korvakäytävän äänenpaine mitattiin ilman vastamelua ja sen kanssa, jolloin ero näiden kahden asetuksen välillä saatiin ratkaistua. Tämän lisäksi vastamelun vaikutusta läpikuuluvuusominaisuuteen tutkittiin mittaamalla läpikuuluvuuskuulokkeiden taajuusvastetta vapaakenttä- ja diffuusikenttäolosuhteissa.

Vastamelun havaittiin vaimentavan luujohtumisesta aiheutuvaa korvakäytävän äänenpainetta muutaman sadan hertsin taajuskaistalla. Taajuuskaistaa rajoittaa takaisinkytkentäsilmukassa esiintyvä vaihesiirto. Vastamelun todettiin myös vahvistavan läpikuuluvuussignaalia kontrollerin siirtymäkaistalla. Tätä vahvistusta kompensoitiin sekä digitaalisella että analogisella suotimella, jotka molemmat tuottivat samankaltaisia tuloksia. Vastamelusta aiheutuvaa vaimennusta läpikuuluvuuteen matalilla taajuuksilla ei kompensoitu, sillä sen ajateltiin olevan hyödyksi poistamalla myös ulkopuolista taustamelua.