Acoustic feedback control in live music performances: a solution based on notch filters

Acoustic feedback occurs when the output loudspeaker signal of an audio system is partially re-acquired by the input microphone, thus creating a closed signal loop. The outcome is a significant performance degradation in applications such as public address (PA) systems and hearing aids. In the worst case, the audio system becomes unstable and howling occurs. In this work, we investigated the effectiveness of a subclass of acoustic feedback control (AFC) techniques, the notch filter-based howling suppression (NHS) systems, within the context of live music singing performances, which have never been specifically addressed in literature yet. The aim of this work is twofold: first, we assess the performances of state of the art NHS systems, focusing on howling detection features, with sung signals; and second, we develop a system tailored to live music setups, in particular by addressing the singer movements on stage which may change the set of unstable frequencies by shaping the feedback acoustic path. The evaluation has been carried out in terms of receiver operating characteristic (ROC) curves and the derived area under the curve (AUC) and partial area under the curve (PAUC) scores, instantaneous maximum stable gain (MSG) increase, and perceptual evaluation of speech quality (PESQ) scores. Among the tested howling detection features, the one based on the feedback existance probability (FEP) function proved to achieve the best results, confirming already available results with speech and music signals. In order to adapt the proposed AFC system to live performances, we develop a completely new approach for notch filters deactivation by employing two novel howling-based acoustic path deviation (HAPD) features with the aim of not unnecessarily cancel out sung signal frequencies when the singer is moving on the stage. HAPD features proved to correctly identify the change of acoustic path, at the expense of a relatively high false positive rate. In future, this prototypical implementation may be part of the features offered by the professional arranger products series.

Il feedback acustico si verifica quando il segnale dell'altoparlante di un sistema audio viene parzialmente riacquisito dal microfono in ingresso, creando così un loop chiuso. Il risultato è una notevole degradazione delle prestazioni in applicazioni come sistemi di amplificazione del suono (PA) e apparecchi acustici. Nel peggiore dei casi, il sistema audio diventa instabile e si verifica il cosiddetto howling. In questo lavoro abbiamo indagato sull'efficacia di una sottoclasse di tecniche di controllo del feedback acustico, i sistemi di soppressione dell'howling basati su notch filters (NHS), nel contesto delle esibizioni di canto dal vivo, che non sono ancora state affrontate nello specifico in letteratura. L'obiettivo di questo lavoro è duplice: in primo luogo, valutare le prestazioni dei sistemi NHS di ultima generazione, concentrandoci sulle caratteristiche di rilevamento dell'howling con segnali cantati; e in secondo luogo, sviluppare un sistema adatto alle esibizioni musicali dal vivo, in particolare tenendo conto dei movimenti del cantante sul palco che possono modificare l'insieme di frequenze instabili tramite un cambiamento nel percorso del feedback acustico. La valutazione è stata effettuata in termini delle curve receiver operator characteristc (ROC) e delle relative metriche area under the curve (AUC) e partial area under the curve (PAUC), l'incremento in termini di maximum stable gain (MSG) e la perceptual evaluation of speech quality (PESQ). Tra i criteri di howling detection, quello basato sulla probabilità di esistenza del feedback (FEP) ha dimostrato di ottenere i migliori risultati, confermando i risultati già disponibili con segnali vocali e musicali. Per adattare il sistema proposto alle esibizioni dal vivo, abbiamo sviluppato un approccio completamente nuovo per la disattivazione dei notch filters utilizzando due criteri basati sull'alterazione del percorso acustico (HAPD) con l'obiettivo di non cancellare inutilmente le frequenze del segnale cantato quando il cantante si muove sul palco. Le tecniche HAPD si sono dimostrate in grado di identificare correttamente il cambio di percorso acustico, a discapito di un tasso relativamente alto di falsi positivi. In futuro, questa implementazione potrebbe essere parte delle funzionalità offerte da prodotti della linea di arranger professionali.