CN104536477A - 一种用于玻璃的噪声主动控制消音***及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于玻璃的噪声主动控制消音***及工作方法，所述***包含振动采集模块、信号处理模块、主动振动模块、运行有主控程序及中断服务程序的软件模块。该***利用压电材料的正压电效应感知玻璃等固态介质的动态变化，实现机械振动信号采集功能，利用逆压电效应将电信号转换为玻璃等固态介质振动的机械信号，实现固态介质的主动振动功能，主动振动与噪声引起的振动幅度相等、相位相反，有效抵消噪声在穿过玻璃介质时引起的振动，从而有效降低室内噪声强度，提高环境的舒适性。

Description

一种用于玻璃的噪声主动控制消音***及工作方法

技术领域

本发明属于噪声控制领域，尤其涉及一种用于玻璃的噪声主动控制消音***及工作方法。

背景技术

噪声是一类引起人烦躁或因声强过强而危害人体健康的声音。随着交通运输、工业建筑的迅速发展，火车飞机、汽车鸣笛、工业噪声、建筑施工成为了噪声污染的主要来源，严重影响着人们的居住环境和生活质量，困扰着人们的身心健康。一般情况下，人耳可听到的声波频率为20~20,000Hz，称为可听声；低于20Hz，称为次声波；高于20,000Hz，称为超声波。声音的大小一般用分贝（dB）来表示，研究表明，噪声在55~60dB范围，会使人感到烦恼；在60~65dB范围，会使烦恼度大大增加；在65dB以上，则人体健康可能受到危害。噪声影响人们的身心健康、损伤听力及相关***、降低工作效率，严重的甚至会造成安全事故。因此，我们国家专门制定了《中华人民共和国环境噪声污染防治法》，对不同区域的噪声强度做出明确规定。然而，在一些特定的环境，比如铁路、机场、建筑工地、迪厅甚至战场，噪声是无法避免的。如何有效地防治和控制这些噪声对处于环境中的人的影响，这个问题一直是人们致力于解决的。

根据声音的产生原理和传播机理，噪声传播的三个要素是：噪声源或振动源、传播途径、受音者。因此，对于噪声的控制和消除，主要从上述三个方面综合优化。现有的噪声防治和控制方法一般可以分成三种，即被动控制、主动控制和半主动控制。被动控制采用吸音、隔声材料阻断声音的传播路径。例如采用隔音墙，吸音棉等材料增大声音传播的阻尼，提高房间的隔音能力。被动控制方法结构简单，可靠性好，目前民用住宅和办公场所大多采用这种方法。被动控制对高频噪声抑制较好，但是随着噪声频率的降低，吸音、隔音材料的阻尼效果急剧下降，导致被动控制方法对中低频噪声，特别是对人体影响较大的1kHz以下的噪声控制效果十分有限。主动控制采用“信号对消”的原理，根据两列相干声波的混合会产生干涉的物理现象，人为叠加一列与原有声波幅值相同而相位相反的声波，利用声波的相消性干涉来达到消除和降低噪音的目的。主动控制方法对中低频声音信号具有良好的消音效果，与被动控制方法能够实现很好的互补。目前已有的主动控制需要额外生成多个次级声源，在传播空间与已有噪音进行矢量叠加，对目标区域进行声音信号对消。然而，由于噪声在空间传播时会发生干涉、散射与混响等效应，在目标区域范围内实时产生精确的反相声波比较困难，导致消音效果下降。半主动控制根据外部噪声信号的特点，实时改变电路结构，最大限度地将噪声引起的结构振动能量转换为电能或热能消耗掉，从而降低噪声能量，实现噪声消音。半主动控制从能量转换角度实现噪声消音效果，所需外部能量较少，电路实现较为简单。但是，半主动控制方法需要实时调节电路参数，存在一定控制时延。另外，该方法对电路参数的调节范围有限，对于某些特定频点的噪声消除效果较好，但是对宽频带噪声的消除效果十分有限。

声音与振动在本质上都是通过不同的介质传播的。如同振动可以发出声音，声波在空气中传播时也会引起固态介质的振动。可以说声音的本质是一种振动，是一种能量的传递，因此对于噪声的防治，可以从以下两个方面进行控制：（1）从本质上降低噪声源的振动能量；（2）降低或阻断噪声能量的传递，从而使得的到达受音者听觉***的噪声得到有效的防治和控制。

对于民用住宅和办公场所等环境，玻璃是整个建筑中质量最小，厚度最薄，声音阻尼最小的部分，外部噪声极易引起玻璃的振动，进而传播进室内。因此，有必要针对玻璃这一声音传播的关键路径，提出一种主动控制噪声消音器的设计方案，有效抵消声音在穿过玻璃介质时引起的振动，从而有效降低噪声强度，使受音者能够在外界强噪声环境下享有舒适的室内环境。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用于玻璃的噪声主动控制消音***，包含振动采集模块、信号处理模块、主动振动模块、运行有主控程序及中断服务程序的软件模块；

所述振动采集模块包含压电片、A/D采样转换器，所述振动采集模块用于通过压电片采集噪声在玻璃上产生的初级机械振动信号，通过放大、采样转换为电信号后输出到信号处理模块中；

所述信号处理模块用于对输入的电信号进行分析和处理，并产生大小相同，相位相反的次级驱动信号输出到主动控制模块；

所述主动控制模块用于在接收次级驱动信号后通过压电片产生次级机械振动，作用于，次级机械振动与初级机械振动幅度相等、相位相反；

所述主控程序用于控制压电片采集初级机械振动信号及信号的A/D转换、次级驱动信号生成；

中断服务程序用于获得初级机械振动信号转换的电信号及自适应滤波系数调节。

优选的，还包括振动反馈模块，所述振动反馈模块用于通过监测玻璃的最终振动情况，通过中断服务程序向信号处理模块输出反馈调节信号，修改其次级驱动信号的输出，驱动主动控制模块，进一步降低玻璃的噪声振动。

优选的，所述信号处理模块的顶层控制算法采用PID控制算法。

优选的，所述信号处理模块的底层算法采用自适应滤波最小均方误差算法，自适应滤波最小均方误差算法利用初级机械振动信号及误差信号来自适应调节滤波器的系数，适时给出控制信号，经过D/A转换后成为次级驱动信号。

进一步的，所述主控程序执行步骤如下:

步骤一：进行***初始化；

步骤二：A/D采样转换器接收压电片采集的初级机械振动信号并进行转换，信号处理模块等待进行数据处理；

步骤三：判断A/D转换是否结束，若未结束，继续接收和转换初级机械振动信号数据，否则进行下一步；

步骤四：进入中断服务程序；

步骤五：中断服务程序处理完毕，信号处理模块输出次级驱动信号。

所述的中断服务程序执行步骤如下：

步骤一：保存初级机械振动信号经过A/D转换后的电信号；

步骤二：信号处理模块采用自适应滤波最小均方误差算法计算次级驱动信号，自适应滤波调节，减少减振消音后得到的残余误差信号值；

步骤三：跳出中断，返回主控程序。

上述的用于玻璃的噪声主动控制消音***的工作方法包含下列步骤：

步骤一：振动采集模块的压电片采集噪声通过玻璃时产生的初级机械振动信号，通过放大、A/D采样转换为电信号后输出到信号处理模块；

步骤二：信号处理模块产生一个与输入的电信号大小相等，方向相反的次级驱动信号；

步骤三：主动控制模块接收次级驱动信号，通过压电片转换次级机械振动，作用于玻璃，次级机械振动与初级机械振动幅度相等、相位相反。

进一步的，还包括步骤四：振动反馈模块监测玻璃的最终振动情况，通过中断服务程序向信号处理模块输出反馈调节信号，修改其次级驱动信号的输出，驱动主动控制模块，进一步降低玻璃的噪声振动。

本发明的有益效果为：

(1)本发明针对民用住宅和办公场所等环境中声音传播阻尼最小的介质—玻璃来进行主动噪声控制，实现降低室内噪声强度的效果；

(2)本发明采用压电材料实现主动噪声消音器设计，能够有效降低中低频噪声，尤其是对人体影响较大的1kHz以下的噪声，在优化噪声的频段上能够与传统被动噪声控制方法实现很好的互补。

(3) 本发明在玻璃介质上利用振动叠加，从而达到降低噪声的效果，相对于已有的主动控制在空间上采用多个次级声源在声场进行叠加的方法，具有实现难度低、操作简单、控制方便等优势。

附图说明

图1为压电材料正压电效应和逆压电效应示意图。

图2为主动控制噪声消音器***框架示意图。

图3为基于LMS的FIR滤波器反馈控制***。

图4是本发明所述***的消音时序图。

具体实施方式

为更好的理解本发明，在介绍技术方案前，对压电材料的性能进行说明。

压电材料具有正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指当对压电元件施加机械变形时，就会引起内部正负电荷中心发生相对移动而产生电的极化，从而导致压电元件两个表面上出现符号相反的束缚电荷，而且电荷密度和外力成比例，如图1所示。正压电效应反映了压电材料具有将机械能转变为电能的能力。通过检测压电元件上的电荷变化即可得知元件或元件埋入处结构的变形量，因此利用正压电效应，可以将压电材料制成传感元件。逆压电效应是指当在压电元件两电极施加电压时，由于电场的作用，造成压电元件内部正负电荷中心产生相对位移，导致压电元件的变形，如图1所示。逆压电效应反映了压电材料具有将电能转变为机械能的能力，利用逆压电效应可以将压电材料制成驱动元件，将压电元件粘贴或埋入结构中，可以使结构变形或改变其应力状态。

压电材料正、逆压电效应都非常显著，且输入和输出均为电信号等优点。另外，压电材料具有功耗低，附加质量和附加刚度较小，对已有结构影响较小等优点，能够有效提高集成度，降低功耗。

本发明的设计构思为：如图2所示，利用压电材料的正压电效应感知玻璃等固态介质的动态变化，实现机械振动信号采集功能，利用逆压电效应将电信号转换为玻璃等固态介质振动的机械信号，实现固态介质的主动振动功能，主动振动与噪声引起的振动幅度相等、相位相反，有效抵消噪声在穿过玻璃介质时引起的振动，从而有效降低室内噪声强度，提高环境的舒适性。

下面对本发明的技术方案进行说明。

本发明所述用于玻璃的噪声主动控制消音***包括振动采集模块、信号处理模块、主动振动模块、振动反馈模块、软件模块。下面分别予以介绍。

1.振动采集模块

所述振动采集模块，包括压电片、放大电路、升压电路和A/D采样转换器。所述压电片采集噪声在玻璃等固态介质振动的初级机械振动信号，通过放大、采样转换为电信号，串行输入到信号处理模块中。

2.信号处理模块

所述信号处理模块用于对振动采集模块输出的电信号的分析和处理，并产生大小相同、相位相反的次级驱动信号,所述次级驱动信号输出到主动振动模块。信号处理模块采用ARM处理器，主动控制的顶层控制算法采用PID控制算法，底层算法是自适应滤波最小均方误差算法（LMS）。

PID控制算法对***建模精度要求不高，主要通过实验进行PID控制参数的确定，在本***的实现上具有运算量小、易于实现和调试等优势。

为加快***收敛速度和满足实时性要求，本发明采用LMS算法建立自适应控制***。LMS算法利用与次级驱动信号相关的初级机械振动信号及误差信号来自适应调节滤波器的系数，适时给出控制信号，经过D/A转换后成为次级驱动信号，使玻璃介质处的振动信号叠加后达到最小来实现噪声消音的目的。LMS算法具有计算简单和易于实现的特点。

LMS自适应噪声控制一般包括 2个基本过程：滤波过程和滤波器参数调整过程。这两个过程组成 1个反馈环。虽然 FIR和 IIR结构都可以用于自适应滤波器，但由于 IIR的稳定性较弱，在本实施例中，采用 FIR 滤波器作为控制器， LMS 滤波算法来调节滤波器的系数。FIR 滤波器和 LMS 滤波算法的自适应控制***如图3所示。其中，x(n)为初级振动输入信号，y(n)为次级驱动信号，w(n)为抽头权向量，e(n)为滤波器在n时刻的估计误差。

3.主动控制模块

所述主动控制模块将次级驱动信号转换为压电片的机械振动（以下称为次级机械振动）。主动控制模块接收次级驱动信号，通过压电片的逆向效应作用于玻璃等固态介质，次级机械振动与初级机械振动幅度相等、相位相反，能够降低甚至消除噪声振动的幅度，从而使通过玻璃等固态介质的噪声降低。

4.振动反馈模块

该模块属于优选方案，用于监测玻璃等固态介质振动的最终振动情况，对信号处理模块进行反馈，根据叠加之后的误差信号调节装置，驱动主动振动模块，形成对原有噪声振动的补偿振动，进一步降低玻璃等固态介质的最终振动效果。

5.软件模块

所述软件模块主要包括两部分：主控程序和中断服务程序。其中，主控程序包括压电片振动信号采集程序、A/D转换输入和次级驱动信号生成；中断服务程序用于获得初级机械振动信号转换的电信号、基于LMS算法的自适应滤波系数调节以及输出反馈调节信号到信号处理模块，以修改其次级驱动信号的输出，驱动主动控制模块，进一步降低玻璃的噪声振动。

其中，所述的主控程序执行顺序如下:

步骤一：进行***初始化，包括A/D采样转换器、D/A转换器、ARM处理器；

步骤二：A/D采样转换器接收压电片采集的初级机械振动信号并进行转换，信号处理模块等待进行数据处理；

步骤三：判断A/D转换是否结束，若未结束，继续接收和转换初级机械振动信号数据，否则进行下一步；

步骤四：进入中断服务程序；

步骤五：中断服务程序处理完毕，信号处理模块输出次级驱动信号。

所述的中断服务程序执行顺序如下：

步骤一：保存初级机械振动信号经过A/D转换后的电信号；

步骤二：基于LMS算法计算次级驱动信号y (n)，自适应滤波调节，减少减振消音后得到的残余误差信号e(n)值；

步骤三：跳出中断，返回主控程序。

为了方便进一步理解，下面结合图4对本发明所述***的工作方法进行一个步骤性的说明。

步骤一：振动采集模块的压电片采集噪声通过玻璃时产生的初级机械振动信号，该信号为玻璃的位移模拟信号，通过放大、A/D采样转换为电信号后输出到信号处理模块；

步骤二：信号处理模块产生一个与输入的电信号大小相等、方向相反的次级驱动信号；

步骤三：主动控制模块接收次级驱动信号，通过压电片转换为次级机械振动，作用于玻璃，次级机械振动与初级机械振动幅度相等、相位相反；

步骤四：振动反馈模块监测玻璃的最终振动情况，通过中断服务程序向信号处理模块输出反馈调节信号，修改其次级驱动信号的输出，驱动主动控制模块，进一步降低玻璃的噪声振动。

本发明的有益效果为：

(1)本发明针对民用住宅和办公场所等环境中声音传播阻尼最小的介质—玻璃来进行主动噪声控制，实现降低室内噪声强度的效果；

(2)本发明采用压电材料实现主动噪声消音器设计，能够有效降低中低频噪声，尤其是对人体影响较大的1kHz以下的噪声，在优化噪声的频段上能够与传统被动噪声控制方法实现很好的互补。

(3) 本发明在玻璃介质上利用振动叠加，从而达到降低噪声的效果，相对于已有的主动控制在空间上采用多个次级声源在声场进行叠加的方法，具有实现难度低、操作简单、控制方便等优势。

Claims (7)

1.一种用于玻璃的噪声主动控制消音***，其特征在于，包含振动采集模块、信号处理模块、主动振动模块、运行有主控程序及中断服务程序的软件模块;

所述振动采集模块包含压电片、A/D采样转换器，所述振动采集模块用于通过压电片采集噪声在玻璃上产生的初级机械振动信号，通过放大、采样转换为电信号后输出到信号处理模块中；

所述信号处理模块用于对输入的电信号进行分析和处理，并产生大小相同，相位相反的次级驱动信号输出到主动控制模块；

所述主动控制模块用于在接收次级驱动信号后通过压电片产生次级机械振动，作用于玻璃，次级机械振动与初级机械振动相位相反；

所述主控程序用于控制压电片采集初级机械振动信号及信号的A/D转换、次级驱动信号生成；

中断服务程序用于获得初级机械振动信号转换的电信号及自适应滤波系数调节。

2.如权利要求1所述的用于玻璃的噪声主动控制消音***，其特征在于，还包括振动反馈模块，所述振动反馈模块用于通过监测玻璃的最终振动情况，通过中断服务程序向信号处理模块输出反馈调节信号，修改其次级驱动信号的输出，驱动主动控制模块，进一步降低玻璃的噪声振动。

3.如权利要求1或2所述的用于玻璃的噪声主动控制消音***，其特征在于，所述信号处理模块的顶层控制算法采用PID控制算法。

4.如权利要求1或2所述的用于玻璃的噪声主动控制消音***，其特征在于，所述信号处理模块的底层算法采用自适应滤波最小均方误差算法，自适应滤波最小均方误差算法利用初级机械振动信号及误差信号来自适应调节滤波器的系数，适时给出控制信号，经过D/A转换后成为次级驱动信号。

5.如权利要求1或2所述的用于玻璃的噪声主动控制消音***，其特征在于，所述主控程序执行步骤如下:

步骤一：进行***初始化；

步骤二：A/D采样转换器接收压电片采集的初级机械振动信号并进行转换，信号处理模块等待进行数据处理；

步骤三：判断A/D转换是否结束，若未结束，继续接收和转换初级机械振动信号数据，否则进行下一步；

步骤四：进入中断服务程序；

步骤五：中断服务程序处理完毕，信号处理模块输出次级驱动信号；

所述的中断服务程序执行步骤如下：

步骤一：保存初级机械振动信号经过A/D转换后的电信号；

步骤二：信号处理模块采用自适应滤波最小均方误差算法计算次级驱动信号，自适应滤波调节，减少减振消音后得到的残余误差信号值；

步骤三：跳出中断，返回主控程序。

6.如权利要求2所述的用于玻璃的噪声主动控制消音***的工作方法，其特征在于，包含下列步骤：

步骤一：振动采集模块的压电片采集噪声通过玻璃时产生的初级机械振动信号，通过放大、A/D采样转换为电信号后输出到信号处理模块；

步骤二：信号处理模块产生一个与输入的电信号大小相等，方向相反的次级驱动信号；

步骤三：主动控制模块接收次级驱动信号，通过压电片转换为玻璃的次级机械振动，次级机械振动与初级机械振动幅度相等、相位相反。

7.如权利要求6所述的用于玻璃的噪声主动控制消音***的工作方法，其特征在于，还包括步骤四：振动反馈模块监测玻璃的最终振动情况，通过中断服务程序向信号处理模块输出反馈调节信号，修改其次级驱动信号的输出，驱动主动控制模块，进一步降低玻璃的噪声振动。