CN109741728A - 一种基于波形反馈的主动降噪***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波形反馈的主动降噪***及方法，涉及声音监测领域，包括外置的麦克风、降噪电路、次级声波产生装置、扬声器和电源模块；麦克风将采集的噪声声波传输给降噪电路；降噪电路包括滤波器、放大器和移相器；滤波器滤除高频噪声，放大器增大噪声衰减程度，提高信噪比，移相器对滤波放大后的噪音的相位进行调整；次级声波产生装置根据降噪电路经过滤波、放大、移相后得到的声波信号参数产生等幅等频反相的目标声波；扬声器在次级声波产生装置的驱动下播放目标声波；电源模块为***供电。降低了车间内的噪音，保护工人的听觉***，避免了噪声对人健康带来的影响。

Description

一种基于波形反馈的主动降噪***及方法

技术领域

本发明涉及声音监测领域，尤其是一种基于波形反馈的主动降噪***及方法。

背景技术

随着经济的发展，人们生活水平日益提高，越来越多的人对自身及其家人的环境要求不断提高，声音噪音越来越成为人们关注的焦点。人在一个环境中学习、工作或进行娱乐活动，都会受到周围噪声的影响，最直接的解决方式是佩戴耳机，目前市面上存在较多的头戴式降噪耳机，采用的方法是波形反馈。由于所有的声音都是由一定的频谱组成，如果可以找到一种声音，其频谱与所要消除的噪声完全一样，只是刚好相差180度，声波一起播放时就会产生干涉相消现象。在实际应用中，用一个麦克风采集外部噪声，自适应滤波器利用当前信号经过耳机***模拟的传递函数来预测耳机内的噪声，在耳机内部设置一个麦克风采集实际声音，与预测的声音产生一个误差信号给输入，使主动降噪更准确。但是在工厂环境中，每个工人不可能都带一个降噪耳机，成本太高，而且会影响相互的交流沟通。

发明内容

本发明针对上述问题及技术需求，提出了一种基于波形反馈的主动降噪***及方法。

本发明的技术方案如下：

第一方面，一种基于波形反馈的主动降噪***，包括：外置的麦克风、降噪电路、次级声波产生装置、扬声器和电源模块；

所述麦克风与所述降噪电路连接，所述麦克风将采集的噪声声波传输给所述降噪电路的输入端；

所述降噪电路包括滤波器、放大器和移相器；所述滤波器用于滤除高频噪声，所述放大器用于增大噪声衰减程度，提高信噪比，所述移相器用于对滤波放大后的噪音的相位进行调整；

所述次级声波产生装置的输入端与所述降噪电路的输出端连接，所述次级声波产生装置用于根据所述降噪电路经过滤波、放大、移相后得到的声波信号参数产生等幅等频反相的目标声波；

所述次级声波产生装置与所述扬声器连接，所述扬声器在所述次级声波产生装置的驱动下播放所述目标声波；

所述电源模块与所述麦克风、所述降噪电路、所述次级声波产生装置和所述扬声器连接，用于为***供电。

其进一步的技术方案为：还包括：分析模块；所述麦克风与所述分析模块连接，所述分析模块用于显示所述麦克风采集的噪声声波供后续分析。

其进一步的技术方案为：还包括：分贝计和反馈模块；

所述分贝计用于记录噪声声波的音量；

所述反馈模块与所述分贝计连接，所述反馈模块用于根据所述分贝计的测量结果与理想值的差距进行反馈消噪。

其进一步的技术方案为：所述滤波器包括电容和电感。

其进一步的技术方案为：所述扬声器的安装位置根据现场试验测量确定。

其进一步的技术方案为：所述麦克风为动圈麦克风。

其进一步的技术方案为：所述扬声器为半球形，包裹住所述主动降噪***的电路。

第二方面，一种基于波形反馈的主动降噪方法，应用于如第一方面所述的基于波形反馈的主动降噪***中，所述方法包括：

在***中预装麦克风、降噪电路、次级声波产生装置、扬声器；

测试前，记录车间当前音量，将***开关开启，完成设备的初始化；

测试时，将***安装在车间的天花板上，通过外置的麦克风采集环境的噪声声波，记录当前车间内的音量；

通过降噪电路对采集的噪声声波进行滤波、放大和移相，确定出等幅等频反相的目标声波的声波信号参数；

通过所述次级声波产生装置根据所述声波信号参数向扬声器传达对应指令；

在所述扬声器接收到所述对应指令后，按时产生与噪声声波大小相等方向相反的目标声波，使得所述目标声波与噪声声波相抵消；

测试结束时，将***开关关闭，测量车间内的音量，计算***的降噪效果。

其进一步的技术方案为：目标声波输出为：y(n)＝w^T(n)x(n)，其中，y(n)为实际输出，w^T(n)为权系数的转置，x(n)为输入向量；

误差信号：e(n)＝d(n)-y(n)，其中，e(n)为偏差，d(n)为期望输出；

权系数更新：w(n+1)＝w(n)+βe(n)x(n)，其中，β为学习速率。

其进一步的技术方案为：所述计算***的降噪效果，包括：

实时采集降噪之后的车间音量，调整所述扬声器的位置；

根据车间音量的变化，找出降噪效果最好时对应的扬声器的目标位置；

将所述扬声器安装在所述目标位置，播放目标声波进行消噪。

本发明的有益技术效果是：

可以实现车间内降低噪声的目的，解决了噪声引起的工人心情烦躁的问题，缓解了噪声对人耳听觉***产生的伤害，有效地防止工人产生噪声性耳聋，另外，由于不需要工人戴降噪耳机，因此能够避免戴降噪耳机引起的交流不便的状况。

附图说明

图1是本发明一个实施例提供的基于波形反馈的主动降噪***的结构方框图。

图2是本发明另一个实施例提供的基于波形反馈的主动降噪***的结构方框图。

图3是本发明一个实施例提供的扬声器的示意图。

图4是本发明一个实施例提供的基于波形反馈的主动降噪方法的流程图。

图5是本发明一个实施例提供的机床撞击发声的示意图。

图6是本发明一个实施例提供的麦克风在车间内的安装位置示意图。

图7是本发明一个实施例提供的主动降噪方法的应用流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

图1是本发明一个实施例提供的基于波形反馈的主动降噪***的结构方框图，如图1所示，该***包括：外置的麦克风10、降噪电路20、次级声波产生装置30、扬声器40和电源模块50。

麦克风10与降噪电路20连接，麦克风10将采集的噪声声波传输给降噪电路20的输入端。

可选的，麦克风10为动圈麦克风。选用高灵敏度的动圈麦克风作为声波收集装置，能够收集一定范围内的声波。声波收集装置设计为抛物面反射面，有利于收集声波。

降噪电路20包括滤波器21、放大器22和移相器23；滤波器21用于滤除高频噪声，放大器22用于增大噪声衰减程度，提高信噪比，移相器23用于对滤波放大后的噪音的相位进行调整，以达到最大限度地消除噪声的目的。

在实际应用中，降噪电路20可以是ANC电路。

可选的，滤波器21包括电容和电感，过滤掉采集的噪声声波中的谐波。

次级声波产生装置30的输入端与降噪电路20的输出端连接，次级声波产生装置30用于根据降噪电路20经过滤波、放大、移相后得到的声波信号参数产生等幅等频反相的目标声波，并驱动扬声器40播放反相声波，以达到初级噪声和次级声波相消的目的。

次级声波产生装置30与扬声器40连接，扬声器40在次级声波产生装置30的驱动下播放目标声波。

扬声器40为一种高精度的电容电阻装置，能够消除一定范围内的噪声。

电源模块50与麦克风10、降噪电路20、次级声波产生装置30和扬声器40连接，用于为***供电。

在实际应用中，降噪电路20、次级声波产生装置30和电源模块50均连接在印刷电路板上。

可选的，结合参考图2，该***还可以包括分析模块60；麦克风10与分析模块60连接，分析模块60用于显示麦克风10采集的噪声声波供后续分析。

分析模块60可以分析收集到的声波的幅频、相位等声波参数，将声波波形和声波参数显示给测试人员，供测试人员参考分析。

可选的，结合参考图2，该***还可以包括分贝计70和反馈模块80。

分贝计70用于记录噪声声波的音量。

反馈模块80与分贝计70连接，反馈模块80用于根据分贝计70的测量结果与理想值的差距进行反馈消噪。

反馈模块80根据分贝计70的测量结果与电脑仿真器计算出的理想值之间的差距反馈给测试人员，测试人员可以根据差距对降噪电路20中的器件参数进行调整，使得降噪电路20的降噪效果更好。

可选的，扬声器40的安装位置根据现场试验测量确定。

可选的，结合参考图3，扬声器40为半球形，包裹住主动降噪***的电路。

扬声器40的总体外形设计成半球形，材料可以选用薄铁皮，减少对声波传输的阻挡，使声音的传播方向更广，可以向四周传播声波。

本发明实施例还提供一种基于波形反馈的主动降噪方法，应用于如图1至3所示的基于波形反馈的主动降噪***中，如图4所示，该方法可以包括：

步骤1，在***中预装麦克风、降噪电路、次级声波产生装置、扬声器。

预装麦克风、降噪电路、次级声波产生装置和扬声器时，降噪电路和次级声波产生装置中的器件参数粗略选择，麦克风和扬声器的安装位置是根据经验随机布置的。

麦克风安装在工厂车间内人最频繁停留或经过的地方，并在不同位置设置多个扬声器。

结合参考图5，以摇臂机床为例，运动过程分为左移和右移两个过程，每次移动到极限位置时会发生碰撞而发出响声，车间里的机床越多，噪声越大。

结合参考图6，在车间内多个地点安装麦克风10，在安装麦克风10之前，需要检测噪声程度最严重的几个地点，经比较后安装麦克风10，有利于声波采集的准确性。

步骤2，测试前，记录车间当前音量，将***开关开启，完成设备的初始化。

这里可以通过分贝计记录车间的音量。

步骤3，测试时，将***安装在车间的天花板上，通过外置的麦克风采集环境的噪声声波，记录当前车间内的音量。

将***安装在天花板上，既可以避免***的布置占用车间地面作业的空间，而且可以使得***的安装位置不受车间机床位置的影响。

步骤4，通过降噪电路对采集的噪声声波进行滤波、放大和移相，确定出等幅等频反相的目标声波的声波信号参数。

其中，目标声波输出为：y(n)＝w^T(n)x(n)，其中，y(n)为实际输出，w^T(n)为权系数的转置，x(n)为输入向量；误差信号：e(n)＝d(n)-y(n)，其中，e(n)为偏差，d(n)为期望输出；权系数更新：w(n+1)＝w(n)+βe(n)x(n)，其中，β为学习速率。

可选的，麦克风采集的噪声声波还传输给分析模块，分析模块中导入LMS自控制算法，能够根据噪声声波计算出次级声波产生装置应该产生的目标声波的幅值和频率等参数，调试人员根据提供的参数对降噪电路的器件参数进行调整。可选的，分析模块可以是电脑，根据前后两次噪声的对比，构建闭环传递函数***，在电脑上通过MATLAB软件用LMS算法计算误差，随后调整扬声器的位置。

步骤5，通过次级声波产生装置根据声波信号参数向扬声器传达对应指令。

步骤6，在扬声器接收到对应指令后，按时产生与噪声声波大小相等方向相反的目标声波，使得目标声波与噪声声波相抵消。

扬声器接收到传达过来的PCB指令后，按时产生与噪声声波大小相等、相位差180度的次级声波，即目标声波，次级声波(目标声波)与初级声波(噪声声波)两者能够凑上步点，实现抵消。

在车间内合适的位置摆放扬声器，发出反相波形，达到消噪的效果，同时可以通过麦克风的采集，实时反馈当下房间内的声响程度。

步骤7，测试结束时，将***开关关闭，测量车间内的音量，计算***的降噪效果。

可选的，计算***的降噪效果，可以包括：实时采集降噪之后的车间音量，调整扬声器的位置；根据车间音量的变化，找出降噪效果最好时对应的扬声器的目标位置；将扬声器安装在目标位置，播放目标声波进行消噪。

主动消噪的效果可以将实际输出与理想输出进行比较，如果在一定范围内，或实际输出等于理想输出，表明***的工作状态良好，反之表明***存在误差不能很好的消除噪声，需要反复调整器件参数及扬声器的位置进行电路调试，直到达到理想的消噪效果，重复步骤2至步骤7，直到最后的输出趋于理想收敛。

声源传播到每个角落所经过的路径是不同的，因此扬声器摆放的位置可以通过软件模拟计算获得。

结合参考图7，本发明实施例提供的基于波形反馈的主动降噪方法在实际应用中主要包括图7所示的步骤。

需要说明的是，在车间内各类机床的撞击声或运动声频率都不太高，波长较长，可以实现反相波形相互抵消的效果，在使用本发明实施例提供的基于波形反馈的主动降噪***及方法时，需要对车间内的噪声频率进行大致的评估。

以上所述的仅是本发明的优先实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于波形反馈的主动降噪***，其特征在于，包括：外置的麦克风、降噪电路、次级声波产生装置、扬声器和电源模块；

所述麦克风与所述降噪电路连接，所述麦克风将采集的噪声声波传输给所述降噪电路的输入端；

所述降噪电路包括滤波器、放大器和移相器；所述滤波器用于滤除高频噪声，所述放大器用于增大噪声衰减程度，提高信噪比，所述移相器用于对滤波放大后的噪音的相位进行调整；

所述次级声波产生装置的输入端与所述降噪电路的输出端连接，所述次级声波产生装置用于根据所述降噪电路经过滤波、放大、移相后得到的声波信号参数产生等幅等频反相的目标声波；

所述次级声波产生装置与所述扬声器连接，所述扬声器在所述次级声波产生装置的驱动下播放所述目标声波；

所述电源模块与所述麦克风、所述降噪电路、所述次级声波产生装置和所述扬声器连接，用于为***供电。

2.根据权利要求1所述的基于波形反馈的主动降噪***，其特征在于，还包括：分析模块；所述麦克风与所述分析模块连接，所述分析模块用于显示所述麦克风采集的噪声声波供后续分析。

3.根据权利要求1所述的基于波形反馈的主动降噪***，其特征在于，还包括：分贝计和反馈模块；

所述分贝计用于记录噪声声波的音量；

所述反馈模块与所述分贝计连接，所述反馈模块用于根据所述分贝计的测量结果与理想值的差距进行反馈消噪。

4.根据权利要求1所述的基于波形反馈的主动降噪***，其特征在于，所述滤波器包括电容和电感。

5.根据权利要求1所述的基于波形反馈的主动降噪***，其特征在于，所述扬声器的安装位置根据现场试验测量确定。

6.根据权利要求1所述的基于波形反馈的主动降噪***，其特征在于，所述麦克风为动圈麦克风。

7.根据权利要求1所述的基于波形反馈的主动降噪***，其特征在于，所述扬声器为半球形，包裹住所述主动降噪***的电路。

8.一种基于波形反馈的主动降噪方法，其特征在于，应用于如权利要求1至7任一所述的基于波形反馈的主动降噪***中，所述方法包括：

在***中预装麦克风、降噪电路、次级声波产生装置、扬声器；

测试前，记录车间当前音量，将***开关开启，完成设备的初始化；

测试时，将***安装在车间的天花板上，通过外置的麦克风采集环境的噪声声波，记录当前车间内的音量；

通过降噪电路对采集的噪声声波进行滤波、放大和移相，确定出等幅等频反相的目标声波的声波信号参数；

通过所述次级声波产生装置根据所述声波信号参数向扬声器传达对应指令；

在所述扬声器接收到所述对应指令后，按时产生与噪声声波大小相等方向相反的目标声波，使得所述目标声波与噪声声波相抵消；

测试结束时，将***开关关闭，测量车间内的音量，计算***的降噪效果。

9.根据权利要求8所述的基于波形反馈的主动降噪方法，其特征在于，目标声波输出为：y(n)＝w^T(n)x(n)，其中，y(n)为实际输出，w^T(n)为权系数的转置，x(n)为输入向量；

误差信号：e(n)＝d(n)-y(n)，其中，e(n)为偏差，d(n)为期望输出；

权系数更新：w(n+1)＝w(n)+βe(n)x(n)，其中，β为学习速率。

10.根据权利要求8所述的基于波形反馈的主动降噪方法，其特征在于，所述计算***的降噪效果，包括：

实时采集降噪之后的车间音量，调整所述扬声器的位置；

根据车间音量的变化，找出降噪效果最好时对应的扬声器的目标位置；将所述扬声器安装在所述目标位置，播放目标声波进行消噪。