CN109767749A - 一种基于座椅的噪声主动控制***及噪声主动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开一种基于座椅的噪声主动控制***及噪声主动控制方法。其中，所述***包括座椅和噪声控制装置，所述噪声控制装置包括罩壳、扬声器、参考传感器和噪声控制器，所述噪声控制器分别与所述扬声器和所述参考传感器相连；所述参考传感器用于采集噪声信号，所述噪声控制器用于根据所述噪声信号生成用于抵消所述噪声信号的消声信号，所述扬声器用于在所述罩壳内发出所述消声信号，所述罩壳设置在所述座椅上。本发明实施例提供的基于座椅的噪声主动控制***及噪声主动控制方法，降低了罩壳内的噪声。
Description
技术领域
本发明实施例涉及交通运输技术领域，具体涉及一种基于座椅的噪声主动控制***及噪声主动控制方法。
背景技术
随着高速列车的快速发展，对其乘坐舒适性要求也越来越高，而噪声是影响列车乘坐舒适性的重要因素。
列车封闭空间内的噪声环境多变而且复杂，单纯的吸声和隔声处理措施已无法满足对列车内的噪声的控制要求，尤其是对于低频噪声。由于吸声和隔声处理措施所采用的材料的声衰减特性随着频率降低而衰减，若在低频噪声段取得中高频噪声段相同的降噪效果，则需要增加上述材料的厚度和重量，在实际使用时体积庞大，不仅减小了列车内部的乘坐空间，同时增加了列车的整车质量，导致列车的制造成本和运行成本的提高。
因此，如何提出一种噪声主动控制***，能够对列车内的噪声进行控制，以降低列车内的噪声成为业界亟待解决的重要课题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明实施例提供一种基于座椅的噪声主动控制***及噪声主动控制方法。
一方面，本发明实施例提出一种基于座椅的噪声主动控制***，包括座椅和噪声控制装置，其中：
所述噪声控制装置包括罩壳、扬声器、参考传感器和噪声控制器，所述噪声控制器分别与所述扬声器和所述参考传感器相连；所述参考传感器用于采集噪声信号，所述噪声控制器用于根据所述噪声信号生成用于抵消所述噪声信号的消声信号，所述扬声器用于在所述罩壳内发出所述消声信号，所述罩壳设置在所述座椅上。
另一方面，本发明实施例提供一种采用上述任一实施例所述的基于座椅的噪声主动控制***的噪声主动控制方法，包括：
参考传感器采集噪声信号，并将所述噪声信号传输给噪声控制器；
所述噪声控制器根据所述噪声信号和预设的噪声主动控制算法生成消声信号，并将所述消声信号传输给扬声器；
所述扬声器在罩壳内发出所述消声信号，以使得所述消声信号与所述噪声信号在所述罩壳内发生叠加，降低所述罩壳内的噪声。
本发明实施例提供的基于座椅的噪声主动控制***及噪声主动控制方法，包括座椅和噪声控制装置，噪声控制装置包括罩壳、扬声器、参考传感器和噪声控制器，噪声控制器分别与扬声器和参考传感器相连，参考传感器用于采集噪声信号，噪声控制器用于根据噪声信号生成用于抵消噪声信号的消声信号，扬声器用于发出消声信号，罩壳设置在座椅上，将消声信号与噪声信号在罩壳内进行叠加，降低了罩壳内的噪声。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的基于座椅的噪声主动控制***的结构示意图；
图2a为本发明一实施例提供的基于座椅的噪声主动控制***的主视示意图；
图2b为本发明一实施例提供的基于座椅的噪声主动控制***的侧视示意图；
图3为本发明一实施例提供的噪声主动控制方法的流程示意图；
图4为本发明另一实施例提供的噪声主动控制方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
噪声主动控制(Active Noise Control，简称ANC)的原理：构造一种声音，该声音与要消除的噪声幅值相等相位相反，根据声波叠加原理，两个振幅相同但相位相反的声波相互叠加，具有消减效应，ANC通过加入与原有噪声的幅值相等相位相反的声音来消除或减弱原有噪声。本发明实施例提供的基于座椅的噪声主动控制***，其目的是通过为座椅引入噪声主动控制技术，在座椅上增加一个罩壳，抑制座椅的头部区域的噪声，以期改善噪声舒适度。
可以理解的是，火车、飞机等交通工具上都会安装座椅，都存在抑制噪声的问题，因此，本发明实施例提供的基于座椅的噪声主动控制***，可以应用于高铁、飞机等交通工具上，为了清楚地介绍本发明的技术方案以下各实施例仅以安装在高铁上的座椅为例进行说明。
图1为本发明一实施例提供的基于座椅的噪声主动控制***的结构示意图，图2a为本发明一实施例提供的基于座椅的噪声主动控制***的主视示意图，图2b为本发明一实施例提供的基于座椅的噪声主动控制***的侧视示意图，如图1、图2a和图2b所示，本发明实施例提供的基于座椅的噪声主动控制***，包括座椅1和噪声控制装置，其中：
所述噪声控制装置包括罩壳2、扬声器、参考传感器和噪声控制器，所述噪声控制器分别与所述扬声器和所述参考传感器相连；所述参考传感器用于采集噪声信号，所述噪声控制器用于根据所述噪声信号生成用于抵消所述噪声信号的消声信号，所述扬声器用于在罩壳2内发出所述消声信号，罩壳2设置在座椅1上。
具体地，为了抑制座椅头部区域的噪声，提高乘车的舒适度，在座椅1上设置罩壳2，可以通过在座椅1和罩壳2上开槽将罩壳2安装到座椅1上，罩壳2的壁厚例如为80mm，罩壳2为中空结构，当所述乘客正常坐到座椅1上时，所述乘客的头部位于罩壳2内，罩壳2作为所述扬声器的箱体，有利于消除罩壳2内的所述噪声信号，提高乘客乘坐的舒适度；此外，罩壳2增加了所述乘客的私密性。所述参考传感器可以采用麦克风，用于采集噪声激励源的噪声信号，并将采集获得的噪声信号发送给所述噪声控制器。所述噪声控制器可以安装在座椅1的底座内部，所述噪声控制器可以采用Dspace控制器，根据接收到的所述噪声信号和噪声主动控制算法生成消声信号，所述消声信号是与所述噪声信号幅值相等相位相反的信号，然后将所述消声信号传输给所述扬声器，使所述扬声器在罩壳2内发出消声信号，所述噪声信号和所述消声信号在罩壳2内发生叠加，降低了罩壳2内的噪声。其中，噪声主动控制算法是预设的；所述扬声器可以安装在罩壳2内，位于所述乘客正常坐到座椅1上时的头顶位置；罩壳2的壁厚根据实际需要进行设置，本发明实施例不做限定；座椅1的具体结构根据实际需要进行设置，本发明实施例不做限定；罩壳1的外形根据实际需要进行设置，本发明实施例不做限定。
本发明实施例提供的基于座椅的噪声主动控制***，包括座椅和噪声控制装置，噪声控制装置包括罩壳、扬声器、参考传感器和噪声控制器，噪声控制器分别与扬声器和参考传感器相连，参考传感器用于采集噪声信号，噪声控制器用于根据噪声信号生成用于抵消噪声信号的消声信号，扬声器用于发出消声信号，罩壳设置在座椅上，将噪声信号和消声信号在罩壳内进行叠加，将消声信号与噪声信号在罩壳内进行叠加，降低了罩壳内的噪声。此外，噪声控制装置不会影响火车、飞机等交通工具的结构，降低了降噪成本。
在上述各实施例的基础上，进一步地，罩壳2设置在座椅1的靠背上，座椅1的结构变化不大，投入成本少，容易实现。
在上述各实施例的基础上，进一步地，罩壳2包括两个对称设置的共振腔，每个所述共振腔内设置一个所述扬声器，所述共振腔作为所述扬声器的箱体，有利于所述扬声器发出低频的消声信号，以便消除低频噪声，每个所述共振腔的容积可以为8.5L，能够保证降噪效果。其中，所述共振腔的形状根据实际需要进行设置，本发明实施例不做限定；所述共振腔的壁厚可以设置为5mm；所述扬声器可以采用超薄型，以便减小罩壳2的厚度。
在上述各实施例的基础上，进一步地，所述共振腔设置在罩壳2的顶部，位于所述乘客的正常坐姿的头顶位置，从所述共振腔传出的消声信号靠近所述乘客的耳朵，有利于保证降噪效果。
在上述各实施例的基础上，进一步地，所述罩壳的内壁设置吸声材料，所述吸声材料可以粘贴在所述罩壳的内壁上，用于抑制中高频噪声，进一步降低了罩壳内的噪声。其中，所述吸声材料的厚度可以设置为40mm。
在上述各实施例的基础上，进一步地，所述噪声控制器采用Dspace控制器，根据接收到的所述噪声信号和噪声主动控制算法生成消声信号，并使所述扬声器发出所述消声信号，使得所述噪声信号和所述消声信号在罩壳2内进行叠加。
在上述各实施例的基础上，进一步地，所述参考传感器有多个，分别设置在座椅1和罩壳2上。多个所述参考传感器用于分别获取座椅周围不同位置的噪声信号，设置多个所述参考传感器有利于提高所述噪声信号的检测精度和噪声主动控制精度。其中，多个所述参考传感器的具体安装位置根据实际需要进行设置，本发明实施例不做限定；所述参考传感器的数量根据实际需要进行设置，本发明实施例不做限定。
例如，可以在罩壳2的顶部外侧设置一个所述参考传感器，在罩壳2的两个侧面分别设置一个所述参考传感器，在座椅1的靠背外侧靠近罩壳2的底部设置两个所述参考传感器，在座椅1的靠背外侧靠近地板处设置两个所述参考传感器，在座椅1的每个扶手外侧设置一个所述参考传感器。
图3为本发明一实施例提供的噪声主动控制方法的流程示意图，如图3所示，本发明实施例提供的采用上述任一实施例所述的基于座椅的噪声主动控制***的噪声主动控制方法，包括：
S301、参考传感器采集噪声信号，并将所述噪声信号传输给噪声控制器；
具体地，高铁在运行时会发出噪声，参考传感器可以采集获得噪声信号，然后将所述噪声信号发送给噪声控制器。其中，所述参考传感器可以采用麦克风。
S302、所述噪声控制器根据所述噪声信号和预设的噪声主动控制算法生成消声信号，并将所述消声信号传输给扬声器；
具体地，所述噪声控制器接收到所述噪声信号之后，根据所述噪声信号和噪声主动控制算法生成消声信号，所述消声信号用于消除或者减弱所述噪声信号，然后将所述消声信号传输给扬声器。其中，所述消声信号是与所述噪声信号波形相同，相位相反的信号；所述噪声主动控制算法是预设的。
例如，所述噪声信号为x(n)，所述消声信号为y(n)，y(n)＝wT(n)x(n)，其中，w(n)为所述噪声主动控制算法的权系数，wT(n)为所述噪声主动控制算法的权系数的转置。所述噪声主动控制算法根据公式w(n+1)＝(1-α)w(n)+αxT(n)f(n)，对所述噪声主动控制算法的权系数进行调整，其中，w(n+1)表示n+1时刻的所述噪声主动控制算法的权系数，w(n)表示n时刻的所述噪声主动控制算法的权系数，α表示所述噪声主动控制算法的收敛系数，x(n)表示n时刻的所述噪声信号，xT(n)表示n时刻的所述噪声信号的转置，f(n)表示n时刻的滤波器系数；其中，f(n)根据x(n)从滤波器系数合集中进行选择，所述滤波器系数合集是预先建立的。
S303、所述扬声器在罩壳内发出所述消声信号，以使得所述消声信号与所述噪声信号在罩壳内发生叠加，降低所述罩壳内的噪声。
具体地，所述扬声器接收到所述消声信号之后，在罩壳内发出所述消声信号，所述罩壳内的所述噪声信号和所述消声信号发生叠加，从而降低所述罩壳内的噪声。
本发明实施例提供的噪声主动控制方法，参考传感器采集噪声信号，并将噪声信号传输给噪声控制器，噪声控制器根据噪声信号和预设的噪声主动控制算法生成消声信号，并将消声信号传输给扬声器；扬声器在罩壳内发出消声信号，以使得消声信号与噪声信号在罩壳内发生叠加，降低了罩壳内的噪声。
在上述各实施例的基础上，进一步地，所述噪声主动控制算法根据公式w(n+1)＝(1-α)w(n)+αxT(n)f(n)，对所述噪声主动控制算法的权系数进行调整，其中，w(n+1)表示n+1时刻的所述噪声主动控制算法的权系数，w(n)表示n时刻的所述噪声主动控制算法的权系数，α表示所述噪声主动控制算法的收敛系数，x(n)表示n时刻的所述噪声信号，xT(n)表示n时刻的所述噪声信号的转置，f(n)表示n时刻的滤波器系数；其中，f(n)根据x(n)从滤波器系数合集中进行选择，所述滤波器系数合集是预先建立的。
具体地，由于本发明实施例采用的基于座椅的噪声主动控制***没有使用误差传感器，所以所述噪声主动控制算法与现有技术中的FXLMS算法有所不同，所述噪声主动控制算法根据公式w(n+1)＝(1-α)w(n)+αxT(n)f(n)，对所述噪声主动控制算法的权系数进行调整，其中，w(n+1)表示n+1时刻的所述噪声主动控制算法的权系数，w(n)表示n时刻的所述噪声主动控制算法的权系数，α表示所述噪声主动控制算法的收敛系数，x(n)表示n时刻的所述噪声信号，xT(n)表示n时刻的所述噪声信号的转置，f(n)表示n时刻的滤波器系数，f(n)根据x(n)从滤波器系数合集中进行选择，所述滤波器系数合集是预先建立的。其中，w(0)＝A-1B，A＝E[x(0)xT(0)]，B＝E[x(0)dT(0)]，x(0)表示0时刻的所述噪声信号，xT(0)表示0时刻的所述噪声信号的转置，d(0)表示包含噪声的原始信号，dT(0)表示包含噪声的原始信号，可以测试获得，E[]表示期望值。
图4为本发明另一实施例提供的噪声主动控制方法的流程示意图，如图4所示，所述滤波器系数合集通过如下方式获得：
S401、在多种典型工况下，分别采集获得所述参考传感器和误差传感器之间的第一传递函数；其中，所述误差传感器是预先配置的；
具体地，现有技术中的噪声主动控制***，误差传感器是必不可少的，检测误差信号。但是，如果在座椅上设置误差传感器，会限制乘客头部的自由活动，降低乘坐舒适性。本发明实施例提供的噪声主动控制方法为了在实际应用中移除误差传感器，需要在多种典型工况下，分别采集获得所述参考传感器和误差传感器之间的第一传递函数。其中，所述误差传感器是预先配置配基于座椅的噪声主动控制***的，为了使所述误差传感器获取精确的误差信号，可以将所述误差传感器设置在所述座椅的头部区域；在获取所述第一传递函数时，噪声控制器采用现有技术中的自适应FXLMS算法；所述典型工况根据实际情况进行设置，本发明实施例不做限定。
例如，将所述基于座椅的噪声主动控制***配置在高铁上，根据所述高铁的不同车速，不同加速度，不同路况(高架、隧道等)等将高铁的运行分为多种所述典型工况。在每种所述典型工况下，采集获得所述参考传感器与所述误差传感器之间的第一传递函数Ref。假设配置9个所述参考传感器和2个所述误差传感器，9个所述参考传感器到2个所述误差传感器之间存在18条传递路径，所述噪声控制器基于FXLMS算法分析出18条传递路径的路径传递函数后，可以获得所述参考传感器与所述误差传感器之间的第一传递函数Ref。其中，所述典型工况根据实际经验进行设置，本发明实施例不做限定。
S402、在静止工况下，采集获得所述扬声器和所述误差传感器之间的第二传递函数，并采集获得所述扬声器与所述参考传感器之间的第三传递函数；
具体地，本发明实施例提供的噪声主动控制方法为了在实际应用中移除误差传感器，还需要在静止工况下，采集获得所述扬声器和所述误差传感器之间的第二传递函数，并采集获得所述扬声器与所述参考传感器之间的第三传递函数。在获取所述第二传递函数和所述第三传递函数时，噪声控制器采用现有技术中的自适应FXLMS算法；
例如，将所述基于座椅的噪声主动控制***配置在高铁上，在所述高铁处于静止状态下，采集获得所述扬声器和所述误差传感器之间的第二传递函数Sef，并采集获得所述扬声器与所述参考传感器之间的第三传递函数Re。假设配置9个所述参考传感器、2个所述误差传感器和2个所述扬声器，2个所述扬声器到2个所述误差传感器之间形成4条传递路径，所述噪声控制器基于FXLMS算法分析出4条传递路径的路径传递函数后，可以获得所述扬声器与所述误差传感器之间的第二传递函数Sef；同理，2个所以扬声器到9个所述参考传感器之间形成18条传递路径，所述噪声控制器基于FXLMS算法分析出18条传递路径的路径传递函数后，可以获得所述扬声器与所述参考传感器之间的第三传递函数Re。
S403、根据每种所述典型工况下的第一传递函数、所述静止工况下的第二传递函数和第三传递函数，分别获得每种所述典型工况下的滤波器系数；
具体地，在获得各种所述典型工况下的第一传递函数、所述静止公开下的第二传递函数和第三传递函数之后，根据每种所述典型工况下的第一传递函数、所述静止工况下的第二传递函数和第三传递函数，可以获得每种所述典型工况下的滤波器系数。
例如，将所述基于座椅的噪声主动控制***配置在高铁上，获得所述高铁在以速度a经过隧道b的工况下的所述参考传感器与所述误差传感器之间的第一传递函数Ref1，并获得所述高铁在静止工况下的第二传递函数Sef1和第三传递函数Re1，所述高铁在以速度a经过隧道b的工况下的滤波器系数f＝Ref1+Sef1+Re1。
S404、将每种所述典型工况下的滤波器系数与所述每种典型工况下的所述参考传感器获得的噪声信号的取值范围对应，获得所述滤波器系数合集。
具体地，对于每种所述典型工况，所述参考传感器采集的噪声信号都会存在一个固定的取值范围，将每种所述典型工况下的噪声信号的取值范围与每种所述典型工况对应，每种所述典型工况都对应一个所述滤波器系数，将每种典型工况下噪声信号的取值范围与所述滤波器系数对应，获得所述滤波器系数合集。如果所述参考噪声信号采集的噪声信号位于对应取值范围内，说明当前的工况处于所述取值范围对应的工况，将所述取值范围对应滤波器系数，作为与所述噪声信号对应的滤波器系数，那么就可以根据所述噪声信号选择出对应的滤波器系数。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于座椅的噪声主动控制***，其特征在于，包括座椅和噪声控制装置，其中：
所述噪声控制装置包括罩壳、扬声器、参考传感器和噪声控制器，所述噪声控制器分别与所述扬声器和所述参考传感器相连；所述参考传感器用于采集噪声信号，所述噪声控制器用于根据所述噪声信号生成用于抵消所述噪声信号的消声信号，所述扬声器用于在所述罩壳内发出所述消声信号，所述罩壳设置在所述座椅上。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述罩壳设置在所述座椅的靠背上。
3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述罩壳包括两个对称设置的共振腔，每个所述共振腔内设置一个所述扬声器。
4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述共振腔设置在所述罩壳的顶部。
5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述罩壳的内壁设置吸声材料。
6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述噪声控制器采用Dspace控制器。
7.根据权利要求1至6任一项所述的***，其特征在于，所述参考传感器有多个，分别设置在所述座椅和所述罩壳上。
8.一种采用如权利要求1至7任一项所述的基于座椅的噪声主动控制***的噪声主动控制方法，其特征在于，包括：
参考传感器采集噪声信号，并将所述噪声信号传输给噪声控制器；
所述噪声控制器根据所述噪声信号和预设的噪声主动控制算法生成消声信号，并将所述消声信号传输给扬声器；
所述扬声器在罩壳内发出所述消声信号，以使得所述消声信号与所述噪声信号在所述罩壳内发生叠加，降低所述罩壳内的噪声。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述噪声主动控制算法根据公式w(n+1)＝(1-α)w(n)+αxT(n)f(n)，对所述噪声主动控制算法的权系数进行调整，其中，w(n+1)表示n+1时刻的所述噪声主动控制算法的权系数，w(n)表示n时刻的所述噪声主动控制算法的权系数，α表示所述噪声主动控制算法的收敛系数，x(n)表示n时刻的所述噪声信号，xT(n)表示n时刻的所述噪声信号的转置，f(n)表示n时刻的滤波器系数；其中，f(n)是根据x(n)从滤波器系数合集中进行选择，所述滤波器系数合集是预先建立的。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述滤波器系数合集通过如下方式获得：
在多种典型工况下，分别采集获得所述参考传感器和误差传感器之间的第一传递函数；其中，所述误差传感器是预先配置的；
在静止工况下，采集获得所述扬声器和所述误差传感器之间的第二传递函数，并采集获得所述扬声器与所述参考传感器之间的第三传递函数；
根据所述多种典型工况下的第一传递函数、所述静止工况下的第二传递函数和第三传递函数，分别获得每种所述典型工况下的滤波器系数；
将每种所述典型工况下的滤波器系数与所述每种典型工况下的所述参考传感器获得的噪声信号的取值范围对应，获得所述滤波器系数合集。
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