CN111836165A - 一种有源降噪***中电声器件频率响应曲线的补偿方法 - Google Patents

一种有源降噪***中电声器件频率响应曲线的补偿方法 Download PDF

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何彦兴
彭桂华
张洋
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Abstract

本发明公开了一种有源降噪***中电声器件频率响应曲线的补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：1）对单声道***进行最小相位分解；2）依据最小相位***的幅度响应，得到最小相位***的传输函数；3）获取单声道***的逆滤波器；4）对逆滤波器进行降阶处理；5）将逆滤波器引入有源降噪***。这种方法能改善波动的频率响应曲线在噪声采放过程中造成的信号失真问题，能提高有源降噪***的噪声控制效果。

Description

一种有源降噪***中电声器件频率响应曲线的补偿方法
技术领域
本发明涉及有源噪声控制技术，具体是一种有源降噪***中电声器件频率响应曲线的补偿方法。
背景技术
有源噪声控制(Active Noise Control，简称ANC)***，是一种针对特定环境噪声在目标场区进行噪声控制的自适应降噪***，该***将一个有源信号主动地附加在噪声源信号传递的线路上，以达到降低噪声信号的效果，故又称为主动噪声控制。随着科技的发展，各种提高生活品质的智能设备推陈出新，而可以为个人打造低噪声干扰空间的有源降噪设备便得到了人们的广泛关注。
有源降噪***主要分为控制单元和电声单元两个部分，电声单元包括传声器和扬声器，负责进行噪声采集并将控制器输出的抵消信号送到目标场区进行噪声消除。在理论上，通常默认电声器件为理想器件，即频率响应曲线在全频带是平直且无衰减的，在噪声采放过程中对输出信号无任何改变，而在实际应用中，电声器件具有波动的频率响应曲线，在不同频率点会对采放信号造成不同程度的幅值衰减，从而使降噪***无法得到正确的输入输出信号，导致降噪性能与仿真情况有着极大的差异，某些情况下甚至会产生控制算法无法收敛、目标场区噪声总量增加的问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种有源降噪***中电声器件频率响应曲线的补偿方法。这种方法能改善波动的频率响应曲线在噪声采放过程中造成的信号失真问题，能提高有源降噪***的噪声控制效果。
实现本发明目的的技术方案是：
一种有源降噪***中电声器件频率响应曲线的补偿方法，包括如下步骤：
1)对单声道***进行最小相位分解：过程为：
1-1)对于一个非最小相位的单声道***，将单声道***函数记为S(w)＝Smin(w)Sap(w)的形式，其中Smin(w)为最小相位***，Sap(w)为全通***；
2)依据最小相位***的幅度响应，采用希尔伯特变换求解最小相位***的相位响应为
Figure BDA0002578662550000011
得到最小相位***的传输函数为
Figure BDA0002578662550000012
3)获取单声道***的逆滤波器：对单声道***的最小相位部分进行如下逆滤波运算
Figure BDA0002578662550000021
获取单声道***的逆滤波器，其中C(w)为单声道***的逆滤波器传输函数，V(w)为目标传输函数；
4)对逆滤波器进行降阶处理：对步骤3)获取的逆滤波器脉冲响应c(n)，截取幅值衰减到最大值的0.4％的部分，即保留脉冲响应幅值大于4×10-3的部分，脉冲响应幅值小于4×10-3的则丢弃，得到降阶后的逆滤波器脉冲响应为c1(n)＝c(n),c(n)≥0.004；
5)将逆滤波器引入有源降噪***：将逆滤波器与单声道***进行级联，补偿后原有源降噪***的脉冲响应记为
Figure BDA0002578662550000022
其中h(n)为单声道***的脉冲响应。
本技术方案针对设定的目标传输函数，通过基于最小相位分解的逆滤波算法得到单声道***的逆滤波器***，将逆滤波器与电声***进行级联之后可以得到平坦无衰减的输出，克服了有源噪声控制中电声器件的频率响应特性导致目标场区的幅值失配现象，提高了***的降噪性能，本技术方案尤其适用于电声器件对采放信号的衰减较大的情况，即实际噪声频率范围落在电声器件频响曲线波动的频段。
这种方法能改善波动的频率响应曲线在噪声采放过程中造成的信号失真问题，能提高有源降噪***的噪声控制效果。
附图说明
图1为实施例中噪声信号的时频分析示意图；
图2为实施例中电声器件的频率响应曲线示意图；
图3为实施例中方法流程示意图；
图4为实施例中引入逆滤波器后改进的有源降噪***原理示意图；
图5为实施例中1024点逆滤波器与降阶后逆滤波器的脉冲响应图；
图6为实施例中逆滤波器的频响曲线与对单声道***的频响补偿效果示意图；
图7为实施例中逆滤波器对电声器件补偿前后ANC***的降噪效果对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
参照图3，一种有源降噪***中电声器件频率响应曲线的补偿方法，包括如下步骤：
1)对单声道***进行最小相位分解：过程为：
1-1)对于一个非最小相位的单声道***，将单声道***函数记为S(w)＝Smin(w)Sap(w)的形式，其中Smin(w)为最小相位***，Sap(w)为全通***；
2)依据最小相位***的幅度响应，采用希尔伯特变换求解最小相位***的相位响应为
Figure BDA0002578662550000031
得到最小相位***的传输函数为
Figure BDA0002578662550000032
3)获取单声道***的逆滤波器：对单声道***的最小相位部分进行如下逆滤波运算
Figure BDA0002578662550000033
获取单声道***的逆滤波器，其中C(w)为单声道***的逆滤波器传输函数，V(w)为目标传输函数，为了使级联后***可以得到平坦的输出，即频率响应曲线为一条无衰减的直线，令V(w)＝1，则有
Figure BDA0002578662550000034
4)对逆滤波器进行降阶处理：对步骤3)获取的逆滤波器脉冲响应c(n)，截取幅值衰减到最大值的0.4％的部分，即保留脉冲响应幅值大于4×10-3的部分，脉冲响应幅值小于4×10-3的则丢弃，得到降阶后的逆滤波器脉冲响应为c1(n)＝c(n),c(n)≥0.004，如图5所示，图5为逆滤波器降阶前后的脉冲响应曲线示意图，其阶数由1024点降为280点；
5)将逆滤波器引入有源降噪***：将逆滤波器与单声道***进行级联，补偿后原有源降噪***的脉冲响应为
Figure BDA0002578662550000035
其中h(n)为单声道***的脉冲响应，补偿结果如图6所示，可以看到，进行降阶处理后的逆滤波器C1(w)与原1024点逆滤波器C(w)的对单声道***S(w)补偿效果基本一致，补偿后***A(w)的频率响应曲线基本保持平直且无衰减。
对实测噪声进行有源噪声控制，目标场区残差信号e(n)的迭代公式为W(n)＝W(n-1)+2ue(n)r(n)，其中r(n)为滤波-x信号，是输入信号与次级通道估计传输函数的卷积，μ为控制算法的收敛步长，W(n)为n时刻的滤波器权系数，逆滤波器对电声器件补偿前后ANC***的降噪效果如图7所示，可以看到，使用1024点逆滤波器与降阶后逆滤波器对电声器件进行频响补偿后，在0-150Hz处的噪声剩余量更低，噪声集中的60Hz处较补偿前多了10dB以上的降噪量，且经过对逆滤波器进行降阶数处理，可以在阶数更少的情况下使ANC***达到同样的降噪性能，在控制***资源有限的情况下尽量降低运算量的开销。
本例中，采用M-Audio音频采样设备在特种车辆运行时对舱室座位处的噪声信号进行采集，采样频率为8kHz，采样精度为16bit，通过时频分析发现噪声在50-100Hz频段内有较高的频谱，如图1所示，针对该噪声进行降噪控制，分析对电声器件进行频响补偿前后ANC***降噪性能的变化，电声器件的频率响应曲线如图2所示，曲线在低频段波动明显，在高频范围走势平坦，如图4所示，采用本例方法得到电声***的逆滤波器，分别为Hr(z)、Hl(z)、He(z)，将其与原***级联来获得平直且无衰减的频率响应曲线，以改善电声器件在噪声采放过程中对信号造成的严重衰减，并引入有源降噪***进行噪声控制。

Claims (1)

1.一种有源降噪***中电声器件频率响应曲线的补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)对单声道***进行最小相位分解：过程为：
1-1)对于一个非最小相位的单声道***，将单声道***函数记为S(w)＝Smin(w)Sap(w)的形式，其中Smin(w)为最小相位***，Sap(w)为全通***；
2)依据最小相位***的幅度响应，采用希尔伯特变换求解最小相位***的相位响应为
Figure FDA0002578662540000011
得到最小相位***的传输函数为
Figure FDA0002578662540000012
3)获取单声道***的逆滤波器：对单声道***的最小相位部分进行如下逆滤波运算
Figure FDA0002578662540000013
获取单声道***的逆滤波器，其中C(w)为单声道***的逆滤波器传输函数，V(w)为目标传输函数；
4)对逆滤波器进行降阶处理：对步骤3)获取的逆滤波器脉冲响应c(n)，截取幅值衰减到最大值的0.4％的部分，即保留脉冲响应幅值大于4×10-3的部分，脉冲响应幅值小于4×10-3的则丢弃，得到降阶后的逆滤波器脉冲响应为c1(n)＝c(n),c(n)≥0.004；
5)将逆滤波器引入有源降噪***：将逆滤波器与单声道***进行级联，补偿后原有源降噪***的脉冲响应记为
Figure FDA0002578662540000014
其中h(n)为单声道***的脉冲响应。
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