專利名稱：有源降噪方法及有源降噪裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及針對電器設(shè)備進出風(fēng)口產(chǎn)生的噪音進行降噪處理的有源降噪 方法和有源降噪裝置。
技術(shù)背景隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，噪聲污染已成為一個世界性的問題。在傳統(tǒng)噪聲 控制中，主要采用吸聲材料、阻尼處理、結(jié)構(gòu)消聲等無源消聲方法。但是由 于低頻噪聲波長較長，無源消聲所采用的物理結(jié)構(gòu)無法很好地吸收長波長的 噪聲，上述方法均不適用。在一些家用電器的排風(fēng)系統(tǒng)中，例如在空調(diào)室內(nèi) 機的出風(fēng)口、排油煙機的進風(fēng)口等處，由于空氣的快速流動，導(dǎo)致風(fēng)口處產(chǎn) 生持續(xù)不斷的低頻噪聲，此時排風(fēng)通道同時也是噪聲通道。尤其在平直的管 道中，噪聲信號通過直接沿管道方向直接向外傳輸，即使通過在排風(fēng)通道的 側(cè)壁上加裝吸聲材料，也很難將管道中不接觸側(cè)壁的噪聲信號消除，而如果 在噪聲通道中以阻擋的方式安放吸聲材料，又顯然會對排風(fēng)造成阻擋。而對 于采用結(jié)構(gòu)消聲不但使管道結(jié)構(gòu)設(shè)計變得更為復(fù)雜，而且也同樣會對排風(fēng)的 通暢程度噪聲影響，因此目前用傳統(tǒng)的方法明顯降低家電的噪聲顯得非常困 難。有源消聲控制的基本思想是在待控制的聲場區(qū)域內(nèi)，建立一個與待消除的聲音信號強度相同、相位相反的聲場(即次級聲場^~secondary sound field),利用波的干涉原理，人為造成聲場的相消干涉，從而消除噪聲，這一 信號抵消的現(xiàn)象通常也稱為破壞性干擾。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種能夠有效降低電器設(shè)備進出風(fēng)口 噪音的有源降噪方法和有源降噪裝置。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案 一種有源降噪方法， 包括1) 采集噪聲源發(fā)出的噪聲信號；2) 對噪聲信號進行反相處理，產(chǎn)生與濾波后的噪聲信號相位相反的次聲 源信號；
3)將所述次聲源信號輸出到噪聲通道中。 還可包括對采集到的噪聲信號在反相之前進行濾波，濾去雜散的噪聲信號；按照下述步驟可對噪聲信號進行反相處理3.1) 采樣對應(yīng)于單位時間點的噪聲幅值，并將上述時間點與噪聲幅值存 入二維數(shù)組中；3.2) 對采樣后的二維數(shù)組進行積分變換；3.3) 將變換后的數(shù)組增加180度相位；3.4) 對移相后的數(shù)組進行反變換。 所述濾波過程可為自適應(yīng)濾波。積分變換之前或之后可對信號處理過程中產(chǎn)生的相位滯后進行補償。 所述積分變換可為傅立葉變換，對應(yīng)的所述積分反變換為傅立葉反變換。 所述濾波過程可進一步包括2.1 )采集噪聲通道中噪聲源信號與次聲源信號疊加后產(chǎn)生的誤差信號；2.2)將采集到的誤差信號作為自適應(yīng)反饋對噪聲信號進行自適應(yīng)濾波。一種有源降噪裝置，包括噪聲釆集單元，用于采集噪聲源發(fā)出的噪聲信號；反相單元，用于將噪聲信號的相位增加180度，輸出與原噪聲信號相位 相反的次聲源信號；輸出單元，用于將次聲源信號輸出到噪聲通道中。還可包括濾波單元，用于對采集到的噪聲信號進行濾波，濾去雜散的噪 聲信號，輸出到反相單元；所述反相單元可進一步包括AD采樣子單元用于對應(yīng)于單位時間點對濾波單元輸出的噪聲信號的幅 值進行采樣，并將上述時間點與對應(yīng)的幅值存入二維數(shù)組中； 積分變換子單元用于對采樣后的二維數(shù)組進行積分變換； 移相子單元用于將變換后的數(shù)組增加180度相位； 積分反變換子單元用于對移相后的數(shù)組進行反變換。 所述濾波單元可為自適應(yīng)濾波處理單元，用于在濾波的同時自適應(yīng)地修 正濾波后的信號。所述反向單元中還可包括積分變換子單元進行滯后補償?shù)难a償子單元， 用千對噪聲信號處理過程中產(chǎn)生的相位滯后進衧補償。還可包括誤差信號采集單元，所述采集到的誤差信號作為自適應(yīng)反饋， 輸入到所述自適應(yīng)濾波處理單元中。所述噪聲采集單元和濾波單元之間還可連接有一個輸入放大單元，用于 放大采集到的噪聲信號。所述反相單元和輸出單元之間還可連接有一個輸出放大單元，用于將輸 出的信號進行放大。還可包括一個短管，所述噪聲采集單元、次聲源輸出單元設(shè)置在所述短 管中。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點通過對噪聲信號的采樣，檢測 到噪聲源噪聲的幅值、頻率、相位等特性，經(jīng)過濾波、反相處理后，產(chǎn)生一 個幅值相同、相位相反的信號通過揚聲器輸出，來抵消噪聲信號，從而實現(xiàn) 降低噪聲的目的，其中所述濾波的過程中通過自適應(yīng)地修正濾波后的信號， 從而在濾去雜波的同時使濾波后的信號與噪聲源信號更加接近，從而使反向 后的次聲源，更能夠有效地抵消噪聲源的聲波信號，降噪的效果更加理想。 而且，反相過程中通過將模擬的噪聲信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字的二維數(shù)組，在對此二 維數(shù)組進行積分變換和反變換的過程中進行的相位增加，能用最小的數(shù)學(xué)復(fù) 雜度來分析問題，也能夠盡可能地較少信號處理過程的失真。


圖1為本發(fā)明實施例一的控制流程圖； 圖2為本發(fā)明中自適應(yīng)濾波的方框圖； 圖3為本發(fā)明實施例二的裝置框圖； 圖4為本發(fā)明實施例三裝置的安裝示意圖； 圖5為本發(fā)明實施例三的原理圖。
具體實施方式
實施例一為一種有源降噪方法，下面結(jié)合附圖1對實施例內(nèi)容加以詳細 描述。圖1為本實施例的控制流程圖。待控制的聲場區(qū)可以是空調(diào)柜機、商
用空調(diào)室內(nèi)機、排油煙機的進風(fēng)口或出風(fēng)口，或者其他存在噪聲的平直的通 道內(nèi)，步驟101:首先要對噪聲場中的噪聲源信號進行采集。通過麥克風(fēng)或其他 能夠采集聲波振動信號的傳感器等的采集裝置，采集噪聲源的波形信號，所 述采集裝置設(shè)置在產(chǎn)生噪聲源管道的中軸線上，可以最大程度的采集接近真波，濾去其中的直流信號。步驟102:對采集到的信號進行放大。一^&通過麥克風(fēng)或其他傳感器采集 到的噪聲信號強度比較微弱，會導(dǎo)致后續(xù)對信號的處理比較微弱，因此需要 在保持原信號形狀、頻率不變的情況下進行放大處理。步驟103:由于排風(fēng)通道中的噪聲信號通常是比較持續(xù)、單一的噪聲信號，通?？梢哉J為是平穩(wěn)和線性時不變系統(tǒng)，因此在本實施例中，采用以最小均方誤差為準(zhǔn)則的自適應(yīng)濾波器對聲音信號進行濾波，圖2為自適應(yīng)濾波的方框圖，其中，x(n)為麥克風(fēng)MIC采集的參考信號，d(n)為喇叭輸出的期望信號；e(n)為參考信號和期望信號之間疊加后的誤差信號。當(dāng)所述噪聲管道l的長度為L,參考信號x(n)為離散時間序列，則第n時刻濾波器輸出為K") = ^>,("W"-1) (1) 式(l)表明，濾波器的輸出y(n)i:L個所有過去各輸入的線性加權(quán)之和，其中卜1,2，…，L，加權(quán)系數(shù)為w'(")。則第n時刻誤差信號為一)=- y(w) = -2 (*(/2 _ / -1) (2)假設(shè)參考信號和期望信號都是平穩(wěn)的'客態(tài)遍歷過程，則均方誤差(MSE)為<formula>formula see original document page 7</formula>(3)當(dāng)MSE達到最小時，即達到最佳濾波效果，若MSE達不到最小，則需 調(diào)節(jié)權(quán)矢量滿足這一目標(biāo)，而調(diào)節(jié)權(quán)矢量的過程即為自適應(yīng)濾波過程。 而所述權(quán)矢量的調(diào)節(jié)又可以通過如下方式實現(xiàn)，由式(3)可得<formula>formula see original document page 7</formula>則下一時刻的權(quán)矢量等于當(dāng)前的權(quán)矢量減去一個正比于梯度的變化量 即『("+ l)=『(")-/^V(w) (5) 其中A是一個控制自適應(yīng)過程穩(wěn)定性和收斂速度的一個常數(shù)參量，稱為收斂系數(shù)，通過對所述收斂系數(shù)的設(shè)置實現(xiàn)對自適應(yīng)的速度的設(shè)定。自適應(yīng)濾 波相對于其他濾波方法來說，其不必要求預(yù)先知道信號與噪聲的子相關(guān)函數(shù)， 而且在濾波過程即使這些自相關(guān)函數(shù)隨時間作緩慢變化，也能自動適應(yīng)，自 動調(diào)節(jié)到滿足最小均方誤差的要求，從而在濾去雜散噪聲波的同時不斷進行 修正，使濾波后的信號與噪聲源信號中的主要噪聲波形更加接近。而其中的 所述誤差信號在起初自適應(yīng)過程不夠穩(wěn)定的時候，可先采用上述通過參考信 號和期望信號獲得的計算值，從而加快自適應(yīng)的速度，在自適應(yīng)過程趨于穩(wěn) 定后，采用設(shè)置在噪聲場中的噪聲傳感器采集到的實際誤差值，使濾波后的 信號更接近實際，自適應(yīng)濾波效果更好。步驟104:對經(jīng)過上述自適應(yīng)濾波后的噪聲源信號的幅值進行AD采樣。 即在每隔一個單位時間對信號上述信號進行采樣，對每個采樣到的時間點的 幅值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，存放到由時間和與各時間點相對應(yīng)的幅值構(gòu)成的二維 數(shù)組中，實現(xiàn)對采集到的模擬信號的量化和編碼。步驟105:將上述采樣獲得的二維數(shù)組進行傅立葉變換，同時考慮聲波從 揚聲器位置傳播至揚聲器位置所需要的聲時延，即對噪聲信號的處理過程所 需的時間，導(dǎo)致處理后噪聲信號相位的滯后，因此需要在進行傅立葉變換之 前或之后，對此相位的滯后進行補償。步驟106:在補償了所述相位的滯后之后，再將相位增加180度，實現(xiàn)相 4立的反向。步驟107:將移相后的數(shù)組進行傅立葉反變換，從而實現(xiàn)在保持幅值不變 的情況下，形成與步驟103中濾波后的噪聲信號相反的信號。步驟108:經(jīng)過上述一系列處理后的信號很可能與噪聲源信號的幅值并不 一致，因此，還需要對將要輸出的次聲源信號進行放大處理，使輸出的信號 幅值與噪聲源信號的幅值保持相同，即形成次聲源信號。步驟109:最后通過一個揚聲器將經(jīng)放大處理的所述次級聲源送入所述管 道1中。這樣，在揚聲器的位置處，揚聲器發(fā)出的聲波相當(dāng)于原噪聲源聲波 的"鏡像"，當(dāng)二者疊加后，噪聲即在揚聲器的下游聲場中得以抵消。其中，反相過程也可以采用其他數(shù)學(xué)物理方程實現(xiàn)，但傅立葉變換相對 于其他積分變換來說，能夠?qū)⒃肼曅盘柨沼蜃兓D(zhuǎn)化為頻域變化，在此基礎(chǔ) 上進行的相位增加，最后通過反變換實現(xiàn)幅值不變情況下的反向過程，能用 最小的數(shù)學(xué)復(fù)雜度來分析問題，實現(xiàn)起來更為容易。實施例二為一種有源降噪裝置，下面結(jié)合附圖3對實施例內(nèi)容加以詳細 描述。圖3為本實施例中的裝置框圖。所述噪聲采集單元210,通過麥克風(fēng)或其他能夠采集聲波振動信號的傳感 器噪聲源發(fā)出的信號，并將采集到噪聲源信號發(fā)送到輸入放大單元220進行 放大處理，經(jīng)放大后的噪聲源信號又被送入自適應(yīng)濾波單元230, —個誤差信 號采集電路240采集噪聲場中的噪聲源信號和次聲源信號疊加后誤差信號， 也送入所述自適應(yīng)濾波單元230中，所述自適應(yīng)濾波單元230根據(jù)上述兩種 信號進行自適應(yīng)地實現(xiàn)濾波過程，能夠在濾去雜散噪聲波的同時不斷進行修 正，使濾波后的信號與噪聲源信號中的主要噪聲波形更加接近。而經(jīng)過濾波 后的信號則發(fā)送到反向單元250中的AD采樣子單元251,對應(yīng)于單位時間點 對濾波單元輸出的噪聲信號的幅值進行采樣，并將上述時間點與對應(yīng)的幅值 存入二維數(shù)組中，所述二維數(shù)組再被送入所述傅立葉變換子單元252中實現(xiàn) 傅立葉變換，將噪聲信號空域的變化轉(zhuǎn)化為頻域的變化，并將變換后的數(shù)組 通過移相子單元254增加180度相位，然后由傅立葉反變換子單元255將頻 域變化在轉(zhuǎn)化回空域的變化，從而實現(xiàn)對濾波后的噪聲信號的反向翻轉(zhuǎn)。所 述反向單元250中還包括一個補償子單元253，所述補償子單元253將噪聲信 號處理過程中產(chǎn)生的相位滯后送入所述傅立葉變換子單元252中，在傅立葉 變換之前或之后對所述滯后進行補償，確保反向后的聲源信號能夠嚴格與噪 聲源信號鏡像。將從所述反向單元250輸出的信號，通過所述輸出放大單元 260放大到與噪聲源的幅值相等的次聲源信號，再由所述次聲源輸出單元270 輸出到產(chǎn)生噪聲源的空間中，與噪聲源信號進行疊加，從而實現(xiàn)對噪聲信號 的抑制。實施例二中的自適應(yīng)濾波單元230、反向單元250也可以集成在一個數(shù)字 信號處理器(以下簡稱DSP)中，即如下所述的實施例三。
實施例三如圖4中所示，圖中的管道1為待控制的聲場區(qū)，可以是空調(diào) 柜機、商用空調(diào)室內(nèi)機、排油煙機的進風(fēng)口或出風(fēng)口，或者其他存在噪聲的 平直的通道內(nèi)，所述管道l內(nèi)設(shè)置有用千采集噪聲信號的麥克風(fēng)MIC和用于 輸出次級聲場信號的揚聲器SPK,由于電器上形成噪聲的管道比較規(guī)則，一 般可采用一組麥克和揚聲器，并設(shè)置在管道1的主軸位置上，在聲場情況較 復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境中，也可采用多組麥克和揚聲器。圖5為本發(fā)明裝置的電路 原理圖，通過麥克風(fēng)直接MIC采集到的噪聲源信號通常比較微弱，因此所述 麥克風(fēng)MIC的采集輸出經(jīng)過電解電容E8濾波隔直后，輸入到由運放U1A及 其外圍電阻構(gòu)成的輸入放大電路中進行放大，然后再輸入到所述數(shù)字信號處 理器(以下筒稱DSP )芯片的一個模擬信號輸入端AD0端，所述DSP芯片為 控制核心，經(jīng)過分析計算、模糊處理后合成能抵消噪聲的PWM波形，通過其 脈寬調(diào)制信號輸出端PWM6輸出，再通過所述運放U1B及其外圍電阻構(gòu)成的 輸出放大電路放大后，由所述揚聲器SPK播放到管道]中，來抵消噪聲信號， 達到降低噪聲的目的。所述DSP芯片在接收到放大后的噪聲信號后，其內(nèi)部依次進行自適應(yīng)濾 波、AD采樣處理、傅立葉變換、移相、傅立葉反變換等步驟，其具體實現(xiàn)方 式參見實施例一的步驟103 ~ 107。其中所述AD釆用過程中的采樣精度是由 DSP芯片自身的AD采樣精度決定的。所述管道1中還可以設(shè)置有至少一個誤差傳感器，所述誤差傳感器一般 安裝在揚聲器的后面(圖中未標(biāo)示)，用于采集噪聲源和次級聲源疊加后的信 號，將檢測到的誤差信號反饋給DSP芯片，在自適應(yīng)濾波過程中根據(jù)所述誤 差傳感器反饋回的誤差信號進一步自適應(yīng)調(diào)整，使經(jīng)濾波后的波形信號更加 接近噪聲源信號，以期在經(jīng)過后續(xù)的反向過程后達到最大程度抵消噪聲的效 果。所述管道1的長度和形狀等因素影響參考信號的衰減，使得自適應(yīng)的過 程和反向過程都更為復(fù)雜，因此，在電器噪聲源處的管道自身形狀不規(guī)則的 時候，可以在管道出口處加裝一個短管，從而提供一個規(guī)則的降噪通道。以上所述的本發(fā)明實施方式，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護范圍的限定。任何 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求保護范圍之內(nèi)
權(quán)利要求
1. 一種有源降噪方法，其特征在于包括1)采集噪聲源發(fā)出的噪聲信號；2)對噪聲信號進行反相處理，產(chǎn)生與噪聲信號相位相反的次聲源信號；3)將所述次聲源信號輸出到噪聲通道中。
2、 如權(quán)利要求1所述的有源降噪方法，其特征在于還包括對采集到的 噪聲信號在反相之前進行濾波，濾去雜散的噪聲信號。
3、 如權(quán)利要求1所述的有源降噪方法，其特征在于按照下述步驟對噪 聲信號進行反相處理3.1) 采樣對應(yīng)于單位時間點的噪聲幅值，并將上述時間點與噪聲幅值存 入二維數(shù)組中；3.2) 對采樣后的二維數(shù)組進行積分變換；3.3) 將變換后的數(shù)組增加180度相位；3.4) 對移相后的數(shù)組進行反變換。
4、 如權(quán)利要求2所述的有源降噪方法，其特征在于所述濾波過程為自 適應(yīng)濾波。
5、 如權(quán)利要求3所述的有源降噪方法，其特征在于還包括積分變換之 前或之后對信號處理過程中產(chǎn)生的相位滯后進行#卜償。
6、 如權(quán)利要求3所述的有源降噪方法，其特征在于所述積分變換為傅 立葉變換，對應(yīng)的所述積分反變換為傅立葉反變換。
7、 如權(quán)利要求4所述的有源降噪方法，其特征在于所述濾波過程進一 步包括2.1 )采集噪聲通道中噪聲源信號與次聲源信號疊加后產(chǎn)生的誤差信號； 2.2)將采集到的誤差信號作為自適應(yīng)反饋對噪聲信號進行自適應(yīng)濾波。
8、 一種有源降噪裝置，其特征在于包括 噪聲采集單元，用于采集噪聲源發(fā)出的噪聲信號；反相單元，用于將噪聲信號的相位增加180度，輸出與原噪聲信號相位 相反的次聲源信號；輸出單元，用于將次聲源信號輸出到噪聲通道中。
9、 如權(quán)利要求8所述的有源降噪裝置，其特征在于還包括濾波單元， 用于對采集到的噪聲信號進行濾波，濾去雜散的噪聲信號，輸出到反相單元；
10、 如權(quán)利要求8所速的有源降噪裝置，其特征在于所述反相單元進 一步包括AD采樣子單元用于對應(yīng)于單位時間點對濾波單元輸出的噪聲信號的幅 值進行采樣，并將上述時間點與對應(yīng)的幅值存入二維數(shù)組中； 積分變換子單元用于對采樣后的二維數(shù)組進行積分變換； 移相子單元用于將變換后的數(shù)組增加180度相位； 積分反變換子單元用于對移相后的數(shù)組進行反變換。
11、 如權(quán)利要求9所述的有源降噪裝置，其特征在于所述濾波單元為 自適應(yīng)濾波處理單元，用于在濾波的同時自適應(yīng)地修正濾波后的信號。
12、 如權(quán)利要求10所述的有源降噪裝置，其特征在于所述反向單元 中還包括積分變換子單元進行滯后補償?shù)难a償子單元，用于對噪聲信號處理 過程中產(chǎn)生的相位滯后進行補償。
13、 如權(quán)利要求11中所述的有源降噪裝置，其特征在于還包括誤差 信號采集單元，所述采集到的誤差信號作為自適應(yīng)反饋，輸入到所述自適應(yīng) 濾波處理單元中。
14、 如權(quán)利要求8 13中任一項所述的有源降噪裝置，其特征在于所 述噪聲采集單元和濾波單元之間還連接有一個輸入放大單元，用于放大采集到的噪聲信號。
15、 如權(quán)利要求8 13中任一項所述的有源降噪裝置，其特征在于所 述反相單元和輸出單元之間還連接有一個輸出放大單元，用于將輸出的信號 進行放大。
16、 如權(quán)利要求8 13中任一項所述的有源降噪裝置，其特征在于還 包括一個短管，所述噪聲采集單元、次聲源輸出單元設(shè)置在所述短管中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種有源降噪方法及有源降噪裝置，尤其涉及針對電器設(shè)備進出風(fēng)口產(chǎn)生的噪音進行有源降噪。通過對噪聲信號的采樣，檢測到噪聲源噪聲的幅值、頻率、相位等特性，經(jīng)過濾波、反相處理后，產(chǎn)生一個幅值相同、相位相反的信號通過揚聲器輸出，來抵消噪聲信號，從而實現(xiàn)降低噪聲的目的，其中所述濾波的過程中通過自適應(yīng)地修正濾波后的信號，從而在濾去雜波的同時使濾波后的信號與噪聲源信號更加接近，從而使反向后的次聲源，更能夠有效地抵消噪聲源的聲波信號，降噪的效果更加理想。
文檔編號G10K11/00GK101211558SQ200610170440
公開日2008年7月2日 申請日期2006年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月28日
發(fā)明者孫奇輝, 旬 朱, 莉 李, 趙向陽 申請人:海爾集團公司;海爾集團技術(shù)研發(fā)中心