一種針對室內(nèi)環(huán)境中低頻噪音的自適應(yīng)降噪器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種針對室內(nèi)環(huán)境中低頻噪音的自適應(yīng)降噪器，包括初級傳聲器，反相聲源、頻率調(diào)節(jié)裝置和次級傳聲器，所述的次級傳聲器為頻率響應(yīng)20HZ～20KHz的高靈敏度全指向駐極體次級傳聲器；初級傳聲器和次級傳聲器分別通過音頻線纜與16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器連接，16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器通過16針并口總線與頻率調(diào)節(jié)裝置的I/O讀寫并口連接，反相聲源通過串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器與頻率調(diào)節(jié)裝置的MCU處理器連接。本發(fā)明特別適用于家居環(huán)境下的低頻噪音處理，能顯著降低屋內(nèi)電子及電器設(shè)備發(fā)出的低頻噪音，改善居住環(huán)境，提高生活質(zhì)量。該設(shè)備體積小巧，系統(tǒng)上電即可使用，無需復(fù)雜的安裝過程。同時，設(shè)備制造價格低廉，一般用戶完全有能力購置和部署。
【專利說明】一種針對室內(nèi)環(huán)境中低頻噪音的自適應(yīng)降噪器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子有源降噪【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是涉及一種針對室內(nèi)環(huán)境中的低頻噪音有顯著降噪效果的自適應(yīng)降噪器。
【背景技術(shù)】
[0002]低頻噪音污染已成為城市環(huán)境的一大公害?？茖W(xué)研究表明低頻噪音會損害健康，人長時間工作、生活在低頻噪音環(huán)境中，對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的刺激大，嚴(yán)重者會導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能紊亂。此外，低頻噪音會引起睡眠不好，注意力不集中，記憶力下降等癥狀，然后導(dǎo)致心情煩亂，情緒不穩(wěn)，忍耐性降低，脾氣暴躁，乃至產(chǎn)生高血壓、潰瘍、糖尿病等一系列的疾病。由于低頻噪音造成的是感音神經(jīng)性損傷和毛細(xì)胞損傷，很難對其進(jìn)行修復(fù)，目前還沒有特效藥物可治療這種損傷。
[0003]目前，家庭室內(nèi)降噪常見的處理手段是采用吸音、隔音等無源材料對室內(nèi)墻壁、門窗進(jìn)行涂層處理，但吸音、隔音材料的聲衰減會隨頻率降低而變差，無源降噪機(jī)制對中、高頻段噪音較為有效，而對低頻噪音的效果不大。
[0004]針對低頻噪音的“有源”控制(Active Noise Control:ANC)概念于30年代由德國物理學(xué)家P.Lueg提出，其根據(jù)兩列相干聲波的混合會產(chǎn)生干涉的物理現(xiàn)象，人為疊加一列與原有聲波幅值相等而相位相反的聲波，利用聲波的相消性干涉來達(dá)到消除和降低噪音的目的，即通過聲源產(chǎn)生次級聲場進(jìn)行噪音降噪控制。然而由于技術(shù)實(shí)現(xiàn)的原因，這一技術(shù)被放棄了近30年。隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，有源控制技術(shù)逐步已經(jīng)進(jìn)入電器產(chǎn)品領(lǐng)域，從工業(yè)廠房噪音控制到中央式空調(diào)設(shè)備的降噪處理都部分引入了 ANC技術(shù)。以家用冰箱為例，其噪音源主要是通過全封閉壓縮機(jī)的機(jī)殼向外擴(kuò)散，日本東芝公司Saruta等人利用有源法和阻性消聲相結(jié)合對家用電冰箱的噪音進(jìn)行實(shí)驗研究，取得降噪7dB效果；美國Americold公司D S Smith利用類似的方法，用加速傳感器檢測壓縮機(jī)殼體震動，用傳聲器檢測殘余噪音，驅(qū)動輸出反噪音，在小型半混響室內(nèi)的測試結(jié)果獲得5dB的降噪效果。近年來，在國內(nèi)市場也出現(xiàn)了基于ANC的降噪設(shè)備，例如南京零分貝聲學(xué)科技有限公司的NANTY系列噪音控制器、北京科奧克聲學(xué)技術(shù)有限公司代理的S-cube系列降噪控制器等。
[0005]這類專業(yè)降噪設(shè)備主要面對的是航空航天，汽車制造，大型儀器等工業(yè)環(huán)境，設(shè)備安裝復(fù)雜，體積龐大且造價高昂，一般用戶沒有能力購置和部署；另一部分產(chǎn)品只針對諸如空調(diào)、油煙機(jī)或電冰箱等電器設(shè)備進(jìn)行內(nèi)部降噪處理，屬于獨(dú)立電器設(shè)備的附加功能。不僅降噪效果較差，而且無法實(shí)現(xiàn)屋內(nèi)環(huán)境的集中式降噪處理，無法降低室內(nèi)多種電子電器設(shè)備發(fā)出的低頻噪音。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠有效降低室內(nèi)環(huán)境中低頻噪音的自適應(yīng)降噪器，以低廉的成本集中解決居家環(huán)境中的低頻噪音污染問題。
[0007]本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。[0008]一種針對室內(nèi)環(huán)境中低頻噪音的自適應(yīng)降噪器，包括初級傳聲器，反相聲源和頻率調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:還包括一個次級傳聲器，所述的次級傳聲器為頻率響應(yīng)20HZ?20KHz的高靈敏度全指向駐極體次級傳聲器；初級傳聲器和次級傳聲器分別通過音頻線纜與16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器連接，16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器通過16針并口總線與頻率調(diào)節(jié)裝置的I/O讀寫并口連接，反相聲源通過串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器與頻率調(diào)節(jié)裝置的MCU處理器連接。
[0009]所述的初級傳聲器及次級傳聲器均使用兩個NPN型三極管組成共射集二級前置放大電路，保證無衰減傳輸音頻信號。
[0010]所述的頻率調(diào)節(jié)裝置由一片復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)、一片32位微處理單元(MCU)和一片外隨機(jī)存儲器(SRAM)構(gòu)成。
[0011]所述的反相聲源采用20HZ?20KHz全頻信號共點(diǎn)同軸揚(yáng)聲器。
[0012]本發(fā)明的工作原理:初級傳聲器采集低頻噪音聲源的音頻信號，通過頻率調(diào)節(jié)裝置輸出至反相聲源，形成降噪音頻信號。次級傳聲器采集聲場中的實(shí)時降噪處理的音頻誤差信號，并反饋至頻率調(diào)節(jié)裝置，形成對原有低頻噪音聲源的補(bǔ)償聲源，使密閉居家空間環(huán)境內(nèi)低頻噪音值低于最大可容忍的值。
[0013]與所述自適應(yīng)降噪器相配合的系統(tǒng)軟件主要包括兩部分:主系統(tǒng)通訊程序和中斷服務(wù)程序；其中，主系統(tǒng)通訊程序包括2路傳聲器信號采集程序和D/A轉(zhuǎn)換輸出通訊程序；中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)處理兩級聲源音頻信號的存儲、基于FX-LMS算法的自適應(yīng)濾波調(diào)節(jié)以及輸出反向降噪信號程序。
[0014]其中，所述的主系統(tǒng)通訊程序執(zhí)行順序如下:
[0015](I)進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、CPLD器件和MCU核；
[0016](2) A/D器件接收噪音數(shù)據(jù)并執(zhí)行轉(zhuǎn)換，MCU等待數(shù)據(jù)處理；
[0017](3)判斷A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，若轉(zhuǎn)換沒有結(jié)束繼續(xù)接收和轉(zhuǎn)換音頻數(shù)據(jù)；
[0018](4) A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，進(jìn)入中斷服務(wù)程序；
[0019](5)中斷服務(wù)程序處理完畢，執(zhí)行D/A串口通訊程序，輸出低頻降噪信號。
[0020]所述的中斷服務(wù)程序執(zhí)行順序如下:
[0021](I)基于CPLD器件采樣、保持2路A/D轉(zhuǎn)換的音頻信號數(shù)據(jù)；
[0022](2)基于FX-LMS計算y (η)低頻降噪信號，自適用濾波調(diào)解，減少降噪處理后得到的殘余誤差信號e (η)值；
[0023](3) MCU計算輸出反向降噪信號；
[0024](4)跳出中斷，返回主通訊程序。
[0025]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0026]1、本發(fā)明特別適用于家居環(huán)境下的低頻噪音處理，保證設(shè)備的魯棒性和適用性，體積小巧，系統(tǒng)上電即可使用，無需復(fù)雜的安裝過程。同時，設(shè)備制造價格低廉，一般用戶完全有能力購置和部署。
[0027]2、本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)屋內(nèi)環(huán)境的集中式降噪處理，較好的降低屋內(nèi)電子及電器設(shè)備發(fā)出的低頻噪音，改善居住環(huán)境，提高生活質(zhì)量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明低頻降噪器的系統(tǒng)原理框圖；[0029]圖2為本發(fā)明低頻降噪器的控制原理圖；
[0030]圖3為本發(fā)明低頻降噪器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖4為控制系統(tǒng)的程序流程圖；
[0032]圖5為封閉空間噪音源采樣數(shù)據(jù)圖，黑色曲線為沒有啟動自適應(yīng)低頻降噪器時的噪音數(shù)據(jù)，坐標(biāo)橫軸為采樣的300秒時間長度(單位:秒)，豎軸為密閉空間聲響值(單位:分貝)；
[0033]圖6為封閉空間降噪采樣數(shù)據(jù)圖，坐標(biāo)橫軸為采樣的300秒時間長度(單位:秒)，豎軸為密閉空間聲響值(單位:分貝)；
[0034]圖7為封閉空間降噪對比圖，坐標(biāo)橫軸為采樣的300秒時間長度(單位:秒)，豎軸為密閉空間聲響值(單位:分貝)。黑色實(shí)線為密閉空間內(nèi)噪音源產(chǎn)生的采樣數(shù)據(jù)，虛線為降噪處理后的密閉空間內(nèi)聲響采樣數(shù)據(jù)。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但它們不是對本發(fā)明的限定。
[0036]實(shí)施例1
[0037]術(shù)語解釋:
[0038]A/D (analog to digital converter)是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的電路,稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器。
[0039]D/A (digital to analog converter)是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的電路,稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡稱D/A轉(zhuǎn)換器。
[0040]CPLD (Complex Programmable Logic Device)是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路，Complex PLD的簡稱，是一種較PLD為復(fù)雜的邏輯元件。
[0041]MCU (Micro Controller Unit)是一種集成電路芯片,采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器、隨機(jī)存儲器、多種輸入/輸出接口和中斷系統(tǒng)集成到一塊硅片上構(gòu)成的小而完善的計算機(jī)系統(tǒng)。
[0042]JTAG (Joint Test Action Group;聯(lián)合測試行動小組)是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議(IEEEl 149.1兼容)，主要用于芯片內(nèi)部測試。標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口是4線:TMS、TCK、TD1、TD0，分別為模式選擇、時鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。
[0043]如圖1所示，本發(fā)明基于“以音消音”的原理，在相對封閉的室內(nèi)環(huán)境中利用電子設(shè)備采集原有噪音聲場的聲壓值，利用設(shè)備中的頻率調(diào)節(jié)裝置產(chǎn)生一個與原有聲壓大小相等、相位相反的聲波，使其在封閉的空間范圍內(nèi)與原有噪音聲場相抵消。
[0044]首先，基于FX-LMS算法建立自適應(yīng)控制系統(tǒng)。如圖2所示，自適應(yīng)控制系統(tǒng)的原理如下:
[0045](l)hr (η)為初級傳聲器參考通道傳遞函數(shù)，接收低頻噪音聲源信號P (η)，輸出低頻噪音信號X (η)；
[0046](2)ff(n)為濾波器傳遞函數(shù)，接收低頻噪音信號χ (η)以及降噪處理后的殘差信號e(n)，輸出反相降噪信號y(n)；
[0047](3)hs(n)為反相聲源傳遞函數(shù)，接收反相降噪信號y (η)，輸出相干降噪信號S (η)；
[0048](4)hp(n)為次級傳聲器參考通道傳遞函數(shù)，其接收相干消噪信號，輸出次級聲源低頻噪音信號d (η)；
[0049](5)相干降噪信號s(n)與次級聲源低頻噪音信號d(n)通過相干疊加輸出降噪處理后的殘差信號e (η)。
[0050]為使控制系統(tǒng)具備自適應(yīng)降噪處理，W(n)為濾波器傳遞函數(shù)具有自適應(yīng)調(diào)整。
[0051]自適應(yīng)控制系統(tǒng)輸出反相降噪信號y(n)見下式:
[0052]
【權(quán)利要求】
1.一種針對室內(nèi)環(huán)境中低頻噪音的自適應(yīng)降噪器，包括初級傳聲器，反相聲源和頻率調(diào)節(jié)裝置，其特征在于:還包括一個次級傳聲器，所述的次級傳聲器為頻率響應(yīng)20HZ?20KHz的高靈敏度全指向駐極體次級傳聲器；初級傳聲器和次級傳聲器分別通過音頻線纜與16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器連接，16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器通過16針并口總線與頻率調(diào)節(jié)裝置的I/O讀寫并口連接，反相聲源通過串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器與頻率調(diào)節(jié)裝置的MCU處理器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對室內(nèi)環(huán)境中低頻噪音的自適應(yīng)降噪器，其特征在于:所述的初級傳聲器及次級傳聲器均使用兩個NPN型三極管組成共射集二級前置放大電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對室內(nèi)環(huán)境中低頻噪音的自適應(yīng)降噪器，其特征在于:所述的頻率調(diào)節(jié)裝置由一片復(fù)雜可編程邏輯器件、一片32位微處理單元和一片外隨機(jī)存儲器構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對室內(nèi)環(huán)境中低頻噪音的自適應(yīng)降噪器，其特征在于:所述的反相聲源采用20HZ?20KHz全頻信號共點(diǎn)同軸揚(yáng)聲器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對室內(nèi)環(huán)境中低頻噪音的自適應(yīng)降噪器，其特征在于:與所述自適應(yīng)降噪器相配合的系統(tǒng)軟件主要包括兩部分:主系統(tǒng)通訊程序和中斷服務(wù)程序；其中，主系統(tǒng)通訊程序包括2路傳聲器信號采集程序和D/A轉(zhuǎn)換輸出通訊程序；中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)處理兩級聲源音頻信號的存儲、基于FX-LMS算法的自適應(yīng)濾波調(diào)節(jié)以及輸出反向降噪信號程序。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的針對室內(nèi)環(huán)境中低頻噪音的自適應(yīng)降噪器，其特征在于:其中，所述的主系統(tǒng)通訊程序執(zhí)行順序如下: (1)進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、CPLD器件和MCU核； (2)A/D器件接收噪音數(shù)據(jù)并執(zhí)行轉(zhuǎn)換，MCU等待數(shù)據(jù)處理； (3)判斷A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，若轉(zhuǎn)換沒有結(jié)束繼續(xù)接收和轉(zhuǎn)換音頻數(shù)據(jù)； (4)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，進(jìn)入中斷服務(wù)程序； (5)中斷服務(wù)程序處理完畢，執(zhí)行D/A串口通訊程序，輸出低頻降噪信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的針對室內(nèi)環(huán)境中低頻噪音的自適應(yīng)降噪器，其特征在于:所述的中斷服務(wù)程序執(zhí)行順序如下: (1)基于CPLD器件采樣、保持2路A/D轉(zhuǎn)換的音頻信號數(shù)據(jù)； (2)基于FX-LMS計算y(η)低頻降噪信號，自適用濾波調(diào)解，減少降噪處理后得到的殘余誤差信號e (η)值； (3)MCU計算輸出反向降噪信號； (4)跳出中斷，返回主通訊程序。
【文檔編號】G10K11/178GK103440861SQ201310386752
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月30日
【發(fā)明者】吳斌, 馬繼濤, 鄔平, 諸開梅, 張紅霞, 李鑫, 黃紅偉, 譚鵬, 杜軍, 李俊, 鄧藝, 劉薇, 盧泓洲, 安道淵 申請人:云南省科學(xué)技術(shù)情報研究院