專利名稱：頭盔式主動抗噪系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種抗噪裝置，特別涉及一種頭盔式主動抗噪裝置。
背景技術：
聲波是任何在彈性介質(zhì)中傳播著的壓力振動，彈性介質(zhì)可以是氣體、液體或固體。噪聲，廣義的說，任何引起人不舒服的聲音或者人們不想聽到的聲音都可以稱為噪聲；例如機器的轟鳴聲，各種交通工具的馬達聲、鳴笛聲，人的嘈雜聲及各種突發(fā)的聲響等。強噪聲不但是引起人們的不舒服感覺，而且能夠直接損害人們的聽覺系統(tǒng)，甚至可以對心臟、循環(huán)系統(tǒng)和身體的其他部位產(chǎn)生直接的壓力。當一個工人長時間暴露在強噪聲環(huán)境中將會導致 其永久性的失聰。當一個新建的工程會產(chǎn)生噪聲時，根據(jù)噪聲的強度不同，其不僅是在一定的某一個范圍內(nèi)是有害的，而且對于臨近的居民也會產(chǎn)生影響，引起反感。因此，我們國家專門制定了《中華人民共和國環(huán)境噪聲污染防治法》，對不同區(qū)域的噪聲強度做出明確規(guī)定。然而，在一些特定的環(huán)境，比如機場、建筑工地、迪廳甚至戰(zhàn)場，噪聲是無法避免的，如何有效地防治和控制這些噪聲對處于環(huán)境中的人的影響，這個問題一直是人們致力于解決的。對于噪聲的防治和控制,根據(jù)聲音的產(chǎn)生原因和噪聲的作用機理,一般從三個方面綜合考慮，即噪聲源、傳播途徑和受音者。因為聲音的本質(zhì)是一種振動，是一種能量的傳遞，因此對于噪聲從根本上就是兩條途徑，即從本質(zhì)上降低噪聲源的振動能量以及如何想法設法阻斷/降低噪聲能量的傳遞，從而使得的到達受音者聽覺系統(tǒng)的噪聲得到有效的防治和控制。對于噪聲防治和控制的兩條途徑一般又可以分成四種方法，即振動控制中的被動控制、主動控制、混合控制和半主動控制。被動控制的特點是不需要外界能源，例如采用隔音墻的方法阻斷噪聲的傳播途徑和采用吸聲材料增加房間的隔音能力都屬于被動控制，被動控制的方法結構簡單，可靠性較好，在實際中應用廣泛。主動控制需要外界的能源，其通常由傳感器、控制器、驅(qū)動器等部分，傳感器檢測到的噪聲信號，將控制信號傳給控制器，控制器應用一定的控制策略產(chǎn)生控制信號，并通過驅(qū)動器驅(qū)動產(chǎn)生次聲源，次聲源的聲波和噪聲聲波相互抵消，達到消除介質(zhì)振動的目的，例如高檔轎車車廂內(nèi)的低噪聲技術就采用了主動控制，主動控制效果比較好，但投入成本較高，在大部分場合使用的經(jīng)濟性不高。對于主動噪聲控制技術，當噪聲源已知且相對固定的情況下，可采用前饋式的主動噪聲控制技術；當噪聲源未知或噪聲特性經(jīng)常改變時，則需要采用反饋式的主動噪聲控制技術?；旌涂刂萍唇雍椭鲃涌刂坪捅粍涌刂萍夹g。半主動控制被是一種需要少量外界能源的控制，其控制力仍由控制對象運動而被動產(chǎn)生，然而在控制過程中由外加能源改變控制對象本身的結構參數(shù)，起到調(diào)節(jié)控制力的作用。目前對于在噪聲環(huán)境下工作的受音者一般米用被動的噪聲控制技術，即給受音者佩戴耳塞、耳罩或配有耳罩的頭盔等護耳器。對于某些噪聲環(huán)境下這種方法是經(jīng)濟的可取的，然而對于一些在這些工作環(huán)境下需要相互交流的受音者來說，這些類型的護耳器就很難滿足要求。本發(fā)明給出一種頭盔的主動抗噪系統(tǒng)，通過反饋式的主動抗噪技術有效降低頭盔周圍的噪聲強度。設計的頭盔主動抗噪系統(tǒng)可配合抗噪耳機使用，使得受音者能夠在強噪聲環(huán)境下得到舒適的音頻環(huán)境和高質(zhì)量的通訊
發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有受音者噪聲防護設備的不足，提供一種頭盔的主動抗噪系統(tǒng)，通過反饋式的主動抗噪技術有效降低頭盔周圍的噪聲強度，不但有效保護頭盔佩戴者的聽覺系統(tǒng)，而且能夠為頭盔佩戴者進行高質(zhì)量的通訊提供可能。本發(fā)明的技術方案如下一種頭盔式主動抗噪系統(tǒng),包括覆蓋有智能材料的頭盔，便攜式的控制盒；所述覆蓋智能材料的頭盔與便攜式控制盒通過電線相互連接；所述覆蓋在頭盔外表面的智能材料包含傳感器單元和執(zhí)行器單元；所述便攜式控制盒，其內(nèi)部主要包括信號處理單元、驅(qū)動單元、控制算法實現(xiàn)單元以及能源供給單元；所述覆蓋在頭盔表面的智能材料和便攜式控制盒組成的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，基于檢測的頭盔周圍實時的噪聲情況，通過反饋式主動噪聲控制算法，自動消除或大大降低頭盔周圍一定空間內(nèi)的噪聲強度。覆蓋在頭盔上的智能材料被分為五個區(qū)域進行布置，即頭盔的頂部、頭盔的前部、頭盔的后部、頭盔的左部和頭盔的右部；不同區(qū)域的傳感器單元和執(zhí)行器單元為不同響應特征的智能材料組合。便攜式控制盒中的控制單元為DSP芯片。智能材料為壓電陶瓷和聚偏氟乙烯膜的組合。本發(fā)明所述的頭盔的主動抗噪系統(tǒng)，其包括覆蓋有智能材料的頭盔，便攜式的控制盒；所述覆蓋智能材料的頭盔與便攜式控制盒通過電線相互連接；所述覆蓋在頭盔外表面的智能材料同時作為傳感器和執(zhí)行器使用；所述便攜式控制盒，其內(nèi)部主要包括信號處理單元、驅(qū)動單元、控制算法實現(xiàn)單元以及能源供給單元；所述覆蓋在頭盔表面的智能材料和便攜式控制盒組成的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，基于檢測的頭盔周圍實時的噪聲情況，通過反饋式主動噪聲控制算法，自動消除/抑制頭盔周圍一定空間內(nèi)的噪聲強度；在進行噪聲抑制過程中，考慮人嘴周圍的一個小的空間，在頭盔佩戴者說話時，這個小空間內(nèi)的語音信號將保持不受影響。所述反饋式主動噪聲控制算法的基本原理采用多通道的反饋式主動控制模型進行噪聲控制，通過自適應濾波器來估計和產(chǎn)生次級聲源，且濾波器采用基于X濾波最小均方法(FXLMS)算法進行矯正；所述主動噪聲控制系統(tǒng)的性能指標就是使得頭盔周圍一定空間內(nèi)的聲勢能最小，當頭盔佩戴者在講話時候，性能指標所統(tǒng)計的聲勢能不包含人嘴周圍的一個小的空間內(nèi)的聲勢能。所述覆蓋在頭盔上的智能材料被分為五個區(qū)域進行布置，即頭盔的頂部、頭盔的前部、頭盔的后部、頭盔的左部和頭盔的右部；這些智能材料通過選型組合和優(yōu)化布置，能夠檢測和產(chǎn)生人聽覺范圍內(nèi)的聲波以及頭盔振動。所述頭盔本身的振動情況也可以通過所述智能材料組合和多通道的反饋式控制模型實現(xiàn)檢測和抗振控制；將頭盔簡化為一個半球形的殼體，建立其無窮維振動模型，采用半群算符將無窮維的頭盔振動模型轉換成一個二次方程，針對該二次方程設計非線性控制算法實現(xiàn)頭盔振動的有效抑制。
本發(fā)明系統(tǒng)的工作過程為當周圍環(huán)境的噪聲強度不大，即覆蓋在頭盔上的智能材料檢測到噪聲/振動在一個允許的較小閥值下時，主動噪聲控制系統(tǒng)不工作；當覆蓋頭盔上的智能材料檢測到周圍環(huán)境的噪聲/振動較大，需要進行控制時，則對采集到噪聲/振動信號進行分析，各種噪聲/振動的頻率、來源方向、強度和分布情況等，依據(jù)頭盔周圍一定空間內(nèi)(當頭盔佩戴者的麥克風處于開通狀態(tài)時，則去除人嘴周圍的一個小的空間)聲勢能最小的原則，基于多通道主動噪聲控制算法決策出頭盔表面不同區(qū)域不同組合的智能材料應該發(fā)出對應于噪聲特征的不同次聲源/振動組合，進而控制器輸出信號，信號經(jīng)過處理單元驅(qū)動智能材料發(fā)出對應的次聲源/振動組合，實現(xiàn)噪聲/振動的有效控制。本發(fā)明的有益效果如下。 I、本發(fā)明所述的頭盔的主動抗噪系統(tǒng)由于采用了多通道的反饋式主動噪聲控制技術，因此根據(jù)不同的指標函數(shù)在頭盔周圍空間形成一個特定的低噪聲空間，且噪聲控制效果較被動式的控制效果要好。2、本發(fā)明所述頭盔的主動抗噪系統(tǒng)可配合抗噪聲的無線通訊耳機及麥克風使用，為頭盔佩戴者在強噪聲環(huán)境下，提供舒適的音頻環(huán)境和高質(zhì)量的通訊。


圖I是本發(fā)明頭盔式主動抗噪系統(tǒng)的總體設計示意圖。圖2是本發(fā)明所通道反饋式主動噪聲控制系統(tǒng)模型。圖3是本發(fā)明頭藍周圍一定空間的不意圖。圖4是本發(fā)明頭盔表面智能材料覆蓋情況的頂視圖示意。
具體實施例方式
下面結合附圖，對本發(fā)明的技術方案進行詳細的說明。一種頭盔的主動抗噪系統(tǒng)，如圖I所示，包括頭盔101，便攜式控制盒107，其中頭盔101表面的虛線表示覆蓋在頭盔上的智能材料，便攜式控制盒107內(nèi)主要包含信號處理單元、控制單元和供電單元，覆蓋有智能材料的頭盔101和便攜式107通過電線連接，組成頭盔的主動抗噪系統(tǒng)。覆蓋在頭盔101上的智能材料檢測到周圍環(huán)境噪聲104，噪聲104作用于智能材料使得其產(chǎn)生特定的電信號，該信號經(jīng)過控制盒107的信號處理單元送給控制單元，控制單元對檢測的噪聲信號104進行分析處理，并依據(jù)噪聲控制的性能指標通過相應的主動控制算法決策出相應的次聲源信號，此聲源信號經(jīng)信號處理單元驅(qū)動覆蓋在頭盔101上的智能材料產(chǎn)生次聲源信號105，次聲源信號105和噪聲信號104作用，得到殘留聲音信號106，使得頭盔周圍一定的空間102內(nèi)的噪聲水平大大降低；當頭盔佩戴者在講話時，一定空間102中不包括人嘴周圍的一個小空間103。頭盔周圍的一定的空間102中主動噪聲抑制是一個空間的分布問題，和車輛的室不同，基于頭盔外形的空間空穴是一個虛擬的外殼。根據(jù)圖1，三維虛擬外殼的示意圖如圖
2所示，圖中的空穴203包是位于頭盔201配載人嘴周圍的一個虛擬空穴，當人在講話時它不包含在202中，而當人不講話時它包含在202中，人是否在講話可通過人佩戴的麥克風的狀態(tài)實時獲取。結合圖1，采用一個AXffl自適應反饋式的主動噪聲控制系統(tǒng)驅(qū)動智能材料實時得到需要的虛擬降噪空間。系統(tǒng)采用AXffl個自適應濾波器來估計和產(chǎn)生次級聲源；這些濾波器采用基于X濾波最小均方法(FXLMS)算法進行矯正。主動噪聲控制系統(tǒng)的性能指標就是盡量三維虛擬外殼中的聲勢能。最小化方案有可能增加原本噪聲強度較低處的噪聲強度，但由于主要的聲學模態(tài)將會得到抑制，因此對于降低和平整整個空間的聲壓具有明顯效果。虛擬外殼K中總的聲勢能可表示為
權利要求
1.一種頭盔式主動抗噪系統(tǒng)，其特征在于包括覆蓋有智能材料的頭盔，便攜式的控制盒；所述覆蓋智能材料的頭盔與便攜式控制盒通過電線相互連接； 所述覆蓋在頭盔外表面的智能材料包含傳感器單元和執(zhí)行器單元； 所述便攜式控制盒，其內(nèi)部主要包括信號處理單元、驅(qū)動單元、控制算法實現(xiàn)單元以及能源供給單元； 所述覆蓋在頭盔表面的智能材料和便攜式控制盒組成的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，基于檢測的頭盔周圍實時的噪聲情況，通過反饋式主動噪聲控制算法，自動消除或大大降低頭盔周圍一定空間內(nèi)的噪聲強度。
2.根據(jù)權利要求I所述的頭盔式主動抗噪系統(tǒng)，其特征在于所述覆蓋在頭盔上的智能材料被分為五個區(qū)域進行布置，即頭盔的頂部、頭盔的前部、頭盔的后部、頭盔的左部和頭盔的右部；不同區(qū)域的傳感器單元和執(zhí)行器單元為不同響應特征的智能材料組合。
3.根據(jù)權利要求I所述的頭盔式主動抗噪系統(tǒng)，其特征在于所述便攜式控制盒中的控制單元為DSP芯片。
4.根據(jù)權利要求I所述的頭盔式主動抗噪系統(tǒng)，其特征在于所述智能材料為壓電陶瓷和聚偏氟乙烯膜的組合。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種頭盔的主動抗噪系統(tǒng)，包括覆蓋有智能材料的頭盔，便攜式的控制盒；所述覆蓋智能材料的頭盔與便攜式控制盒通過電線相互連接；所述覆蓋在頭盔外表面的智能材料包含傳感器單元和執(zhí)行器單元；所述便攜式控制盒，其內(nèi)部主要包括信號處理單元、驅(qū)動單元、控制算法實現(xiàn)單元以及能源供給單元；所述覆蓋在頭盔表面的智能材料和便攜式控制盒組成的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，基于檢測的頭盔周圍實時的噪聲情況，通過反饋式主動噪聲控制算法，自動消除或大大降低頭盔周圍一定空間內(nèi)的噪聲強度。同時考慮人嘴周圍的一個小的空間，在頭盔佩戴者說話時，這個小空間內(nèi)的語音信號將保持不受影響。
文檔編號H04R5/027GK102638747SQ20121008717
公開日2012年8月15日 申請日期2012年3月29日 優(yōu)先權日2012年3月29日
發(fā)明者湯奕, 高丙團 申請人:蘇州市思瑪特電力科技有限公司