本發(fā)明提出了一種工業(yè)用主動(dòng)降噪耳罩，屬于主動(dòng)噪聲控制（ANC，Active Noise Control）的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)方法利用隔音、吸音材料進(jìn)行被動(dòng)降噪，主要用于抑制高頻噪聲，對(duì)低頻噪聲作用有限。主動(dòng)噪聲控制技術(shù)通過(guò)發(fā)出與原噪聲大小相等、方向相反的反噪聲，利用干涉相消原理實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻噪聲的降噪。利用該技術(shù)的控制器尺寸小，低頻降噪性能優(yōu)良，是傳統(tǒng)被動(dòng)噪聲控制方法不可或缺的有利補(bǔ)充。

工業(yè)領(lǐng)域的低頻噪聲污染尤為突出，傳統(tǒng)的耳塞、耳罩無(wú)法對(duì)工人進(jìn)行充分保護(hù)，急需引入具備主動(dòng)降噪功能的工業(yè)防護(hù)耳罩從而減少環(huán)境噪聲對(duì)工人身心健康的損害。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)被動(dòng)降噪耳罩無(wú)法有效降低低頻噪聲和模擬電路式降噪耳罩無(wú)法實(shí)現(xiàn)多通道傳遞函數(shù)的缺陷，提出了一種工業(yè)用主動(dòng)降噪耳罩，該耳罩為基于STM32控制器，內(nèi)嵌FXLMS算法的數(shù)字式自適應(yīng)有源降噪耳罩。

本發(fā)明為解決其技術(shù)問(wèn)題采取如下技術(shù)方案：

一種工業(yè)用主動(dòng)降噪耳罩，包括：

耳罩腔體、耳罩外拾音麥克風(fēng)和耳罩內(nèi)拾音麥克風(fēng)、輸出均衡器、基于STM32的信號(hào)處理器和耳罩揚(yáng)聲器，耳罩腔體內(nèi)置有雙極性電源轉(zhuǎn)換及穩(wěn)壓電路，其中耳罩外拾音麥克風(fēng)置于耳罩腔體外側(cè)，與基于STM32的信號(hào)處理器內(nèi)部ADC1接口連接，耳罩內(nèi)拾音麥克風(fēng)置于耳罩腔體內(nèi)側(cè)，與基于STM32的信號(hào)處理器內(nèi)部ADC2接口連接，基于STM32的信號(hào)處理器內(nèi)部DAC接口與輸出均衡器連接，輸出均衡器與耳罩揚(yáng)聲器連接；

所述耳罩外拾音麥克風(fēng)和耳罩內(nèi)拾音麥克風(fēng)內(nèi)均置有拾音麥克風(fēng)電路，所述拾音麥克風(fēng)電路包括：MEMS電聲換能器、信號(hào)前置放大模塊、輸入均衡器模塊、功放模塊、電壓鉗位模塊和限幅保護(hù)模塊，其中MEMS電聲換能器將噪聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳給信號(hào)前置放大模塊，信號(hào)經(jīng)放大后傳給輸入均衡器模塊，然后傳給功放模塊，經(jīng)過(guò)功率放大后傳入電壓鉗位模塊，經(jīng)過(guò)電壓鉗位后傳入限幅保護(hù)模塊；

所述基于STM32的信號(hào)處理器內(nèi)置有基于STM32的信號(hào)處理電路，用于處理ADC1接口采集到的耳罩外噪聲和ADC2接口采集到的耳罩內(nèi)噪聲，產(chǎn)生的反噪聲信號(hào)經(jīng)DAC接口輸出；

所述輸出均衡器內(nèi)置有功放電路，用于將DAC輸出信號(hào)進(jìn)行均衡并經(jīng)功率放大輸出；

所述耳罩揚(yáng)聲器，用于發(fā)出反噪聲與耳罩內(nèi)噪聲抵消；

所述雙極性電源轉(zhuǎn)換及穩(wěn)壓電路，用于為系統(tǒng)中各電路供電。

所述基于STM32的信號(hào)處理器包括：基于FXLMS算法的數(shù)字濾波器、基于LMS算法的數(shù)字濾波器、12位ADC接口ADC1、12位ADC接口ADC2、12位DAC接口和硬件隨機(jī)數(shù)發(fā)生器；其中耳罩外拾音麥克風(fēng)電路與12位ADC接口ADC1連接，耳罩內(nèi)拾音麥克風(fēng)電路與12位ADC接口ADC2連接，12位ADC接口ADC1和12位ADC接口ADC2分別與基于FXLMS算法的數(shù)字濾波器連接，基于FXLMS算法的數(shù)字濾波器與基于LMS的數(shù)字濾波器連接，12位DAC接口與輸出均衡器功放電路連接，硬件隨機(jī)數(shù)發(fā)生器與基于LMS的數(shù)字濾波器連接，用于產(chǎn)生高斯白噪聲作為聲學(xué)次級(jí)通道辨識(shí)的激勵(lì)，12位ADC1接口將采集的耳罩外目標(biāo)噪聲數(shù)據(jù)傳入基于FXLMS算法的數(shù)字濾波器，經(jīng)自適應(yīng)濾波后通過(guò)12位DAC接口輸出反噪聲，12位ADC接口ADC2將采集的耳罩內(nèi)誤差數(shù)據(jù)傳給基于FXLMS算法的數(shù)字濾波器和基于LMS算法的數(shù)字濾波器，用于濾波器參數(shù)更新。

本發(fā)明的有益效果如下：

1、本發(fā)明能有效應(yīng)對(duì)低頻環(huán)境噪聲信號(hào)，所用到的主動(dòng)降噪系統(tǒng)體積小、能耗低、降噪效果明顯。

2、采用數(shù)字式自適應(yīng)濾波算法產(chǎn)生反噪聲，能隨外界環(huán)境變化自動(dòng)調(diào)整濾波參數(shù)，相比于模擬式主動(dòng)降噪耳罩，對(duì)被動(dòng)隔音耳罩及拾音麥克風(fēng)聲學(xué)特性要求寬松，適應(yīng)性好，通用性強(qiáng)。3、數(shù)字式降噪技術(shù)能充分發(fā)揮傳統(tǒng)被動(dòng)隔音式工業(yè)耳罩的中高頻降噪性能，在此基礎(chǔ)上引入主動(dòng)降噪技術(shù)消除低頻噪聲，實(shí)現(xiàn)全頻域內(nèi)良好的降噪效果。

4、結(jié)構(gòu)小巧，操作方便，能通過(guò)開(kāi)關(guān)一鍵打開(kāi)主動(dòng)降噪功能。采用ARM架構(gòu)微處理單元和高性能運(yùn)算放大器能在保障降噪耳罩性能的前提下充分降低能耗。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明提出的一種工業(yè)用主動(dòng)降噪耳罩的原理框圖。

圖2是本發(fā)明提出的一種工業(yè)用主動(dòng)降噪耳罩的電路結(jié)構(gòu)圖，圖2(a)是輸出均衡器及功放電路；圖2(b)是ARM控制器電路；圖2(c)是雙極性電源轉(zhuǎn)換及穩(wěn)壓電路；圖2(d)是麥克風(fēng)拾音電路，其中REST表示微處理單元復(fù)位端口，V+3.3表示+3.3V直流供電，GND表示公共地，DAout表示微處理單元模數(shù)轉(zhuǎn)換端口，ADin1和ADin2表示微處理單元數(shù)模轉(zhuǎn)換端口1和2，SWCLK表示串行總線調(diào)試接口時(shí)鐘端，SWDIO表示串行總線調(diào)試接口數(shù)據(jù)端。

圖3 是本發(fā)明實(shí)施例提出的系統(tǒng)軟件方框圖。

圖4是本發(fā)明提出的一種工業(yè)用主動(dòng)降噪耳罩的算法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明創(chuàng)造做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明的設(shè)計(jì)思路是：為了降低工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)低頻噪聲對(duì)操作人員的身心傷害，彌補(bǔ)被動(dòng)隔音式耳罩無(wú)法有效降低低頻噪聲的缺陷，可采用有源降噪技術(shù)，通過(guò)耳罩內(nèi)部和耳罩外部?jī)蓚€(gè)拾音電路采集目標(biāo)噪聲和誤差噪聲，利用嵌入自適應(yīng)FXLMS算法的信號(hào)處理電路，自動(dòng)調(diào)整濾波器權(quán)值，輸出一個(gè)與環(huán)境噪聲相互抵消的反噪聲，從而達(dá)到降噪目的。

圖1是本發(fā)明提出的一種工業(yè)用主動(dòng)降噪耳罩的原理框圖。如圖1所示，該工業(yè)用主動(dòng)降噪耳罩包括耳罩腔體、拾音麥克風(fēng)、輸出均衡器及其功放電路、基于STM32的信號(hào)處理器和耳罩揚(yáng)聲器，其中用到兩個(gè)拾音麥克風(fēng)分別布置于耳罩腔體外側(cè)和內(nèi)側(cè)，用于采集外界環(huán)境噪聲和耳罩內(nèi)誤差噪聲，耳罩外拾音麥克風(fēng)作為輸入信號(hào)與基于STM32的信號(hào)處理器連接，經(jīng)信號(hào)處理器的ADC1采樣接口將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)作為FXLMS算法的輸入信號(hào)。基于STM32的信號(hào)處理器內(nèi)置有FXLMS算法所需的必要參數(shù)，包括主數(shù)字濾波器的階數(shù)、FXLMS算法步長(zhǎng)因子、聲學(xué)次級(jí)通道模型的階數(shù)及相應(yīng)自適應(yīng)系統(tǒng)辨識(shí)算法的步長(zhǎng)因子，通過(guò)信號(hào)處理電路自適應(yīng)地調(diào)節(jié)主數(shù)字濾波器權(quán)值并將該權(quán)值與輸入信號(hào)卷積，得到的結(jié)果通過(guò)DAC接口傳遞給輸出均衡器及功放電路，通過(guò)輸出均衡器的信號(hào)重構(gòu)和功放電路的功率放大驅(qū)動(dòng)耳罩揚(yáng)聲器發(fā)出反噪聲。耳罩內(nèi)拾音麥克風(fēng)電路采集到的聲音信號(hào)作為誤差噪聲通過(guò)ADC2接口反饋給基于STM32的信號(hào)處理電路，經(jīng)過(guò)自適應(yīng)FXLMS算法的不斷調(diào)整，最終使誤差噪聲收斂達(dá)到均方誤差最小，從而實(shí)現(xiàn)降噪效果。

圖2是本發(fā)明提出的一種工業(yè)用主動(dòng)降噪耳罩的電路結(jié)構(gòu)圖。該工業(yè)用主動(dòng)降噪耳罩電路包括如圖2（a）所示的輸出均衡器及功放電路、如圖2（b）所示的基于STM32的信號(hào)處理電路、如圖2（c）所示的雙極性電源轉(zhuǎn)換及穩(wěn)壓電路和如圖2（d）所示的拾音麥克風(fēng)電路。其中圖2（a）所示的輸出均衡器及功放電路由運(yùn)算放大器和阻容器件構(gòu)成，用于將信號(hào)處理電路DAC接口輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)和濾波，驅(qū)動(dòng)耳罩揚(yáng)聲器發(fā)出反噪聲。圖2（b）所示的基于STM32的信號(hào)處理電路主要包括晶振、復(fù)位、SWD調(diào)試接口、去耦電容陣列、具有DMA功能的ADC接口、DAC接口和硬件隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。其中晶振、復(fù)位、去耦電容陣列是信號(hào)處理電路正常工作的基本保障電路，SWD調(diào)試接口用于集成開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)MCU的在線調(diào)試和程序燒寫(xiě)，具有DMA功能的ADC接口用于將拾音麥克風(fēng)電路采集的聲音模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)供MCU運(yùn)算處理，DAC接口用于將MCU計(jì)算后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出，硬件隨機(jī)數(shù)發(fā)生器用來(lái)產(chǎn)生高斯白噪聲，作為耳罩聲學(xué)次級(jí)通道模型辨識(shí)的激勵(lì)。圖2（c）所示的雙極性電源轉(zhuǎn)換及穩(wěn)壓電路用于對(duì)系統(tǒng)供電，該電路基于LM358將常用的9V電池轉(zhuǎn)換為±4.5V雙極性，用于系統(tǒng)中雙極性運(yùn)算放大器供電，低壓差穩(wěn)壓芯片將+4.5V電壓穩(wěn)壓到+3.3V用于STM32、麥克風(fēng)供電以及提供鉗位電壓。圖2（d）所示的拾音麥克風(fēng)電路由運(yùn)算放大器和阻容元件構(gòu)成，主要功能有信號(hào)前置放大、低通濾波、功率放大、電壓鉗位和限幅保護(hù)。信號(hào)前置放大、低通濾波和功率放大實(shí)現(xiàn)聲學(xué)信號(hào)和電學(xué)信號(hào)的換能。由于基于STM32的信號(hào)處理電路ADC接口的輸入電壓范圍為0-3.3V，并不包括負(fù)電壓，故需對(duì)采集到的交流信號(hào)進(jìn)行電壓鉗位，通過(guò)電壓鉗位電路將交流信號(hào)抬升1.25V，從而使電壓范圍在0-3.3V以?xún)?nèi)。由于DAC輸入電壓不能超過(guò)3.3V，所以利用1N4148二極管設(shè)計(jì)限幅保護(hù)電路，當(dāng)電壓超過(guò)3.3V或低于0V時(shí)二極管導(dǎo)通從而使信號(hào)始終被鉗位在0-3.3V之間，起到保護(hù)信號(hào)處理電路的作用。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提出的系統(tǒng)軟件方框圖。如圖3所示，首先初始化命令將STM32相關(guān)硬件初始化，這些硬件包括時(shí)鐘、中斷、ADC接口、DAC接口、IWDG獨(dú)立看門(mén)狗電路和硬件隨機(jī)數(shù)發(fā)生器；預(yù)置FXLMS算法相關(guān)參數(shù)，這些參數(shù)包括主數(shù)字濾波器的階數(shù)、FXLMS算法步長(zhǎng)因子、聲學(xué)次級(jí)通道模型的階數(shù)及相應(yīng)自適應(yīng)系統(tǒng)辨識(shí)算法的步長(zhǎng)因子；接著對(duì)DMA模式DAC接口采集到的耳罩外目標(biāo)噪聲和耳罩內(nèi)誤差噪聲進(jìn)行均值濾波，得到較為準(zhǔn)確的目標(biāo)噪聲和誤差噪聲；然后通過(guò)硬件隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生均勻分布隨機(jī)數(shù)，利用大數(shù)定理將均勻分布轉(zhuǎn)換為正態(tài)分布，產(chǎn)生高斯白噪聲；再利用上述過(guò)程得到的數(shù)據(jù)通過(guò)FXLMS算法更新主濾波器參數(shù)，得到反噪聲，通過(guò)DAC接口輸出；最后通過(guò)滑動(dòng)濾波更新參數(shù)，循環(huán)上述步驟直到誤差噪聲收斂。

圖4是本發(fā)明提出的一種工業(yè)用主動(dòng)降噪耳罩的算法框圖。如圖4所示，代表外界環(huán)境噪聲，代表耳機(jī)被動(dòng)降噪模型，是傳入耳罩的實(shí)際噪聲，是真實(shí)的耳罩聲學(xué)次級(jí)通道模型，是在線識(shí)別的耳罩聲學(xué)次級(jí)通道模型，是高斯白噪聲，與耳罩內(nèi)延遲一個(gè)單位后的誤差噪聲相乘作為聲學(xué)次級(jí)通道在線辨識(shí)的激勵(lì)，經(jīng)次級(jí)通道模型濾波后的外界環(huán)境噪聲通過(guò)FXLMS算法更新主濾波器的權(quán)值，環(huán)境噪聲經(jīng)過(guò)主濾波器濾波后得到初級(jí)反噪聲，該反噪聲經(jīng)過(guò)真實(shí)的次級(jí)通道模型得到與耳罩內(nèi)噪聲抵消的反噪聲，最終得到的耳罩內(nèi)誤差噪聲用于算法更新參數(shù)，程序循環(huán)直到誤差噪聲收斂。