CN101211558A - 有源降噪方法及有源降噪装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有源降噪方法及有源降噪装置，尤其涉及针对电器设备进出风口产生的噪音进行有源降噪。通过对噪声信号的采样，检测到噪声源噪声的幅值、频率、相位等特性，经过滤波、反相处理后，产生一个幅值相同、相位相反的信号通过扬声器输出，来抵消噪声信号，从而实现降低噪声的目的，其中所述滤波的过程中通过自适应地修正滤波后的信号，从而在滤去杂波的同时使滤波后的信号与噪声源信号更加接近，从而使反向后的次声源，更能够有效地抵消噪声源的声波信号，降噪的效果更加理想。

Description

有源降噪方法及有源降噪装置

技术领域

本发明涉及针对电器设备进出风口产生的噪音进行降噪处理的有源降噪方法和有源降噪装置。

背景技术

随着现代工业的发展，噪声污染已成为一个世界性的问题。在传统噪声控制中，主要采用吸声材料、阻尼处理、结构消声等无源消声方法。但是由于低频噪声波长较长，无源消声所采用的物理结构无法很好地吸收长波长的噪声，上述方法均不适用。在一些家用电器的排风系统中，例如在空调室内机的出风口、排油烟机的进风口等处，由于空气的快速流动，导致风口处产生持续不断的低频噪声，此时排风通道同时也是噪声通道。尤其在平直的管道中，噪声信号通过直接沿管道方向直接向外传输，即使通过在排风通道的侧壁上加装吸声材料，也很难将管道中不接触侧壁的噪声信号消除，而如果在噪声通道中以阻挡的方式安放吸声材料，又显然会对排风造成阻挡。而对于采用结构消声不但使管道结构设计变得更为复杂，而且也同样会对排风的通畅程度噪声影响，因此目前用传统的方法明显降低家电的噪声显得非常困难。

有源消声控制的基本思想是在待控制的声场区域内，建立一个与待消除的声音信号强度相同、相位相反的声场(即次级声场——secondary soundfield)，利用波的干涉原理，人为造成声场的相消干涉，从而消除噪声，这一信号抵消的现象通常也称为破坏性干扰。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种能够有效降低电器设备进出风口噪音的有源降噪方法和有源降噪装置。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种有源降噪方法，包括：

1)采集噪声源发出的噪声信号；

2)对噪声信号进行反相处理，产生与滤波后的噪声信号相位相反的次声源信号；

3)将所述次声源信号输出到噪声通道中。

还可包括对采集到的噪声信号在反相之前进行滤波，滤去杂散的噪声信号；

按照下述步骤可对噪声信号进行反相处理：

3.1)采样对应于单位时间点的噪声幅值，并将上述时间点与噪声幅值存入二维数组中；

3.2)对采样后的二维数组进行积分变换；

3.3)将变换后的数组增加180度相位；

3.4)对移相后的数组进行反变换。

所述滤波过程可为自适应滤波。

积分变换之前或之后可对信号处理过程中产生的相位滞后进行补偿。

所述积分变换可为傅立叶变换，对应的所述积分反变换为傅立叶反变换。

所述滤波过程可进一步包括：

2.1)采集噪声通道中噪声源信号与次声源信号叠加后产生的误差信号；

2.2)将采集到的误差信号作为自适应反馈对噪声信号进行自适应滤波。

一种有源降噪装置，包括

噪声采集单元，用于采集噪声源发出的噪声信号；

反相单元，用于将噪声信号的相位增加180度，输出与原噪声信号相位相反的次声源信号；

输出单元，用于将次声源信号输出到噪声通道中。

还可包括滤波单元，用于对采集到的噪声信号进行滤波，滤去杂散的噪声信号，输出到反相单元；

所述反相单元可进一步包括：

AD采样子单元：用于对应于单位时间点对滤波单元输出的噪声信号的幅值进行采样，并将上述时间点与对应的幅值存入二维数组中；

积分变换子单元：用于对采样后的二维数组进行积分变换；

移相子单元：用于将变换后的数组增加180度相位；

积分反变换子单元：用于对移相后的数组进行反变换。

所述滤波单元可为自适应滤波处理单元，用于在滤波的同时自适应地修正滤波后的信号。

所述反向单元中还可包括积分变换子单元进行滞后补偿的补偿子单元，用于对噪声信号处理过程中产生的相位滞后进行补偿。

还可包括误差信号采集单元，所述采集到的误差信号作为自适应反馈，输入到所述自适应滤波处理单元中。

所述噪声采集单元和滤波单元之间还可连接有一个输入放大单元，用于放大采集到的噪声信号。

所述反相单元和输出单元之间还可连接有一个输出放大单元，用于将输出的信号进行放大。

还可包括一个短管，所述噪声采集单元、次声源输出单元设置在所述短管中。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：通过对噪声信号的采样，检测到噪声源噪声的幅值、频率、相位等特性，经过滤波、反相处理后，产生一个幅值相同、相位相反的信号通过扬声器输出，来抵消噪声信号，从而实现降低噪声的目的，其中所述滤波的过程中通过自适应地修正滤波后的信号，从而在滤去杂波的同时使滤波后的信号与噪声源信号更加接近，从而使反向后的次声源，更能够有效地抵消噪声源的声波信号，降噪的效果更加理想。而且，反相过程中通过将模拟的噪声信号转化为数字的二维数组，在对此二维数组进行积分变换和反变换的过程中进行的相位增加，能用最小的数学复杂度来分析问题，也能够尽可能地较少信号处理过程的失真。

附图说明

图1为本发明实施例一的控制流程图；

图2为本发明中自适应滤波的方框图；

图3为本发明实施例二的装置框图；

图4为本发明实施例三装置的安装示意图；

图5为本发明实施例三的原理图。

具体实施方式

实施例一为一种有源降噪方法，下面结合附图1对实施例内容加以详细描述。图1为本实施例的控制流程图。待控制的声场区可以是空调柜机、商用空调室内机、排油烟机的进风口或出风口，或者其他存在噪声的平直的通道内，

步骤101：首先要对噪声场中的噪声源信号进行采集。通过麦克风或其他能够采集声波振动信号的传感器等的采集装置，采集噪声源的波形信号，所述采集装置设置在产生噪声源管道的中轴线上，可以最大程度的采集接近真实的噪声的波形信号，同时还可以通过软件或硬件滤波的方式进行初步的滤波，滤去其中的直流信号。

步骤102：对采集到的信号进行放大。一般通过麦克风或其他传感器采集到的噪声信号强度比较微弱，会导致后续对信号的处理比较微弱，因此需要在保持原信号形状、频率不变的情况下进行放大处理。

步骤103：由于排风通道中的噪声信号通常是比较持续、单一的噪声信号，通常可以认为是平稳和线性时不变系统，因此在本实施例中，采用以最小均方误差为准则的自适应滤波器对声音信号进行滤波，图2为自适应滤波的方框图，其中，x(n)为麦克风MIC采集的参考信号，d(n)为喇叭输出的期望信号；e(n)为参考信号和期望信号之间叠加后的误差信号。当所述噪声管道1的长度为L，参考信号x(n)为离散时间序列，则第n时刻滤波器输出为

$y\left(n\right)=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{w}_l\left(n\right)x(n-l-1)---\left(1\right)$

式(1)表明，滤波器的输出y(n)是L个所有过去各输入的线性加权之和，其中1＝1，2，...L，加权系数为w_l(n)。则第n时刻误差信号为：

$e\left(n\right)=d\left(n\right)-y\left(n\right)=d\left(n\right)-\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{w}_l\left(n\right)x(n-l-1)---\left(2\right)$

假设参考信号和期望信号都是平稳的各态遍历过程，则均方误差(MSE)为：

J(n)＝E[e²(n)]    (3)

当MSE达到最小时，即达到最佳滤波效果，若MSE达不到最小，则需调节权矢量满足这一目标，而调节权矢量的过程即为自适应滤波过程。

而所述权矢量的调节又可以通过如下方式实现，由式(3)可得：

$\▿\left(n\right)=\frac{\∂E\left[J\left(n\right)\right]}{\∂W}---\left(4\right)$

则下一时刻的权矢量等于当前的权矢量减去一个正比于梯度的变化量，即

$W(n+1)=W\left(n\right)-\mathrm{\μ}\▿\left(n\right)---\left(5\right)$

其中μ是一个控制自适应过程稳定性和收敛速度的一个常数参量，称为收敛系数，通过对所述收敛系数的设置实现对自适应的速度的设定。自适应滤波相对于其他滤波方法来说，其不必要求预先知道信号与噪声的子相关函数，而且在滤波过程即使这些自相关函数随时间作缓慢变化，也能自动适应，自动调节到满足最小均方误差的要求，从而在滤去杂散噪声波的同时不断进行修正，使滤波后的信号与噪声源信号中的主要噪声波形更加接近。而其中的所述误差信号在起初自适应过程不够稳定的时候，可先采用上述通过参考信号和期望信号获得的计算值，从而加快自适应的速度，在自适应过程趋于稳定后，采用设置在噪声场中的噪声传感器采集到的实际误差值，使滤波后的信号更接近实际，自适应滤波效果更好。

步骤104：对经过上述自适应滤波后的噪声源信号的幅值进行AD采样。即在每隔一个单位时间对信号上述信号进行采样，对每个采样到的时间点的幅值转换成数字信号，存放到由时间和与各时间点相对应的幅值构成的二维数组中，实现对采集到的模拟信号的量化和编码。

步骤105：将上述采样获得的二维数组进行傅立叶变换，同时考虑声波从扬声器位置传播至扬声器位置所需要的声时延，即对噪声信号的处理过程所需的时间，导致处理后噪声信号相位的滞后，因此需要在进行傅立叶变换之前或之后，对此相位的滞后进行补偿。

步骤106：在补偿了所述相位的滞后之后，再将相位增加180度，实现相位的反向。

步骤107：将移相后的数组进行傅立叶反变换，从而实现在保持幅值不变的情况下，形成与步骤103中滤波后的噪声信号相反的信号。

步骤108：经过上述一系列处理后的信号很可能与噪声源信号的幅值并不一致，因此，还需要对将要输出的次声源信号进行放大处理，使输出的信号幅值与噪声源信号的幅值保持相同，即形成次声源信号。

步骤109：最后通过一个扬声器将经放大处理的所述次级声源送入所述管道1中。这样，在扬声器的位置处，扬声器发出的声波相当于原噪声源声波的“镜像”，当二者叠加后，噪声即在扬声器的下游声场中得以抵消。

其中，反相过程也可以采用其他数学物理方程实现，但傅立叶变换相对于其他积分变换来说，能够将噪声信号空域变化转化为频域变化，在此基础上进行的相位增加，最后通过反变换实现幅值不变情况下的反向过程，能用最小的数学复杂度来分析问题，实现起来更为容易。

实施例二为一种有源降噪装置，下面结合附图3对实施例内容加以详细描述。图3为本实施例中的装置框图。

所述噪声采集单元210，通过麦克风或其他能够采集声波振动信号的传感器噪声源发出的信号，并将采集到噪声源信号发送到输入放大单元220进行放大处理，经放大后的噪声源信号又被送入自适应滤波单元230，一个误差信号采集电路240采集噪声场中的噪声源信号和次声源信号叠加后误差信号，也送入所述自适应滤波单元230中，所述自适应滤波单元230根据上述两种信号进行自适应地实现滤波过程，能够在滤去杂散噪声波的同时不断进行修正，使滤波后的信号与噪声源信号中的主要噪声波形更加接近。而经过滤波后的信号则发送到反向单元250中的AD采样子单元251，对应于单位时间点对滤波单元输出的噪声信号的幅值进行采样，并将上述时间点与对应的幅值存入二维数组中，所述二维数组再被送入所述傅立叶变换子单元252中实现傅立叶变换，将噪声信号空域的变化转化为频域的变化，并将变换后的数组通过移相子单元254增加180度相位，然后由傅立叶反变换子单元255将频域变化在转化回空域的变化，从而实现对滤波后的噪声信号的反向翻转。所述反向单元250中还包括一个补偿子单元253，所述补偿子单元253将噪声信号处理过程中产生的相位滞后送入所述傅立叶变换子单元252中，在傅立叶变换之前或之后对所述滞后进行补偿，确保反向后的声源信号能够严格与噪声源信号镜像。将从所述反向单元250输出的信号，通过所述输出放大单元260放大到与噪声源的幅值相等的次声源信号，再由所述次声源输出单元270输出到产生噪声源的空间中，与噪声源信号进行叠加，从而实现对噪声信号的抑制。

实施例二中的自适应滤波单元230、反向单元250也可以集成在一个数字信号处理器(以下简称DSP)中，即如下所述的实施例三。

实施例三如图4中所示，图中的管道1为待控制的声场区，可以是空调柜机、商用空调室内机、排油烟机的进风口或出风口，或者其他存在噪声的平直的通道内，所述管道1内设置有用于采集噪声信号的麦克风MIC和用于输出次级声场信号的扬声器SPK，由于电器上形成噪声的管道比较规则，一般可采用一组麦克和扬声器，并设置在管道1的主轴位置上，在声场情况较复杂的应用环境中，也可采用多组麦克和扬声器。图5为本发明装置的电路原理图，通过麦克风直接MIC采集到的噪声源信号通常比较微弱，因此所述麦克风MIC的采集输出经过电解电容E8滤波隔直后，输入到由运放U1A及其外围电阻构成的输入放大电路中进行放大，然后再输入到所述数字信号处理器(以下简称DSP)芯片的一个模拟信号输入端AD0端，所述DSP芯片为控制核心，经过分析计算、模糊处理后合成能抵消噪声的PWM波形，通过其脉宽调制信号输出端PWM6输出，再通过所述运放U1B及其外围电阻构成的输出放大电路放大后，由所述扬声器SPK播放到管道1中，来抵消噪声信号，达到降低噪声的目的。

所述DSP芯片在接收到放大后的噪声信号后，其内部依次进行自适应滤波、AD采样处理、傅立叶变换、移相、傅立叶反变换等步骤，其具体实现方式参见实施例一的步骤103～107。其中所述AD采用过程中的采样精度是由DSP芯片自身的AD采样精度决定的。

所述管道1中还可以设置有至少一个误差传感器，所述误差传感器一般安装在扬声器的后面(图中未标示)，用于采集噪声源和次级声源叠加后的信号，将检测到的误差信号反馈给DSP芯片，在自适应滤波过程中根据所述误差传感器反馈回的误差信号进一步自适应调整，使经滤波后的波形信号更加接近噪声源信号，以期在经过后续的反向过程后达到最大程度抵消噪声的效果。

所述管道1的长度和形状等因素影响参考信号的衰减，使得自适应的过程和反向过程都更为复杂，因此，在电器噪声源处的管道自身形状不规则的时候，可以在管道出口处加装一个短管，从而提供一个规则的降噪通道。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (16)

1.一种有源降噪方法，其特征在于包括：

1)采集噪声源发出的噪声信号；

2)对噪声信号进行反相处理，产生与噪声信号相位相反的次声源信号；

3)将所述次声源信号输出到噪声通道中。

2.如权利要求1所述的有源降噪方法，其特征在于：还包括对采集到的噪声信号在反相之前进行滤波，滤去杂散的噪声信号。

3.如权利要求1所述的有源降噪方法，其特征在于：按照下述步骤对噪声信号进行反相处理：

3.1)采样对应于单位时间点的噪声幅值，并将上述时间点与噪声幅值存入二维数组中；

3.2)对采样后的二维数组进行积分变换；

3.3)将变换后的数组增加180度相位；

3.4)对移相后的数组进行反变换。

4.如权利要求2所述的有源降噪方法，其特征在于：所述滤波过程为自适应滤波。

5.如权利要求3所述的有源降噪方法，其特征在于还包括：积分变换之前或之后对信号处理过程中产生的相位滞后进行补偿。

6.如权利要求3所述的有源降噪方法，其特征在于：所述积分变换为傅立叶变换，对应的所述积分反变换为傅立叶反变换。

7.如权利要求4所述的有源降噪方法，其特征在于：所述滤波过程进一步包括：

2.1)采集噪声通道中噪声源信号与次声源信号叠加后产生的误差信号；

2.2)将采集到的误差信号作为自适应反馈对噪声信号进行自适应滤波。

8.一种有源降噪装置，其特征在于：包括

噪声采集单元，用于采集噪声源发出的噪声信号；

反相单元，用于将噪声信号的相位增加180度，输出与原噪声信号相位相反的次声源信号；

输出单元，用于将次声源信号输出到噪声通道中。

9.如权利要求8所述的有源降噪装置，其特征在于：还包括滤波单元，用于对采集到的噪声信号进行滤波，滤去杂散的噪声信号，输出到反相单元；

10.如权利要求8所述的有源降噪装置，其特征在于：所述反相单元进一步包括：

AD采样子单元：用于对应于单位时间点对滤波单元输出的噪声信号的幅值进行采样，并将上述时间点与对应的幅值存入二维数组中；

积分变换子单元：用于对采样后的二维数组进行积分变换；

移相子单元：用于将变换后的数组增加180度相位；

积分反变换子单元：用于对移相后的数组进行反变换。

11.如权利要求9所述的有源降噪装置，其特征在于：所述滤波单元为自适应滤波处理单元，用于在滤波的同时自适应地修正滤波后的信号。

12.如权利要求10所述的有源降噪装置，其特征在于：所述反向单元中还包括积分变换子单元进行滞后补偿的补偿子单元，用于对噪声信号处理过程中产生的相位滞后进行补偿。

13.如权利要求11中所述的有源降噪装置，其特征在于：还包括误差信号采集单元，所述采集到的误差信号作为自适应反馈，输入到所述自适应滤波处理单元中。

14.如权利要求8～13中任一项所述的有源降噪装置，其特征在于：所述噪声采集单元和滤波单元之间还连接有一个输入放大单元，用于放大采集到的噪声信号。

15.如权利要求8～13中任一项所述的有源降噪装置，其特征在于：所述反相单元和输出单元之间还连接有一个输出放大单元，用于将输出的信号进行放大。

16.如权利要求8～13中任一项所述的有源降噪装置，其特征在于：还包括一个短管，所述噪声采集单元、次声源输出单元设置在所述短管中。

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