CN101751918A - 新型消音装置及消音方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了新型消音装置及消音方法，其中装置特征包括麦克风、扬声器、分离处理器或模块和反相与调幅处理器或模块；麦克风将接收到的混杂声音，通过分离处理器或模块提取出参考声音信号，参考声音信号通过反相与调幅处理器或模块进行反相及调幅后传送至上述扬声器并通过扬声器输出，抵消现场特定的噪音。方法特征包括步骤：用麦克风接收混杂声音；将混杂声音进行分离，提取出参考声音信号；将参考声音信号进行反相和调幅后通过扬声器输出，去抵消现场特定的噪音。本发明无需外设专门的机电或光传感装置，能够实现有选择地消除背景噪音。

Description

新型消音装置及消音方法

技术领域

本组发明涉及消音装置及消音方法。该消音装置及消音方法可以选择性地过滤掉无用杂音，适用于吵闹嘈杂场所。

背景技术

现有技术中消音装置及消音方法大都采取主动噪声控制技术。如其中的消音装置，要么将麦克风接收的信号直接反相去消除所有的背景声音(不论是噪音还是有用的声音)，例如目前已经投入商业使用的供人在嘈杂环境中听音乐的套头耳机；要么通过使用机电或光传感装置取得参考信号(欲消除的信号)，去有选择性地除却某些无用的噪声，例如一台可以在卡车驾驶室内使用的噪音消除设备，参考声音信号用发动机速度感应器获得。上述消音装置及方法中，前一类消音装置不能有选择性地除却噪声，适用范围有一定的局限性；后一类消音装置虽然可以有选择地除却某些无用的噪声，但需要外设专门的机电或光传感装置，体积庞大，造价高，不利于普及应用。

发明内容

本发明的任务之一在于提供一种新型消音装置，其无需外设专门的机电或光传感装置，能够实现有选择地消除背景噪音。

本发明的任务之二在于提供一种消音方法。

为实现发明任务一，其技术解决方案是：

新型消音装置，包括：

至少一只用于接收混杂声音的麦克风；

至少一只扬声器；

一分离处理器或模块；

一反相与调幅处理器或模块；

一音频编解码器；

上述麦克风将接收到的混杂声音，通过分离处理器或模块提取出参考声音信号，参考声音信号通过反相与调幅处理器或模块进行反相及调幅后通过音频编解码器传送至上述扬声器并通过扬声器输出，抵消现场特定的噪音。

上述分离处理器或模块为数字信号处理器，上述反相与调幅处理器或模块包括数字信号到模拟信号转换器及自动调幅器；上述麦克风为一只，被装置于靠近扬声器的位置；该麦克风依次连接放大器、自动调幅器及音频编解码器，音频编解码连接数字信号处理器，数字信号处理器依次连接数字信号到模拟信号转换器及自动调幅器；上述音频编解码器依次连接放大器及上述扬声器。

上述分离处理器或模块为数字信号处理器，上述反相与调幅处理器或模块包括数字信号到模拟信号转换器及自动调幅器；上述麦克风为两只，其中一只作为基本麦克风，另一只作为误差麦克风，误差麦克风被装置于靠近扬声器的位置；上述基本麦克风依次连接第一放大器、第一自动调幅器及音频编解码器，音频编解码连接数字信号处理器，数字信号处理器依次连接第一数字信号到模拟信号转换器及第一自动调幅器；上述误差麦克风依次连接第二放大器、第二自动调幅器及音频编解码器，音频编解码连接数字信号处理器，数字信号处理器依次连接第二数字信号到模拟信号转换器及第二自动调幅器；上述音频编解码器依次连接第三放大器及上述扬声器。

上述数字信号处理器，设有随机存储器、闪存器、内部参数调整界面及电源。

上述新型消音装置还有能戴挂在使用者头部的套头架，上述麦克风及扬声器分别固定在套头架的相应位置上。

为实现发明任务二，其技术解决方案是：

一种消音方法，包括如下步骤：

a用麦克风接收混杂声音；

b将混杂声音进行分离，提取出参考声音信号；

c将参考声音信号进行反相、调幅及编解码后通过扬声器输出，去抵消现场特定的噪音。

上述步骤b中，包括：

b1将麦克风接收的混杂声音信号转换成时间-频率图，其转换过程是将人耳的工作频率用一组Gammtone过滤器来覆盖，每个过滤器形成一个频道，声音信号通过这些过滤器后，在这些频道上留下痕迹，形成时间-频率图；

b2上述混杂声音中的各种噪声源在同一瞬间在时间-频率图上占据不同频道，用多基频估计法估计出各声源的基频；

b3由估出的各基频求出对应的谐波，将机器声音的谐波汇总得出参考声音信号。

上述步骤c中，在消音过程中，通过调节自适应过滤器的参数，来保留部分残余噪音信号。

本组发明的有益技术效果是：

能够在不使用外设机电或传感装置的基础上实现有选择地消除背景噪音，即混杂声音被麦克风接收后，参考声音信号通过声音分离技术分离出来，提取出的参考声音信号经反相、调幅及编解码后从扬声器输出去抵消现场特定的噪音；更为具体地说：本发明将声音分离技术与主动噪声技术相结合，混杂声音经过分离处理，提取出参考声音信号，这些参考声音信号经过适应性过滤，进行反相处理和幅度调整等处理，再传送到扬声器，扬声器最终输出的声音与特定的噪声进行声学叠加，消除这些噪音，同时保留有用的如人们对话的声音。本发明能使得人们在嘈杂环境中谈论自如，其中的装置还有助于实现微型化，即还可具有小巧便携，造价低等特点；其中的方法也易于实现。

附图说明

图1为本发明中新型消音装置一种实施方式结构原理示意框图。

图2为图1实施方式中自适应算法等关系原理示意简图。

图3为本发明中新型消音装置另一种实施方式结构原理示意图。

图4为图3实施方式中自适应算法等关系原理示意简图。

图5为上述实施方式中声音分离算法流程图。

下面结合附图对本发明进行说明：

具体实施方式

实施例1，结合图1及图2，新型消音装置，包括两只麦克风、一只扬声器1、一分离处理器2、一反相与调幅处理器及一音频编解码器3。其中一只麦克风为基本麦克风4，另一只为误差麦克风5，误差麦克风5被装置于扬声器1的靠近位置，用以减少次生的路径延迟，反相与调幅处理器包括数字信号到模拟信号转换器及自动调幅器，分理处理器2为数字信号处理器，数字信号处理器设有随机存储器21、闪存器22、内部参数调整界面23及电源24。基本麦克风4依次连接第一放大器41、第一自动调幅器42及音频编解码器3，音频编解码3连接数字信号处理器，数字信号处理器依次连接第一数字信号到模拟信号转换器43及自动调幅器42。误差麦克风5依次连接第二放大器51、第二自动调幅器52及音频编解码器3，音频编解码3连接数字信号处理器，数字信号处理器依次连接第二数字信号到模拟信号转换器53及第二自动调幅器51。音频编解码器3依次连接第三放大器11及扬声器1。上述麦克风将接收到的混杂声音，通过分离处理器或模块提取出参考声音信号，参考声音信号通过反相与调幅处理器或模块进行反相及调幅后通过音频编解码器传送至上述扬声器并通过扬声器输出，抵消现场特定的噪音；即：上述基本麦克风在离扬声器较远的位置上，其接收到的混杂声音信号用来提取参考信号，误差麦克风，其接收到的信号是直接到达的声音与扬声器输出迭加的结果，称谓误差信号，麦克风接收的电信号先经过放大器和自动调幅器(自动增益控制器)调整幅度，然后再通过音频编解码器进行模拟信号到数字信号的转换，信号分离和自适应过滤在数字信号处理器DSP中完成，在数字信号处理器完成信号分离和自适应过滤后，自适应过滤器的输出信号，即反相和调幅后的参考信号通过编解码器进行数字信号到模拟信号的转换，放大后经扬声器输出，抵消误差麦克风附近的躁声。

结合上述装置介绍一种消音方法，包括如下步骤：

a用麦克风接收混杂声音；

b将混杂声音进行分离，提取出参考声音信号；

c将参考声音信号进行反相、调幅及编解码后通过扬声器输出，去抵消现场特定的噪音。

上述步骤b中，包括：

b1将麦克风接收的混杂声音信号转换成时间-频率图，其转换过程是将人耳的工作频率用一组Gammtone过滤起来覆盖，每个过滤器形成一个频道，声音信号通过这些过滤器后，在这些频道上留下痕迹，形成时间-频率图。

b2上述混杂声音中的各种噪声源在同一瞬间在时间-频率图上占据不同频道，对占据特定频道时间-频率图对应噪声源进行提取形成参考声音信号。

b3对现场各噪声源数量特征的提取，估出最小基频。下面结合相关算法，进行进一步相关说明：

有关声音分离过程(结合参看图5)：

1、混合信号经过GAMMTONE过滤器后在各频道上留下痕迹；

2、对各频道上的信号求出其基频：先求其自相关函数，再由自相关函数的最大值在横坐标上的位置求出基频；

3、用多基频估计法来求出各声源的基频；

4、找出各基频对应的谐波，参考信号就是机器基频及谐波的总和；

5、将机器基频及谐波所占频道作标记，由于机器声音的连续性，这些频道在几步计算中不变，这样声音分离不必每步都进行；

6、自适应过滤算法中的参考信号由上述有标记的频道中读取并反过滤形成。

有关反相、调幅及编解码处理过程(结合参看图2)：

Reference Extraction：通过声音分离的参考信号提取

W：自适应过滤器参数

S₀：代表从喇叭的输入信号到误差麦克风输出信号的次生路径的过滤器

S：S₀的估计值

D：直接到达误差麦克风的声音

X：参考信号

e：误差信号

y：自适应过滤器的输出、它经过喇叭输出去抵消特定的躁声

LMS：更新自适应过滤器参数的最小均方差算法

具体算法如下：

E(z)＝D(z)-S(z)Y(z)

(z)，D(z)，S(z)，Y(z)是e，d，S和y的Z变换

Y(z)＝W(z)X(z)

W(z)和X(z)是W和x的Z变换，(z)指参考信号经过W过滤后的信号

LMS算法：

W_k+1(z)＝W_k(z)+uX(z)E(z)

u是算法的步长，k是第k步。步长的选择影响算法的收敛和误差信号的强弱，大步长收敛快，但误差大步长过大会引起受敛问题，用户可通过界面调节此参数从而调节残余躁声的大小。

实施例2，结合图3及图4，新型消音装置，包括一只麦克风4、一只扬声器1、一分离处理器2、一反相与调幅处理器及一音频编解码器3。麦克风4被装置于扬声器1的靠近位置，用以减少次生的路径延迟，反相与调幅处理器包括数字信号到模拟信号转换器及自动调幅器，分理处理器2为数字信号处理器，数字信号处理器设有随机存储器21、闪存器22、内部参数调整界面23及电源24。麦克风4依次连接放大器5、自动调幅器6及音频编解码器3，音频编解码器3连接数字信号处理器，数字信号处理器依次连接数字信号到模拟信号转换器7及自动调幅器6，音频编解码器3依次连接放大器8及扬声器1。上述麦克风将接收到的混杂声音，通过分离处理器或模块提取出参考声音信号，参考声音信号通过反相与调幅处理器或模块进行反相及调幅后通过音频编解码器传送至上述扬声器并通过扬声器输出，抵消现场特定的噪音；即麦克风接收的电信号先经过放大器和自动增益控制器调整幅度，然后再通过编解码器进行模拟信号到数字信号的转换，信号分离和自适应过滤在数字信号处理器DSP中完成，自适应过滤器的输出进次生过滤器后与误差信号迭加，参考信号从此迭加信号中提取，在数字信号处理器完成信号分离和自适应过滤后，自适应过滤器的输出信号通过编解码器进行数字信号到模拟信号的转换，放大后经扬声器输出，抵消麦克风附近的躁声。

结合上述装置介绍一种消音方法，包括如下步骤：

a用麦克风接收混杂声音；

b将混杂声音进行分离，提取出参考声音信号；

c将参考声音信号进行反相、调幅及编解码后通过扬声器输出，去抵消现场特定的噪音。

上述步骤b中，包括：

b1将麦克风接收的混杂声音信号转换成时间-频率图，其转换过程是将人耳的工作频率用一组Gammtone过滤起来覆盖，每个过滤器形成一个频道，声音信号通过这些过滤器后，在这些频道上留下痕迹，形成时间-频率图。

b2上述混杂声音中的各种噪声源在同一瞬间在时间-频率图上占据不同频道，对占据特定频道时间-频率图对应噪声源进行提取形成参考声音信号。

b3对现场各噪声源数量特征的提取，估出最小基频。下面结合相关算法，进行进一步相关说明：

有关声音分离过程(结合参看图5)：

1、混合信号经过GAMMTONE过滤器后在各频道上留下痕迹；

2、对各频道上的信号求出其基频：先求其自相关函数，再由自相关函数的最大值在横坐标上的位置求出基频；

3、用多基频估计法来求出各声源的基频；

4、找出各基频对应的谐波，参考信号就是机器基频及谐波的总和；

5、将机器基频及谐波所占频道作标记，由于机器声音的连续性，这些频道在几步计算中不变，这样声音分离不必每步都进行；

6、自适应过滤算法中的参考信号由上述有标记的频道中读取并反过滤形成。

有关反相、调幅及编解码处理过程(结合参看图4)：

Reference Extraction：通过声音分离的参考信号提取

W：自适应过滤器参数

S₀：代表从喇叭的输入信号到误差麦克风输出信号的次生路径的过滤器

S：S₀的估计值

D：直接到达误差麦克风的声音

X：参考信号

e：误差信号

y：自适应过滤器的输出、它经过喇叭输出去抵消特定的躁声

LMS：更新自适应过滤器参数的最小均方差算法

具体算法如下：

E(z)＝D(z)-S(z)Y(z)

Y(z)＝W(z)X(z)

Z(z)＝S(z)Y(z)+E(z)

参考信号x从z中经过信分离提取出来

LMS算法：

W_k+1(z)＝W_k(z)+u.X(z)E(z)

u是算法的步长，k是第k长

可以得出

D(z)＝S0(z)Y(z)+E(z)

Z(z)＝S(z)Y(z)+E(z)

所以，如果S(z)是S0一个好的估算值，Z(z)＝D(z)

因此，X(z)近似于是直接从D(z)中提取出来的。

对新型消音装置所涉及有关工作原理等进行补充说明：

一、系统训练(可选择，Optional)：将装置至于噪声环境中，装置对录入的噪声提取特征(频谱，谐波的分布)，估计最小基频。这些特征用在后面的声音信号分离中，能提高准确性。用户还可以输入工作环境中主要噪声源的个数，这些信息在声音信号分离中使用。

二、将基本麦克风接收到的混合声音信号转换成时间-频率图：设装置采样频率为16000次/秒(也可选用其它值)，每128或256个样本进行一次计算，形成的时间-频率图就象一帧帧电影胶卷。信号的转换可以用Gammtone过滤器(模拟人耳)，或Mel-Frequency过滤器(语音识别的基本工具)，或借助适宜其它工具实现。以Gammtone过滤器为例来说明转换过程，将人耳的工作频率范围用一组Gammtone过滤器来覆盖，一般用128或256个Gammtone过滤器，每个过滤器形成一个频道，声音信号通过这些过滤器后，就在这些频道上留下痕迹，形成时间-频率谱。

三、声音分离：绝大多数情况下，机器的声音与人们对话的声音在同一瞬间在时间-频率图上占据不同的频道，这使得声音信号分离成为可能，声音信号分离的任务就成了识别各个声音信号在各瞬间所占的频道。(a)如果几个频道上的信号同时出现和同时消失，则它们属于同一来源；(b)各声源都有各自的基频(fundamental frequency)，各信号可表达为各谐波(harmonics)的和，谐波的频率是基频的整数倍，对于单个源的声音，其基频可由其自相关函数的最大值的位置得到，自相关函数是时间延迟的函数，其最大值所对应的时间延迟就是基频信号的周期，基频频率等于采样频率除以此时间延迟；(c)各频道为单个声源所生成，如(b)所述，可由自相关函数计算各频道的基频；(d)由(c)所计算出的各频道的基频，将这些基频除以整数(1，2，3，4，5，…)，得到的数值不小于最小基频，由这些结果生成柱形统计图(Histogram)，此统计图会有几个山峰部，声源基频的频率就对应于这些山峰部顶点的位置；(e)机器的声音具有持续性和重复性，将这些性质与上述计算结合，可以验证结果，提高精度；(f)利用上述一中所得到的信息可以简化计算，如声源主要谐波的次数(基频的倍数)是不变的，这可以减少计算量(根据几个主要谐波来确定基频)。

四、回波对声音信号分离的影响：在没有回波的情况下，声音分离可以很精确。在用声音的产生和消失来计算时，回波会有影响，但是通常回音对人们的对话影响不大。例如在房间里说话时我们总能从听声音来确定说话人的位置，由于机器的声音比较大，在房间里会有显著地回音，通常房间的空间尺寸决定了房间空气共振的频率显著低于机器声音的基频，所以上述算法在有回音时也有效。

五、参考信号的反相与调幅：机器声通过声音分离获得后形成参考信号，参考信号也可间接取得。分离算法产生参考过滤器，混合信号经过此过滤器后变为参考信号，参考信号经过自适应过滤器处理后达到反相与调幅的目的，自适应过滤器的参数可通过装置调节，参数的调节可由参考信号与残差信号的积决定。

六、最小均算法(Least Mean Square，LMS)是广泛使用的自适应性过滤算法。在LMS中，参考信号要通过一个数字过滤器，此过滤器的参数可自动调节，调节的目的是使过滤器的输出抵消要消除的噪音。

七、采样及分离计算会在计算回路中引入时间延迟。由于机器的声音信号都是有规律性的，延迟不会带来算法的稳定性问题，一般环境中机器的转速不会有大的突变，参考过滤器参数不会突变，分离算法可以与自适应过滤算法分开进行，分离计算的周期长一些不会影响装置的性能。

八、残余噪声可以由自适应算法的步长控制。将此参数设计成用户可控的(用户能通过按钮或其他方式调整此值)，让用户根据需要调整残余噪声的大小，有的时候一定的残余噪声是有用的，如在车间里，移动车辆的声音可以提醒周围的人注意安全。

上述实施方式中，新型消音装置还可设置能戴挂在使用者头部的套头架，麦克风及扬声器可分别固定在套头架的相应位置上。使本发明新型消音装置微型化，便于随身携带。

本发明新型消音装置还可适用于汽车站、飞机场、轮船码头等场所作为固定消音装置。

Claims (6)

1.一种新型消音装置，特征是其包括：

至少一只用于接收混杂声音的麦克风；

至少一只扬声器；

一分离处理器或模块；

一反相与调幅处理器或模块；

一音频编解码器；

所述麦克风将接收到的混杂声音，通过分离处理器或模块提取出参考声音信号，参考声音信号通过反相与调幅处理器或模块进行反相及调幅后通过音频编解码器传送至上述扬声器并通过扬声器输出，抵消现场特定的噪音。

2.根据权利要求1所述的新型消音装置，其特征在于：所述分离处理器或模块为数字信号处理器，上述反相与调幅处理器或模块包括数字信号到模拟信号转换器及自动调幅器；上述麦克风为一只，被装置于靠近扬声器的位置；该麦克风依次连接放大器、自动调幅器及音频编解码器，音频编解码连接数字信号处理器，数字信号处理器依次连接数字信号到模拟信号转换器及自动调幅器；上述音频编解码器依次连接放大器及上述扬声器。

3.根据权利要求1所述的新型消音装置，其特征在于：所述分离处理器或模块为数字信号处理器，上述反相与调幅处理器或模块包括数字信号到模拟信号转换器及自动调幅器；上述麦克风为两只，其中一只作为基本麦克风，另一只作为误差麦克风，误差麦克风被装置于靠近扬声器的位置；上述基本麦克风依次连接第一放大器、第一自动调幅器及音频编解码器，音频编解码连接数字信号处理器，数字信号处理器依次连接第一数字信号到模拟信号转换器及第一自动调幅器；上述误差麦克风依次连接第二放大器、第二自动调幅器及音频编解码器，音频编解码连接数字信号处理器，数字信号处理器依次连接第二数字信号到模拟信号转换器及第二自动调幅器；上述音频编解码器依次连接第三放大器及上述扬声器。

4.一种消音方法，特征是包括如下步骤：

a用麦克风接收混杂声音；

b将混杂声音进行分离，提取出参考声音信号；

c将参考声音信号进行反相、调幅及编解码后通过扬声器输出，去抵消现场特定的噪音。

5.根据权利要求4所述的消音方法，其特征在于：所述步骤b中，包括：

b1将麦克风接收的混杂声音信号转换成时间-频率图，其转换过程是将人耳的工作频率用一组Gammtone过滤器来覆盖，每个过滤器形成一个频道，声音信号通过这些过滤器后，在这些频道上留下痕迹，形成时间-频率图；

b2上述混杂声音中的各种噪声源在同一瞬间在时间-频率图上占据不同频道，用多基频估计法估计出各声源的基频；

b3由估出的各基频求出对应的谐波，将机器声音的谐波汇总得出参考声音信号。

6.根据权利要求4或5所述的消音方法，其特征在于：所述步骤c中，在消音过程中，通过调节自适应过滤器的参数，来保留部分残余噪音信号。

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