CN102332260A - 一体式单通道反馈有源噪声控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体式设计的单通道反馈有源噪声控制系统。该一体式单通道反馈有源噪声控制系统主要由传声器、电路系统(包括传声器前置放大电路、可变增益控制电路、二阶RC控制电路和功率放大电路几个部分)、扬声器单元、扬声器箱体和电源组成。本发明解决了反馈有源噪声控制系统的一体化设计问题，包括其中的控制电路设计、滤波器参数估计和扬声器箱体设计。本发明具有控制效果良好且稳定，控制系统外观美观，系统参数和性能灵活可调的优点。

Description

一体式单通道反馈有源噪声控制系统

一、技术领域

本发明涉及一种一体式单通道反馈有源噪声控制系统。

二、背景技术

有源噪声控制(ANC)是一种噪声控制方法，它引进次级声源，通过和初级噪声源及其声场相互作用，达到噪声抑制的目的。1953年Olson和May详细阐述了“电子吸声器”的原理及其应用，通过他们许多富有预见性的实例可以看出，有源噪声控制技术已经准备从理论走向应用。在之后的二十年里，电子电路与信号处理技术有了很大的发展，大规模集成电路与数字电路以极快的速度进入各种实际控制系统。同时，以Jessel，Mangiante和Canevet为代表的一批研究者，使用惠更斯原理，论证了存在不受次级声信号影响的声场区域，从而可以实现无次级声反馈的有源降噪的可能性，并定量地给出了能量吸收型次级声源所应具备的三极子辐射特性，通称JMC理论。1981年Burgress首次将自适应控制滤波理论应用于有源噪声控制，对系统的构成及算法作了计算机仿真研究，提出了著名的Filtered-XLMS算法。随着电子技术的飞速发展，基于DSP技术的前馈有源控制系统逐渐成熟。在该技术的推动下，1980年Kuo、1990年Franklin和1997年Astrom等人，分别在他们各自的著作中阐述数字控制器在有源噪声控制系统中的应用。虽然数字有源控制系统的研究已蓬勃发展，模拟有源控制系统，特别是模拟反馈有源控制系统以其低延迟、低成本、简单结构和高稳定性等优点在实际工程中被广泛应用。

单通道反馈有源噪声控制系统由一个误差传声器、一个次级声源以及一路控制电路组成。控制电路通过对误差传声器处的噪声信号反相、滤波，使次级声源辐射的声场与初级噪声声场相互作用，产生降噪效果。控制系统所用的控制电路可以是模拟或数字的，其中模拟电路应用较多。模拟反馈有源噪声控制系统有多个应用场合，如单通道系统应用于有源抗噪声耳罩中，双通道系统应用于有源头靠系统中，多路单通道系统组合起来应用于道路噪声屏障系统以及虚拟声屏障系统中。

有一些关于有源控制器的专利，如CN1664727公开了一种多通道有源控制器，使用数字信号处理器实现前馈控制，可同时控制多达10个以上的通道；CN101887718A公开了一种反馈有源噪声控制系统水床效应的改善方法，利用数字滤波器实现优化的控制器，改善水床效应。

虽然反馈有源噪声控制系统已有较多研究与应用，但并未涉及控制系统的一体化设计，即包含扬声器单元、扬声器箱体、控制电路的一体化设计。一体化设计的难点在于声学和电路的统筹考虑和优化。

本发明提出了一种一体式单通道反馈有源噪声控制系统，其优点在于：一体化的集成系统，控制效果良好且稳定，控制系统外观美观，系统参数和性能灵活可调，可根据不同场合优化调节。

三、发明内容

本发明的目的，是提供一种一体式单通道反馈有源噪声控制系统。该系统由扬声器单元、扬声器箱体、误差传声器、传声器前置放大电路、可变增益控制电路、二阶RC反馈控制电路、功率放大电路以及直流供电电源组成；该系统所有组成部分一体化集成在扬声器箱体内，无分离元件。

该系统的误差传声器接收外界噪声信号，经传声器前置放大电路与可变增益控制电路将信号放大后传递给二阶RC控制电路，二阶RC控制电路产生控制信号经由功率放大电路驱动扬声器单元，在误差传声器处产生等幅反相的声音信号，消除误差传声器处的噪声信号。

该系统的二阶RC控制电路为模拟反馈控制电路，可以根据不同扬声器单元、不同扬声器箱体结构和不同传声器优化电路参数和性能，优化过程通过调节电路的电位器阻值实现。

该系统的扬声器单元与扬声器箱体构成该系统的控制源，扬声器单元的标称谐振频率不大于80Hz。该系统的扬声器箱体为正六棱柱形，可在较小体积下有较大声容，扬声器单元与箱体构成的音箱的谐振频率不大于140Hz。

该系统的误差传声器安装于扬声器顶端的六棱台上，距离扬声器声中心8cm。

该系统的所有电路，包括传声器前置放大电路、可变增益电路、二阶RC反馈控制电路和功率放大电路，集成在一块电路板上。

本发明的有益效果是(1)整个反馈有源噪声控制系统是一体化的集成系统，控制效果良好且稳定；(2)控制系统外观美观；(3)系统参数和性能灵活可调，可根据不同场合优化调节。

四、附图说明

为方便理解和实施本发明，可参照附图描述示例性的优选实施例子，其中：

图1是一体式单通道反馈有源噪声控制系统的示意图。

图2是反馈式有源噪声控制原理框图。

图3是二阶模拟RC控制电路图。

图4是实测获得的误差传声器处降噪效果图(FFT测量)

图5是实测获得的误差传声器处降噪效果图(SSR扫频测量)

五、具体实施方式

下面通过实例对本发明进行详细说明。

如图1所示，一体式单通道反馈有源噪声控制系统由扬声器单元2、扬声器箱体3、误差传声器1、电路部分4(包含传声器前置放大电路、可变增益控制电路、二阶RC反馈控制电路、功率放大电路)以及直流供电电源5组成。该系统所有组成部分一体化集成在扬声器箱体内，无分离元件。其中，误差传声器1安装于扬声器箱体顶端的六棱台6上。

本例中，扬声器箱体3为针对特殊低频响应要求设计的正六棱柱封闭式扬声器，高20.36cm，棱边长9.50cm；扬声器箱体3顶端设计六棱台形防尘罩，它另有固定误差传声器1的作用，棱台下边长与棱柱箱体等同，上边长为4cm，棱台高14.03cm。扬声器箱体3中包含一个5英寸低音扬声器单元2，开关供电电源5和集成反馈式有源控制电路4。

该系统实现难点在于扬声器单元2、扬声器箱体3、电路部分4中反馈控制电路的设计，设计包括以下三个步骤：

A.模拟反馈电路的设计

图2为反馈有源噪声控制系统的原理框图，其中G(s)是反馈控制电路(此处即二阶RC电路)的传递函数，K是放大器(此处即可变增益控制电路)增益，C(s)是次级通道(该通道包含功率放大电路、次级源、次级源到传声器的声学路径、传声器放大电路)传递函数，s表示拉普拉斯算子，u(t)是控制信号，d(t)是外部噪声，e(t)是在误差传声器处外部噪声和控制声叠加得到的信号，t表示时间。控制后误差传声器处噪声信号为：

$E\left(s\right)=\frac{D\left(s\right)}{1-\mathrm{KG}\left(s\right)C\left(s\right)}---\left(1\right)$

假设外部噪声信号的功率谱密度为S_dd(ω)，ω表示圆周频率。由式(1)可知控制后误差传声器处噪声信号功率谱密度为：

$S_{\mathrm{ee}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{S_{\mathrm{dd}}\left(\mathrm{\ω}\right)}{{|1-\mathrm{KG}\left(\mathrm{j\ω}\right)C\left(\mathrm{j\ω}\right)|}^2}---\left(2\right)$

由式(2)可知，如果反馈环增益|1-KG(jω)C(jω)|＞＞1，控制后误差传声器处噪声信号功率谱密度S_ee(ω)就会变得很小，即噪声被很好地衰减。此时S_ee(ω)可以近似用下式表示：

$S_{\mathrm{ee}}\left(\mathrm{\ω}\right)\≈\frac{S_{\mathrm{dd}}\left(\mathrm{\ω}\right)}{{\left|\mathrm{KG}\left(\mathrm{j\ω}\right)C\left(\mathrm{j\ω}\right)\right|}^2}---\left(3\right)$

定义控制后噪声的衰减量为：

$\mathrm{\ΔL}\left(\mathrm{\ω}\right)=-10\log \frac{S_{\mathrm{ee}}\left(\mathrm{\ω}\right)}{S_{\mathrm{dd}}\left(\mathrm{\ω}\right)}=20\log \left|\mathrm{KG}\left(\mathrm{j\ω}\right)C\left(\mathrm{j\ω}\right)\right|---\left(4\right)$

由上式可知，开环增益越大，所能取得的噪声衰减量也就越大。另一方面，由于系统稳定性的要求，增益K不能无限增大。逐步增大增益K，当某个频率点ω_H恰好满足下列两个条件：

∠C(jω_H)+∠G(jω_H)＝0    (5)

K|G(jω_H)||C(jω_H)|＝1    (6)

此时系统将变得不稳定，发生自激振荡即啸叫，K的最大值因此受限。其中∠C(jω_H)为次级通道在啸叫频率点ω_H的相位响应，∠G(jω_H)为反馈电路在啸叫频率点ω_H的相位响应。

根据式(4)，系统对某一特定频率点ω₀的噪声衰减量为：

ΔL(ω₀)＝20log|KG(jω₀)C(jω₀)|    (7)

当K增大至系统刚好不发生啸叫时，此时对频率点ω₀的噪声衰减量将达到最大，其噪声最大衰减量由G(jω)C(jω)在频率点ω₀的值决定。据此可先确定目标频段，优化C(jω)与G(jω)，使目标频段的噪声衰减量最大，其中C(jω)主要由次级源与传声器的距离、次级源传递函数所决定，G(jω)即反馈控制电路的传递函数。

本例中，反馈控制电路的传递函数G(jω)由二阶模拟电路实现。如图3，G(jω)由G₁，G₂，G₃，a，b，r六个参数确定：

$G\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{{-\mathrm{r\ω}}^2+\mathrm{j\ω}\left\{r\right[2(G_1+G_3)+G_2]-{\mathrm{aG}}_2-2b{G}_3\}+[r{G}_2(G_1+G_3)-b{G}_2{G}_3]}{-{\mathrm{\ω}}^2+2j{G}_1\mathrm{\ω}+G_1{G}_2}---\left(8\right)$

其中，V_in为输入信号，V_out为输出信号，R_i＝1/(G_iC)(i＝1，2，3)，R可任取。控制电路的六个参数须要根据目标函数进行优化。合适的目标函数对系统的要求包含四个方面：能量最小、稳定性好、水床效应低、电路参数可实现。设x为参数向量，目标函数表达如下：

$P\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i\left(x\right)---\left(9\right)$

其中P_i(x)如下描述。

1)能量最小

要求能量最小的目标函数可以表示为：

$P_1(K,G_1,G_2,G_3,a,b,r)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\right|S({\mathrm{j\ω}}_i\left|\right)}^2{W}_i---\left(10\right)$

$S\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{E\left(\mathrm{j\ω}\right)}{D\left(\mathrm{j\ω}\right)}=\frac{1}{1-\mathrm{KC}\left(\mathrm{j\ω}\right)G\left(\mathrm{j\ω}\right)}---\left(11\right)$

W_i是频率选择权重，可以通过它对较重要的频率点赋予较大的权重。N表示要计算的频率点数。

2)系统稳定

与稳定相关的目标函数基于增益裕值和相位裕值的选择。这个选择必须满足系统稳定限制条件，即系统在适当背离均值时不会导致系统不稳定。这个函数定义如下：

$P_2(K,G_1,G_2,G_3,a,b,r)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_2\left({\mathrm{\ω}}_i\right)---\left(12\right)$

其中Φ定义为相位域值，φ(ω_i)是反馈环频响在频率ω_i的相位迁移，Υ定义为幅度域值，γ(ω_i)是反馈环频响在频率ω_i的增益幅值。Φ应当为包围Nyquist点的扇形区域的相位迁移，在这样的区域里，γ(ω_i)应当小于Υ才能保证系统稳定。

3)水床效应

由于“水床效应”的存在，在需要噪声衰减的频段内S(jω)＜1必然导致其它频段S(jω)＞1，因此须考虑相应的噪声放大域值，

$P_3(K,G_1,G_2,G_3,a,b,r)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_3\left({\mathrm{\ω}}_i\right)---\left(14\right)$

$f_3\left({\mathrm{\ω}}_i\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{others}\\ 1000& \left|\mathrm{S\φ}\left(j{\mathrm{\ω}}_i\right)\right|>T\left({\mathrm{\ω}}_i\right)\end{array}\right.---\left(15\right)$

T(ω_i)是水床效应引起的其它频段噪声放大的最大值。

4)电路参数

为了使控制器是物理可实现的，要求G₁，G₂，G₃，a，b，r六个参数满足实际可实现性条件。这个限制可表示为如下形式：

$P_4(K,G_1,G_2,G_3,a,b,r)=\left\{\begin{array}{ccc}0& \mathrm{others}& \\ 1000& G_i<0& i=\mathrm{1,2,3}\\ & \mathrm{ora}<0& \mathrm{ora}>1\\ & \mathrm{orb}<0& \mathrm{orb}>1\\ & \mathrm{orr}<0& \mathrm{orr}>1\end{array}\right.---\left(16\right)$

B.控制系统箱体设计

控制系统箱体即为扬声器箱体。次级通道传递函数C(jω)主要由次级源与传声器的距离、次级源传递函数所决定，其中次级源与传声器的距离越小则效果越好，但会导致次级源输出小，控制范围有限。通常先确定该距离，再优化次级源传递函数，即设计音箱。

扬声器在低频时的响应函数相当于一个二阶高通滤波器，其一般形式为：

$C\left(\mathrm{j\&omega;}\right)=j\frac{\mathrm{\&rho;}{S}_D}{2\mathrm{\&pi;r}}A\frac{{\mathrm{\&omega;}}^2{T}_c^2}{{\left(\mathrm{j\&omega;}\right)}^2{T}_c^2+\left(\mathrm{j\&omega;}\right)\frac{T_c}{Q_c}+1}{e}^{-\mathrm{j\&omega;}\left({r-a}_0\right)}---\left(17\right)$

其中ω_c＝1/T_c表示扬声器的谐振频率，Q_c表示扬声器的品质因数，ρ是空气密度，S_D是振膜面积，A是与扬声器本身固有属性有关的量，r是扬声器中心位置距场点的距离，a₀是扬声器振膜的半径。其幅度响应峰值出现在频率点：

${\mathrm{\&omega;}}^{\&prime;}=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_c}{\sqrt{1-\frac{1}{2Q_c^2}}}---\left(18\right)$

对于有源噪声控制系统有ω_H＞＞ω′，如果设计ω_c在要控制噪声频谱的下端，调整Q_c使得以ω′为中心的有效辐射频带与要控制噪声频谱相近，此时幅度响应|C(jω)|将达到最大，反馈环增益将进一步增大，从而有效增加噪声衰减量。

扬声器单元的选择与箱体的设计以“有效辐射频带和要控制噪声的主要频谱相近”为原则，由于有源控制主要应用于低频，所以扬声器单元选择一个5英寸的低音单元，标称额定功率30W，谐振频率80Hz，输入阻抗8Ω。箱体的设计在保证不严重增加箱体体积的前提下，尽量增大箱体的容积，降低音箱的谐振频率，增加低频辐射效率，所以本发明采用六棱柱设计，其中本例的尺度见图1所示。

C.参数调试和性能优化

调试流程：

1)根据上述控制器箱体设计原则，设计音箱；

2)测量次级路径传递函数C(s)

3)根据上述反馈控制电路设计原则，使用差分演化算法估计二阶模拟电路的参数

4)根据3)的结果，调整RC电路电位器阻值

5)调节放大电路增益K使得系统稳定

6)测量系统的性能

降噪性能示例：

图4和图5为误差传感器处降噪前后的测量结果，前者为FFT测量，后者为SSR扫频测量。初级声场为1600Hz低通白噪声，两条曲线分别为控制前和控制后误差传声器处的A计权声压曲线。可见在目标优化的频段400Hz到500Hz均有10dB以上的降噪量。

本发明可根据场合灵活优化系统参数和性能，如针对不同目标频段，可重复调试流程进行设计获取电路参数，并调节电路达到设计目标。

前面的详细描述只提供了优选实施例，对本发明的范围、使用性或构造不产生任何限制。前面对优选实施例的详细描述只是为了使本领域的技术人员能够实现本发明的优选实施例。应当理解，在不偏离所附权利要求限定的本发明的宗旨和范围的前提下，可以在本发明的各组成部分的功能和布局上进行各种改变。

Claims (7)

1.一体式单通道反馈有源噪声控制系统，其特征在于：该系统由扬声器单元、扬声器箱体、误差传声器、传声器前置放大电路、可变增益控制电路、二阶RC反馈控制电路、功率放大电路以及直流供电电源组成；该系统所有组成部分一体化集成在扬声器箱体内。

2.如权利要求1所述的一体式单通道反馈有源噪声控制系统，其特征在于：误差传声器接收外界噪声信号，经传声器前置放大电路与可变增益控制电路将信号放大后传递给二阶RC控制电路，二阶RC控制电路产生控制信号经由功率放大电路驱动扬声器单元，在误差传声器处产生等幅反相的声音信号，消除误差传声器处的噪声信号。

3.如权利要求1所述的一体式单通道反馈有源噪声控制系统，其特征在于：二阶RC控制电路为模拟反馈控制电路，可以根据不同扬声器单元、不同扬声器箱体结构和不同传声器优化电路参数和性能，优化过程通过调节电路的电位器阻值实现。

4.如权利要求1所述的一体式单通道反馈有源噪声控制系统，其特征在于：扬声器单元与扬声器箱体构成该系统的控制源，扬声器单元的标称谐振频率不大于80Hz。

5.如权利要求1所述的一体式单通道反馈有源噪声控制系统，其特征在于：扬声器箱体为正六棱柱形，可在较小体积下有较大声容，扬声器单元与箱体构成的音箱的谐振频率不大于140Hz。

6.如权利要求1所述的一体式单通道反馈有源噪声控制系统，其特征在于：误差传声器安装于扬声器箱体顶端的六棱台上。

7.如权利要求1所述的一体式单通道反馈有源噪声控制系统，其特征在于：该系统的所有电路，包括传声器前置放大电路、可变增益电路、二阶RC反馈控制电路和功率放大电路，集成在一块电路板上。

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