CN102473406B - 主动减噪系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及主动减噪系统和方法，用于减弱由主声源所发出的声音，特别地用于减弱由人所发出的打鼾声。该系统包括主声源、作为次声源的至少一个扬声器（用于产生将与由所述主声源所发出的声音相叠加的减弱声音）、用于接收来自所述主声源的声音的参考麦克风、以及被分配给每个扬声器以形成扬声器/麦克风对的至少一个误差麦克风。至少一个误差麦克风被设置为指向其所分配的扬声器的定向麦克风，以接收来自主声源和对应的扬声器的声音相叠加所引起的剩余声音。至少一个扬声器/麦克风对中的误差麦克风和扬声器与主声源基本上共线布置。控制单元被设置成接收代表由参考麦克风所接收的声音的参考麦克风的输出参考信号和代表由至少一个误差麦克风所接收的声音的至少一个误差麦克风的输出误差信号，并且根据输出参考信号和输出误差信号计算控制信号。

Description

主动减噪系统和方法

技术领域

本发明涉及一种主动减噪（active sound reduction）系统，用于减弱由主声源所发出的声音，特别地用于减弱由人所发出的打鼾声，以及涉及一种对应的主动减噪方法。

背景技术

主动减噪系统存在于不同领域的各种技术实现中，在所述的领域中希望消除主声源中的噪声或者任何不希望的声发射。术语“主动”指的是：可以对待消除的声音起反应的任何方式，其提供优于像绝缘毯、吸音墙或者罩等的被动方式的许多优点。最常见的主动减噪系统是所谓的主动噪声控制（ANC），其目的在于通过引入破坏性地干扰来自主声源的源噪声的额外声场来消除不想要的噪声。该额外的声波有时称为“对抗噪声（anti-noise）”。假定对抗噪声场的振幅和相位与由主声源所发出的噪声相匹配，应当完全消除由来自主声源和生成对抗噪声的次级声源的声音的相叠加所引起的剩余声音。虽然主动噪声控制的基本思想已经发展了几十年，但是严格的说成功的应用很少。原因在于，由对抗噪声来消除噪声的理论原理在实践中通常不成功，因为存在多个通常不能实现的确定条件。仅仅提及一个实例，由主声源所发出的声音的反射也不得不被消除，以使得源声音完全去除，这仅仅可以通过很多的操作花费和努力来实现。

近年来，研究已经集中于提出良好限定条件的应用，以成功地使用以上种类的主动减噪系统。这种应用的一个实例是消除由人所发出的打鼾声，这对于睡觉的同伴可能是主要的讨厌行为。与打鼾相关联的声音是由一部分上呼吸道的震动引起的。该震动可以发生在软腭、舌头、扁桃体或者会厌中，在其中，腭打鼾是至今最常见的。在百分之十的打鼾者中，上气道遭受部分或者全部的萎陷，这导致了呼吸气流的暂时停止，从而引起提前唤醒。如果该阻塞持续至少十秒并且重复发生，打鼾者患上阻塞性睡眠呼吸暂停（OSA）。这种严重的状况与高血压、缺血性心脏病和中风，以及由于白天睡觉而发生的工业事故、驾车恶性事故和丧失生产力相关联。以上所述造成，打鼾不仅是令人烦恼的事，而且代表在普通人中非常普遍的严重医学问题。

对于减弱在像卧室一样的典型环境中由人所发出的打鼾声，已经存在尝试应用主动噪声控制（ANC）。US-专利5,844,996涉及主动电子噪声抑制系统和对应的用于减少打鼾噪声的方法，其使用安装在打鼾的人上方的麦克风来用于接收来自该人的声音作为主声源，以及多个误差麦克风，其布置成接收来自打鼾者和扬声器的声音相叠加所引起的剩余声音，所述扬声器生成与由打鼾者所发出的声音相叠加的减弱声音。扬声器根据对应于由参考麦克风所接收的声音的参考信号和由误差麦克风所接收的输出误差信号（其对应于剩余声音）来控制。该系统目的在于，减弱（attenuating）剩余声音到零，以使得在误差麦克风所位于的区域中的噪声完全被消除。换句话说，用于产生减弱声音的扬声器的控制信号通过由参考麦克风按照如下方法处理参考信号来计算：剩余（residual）信号将被最小化，以在睡觉同伴所位于的某个区域中创建“安静地带”。

像其它应用一样，以上提及的主动噪声控制应用遭受某些不足，其通过由环境给出的先决条件来引导（course），像墙的反射等等。一个引起的问题在于，希望尽可能大的安静地带非常小。原因在于，当床上的同伴在任何方向运动时容易丢失反相，其是消除主和次声音的条件，从而引起相位不匹配。因为睡觉的人的运动是不可控的，所以不存在可实践方法来保持睡觉同伴在由已知的ANC-系统所生成的非常小的安静地带内。该系统的有效性以及它在实际上的有益性因此很小。

因此，本发明的目的是，改善以上所述的主动减噪系统和方法的有效性。更准确地陈述，本发明的一个目的在于，提供一种用于主动减噪系统和方法，其扩大了安静地带的尺寸，在其中由打鼾者所发出的声音发生了最优减弱。

发明内容

该目的是通过包括权利要求1的特征的主动减噪系统，以及通过包括权利要求9的特征的主动减噪方法来实现。

根据本发明的主动减噪系统包括：作为用于产生减弱声音（attenuating）的次声源的至少一个扬声器，用于接收来自主声源的声音的参考麦克风，以及分配给扬声器的至少一个误差麦克风。一个扬声器和一个误差麦克风形成一对，其将在以下描述中被称为扬声器-麦克风对。用于控制扬声器的控制单元被设置成根据由参考麦克风所输出的参考信号和由至少一个误差麦克风所输出的误差信号来计算控制信号，以使得扬声器可以被控制去产生将与由主声源所发出的声音相叠加的减弱声音，从而最大化减弱（attenuation）。

误差麦克风被设置为具有强方向性的定向麦克风，即，接收主要来自一个确定方向的声音。在该方向中，布置扬声器，其被分配给麦克风以形成扬声器/麦克风对。换句话说，布置一个扬声器/麦克风对中的误差麦克风和扬声器，以使得定向误差麦克风指向其所分配的扬声器。

而且，至少一个扬声器/麦克风对中的误差麦克风和扬声器与主声源基本上共线布置。

借助于该布置，如以上所解释的安静地带可以被尽可能大地创建，从而防止了充当主声源的打鼾者的睡觉同伴容易地离开安静地带。借助于该方式，可以以更加有效的方式执行主动减噪。

扩大安静地带基于以下发现：在主声源、扬声器和误差麦克风的共线布置中，当床伴在任何方向运动时，主声源和次声源（即，扬声器)之间的理想反相不容易丢失。代替在一个点最优化减弱（其通常是传统主动噪音控制系统中的实例），主动波阵面消除发生在具有通过主和次声源的理想反相来最优化噪声消除的点周围的较大区域中。与误差麦克风和主声源之间的距离相比，该布置可以通过将次声源放置在主声源附近来进一步地优化。

使用定向麦克风作为误差麦克风有助于区分不同扬声器/麦克风对的不同方向，这有助于在典型环境条件下最优化消除结果。在卧室情况中，存在从无限量的方向进入的无限量的波阵面。因此，更大量的次声源改善了根据本发明的系统。

根据本发明的优选实施例，主声源位于与主声源基本上共线布置的扬声器/麦克风对中的误差麦克风和扬声器之间。

在该布置中，来自主声源的波阵面比来自各自扬声器的波阵面更早到达误差麦克风（error microphone）。因此，来自主声源的声音必须尽可能好地被预测。该预测可以实现为线性预测，因为典型的打鼾声具有在某个时间窗重复的周期性部分，这使得预测成为可能。

根据另一个优选实施例，根据本发明的主动减噪系统包括：在主声源所位于的区域内部聚集在一起的多个误差麦克风，还包括：布置在所述区域周围以与所述误差麦克风一起形成扬声器/麦克风对的多个扬声器。

优选地，所述区域由床的躺卧表面来代表，误差麦克风聚集在所述躺卧表面上或者上方，它们对应的扬声器布置在床的边缘部分。

在优选的实施例中，该系统包括布置在床的四个不同侧面的四个误差麦克风和四个扬声器。

根据另一个优选实施例，误差麦克风集成在枕头中。

另一个优选的实施例包括至少一个声源，以提供用于掩蔽由主声源所发出的声音的额外掩蔽音。

产生额外的掩蔽音的该声源可以由扬声器/麦克风对中的一个扬声器来代表。

根据本发明的系统的控制器单元优选地被设置用于识别输出参考信号的可预测部分，并且产生对应于可预测部分的控制信号。

根据本发明的主动减噪方法，用于减弱由主声源所发出的声音，特别地用于减弱由人所发出的打鼾声，其包括以下步骤：提供作为次声源的至少一个扬声器，用于产生将与由主声源所发出的声音相叠加的减弱声音，向每个扬声器分配至少一个误差麦克风，以形成扬声器/麦克风对，所述至少一个误差麦克风被设置为指向其所分配的扬声器的定向麦克风，用于接收来自主声源和扬声器的声音相叠加所引起的剩余声音，将至少一个扬声器/麦克风对中的至少一个误差麦克风和扬声器与所述主声源基本上共线布置，接收来自所述主声源的声音作为参考声音，根据对应于参考声音的输出参考信号和根据对应于剩余声音的输出误差信号计算控制信号，以及借助于所述控制信号控制扬声器。

该方法的优选实施例包括：将主声源布置在与主声源基本上共线布置的扬声器/麦克风对中的误差麦克风和扬声器之间。

另一个优选实施例包括：将多个误差麦克风聚集在主声源所位于的区域内部，以及将分配给所述误差麦克风的扬声器布置在所述区域周围。

优选地，根据本发明的主动减噪方法包括：将多个误差麦克风聚集在床躺卧表面上或者上方，并且将扬声器布置在床的边缘部分。

优选地，该方法包括：将四个误差麦克风布置在床躺卧表面上或者上方，以及将四个扬声器布置在床的四个不同侧面。

根据该方法的优选实施例，识别输出参考信号的可预测部分，并且产生对应于可预测部分的控制信号。该可预测部分可以由打鼾声的周期部分来代表。

该方法实施例的另一个优选实施例包括：产生用于掩蔽由主声源所发出的声音的额外掩蔽音（masking sound）。

根据以下所提供的详细描述，本发明的其它方面和益处将变得显而易见。应当理解，通过指出本发明的示例实施例，详细描述和特定实例的目的仅仅是说明性的，而不意在限制本发明的范围。

附图说明

根据参考附图的以下描述，本发明的上述特征、方面和优点将变得更好理解，其中：

图1是根据本发明的主动减噪系统的第一实施例的示意图；

图2是根据图1的示意图，其示出了根据本发明的主动减噪系统的第二实施例；以及

图3是示出了用于根据本发明的主动减噪系统的信号流的图。

具体实施方式

在图1中，描绘了通常由附图标记10所标记的主动减噪系统，其用于减弱由作为主声源的人12所发出的打鼾声。该系统10包括具有像基本上是矩形的床垫一样的躺卧表面的床14。在图1中，躺卧表面16是从上方所看到，代表主声源的人12躺卧在床14的右侧。在床14的左侧，第二个人18紧邻第一个人12躺卧。假定：第一个人12产生打鼾声，该打鼾声从第一个人12的头20向所有的方向发射。主动减噪系统10用来尽可能高地减弱在第二个人18的头22的耳朵的位置处、从第一个人12所发出的声音，从而创建第二个人18的头22所位于的区域中的安静地带。

主动减噪系统10还包括：布置在躺卧表面16的边缘处、床14的右侧上的扬声器24。扬声器24指向躺卧表面16，即，朝向躺卧在床14上的两个人12,18。参考麦克风28位于第一个人的头20（特别是嘴）附近，以接收来自主声源的打鼾声。参考麦克风28与示意性描绘的控制单元32连接，所述控制单元32被设置成接收参考麦克风28的输出参考信号，其代表由参考麦克风28所接收的声音。

第二麦克风34布置在第二个人18的耳朵附近的位置，所述第二麦克风34是误差麦克风，以接收由主声源12和作为次声源的扬声器24所发出声音相叠加所引起的剩余声音。类似于参考麦克风28，误差麦克风34借助于合适的配线与控制单元32连接，以向控制单元32发送代表由误差麦克风34所接收的剩余声音的输出误差信号。控制单元32产生控制信号，以控制扬声器24，所述控制信号经由配线被发送到扬声器24。用于控制扬声器24的该控制信号根据来自参考麦克风28的输出参考信号和根据从误差麦克风34所接收的输出误差信号来计算。

换句话说，用于作为次声源的扬声器的控制信号是基于两个输入来计算的，即，由参考麦克风28所要求的参考信号，以及由误差麦克风34所要求的剩余信号。因为参考信号将是声音（即，由作为主声源的第一个人12所发出的打鼾）的准确记录，所以参考麦克风28将紧靠人12的头20放置。在另一个方面，误差麦克风34将尽可能接近第二个人18的耳朵放置。用于扬声器24的控制信号按照以下方法来计算：剩余信号被最小化，这意味着：到达“安静状态”，其中，在误差麦克风34的位置处主和次声源的声音彼此抵消。

为了在安放有误差麦克风34和第二个人18的头22的区域中创建安静地带，误差麦克风34、扬声器24和主声源（即，第一个人12）被共线布置在由图1中附图标记40所标记的线上。误差麦克风34被设置为指向扬声器24的定向麦克风，以使得来自扬声器24方向的声音由误差麦克风34来接收。定向误差麦克风34和扬声器24形成扬声器/麦克风对42，对42的两个元件以共线方式布置在主声源所位于的线40上。

结果是，误差麦克风34、主声源12和对应的所分配扬声器24的该共线布置最优化误差麦克风34所位于的安静地带的尺寸。这是因为由主声源12和作为次声源的扬声器24所发出的、到达误差麦克风34的位置处的波阵面可以在更大的区域范围内容易地消除。来自主和次声源12和24的波阵面之间的理想反相维持在更大的范围内。例如，第二个人18可以沿着波阵面运动，以使得将保持理想反相。在根据图1的第一实施例中所示出的情况中，其中，主声源12位于一个扬声器/麦克风对42中的误差麦克风34和扬声器24之间，安静地带具有相位匹配锥的形式。通过将次声源保持尽可能接近主声源来实现最好的结果。

在该上下文中要指出的是，精确的共线布置导致了最好的结果，因为在该实例中安静地带被最优化。然而，对共线布置的小偏离仍然是可接受的，以获得足够大的安静地带（quiet zone）。

图1中的主动减噪系统的第一实施例已经在减弱直接从主声源12所发出的声音方面获得好的结果。然而，在实际的卧室情形中，必须考虑墙和物体上的反射。得到的波阵面增加了在第二个人18的位置处所获得的噪声水平，以使得图1中的系统10可以进一步地发展去补偿另外的波阵面。这个另外的发展由根据图2的系统50来代表，其包括对应于如图1中所描绘的扬声器/麦克风对42的额外扬声器/麦克风对52,54,56。总之，四个扬声器/麦克风对42,52,54,56存在于系统50中。因为系统50主要代表图1中的系统10的另外发展，相同的附图标记已经在整个描述和附图中用于相同的部分。相应地，扬声器/麦克风对42包括与主声源12共线布置的扬声器24和误差麦克风34。另外的误差麦克风58,60,62是指向分配给这些麦克风58,60,62的各个扬声器64,66,68的额外麦克风。也就是，一个误差麦克风58指向布置在床14的头侧处的扬声器64，一个另外的误差麦克风60在第二个人18的方向上指向扬声器24所位于的对侧的床14侧面处的另一个扬声器66，以及一个误差麦克风62指向扬声器68所位于的床的脚侧。

虽然扬声器24,64,66,68布置在床14的躺卧表面16的边缘处，对应的四个误差麦克风在第一个人12和第二个人18之间的小区域中靠近第二个人18的耳朵聚集在一起，它们指向不同的方向。四个误差麦克风34,58,60,62可以集成在枕头中。定向麦克风34,58,60,62的强方向性使得区分创建将被减弱的打鼾声的不同波阵面的各个方向成为可能。

该系统50的每个扬声器24,64,66,68由仅仅基于必须消除的波阵面来计算的各自控制信号来控制。这是为什么误差麦克风34,58,60,62必须获得关于它们测量声强的方向信息的原因。所谓的第一级麦克风可以用于误差麦克风34,58,60,62，以获得声音测量的理想方向性。

正如结合图1中的系统10所描述的，四个误差麦克风34,58,60,62的输出误差信号以及来自参考麦克风28的输出参考信号被传递到控制单元32。四个误差麦克风34,58,60,62的信号路径完全彼此独立，以使得创建四信道系统。图3以简化形式示出了用于主动减噪系统10,50的信号流。原则上，用于一个信道系统10的信号流可以推广至四信道系统50，以使得图3的视图中的以下描述暗示着某些简化。

在图3中，来自主声源的声信号x(n)传播通过主路径P（z）78到一个误差麦克风，其中，声波的气压指示为d(n)。基于误差测量e(n)和完整的参考信号x(n)，（由附图标记80示意性指出的）算法更新自适应滤波器W(z)（附图标记82）。在该实施例中，算法是所谓的LMS算法（适用于最小均方算法），然而可以使用其它合适类型的算法。滤波器W(z)82用来过滤信号x(n)，其引起横过第二路径S(z)的控制信号y(n)到达指示为y’(n)的误差麦克风。第二路径S(z)是控制信号y(n)和误差信号e(n)之间的路径，并且包括次级源传递函数（放大器和扬声器）、次级源和误差麦克风之间的声路径、误差麦克风传递函数以及模拟和数字域之间的所有必然转换。

信号x(n)还被输入到控制单元32（由图3中的虚线所标识），以由滤波器W(z)82来过滤，并且用作LMS算法80的输入。考虑到：S(z)通常未知，估值                                                与脉冲响应

一起使用，以使得仅仅滤波器信号x’(n)由LMS算法80来使用，而不是理想信号x(n)。

在多信道情况中，图3中所示出的信号流原理可以应用到多个K次级源和K误差麦克风。因为在这些实例中，实时计算可能很难，所以LMS算法80中的简化可以被用来决定扬声器的各自信号。在图2中，示出了：控制信号通过相应的线从控制单元32传递到扬声器24,64,66,68，正如结合图1中所原则上示出的。

可以作出如上所述系统的不同改变。例如，用于掩蔽主声音的声音的掩蔽音可以由声源产生。该声源可以由扬声器/麦克风对42,52,54,56中的扬声器24,64,66,68的至少一个或者由额外的声源来提供。在另一个实例中，系统提供了用于记录可以存储在存储器中的系统函数的历史的功能，以使得睡觉者或者监控睡眠者的医生可以在较晚时点查找关于打鼾行为的任何所需信息。该存入功能可以由控制单元32来实现。

以上描述仅仅意在描述本发明，并且不将解释为限制所附权利要求到任何特定实施例或者实施例组。虽然已经参考其特定示例实施例来详细描述本发明，但是可以作出不同的修改和改变，而不脱离权利要求中所提出的本发明的精神和范围。说明书和附图因此被认为是示意性的方式，并且不意在限制权利要求的范围。在权利要求中，单词“包括”不排除其它元件或者步骤，并且不定冠词“一”不排除多个。权利要求中的任何附图标记不解释为限制该范围。

Claims (16)

1.主动减噪系统（10,50），其用于减弱由主声源所发出的声音，

包括：主声源（12），

作为次声源的至少一个扬声器（24,64,66,68），用于产生将与由所述主声源（12）所发出的声音相叠加的减弱声音，

参考麦克风（28），用于接收来自所述主声源（12）的声音，

至少一个误差麦克风（34,58,60,62），其被分配给每个扬声器（24,64,66,68）以形成扬声器/麦克风对（42,52,54,56），所述至少一个误差麦克风（34,58,60,62）被设置为指向其所分配的扬声器（24,64,66,68）的定向麦克风，以接收来自主声源（12）和对应的扬声器（24,64,66,68）的声音相叠加所引起的剩余声音，

至少一个扬声器/麦克风对（42,52,54,56）中的误差麦克风（34,58,60,62）和扬声器（24,64,66,68）与主声源（12）基本上共线布置，

以及用于控制所述至少一个扬声器（24,64,66,68）的控制单元（32），所述控制单元（32）被设置成接收代表由参考麦克风（28）所接收的声音的参考麦克风（28）的输出参考信号和代表由至少一个误差麦克风（34,58,60,62）所接收的声音的至少一个误差麦克风（34,58,60,62）的输出误差信号，并且根据输出参考信号和输出误差信号计算控制信号。

2.根据权利要求1的主动减噪系统，其中，所述主声源（12）位于与所述主声源（12）基本上共线布置的扬声器/麦克风对（42,52,54,56）中的误差麦克风（34,58,60,62）和扬声器（24,64,66,68）之间。

3.根据权利要求1或2的主动减噪系统，包括：在主声源（12）所位于的区域内部聚集在一起的多个误差麦克风（34,58,60,62），

还包括：布置在所述区域周围以与所述误差麦克风（34,58,60,62）一起形成扬声器/麦克风对（42,52,54,56）的多个扬声器（24,64,66,68）。

4.根据权利要求3的主动减噪系统，其中，所述区域由床（14）的躺卧表面（16）来代表，误差麦克风（34,58,60,62）聚集在所述躺卧表面（16）上或者上方，它们对应的扬声器（24,64,66,68）布置在床（14）的边缘部分。

5.根据权利要求4的主动减噪系统，包括：布置在所述床（14）的四个不同侧面的四个误差麦克风（34,58,60,62）和四个扬声器(24,64,66,68)。

6.根据权利要求3的主动减噪系统，其中，所述误差麦克风（34,58,60,62）集成在枕头中。

7.根据权利要求1-2、4-6中任一个的主动减噪系统，包括：至少一个声源，其提供用于掩蔽由所述主声源（12）所发出的声音的额外掩蔽音。

8.根据权利要求1-2、4-6中任一个的主动减噪系统，其中，所述控制单元（32）被设置成识别输出参考信号的可预测部分以及产生对应于所述可预测部分的控制信号。

9.根据权利要求1的主动减噪系统，其中由主声源所发出的声音为由人所发出的打鼾声。

10.主动减噪方法，其用于减弱由主声源（12）所发出的声音，

包括以下步骤：

提供作为次声源的至少一个扬声器（24,64,66,68），用于产生将与由所述主声源（12）所发出的声音相叠加的减弱声音，

向每个扬声器（24,64,66,68）分配至少一个误差麦克风（34,58,60,62），以形成扬声器/麦克风对（42,52,54,56），所述至少一个误差麦克风（34,58,60,62）被设置为指向其所分配的扬声器（24,64,66,68）的定向麦克风，用于接收来自主声源（12）和扬声器（24,64,66,68）的声音相叠加所引起的剩余声音，

将至少一个扬声器/麦克风对（42,52,54,56）中的至少一个误差麦克风（34,58,60,62）和扬声器（24,64,66,68）与所述主声源（12）基本上共线布置，

接收来自所述主声源（12）的声音作为参考声音，

根据对应于参考声音的输出参考信号和根据对应于剩余声音的输出误差信号计算控制信号，

借助于控制信号控制扬声器（24,64,66,68）。

11.根据权利要求10的主动减噪方法，

包括：将所述主声源（12）布置在与所述主声源（12）基本上共线布置的所述扬声器/麦克风对（42,52,54,56）中的误差麦克风（34,58,60,62）和扬声器（24,64,66,68）之间。

12.根据权利要求10或11的主动减噪方法，包括：将多个误差麦克风（34,58,60,62）聚集在主声源（12）所位于的区域内部，

以及将分配给所述误差麦克风（34,58,60,62）的扬声器（24,64,66,68）布置在所述区域周围。

13.根据权利要求12的主动减噪方法，包括：将多个误差麦克风（34,58,60,62）聚集在床（14）躺卧表面（16）上或者上方，并且将扬声器（24,64,66,68）布置在床（14）的边缘部分。

14.根据权利要求13的主动减噪方法，包括：将四个误差麦克风（34,58,60,62）布置在床（14）躺卧表面（16）上或者上方，以及将四个扬声器（24,64,66,68）布置在所述床（14）的四个不同侧面。

15.根据权利要求10-11、13-14中任一个的主动减噪方法，包括：识别输出参考信号的可预测部分，并且产生对应于所述可预测部分的控制信号。

16.根据权利要求10-11、13-14中任一个的主动减噪方法，包括：产生用于掩蔽由所述主声源（12）所发出的声音的额外掩蔽音。

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