CN102638747B - 头盔式主动抗噪系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种头盔的主动抗噪系统，包括覆盖有智能材料的头盔，便携式的控制盒；所述覆盖智能材料的头盔与便携式控制盒通过电线相互连接；所述覆盖在头盔外表面的智能材料包含传感器单元和执行器单元；所述便携式控制盒，其内部主要包括信号处理单元、驱动单元、控制算法实现单元以及能源供给单元；所述覆盖在头盔表面的智能材料和便携式控制盒组成的闭环自动控制系统，基于检测的头盔周围实时的噪声情况，通过反馈式主动噪声控制算法，自动消除或大大降低头盔周围一定空间内的噪声强度。同时考虑人嘴周围的一个小的空间，在头盔佩戴者说话时，这个小空间内的语音信号将保持不受影响。

Description

头盔式主动抗噪系统

技术领域

本发明涉及一种抗噪装置，特别涉及一种头盔式主动抗噪装置。

背景技术

声波是任何在弹性介质中传播着的压力振动，弹性介质可以是气体、液体或固体。噪声，广义的说，任何引起人不舒服的声音或者人们不想听到的声音都可以称为噪声；例如机器的轰鸣声，各种交通工具的马达声、鸣笛声，人的嘈杂声及各种突发的声响等。强噪声不但是引起人们的不舒服感觉，而且能够直接损害人们的听觉系统，甚至可以对心脏、循环系统和身体的其他部位产生直接的压力。当一个工人长时间暴露在强噪声环境中将会导致其永久性的失聪。当一个新建的工程会产生噪声时，根据噪声的强度不同，其不仅是在一定的某一个范围内是有害的，而且对于临近的居民也会产生影响，引起反感。因此，我们国家专门制定了《中华人民共和国环境噪声污染防治法》，对不同区域的噪声强度做出明确规定。然而，在一些特定的环境，比如机场、建筑工地、迪厅甚至战场，噪声是无法避免的，如何有效地防治和控制这些噪声对处于环境中的人的影响，这个问题一直是人们致力于解决的。

对于噪声的防治和控制，根据声音的产生原因和噪声的作用机理，一般从三个方面综合考虑，即噪声源、传播途径和受音者。因为声音的本质是一种振动，是一种能量的传递，因此对于噪声从根本上就是两条途径，即从本质上降低噪声源的振动能量以及如何想法设法阻断/降低噪声能量的传递，从而使得的到达受音者听觉系统的噪声得到有效的防治和控制。对于噪声防治和控制的两条途径一般又可以分成四种方法，即振动控制中的被动控制、主动控制、混合控制和半主动控制。被动控制的特点是不需要外界能源，例如采用隔音墙的方法阻断噪声的传播途径和采用吸声材料增加房间的隔音能力都属于被动控制，被动控制的方法结构简单，可靠性较好，在实际中应用广泛。主动控制需要外界的能源，其通常由传感器、控制器、驱动器等部分，传感器检测到的噪声信号，将控制信号传给控制器，控制器应用一定的控制策略产生控制信号，并通过驱动器驱动产生次声源，次声源的声波和噪声声波相互抵消，达到消除介质振动的目的，例如高档轿车车厢内的低噪声技术就采用了主动控制，主动控制效果比较好，但投入成本较高，在大部分场合使用的经济性不高。对于主动噪声控制技术，当噪声源已知且相对固定的情况下，可采用前馈式的主动噪声控制技术；当噪声源未知或噪声特性经常改变时，则需要采用反馈式的主动噪声控制技术。混和控制即接和主动控制和被动控制技术。半主动控制被是一种需要少量外界能源的控制，其控制力仍由控制对象运动而被动产生，然而在控制过程中由外加能源改变控制对象本身的结构参数，起到调节控制力的作用。

目前对于在噪声环境下工作的受音者一般采用被动的噪声控制技术，即给受音者佩戴耳塞、耳罩或配有耳罩的头盔等护耳器。对于某些噪声环境下这种方法是经济的可取的，然而对于一些在这些工作环境下需要相互交流的受音者来说，这些类型的护耳器就很难满足要求。本发明给出一种头盔的主动抗噪系统，通过反馈式的主动抗噪技术有效降低头盔周围的噪声强度。设计的头盔主动抗噪系统可配合抗噪耳机使用，使得受音者能够在强噪声环境下得到舒适的音频环境和高质量的通讯。

发明内容

本发明的目的是为克服现有受音者噪声防护设备的不足，提供一种头盔的主动抗噪系统，通过反馈式的主动抗噪技术有效降低头盔周围的噪声强度，不但有效保护头盔佩戴者的听觉系统，而且能够为头盔佩戴者进行高质量的通讯提供可能。

    本发明的技术方案如下：一种头盔式主动抗噪系统，包括覆盖有智能材料的头盔，便携式的控制盒；所述覆盖智能材料的头盔与便携式控制盒通过电线相互连接；所述覆盖在头盔外表面的智能材料包含传感器单元和执行器单元；所述便携式控制盒，其内部主要包括信号处理单元、驱动单元、控制算法实现单元以及能源供给单元；所述覆盖在头盔表面的智能材料和便携式控制盒组成的闭环自动控制系统，基于检测的头盔周围实时的噪声情况，通过反馈式主动噪声控制算法，自动消除或大大降低头盔周围一定空间内的噪声强度。

    覆盖在头盔上的智能材料被分为五个区域进行布置，即头盔的顶部、头盔的前部、头盔的后部、头盔的左部和头盔的右部；不同区域的传感器单元和执行器单元为不同响应特征的智能材料组合。

    便携式控制盒中的控制单元为DSP芯片。智能材料为压电陶瓷和聚偏氟乙烯膜的组合。

本发明所述的头盔的主动抗噪系统，其包括覆盖有智能材料的头盔，便携式的控制盒；所述覆盖智能材料的头盔与便携式控制盒通过电线相互连接；所述覆盖在头盔外表面的智能材料同时作为传感器和执行器使用；所述便携式控制盒，其内部主要包括信号处理单元、驱动单元、控制算法实现单元以及能源供给单元；所述覆盖在头盔表面的智能材料和便携式控制盒组成的闭环自动控制系统，基于检测的头盔周围实时的噪声情况，通过反馈式主动噪声控制算法，自动消除/抑制头盔周围一定空间内的噪声强度；在进行噪声抑制过程中，考虑人嘴周围的一个小的空间，在头盔佩戴者说话时，这个小空间内的语音信号将保持不受影响。

所述反馈式主动噪声控制算法的基本原理采用多通道的反馈式主动控制模型进行噪声控制，通过自适应滤波器来估计和产生次级声源，且滤波器采用基于x滤波最小均方法(FXLMS)算法进行矫正；所述主动噪声控制系统的性能指标就是使得头盔周围一定空间内的声势能最小，当头盔佩戴者在讲话时候，性能指标所统计的声势能不包含人嘴周围的一个小的空间内的声势能。

所述覆盖在头盔上的智能材料被分为五个区域进行布置，即头盔的顶部、头盔的前部、头盔的后部、头盔的左部和头盔的右部；这些智能材料通过选型组合和优化布置，能够检测和产生人听觉范围内的声波以及头盔振动。

所述头盔本身的振动情况也可以通过所述智能材料组合和多通道的反馈式控制模型实现检测和抗振控制；将头盔简化为一个半球形的壳体，建立其无穷维振动模型，采用半群算符将无穷维的头盔振动模型转换成一个二次方程，针对该二次方程设计非线性控制算法实现头盔振动的有效抑制。

本发明系统的工作过程为：当周围环境的噪声强度不大，即覆盖在头盔上的智能材料检测到噪声/振动在一个允许的较小阀值下时，主动噪声控制系统不工作；当覆盖头盔上的智能材料检测到周围环境的噪声/振动较大，需要进行控制时，则对采集到噪声/振动信号进行分析，各种噪声/振动的频率、来源方向、强度和分布情况等，依据头盔周围一定空间内(当头盔佩戴者的麦克风处于开通状态时，则去除人嘴周围的一个小的空间)声势能最小的原则，基于多通道主动噪声控制算法决策出头盔表面不同区域不同组合的智能材料应该发出对应于噪声特征的不同次声源/振动组合，进而控制器输出信号，信号经过处理单元驱动智能材料发出对应的次声源/振动组合，实现噪声/振动的有效控制。

本发明的有益效果如下。

1、本发明所述的头盔的主动抗噪系统由于采用了多通道的反馈式主动噪声控制技术，因此根据不同的指标函数在头盔周围空间形成一个特定的低噪声空间，且噪声控制效果较被动式的控制效果要好。

2、本发明所述头盔的主动抗噪系统可配合抗噪声的无线通讯耳机及麦克风使用，为头盔佩戴者在强噪声环境下，提供舒适的音频环境和高质量的通讯。

附图说明

图1是本发明头盔式主动抗噪系统的总体设计示意图。

图2是本发明所通道反馈式主动噪声控制系统模型。

图3是本发明头盔周围一定空间的示意图。

图4是本发明头盔表面智能材料覆盖情况的顶视图示意。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

一种头盔的主动抗噪系统，如图1所示，包括头盔101，便携式控制盒107，其中头盔101表面的虚线表示覆盖在头盔上的智能材料，便携式控制盒107内主要包含信号处理单元、控制单元和供电单元，覆盖有智能材料的头盔101和便携式107通过电线连接，组成头盔的主动抗噪系统。覆盖在头盔101上的智能材料检测到周围环境噪声104，噪声104作用于智能材料使得其产生特定的电信号，该信号经过控制盒107的信号处理单元送给控制单元，控制单元对检测的噪声信号104进行分析处理，并依据噪声控制的性能指标通过相应的主动控制算法决策出相应的次声源信号，此声源信号经信号处理单元驱动覆盖在头盔101上的智能材料产生次声源信号105，次声源信号105和噪声信号104作用，得到残留声音信号106，使得头盔周围一定的空间102内的噪声水平大大降低；当头盔佩戴者在讲话时，一定空间102中不包括人嘴周围的一个小空间103。

头盔周围的一定的空间102中主动噪声抑制是一个空间的分布问题，和车辆的室不同，基于头盔外形的空间空穴是一个虚拟的外壳。根据图1，三维虚拟外壳的示意图如图2所示，图中的空穴203包是位于头盔201配载人嘴周围的一个虚拟空穴，当人在讲话时它不包含在202中，而当人不讲话时它包含在202中，人是否在讲话可通过人佩戴的麦克风的状态实时获取。结合图1，采用一个k×m 自适应反馈式的主动噪声控制系统驱动智能材料实时得到需要的虚拟降噪空间。系统采用k×m个自适应滤波器来估计和产生次级声源；这些滤波器采用基于x滤波最小均方法(FXLMS)算法进行矫正。

主动噪声控制系统的性能指标就是尽量三维虚拟外壳中的声势能。最小化方案有可能增加原本噪声强度较低处的噪声强度，但由于主要的声学模态将会得到抑制，因此对于降低和平整整个空间的声压具有明显效果。虚拟外壳V中总的声势能可表示为

                                                 

其中表示空气中的声速，是空气的密度，是虚拟空壳的体积，是空壳中任意点的压强。

一旦检测到头盔佩戴人的说话信号，对于讲话频率范围内的噪声信号将不在进行抑制，且在虚拟空壳V ₁中的声势能将不考虑在总能E中，从而保证头盔佩戴人的说话信息被准确完整地送出。

图3为所述多通道反馈式主动噪声控制系统模型。头盔周围的噪声源301释放出噪声，结合图1对系统工作过程的描述，传感器不断的检测头盔周围空间305中的残余噪声302，针对残余噪声主动噪声控制算法304不断产生次生源203。为了有效估计头盔周围的噪声的环境，构建一个m×k 传输矩阵H，传输矩阵H中的每一个元素为第个执行器和第个误差传感器的位置。

对于头盔自身的振动控制，采用基于分布参数模型的主动振动抑制方法。将头盔被简化为一个半球形的壳体，其基本的几何参数通过合适的近似手段得到。壳体的厚度为h，采用球心作为原点，坐标为(α, β, R)，在(α, β, R)方向单元的位置用(u(α, β, t), v(α, β, t), w(α, β, t))来表示。考虑头盔的主要振动情况，即垂直于头盔表面的振动。基于Flügge壳体理论，半球形壳体R方向上振动的主导微分方程为

式中E, ρ, υ , 和l(α, β, t)分别表示头盔的剪切模量、泊松比、密度以及外部压力。控制输入l(α, β, t)由覆盖在头盔表面的智能材料产生。

为了解上面的微分方程，首先采用其中对函数进行识别，可得到一个希尔伯特空间的二次方程：

式中   ， 

算符A, B, C定义为

这些算符作用的域由头盔几何形状的边界条件确定。因此，通过在希尔伯特空间下设计控制输入 实现上述二次方程的稳定实现头盔的振动控制。

结合图4，说明覆盖头盔的智能材料传感器与执行器的布局和优化。将头盔外表面分成五个区域，即前表面(0°)，右表面(90°)，后边面(180°)，左表面(270°)和上表面，且图中传感器和执行器为不同响应特征的智能材料组合。放置在头盔上的智能材料传感器和执行器的组合能够检测和产生人听觉范围内的声波以及头盔振动。结合声势能和头盔振动能，以能量最低为最优指标，确定传感器和执行器的位置布局。

便携式控制盒中的控制单元可基于DSP芯片实现，覆盖在头盔上的智能材料可采用PZT(压电陶瓷)和PVDF(聚偏氟乙烯)膜组合实现。

Claims (2)

1.一种头盔式主动抗噪系统，其特征在于：包括覆盖有智能材料的头盔，便携式的控制盒；所述覆盖智能材料的头盔与便携式控制盒通过电线相互连接；

所述覆盖在头盔外表面的智能材料包含传感器单元和执行器单元；

所述便携式控制盒，其内部主要包括信号处理单元、驱动单元、控制算法实现单元以及能源供给单元；

所述覆盖在头盔表面的智能材料和便携式控制盒组成的闭环自动控制系统，基于检测的头盔周围实时的噪声情况，通过反馈式主动噪声控制算法，自动消除或大大降低头盔周围一定空间内的噪声强度；

所述覆盖在头盔上的智能材料被分为五个区域进行布置，即头盔的顶部、头盔的前部、头盔的后部、头盔的左部和头盔的右部；不同区域的传感器单元和执行器单元为不同响应特征的智能材料组合；

所述智能材料为压电陶瓷和聚偏氟乙烯膜的组合。

2.根据权利要求1所述的头盔式主动抗噪系统，其特征在于：所述便携式控制盒中的控制单元为DSP芯片。