CN103244465B - 用于便携式计算机的主动风扇噪音控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于便携式计算机的主动风扇噪音控制系统，包括：残差噪音采集单元，用于采集特定空间位置声音信号，由便携式计算机内置单声道麦克风和该机算计内置声卡的模拟/数字转换器构成；消噪反馈控制单元，用于根据残差噪音信号采集单元的输出信号实时产生抵消信号驱动噪音抵消单元，由该计算机自身的中央处理器构成；噪音抵消单元，用于输出抵消声波，在特定空间范围与该计算机散热风扇的噪音声波相消干涉，由该计算机内置声卡的数字/模拟转换器、该计算机内置立体声扬声器，包括左声道扬声器和右声道扬声器构成。

Description

用于便携式计算机的主动风扇噪音控制系统

技术领域

本发明涉及网络通讯技术领域，具体涉及一种主动噪音控制系统，消除便携式计算机的风扇噪音。

背景技术

如图1所示，便携式计算机一般采用风扇102散热，操作距离不超过1m，因此风扇噪音经常干扰计算机使用，如音乐播放和语音通话，并对使用者造成噪音污染。风扇噪音包含三个主要成分：扇叶厚度噪音(周期性单谐波噪音，频率与风扇转速相同)；稳态气动力学噪音(周期性多谐波噪音，频率为风扇转速的整数倍)；非稳态气动力学随机噪音(非周期宽带噪音)。另一方面，风扇转速一般随计算机负载的增大而提高，而风扇噪音受转速控制。因此从统计信号处理的角度来看，便携式计算机的风扇噪音是一个非稳态的包含周期成份的随机信号。此外，便携式计算机一般包含一个内置单声道麦克风101(通常位于屏幕上方正中)和一对内置立体声扬声器(通常位于键盘上方左右两端，分别为左扬声器103和右扬声器104)，并且配置外接麦克风和扬声器端口。

主动噪音控制(Active Noise Control,ANC)技术可以在一定的空间范围内降低这种非稳态且包含周期成分的风扇噪音，其基本原理是产生一个与风扇噪音幅度相同，相位相反的信号(抵消信号)与噪音完全抵消。产生这个抵消信号需要一个或多个麦克风实时采集噪音信号，以及一个或多个扬声器(抵消源)输出抵消信号。声波在空间的传播存在与路径相关的幅度衰减和相位变化，噪音源到一个空间特定位置的传输函数与抵消源到同一位置的传输函数一般不同，而采集噪音的麦克风可以处于另外一个空间位置，因此采集的信号需要经过一个与整体声学环境相关滤波器滤波再驱动扬声器产生抵消信号。

采用主动噪音控制技术的主动降噪耳机可以衰减环境噪音，包括便携式计算机的风扇噪音。但是主动降噪耳机是便携式计算机之外的设备，通常需要单独购买；主动降噪耳机是有源设备，一般需要单独的电源供给，当电源耗尽，降噪甚至音频播放停止工作；此外，长时间佩戴耳机有可能造成使用者不适。

采用主动噪音控制技术的独立系统也可以衰减风扇噪音。但是独立的主动噪音控制系统需要配置麦克风，扬声器，以及相应的电子线路和控制系统，适用于结构相对松散并且空间较大的台式计算机主机箱，而不适用于结构紧凑的便携式计算机。此外，即便可以为便携式计算机引入独立的主动噪音控制系统，便携式计算机的便携性和电池使用时间都可能降低。

因此现有的技术都不能在不增加成本，不降低便携性的前提下解决便携式计算机风扇噪音的主动控制问题。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，利用便携式计算机内置的单声道麦克风与立体声扬声器，以及该计算机自身的中央处理器，在特定空间范围内消弱该计算机散热风扇的噪音。

本发明的技术方案为一种用于便携式计算机的主动风扇噪音控制系统，包括以下单元：

残差噪音采集单元，包括便携式计算机内置单声道麦克风和该便携式计算机内置声卡的模拟/数字转换器，内置单声道麦克风的采集声音信号输入模拟/数字转换器，模拟/数字转换器转换所得离散的数字声压信号输入消噪反馈控制单元；

消噪反馈控制单元，包括便携式计算机自身的中央处理器，中央处理器根据残差噪音采集单元输入的数字声压信号实时产生左路数字抵消信号和右路数字抵消信号，左路数字抵消信号和右路数字抵消信号输入噪音抵消单元；

噪音抵消单元，包括便携式计算机内置声卡的左路数字/模拟转换器、右路数字/模拟转换器和该便携式计算机内置立体声扬声器，所述内置立体声扬声器包括左声道扬声器和右声道扬声器；消噪反馈控制单元输出的左路数字抵消信号输入左路数字/模拟转换器转换为左路模拟抵消信号，消噪反馈控制单元输出的右路数字抵消信号输入右路数字/模拟转换器转换为右路模拟抵消信号；左路模拟抵消信号和右路模拟抵消信号分别驱动便携式计算机的左声道扬声器和右声道扬声器，输出与散热风扇的噪音声波相消干涉的抵消声波。

而且，所述中央处理器根据残差噪音采集单元输入的数字声压信号实时产生左路数字抵消信号和右路数字抵消信号，实现方式如下，

a)左路数字抵消信号L[n]经过左路径滤波器h_L(z)＝a[0]+a[1]z^-1+…+a[k]z^-k得到左消噪信号S_L[n]，

S_L[n]＝L[n]*a[n]

其中，a[0],a[1],…,a[k]为滤波器系数，k为滤波器的阶数，a[n]为h_L(z)对应的冲击函数；

右路数字抵消信号R[n]经过右路径滤波器h_R(z)＝b[0]+b[1]*z^–1+…+b[q]z^–q得到右消噪信号S_R[n]

S_R[n]＝R[n]*b[n]

其中，b[0],b[1],…,b[q]为滤波器系数，q为滤波器的阶数，b[n]为h_R(z)对应的冲击函数；

b)左消噪信号S_L[n]和右消噪信号S_R[n]与噪音信号S_F[n]叠加得到残差信号r[n]，

r[n]＝S_L[n]+S_R[n]+S_F[n]

c)噪音测量信号来自残差噪音采集单元的单声道麦克风所得麦克风信号m[n]与左消噪信号S_L[n]和右消噪信号S_R[n]的差，并包含实际的噪音信号S_F[n]和测量误差v[n]，如下式，

${\stackrel{\‾}{S}}_F\left[n\right]=m\left[n\right]-S_L\left[n\right]-S_R\left[n\right]=S_F\left[n\right]+v\left[n\right]$

d)以噪音测量信号为输入，输出左路数字抵消信号L[n]；以噪音测量信号为输入，输出右路数字抵消信号R[n]；使残差信号r[n]的平均能量E[(r[n])²]极小化。

本发明的技术优势在于无需附加设备且在一定程度上削弱或消除便携式计算机散热风扇的噪音，实现方便，成本低廉。

附图说明

图1是现有技术的便携式计算机声音相关设备示意图；

图2是本发明实施例的系统连接关系示意图；

图3是本发明实施例的主动噪音控制逻辑结构示意图；

图4是本发明实施例的便携式计算机散热风扇幅频图。

具体实施方式

结合附图，提供本发明实施例具体描述如下。

本发明实施例提供了一种在特定空间范围消弱便携式计算机散热风扇噪音的主动噪音控制系统，根据该计算机内置单声道麦克风采集的残差噪音信号，利用该计算机中央处理器实时生成抵消信号，驱动该计算机内置立体声扬声器在特定空间范围与该机算计散热风扇噪音相消干涉，达到在特定空间位置消弱该计算机散热风扇噪音的目的。

一种基于便携式计算机内置麦克风和扬声器的主动风扇噪音控制系统，如图2所示，包括：

(1)残差噪音采集单元，用于采集特定空间位置声音信号，包括便携式计算机内置单声道麦克风和该机算计内置声卡的模拟/数字转换器。

如图2中，实施例的便携式计算机内置的单声道麦克风作为残差麦克风201，采集麦克风所处空间位置p处的一路声压信号m(t)，这里t表示时间。时刻t麦克风所处空间位置p处，噪音源202(散热风扇)发出的噪音声波S_F(t,p)与左声道扬声器发出的抵消声波S_L(t,p)和右声道扬声器发出的抵消声波S_R(t,p)相消干涉的残差信号为r(t)。所述声压信号m(t)即为所述残差信号r(t)以及麦克风测量噪音v(t)之和：

m(t)＝r(t)+v(t)＝S_F(t,p)+S_L(t,p)+S_R(t,p)+v(t)   (1)

所述声压信号m(t)经过便携式计算机内置声卡的模拟/数字转换器203(Analog to DigitalConverter,A/D，即ADC)转换为离散的数字声压信号M[n]，这里n表示采样点序号。根据常用数字音频采样规范，采样率可以设置为8kHz、11.025kHz、16kHz、22.05kHz、32kHz、44.1kHz、48kHz，采样精度可以设置为8比特、12比特、16比特、24比特。

所述数字声压信号m[n]可通过直接存储器读取(Direct Memory Access,DMA)方式传送到便携式计算机的随机存储器(Random Access Memory,RAM)缓存，供便携式计算机的中央处理器(Central Processing Unit,CPU)处理。

(2)消噪反馈控制单元，用于根据残差噪音信号采集单元的输出信号实时产生抵消信号驱动噪音抵消单元，包括该便携式计算机自身的中央处理器。

如图2中，实施例的消噪反馈控制单元204，以所述数字声压信号m[n]为输入，CPU经过计算得到左路数字抵消信号L[n]和右路数字抵消信号R[n]。这两路抵消信号L[n]和R[n]都可缓存于便携式计算机的随机存储器。

(3)噪音抵消单元，用于输出抵消声波，在特定空间范围与该计算机散热风扇的噪音声波相消干涉，包括便携式计算机内置声卡的数字/模拟转换器、便携式计算机内置立体声扬声器(左声道扬声器和右声道扬声器)。

如图2中，实施例的两路数字抵消信号R[n]和L[n]通过直接存储器读取方式分别发送到所述计算机内置声卡的右路数字/模拟转换器(Digital to Analog Converter,D/A，即DAC)206和左路数字/模拟转换器205，分别转换为右路模拟抵消信号R(t)和左路模拟抵消信号L(t)。所述数字/模拟转换器205和206的采样率要与所述模拟/数字转换器203的采样率一致。

实施例中，便携式计算机的左声道扬声器和右声道扬声器分别作为右消噪扬声器208和左消噪扬声器207，所述两路模拟抵消信号R(t)和L(t)分别驱动所述计算机的右消噪扬声器208和左消噪扬声器207，由于声波的传输延时，在时刻s>t和所述麦克风所在空间位置p处，分别产生相应的抵消声波S_R(s,p)和S_L(s,p)，与所述散热风扇在时刻s空间位置p处的噪音声波S_F(s,p)相消干得到残差信号r(s)＝S_F(s,p)+S_L(s,p)+S_R(s,p)，其强度小于单独风扇噪音声波S_F(s,p)的强度，从而达到抵消风扇噪音的目的：

E[r(s)²]＝E[(S_F(s,p)+S_L(s,p)+S_R(s,p))²]<E[S_F(s,p)²]   (2)

这里E[]表示在一定时间间隔内的平均值，时间间隔可由本领域技术人员预先制定。这个时间间隔可以取为一个采样间隔，即所述采样频率的倒数，也可以取为信号最低频率对应的周期的1/2。比值E[r(s)²]/E[S_F(s,p)²]越接近于0，主动降噪的效果越好；等价的，以dB为单位，G＝10log₁₀(E[S_F(s,p)²]/E[r(s)²])称为降噪强度，数值愈大，表明降噪效果越好。因此主动降噪系统的目标就是产生所述的两路数字抵消信号L[n]和R[n]使得G最小。

为便于实施参考，本发明进一步提供中央处理器实时产生左路数字抵消信号和右路数字抵消信号的实现方式。消噪反馈控制单元可视为包含左路径滤波器h_L(z)和右路径滤波器h_R(z)，以及左预测器和右预测器，具体实施时可由数字信号处理程序实现。在数字信号域，实施例采用的主动降噪系统的逻辑结构如图3所示：

a)左消噪扬声器207到残差麦克风201所处位置的声波传输路径冲击响应的Z-变换h_L(z),称为左路径滤波器，当声场环境确定后，决定于左消噪扬声器207和残差麦克风201的空间位置。一般的，h_L(z)可以近似为有限冲击响应(Finite Impulse Response,FIR)滤波器:

h_L(z)＝a[0]+a[1]z^-1+…+a[k]z^-k   (3)

这里z^-k表示k个采样间隔的延时，a[0],a[1],…,a[k]为滤波器系数，是左消噪扬声器207和残差麦克风201位置的函数。滤波器的阶数k，由左消噪扬声器207和残差麦克风201间声波最远传输路径的长度d_L和模拟/数字转换器203的采样频率f_s决定：

k＝ceil(f_s×d_L/c)   (4)

这里ceil()是上取整函数，c是空气中的声速。如果仅考虑声波的直线传输而不考虑声波的反射，d_L等于左消噪扬声器207与残差麦克风201间的直线距离，h_L(z)退化为延时衰减：

h_L(z)＝a[k]z^–k   (5)

同样的，右消噪扬声器208到残差麦克风201所处位置的声波传输路径的冲击响应的Z-变换h_R(z)，称为右路径滤波器，一般可以近似为有限冲击相应滤波器：

h_R(z)＝b[0]+b[1]z^–1+…+b[q]z^–q   (6)

这里b[0],b[1],…,b[q]为滤波器系数，是右消噪扬声器208和残差麦克风201位置的函数。其阶数q是右消噪扬声器208到残差麦克风201间最远传输路径的长度d_R和采样频率f_s决定：

q＝ceil(f_s×d_R/c)   (7)

如果仅考虑直线传输，d_R即为右消噪扬声器208与残差麦克风201的直线距离，此时h_R(z)退化为：

h_R(z)＝b[q]z^–q   (8)

在残差麦克风201所处位置，左消噪信号S_L[n]是左路数字抵消信号L[n]经过h_L(z)滤波的输出，即L[n]与h_L(z)对应的冲击函数h_L[n]＝a[n]的卷积：

S_L[n]＝L[n]*a[n]   (9)

这里*表示卷积。如果仅考虑直线传输，根据(5)，此时左消噪信号为

S_L[n]＝a[k]×L[n–k]   (10)

同样的，在麦克风所处位置，右消噪信号S_R[n]是右路数字抵消信号R[n]经过h_R(z)滤波的输出，即R[n]与h_R(z)对应的冲击函数h_R[n]＝b[n]的卷积：

S_R[n]＝R[n]*b[n]   (11)

如果仅考虑直线传输，根据(5)，此时右消噪信号为

S_R[n]＝b[q]×L[n–q]   (12)

b)在麦克风所处位置，左消噪信号S_L[n]和右消噪信号S_R[n]与噪音信号S_F[n]相消干涉，得到残差信号r[n]

r[n]＝S_L[n]+S_R[n]+S_F[n]   (13)

而麦克风测量到的信号包括残差信号r[n]和测量误差信号v[n]

m[n]＝r[n]+v[n]   (14)

测量误差信号一般是白噪音信号，不同时刻误差信号相互独立。

c)噪音测量信号来自残差噪音采集单元的单声道麦克风所得麦克风信号m[n]与左消噪信号S_L[n]和右消噪信号S_R[n]的差，并包含实际的噪音信号S_F[n]和测量误差v[n]。在同样输入信号L[n]和R[n]的激励下，h_L(z)和h_R(z)输出麦克风处相同的信号S_L[n]和S_R[n]，与麦克风信号m[n]相减，得到噪音测量信号

${\stackrel{\&OverBar;}{S}}_F\left[n\right]=m\left[n\right]-S_L\left[n\right]-S_R\left[n\right]=S_F\left[n\right]+v\left[n\right]---\left(15\right)$

在时刻n，左预测器的输出L[n]由于左路径滤波器h_L(z)的延迟作用，影响时刻n,n+1,…,n+k麦克风处的左消噪信号S_L[n],S_L[n+1],…,S_L[n+k]，与n,n+1,…,n+k时刻的噪音信号S_F[n],S_F[n+1],…,S_F[n+k]相消干涉，这里k为滤波器(3)的阶数。因此在时刻n，左预测器需要根据噪音测量信号预测n,n+1,…,n+k时刻的噪音信号S_F[n],S_F[n+1],…,S_F[n+k]，这也是称之为预测器的原因。如果仅考虑直线传播，那么左预测器的任务就是根据时刻n的噪音测量信号预测时刻n+k的噪音信号S_F[n+k]。

同理，在时刻n，右预测器的输出R[n]由于右路径滤波器h_R(z)的延迟作用，影响时刻n,n+1,…,n+q麦克风处的右消噪信号S_R[n],S_R[n+1],…,S_R[n+q]，与n,n+1,…,n+k时刻的噪音信号S_F[n],S_F[n+1],…,S_F[n+q]相消干涉。因此在时刻n，右预测器需要根据噪音测量信号预测n,n+1,…,n+k时刻的噪音信号S_F[n],S_F[n+1],…,S_F[n+q]。如果仅考虑直线传播，那么右预测器的任务就是根据时刻n的噪音测量信号预测时刻n+q的噪音信号S_F[n+k]。

d)一般的，记预测噪音信号为左右预测器的目标就是最小化预测误差

$\min \left\{e{\left[n\right]}^2\right\}=\min \left\{{\left({\underset{\&OverBar;}{S}}_F\right[n]-S_F[n\left]\right)}^2\right\}---\left(16\right)$

而误差信号e[n]的大小受噪音信号S_F[n]本身的统计特性和测量误差v[n]决定。当噪音信号S_F[n]可以精确预测时，此时误差信号为

e[n]＝v[n]   (17)

这是预测误差最小值。

预测器设计的目标是极小化残差信号r[n]，即极小化平均能量E[(r[n])²

min{E[(r[n])²]}   (18)

如果测量误差v[n]与残差信号r[n]独立，那么极小化残差信号r[n]等价于极小化麦克风信号m[n]。

可通过左预测器以噪音测量信号为输入，输出左路数字抵消信号L[n]；右预测器以噪音测量信号为输入，输出右路数字抵消信号R[n]；左预测器和右预测器使残差信号r[n]的平均能量E[(r[n])²]极小化。

预测器设计依赖于噪音信号S_F[n]的特性。便携式计算机散热风扇的噪音信号S_F[n]包含周期性噪音和随机性噪音，如图4所示。周期性噪音来自风扇的周期转动，在转动频率整数倍的频率处，S_F[n]的频谱出现谱峰。周期噪音可以近似认为确定性信号，但是由于风扇转速一般处于缓慢变化中，仍需要根据噪音测量信号动态的估计周期噪音的频率和谐波成分。周期噪音之外的随机噪音可以近似为白噪音驱动下自回归(Auto-Regressive,AR)滤波器的输出。自回归滤波器又称全极点(All-Pole)滤波器，其分母上的滤波器稀疏取决于随机噪音的二阶统计特性。随机噪音的统计特性也是随时间变化的，因此需要动态的估计其二阶统计特性，求得自回归滤波器。而自回归滤波器的逆滤波器即可用于预测随机噪音，理想情况下的预测误差等于驱动白噪音。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种用于便携式计算机的主动风扇噪音控制系统，其特征在于：包括以下单元，

残差噪音采集单元，包括便携式计算机内置单声道麦克风和该便携式计算机内置声卡的模拟/数字转换器，内置单声道麦克风的采集声音信号输入模拟/数字转换器，模拟/数字转换器转换所得离散的数字声压信号输入消噪反馈控制单元；

消噪反馈控制单元，包括便携式计算机自身的中央处理器，中央处理器根据残差噪音采集单元输入的数字声压信号实时产生左路数字抵消信号和右路数字抵消信号，左路数字抵消信号和右路数字抵消信号输入噪音抵消单元；

噪音抵消单元，包括便携式计算机内置声卡的左路数字/模拟转换器、右路数字/模拟转换器和该便携式计算机内置立体声扬声器，所述内置立体声扬声器包括左声道扬声器和右声道扬声器；消噪反馈控制单元输出的左路数字抵消信号输入左路数字/模拟转换器转换为左路模拟抵消信号，消噪反馈控制单元输出的右路数字抵消信号输入右路数字/模拟转换器转换为右路模拟抵消信号；左路模拟抵消信号和右路模拟抵消信号分别驱动便携式计算机的左声道扬声器和右声道扬声器，输出与散热风扇的噪音声波相消干涉的抵消声波；

其中，所述中央处理器根据残差噪音采集单元输入的数字声压信号实时产生左路数字抵消信号和右路数字抵消信号，实现方式如下，

a)左路数字抵消信号L[n]经过左路径滤波器h_L(z)＝a[0]+a[1]z^-1+…+a[k]z^-k得到左消噪信号S_L[n]，

S_L[n]＝L[n]*a[n]

其中，a[0],a[1],…,a[k]为滤波器系数，k为滤波器的阶数，a[n]为h_L(z)对应的冲击函数；

右路数字抵消信号R[n]经过右路径滤波器h_R(z)＝b[0]+b[1]*z^–1+…+b[q]z^–q得到右消噪信号S_R[n]

S_R[n]＝R[n]*b[n]

其中，b[0],b[1],…,b[q]为滤波器系数，q为滤波器的阶数，b[n]为h_R(z)对应的冲击函数；

b)左消噪信号S_L[n]和右消噪信号S_R[n]与噪音信号S_F[n]叠加得到残差信号r[n]，

r[n]＝S_L[n]+S_R[n]+S_F[n]

c)噪音测量信号来自残差噪音采集单元的单声道麦克风所得麦克风信号m[n]与左消噪信号S_L[n]和右消噪信号S_R[n]的差，并包含实际的噪音信号S_F[n]和测量误差v[n]，如下式，

${\stackrel{\&OverBar;}{S}}_F\left[n\right]=m\left[n\right]-S_L\left[n\right]-S_R\left[n\right]=S_F\left[n\right]+v\left[n\right]$

d)以噪音测量信号为输入，输出左路数字抵消信号L[n]；以噪音测量信号为输入，输出右路数字抵消信号R[n]；使残差信号r[n]的平均能量E[(r[n])²]极小化。