CN103943102B - 主被动结合鼾噪声控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种主被动结合鼾噪声控制系统。它包括无源屏障、两个误差传声器、两个次级源和控制器，误差传声器位于非打鼾者两侧，且其布放位置不影响人头转动，次级扬声器朝向非打鼾者一侧且嵌入无源声屏障沿屏障纵向排列。与有源降噪耳罩和有源床头比，本发明将主被动结合且误差传声器远离人耳，使得该屏障既可在较宽频带范围内降低鼾噪声，又不影响非打鼾者人头转动。

Description

主被动结合鼾噪声控制系统

一、技术领域

本发明涉及主、被动结合噪声控制，提出了一种声屏障和有源降噪相结合鼾噪声控制系统。

二、背景技术

睡觉打鼾是日常生活中一种常见现象，很多人受到打鼾的影响而不能很好的休息，以至于影响第二天的工作、生活和学习。鼾噪声可以高达90～100dB，长期处于这样的高噪声环境中会造成床伴噪声性听力损失(S.R.Chakravarthy，G.M.Sardesai，A.K.W.Tan，M.Fitzpatrick，Noise-induced hearing loss in snorers and their bed partners，J.Otolaryngology，2003，141-145)。鼾噪声有较宽的频谱范围，虽然仅从数值上看低频较高，但是由于人耳对高频更敏感，因此中、高频噪声同样给人带来烦恼。被动隔声可减小中、高频噪声，有源降噪可有效减小低频噪声。

目前有多款有源耳罩(主、被动结合)可减小非打鼾者听到的鼾噪声，但长时间佩戴耳罩会使人觉得不舒服，而且耳罩也隔绝了其它如煤气报警信号或火警信号等，这会给佩戴者带来安全隐患。

因此人们考虑使用放置在靠近打鼾者或非打鼾者的有源装置来抵消非打鼾者听到的鼾噪声。1993年Raviv等提出自适应鼾抵消系统(US54447)，用靠近打鼾者的扬声器作为次级源抵消鼾噪声。此后有多个发明均提出采用在床头附近布置次级源以减小初级鼾噪声，如Enzmann等提出的减小鼾噪声的有源电子降噪系统和方法(US5844996)，皇家飞利浦电子股份有限公司的R.M.阿尔茨、P.S.布伊等曾先后提出的声抵消声的方法和装置(中国发明专利CN201080018890.9和CN201080034924.3)，B.P.Sebastian等也有类似的发明，该发明建议在打鼾者处放置至少一个参考信号传递给控制器，在受鼾噪声干扰的人一侧放置至少一个误差传声器和次级源扬声器对来发出抵消噪声和接收残余误差(US2012163626)。

除此之外，S.R.Chakravarthy等在床头安装两个扬声器作为次级源来减小鼾噪声，在300Hz以下非打鼾者左、右耳平均降噪量可达到5～10dB(S.R.Chakravarthy，S.M.Kuo，Applicationof Active Noise Control for Reducing Snore，ICASSP2006，305-308)。

由上述可知，目前次级源远离人耳的非耳罩式鼾噪声降噪装置，仅采用了在低频有较大降噪尺寸范围的有源降噪，但这类系统无法对鼾声中的中高频率成分实施有效降噪，因此，本发明提出采用屏障隔离和有源降噪相结合，在宽的频带范围内降低鼾噪声。

三、发明内容

1、发明目的：将被动隔声和有源降噪结合，实现鼾噪声宽带降噪；非打鼾者双耳处均有一定的降噪量；次级源和误差传声器远离人耳，在保证降噪量足够的前提下，保证非打鼾者睡眠舒适性、不影响其转头和听到其它可听声。

2、技术方案：为实现上述目的，本发明提出一种声屏障隔声和有源降噪结合的鼾噪声控制系统。次级源与声屏障集成一体，结构紧凑，摆放在打鼾者和非打鼾者之间或在非打鼾者两侧布置；误差传声器尽量远离人耳，可减小其对人头活动的影响；左、右耳附近各有一误差传声器，实现双通道降噪。

该系统主要包括两大部分：屏障和有源降噪系统。主要步骤如下：

(1)记录鼾噪声并计算其频谱。采用声学测试仪器记录待控制鼾噪声，通常鼾噪声在时域上表现一定的周期性，在吸气阶段打鼾，在呼气阶段噪声级接近背景噪声，远小于打鼾噪声，因此仅对吸气阶段即打鼾阶段进行傅里叶变换得到其频谱。

(2)确定屏障降噪下限频率。根据(1)所得频谱图，选定噪声峰值下降10dB对应的频带为降噪频带。为了保证非打鼾者可转头，误差传声器距双耳间距最小为6.5cm，根据10dB静区半径最大为0.1倍波长(P.Joseph，S.J.Elliot，P.A.Nelson，Near filed zones of quiet，J.SoundVib.，1994，605-627.)，则此时有源降噪最高频率为520Hz。因此，屏障降噪下限不应超过520Hz。

(3)确定屏障依据三维尺寸。根据屏障下限频率确定屏障长、宽和高三维尺寸。利用数值仿真，建立屏障、床头、床板等声场简化模型，计算不同高度、长度、厚度屏障双耳插入损失，根据插入损失应大于等于10dB的原则确定屏障尺寸。屏障尺寸要适当，尺寸过大会占用睡眠者空间和产生压迫感，尺寸过小，屏障放置不稳。

(4)确定次级源、误差传声器和屏障位置。有源降噪系统为多通道，误差传声器与双耳连线平行于床头，与近侧耳间距由不应超过屏障降噪下限频率的0.1倍波长且不小于(2)中所提距离。次级源应与屏障配对使用，或放置在打鼾者和非打鼾者之间，或置于非打鼾者人头两侧。若采用前馈控制，参考信号尽量靠近鼾声源部位，保证信号纯净度。

(5)搭建屏障和有源控制系统。根据屏障尺寸制作屏障，并将次级扬声器嵌入屏障内，选用通道数与设计匹配的控制器，在选定位置布置误差传声器。操作控制器，可实现有源降噪。在系统搭建过程中需注意：

(A)稳定的控制器，使用该控制器，在理想参考信号情况下，有源控制后误差传声器处可降低到背景噪声级；能保证在长时间(整个睡眠时间段)内降噪量稳定。

(B)次级源应在较宽的频带范围内有平直的频响特性；

(C)屏障应选用厚重材料，保证其有足够的隔声量，使得传递到人耳处的声波主要为衍射声；屏障应紧贴床头放置，两者之间缝隙应尽量小，减小缝隙漏声。为了改善屏障视觉感受，可在屏障裸露面包覆绒布，内衬海绵等环保吸声材料，经吸声处理的屏障，对高频鼾噪声有一定的吸声效果。

若有源控制未开，则仅屏障起降噪作用，主要降低中、高频噪声；若有源控制打开，则屏障和有源控制同时起作用，在较宽频带范围有较好降噪效果。

3、有益效果：本发明提出了一种屏障和有源控制结合鼾噪声控制系统，该系统以声屏障降噪原理和局部有源降噪理论为基础设计该系统降噪性能。跟以往鼾降噪系统比，其显著优势在于：(1)将屏障降噪和有源降噪结合起来，使得降噪带宽明显增加；(2)误差传声器远离双耳，非鼾噪声者头部可自由转动；(3)将次级源扬声器和屏障集成一体，结构紧凑，方便实用。

四、附图说明

图1是屏障和有源降噪系统布置。

图2是数值仿真计算所得1/3倍频程屏障插入损失。

图3是非打鼾者平躺时左耳降噪无屏障、有屏障、屏障和有源控制时域图。

图4是非打鼾者平躺时左耳降噪无屏障、有屏障、屏障和有源控制1/3倍频带频谱图(对应图3所示时域图中第二个吸气阶段)。

图5是非打鼾者平躺时右耳降噪无屏障、有屏障、屏障和有源控制时域图。

图6是非打鼾者平躺时右耳降噪无屏障、有屏障、屏障和有源控制1/3倍频带频谱图(对应图5所示时域图中第二个吸气阶段)。

五、具体实施方式

下面以某鼾噪声为控制对象，对屏障和两通道前馈有源降噪系统为例对该系统具体实施方式做详细说明。床宽1.8m，打鼾者和非打鼾者分别位于床的左右两侧，两头中心间距为床半宽。屏障放置在打鼾者和非打鼾者之间，其纵向中心线与床纵向中心线重合。两个次级源集成在屏障内部，两个误差传声器分别位于非打鼾者人头两侧。设计目标为非打鼾者平躺时双耳处降噪量至少为10dB(打鼾阶段)。

(1)打鼾者和非打鼾者均平躺，在非打鼾者双耳处记录该鼾噪声时域信号，采样频率65536Hz。鼾噪声时域范围近似为周期函数，在吸气阶段打鼾，呼气阶段接近背景噪声，远小于吸气阶段，因此截取第二个吸气段噪声进行FFT分析，得到其频谱图，该鼾噪声有两个明显的峰值，对应频率分别为174Hz和587Hz。鼾噪声时域和频域图分别见图3和图4。第一个峰值下降10dB对应的频带为134Hz～235Hz(第一频带)，第二个峰值下降10dB对应的频带为429Hz～644Hz(第二频带)。确定第二频带主要由屏障降噪，第一频带实施有源降噪。

(2)根据(1)确定的频带降噪范围，设计屏障尺寸。屏障单侧放置在打鼾者和非打鼾者之间，通过COMSOL有限元软件建立声场模型，屏障为刚性屏，床头和床板为无限大刚性屏。以500Hz为计算频率，调整屏障高度、长度和厚度，得到双耳处屏障插入损失，以左、右耳降噪量≥10dB为限，选定屏障长×高×厚＝0.5m×0.3m×0.15m。仿真计算中该屏障左、右耳插入损失频谱见图2。在第二频带所包含的400Hz和500Hz中心频率1/3倍频带左、右耳处屏障插入损失均高于10dB。

(3)在扩散声场中，单通道局部有源降噪最大静区为0.1倍波长。对于非扩散声场，可参考该值。第一频带最高频率对应的波长为1.4m。确定左、右误差传声器距左、右耳距离为0.12m。为保证双耳均有一定降噪，采用两个次级源，两个次级源位于屏障内，沿屏障纵向排列，间距0.2m。打鼾者、非打鼾者、屏障、次级源和误差传声器相对位置如图1所示。

(4)为保证屏障有足够隔声量，用高密板制作密实屏障，仅留嵌入次级扬声器的空间。为使屏障美观，在屏障外罩一层厚布。所选次级扬声器在所降噪频带范围有较平直的响应，放置在屏障内。采用商业有源控制器(如TIGER II)，对于单频信号，该控制器在误差传声器处可降低到背景噪声值。双耳处鼾噪声降噪前、后声压级和频谱如图3～6所示。

Claims (4)

1.一种主被动结合鼾噪声控制系统，包括1个无源声屏障、2只误差传声器、2只次级扬声器和1个有源噪声控制器，其特征在于：

(1)有限长无源声屏障位于非打鼾者和打鼾者之间，平放在床上，一端紧贴床头；

(2)次级扬声器朝向非打鼾者一侧且嵌入无源声屏障内部，沿屏障纵向排列；

(3)误差传声器位于非打鼾者双耳两侧。

2.如权利要求1所述的主被动结合鼾噪声控制系统，其特征在于，误差传声器位于非打鼾者双耳两侧，与近侧耳间距不小于6.5cm。

3.如权利要求1所述的主被动结合鼾噪声控制系统，其特征在于，有限长无源声屏障纵向垂直于床头位于非打鼾者和打鼾者之间，平放在床上，一端紧贴床头，屏障降噪下限频率不应超过520Hz。

4.如权利要求1所述的主被动结合鼾噪声控制系统，其特征在于，有限长无源声屏障长、宽、高三维尺寸应根据屏障降噪下限频率、非打鼾者双耳处插入损失不小于10dB的原则确定，屏障由内衬海绵类吸声材料的厚布包裹。