CN104217712B - 工程机械操作室的主动降噪装置以及凿岩钻机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工程机械操作室的主动降噪装置，该装置包括：信号采集单元，用于采集来自操作室外的初级噪声信号；过滤器，用于滤掉所述初级噪声信号中的高频信号，保留低频信号；信号处理器，用于对所述低频信号进行处理并输出与所述低频信号频率相同且相位相反的反相信号；放大器，用于将所述反相信号放大至与所述初级噪声信号幅度相同的次声源信号；发声单元，用于输出所述次声源信号。此外，本发明还公开了一种凿岩钻机，其配置有前述的主动降噪装置。采用本发明的主动降噪装置，便于保证工程机械操作室的工作环境。

Description

工程机械操作室的主动降噪装置以及凿岩钻机

技术领域

本发明涉及到工程机械的噪音处理领域，尤其涉及一种工程机械操作室的主动降噪装置以及配置有该主动降噪装置的凿岩钻机。

背景技术

当今，大多数工程机械，诸如钻探设备和建筑机械等，工作时功率比较高，能耗较大，还会产生大量的热，振动和噪声也很大，这些在很大程度上会对环境和操作人员的健康产生不利影响。为保证此类工程机械的操作人员的健康和安全，对于钻探设备或者其他工程机械的操作室的噪声等级要求也变得更加严格。对于工程机械设计者来说，减小操作室内噪音等级的任务变得十分具有挑战性。传统的降噪方法是被动的无源降噪方法，这种方法主要依赖吸声材料，降噪效果十分有限。因此，从噪声源限制噪音等级，即主动降噪或者有源降噪才是解决噪音问题的办法。

参见图1，主动降噪简称ANC(Active Noise Cancelling)，其基本原理为通过使用声学自适应算法产生同幅反相的反声音或反噪音来消除不需要的声音，即原始、不想要的声音与反声音在声学上相叠加，就可同时消除这两种声音。

声音是一个压缩波，压缩波由压缩相位和稀疏相位组成。降噪系统将会把原始声波作为输入信号，对其进行反相、放大，接着发出一个与原始声波同幅但反相(或称之为逆向)的声波。系统将原始声波和上述产生的声波在干扰加工中合二为一，产生一个新的声波，同时它们有效地互相抵消，也就是所谓的相位抵消效果。

如今主动噪声控制可以通过使用模拟电路和数字信号处理来实现，可以设计和使用自适应算法来分析背景可听见和不可听见的噪音，接着基于特定的算法生成一个信号，该信号或者是原始信号的相位位移信号，或者为原始信号的极性被颠倒后的信号。这个反相的、改进的信号接着被放大，通过一个声音生成装置(如扬声器)后产生一个直接与原波形振幅成正比的声波，用于与原声波进行抵销，由此噪音等级被十分有效地减小。

传统无源被动的噪声抑制方法和主动降噪方法的主要不同点是无源被动衰减技术只使用声音吸收材料来减少声音的能量等级，而主动降噪技术将使用能量来干扰原始噪音等级。降噪的扬声器甚至可以与需要衰减的声源协同定位，它的功率级必须与噪声声源的音频功率级相同。扬声器或设备产生的消除信号被定位在需要衰减声音的位置，例如操作者的耳朵处。现有的主动降噪耳机只是针对佩戴耳机的单个用户有效，这种方式能够很好的抑制环境噪声，但是其有效工作空间范围小，只能实现耳机的小范围噪声消除，但对于车内较大的空间则不能达到较好的降噪效果。

由于操作室是封闭的三维空间，传统的降噪方式无法满足其降噪要求，因此，提供一种能够运用于工程机械操作室的降噪装置具有重要意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种工程机械操作室的主动降噪装置，从而对工程机械的操作室进行降噪，保证良好的驾驶环境。

为实现上述目的，本发明公开了一种工程机械操作室的主动降噪装置，该主动降噪装置包括：

信号采集单元，具有多个麦克风，用于采集来自操作室外的初级噪声信号；

过滤器，用于滤掉所述初级噪声信号中的高频信号，保留低频信号；

信号处理器，用于对所述低频信号进行处理并输出与所述低频信号频率相同且相位相反的反相信号；

放大器，用于将所述反相信号放大至与所述初级噪声信号幅度相同的次声源信号；

发声单元，用于输出所述次声源信号。

优选地，所述多个麦克风布置于所述操作室的外侧周边。

优选地，所述操作室包括有立体发声系统，所述发声单元为所述立体发声系统。

优选地，所述发声单元为多个扬声器。

优选地，所述多个扬声器布置于所述操作室的内侧周边。

此外，本发明还提供了一种凿岩钻机，包括本体以及通过连接臂连接于所述本体上的凿岩机构，所述本体包括操作室、柴油机以及压缩机，其中，所述操作室配置有如前面第一项所述的主动降噪装置。

优选地，所述凿岩机构位于所述操作室的前方，所述柴油机以及压缩机位于所述操作室的后方，所述多个麦克风包括第一部分、第二部分以及第三部分，其中，所述第一部分设置于所述连接臂的下侧，所述第二部分设置于所述操作室的前部外侧，所述第三部分设置于所述操作室的后部外侧。

优选地，所述多个麦克风还包括第四部分，所述第四部分设置于所述操作室内。

本发明的工程机械操作室的主动降噪装置，利用主动降噪原理，采集操作室的外部噪音并对其中的低频信号进行反相、放大，之后由扬声器输出与噪音相位相反的声音信号，从而减小或消除操作室内的噪音，保证良好的工作环境。本发明的凿岩钻机，其操作室配置该主动降噪装置，能够有效保护操作人员。

附图说明

图1为现有技术中，主动降噪原理的示意图；

图2为本发明的工程机械操作室的主动降噪装置的连接框图；

图3为本发明的一种实施方式的控制原理图；

图4为本发明的一个实施方式中，扬声器、麦克风与操作室的位置关系示意图，所示出的为操作室的侧面；

图5为与图4相对应的扬声器、麦克风与操作室的位置关系示意图，所示出的为操作室的顶面；

图6为本发明的凿岩机的结构示意图。

具体实施方式

下面，结合附图，对本发明的结构以及工作原理等作进一步的说明。

参见图2、图3，本发明提供一种工程机械操作室的主动降噪装置，该主动降噪装置包括信号采集单元1、过滤器2、信号处理器3、放大器4以及发声单元5。下面，对其进行分别介绍。

前述的信号采集单元1，具有多个麦克风，图3中所示的为8个麦克风101，其用于采集来自操作室外的初级噪声信号。该初级噪声信号主要来自于不同的噪声源，例如来自铲土机的铲斗处的噪声、来自凿岩钻机的凿岩机构位置的噪声，这些构成了工程机械的主要的噪声，也是在降噪过程中需要重点消除的噪声。当然，还有来自工程机械本身运行所产生的噪声，例如柴油机、压缩机等所产生的噪声。

多个麦克风101的布置方式可以根据工程机械的类型等确定，其可以布置于操作室内，也可以布置于操作室外，其摆放位置需要经过实验以及理论计算。麦克风101的数量由多种因素决定，例如，操作室的设计、机械布局、噪生源的位置以及噪声的功率级等。一部分麦克风101可以用来测量噪声源的功率级，另一部分麦克风101用于反馈降噪后的噪声水平，以达到监控降噪效果的目的。

图4中以侧视的方式示出了麦克风101、扬声器501与操作室8的位置关系；图5以俯视的方式示出了麦克风101、扬声器501与操作室8的位置关系。参见图4、图5，作为优选，多个麦克风101布置于操作室8的外侧周边。当然，其并不必然是在操作室8的外侧周边均布，这主要基于噪声源的方向。

如图2、图3所示，前述的过滤器2，用于滤掉信号采集单元1所采集到的初级噪声信号中的高频信号，保留低频信号。由于人类对高频信号不敏感，故将其滤掉即可。图3中所示的过滤器2的数量为8个，与麦克风101的数量一致，每个麦克风101对应一个过滤器2，当然，其也不限于该种形式。

前述的信号处理器3，用于对低频信号进行处理并输出与低频信号频率相同且相位相反的反相信号。信号处理器3可以采用FFT算法、模拟分析算法、自适应算法等。

前述的放大器4，用于将反相信号放大至与初级噪声信号幅度相同的次声源信号。这样，经过放大之后的声音信号与原来的初级噪声信号幅度、频率相等，相位相反。该信号，可以作为初级噪声信号的抵消信号。信号处理器3与放大器4可以如图3所示，采用一个模块实现。

前述的发声单元5，用于输出次声源信号，即输出与初级噪声信号频率相同、相位相反、幅度相同的声音信号。该次声源信号与初级噪声信号进行叠加，以便消除或减小噪音，从而利用主动降噪原理，保证具有三维空间的操作室8内的工作环境。

发声单元可以选择为多个扬声器501，如图4、图5所示，优选为多个扬声器501布置于操作室8的内侧周边。

当然，当操作室8具有立体发声系统时，本发明的发声单元5可以作出相应的变化。具体的是，操作室8包括有立体发声系统，发声单元5为该立体发声系统。也就是说，初级噪声信号在完成放大后，与音频信号一同由立体发声系统播放。

进一步地，本发明的这种降噪装置，在使用时，可以允许某一特定频率的声音传递，尤其可以监控到工程机械故障状态的噪音，以便获知工程机械的运行情况。

此外，本发明还提供了一种凿岩钻机，参见图6，该凿岩钻机包括本体以及通过连接臂7连接于本体上的凿岩机构6。图中所示的方式为，本体包括由左至右顺次相邻的操作室8、液压系统9(含液压泵、液压马达、阀门以及冷却装置等，这些部件图中未标示)、柴油机10、压缩机11以及其他部件12，其中，操作室8配置有如前面所提及的主动降噪装置。

凿岩机构6位于操作室8的前方(图6中左侧)，该处为凿岩钻机的主要噪音来源。柴油机10以及压缩机11位于操作室8的后方(图6中右侧)，多个麦克风101包括第一部分、第二部分以及第三部分(图中未示出)，其中，第一部分设置于连接臂7的下侧，该部分麦克风可以用于采集来自凿岩机构6钻头位置的噪声；第二部分设置于操作室8的前部外侧801处，可以用于收集来自操作室8前方的其他噪声；第三部分设置于操作室8的后部外侧802处，可以用于收集来自操作室8后方的噪声。

作为一种优选方式，多个麦克风101还包括第四部分，第四部分设置于操作室8内。该麦克风用于采集操作室8内部的噪声信号，将采集到的噪声信号传递到信号处理器3中，信号处理器3再对误差信号进行识别，对本身的性能进行自适应调节。

以上，仅为本发明的示意性描述，本领域技术人员应该知道，在不偏离本发明的工作原理的基础上，可以对本发明做出多种改进，这均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种工程机械操作室的主动降噪装置，其特征在于，该装置包括：

信号采集单元，具有多个麦克风，一部分麦克风用于采集来自操作室外的初级噪声信号，另一部分麦克风用于反馈降噪后的操作室内的噪声水平；所述多个麦克风布置于所述操作室的外侧周边；

过滤器，用于滤掉所述初级噪声信号中的高频信号，保留低频信号；

信号处理器，用于对所述低频信号进行处理并输出与所述低频信号频率相同且相位相反的反相信号；

放大器，用于将所述反相信号放大至与所述初级噪声信号幅度相同的次声源信号；

发声单元，用于输出所述次声源信号，所述次声源信号与所述初级噪声信号叠加，保证所述操作室内的工作环境。

2.如权利要求1所述的工程机械操作室的主动降噪装置，其特征在于，所述操作室包括有立体发声系统，所述发声单元为所述立体发声系统。

3.如权利要求1所述的工程机械操作室的主动降噪装置，其特征在于，所述发声单元为多个扬声器。

4.如权利要求3所述的工程机械操作室的主动降噪装置，其特征在于，所述多个扬声器布置于所述操作室的内侧周边。

5.一种凿岩钻机，包括本体以及通过连接臂连接于所述本体上的凿岩机构，所述本体包括操作室、柴油机以及压缩机，其特征在于，所述操作室配置有权利要求1所述的主动降噪装置；

所述凿岩机构位于所述操作室的前方，所述柴油机以及压缩机位于所述操作室的后方，所述多个麦克风包括第一部分、第二部分以及第三部分，其中，所述第一部分设置于所述连接臂的下侧，所述第二部分设置于所述操作室的前部外侧，所述第三部分设置于所述操作室的后部外侧。

6.如权利要求5所述的凿岩钻机，其特征在于，所述多个麦克风还包括第四部分，所述第四部分设置于所述操作室内。