CN105065308B - 一种有源降噪排气扇及其线谱噪声有源控制方法 - Google Patents
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Abstract
本案为一种有源降噪排气扇，包括：风扇，格栅；导风管；扬声器，其由一个或多个扬声器单元以及扬声器后腔外壳构成；控制器，其为一数字信号处理系统，至少应具有3个输入端和2个输出端，所述控制器安装于导风管的外壁，其中，扬声器单元的输入端连接到控制器的输出端；传声器，传声器由一个或多个传声器单元构成，传声器单元的输出端经调理及加法电路后连接至所述控制器的输入端；还包括电机、电机转轴；旋转变压器，包括定子和动子，定子与电机的外壳固定，动子与电机转轴固定；所述旋转变压器内含有三组线圈，其中一组为励磁线圈，另外两组为感应线圈；励磁线圈的输入端连接控制器的输出端，感应线圈的输出端分别接入控制器的两个输入端。
Description
技术领域
本发明涉及电器领域，特别涉及一种具有有源降噪功能的排气扇。
背景技术
排气扇又称通风扇，其作用是促进室内空气的流通，使室内溶剂挥发后能够迅速排除，不仅可调节温度、湿度和感觉效果，还可避免由于室内空气中溶剂含量过高进而引起的爆炸或中毒事件。按照气流形式的不同，排气扇可分为离心式、轴流式以及横流式等类型。排气扇在家庭、公共场所以及工业领域中有着广泛的应用。
排气扇一般由电机带动风叶旋转驱动气流。受电机及风叶转动的影响，其辐射噪声中一般具有显著的低频周期性噪声，在频域上表现为线谱成分。在家庭卫生间、办公室等安静的场合下，上述噪声给人们带来较大的烦扰，对其进行抑制具有重要意义。传统的降噪方案是增设被动消声材料或结构，如吸声棉、抗性消声器等。但针对低频线谱噪声，上述方法不仅体积、重量大，还会带来压力损失，影响排气扇的性能。因此，目前市面上的产品一般不对其噪声加以处理。
但随着人们生活水平的提高，低频噪声污染问题日益显著，电器设备低噪声化需求日益迫切。近年来，有源噪声控制技术日趋成熟，并在许多低频噪声控制的场合得到了应用。
有源噪声控制是一种基于声波相干叠加原理的主动噪声控制技术，最早由P.Lueg在其专利US2043416中提出，其基本原理是在声场中引入次级声源并利用其发出与原始噪声幅度相同但相位相反的“反噪声”，使原始噪声得到相干抵消，从而达到噪声抑制的目的。与传统被动降噪方法相比，有源噪声控制技术主要优势在于能够以更小的体积获得更好的低频降噪效果，并且尤其适合于线谱噪声的抑制。因此，针对排气扇的低频线谱噪声，有源噪声控制技术可以提供一种新的噪声抑制途径。
有源噪声控制技术一般利用自适应算法抑制线谱噪声，此时算法需要一个与受控噪声同频的参考信号作为输入。目前的有源控制系统大多采用传声器对参考信号进行拾取，但次级声源发出的“反噪声”同样能被该传声器拾取，从而造成反馈，虽然可利用内建模型进行一定程度补偿，但由于模型误差的存在，上述反馈现象不可完全避免，从而使系统的稳定性以及控制效果收到不利影响；另一些有源控制系统中则采用频率估计的方法对参考信号进行内部合成，但系统的控制效果对频率估计误差极为敏感，其控制效果也不理想。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的在于解决当前排气扇辐射噪声高的问题，提出一种集成有源噪声控制系统的新型排气扇，对其辐射噪声的低频线谱成分进行有效抑制；另外，提出一种新型线谱噪声有源控制方法，利用旋转变压器合成自适应算法必须的参考信号，使有源系统具有更好的线谱控制效果。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种有源降噪排气扇，包括：
风扇1，格栅4；
导风管3，其为一管状结构，一端安装于所述风扇的进风口，另一端安装所述格栅上；
扬声器5，其由一个或多个扬声器单元以及扬声器后腔外壳8构成；
控制器7，其为一数字信号处理系统，至少应具有3个输入端和2个输出端，所述控制器安装于所述导风管的外壁，且位于所述扬声器后腔外壳与导风管外壁构成的环形空腔中未安装有扬声器单元的位置，其中，所述扬声器单元的输入端采取串联或并联的方式连接到所述控制器的第一输出端21；
传声器6，所述传声器由一个或多个传声器单元构成，安装于所述格栅的内侧，所述传声器单元的输出端经调理及加法电路后连接至所述控制器的第三输入端13；
还包括，电机9以及电机转轴10；
旋转变压器2，包括定子和动子，其安装于所述风扇电机位置处，所述定子与电机的外壳固定，动子与所述电机转轴固定；所述旋转变压器内含有三组线圈，其中一组为励磁线圈，另外两组为感应线圈；所述励磁线圈的输入端连接所述控制器的第二输出端22，所述感应线圈的输出端分别接入所述控制器的第一输入端11和第二输入端12。
优选的是，所述的有源降噪排气扇，其中，所述导风管的横截面以及格栅尺寸与风扇的进风口相适应。
优选的是，所述的有源降噪排气扇，其中，所述扬声器单元安装于所述导风管侧壁对应的穿孔上，多个扬声器单元沿所述导风管侧壁的周向分布。
优选的是，所述的有源降噪排气扇，其中，所述传声器单元匀布于所述格栅内侧的平面上。
优选的是，所述的有源降噪排气扇，其中，所述扬声器后腔外壳为一环形管状结构，安装于所述导风管的外壁，其与导风管外壁间形成的环形空腔作为所述扬声器单元的后腔。
本发明的有益效果：本案提供了一种有源降噪排气扇，与现有的排气扇相比，利用有源噪声控制系统大幅度降低了排气扇的噪声，同时体积、重量没有明显的增加；还提供了一种针对旋转机电设备激励的线谱噪声的有源控制方法，与现有的其它有源控制方法相比，利用旋转变压器进行了参考信号的合成，彻底避免了利用参考传感器拾取参考信号时的次级噪声反馈现象以及利用频率估计合成参考信号时的频率误差，从而使控制系统更加稳定、控制效果更加优越。本发明提供的应用于排气扇的有源噪声控制系统，也可直接用于其它场合中风扇、风机噪声的主动控制；另外，本发明提供的线谱噪声有源控制方法，也可应用于有旋转机电设备引起的线谱振动主动控制的场合。
附图说明
图1为本发明一实施例所述的有源降噪排气扇的结构示意图；
图2为本发明一实施例所述线谱噪声有源控制方法的控制算法总体框图。
其中，1-风扇，2-旋转变压器，3-导风管，4-格栅，5-扬声器，6-传声器，7-控制器，8-扬声器后腔外壳，9-电机，10-电机转轴，11-第一输入端，12-第二输入端，13-第三输入端，21-第一输出端，22-第二输出端。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
一种有源降噪排气扇，包括：
风扇1，格栅4；
导风管3，其为一管状结构，一端安装于所述风扇的进风口，另一端安装所述格栅上；
扬声器5，其由一个或多个扬声器单元以及扬声器后腔外壳8构成；
控制器7，其为一数字信号处理系统，结构主要由AD、DA、处理器、电源以及其它必要的外围器件构成，至少应具有3个输入端和2个输出端，所述控制器安装于所述导风管的外壁，且位于所述扬声器后腔外壳与导风管外壁构成的环形空腔中未安装有扬声器单元的位置，其中，所述扬声器单元的输入端采取串联或并联的方式连接到所述控制器的第一输出端21；
传声器6，所述传声器由一个或多个传声器单元构成，安装于所述格栅的内侧，所述传声器单元的输出端经调理及加法电路后连接至所述控制器的第三输入端13；
还包括，电机9以及电机转轴10；
旋转变压器2，包括定子和动子，其安装于所述风扇电机位置处，所述定子与电机的外壳固定，动子与所述电机转轴固定；所述旋转变压器内含有三组线圈，其中一组为励磁线圈，另外两组为感应线圈；所述励磁线圈的输入端连接所述控制器的第二输出端22，所述感应线圈的输出端分别接入所述控制器的第一输入端11和第二输入端12。图1中给出了使用轴流式风扇的典型结构，但在其它实施例中，风扇并不局限于轴流式，也可以是离心式、横流式以及其它类似的形式。另外，在其它实施例中，风扇也可以具有一些常见的用于排气扇的附属结构，例如出风口处的止回阀等，图1中给出的实施例为圆形，在其它实施例中也可以是其它形状。
进一步的，所述导风管的横截面以及格栅尺寸与风扇的进风口相适应。
进一步的，所述扬声器单元安装于所述导风管侧壁对应的穿孔上，多个扬声器单元沿所述导风管侧壁的周向分布。
进一步的，所述传声器单元匀布于所述格栅内侧的平面上。
进一步的，所述扬声器后腔外壳为一环形管状结构，安装于所述导风管的外壁，其与导风管外壁间形成的环形空腔作为所述扬声器单元的后腔。
所述的有源降噪排气扇的线谱噪声有源控制方法，励磁线圈的输入端连接控制器的第二输出端，当控制器上电工作后，其第二输出端22发出频率、幅度固定的正弦信号Asin(2πfmt)；此时，设电机转动频率为f，则转子相对于定子的旋转角度为2πft(初始角度为0)，则两组所述感应线圈输出的分别为Asin(2πft)sin(2πfmt)、Acos(2πft)sin(2πfmt)，处理器中运行的算法如图2所示，还包括以下步骤；
步骤1)算法内部产生励磁线圈激励信号Asin(ωmn)，并由第二输出端22输出，其中ωm＝fm/fs，其中fs为数字信号处理系统采样率；
步骤2)上述激励信号与第一、二输入端口11、12的采样信号相乘后经低通滤波器滤波，得到正弦信号sin(ωn)和余弦信号cos(ωn)，其中ω＝f/fs，该正弦、余弦信号作为参考信号输入针对基频的自适应控制算法；利用上述基频正弦、余弦信号，可依次产生2倍、3倍直至m倍频信号，计算公式如下：
sin(mωn)＝sin((m-1)ωn)cos(ωn)+cos((m-1)ωn)sin(ωn)
cos(mωn)＝cos((m-1)ωn)cos(ωn)-sin((m-1)ωn)sin(ωn)
该m倍频正弦、余弦信号作为参考信号输入针对m倍频的自适应控制算法；其中m为大于等于的4的正整数；
步骤3)针对m倍频的自适应控制算法利用其参考信号以及第三输入端13采集的传声器信号e迭代计算控制信号ym，典型的迭代计算公式如下：
ym(n)＝Wsmsin(mωn)+Wcmcos(mωn)
Wsm(n+1)＝Wsm(n)-μe(n)(αsin(mωn)+βcos(mωn))
Wcm(n+1)＝Wcm(n)-μe(n)(αcos(mωn)-βsin(mωn))
其中Wsm、Wcm为控制系数，算法开启后初始化为0，α、β分别为扬声器至传声器传递函数在mf频率处频率响应的实部和虚部，μ则为迭代步长；
所有自适应控制算法的输出信号相加，并通过第一输出端21输出，驱动扬声器发出反相噪声。在上述算法下，有源噪声控制系统可同时抑制风扇转动的基频及高次谐频成分，使得排气扇辐射噪声能量得到有效抑制。实际中控制频率的数目需要根据排气扇噪声的实际情况确定，图2中仅给出了控制3根频率的情况。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (5)
1.一种有源降噪排气扇，其特征在于，包括：
风扇(1)，格栅(4)；
导风管(3)，其为一管状结构，一端安装于所述风扇的进风口，另一端安装所述格栅上；
扬声器(5)，其由一个或多个扬声器单元以及扬声器后腔外壳(8)构成；
控制器(7)，其为一数字信号处理系统，至少应具有3个输入端和2个输出端，所述控制器安装于所述导风管的外壁，且位于所述扬声器后腔外壳与导风管外壁构成的环形空腔中未安装有扬声器单元的位置，其中，所述扬声器单元的输入端采取串联或并联的方式连接到所述控制器的第一输出端(21)；
传声器(6)，所述传声器由一个或多个传声器单元构成，安装于所述格栅的内侧，所述传声器单元的输出端经调理及加法电路后连接至所述控制器的第三输入端(13)；
还包括，电机(9)以及电机转轴(10)；
旋转变压器(2)，包括定子和动子，其安装于所述风扇电机位置处，所述定子与电机的外壳固定，动子与所述电机转轴固定；所述旋转变压器内含有三组线圈，其中一组为励磁线圈，另外两组为感应线圈；所述励磁线圈的输入端连接所述控制器的第二输出端(22)，所述感应线圈的输出端分别接入所述控制器的第一输入端(11)和第二输入端(12)。
2.如权利要求1所述的有源降噪排气扇，其特征在于，所述导风管的横截面以及格栅尺寸与风扇的进风口相适应。
3.如权利要求1所述的有源降噪排气扇，其特征在于，所述扬声器单元安装于所述导风管侧壁对应的穿孔上，多个扬声器单元沿所述导风管侧壁的周向分布。
4.如权利要求1所述的有源降噪排气扇，其特征在于，所述传声器单元匀布于所述格栅内侧的平面上。
5.如权利要求1所述的有源降噪排气扇，其特征在于，所述扬声器后腔外壳为一环形管状结构，安装于所述导风管的外壁，其与导风管外壁间形成的环形空腔作为所述扬声器单元的后腔。
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