CN105741828B - 可分离式有源噪声控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可分离式有源噪声控制系统，该控制器可用于稳定声场环境下的噪声控制，该控制器将有源噪声控制器分为两个独立模块：训练模块和控制模块。控制模块具有模拟声场路径的功能，主要负责从参考源到控制源的声场路径模拟，使其在特定的区域达到声压降低。训练模块和控制模块组合工作，主要负责有源噪声控制中声场路径的匹配。本发明所提出的系统可以工作在固定控制和自适应两种工作模式下：在固定控制模式下，控制模块独立工作，功能单一，体积小，成本低，功耗低，并行性强，降低处理时延；在自适应工作模式下，控制模块和训练模块协同工作，连接方便快捷，操作简单，使用效率高，一个训练模块用于多个控制模块，便于系统的调试安装。

Description

可分离式有源噪声控制系统

技术领域

本发明涉及有源噪声控制领域，尤其涉及一种可分离式有源噪声控制系统，本发明将传统有源噪声控制器以控制模块和训练模块形式分离开来，通用性强，使用效率高，特别适用于，但不局限于，声场较为稳定的有源噪声控制应用。

背景技术

近年来，随着工业化和城市交通的发展，人们对周围环境降噪要求显得越来越迫切。有源噪声是一种特殊的降噪方法，与传统的噪声控制相比较，有源噪声控制对低频噪声控制更为有效，再加上其体积小设置灵活等特点，具有较为广泛的应用前景，因此，越来越受到学术界、工业界和民众重视。有源降噪的基本原理是通过声场路径匹配，在目标区域内产生与实际噪声幅度相近但相位相反的声信号，以抵消实际噪声从而达到的降噪的目的。有源噪声控制器是有源噪声控制应用的核心组成，主要负责实际降噪空间的声场路径匹配，通过馈给次级控制声源(常用扬声器)信号，其设计和安装调试过程是各种有源噪声和振动控制应用的重要环节。但是，传统的有源噪声控制器有以下两个缺点：

1、有源噪声控制器较为复杂，设计和使用成本高，功耗大，价格昂贵；

2、现有的有源控制器主要为研究人员服务，需要安装调试人员掌握较多的专业知识，且操作流程较为复杂。

这些限制了有源噪声控制器和有源噪声控制应用的推广和普及。

发明内容

本发明提出一种新的有源噪声控制器的构架，本发明将传统的有源噪声控制器中的核心部分分离开来，划分成两个模块：控制模块和训练模块。

有源噪声控制的基本原理是，人为产生反相的声场与实际的声场叠加，两者在目标区域内相互抵消，达到降低噪声的目的。基于有源噪声控制的基本原理，只要噪声源信号和相应声场传递路径已知，就可以达到降噪的效果。因此，有源噪声控制包含3个主要功能：

1)参考噪声源的采集和合成

根据噪声的类型，有源噪声控制分为窄带控制和宽带控制。在窄带控制中，噪声源信号的有效频带限制在一个较窄的范围呢，通过测量获得信号的中心频率，进而合成窄带有源噪声控制的参考信号。在宽带控制中，噪声源的有效频带较宽，往往大于100Hz，具有随机性，因此，噪声源的特性需通过参考信号源获得。

2)声场路径的构建

在通常情况下，有源噪声控制所构建的声场路径是线性的，有源噪声控制器中的运算单元可以构建一个线性的滤波器来匹配实际的声场路径。该滤波器既可以通过预先加载，也可以通过控制模块与训练模块组合运行自适应算法来匹配声场传递函数获得。

3)控制源信号的构建

基于上述1)和2)，以采集或者合成的噪声源所对应的参考信号作为激励，通过和声场路径匹配的线性系统，获得控制源信号并作为系统的输出。

当噪声应用场景较为稳定时，例如有源降噪耳机、通风管道降噪等应用，这些声场路径往往具有较强的稳定性，声学路径传递函数在较长一段的时间内可以看成是时不变系统。在自适应处理收敛之后，滤波器与实际声场路径长期匹配，即自适应滤波器的系数取值仅在一个非常小的区间内变化。此外，在声学结构相同或者相近的噪声应用场景中，若把任一已收敛且稳定的有源噪声控制系统中的滤波器系数值被复制给其它有源噪声控制系统的滤波器后，其它有源噪声控制系统仍能达到相同的降噪效果，如降噪耳机等。

基于上述原理，将传统的有源噪声控制器分为两个模块：控制模块和训练模块。有源噪声控制器的工作模式分为固定控制模式和自适应控制模式。

控制模块具有模拟声场路径的功能，主要负责构建从参考信号源到控制信号源的声学系统，使系统输出的声信号所形成的声场在目标区域与实际声场相抵消。在单独工作时，控制模块进入固定控制模式，控制模块所包含的运算单元中包含固定的滤波器，它将参考信号源作为输入进行处理，得到控制信号源的信号。控制模块一般可以看成是噪声源的采集或合成信号的滤波系统，所以可以设计简单，在滤波器系数固定的情况，其工作模式较为单一，极少需要干预，其工作状态具有较强的独立性。控制模块参与固定控制和自适应两种工作模式。在固定控制模式下，控制模块内部设定的滤波器固定，匹配稳定的声场路径。控制模块包含交互接口，该接口实现控制模块的人机交互功能。在自适应控制模式下，控制模块协同训练模块工作，调整控制模块内部的滤波器系数，使其收敛并达到稳定状态。控制模块能够实时的评估噪声控制的效果，提醒用户噪声应用场景可能发生的变化，如声场路径改变或者噪声源特性改变。

训练模块具有自适应处理的功能，主要负责获取控制模块可用的声场路径传递函数。控制模块和训练模块组合工作时，系统进入自适应控制模式，形成具有自适应功能的有源噪声控制器。在自适应控制模式下，控制模块中的滤波器自适应匹配声场路径，使误差信号源的信号达到最小。具体细节如下：

1)采集误差信号；

训练模块设有单独的误差信号源采集接口，它采集误差信号源的声信号，训练模块根据误差信号源输入和参考信号源输入对系统参数进行调整实时优化控制模块的运算单元A中用于匹配声场路径的滤波器，使得误差信号源达到最小。滤波器系统通过自适应算法来进行更新，如FxLMS算法或者FxLMS的衍生算法，训练模块所获得的滤波器系数实时传递给控制模块。

2)参数设定与数据交互；

训练模块与控制模块连接后，可以设定控制模块的相关参数，包括滤波器阶数和系数值等，同时，训练模块有灵活的在线调试功能，遇到故障或者性能下降时，可以通过数据接口将当前工作状态和数据传送到计算机用于分析。训练模块包含交互接口，用于训练模块的人机交互功能：当控制模块和训练模块组合工作时，控制模块的交互接口和训练模块的交互接口可协同完成组合系统的人机交互功能。

3)性能评估和检测。

控制模块和训练模块在组合工作状态下，可以通过接口完成数据和信号的实时传输、保存和赋值，包括采集数据、处理结果、运行状态和系统参数等。训练模块在滤波器收敛之后能够对实际的降噪效果进行实时的评估，提醒调试人员和用户滤波器已经完成收敛，当自适应滤波器收敛过程受到干扰或者声场匹配困难时，系统能发出警告，提示变更降噪方案，如移动误差信号源、改变参考信号源参数等。

在可分离式有源噪声控制系统中，可选低通滤波器是重要的组成部分，具体作用是：

1)输入信号混叠：去除输入信号的高频成分，使得系统满足奈奎斯特采样定理；

2)输出信号平滑：去除因数字到模拟转换而产生的高频干扰，即平滑输出信号。

模拟低通滤波器本身会带来一定的电路时延，该时延会对有源噪声控制的性能有一定的约束。若传感器或者控制源本身具有低通特性，且采样率设置满足奈奎斯特采样定理，则该传感器或者控制源所对应的可选低通滤波器可以选择不作用，即旁路直通。

本发明所提出的控制系统具备以下优点：

1)控制模块可以独立工作，功能单一，实现简单，体积小，成本低，功耗低；

2)控制模块并行性强，因此可以通过FPGA等处理时延较短的实现方法，等待和处理时延大为降低，为短时延宽带降噪提供重要的保障；

3)训练模块可重复使用，使用效率高，一个训练模块用于多个控制模块；

4)训练模块操作方便灵活，便于有源噪声控制系统的调试安装；

附图说明

为方便理解和实施本发明，可参照附图描述示例性的优选实施例子，其中：

图1是可分离式有源噪声控制系统的原理框图；

图2是可分离式有源噪声控制系统的实施实例图。

具体实施方式

下面给出本发明所涉及的可分离式有源噪声控制系统的一个实施实例。

根据图1所示的原理框图，本实施例的系统具体实施细节如下：

1、采用1片美国模拟器件公司(Analog Devices，Inc.)生产的AD73311芯片实现控制模块(1)中模拟到数字转换器(4)以及数字到模拟的转换器(5)，每片AD73311提供1通道的模拟到数字和1通道数字到模拟转换功能；

2、采用1片美国模拟器件公司(Analog Devices，Inc.)生产的AD73311芯片实现训练模块(2)中模拟到数字转换器(4)；

3、采用美国Altera公司生产的Cyclone III系列FPGA产品实现数字运算单元A(6)的核心器件；

4、采用美国德州仪器公司(Texas Instruments，Inc.)的TMS320C6748(浮点DSP)实现运算单元B(7)；

5、采用包含电位器(可调电阻)的二阶模拟低通滤波器作为可选低通滤波器(3)；

6、采用若干按键和LCD显示屏实现交互接口B(12)；

7、采用波特率为115200的UART实现交互接口A(11)；

8、采用可热插拔的高速数据链路接口实现控制模块(1)和训练模块(2)之间通信口(13)，实现实时通信和数据交互；

9、采用单指向性的传声器作为参考信号源(8)输入，采用全指向性传声器作为误差信号源(10)输入，采用符合频响要求的扬声器作为控制源(9)的后级输出；

10、控制模块(1)和训练模块(2)各自实现独立的物理封装，在自适应工作模式下，两者可以通过接插口方便快速对接。控制模块(1)要求长期稳定工作，所以通过市电供电，训练模块(2)要求便于携带和操作，所以通过电池供电。

基于上述实现方案，运算单元A(6)和运算单元B(7)至少需要实现以下功能：

1、运算单元A(6)实现1024阶的FIR滤波器，滤波器逐点处理输入的数据，并将处理完的数据实时送给控制源(9)输出；

2、运算单元B(7)实现FxLMS算法，算法可以实时更新，并通过通信口(13)将数据传递给运算单元A(6)。

该发明所提出的噪声控制器的工作分为固定控制和自适应两种工作模式。在固定控制的工作模式下，系统的工作流程如下：

1、确认参考信号源(8)连接采集噪声源信号的传声器且输入正常；

2、确认控制源(9)连接控制源扬声器且输出正常；

3、接通控制模块(1)并打开电源，系统进入固定控制模式。

在自适应控制的工作模式下，系统的工作流程如下：

1、确认参考信号源(8)连接采集噪声源传声器且输入正常，控制源(9)连接控制源扬声器且输出正常，误差信号源(10)连接误差传声器且输入正常；

2、控制模块(1)与训练模块(2)通过通信口(13)对接；

3、按下训练模块(2)上的建模开关，则系统中建模滤波器对次级声场路径进行自适应匹配，建模过程中，控制源发出宽带随机信号，使得运算单元B(7)中的建模滤波器收敛；

4、待建模完成后，按下训练模块(2)上的训练开关，则系统执行FxLMS算法，直至滤波器收敛至稳定状态，运算单元B(7)更新得到的滤波器系数实时传给运算单元A(6)；

5、若滤波器不能完成正常收敛，则系统发出警告；若系统通过一段时间收敛达到稳定状态，则系统给出提示；

6、移除训练模块(2)，控制模块(1)退出自适应工作模式，进入固定控制模式，开始独立工作。

前面的详细描述只提供了优选实施例，对本发明的范围、使用性或构造不产生任何限制。前面对优选实施例的详细描述只是为了使本领域的技术人员能够实现本发明的优选实施例。应当理解，在不偏离所附权利要求限定的本发明的宗旨和范围的前提下，可以在本发明的各组成部分的功能和布局上进行各种改变。

Claims (3)

1.一种可分离式有源噪声控制系统，其特征在于：

1)包含控制模块(1)和训练模块(2)；

2)控制模块(1)能够作为独立系统并以固定控制模式运行，运算单元A(6)中用于匹配声场路径的滤波器系数固定，运算单元A(6)将参考信号源(8)作为输入进行处理，得到控制源(9)的信号；

3)参考信号源(8)与控制模块(1)的输入连接，控制信号源(9)与控制模块(1)的输出连接，误差信号源(10)与训练模块(2)的输入连接；

4)在控制模块(1)中，输入信号通过可选低通滤波器(3)进行抗混叠处理，并经过模拟到数字转换器(4)转换成数字信号，该数字信号作为运算单元A(6)的输入；

5)在控制模块(1)中，运算单元A(6)的输出经过数字到模拟转换器(5)转换成模拟信号，该模拟信号经过可选低通滤波器(3)平滑处理后，作为控制模块(1)的输出；

6)在训练模块(2)中，输入信号通过可选低通滤波器(3)进行抗混叠处理，并经过模拟到数字转换器(4)转换成数字信号，该数字信号作为运算单元B(7)的输入；

7)控制模块(1)和训练模块(2)能够组合成系统并以自适应控制模式运行，运算单元B(7)根据误差信号源(10)的输入和参考信号源(8)的输入对匹配声场路径的滤波器系数进行调整，并将该滤波器系数实时传递给运算单元A(6)，实时优化运算单元A(6)中用于匹配声场路径的滤波器，使得误差信号源(10)的信号达到最小。

2.如权利要求1所述的可分离式有源噪声控制系统，其特征在于：对于可选低通滤波器(3)，根据用户的需求选择低通滤波器作用还是旁路直通。

3.如权利要求1所述的可分离式有源噪声控制系统，其特征在于：控制模块(1)包含的交互接口A(11)，完成控制模块(1)的人机交互功能；训练模块(2)包含的交互接口B(12)，用于训练模块(2)的人机交互功能；当控制模块(1)和训练模块(2)组合工作时，交互接口A(11)和交互接口B(12)能协同完成组合系统的人机交互功能。