CN105848056A - 一种新型主动降噪方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及降噪方法技术领域，具体涉及一种新型主动降噪方法，包括：a、构建次级通道；b、产生白噪声对次级通道进行辨识；c、利用扬声器产生反噪声来抵消外界噪声。本发明的有益效果是根据噪声存在的变化自适应地调节降噪滤波器的参数，对于不同频带的噪声做出适应性调整，具有较好的降噪效果；本发明通过对补偿后外界噪声信号和误差信号进行带通滤波，使得自适应降噪滤波器的信号为指定频带的信号，自适应降噪滤波器拥有指定频带信号的信息，进而能够消除该频带的噪声信号能够适应不同频带噪声的变化，适应性强并且加入了次级通道的补偿满足了实时性的要求，相对传统的降噪方法有较好的效果，适于推广。

Description

一种新型主动降噪方法

技术领域

本发明涉及降噪方法技术领域，具体涉及一种新型主动降噪方法。

背景技术

现代社会飞速发展，人类生存环境中的噪声污染却越来越严重，噪声污染已经成为环境污染的一大公害。在噪声越来越严重而人们越来越追求生活质量的情况下，降低噪声危害和减少噪声污染，在理论研究和工程领域中都将有较高的研究价值和广阔的市场前景；而目前降噪的方法主要可以分为主动降噪和被动降噪，被动降噪大多采用吸声、隔声、隔振或阻尼减振等方式，其本质是利用声波与材料的机械作用，使声能变为其它形式的能量以减少噪声，所用的设备体积和重量都较大，同时对低频降噪效果不佳，因而现在研究更多的是主动降噪。

主动降噪采用有源消音的原理进行降噪，利用一个人为的次级声源，通过输出一个与外界噪声的幅值相同，相位相反的反噪声信号以抵消外界噪声，从而达到降噪的目的。在中国专利：一种麦克风的模拟降噪系统及方法CN101848288A中，直接采用模拟器件搭建而成的模拟电路实现对采集得到的原噪声，通过反相器得到相位相反的反噪声，这种方式由于器件参数完全固定，虽然简单易实现，但没有较强的适应性；Tan L,Jiang J.Active noise controlusing the filtered-x rls algorithm with sequential updates[J].Engineering Technology Opens the Door to a World of Opportunity,2009:29的专利中，使用滤波-x-最小二乘算法(FXRLS)，将最小二乘准则，加入次级通道补偿，同时进行自适应降噪。次级通道指产生声音信号并通过扬声器输出，到通过拾音装置采集并获得声音信号的物理通道。算法查找全局最优解，有很好的效果，但计算量较大，无法满足实时降噪要求。在Roy T K,Morshed M.Activenoise control using filtered-xLMS and feedback ANC filteralgorithms[C]//Advances in Electrical Engineering(ICAEE),2013International Conference on.IEEE,2013:7-12的专利中，使用反馈滤波-X-最小均方算法(FXLMS)。算法寻找局部最优，计算量比Active noise controlusing the filtered-x rls algorithm with sequential updates[J].Engineering Technology Opens the Door to a World of Opportunity中算法小很多，降噪效果也较好。算法使用反馈结构，虽然可以使设备简单，但由于反馈结构需要误差噪声来驱动，所以降噪后的残余噪声不能完全消除。在“封闭空腔有源结构声控制方法”CN104538018A的专利中，使用前馈滤波-X-最小均方算法(FXLMS)，前馈结构直接使用设备采集到的外界噪声信号作为驱动，因而相比于Roy T K,Morshed M.Active noise control using filtered-xLMS andfeedback ANC filter algorithms[C]//Advances in Electrical Engineering(ICAEE),2013International Conference on.IEEE，从理论上可以使降噪后的残余噪声完全消除。但这种算法不能针对指定的频带进行降噪。

发明内容

针对以上现有技术中的不足，本发明提供了新型主动降噪方法，在本发明中提出了利用带通滤波器，实现针对指定频带的主动降噪方法，降噪算法优越，能够实时快速针对特定频带进行降噪，并且可以消除降噪后的残余噪声。

本发明采用的技术方案为：

一种新型主动降噪方法，其特征在于，包括：

a、构建次级通道；

b、产生白噪声对次级通道进行辨识；

c、利用扬声器产生反噪声来抵消外界噪声。

所述步骤a中次级通道包括D/A转换器，重构滤波器，第一功率放大器，扬声器，拾音装置，第二功率放大器，抗混叠滤波器以及A/D转换器。

所述步骤b，具体包括：

(1)通过DSP平台产生白噪声y(n)并由音频编解码芯片aic23读取，然后通过扬声器发出白噪声；

(2)通过拾音装置采集第(1)步中扬声器发出的白噪声信号；

(3)利用第(1)步中的白噪声信号计算自适应滤波器的输出信号r(n)，求取公式如下：

$r\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{M-1}{\Σ}}{s}_i\left(n\right)u(n-i)$

式中u(n)表示第一步产生的白噪声信号序列，s_i(n)表示自适应滤波器系数，n为当前时刻，M为滤波器阶数，i为滤波器的阶数序号；

(4)计算误差信号，其求取公式如下：

e'(n)＝v(n)-r(n)

式中v(n)为拾音装置采集到的声音信号，r(n)为第(3)步中自适应滤波器的输出信号。

(5)利用最小均方准则(LMS)更新自适应滤波器的系数，其求取公式如下：

s_i(n+1)＝s_i(n)+μe'(n)u(n-i),

i＝1,...,M-1

式中：迭代步长μ取值0.05，滤波器阶数M取30阶；

(6)判断迭代次数是否大于T，其中T取10000次，当迭代次数大于T时，停止迭代，完成对次级通道的辨识，此时就得到了次级通道的系数。

所述步骤c，具体包括：

(1)通过拾音装置采集外界噪声；

(2)利用外界噪声计算反噪声，并通过扬声器发出；

(3)再利用拾音装置采集误差信号；

(4)计算外界噪声经过补偿后的值；

(5)利用巴特沃斯带通滤波器，对(3)中误差信号和(4)中补偿后的外界噪声进行带通滤波；

(6)利用(5)中求得的值，根据最小均方准则对自适应降噪滤波器进行更新，并进行下一次迭代。

本发明的有益效果是：1.本发明采用自适应降噪算法，根据噪声存在的变化自适应地调节降噪滤波器的参数，对于不同频带的噪声，只需要改变带通滤波器，不需改变其他参数，对于不同噪声有较强的适应性，且具有较好的降噪效果；2.本发明通过对补偿后外界噪声信号和误差信号进行带通滤波，使得自适应降噪滤波器的信号为指定频带的信号，自适应降噪滤波器拥有指定频带信号的信息，进而能够消除该频带的噪声信号能够适应不同频带噪声的变化，适应性强；3.基于FXLMS算法进行改进，其中加入了次级通道的补偿，计算量较小，满足在DSP上运行的实时性。

附图说明

图1是本发明次级通道辨识流程；

图2是本发明针对指定频带降噪的执行流程；

图3是次级通道辨识系统结构；

图4是降噪系统结构；

图5是次级通道辨识结果图。

具体实施方式

一种新型主动降噪方法，其特征在于，包括：

a、构建次级通道；

b、产生白噪声对次级通道进行辨识；

c、利用扬声器产生反噪声来抵消外界噪声。

所述步骤a中次级通道包括D/A转换器，重构滤波器，第一功率放大器，扬声器，拾音装置，第二功率放大器，抗混叠滤波器以及A/D转换器。

所述步骤b，如图1，具体包括：

(1)通过DSP平台产生白噪声y(n)并由音频编解码芯片aic23读取，然后通过扬声器发出白噪声；

(2)通过拾音装置采集第(1)步中扬声器发出的白噪声信号；

(3)利用第(1)步中的白噪声信号计算自适应滤波器的输出信号r(n)，求取公式如下：

$r\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{M-1}{\Σ}}{s}_i\left(n\right)u(n-i)$

式中u(n)表示第一步产生的白噪声信号序列，s_i(n)表示自适应滤波器系数，n为当前时刻，M为滤波器阶数，i为滤波器的阶数序号；

(4)计算误差信号，其求取公式如下：

e'(n)＝v(n)-r(n)

式中v(n)为拾音装置采集到的声音信号，r(n)为第(3)步中自适应滤波器的输出信号。

(5)利用最小均方准则(LMS)更新自适应滤波器的系数，其求取公式如下：

s_i(n+1)＝s_i(n)+μe'(n)u(n-i),

i＝1,...,M-1

式中：迭代步长μ取值0.05，滤波器阶数M取30阶；

(6)判断迭代次数是否大于T，其中T取10000次，当迭代次数大于T时，停止迭代，完成对次级通道的辨识，此时就得到了次级通道的系数。

所述步骤c，如图2，具体包括：

(1)通过拾音装置采集外界噪声；

(2)利用外界噪声计算反噪声，并通过扬声器发出；

(3)再利用拾音装置采集误差信号；

(4)计算外界噪声经过补偿后的值；

(5)利用巴特沃斯带通滤波器，对(3)中误差信号和(4)中补偿后的外界噪声进行带通滤波；

(6)利用(5)中求得的值，根据最小均方准则对自适应降噪滤波器进行更新，并进行下一次迭代。

如图3所示，y(n)表示产生的白噪声序列，e(n)为麦克风采集到的声音信号，r(n)为自适应滤波器的输出，e′(n)为计算得到的误差信号，C为模拟次级通道的自适应滤波器，n为当前时刻，LMS指使用最小均方准则。

在每一次迭代中，由DSP产生白噪声并通过扬声器输出，利用拾音装置采集声音信号e(n)，然后计算自适应滤波器的输出信号，其求取公式如下：

$r\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i\left(n\right)y(n-i)$

式中c_i(n)表示自适应滤波器系数，M为滤波器阶数。

计算误差信号，其求取公式如下：

e'(n)＝e(n)-r(n)

利用最小均方准则更新自适应滤波器的系数，其求取公式如下：

c_i(n+1)＝c_i(n)+μe′(n)y(n-i)，i＝0，1，...，M-1

式中μ为迭代步长。

如图4所示，利用给定需要降噪的频带所对应的巴特沃斯带通滤波器，对补偿后的外界噪声信号以及误差信号进行带通滤波，达到对指定频带进行滤波的目的；

以x(n)为采集到的外界噪声，x′(n)为进行次级通道补偿后的输入信号，e(n)为误差噪声信号，xf(n)为带通滤波后补偿外界噪声信号，ef(n)为带通滤波后误差噪声信号，C模拟次级通道，W为自适应降噪滤波器，P为主通道，BPF为带通滤波器，n为当前时刻，LMS指使用最小均方准则；

采集外界噪声x(n)，然后计算需要的反噪声信号并利用扬声器发出，其求取公式为：

$y\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\left(n\right)x(n-i)$

式中，w_i(n)为自适应降噪滤波器在n时刻的系数，N为自适应降噪滤波器的阶数。

由拾音装置采集误差噪声信号e(n)。

计算利用次级通道进行补偿的输入信号，其求取公式为：

$x^{\′}\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i\left(n\right)x(n-i)$

式中c_i(n)为步骤b得到的次级通道的系数，M为该自适应滤波器系数。

利用给定需要降噪的频带所对应的巴特沃斯带通滤波器BPF，对补偿后的外界噪声信号以及误差信号进行带通滤波，其求取分别为公式为：

$xf\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i\left(n\right)x^{\′}(n-i)$

$ef\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i\left(n\right)e(n-i)$

其中f_i(n)为带通滤波器系数，L为带通滤波器阶数。

利用最小均方准则更新自适应降噪滤波器的系数，其求取公式如下：

w_i(n+1)＝w_i(n)-μef(n)xf(n-i)，i＝0，1，…，N-1

式中μ为迭代步长，N为自适应降噪滤波器阶数。

如图5所示，DSP平台采样率设为2k，横轴为采样点数，纵轴为误差信号e'(n)数值。可知，e'(n)值趋近于0，此时s^(z)即为次级通道s(z)的近似。

Claims (4)

1.一种新型主动降噪方法，其特征在于，包括：

a、构建次级通道；

b、产生白噪声对次级通道进行辨识；

c、利用扬声器产生反噪声来抵消外界噪声。

2.根据权利要求1所述的新型主动降噪方法，其特征在于，所述步骤a中次级通道包括D/A转换器，重构滤波器，第一功率放大器，扬声器，拾音装置，第二功率放大器，抗混叠滤波器以及A/D转换器。

3.根据权利要求1所述的新型主动降噪方法，其特征在于，所述步骤b，具体包括：

(1)通过DSP平台产生白噪声y(n)并由音频编解码芯片aic23读取，然后通过扬声器发出白噪声；

(2)通过拾音装置采集第(1)步中扬声器发出的白噪声信号；

(3)利用第(1)步中的白噪声信号计算自适应滤波器的输出信号r(n)，求取公式如下：

$r\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{s}_i\left(n\right)u(n-i)$

式中u(n)表示第一步产生的白噪声信号序列，s_i(n)表示自适应滤波器系数，n为当前时刻，M为滤波器阶数，i为滤波器的阶数序号；

(4)计算误差信号，其求取公式如下：

e'(n)＝v(n)-r(n)

式中v(n)为拾音装置采集到的声音信号，r(n)为第(3)步中自适应滤波器的输出信号。

(5)利用最小均方准则(LMS)更新自适应滤波器的系数，其求取公式如下：

s_i(n+1)＝s_i(n)+μe'(n)u(n-i),

i＝1,...,M-1

式中：迭代步长μ取值0.05，滤波器阶数M取30阶；

(6)判断迭代次数是否大于T，其中T取10000次，当迭代次数大于T时，停止迭代，完成对次级通道的辨识，此时就得到了次级通道的系数。

4.根据权利要求1所述的新型主动降噪方法，其特征在于，所述步骤c，具体包括：

(1)通过拾音装置采集外界噪声；

(2)利用外界噪声计算反噪声，并通过扬声器发出；

(3)再利用拾音装置采集误差信号；

(4)计算外界噪声经过补偿后的值；

(5)利用巴特沃斯带通滤波器，对(3)中误差信号和(4)中补偿后的外界噪声进行带通滤波；

(6)利用(5)中求得的值，根据最小均方准则对自适应降噪滤波器进行更新，并进行下一次迭代。