CN106792316A - 一种工业用主动降噪耳罩 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工业用主动降噪耳罩，属于主动噪声控制的技术领域。该工业用主动降噪耳罩包括耳罩腔体、拾音麦克风、基于STM32的信号处理器、输出均衡器及其功放电路、耳罩扬声器和双极性电源转换及稳压电路。其中，拾音麦克风内置有拾音麦克风电路，用于采集耳罩外环境噪声信号和耳罩内误差噪声信号，基于STM32的信号处理器用于处理噪声信号输出反噪声，输出均衡器及其功放电路和耳罩扬声器用于释放反噪声，双极性电源转换及稳压电路用于系统供电。本发明能有效应对低频环境噪声信号，所用到的主动降噪系统体积小、能耗低、降噪效果明显。
Description
技术领域
本发明提出了一种工业用主动降噪耳罩，属于主动噪声控制（ANC，Active NoiseControl）的技术领域。
背景技术
传统方法利用隔音、吸音材料进行被动降噪，主要用于抑制高频噪声，对低频噪声作用有限。主动噪声控制技术通过发出与原噪声大小相等、方向相反的反噪声，利用干涉相消原理实现对低频噪声的降噪。利用该技术的控制器尺寸小，低频降噪性能优良，是传统被动噪声控制方法不可或缺的有利补充。
工业领域的低频噪声污染尤为突出，传统的耳塞、耳罩无法对工人进行充分保护，急需引入具备主动降噪功能的工业防护耳罩从而减少环境噪声对工人身心健康的损害。
发明内容
本发明针对被动降噪耳罩无法有效降低低频噪声和模拟电路式降噪耳罩无法实现多通道传递函数的缺陷，提出了一种工业用主动降噪耳罩，该耳罩为基于STM32控制器，内嵌FXLMS算法的数字式自适应有源降噪耳罩。
本发明为解决其技术问题采取如下技术方案：
一种工业用主动降噪耳罩，包括：
耳罩腔体、耳罩外拾音麦克风和耳罩内拾音麦克风、输出均衡器、基于STM32的信号处理器和耳罩扬声器，耳罩腔体内置有双极性电源转换及稳压电路，其中耳罩外拾音麦克风置于耳罩腔体外侧，与基于STM32的信号处理器内部ADC1接口连接，耳罩内拾音麦克风置于耳罩腔体内侧，与基于STM32的信号处理器内部ADC2接口连接，基于STM32的信号处理器内部DAC接口与输出均衡器连接，输出均衡器与耳罩扬声器连接；
所述耳罩外拾音麦克风和耳罩内拾音麦克风内均置有拾音麦克风电路，所述拾音麦克风电路包括：MEMS电声换能器、信号前置放大模块、输入均衡器模块、功放模块、电压钳位模块和限幅保护模块，其中MEMS电声换能器将噪声信号转换为电信号传给信号前置放大模块，信号经放大后传给输入均衡器模块，然后传给功放模块，经过功率放大后传入电压钳位模块，经过电压钳位后传入限幅保护模块；
所述基于STM32的信号处理器内置有基于STM32的信号处理电路，用于处理ADC1接口采集到的耳罩外噪声和ADC2接口采集到的耳罩内噪声，产生的反噪声信号经DAC接口输出；
所述输出均衡器内置有功放电路，用于将DAC输出信号进行均衡并经功率放大输出；
所述耳罩扬声器，用于发出反噪声与耳罩内噪声抵消；
所述双极性电源转换及稳压电路，用于为系统中各电路供电。
所述基于STM32的信号处理器包括：基于FXLMS算法的数字滤波器、基于LMS算法的数字滤波器、12位ADC接口ADC1、12位ADC接口ADC2、12位DAC接口和硬件随机数发生器；其中耳罩外拾音麦克风电路与12位ADC接口ADC1连接，耳罩内拾音麦克风电路与12位ADC接口ADC2连接，12位ADC接口ADC1和12位ADC接口ADC2分别与基于FXLMS算法的数字滤波器连接，基于FXLMS算法的数字滤波器与基于LMS的数字滤波器连接，12位DAC接口与输出均衡器功放电路连接，硬件随机数发生器与基于LMS的数字滤波器连接，用于产生高斯白噪声作为声学次级通道辨识的激励，12位ADC1接口将采集的耳罩外目标噪声数据传入基于FXLMS算法的数字滤波器，经自适应滤波后通过12位DAC接口输出反噪声，12位ADC接口ADC2将采集的耳罩内误差数据传给基于FXLMS算法的数字滤波器和基于LMS算法的数字滤波器，用于滤波器参数更新。
本发明的有益效果如下：
1、本发明能有效应对低频环境噪声信号，所用到的主动降噪系统体积小、能耗低、降噪效果明显。
2、采用数字式自适应滤波算法产生反噪声，能随外界环境变化自动调整滤波参数，相比于模拟式主动降噪耳罩，对被动隔音耳罩及拾音麦克风声学特性要求宽松，适应性好，通用性强。3、数字式降噪技术能充分发挥传统被动隔音式工业耳罩的中高频降噪性能，在此基础上引入主动降噪技术消除低频噪声，实现全频域内良好的降噪效果。
4、结构小巧，操作方便，能通过开关一键打开主动降噪功能。采用ARM架构微处理单元和高性能运算放大器能在保障降噪耳罩性能的前提下充分降低能耗。
附图说明
图1是本发明提出的一种工业用主动降噪耳罩的原理框图。
图2是本发明提出的一种工业用主动降噪耳罩的电路结构图，图2(a)是输出均衡器及功放电路；图2(b)是ARM控制器电路；图2(c)是双极性电源转换及稳压电路；图2(d)是麦克风拾音电路，其中REST表示微处理单元复位端口，V+3.3表示+3.3V直流供电，GND表示公共地，DAout表示微处理单元模数转换端口，ADin1和ADin2表示微处理单元数模转换端口1和2，SWCLK表示串行总线调试接口时钟端，SWDIO表示串行总线调试接口数据端。
图3 是本发明实施例提出的系统软件方框图。
图4是本发明提出的一种工业用主动降噪耳罩的算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
本发明的设计思路是：为了降低工业现场低频噪声对操作人员的身心伤害，弥补被动隔音式耳罩无法有效降低低频噪声的缺陷，可采用有源降噪技术，通过耳罩内部和耳罩外部两个拾音电路采集目标噪声和误差噪声，利用嵌入自适应FXLMS算法的信号处理电路，自动调整滤波器权值，输出一个与环境噪声相互抵消的反噪声，从而达到降噪目的。
图1是本发明提出的一种工业用主动降噪耳罩的原理框图。如图1所示，该工业用主动降噪耳罩包括耳罩腔体、拾音麦克风、输出均衡器及其功放电路、基于STM32的信号处理器和耳罩扬声器，其中用到两个拾音麦克风分别布置于耳罩腔体外侧和内侧，用于采集外界环境噪声和耳罩内误差噪声，耳罩外拾音麦克风作为输入信号与基于STM32的信号处理器连接，经信号处理器的ADC1采样接口将模拟信号转换为数字信号作为FXLMS算法的输入信号。基于STM32的信号处理器内置有FXLMS算法所需的必要参数，包括主数字滤波器的阶数、FXLMS算法步长因子、声学次级通道模型的阶数及相应自适应系统辨识算法的步长因子，通过信号处理电路自适应地调节主数字滤波器权值并将该权值与输入信号卷积，得到的结果通过DAC接口传递给输出均衡器及功放电路，通过输出均衡器的信号重构和功放电路的功率放大驱动耳罩扬声器发出反噪声。耳罩内拾音麦克风电路采集到的声音信号作为误差噪声通过ADC2接口反馈给基于STM32的信号处理电路，经过自适应FXLMS算法的不断调整，最终使误差噪声收敛达到均方误差最小，从而实现降噪效果。
图2是本发明提出的一种工业用主动降噪耳罩的电路结构图。该工业用主动降噪耳罩电路包括如图2（a）所示的输出均衡器及功放电路、如图2（b）所示的基于STM32的信号处理电路、如图2（c）所示的双极性电源转换及稳压电路和如图2（d）所示的拾音麦克风电路。其中图2（a）所示的输出均衡器及功放电路由运算放大器和阻容器件构成，用于将信号处理电路DAC接口输出的模拟信号进行重构和滤波，驱动耳罩扬声器发出反噪声。图2（b）所示的基于STM32的信号处理电路主要包括晶振、复位、SWD调试接口、去耦电容阵列、具有DMA功能的ADC接口、DAC接口和硬件随机数发生器。其中晶振、复位、去耦电容阵列是信号处理电路正常工作的基本保障电路，SWD调试接口用于集成开发环境对MCU的在线调试和程序烧写，具有DMA功能的ADC接口用于将拾音麦克风电路采集的声音模拟信号转换为数字信号供MCU运算处理，DAC接口用于将MCU计算后的数字信号转换成模拟信号输出，硬件随机数发生器用来产生高斯白噪声，作为耳罩声学次级通道模型辨识的激励。图2（c）所示的双极性电源转换及稳压电路用于对系统供电，该电路基于LM358将常用的9V电池转换为±4.5V双极性，用于系统中双极性运算放大器供电，低压差稳压芯片将+4.5V电压稳压到+3.3V用于STM32、麦克风供电以及提供钳位电压。图2（d）所示的拾音麦克风电路由运算放大器和阻容元件构成，主要功能有信号前置放大、低通滤波、功率放大、电压钳位和限幅保护。信号前置放大、低通滤波和功率放大实现声学信号和电学信号的换能。由于基于STM32的信号处理电路ADC接口的输入电压范围为0-3.3V，并不包括负电压，故需对采集到的交流信号进行电压钳位，通过电压钳位电路将交流信号抬升1.25V，从而使电压范围在0-3.3V以内。由于DAC输入电压不能超过3.3V，所以利用1N4148二极管设计限幅保护电路，当电压超过3.3V或低于0V时二极管导通从而使信号始终被钳位在0-3.3V之间，起到保护信号处理电路的作用。
图3是本发明实施例提出的系统软件方框图。如图3所示，首先初始化命令将STM32相关硬件初始化，这些硬件包括时钟、中断、ADC接口、DAC接口、IWDG独立看门狗电路和硬件随机数发生器；预置FXLMS算法相关参数，这些参数包括主数字滤波器的阶数、FXLMS算法步长因子、声学次级通道模型的阶数及相应自适应系统辨识算法的步长因子；接着对DMA模式DAC接口采集到的耳罩外目标噪声和耳罩内误差噪声进行均值滤波，得到较为准确的目标噪声和误差噪声；然后通过硬件随机数发生器产生均匀分布随机数，利用大数定理将均匀分布转换为正态分布，产生高斯白噪声；再利用上述过程得到的数据通过FXLMS算法更新主滤波器参数，得到反噪声，通过DAC接口输出；最后通过滑动滤波更新参数，循环上述步骤直到误差噪声收敛。
图4是本发明提出的一种工业用主动降噪耳罩的算法框图。如图4所示，代表外界环境噪声，代表耳机被动降噪模型，是传入耳罩的实际噪声，是真实的耳罩声学次级通道模型，是在线识别的耳罩声学次级通道模型，是高斯白噪声，与耳罩内延迟一个单位后的误差噪声相乘作为声学次级通道在线辨识的激励，经次级通道模型滤波后的外界环境噪声通过FXLMS算法更新主滤波器的权值，环境噪声经过主滤波器滤波后得到初级反噪声，该反噪声经过真实的次级通道模型得到与耳罩内噪声抵消的反噪声，最终得到的耳罩内误差噪声用于算法更新参数，程序循环直到误差噪声收敛。
Claims (2)
1.一种工业用主动降噪耳罩，其特征在于，包括：
耳罩腔体、耳罩外拾音麦克风和耳罩内拾音麦克风、输出均衡器、基于STM32的信号处理器和耳罩扬声器，耳罩腔体内置有双极性电源转换及稳压电路，其中耳罩外拾音麦克风置于耳罩腔体外侧，与基于STM32的信号处理器内部ADC1接口连接，耳罩内拾音麦克风置于耳罩腔体内侧，与基于STM32的信号处理器内部ADC2接口连接，基于STM32的信号处理器内部DAC接口与输出均衡器连接，输出均衡器与耳罩扬声器连接；
所述耳罩外拾音麦克风和耳罩内拾音麦克风内均置有拾音麦克风电路，所述拾音麦克风电路包括：MEMS电声换能器、信号前置放大模块、输入均衡器模块、功放模块、电压钳位模块和限幅保护模块，其中MEMS电声换能器将噪声信号转换为电信号传给信号前置放大模块，信号经放大后传给输入均衡器模块，然后传给功放模块，经过功率放大后传入电压钳位模块，经过电压钳位后传入限幅保护模块；
所述基于STM32的信号处理器内置有基于STM32的信号处理电路，用于处理ADC1接口采集到的耳罩外噪声和ADC2接口采集到的耳罩内噪声，产生的反噪声信号经DAC接口输出；
所述输出均衡器内置有功放电路，用于将DAC输出信号进行均衡并经功率放大输出；
耳罩扬声器，用于发出反噪声与耳罩内噪声抵消；
双极性电源转换及稳压电路，用于为系统中各电路供电。
2.根据权利要求1所述一种工业用主动降噪耳罩，其特征在于，所述基于STM32的信号处理器包括：基于FXLMS算法的数字滤波器、基于LMS算法的数字滤波器、12位ADC接口ADC1、12位ADC接口ADC2、12位DAC接口和硬件随机数发生器；其中耳罩外拾音麦克风电路与12位ADC接口ADC1连接，耳罩内拾音麦克风电路与12位ADC接口ADC2连接，12位ADC接口ADC1和12位ADC接口ADC2分别与基于FXLMS算法的数字滤波器连接，基于FXLMS算法的数字滤波器与基于LMS的数字滤波器连接，12位DAC接口与输出均衡器功放电路连接，硬件随机数发生器与基于LMS的数字滤波器连接，用于产生高斯白噪声作为声学次级通道辨识的激励，12位ADC1接口将采集的耳罩外目标噪声数据传入基于FXLMS算法的数字滤波器，经自适应滤波后通过12位DAC接口输出反噪声，12位ADC接口ADC2将采集的耳罩内误差数据传给基于FXLMS算法的数字滤波器和基于LMS算法的数字滤波器，用于滤波器参数更新。
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