CN107100898A - 风扇降噪方法、系统及其应用电子装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风扇降噪方法、系统及其应用电子装置，其中降噪风扇系统包括马达、扇叶、多个磁场感应元件、磁场产生元件以及降噪声源装置。其中扇叶装设于马达上，马达带动扇叶旋转，扇叶包括多个叶片，多个磁场感应元件分别设置于多个叶片上，磁场产生元件能产生磁场，以驱动多个磁场感应元件带动多个叶片振动并产生振动声响，用来扺消至少一部分扇叶旋转时发出的噪音，以及降噪声源装置能发出降噪声响，且设置于预设位置，使降噪声响扺消至少另一部分扇叶旋转时发出的噪音。本发明的噪风扇系统解决了已知主动降噪装置无法同时兼顾高低频噪音降噪效果的问题。

Description

风扇降噪方法、系统及其应用电子装置
技术领域
本发明涉及一种主动降噪的装置和方法，尤其涉及一种应用于风扇降噪的装置和方法。
背景技术
主动式降噪的技术发展已久。欲降低或甚至于消除一噪音源，可利用喇叭产生一反相声源，反相声源与噪音源的音量相同，但音波相位完全相反，利用波动破坏性干涉的原理，就能使噪音降低，甚至于消失。
因声音为球状波动，所以若希望以主动式降噪的方式将空间中每个位置的噪音都降低甚至于消除，通常噪音源与反相声源位于空间中的同一点才能产生此效果。若产生反相声源的位置不同，则音波的相位势必无法完全相同，虽可于空间中某个位置产生相消性的干涉，但于其他位置就会产生相长性的干涉。
噪音源与反相声源通常无法位于空间中的同一点，所以目前主动式降噪的技术，都只能消减空间中某个特定位置的噪音，而不能降低整个空间的噪音。
利用此技术降低风扇转动时产生的噪音。此噪音大多是因为扇叶尾端造成气流的紊流而产生，已知技术中，有人欲利用磁力让扇叶振荡产生另一反相声源，可让噪音源与反相声源位于空间中非常接近，几乎可说是同一位置，达成主动式降噪的效果。
但利用磁力让扇叶振荡产生一反相噪音源时发现，以105mm×105mm×32mm的轴流风扇为例，当噪音源的频率低于1000Hz时，除了几个扇叶的结构共振频率之外，此技术将电能转换成声能的效率很差且不规则，仍难以利用此结构有效的降低风扇的低频噪音。
“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”段落所揭露的内容可能包含一些没有构成所属技术领域中普通技术人员所知道的已知技术。在“背景技术”段落所揭露的内容，不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被所属技术领域中普通技术人员所知晓或认知。
发明内容
因为具有如前所述的问题，已知主动式降噪技术，在降噪效果上仍有极大的提升空间。所以，本发明的目的为提出一种混合式的主动降噪风扇结构，于此结构中同时利用喇叭以及扇叶振动来产生所需的反相声源，藉此大幅提升了主动降噪技术的效能。
本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭露的技术特征中得到进一步的了解。为达上述之一或部分或全部目的或是其他目的本发明所提供的降噪风扇系统包括马达；扇叶，装设于马达上，以使马达带动扇叶旋转，其中扇叶包括多个叶片；多个磁场感应元件，分别设置于多个叶片上；磁场产生元件，能产生磁场，以驱动多个磁场感应元件带动多个叶片振动并产生振动声响，用来扺消至少一部分扇叶旋转时所发出的噪音；以及降噪声源装置，能发出降噪声响，且设置于预设位置，使降噪声响扺消至少另一部分扇叶旋转时所发出的噪音。
本发明也提供了装设有前述之降噪风扇系统的电子装置，另包括装置有降噪风扇系统的装置本体。在某些应用中，电子装置更包括音源控制器，设置于装置本体之中；以及扬声器，电性连接于音源控制器，用以播放声音。
本发明也提供了风扇降噪方法，用于降低风扇运转时所产生的噪音，其中风扇包括具有多个叶片的扇叶，包括取得噪音的频率、振幅及相位；分辨噪音为高频噪音及低频噪音；以及针对高频噪音及低频噪音，并根据噪音的振幅及相位，分别提供第一反相声响及第二反相声响，以分别扺消高频噪音及低频噪音。本发明因利用如喇叭等降噪声源装置及扇叶装置的振动，分别对低频及高频噪音提供反相声响，因此解决了已知主动降噪装置无法同时兼顾高低频噪音降噪效果的问题。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1A为本发明降噪风扇系统的一实施例的侧面示意图。
图1B为本发明降噪风扇系统的一实施例的立体示意图。
图2A为根据本发明的风扇降噪方法的一实施例的部分的装置功能及讯号处理流程的示意图。
图2B为根据本发明的风扇降噪方法的另一实施例的部分的装置功能及讯号处理流程的示意图。
图3为降噪声源装置及噪音源之间的物理距离的示意图。
图4A为根据本发明的风扇降噪系统应用于一电子装置内的一实施例的操作示意图。
图4B为根据本发明的风扇降噪系统应用于一电子装置内的另一实施例的操作示意图。
图4C为根据本发明的风扇降噪系统应用于一电子装置内的再一实施例的操作示意图。
图5A为根据本发明的风扇降噪系统的一实施例中消除高频噪音的操作示意图。
图5B为根据本发明的风扇降噪系统的一实施例中消除低频噪音的操作示意图。
图5C为根据本发明的风扇降噪系统的一实施例中降噪声源装置所发出的反相声波与噪音源所发出的噪音的相位差示意图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的一实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
以喇叭为反相声源进行主动式降噪时，因为电能转换成低频声能的效率佳，故处理低频噪音的效率会优于利用扇叶振动的主动降噪技术。低频噪音相对高频噪音而言，波长较长，穿透性强，难以利用阻隔的方式降低低频噪音，但也因为其波长较长，当噪音源与反相噪音源不在空间的同一点时，反相声波仍有大部分可与噪音源产生相消的效果，所以适合利用喇叭的主动式降噪技术来消减低频噪音。相反的，若噪音源产生的是一高频噪音讯号时，因波长较短，当反相声源与噪音源的距离稍大时，要对准各方向的声波相位用以消减噪音是很困难的事，很容易于空间某个位置降低了高频噪音，但于另一个位置却产生了较高频的噪音，所以欲利用主动式降噪技术消减高频噪音，反相声源与噪音源于空间中的位置就必须越接近越好，利用喇叭的主动降噪技术就很难达到目的，所以利用扇叶振动产生反相声源以消减高频噪音是好的主动降噪技术。本发明的主要技术概念，即利用上述不同种类主动降噪技术的个别特性，加以结合运用，而解决了原来个别使用时所面临的降噪效能问题。
请参阅图1A及图1B，降噪风扇系统1包括马达11、扇叶12、磁场感应元件13、磁场产生元件14、降噪声源装置15及框体16。扇叶12装设于马达11上，马达11带动扇叶12旋转。扇叶12包括数个叶片121，每个叶片121上分别安装有一个磁场感应元件13。磁场产生元件14是用来产生一可调整的磁场，以驱动磁场感应元件13，带动叶片121振动并产生振动声响V(请参照图2A及图2B)，以便扺消至少一部分扇叶12旋转时所发出的噪音N(参照图5C)。降噪声源装置15可为喇叭或其他任何具有扬声器功能的声源装置，能发出降噪声响S(参照图2A及图2B)，且设置于预设位置P，可使降噪声响S扺消至少另一部分扇叶12旋转时所发出的噪音N。
降噪风扇系统1的框体16围绕扇叶12，而磁场产生元件14则可为缠绕或附加于框体16上，例如线圈，电流在线圈流动，或任何其他可产生磁场并可调变其强度的装置。在此实施例中磁场感应元件13可为磁性元件，例如磁铁。此处的磁铁并不限定于磁铁矿石的制品，而是包括任何能产生磁场的物体或装置。藉由例如控制线圈的电流大小及方向，可产生一振荡磁场，作用于叶片121上的磁场感应元件13，就能使叶片121振荡，藉由流动的气流与叶片121产生摩擦，进而发出振动声响V，用以降低高频噪音。而降噪声源装置15可安装在降噪风扇系统1的附近，例如图1A及图1B所示，将降噪声源装置15安装于框架16的中心，亦即整个降噪风扇系统1的中心位置。
请参阅图2A及图2B并同时参照图1A，降噪风扇系统1还包括噪音撷取器17，其可为麦克风、误差麦克风或其他具类似功能的装置，噪音撷取器17接收扇叶12旋转时所发出的噪音N并转为噪音讯号NS，或是当进行降噪时，接收振动声响V及降噪声响S的反馈声音，以供降噪风扇系统1即时调整振动声响V及降噪声响S的强度。而为了将扇叶12旋转时所发出的噪音N可分辨为高频噪音HN(参照图5A)及低频噪音LN(参照图5B)，降噪风扇系统1还包括了电连接于噪音撷取器17的分频逻辑电路18。本领域的技术人员可容易知道，分频逻辑电路18由具有分频逻辑演算法的晶片组/处理器或其组成，可将噪音N分辨为高频噪音HN及低频噪音LN的功能。主动降噪电路19则是具有主动降噪(ANC，active noise cancellation)逻辑演算法的晶片组/处理器，分别电连接于分频逻辑电路18、磁场产生元件14及降噪声源装置15(图式中未显示)，以因应高频噪音HN及低频噪音LN而分别控制磁场产生元件14及降噪声源装置15产生振动声响V及降噪声响S，其中振动声响V及降噪声响S系分别为高频噪音HN及低频噪音LN的反相讯号。
在图2A所示的实施例中，主动降噪电路19包括第一主动降噪电路191及第二主动降噪电路192，分别电连接至磁场产生元件14及降噪声源装置15(图式中未显示)。分频逻辑电路18将噪音讯号NS分频后，分别输出至第一主动降噪电路191及第二主动降噪电路192，本发明并不限于此。
在图2B所示的实施例中，与图2A所示的实施例的差别在于，主动降噪电路19电连接于噪音撷取器17及分频逻辑电路18之间，以便将噪音讯号NS先转化为反相声源讯号A，再将反相声源讯号A输入分频逻辑电路18，以分频为对应高频噪音HN及低频噪音LN的二个控制讯号，即高频反相控制讯号HC及低频反相控制讯号LC，以便分别控制磁场产生元件14及降噪声源装置15。
因应不同主动降噪技术对高频噪音和低频噪音具有不同的降噪效能，本发明的降噪声响S可被设计为具有比振动声响V为低的频率。为了能够达到降噪的效果，分频逻辑电路18的设计，需考虑以下二点：
反相声源发声元件的频率响应图：因扇叶振动模组(包括扇叶12，磁场感应元件13及磁场产生元件14)产生反相声源的物理位置较接近噪音源B(参照图3)，故以扇叶振动模组作为反相声源为主，可避免声波相位角无法对准的问题。但根据扇叶振动模组设计不同，根据样品实测发现，当频率小于1000Hz时，其频率响应非常的不稳定，难以应用。此时使用降噪声源装置15进行辅助，就可达到降噪的效果。
使用降噪声源装置15作为反相噪音源时，噪音源B与反相音源的物理距离，及所欲达到的减噪效果：当噪音源与反相声源的相位角能够完全对准(0度)时，减噪效果为佳。但是，当噪音源与反相声源的相位角相差60度时，两声波相互作用后已无法产生降低噪音的效果。当噪音源与反相声源的相位角相差60度以上时，两声波相互作用后，反而会产生一更大的噪音。以60度相位角的限制搭配噪音源与反相声源的物理距离，就可以得到声音波长的限制，再辅以声速就可计算出声音频率的限制。例如，假设60度相位角差异只来自噪音源与反相声源的物理距离，而此物理距离约为0.05m，故声音波长为0.05×360/60＝0.3m。假设此时的声速为340m/s，则频率限制即为340/0.3＝1133Hz。依减低噪音的要求，可以调整相位角的限制，即可求得不同的频率限制。此频率限制就是分频逻辑电路中预定设定的频率。由上述可知利用降噪声源装置15及扇叶12旋转时发出噪音N的噪音源B之间的距离即为物理距离D(参阅图3)，以及控制降噪声响S与噪音源B间的相位角相差在60度以下的限制条件下，作为高频噪音HN及低频噪音LN间的分频依据。
前述的降噪风扇系统1，可装设于如图4A、图4B或图4C所示的电子装置100的本体2之中。电子装置100为可为投影机，具有投影镜头5、光机6、光源7以及光阀8等元件。除了投影机之外，电子装置100也可为其他具散热与减噪需求的电子设备。降噪风扇系统1则可为投影机或其他具散热与减噪需求的设备中用来散热的轴流风扇。在许多应用中，电子装置100常需具有播放声音W的功能，此功能则由装置本体2中所装置的音源控制器3，以及电连接于音源控制器3的扬声器4来执行。其中，轴流风扇1可视实际降噪需求紧贴扬声器4(如图4B)，或与扬声器4分离设置(如图4A)。在图4A及图4B所示的实施例中，降噪声源装置15可以选择性的电连接至音源控制器3，以便与扬声器4同时播放声音W。也就是说，轴流风扇1的降噪声源装置15可以被当成喇叭来应用，还可利用软体控制将欲输出的声音分频，依声音频率发声效率，选择喇叭或扇叶作为声音输出装置，或共同输出获得更大的音量。其中，本领域的技术人员可容易知道的，音源控制器3可为音效控制电路，例如声卡、音效处理器或者是可声音控制的程序,本发明并不限于此。
在如图5C所示的实施例中，降噪声源装置15即为执行扬声器4功能的装置，可同时输出降噪声响S及播放声音W。也就是说省略了扬声器4的配置，而直接将降噪声源装置15当成喇叭使用，可减少产品复杂度。
在执行本发明的风扇降噪方法，以应用于降低如上述轴流风扇1运转时所产生的噪音N时，首先取得噪音N的频率、振幅及相位，接着分辨噪音N为高频噪音HN及低频噪音LN；再针对高频噪音HN及低频噪音LN，同时根据噪音的振幅及相位，分别提供第一反相声响及第二反相声响，以分别扺消高频噪音HN及低频噪音LN。在一实施例中，第一反相声响为控制扇叶12的叶片121所产生的振动声响V，第二反相声响则为降噪声源装置15所发出的降噪声响S。
分辨噪音N为高频噪音HN及低频噪音LN的时机，可视实际情况而有不同的选择，在如图2A所示的实施例中，噪音N先利用硬体或软体的方式被分频为高频噪音HN及低频噪音LN，再被送入第一主动降噪电路191及第二主动降噪电路192，分别针对高频噪音HN及低频噪音LN进行反相声源讯号计算，并据以利用不同的发声元件，例如扇叶12的叶片121及降噪声源装置15，发出第一反相声响及第二反相声响。之后还可利用噪音撷取器17，针对第一反相声响及第二反相声响进行回馈调整。此一实施例所显示的讯号处理流程的优点为主动降噪电路19可针对高低频进行优化，依所需处理的讯号及反应速度选择硬体。
在如图2B所示的实施例中，则是先针对噪音N，利用主动降噪电路19进行反相声源讯号计算，而得到反相声源讯号A，再将反相声源讯号A分频，然后据以利用不同的发声元件发出第一反相声响及第二反相声响。之后同样可针对第一反相声响及第二反相声响进行回馈调整。此种流程在逻辑上较为简洁，但进行软体所需要的微处理器的等级较高。
由图5A至图5C所显示的噪音及其反相声源讯号间的关系，可以充分了解本发明所达成的降噪效果。就高频噪音HN而言，如图5A所示，因为噪音源B与反相声源(振动声响V的发生处)几乎位于空间中相同的位置(叶片121的末端)，所以只要使反相声源产生相位完全相反的声波(振动声响V)，于各方向就可降低噪音值。
在低频噪音LN的部分，如图5B所示，因为噪音源B与反相噪音源(降噪声源装置15)的位置有一距离，以105mm×105mm×32mm的风扇为例，噪音源B位于叶片121尾端，反相声源从中心放置降噪声源装置15处发出。假设两者为点声源计算，两声源的距离约为50mm，海平面25℃的声速约为341m/s，假设欲处理的低频讯号为1000Hz以下的音频进行计算，可得到两声源的距离约为声音波长的15％。所以若两声源同时产生相同的声波，并将相位角调整为相差180度时，如图5B所示，虽然有小部分的声波相位无法相消，但大部分声波相位仍是相消的，故仍有不错的降噪效果。
但若风扇右方的区域是较注重噪音的方向，可调整反相噪音声波的相位角如下图示，让右方的区域达到主动降噪效果，但左方的区域噪音就可能变成是增加的了。故此种混合式主动降噪风扇能充分的利用高频音，低频音及主动式降噪技术的特性，有效的降低风扇产生的流场噪音。此处虽以1000Hz做为高低频的分界点，但此高低频分界点应以噪音源与反相声源的距离及所欲达到的降噪效果进行调整。以前述降噪声源装置15及扇叶12旋转时发出噪音N的噪音源B间的物理距离D，以及降噪声响S与噪音源B间的相位角相差R在60度以下的限制，作为高频噪音HN及低频噪音LN间的分频依据。
综上所述，本发明于风扇系统中同时提供如扇叶震动及如降噪喇叭等降噪声源装置提供不同的反相声响，以同时降低高频与低频的风扇噪音值，而大幅提升主动式降噪的效能。同时，当此风扇应用于需要喇叭的产品时，可直接将此风扇当成喇叭使用，减少产品复杂度。当此风扇当成喇叭应用时，还可利用软体控制将欲输出的声音分频，依声音频率发声效率，选择喇叭或扇叶作为声音输出装置，或共同输出获得更大的音量。
以上所述仅为本发明的实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求及发明内容所作的简单的等效变化与修改，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭露的全部目的或优点或特点。此外，摘要和标题仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或权利要求中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。
【符号说明】
100 电子装置
1 降噪风扇系统
11 马达
12 扇叶
121 叶片
13 磁场感应元件
14 磁场产生元件
15 降噪声源装置
16 框体
17 噪音撷取器
18 分频逻辑电路
19 主动降噪电路
191 第一主动降噪电路
192 第二主动降噪电路
2 装置本体
3 音源控制器
4 扬声器
5 投影镜头
6 光机
7 光源
8 光阀
P 预设位置
V 振动声响(第一反相声响)
N 噪音
HN 高频噪音
LN 低频噪音
S 降噪声响(第二反相声响)
NS 噪音讯号
B 噪音源
D 物理距离
A 反相声源讯号
HC 高频反相控制讯号
LC 低频反相控制讯号
W 声音

Claims (18)

1.一种降噪风扇系统，包括：马达、扇叶、磁场产生元件以及降噪声源装置，其中
所述扇叶装设于所述马达上，以使所述马达带动所述扇叶旋转，其中所述扇叶包括多个叶片，
多个磁场感应元件分别设置于所述多个叶片上，
所述磁场产生元件产生磁场，用于驱动所述多个磁场感应元件带动所述多个叶片振动并产生振动声响，用于扺消至少一部分所述扇叶旋转时发出的噪音，以及
所述降噪声源装置能发出降噪声响，且所述降噪声源装置设置于预设位置，使所述降噪声响扺消至少另一部分所述扇叶旋转时发出的噪音。
2.如权利要求1所述的降噪风扇系统，其特征在于，还包括：
框体，围绕所述扇叶，其中
所述多个磁场感应元件为多个磁性元件，且所述磁场产生元件附加于所述框体上。
3.如权利要求1所述的降噪风扇系统，其特征在于，还包括：
噪音撷取器，用于接收所述扇叶旋转时发出的噪音并转为噪音讯号；
分频逻辑电路，电连接于所述噪音撷取器，用以将所述扇叶旋转时发出的噪音分辨为高频噪音及低频噪音；以及
主动降噪电路，电连接于所述分频逻辑电路、所述磁场产生元件及所述降噪声源装置，以因应所述高频噪音及所述低频噪音而分别控制所述磁场产生元件及所述降噪声源装置产生所述振动声响及所述降噪声响，其中所述振动声响及所述降噪声响分别为所述高频噪音及所述低频噪音的反相讯号。
4.如权利要求3所述的降噪风扇系统，其特征在于，所述分频逻辑电路以所述降噪声源装置及所述扇叶旋转时发出噪音的噪音源间的物理距离，以及所述降噪声响与所述噪音源间的相位角相差在60度以下的限制，作为所述高频噪音及所述低频噪音间的分频依据。
5.如权利要求4所述的降噪风扇系统，其特征在于，所述主动降噪电路包括第一主动降噪电路及第二主动降噪电路，分别电连接至所述磁场产生元件及所述降噪声源装置，且所述分频逻辑电路将所述噪音讯号分频后，分别输出至所述第一主动降噪电路及所述第二主动降噪电路。
6.如权利要求4所述的降噪风扇系统，其特征在于，所述主动降噪电路电连接于所述噪音撷取器及所述分频逻辑电路之间，以便将所述噪音讯号先转化为反相声源讯号，再将所述反相声源讯号输入所述分频逻辑电路，以分频为对应所述高频噪音及所述低频噪音的二控制讯号，而分别控制所述磁场产生元件及所述降噪声源装置。
7.一种电子装置，其装设有如权利要求1至6中的任一项所述的降噪风扇系统，其包括装置本体，且所述降噪风扇系统装置于所述装置本体之中。
8.如权利要求7所述的电子装置，其特征在于，还包括：
音源控制器，设置于所述装置本体之中；以及
扬声器，电连接于所述音源控制器，用以播放一声音。
9.如权利要求8所述的电子装置，其特征在于，所述降噪声源装置电连接至所述音源控制器，以便与所述扬声器同时播放所述声音。
10.如权利要求8所述的电子装置，其特征在于，所述降噪声源装置即为所述扬声器。
11.如权利要求8所述的电子装置，其特征在于，所述电子装置为一投影机，且所述降噪风扇系统为轴流风扇。
12.一种风扇降噪方法，用于降低风扇运转时产生的噪音，其中所述风扇包括具有多个叶片的扇叶，所述方法包括：
取得所述噪音的频率、振幅及相位；
分辨所述噪音为一高频噪音及一低频噪音；以及
针对所述高频噪音及所述低频噪音，并根据所述噪音的振幅及相位，分别提供第一反相声响及第二反相声响，以分别扺消所述高频噪音及所述低频噪音。
13.如权利要求12所述的风扇降噪方法，其特征在于，所述第一反相声响为控制所述扇叶的所述多个叶片所产生的振动声响。
14.如权利要求13所述的风扇降噪方法，其特征在于，所述第二反相声响为一降噪声源装置发出的一降噪声响。
15.如权利要求14所述的风扇降噪方法，其特征在于，以所述降噪声源装置及所述噪音的噪音源间的物理距离，以及所述降噪声响与所述噪音源间的相位角相差在60度以下的限制，来作为所述高频噪音及所述低频噪音间的分频依据。
16.如权利要求12所述的风扇降噪方法，其特征在于，所述噪音先被分频为所述高频噪音及所述低频噪音，再针对所述高频噪音及所述低频噪音分别进行反相声源讯号计算，并据以利用不同的发声元件发出所述第一反相声响及所述第二反相声响。
17.如权利要求16所述的风扇降噪方法，其特征在于，还包括针对所述第一反相声响及所述第二反相声响的回馈调整步骤。
18.如权利要求12所述的风扇降噪方法，其特征在于，先针对所述噪音进行反相声源讯号计算而得至反相声源讯号，再将所述反相声源讯号分频，然后据以利用不同的发声元件发出所述第一反相声响及所述第二反相声响。
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