CN107316634A - 一种主动抵消近场噪声方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种主动抵消近场噪声方法及装置，包括：采用两个灵敏度不同、置于相同水环境中的水听器作为探测传感器，每个水听器将声信号转换为电信号输出；灵敏度高的水听器可以接收到远场的水声信号和近场的水声信号，而灵敏度低的水听器只能接收到近场的水声信号；灵敏度低的水听器输出的电信号经过前置放大器放大后，通过调节装置进行幅值调节并将信号反向，输入到灵敏度高的水听器中作为控制信号；灵敏度高的水听器内部包括声电转换部分和电声转换部分，电声转换部分接收调节装置发送的控制信号，产生与近场水声相位相反的振动，与近场水声在声电转换部分产生的振动相互抵消，抑制近场水声的影响，实现对远场水声信号的有效探测。

Description

一种主动抵消近场噪声方法及装置
技术领域
本发明涉及一种主动抵消近场噪声方法及装置，属于高精度信号探测领域，尤其适用于远场微弱信号探测。
背景技术
现有技术中的降噪包括主动式降噪和被动式降噪，被动式降噪大多采用机械降噪的方式，其降噪效果不佳，主动式降噪采用有源消音的原理进行降噪，通过安装一个降噪器，由降噪器输出一个与待消除噪音的频谱相同，相位相反的消噪信号实现其降噪效果。但是，现有的降噪技术无法区分远近场的噪声来源，无法针对近场噪声特点单独消除近场噪声，从而保留远场的声信号。
发明内容
本发明提供了一种主动抵消近场噪声的方法及装置，旨在解决声音信号远距离探测过程中，近场噪声信号对探测干扰的问题。利用本发明提供的方法及装置，可以有效抵消近场噪声，提高探测距离的动态响应范围。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种主动抵消近场噪声方法，包括：
采用两个灵敏度不同、置于相同水环境中的水听器作为探测传感器，每个水听器将声信号转换为电信号输出；输出信号分别接一个前置放大器进行放大，使得水听器的信号能够满足辨识和控制的需要；其中，灵敏度高的水听器可以接收到远场(远距离)的水声信号和近场(近距离)的水声信号，而灵敏度低的水听器只能接收到近场的水声信号；
灵敏度低的水听器输出的电信号经过前置放大器放大后，通过调节装置进行幅值调节并将信号反向，输入到灵敏度高的水听器中作为控制信号；敏度高的水听器内部包括声电转换部分和电声转换部分，电声转换部分接收调节装置发送的控制信号，产生与近场水声相位相反的振动，与近场水声在声电转换部分产生的振动相互抵消，抑制近场水声的影响，使灵敏度高的水听器只输出小幅值的远场水声信号，该信号的动态范围符合前置放大器的动态范围要求，从而能够将该信号输入对应的前置放大器进行放大，实现对远距离水声信号的有效探测。
进一步地，所述水听器为压电水听器或光纤水听器。
进一步地，两个水听器均为压电水听器，灵敏度高的水听器的声电转换部分与电声转换部分均采用相同的压电材料；其中，声电转换部分一端连接外部顶盖，接收水下环境传来的声信号，声电转换部分另一端与电声转换部分刚性相连，电声转换部分收到由灵敏度低的水听器输出的经过幅值调整以及相位反向的信号，产生与近场水声信号幅值相同、相位相反的振动，从而抵消近场水声信号引起的声电转换部分产生的振动，使灵敏度高的水听器只输出远距离传播过来的声信号。
进一步地，两个水听器均为光纤水听器，对于灵敏度高的水听器：首先将一段光纤依次缠绕并固定在不同的结构体上，其中一个结构体由压力敏感材料制作，将该部分置入一个与外部环境相通的腔体中，它会感受到水声的压力变化产生形变，从而改变光纤腔长的变化，而腔长变化会导致光在光纤中传播时间变化，传播时间变化导致光电转化出的电信号发生变化，电信号的变化和水声信号的变化相对应；为了抵消近场水声的影响，另一个结构体采用压电材料制作，它完全封闭在一个独立的腔体内，不会受到水声的影响，它收到由灵敏度低的水听器输出的经过幅值调整以及相位反向的控制信号，产生相应的形变，该形变同样会引起光纤长度的变化，这一段光纤长度的变化刚好和前一段光纤变化的长度相等且变化方向相反，因此产生了光程抵消，使得最终从光纤中输出光的时间变化仅仅与远场水声信号相对应，与近场水声信号无关，这样通过光电探测器最终输出的电信号就是远距离传播过来的声信号。
进一步地，灵敏度低的水听器的前置放大器和调节装置这两个环节可以通过一级反向放大电路来实现。
一种主动抵消近场噪声装置，该装置包括：第一水听器、第二水听器、第一前置放大器、第二前置放大器和调节装置；所述第一水听器和第二水听器置于相同水环境中，且第一水听器的灵敏度高于第二水听器；所述第一水听器包括声电转换部分和电声转换部分，第一水听器的输出端连接第一前置放大器；所述第二水听器、第二前置放大器、调节装置、电声转换部分依次连接；所述第二水听器输出的电信号经过第二前置放大器放大后，通过调节装置进行幅值调节并将信号反向，输入到第一水听器中的电声转换部分作为控制信号；电声转换部分接收调节装置发送的控制信号，产生与近场水声相位相反的振动，与近场水声在声电转换部分产生的振动相互抵消，使第一水听器只输出远场水声信号；第一水听器输出的电信号经过第一前置放大器放大后输出。
本发明的有益效果是：可以在探测远场声音信号的同时，有效消除近场噪声的干扰，提高了探测的距离、精度和动态响应范围。
附图说明
图1是本发明的压电水听器降噪示意图；
图2是本发明的光纤水听器降噪示意图；
图3是高灵敏度光纤水听器示意图；
图中：第一水听器1、声电转换部分2、第一前置放大器3、电声转换部分4、第二水听器6、调节装置5、第二前置放大器7、与外界相通的腔体8、独立的腔体9。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供的一种主动抵消近场噪声方法，包括：
采用两个灵敏度不同、置于相同水环境中的水听器作为探测传感器，每个水听器将声信号转换为电信号输出；输出信号分别接一个前置放大器进行放大，使得水听器的信号能够满足辨识和控制的需要；其中，灵敏度高的水听器可以接收到远场(远距离)的水声信号和近场(近距离)的水声信号，而灵敏度低的水听器只能接收到近场的水声信号；
灵敏度低的水听器输出的电信号经过前置放大器放大后，通过调节装置进行幅值调节并将信号反向，输入到灵敏度高的水听器中作为控制信号；敏度高的水听器内部包括声电转换部分和电声转换部分，电声转换部分接收调节装置发送的控制信号，产生与近场水声相位相反的振动，与近场水声在声电转换部分产生的振动相互抵消，抑制近场水声的影响，使灵敏度高的水听器只输出小幅值的远场水声信号，该信号的动态范围符合前置放大器的动态范围要求，从而能够将该信号输入对应的前置放大器进行放大，实现对远距离水声信号的有效探测。
本发明提供的一种主动抵消近场噪声装置，如图1所示，包括：第一水听器1、第二水听器6、第一前置放大器3、第二前置放大器7和调节装置5；所述第一水听器1和第二水听器6置于相同水环境中，且第一水听器1的灵敏度高于第二水听器6；
所述第一水听器1包括声电转换部分2和电声转换部分4，第一水听器1的输出端连接第一前置放大器3；所述第二水听器6、第二前置放大器7、调节装置5、电声转换部分4依次连接；所述第二水听器6输出的电信号经过第二前置放大器7放大后，通过调节装置5进行幅值调节并将信号反向，输入到第一水听器1中的电声转换部分4作为控制信号；电声转换部分4接收调节装置5发送的控制信号，产生与近场水声相位相反的振动，与近场水声在声电转换部分2产生的振动相互抵消，使第一水听器1只输出远场水声信号；第一水听器1输出的电信号经过第一前置放大器3放大后输出。
用于主动抵消近场噪声的水听器分为两种：一种是压电水听器，一种是光纤水听器。其中灵敏度低的水听器可以采用现有的商用水听器，而灵敏度高的水听器由两部分结构构成，一部分是高灵敏度声电转换部分，另一部分是低灵敏度电声转换部分。
对于采用压电材料的第一水听器1，如图1，声电转换部分2与电声转换部分4均采用相同的压电材料；其中，声电转换部分2一端连接外部顶盖，接收水下环境传来的声信号，声电转换部分2另一端与电声转换部分4刚性相连，电声转换部分4收到由第二水听器6输出的经过幅值调整以及相位反向的信号，产生与近场水声信号幅值相同、相位相反的振动，从而抵消近场水声信号引起的声电转换部分2产生的振动，使第二水听器6只输出远距离传播过来的声信号。
对于采用光纤的第一水听器1，如图2和3，其近场水声抵消方法如下：首先将一段光纤依次缠绕并固定在不同的结构体上，其中一个结构体由压力敏感材料制作，将该部分置入一个与外界相通的腔体8中，它会感受到水声的压力变化产生形变，从而改变光纤腔长的变化，而腔长变化会导致光在光纤中传播时间变化，传播时间变化导致光电转化出的电信号发生变化，电信号的变化和水声信号的变化相对应；为了抵消近场水声的影响，另一个结构体采用压电材料制作，它完全封闭在一个独立的腔体9内，不会受到水声的影响，它收到由第二水听器6输出的经过幅值调整以及相位反向的控制信号，产生相应的形变，该形变同样会引起光纤长度的变化，这一段光纤长度的变化刚好和前一段光纤变化的长度相等且变化方向相反，因此产生了光程抵消，使得最终从光纤中输出光的时间变化仅仅与远场水声信号相对应，与近场水声信号无关，这样通过光电探测器最终输出的电信号就是远距离传播过来的声信号。
如图1、图2所示，第二水听器6的第二前置放大器7和调节装置5这两个环节可以通过一级反向放大电路来实现。

Claims (6)

1.一种主动抵消近场噪声方法，其特征在于，包括：
采用两个灵敏度不同、置于相同水环境中的水听器作为探测传感器，每个水听器将声信号转换为电信号输出；其中，灵敏度高的水听器可以接收到远场的水声信号和近场的水声信号，而灵敏度低的水听器只能接收到近场的水声信号；
灵敏度低的水听器输出的电信号经过前置放大器放大后，通过调节装置进行幅值调节并将信号反向，输入到灵敏度高的水听器中作为控制信号；敏度高的水听器内部包括声电转换部分和电声转换部分，电声转换部分接收调节装置发送的控制信号，产生与近场水声相位相反的振动，与近场水声在声电转换部分产生的振动相互抵消，抑制近场水声的影响，使灵敏度高的水听器只输出小幅值的远场水声信号；灵敏度高的水听器输出的电信号经过前置放大器放大后输出，实现对远场水声信号的有效探测。
2.根据权利要求1所述的一种主动抵消近场噪声方法，其特征在于，所述水听器为压电水听器或光纤水听器。
3.根据权利要求1所述的一种主动抵消近场噪声方法，其特征在于，两个水听器均为压电水听器，灵敏度高的水听器的声电转换部分与电声转换部分均采用相同的压电材料；其中，声电转换部分一端连接外部顶盖，接收水下环境传来的声信号，声电转换部分另一端与电声转换部分刚性相连，电声转换部分收到由灵敏度低的水听器输出的经过幅值调整以及相位反向的信号，产生与近场水声信号幅值相同、相位相反的振动，从而抵消近场水声信号引起的声电转换部分产生的振动，使灵敏度高的水听器只输出远距离传播过来的声信号。
4.根据权利要求1所述的一种主动抵消近场噪声方法，其特征在于，两个水听器均为光纤水听器，对于灵敏度高的水听器：首先将一段光纤依次缠绕并固定在不同的结构体上，其中一个结构体由压力敏感材料制作，将该部分置入一个与外部环境相通的腔体中，它会感受到水声的压力变化产生形变，从而改变光纤腔长的变化，而腔长变化会导致光在光纤中传播时间变化，传播时间变化导致光电转化出的电信号发生变化，电信号的变化和水声信号的变化相对应；为了抵消近场水声的影响，另一个结构体采用压电材料制作，它完全封闭在一个独立的腔体内，不会受到水声的影响，它收到由灵敏度低的水听器输出的经过幅值调整以及相位反向的控制信号，产生相应的形变，该形变同样会引起光纤长度的变化，这一段光纤长度的变化刚好和前一段光纤变化的长度相等且变化方向相反，因此产生了光程抵消，使得最终从光纤中输出光的时间变化仅仅与远场水声信号相对应，与近场水声信号无关，这样通过光电探测器最终输出的电信号就是远距离传播过来的声信号。
5.根据权利要求1所述的一种主动抵消近场噪声方法，其特征在于，灵敏度低的水听器的前置放大器和调节装置这两个环节可以通过一级反向放大电路来实现。
6.一种主动抵消近场噪声装置，其特征在于，包括：第一水听器、第二水听器、第一前置放大器、第二前置放大器和调节装置；所述第一水听器和第二水听器置于相同水环境中，且第一水听器的灵敏度高于第二水听器；所述第一水听器包括声电转换部分和电声转换部分，第一水听器的输出端连接第一前置放大器；所述第二水听器、第二前置放大器、调节装置、电声转换部分依次连接；所述第二水听器输出的电信号经过第二前置放大器放大后，通过调节装置进行幅值调节并将信号反向，输入到第一水听器中的电声转换部分作为控制信号；电声转换部分接收调节装置发送的控制信号，产生与近场水声相位相反的振动，与近场水声在声电转换部分产生的振动相互抵消，使第一水听器只输出远场水声信号；第一水听器输出的电信号经过第一前置放大器放大后输出。
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