CN107808657B - 主动降噪耳机的设计系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及主动降噪领域，具体而言，涉及一种主动降噪耳机的设计系统及方法。该主动降噪耳机的设计系统及方法，分别包含仿真人头、数据采集设备、待设计降噪耳机以及配置主动降噪系统设计软件的计算机。利用仿真人头与数据采集设备采集待设计降噪耳机在噪声环境下的相关测量数据，并将其传输至计算机；计算机中的主动降噪系统设计软件对上述测量数据进行建模与计算，得到所需降噪参数的计算结果，输出该结果并将其写入待设计降噪耳机。与现有的主动降噪耳机设计系统相比，采用该系统批量设计的主动降噪耳机均能取得优异的降噪效果，同时还能保证所设计的主动降噪耳机的降噪性能具有良好的一致性。

Description

主动降噪耳机的设计系统及方法
技术领域
本发明涉及主动降噪领域，具体而言，涉及一种主动降噪耳机的设计系统及方法。
背景技术
对于一些特定的场合，如飞机、地铁、船舶等均会有较大的环境噪声，长时间身处于该环境噪中会危害人的听力健康，严重的还会造成神经衰弱等精神问题。为解决上述问题，最简单且经济的方法是给双耳塞上隔音耳塞，这是一种被动降噪的方法，通过阻隔噪声达到噪声消噪的效果，这种方法能够阻隔较高频率的噪声，但无法消除上述场景中存在的中、低频噪声。另一种有效的解决方法是佩戴具有主动降噪功能的耳机，这种耳机将被动降噪与主动降噪结合起来，能够消除全频段的噪声，消噪效果良好。
主动降噪耳机在设计时，需要对耳机的降噪参数进行调试，由于每个耳机的声学特性存在差异，若使用同一组降噪参数会导致不同耳机的降噪性能不同，从而导致批量生产出来的降噪耳机出现降噪性能一致性差的问题。现有解决该问题的方法是在固定耳机其他降噪参数的前提下，通过调整增益，在不发生啸叫的情况下达到最优降噪效果。这种只调节增益的主动降噪耳机在线设计方法，一方面，无法达到最优的降噪效果；另一方面，无法保证所有耳机具有一致的降噪性能。
发明内容
为解决上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种主动降噪耳机的设计系统及方法，以提高主动降噪耳机的降噪性能。
第一方面，本发明提供一种主动降噪耳机的设计系统，包括：仿真人头、数据采集装置、待设计降噪耳机以及计算机。
所述待设计降噪耳机佩戴在所述仿真人头上，所述待设计降噪耳机与所述数据采集装置相连，所述数据采集装置与所述计算机相连，所述计算机与所述待设计降噪耳机相连。
所述计算机需安装降噪系统设计软件。
结合第一方面，本发明提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中：所述待设计降噪耳机为头戴式或入耳式。
结合第一方面，本发明提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中：所述待设计降噪耳机具备主动降噪系统。
结合第一方面，本发明提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中：所述主动降噪系统包含依次连接的麦克风，主动降噪模块以及扬声器。
结合第一方面，本发明提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中：所述主动降噪模块包括依次连接的模数转换电路、数字滤波器以及数模转换电路。
结合第一方面，本发明提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中：所述降噪系统设计软件包括：建模单元、计算单元以及性能评价单元。
结合第一方面，本发明提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中：所述计算单元包括：滤波器库和优化算法。
第二方面，本发明提供了一种主动降噪耳机的设计方法，用于设计主动降噪耳机，包括：
分别采集主通道与次级通道的测量数据；
根据所述主通道与次级通道的测量数据，分别建立主通道与次级通道的传声特性模型；
根据所述主通道与次级通道的传声特性模型和降噪系统设计软件内置的滤波器库，确定最优滤波器。
结合第二方面，本发明提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中：建立所述主通道与次级通道的传声特性模型采用最小二乘类辨识方法。
结合第二方面，本发明提供了第二方面的第六种可能的实施方式，其中：所述滤波器库是针对各种类型的降噪耳机建立的滤波器大数据库。
本发明提供一种适用于主动降噪耳机的设计系统和方法，分别包含仿真人头与数据采集设备、待设计降噪耳机以及配置主动降噪系统设计软件的计算机。利用仿真人头与数据采集设备采集待设计降噪耳机在噪声环境下的相关测量数据，并将其传输至计算机；计算机中的主动降噪系统设计软件对上述测量数据进行建模与计算，得到所需降噪参数的计算结果，输出该结果并将其写入待设计降噪耳机。与现有的主动降噪耳机设计系统相比，由于本系统能够根据每个待设计的主动降噪耳机的声腔特性，自动在线设计降噪系统的参数，因此，采用该系统设计的主动降噪耳机均能取得优异的降噪效果，同时还能保证所设计的主动降噪耳机的降噪性能具有良好的一致性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例1提供的一种主动降噪耳机的设计系统的具体结构示意图。
图2示出了本发明实施例1提供的一种主动降噪耳机的设计系统中，主动降噪系统的具体结构示意图。
图3示出了本发明实施例1提供的一种主动降噪耳机的设计系统中，主动降噪模块的具体结构示意图。
图4示出了本发明实施例2提供的一种主动降噪耳机的设计方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
另外，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参见图1所示的适用于主动降噪耳机的设计系统的具体结构示意图，本实施例提供了一种适用于主动降噪耳机设计系统，包括：仿真人头与数据采集装置、待设计降噪耳机以及计算机。
上述待设计降噪耳机佩戴在所述仿真人头上，上述待设计降噪耳机与上述数据采集装置相连，上述数据采集装置与上述计算机相连，上述计算机与上述待设计降噪耳机相连。
上述计算机需安装降噪系统设计软件。
在噪声环境中，佩戴在仿真人头上的待设计降噪耳机将其声学特性信号转化成电信号传输至数据采集装置，数据采集装置将在该电信号转换数据格式后传输至计算机，计算机读取该信号并利用计算机中的主动降噪系统设计软件对其进行计算，最终得到降噪参数并输出至待设计降噪耳机，待设计降噪耳机被写入降噪参数，完成该降噪耳机的设计。
为保证上述测量过程的数据能完全反应耳机佩戴在人耳的真实降噪过程，需要求上述仿真人头能够完全仿真人头的形状与材质，且上述仿真人头需包括仿真人耳，该仿真人耳能完全模拟人耳形状和内部结构。
在一个实施方式中，上述待设计降噪耳机为头戴式或入耳式。
在一个实施方式中，上述待设计降噪耳机具备主动降噪系统，该主动降噪系统主要用于实施耳机的主动降噪功能。
在一个实施方式中，参见图2所示的主动降噪系统的具体结构示意图。上述主动降噪系统包含依次连接的麦克风、主动降噪模块以及扬声器。麦克风将检测到的噪声信号传输至主动降噪模块，经主动降噪模块处理后输出消噪信号，消噪信号通过扬声器播放，产生消噪声波，消噪声波与噪声声波发生干涉，实现噪声消除的功能。
在一个实施方式中，参见图3所示的主动降噪模块的具体结构示意图。上述主动降噪模块包括依次连接的模数转换电路、数字滤波器以及数模转换电路。来自麦克风的噪声信号通过模数转换电路转化成数字信号，该数字信号传输至数字滤波器，经过数字滤波器处理后生成消噪信号，该降噪信号传输至数模转化电路，经数模转化电路转化成模拟信号，该模拟消噪信号输出至扬声器。
在一个实施方式中，上述降噪系统设计软件包括：建模单元、计算单元以及性能评价单元。上降噪系统设计软件通过对来自数据采集装置的待设计降噪耳机声学特性数据进行在线建模，通过计算优化得到适合该降噪耳机的降噪参数，并进一步评价具备该降噪参数的降噪系统性能，满足性能要求的降噪参数即可输出，将其写入待设计降噪耳机内。
在一个实施方式中，上述计算单元包括：滤波器库和优化算法。通过优化算法确定滤波器库中的最优滤波器。
实施例2
参见图4所示的一种主动降噪耳机的设计方法流程图，本实施例提出的主动降噪耳机批量设计方法包括以下步骤：
步骤400：分别采集主通道与次级通道的测量数据；
具体地，分别采集主通道的输入、输出时域数据x1，y1、次级通道的输入、输出时域数据x2，y2，将上述两组数据传输至计算机内的主动降噪系统设计软件。
步骤402：根据所述主通道与次级通道的测量数据，分别建立主通道与次级通道的传声特性模型；
具体地，基于上述两组数据，(x1，y1)和(x2，y2)，利用最小二乘类辨识方法，分别确定主通道与次级通道的传声特性模型
Figure BDA0001489888040000061
Figure BDA0001489888040000062
其中式中B1(s)、A1(s)分别表示代数式P(s)的分子与分母多项式，B2(s)、A2(s)分别表示代数式S(s)的分子与分母多项式，s表示微分算子。
步骤404：根据所述主通道与次级通道的传声特性模型和降噪系统设计软件内置的滤波器库，确定最优滤波器。
具体地，针对当前降噪系统的主通道与次级通道的传声特性模型，从滤波器中选取降噪效果最优的前馈滤波器和反馈滤波器。
最优前馈滤波器和最优反馈滤波器的确定能够归结为两个优化问题的求解，即假设最优前馈滤波器为H(s)，最优反馈滤波器为G(s)，则：
使得||1+HS||2最小的H(s)，即为最优前馈滤波器，遵循该准则，从滤波器库中确定最优前馈滤波器。
使得
Figure BDA0001489888040000071
最小的G(s)，即为最优反馈滤波器，遵循该准则，从滤波器库中确定最优反馈滤波器。
本发明提供一种主动降噪耳机的设计系统及方法，分别包含仿真人头与数据采集设备、待设计降噪耳机以及配置主动降噪系统设计软件的计算机。利用仿真人头与数据采集设备采集待设计降噪耳机在噪声环境下的相关测量数据，并将其传输至计算机；计算机中的主动降噪系统设计软件对上述测量数据进行建模与计算，得到所需降噪参数的计算结果，输出该结果并将其写入待设计降噪耳机。与现有的主动降噪耳机设计系统相比，由于本系统能够根据每个待设计的主动降噪耳机的声腔特性，自动在线设计降噪系统的参数，因此，采用该系统设计的主动降噪耳机均能取得优异的降噪效果，同时还能保证所设计的主动降噪耳机的降噪性能具有良好的一致性。
综上所述，仅为发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种主动降噪耳机的设计系统，其特征在于，包括：仿真人头、数据采集装置、待设计降噪耳机以及计算机；
所述待设计降噪耳机佩戴在所述仿真人头上，所述待设计降噪耳机与所述数据采集装置相连，所述数据采集装置与所述计算机相连，所述计算机与所述待设计降噪耳机相连；
所述计算机需安装降噪系统设计软件；
佩戴在所述仿真人头上的所述待设计降噪耳机，将所述待设计降噪耳机声学特性信号转化成电信号传输至所述数据采集装置，所述数据采集装置将在该电信号转换数据格式后传输至所述计算机，所述计算机读取转换数据格式后的电信号并利用所述计算机中的主动降噪系统设计软件，对读取转换数据格式后的电信号进行计算，最终得到降噪参数并输出至所述待设计降噪耳机，所述待设计降噪耳机被写入降噪参数。
2.根据权利要求1所述的主动降噪耳机的设计系统，其特征在于，所述待设计降噪耳机为头戴式或入耳式。
3.根据权利要求1所述的主动降噪耳机的设计系统，其特征在于，所述待设计降噪耳机具备主动降噪系统。
4.根据权利要求3所述的主动降噪耳机的设计系统，其特征在于，所述主动降噪系统包含依次连接的麦克风，主动降噪模块以及扬声器。
5.根据权利要求4所述的主动降噪耳机的设计系统，其特征在于，所述主动降噪模块包括依次连接的模数转换电路、数字滤波器以及数模转换电路。
6.根据权利要求1所述的主动降噪耳机的设计系统，其特征在于，所述降噪系统设计软件包括：建模单元、计算单元以及性能评价单元。
7.根据权利要求6所述的主动降噪耳机的设计系统，其特征在于，所述计算单元包括：滤波器库和优化算法。
8.一种主动降噪耳机的设计方法，用于设计主动降噪耳机，其特征在于，包括：
分别采集主动降噪耳机的主通道与次级通道的测量数据，并传输至计算机内的主动降噪系统设计软件；
根据所述主通道与次级通道的测量数据，分别建立主通道与次级通道的传声特性模型；
根据所述主通道与次级通道的传声特性模型和降噪系统设计软件内置的滤波器库，确定最优滤波器；
针对当前主动降噪耳机的降噪系统的主通道与次级通道的传声特性模型，从滤波器中选取降噪效果最优的前馈滤波器和反馈滤波器；
最优前馈滤波器为H(s)，最优反馈滤波器为G(s)，次级通道的传声特性模型为S(s)，则：
使得||1+H(s)S(s)||2最小的H(s)，即为最优前馈滤波器，从滤波器库中确定最优前馈滤波器；
使得
Figure FDA0002500905380000021
最小的G(s)，即为最优反馈滤波器，从滤波器库中确定最优反馈滤波器。
9.根据权利要求8所述的主动降噪耳机的设计方法，其特征在于，建立所述主通道与次级通道的传声特性模型采用最小二乘类辨识方法。
10.根据权利要求9所述的主动降噪耳机的设计方法，其特征在于，所述滤波器库是针对各种类型的降噪耳机建立的滤波器大数据库。
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基于DSP的耳机噪声抵消系统的设计与实现;陈斌 等;《电声技术》;20100417;第34卷(第4期);第79-82页 *

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