CN107890390A - 主动降噪防护耳罩 - Google Patents

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徐浩星
牛同锋
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陈淑娟
刘红
屈纯
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Abstract

本发明是一种用于全频段噪音防护的主动降噪防护耳罩。它由拾音与传声机构、控制与调节机构和辅助部件组成，拾音与传声机构设有拾音麦克风、通讯麦克风和喇叭，拾音麦克风用于拾取外界环境噪音，喇叭用于将外界环境声音播放传递人耳，通讯麦克风用于传递语音信号和配合对讲机传输；控制与调节机构设有主动降噪电路、降噪模块、音量转换电路、计时模块和音频输入接口，辅助部件设有密封垫圈和按键，按键用于选择拾音和降噪等级。它利用密封垫圈衰减吸收高频段噪音，拾音麦克风拾取环境噪音，经过低通滤波、信号反相、叠加抵消，实现主动降噪。本发明具有结构合理、维护方便、噪音防护与语音交流兼顾、主动降噪与被动降噪并举的优点。

Description

主动降噪防护耳罩
技术领域
本发明涉及一种全频段噪音消除与隔离用主动降噪防护耳罩。
背景技术
普通耳罩是常用的听力防护器具，它采用物理降噪模式，能够有效地隔离高频噪音对人耳的伤害。对于机械振动、机加车床、空调运行等工况产生的低频噪音，普通耳罩则难以通过物理降噪进行隔绝。
传统的音乐降噪耳机是将麦克风内置于耳罩内，动态反馈降噪效果，实时调整，其主要功能在于优化音乐的纯净度效果，不能针对嘈杂的环境信号进行降噪防护。
现有技术中的主动降噪耳机是一种反向抵消噪音信号的器具，它通过拾取环境噪音后产生一个与噪声信号幅值相等、极性相反的信号来进行抵消，从而实现降噪防护。一方面，由于人耳听觉信号与电路传声信号之间存在有延时，导致二者有相位差，即便对拾音信号进行反相处理，也难以实现完全消除的效果。另一方面，环境声音通常不是单一的频率信号，而是由多种不同频段信号混合叠加而成的；同一滤波电路对不同频率噪音的延时效果也不尽相同，实际上，它只能针对某一频率段实现零相位差的调整。
发明内容
本发明的目的是要提供一种主动降噪防护耳罩，它能够有效地实现主动降噪和全频段噪音防护，可靠地优化滤波电路的零相位调整点、最大限度的实现降噪效果。
本发明的技术方案是：
设计一种主动降噪防护耳罩，由拾音与传声机构、控制与调节机构和辅助部件组成，其特征在于：拾音与传声机构设置有拾音麦克风、通讯麦克风，拾音麦克风用于拾取外界环境噪音，传声喇叭用于将外界环境声音播放传递人耳，通讯麦克风用于传递语音信号和配合对讲机传输；控制与调节机构设置有主动降噪电路、降噪模块、音量转换电路、计时模块和音频输入接口，主动降噪电路中设有降噪模块，降噪模块用于调节低频信号的相位差，音量转换电路用于将喇叭播放信号转化为音量大小，计时模块用于记录超标环境噪音时长，音频输入接口用于接收和传输语音信号；辅助部件设置有密封垫圈和按键，双层硅胶结构的密封垫圈用于阻隔和抵消高频噪音，按键用于选择拾音和降噪等级。
拾音麦克风为外置的全指向麦克风，通讯麦克风为定向麦克风。降噪模块可以选择滤波电路，调整人耳直接听取的噪音和通过电路结构传达的信号之间的相位差，在500Hz正弦声音信号下，使二者相位差调整为零；降噪模块还可以将拾取的环境信号进行放大和反向，在人耳处将直接听取的环境噪音抵消为零。音量转换电路可以将喇叭播放信号转化为音量大小，根据音量大小自动选择降噪增益，避免出现降噪过多或降噪不足，从而实现自动选择降噪增益。计时模块记录每次开机后人耳在超过80dB噪音环境状态下的总暴露时长。
附图说明
图1是结构示意图。
图2是电路原理图。
图中，1、拾音与传声机构，2、控制与调节机构，3、辅助部件4、拾音麦克风， 5、通讯麦克风，6、喇叭，7、主动降噪电路，8、降噪模块，9、音量转换电路， 10、音频输入接口，11、音量调节按键，12、寄存器，13、控制器，14、信号放大器，15、通信线路，16、降噪输出，17、二阶滤波器，18、反相放大器，19、外壳，20、密封垫圈，21、按键，22、插头，23、拾音输出，24、计时模块。
具体实施方式
下面根据附图提供的实施例分三个方面对本发明作进一步说明。
第一部分，结构部件。
所述实施例包括：拾音与传声机构(1)，控制与调节机构(2)，辅助部件(3)；
拾音与传声机构(1)包括：拾音麦克风(4)，通讯麦克风(5)，喇叭(6)；
控制与调节机构(2)包括：主动降噪电路 (7)，降噪模块(8)，音量转换电路(9)，音频输入接口(10)，音量调节按键(11)，寄存器(12)，控制器(13)，，信号放大器(14)，通信线路(15)，降噪输出(16)，二阶滤波器(17)，反相放大器(18)，拾音输出（23），计时模块（24）；
辅助部件(3)：外壳(19)，密封垫圈(20)，按键(21)，插头(22)。
第二部分，电路原理。
根据按键（21）选择功能模式，当耳罩在拾音监听模式下时，拾音麦克风（4）将拾取的外界声音信号传输到信号放大器（14）进行信号放大处理，处理后的拾音输出（23）将声音信号通过音量转换电路（9）传输到控制器（13）进行音量转换计算，控制器（13）根据音量调节按键（11）输入的放大增益设置，通过IIC通信协议，经通信线路（15）写入寄存器（12），信号放大器（14）根据读取的寄存器（12）的指令，自动调节信号放大器（14）的放大增益，控制喇叭（6）传输到人耳的声音大小控制在人耳舒适的听阈范围，此过程中，拾音输出（23）的信号被寄存器（12）选择通过，直接送达喇叭（6）。
根据按键（21）选择功能模式，当耳罩在主动降噪模式下时，拾音麦克风（4）将拾取的外界声音信号传输到信号放大器（14）进行信号放大处理，再经降噪模块（8）进行相位调整和滤波反相后，按照寄存器（12）存储的指令要求，直接传输到喇叭（6）进行播放。图2中降噪模块（8）的实施例采用了二阶滤波器（17）进行相位调整，反相放大器（18）对声音信号进行反相处理。主动降噪电路（7）由拾音麦克风（4）、信号放大器（14）和降噪模块（8）组成。降噪过程中，音量转换电路（9）根据采集到的拾音输出（23）和降噪输出（16），通过二者的对比，评估控制器（13）的动态增益调整效果，及时调节人耳获取的声音大小。同时，通过拾音输出（23）监控传达人耳的噪音，当外界声音超过80dB时，启动计时模块（24）。控制器（13）自带计时器功能，因此计时模块的开启通过软件编程启动。
当耳罩在语音模式下时，插头（22）与对讲机连接时，按下PTT按钮后，从电台收到的语音信号通过音频输入接口（10）接入系统电路，经过信号放大器（14）放大后，传输到喇叭（6）进行播放。在此过程中，信号放大器（14）的增益根据寄存器（12）接收到的指令自动调节，在音频信号输入过程中，系统将自动降低拾音麦克风（4）的放大增益，确保语音信号的清晰传输。
第三部件，主动降噪过程。
被动降噪功能：密封垫圈(20)实现对高频噪音的物理隔绝。密封垫圈(20)材质为硅胶材料、结构为双层密封，佩戴更为舒适服帖，降噪隔音效果良好。
主动降噪功能：声音通过防护耳罩传递到人耳时，其中高频的部分遇到密封垫圈(20)，被衰减吸收，只有低频的声音传达到人耳。与此同时，耳罩左右两边的拾音麦克风(4)及时拾取外界环境噪音，放大后输入到控制与调节机构(2)，控制与调节机构(2)采用低通滤波电路，将高频信号过滤，仅允许1kHz以内低频信号通过，并对通过信号的相位进行调整，经调整的低频信号在控制电路板放大器作用下反相，反相后的信号直接通过喇叭(6)传递到人耳。至此，电路的反相信号与环境实际的噪音信号在人耳处叠加抵消，实现主动降噪去除低频噪音的功能。按键(21)包括了本发明电源开关开关，模式选择和按键音量设置功能。其中，开关采用一键开关，按一下，电路接通，再按一下，电路关闭，如此循环往复；模式选择功能是方便用户根据需求，选择是否开启语音通信功能，按一下，语音功能开启，再按一下，语音功能关闭，语音功能开启后，系统会自动降低拾音麦克风（4）的放大增益，即降低环境噪音，使语音交流信号更加清晰通畅；按键音量设置是用于用户根据自身听觉感知能力，自主选择喇叭（6）的音量大小，选择最舒适的音量放大级别。插头(25)与通讯麦克风(5)是用于实现本发明通讯功能的组成部分。插头(25)与对讲机相连接，当语音通讯功能开启后，用户可以直接通过通讯麦克风(5)拾取语音信号，通过对讲机将语音信号发送给其他人，实现在防护状态下的实时交流。
自动增益调节功能：当控制与调节机构(2)的音量转换电路根据降噪输出(16)和拾音输出（23）的输出音量大小，自动调节拾音麦克风（4）输入信号的放大增益，始终保持人耳获取的音量范围在80dB以内。当拾取的音量<40dB时，将音频输入信号放大增益进行平方运算，快速放大声音；当拾取的音量处于40dB到80dB之间时，音频输入信号放大增益保持初始设置，表示此时音量在人体可接受范围；当拾取的音量>80dB时，将音频输入信号放大增益进行开方运算，快速降低音量大小。
计时功能：当控制与调节机构(2)的音量转换电路（9）测得拾音输出(23)输出音量的大小超过80dB时，控制与调节机构(2)的计时模块开始计时，直到输出音量大小低于80dB后结束此次计时。防护耳罩开机后，累计计时超过8小时后，耳罩通过语音提示，提醒用户结束噪声暴露的工作环境。

Claims (5)

1.一种主动降噪防护耳罩，由拾音与传声机构(1)、控制与调节机构(2)和辅助部件(3)组成，其特征在于：拾音与传声机构(1)设置有拾音麦克风(4)、通讯麦克风(5)和喇叭（6），拾音麦克风(4)用于拾取外界环境噪音，喇叭(6)用于将外界环境声音播放传递人耳，通讯麦克风(5)用于传递语音信号和配合对讲机传输；控制与调节机构(2)设置有主动降噪电路(7)、降噪模块(8)、音量转换电路(9)、计时模块(24)和音频输入接口(10)，主动降噪电路(7)中设有降噪模块(8)，降噪模块(8)用于调节低频信号的相位差，音量转换电路(9)用于将喇叭播放信号转化为音量大小，计时模块(24)用于记录超标环境噪音时长，音频输入接口(10)用于接收和传输语音信号；辅助部件(3)设置有密封垫圈(20)和按键(21)，双层硅胶结构的密封垫圈(20)用于阻隔和抵消高频噪音，按键(21)用于选择拾音和降噪等级。
2.根据权利要求1所述的主动降噪防护耳罩，其特征是： 拾音麦克风(4)为外置的全指向麦克风，通讯麦克风(5)为定向麦克风。
3.根据权利要求1所述的主动降噪防护耳罩，其特征是：降噪模块(8)可以选择滤波电路，调整人耳直接听取的噪音和通过电路结构传达的信号之间的相位差，在500Hz正弦声音信号下，使二者相位差调整为零；降噪模块(8)还可以将拾取的环境信号进行放大和反向，在人耳处将直接听取的环境噪音抵消为零。
4.根据权利要求1所述的主动降噪防护耳罩，其特征是：音量转换电路(9) 可以将喇叭播放信号转化为音量大小，根据音量大小自动选择降噪增益，避免出现降噪过多或降噪不足，从而实现自动选择降噪增益。
5.根据权利要求1所述的主动降噪防护耳罩，其特征是：计时模块(24)记录每次开机后人耳在超过80dB噪音环境状态下的总暴露时长。
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