CN108574898A - 主动降噪系统优化方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种主动降噪系统优化方法及系统,涉及主动降噪领域,该方法包括:确定主通道和次级通道的起点与终点;基于主通道和次级通道的起点和终点,建立主通道传声特性传递函数P1和次级通道传声特性传递函数G1;基于主通道传声特性传递函数P1和次级通道传声特性传递函数G1,优化主动降噪系统的滤波器。与现有主动降噪系统相比,通过将主通道和次级通道均延长至耳道的耳膜处,建立的主通道和次级通道的传声特性模型更能有效反应噪声传递至耳膜处情况;基于上述模型优化滤波器的设计,并将滤波器的设计归结为优化问题求解,进一步优化了主动降噪系统的降噪性能。本发明从噪声传递特性模型和滤波器设计两方面优化主动降噪系统的降噪性能。
Description
技术领域
本发明涉及主动降噪领域,具体而言,涉及一种主动降噪系统优化方法及系统。
背景技术
主动降噪耳机原理是:针对耳机壳体形成的封闭空间中某一消噪点,在该消噪点放置噪声监测装置,并在监测装置附近放置次级声源,噪声监测装置将监测到的噪声信号传输至滤波电路,经滤波电路处理后得到消噪信号,利用次级声源播放该消噪信号得到消噪声波,消噪声波与噪声声波产生干涉,实现该消噪点处的噪声最小化。消噪效果的优劣在很大程度上取决于滤波电路的设计,而滤波电路的设计需基于噪声在耳机壳体内的传播特性的估计模型,对于采用前馈与反馈结合的滤波电路,需要分别对主通道和次级通道的噪声传播特性进行估计。
对于主动降噪耳机的使用者而言,降噪效果是通过耳膜感受,即使用者佩戴降噪耳机后听到的噪声最小,则降噪效果最佳。对于上述基于主通道和次级通道的噪声传播特性估计而设计的滤波电路的设计方法只能保证在消噪点处的噪声最小化,而无法保证噪声声波和消噪声波在使用者的耳膜处发生干涉后,实现噪声最小化。
发明内容
针对上述问题,本发明提出一种主动降噪系统优化方法及系统,用于优化主动降噪系统的降噪性能。
第一方面,本发明提出一种主动降噪系统优化方法,包括:
确定主通道和次级通道的起点与终点;
基于主通道和次级通道的起点与终点,建立主通道传声特性传递函数P1和次级通道传声特性传递函数G1;
基于主动通道传声特性传递函数P1和次级通道传声特性传递函数G1,优化主动降噪系统的滤波器。
进一步地,所述主通道的起点为耳机内靠近噪声源的噪声源检测装置所在的位置,所述终点为耳道内耳膜的位置;所述次级通道的起点为次级声源所在位置,所述终点为耳道内耳膜的位置。
进一步地,所述主通道传声特性传递函数P1和次级通道传声特性传递函数G1均采用最小二乘类辨识方法获取。
进一步地,所述滤波器包括至少前馈滤波器HFF和反馈滤波器HFB中的任意一种。
进一步地,所述优化主动降噪系统的滤波器包括:
获取使得||P1-G1×HFF||2的值最小的前馈滤波器HFF,将所述前馈滤波器HFF作为最优前馈滤波器HFF-opt。
进一步地,所述优化主动降噪系统的滤波器包括:获取使得的值最小的反馈滤波器HFB,将所述反馈滤波器HFB作为最优反馈滤波器HFB-opt。
第二方面,本发明提出一种主动降噪系统优化系统,包括人头模拟装置、待优化主动降噪耳机、数据采集装置及数据处理装置;
所述待优化主动降噪耳机佩戴在所述人头模拟装置上,所述人头模拟装置与所述待优化主动降噪耳机分别与所述数据采集装置连接,所述数据采集装置还与所述数据处理装置连接;
所述数据处理装置能够实施如第一方面所述的主动降噪系统优化方法。
进一步地,所述人头模拟装置还包括放置在耳道、靠近耳膜位置的第一噪声检测装置,所述第一噪声检测装置与所述数据采集装置连接。
进一步地,所述待优化主动降噪耳机包括放置在耳机壳体内的第二噪声检测装置;所述第二噪声检测装置和所述数据采集装置连接。
本发明提供一种主动降噪系统优化方法及系统,其方法包括:确定主通道和次级通道的起点与终点;基于主动通道和次级通道的起点与终点,建立主通道传声特性传递函数P1和次级通道传声特性传递函数G1;基于主通道传声特性传递函数P1和次级通道传声特性传递函数G1,优化主动降噪系统的滤波器。与现有主动降噪系统相比,通过将主通道和次级通道均延长至耳道的耳膜处,建立的主通道和次级通道的传声特性模型更能有效反应噪声传递至耳膜处情况;基于上述模型优化滤波器的设计,并将滤波器的设计归结为优化问题的求解,进一步优化了主动降噪系统的降噪性能。本发明从噪声传递特性模型和滤波器设计两方面优化主动降噪系统的降噪性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式的技术方案,下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的一些实施方式,因此不应被看作是对范围的限定,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相关的附图。
图1为本发明实施例1提供的一种主动降噪系统优化步骤流程图;
图2为本发明实施例1提供的基于两种不同主通道和次级通道传声特性的降噪效果对比图;
图3为本发明实施例1提供的前馈滤波器降噪原理框图;
图4为本发明实施例1提供的反馈滤波器降噪原理框图;
图5为本发明实施例2提供的一种主动降噪系统优化系统结构示意图。
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“第一”、“第二”、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
如图1所示的主动降噪系统优化方法步骤流程图,本发明提供一种主动降噪系统优化方法,包括如下步骤:
步骤S10:确定主通道和次级通道的起点与终点;
步骤S20:基于主通道和次级通道的起点与终点,建立主通道传声特性传递函数P1和次级通道传声特性传递函数G1;
步骤S30:基于主动通道传声特性传递函数P1和次级通道传声特性传递函数G1,优化主动降噪系统的滤波器。
在一个实施方式中,步骤S10中,主通道的起点为耳机内靠近噪声源的噪声源检测装置所在的位置,主通道的终点为耳道内耳膜的位置;所述次级通道的起点为次级声源所在位置,次级通道的终点为耳道内耳膜的位置。在现有技术中,主动降噪耳机的主通道和次级通道的终点均位于耳机内次级声源的麦克风所在的位置,本发明将主通道和次级通道延长至耳道内的耳膜处,更真实的反映出主动降噪耳机的使用者实际感受到的降噪效果。具体地,如图2所示的基于两种不同主通道和次级通道传声特性的降噪效果对比图。基于现有技术中的主通道、次级通道噪声传输特性模型,将其用于主动降噪系统滤波器的设计;同时将该滤波器用于本发明实施例中提出的主通道、次级通道噪声传输特性模型。在主动降噪耳机的调试过程中,是通过图2中的虚线表示的降噪曲线判断降噪性能,但由于主通道和次级通道的传声特性模型缺失了耳道部分,实际的降噪效果如图2中实线部分所示,与虚线部分相比,其降噪深度较小,且在中、高频部分有一个较为剧烈的降噪效果恶化。基于现有主通道与次级通道的主动降噪系统无法保证人耳感受到最优的降噪效果。
在一个实施方式中,步骤S20中,主通道传声特性传递函数P1和次级通道传声特性传递函数G1均采用最小二乘类辨识方法获取。通过测量主通道和次级通道的声音传递特性数据(x1,y1)和(x2,y2),其中x1、y1分别表示主通道噪声输入、输出时域测量数据;x2、y2分别表示次级通道噪声输入、输出时域测量数据。分别确定主通道与次级通道的传声特性模型其中式中B1(s)、A1(s)分别表示代数式P1(s)的分子与分母多项式,B2(s)、A2(s)分别表示代数式G1(s)的分子与分母多项式,s表示微分算子。利用最小二乘类辨识方法确定B1(s)、A1(s)、B2(s)、A2(s)多项式的阶次和参数。
在一个实施方式中,滤波器包括至少前馈滤波器HFF和反馈滤波器HFB中的任意一种。对于主动降噪系统,包括单前馈滤波器、单反馈滤波器以及前馈滤波器和反馈滤波器结合的复合式滤波器。前馈滤波器具有降噪频段宽而降噪深度小的特点;反馈滤波器具有降噪频段短而降噪深度大的特点;前馈与反馈结合的复合式滤波器则能最大程度保证降噪频宽和降噪深度,提高降噪性能。
在一个实施方式中,如图3所示的前馈滤波器降噪原理框图,所述优化主动降噪系统的滤波器包括:获取使得||P1-G1×HFF||2的值最小的前馈滤波器HFF,将前馈滤波器HFF作为最优前馈滤波器HFF-opt。也就是将优化主动降噪系统的前馈滤波器归结为如下优化问题的求解:最优前馈滤波器HFF-opt,使得||P1-G1×HFF||2最小。该最优前馈滤波器能够使得是使到达耳膜处的噪声e1最小。
在一个实施方式中,如图4所示的反馈滤波器降噪原理框图,优化主动降噪系统的滤波器包括:获取使得||1/(1-G1×HFB)||2的值最小的反馈滤波器HFB,将反馈滤波器HFB作为最优反馈滤波器HFF-opt。也就是将优化主动降噪系统的反馈滤波器归结为如下优化问题的求解:最优反馈滤波器HFB-opt,使得||1/(1-G1×HFB)||2最小。该最优反馈滤波器能够使得使到达耳膜处的噪声e2最小。
若主动降噪系统同时包括前馈滤波器和反馈滤波器,前馈滤波器和反馈滤波器的优化可分别进行,相互之间没有影响。
优选地,对上述最优前馈滤波器HFF-opt和最优反馈滤波器HFB-opt的求取均可采用遗传算法。
本发明通过将主通道和次级通道均延长至耳道的耳膜处,建立的主通道和次级通道的传声特性模型更能有效反应噪声传递至耳膜处情况;基于上述模型优化滤波器的设计,并将滤波器的设计归结为优化问题的求解,进一步优化了主动降噪系统的降噪性能。本发明从噪声传递特性模型和滤波器设计两方面优化主动降噪系统的降噪性能。
实施例2
如图5所示的主动降噪系统优化系统结构示意图,包括人耳模拟装置10、待优化主动降噪耳机20、数据采集装置30及数据处理装置40;待优化主动降噪耳机20佩戴在人耳模拟装置10上,人耳模拟装置10与待优化主动降噪耳机20分别与数据采集装置30连接,数据采集装置30还与数据处理装置40连接。数据处理装置40能够实施上述实施例1中的主动降噪系统优化方法。数据采集装置30通过人耳模拟装置10和待优化主动降噪耳机20采集到的关于主通道与次级通道的传声特性数据,并将该传声特性数据传输至数据处理装置40,经数据处理装置处理后可得主通道、次级通道传输模型以及基于上述模型设计的最优滤波器。
在一个实施方式中,人耳模拟装置10还包括放置在耳道内并靠近耳膜位置的第一噪声检测装置,第一噪声检测装置与数据采集装置30连接。优选地,该人耳模拟装置为一个具有人耳及耳道的模拟人头。
在一个实施方式中,待优化主动降噪耳机20包括放置在耳机壳体内的第二噪声检测装置;第二噪声检测装置和数据采集装置30连接。优选地,噪声检测装置为麦克风。
若测量主通道的噪声输入数据,优选地,将麦克风放置于靠近噪声源的耳机后腔内壁上,若测量次级通道的噪声输入数据,优选地,将麦克风放置于靠近扬声器的耳机前腔内壁上。
显然,所属领域的技术人员可以清楚地了解到,上述设计方法的各步骤可以用通用的计算装置来实现,它们可以集中在单个的计算装置上,或者分布在多个计算装置所组成的网络上,可选地,它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现,从而,可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行,或者将它们分别制作成各个集成电路模块,或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样,本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
除非另外具体说明,否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。
本发明实施例所提供的装置,其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同,为简要描述,装置实施例部分未提及之处,可参考前述方法实施例中相应内容。
在这里示出和描述的所有示例中,任何具体值应被解释为仅仅是示例性的,而不是作为限制,因此,示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上,流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分,所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意,在有些作为替换的实现中,方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如,两个连续的方框实际上可以基本并行地执行,它们有时也可以按相反的顺序执行,这依所涉及的功能而定。也要注意的是,框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合,可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现,或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
Claims (9)
1.一种主动降噪系统优化方法,其特征在于,包括:
确定主通道和次级通道的起点与终点;
基于主通道和次级通道的起点与终点,建立主通道传声特性传递函数P1和次级通道传声特性传递函数G1;
基于主动通道传声特性传递函数P1和次级通道传声特性传递函数G1,优化主动降噪系统的滤波器。
2.根据权利要求1所述的主动降噪系统优化方法,其特征在于,所述主通道的起点为耳机内靠近噪声源的噪声源检测装置所在的位置,所述主通道的终点为耳道内耳膜的位置;所述次级通道的起点为次级声源所在位置,所述次级通道的终点为耳道内耳膜的位置。
3.根据权利要求1所述的主动降噪系统优化方法,其特征在于,所述主通道传声特性传递函数P1和次级通道传声特性传递函数G1均采用最小二乘类辨识方法获取。
4.根据权利要求1所述的主动降噪系统优化方法,其特征在于,所述滤波器包括至少前馈滤波器HFF和反馈滤波器HFB中的任意一种。
5.根据权利要求4所述的主动降噪系统优化方法,其特征在于,所述优化主动降噪系统的滤波器包括:
获取使得||P1-G1×HFF||2的值最小的前馈滤波器HFF,将所述前馈滤波器HFF作为最优前馈滤波器HFF-opt。
6.根据权利要求4所述的主动降噪系统优化方法,其特征在于,
所述优化主动降噪系统的滤波器包括:
获取使得值最小的反馈滤波器HFB,将所述反馈滤波器HFB作为最优反馈滤波器HFB-opt。
7.一种主动降噪系统优化系统,其特征在于,包括人耳模拟装置、待优化主动降噪耳机、数据采集装置及数据处理装置;
所述待优化主动降噪耳机佩戴在所述人耳模拟装置上,所述人耳模拟装置与所述待优化主动降噪耳机分别与所述数据采集装置连接,所述数据采集装置还与所述数据处理装置连接;
所述数据处理装置能够实施如权利要求1至6任意一项所述的主动降噪系统优化方法。
8.根据权利要求7所述的主动降噪系统优化系统,其特征在于,所述人耳模拟装置还包括放置在耳道内并靠近耳膜位置的第一噪声检测装置,所述第一噪声检测装置与所述数据采集装置连接。
9.根据权利要求7所述的主动降噪系统优化系统,其特征在于,所述待优化主动降噪耳机包括放置在耳机壳体内的第二噪声检测装置;所述第二噪声检测装置和所述数据采集装置连接。
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