CN108632712A - 一种具有主动降噪功能的抗噪消音亭 - Google Patents

一种具有主动降噪功能的抗噪消音亭 Download PDF

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陈书明
陈文海
徐金国
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Abstract

本发明公开一种具有主动降噪功能的抗噪消音亭，包括消音亭本体、电源系统、主动降噪系统和红外传感系统，消音亭本体包括顶棚、支撑架、底板和控制箱基座；主动降噪系统包括信号采集模块、信号处理模块和抵消信号发声模块；顶棚内表面贴附有波浪吸音棉，能有效降低顶棚内的高频噪音成分，而主动降噪系统则可以有效降低顶棚内的中低频噪音成分；通过主动降噪与被动降噪的结合，有效拓宽了降噪的频带范围；同时，通过多个带通滤波器对宽频带误差噪声信号的均等分解及单独控制，有效解决了反馈控制难以降低宽频带噪声的问题；该抗噪消音亭构造简单、布置便捷、灵活性强，且实用价值高，可以为旅客、工作人员等的通话质量提供有效的保障。

Description

一种具有主动降噪功能的抗噪消音亭
技术领域
本发明涉及主动降噪的应用领域，更具体的是，本发明涉及一种具有主动降噪功能的抗噪消音亭。
背景介绍
现代社会的交通技术日益发达，搭乘火车、飞机、地铁等交通工具的群体日益增多。然而，在火车站、航空楼等的候车室，旅客的脚步声、交谈声，服务车流动作业噪声、广播声等组成了一个嘈杂的噪声环境。对于有通话需求的旅客，往往需要在一个相对安静的场合打电话，进而保障通话质量。但在候车室这种噪声纷杂的场景中，由于高声压级环境噪声的干扰，旅客的通话质量很难得到有效保障。此外，对于多数具有重型机械设备的工厂、车间等，工作人员的工作环境同样十分嘈杂，对于有通话需求的工作人员，其通话质量同样难以得到有效保障。因此有必要采取合理的措施来为旅客或工作人员构建一个相对安静、舒适的通话环境。
相对于早期的电话亭，抗噪消音亭的构造更加轻巧灵活，其作用是为行人提供一个相对安静的通话空间，非常适用于布置在火车站、航空楼的候车室以及重型工厂等场合。相比于隔声、吸声等被动降噪技术，主动降噪在中低频噪声的降噪领域内被普遍应用，降噪效果也十分显著。因此，本专利提供了一种含主动降噪功能的抗噪消声亭，该消声亭构造简单、布置便捷、灵活性强，可为旅客提供一个安静舒适的通话空间，实用价值高。且该抗噪消音亭采用主动降噪与被动降噪相结合的降噪手段，降噪频段宽且效果显著。
发明内容
为充分保障旅客、工作人员在车站候车室、重型机加工工厂等嘈杂环境中的通话质量，本发明设计一种具有主动降噪功能的抗噪消音亭，为广大群众在嘈杂环境中的通话提供一个更加安静、舒适的空间。
为实现上述目的，本发明公开一种具有主动降噪功能的抗噪消音亭，其包括消音亭本体、电源系统、主动降噪系统和红外传感系统，所述消音亭本体包括顶棚、支撑架、底板与控制箱基座；所述电源系统用于给主动降噪系统和红外传感系统供电；所述主动降噪系统包括信号采集模块、信号处理模块和抵消信号发声模块；所述信号采集模块包括一个或多个误差信号麦克风，主要用于采集消音亭顶棚内的环境噪音信号；所述信号处理模块包括A/D转换单元、DSP处理单元、D/A转换单元和功率放大单元；所述抵消信号发声模块包括一个或多个次级扬声器，主要用于发出抵消音频信号。
所述抗噪消声亭本体中的支撑架采用伸缩杆结构，可根据实际情况自由伸缩进而调整顶棚与地面间的高度，以适应不同身高人群的通话需求。
所述误差信号麦克风与次级扬声器均布置于消音亭顶棚的内表面，误差信号麦克风置于顶棚内部的中间位置，次级扬声器置于顶棚的顶部且开口向下；当采用多通道主动降噪模式时，误差信号麦克风和次级扬声器在顶棚内表面呈环形阵列布置。
所述红外传感系统位于消音亭顶棚的外表面且靠近消音亭进口端；所述红外传感系统放置于红外传感基座内部且其包括红外发射装置与红外传感装置，红外发射装置用于向指定检测区域发出红外线，进而判断是否有行人进入或离开该抗噪消音亭；当检测到行人进入时，红外传感装置接收到触点信号并传送至控制箱，控制箱发出高电平触发信号以开启主动降噪功能；当检测到行人离开时，控制箱发送低电平触发信号以关闭主动降噪功能。
所述消音亭本体的支撑架中有横梁结构，控制箱基座位于横梁的上表面，且通过螺栓与固定在横梁上，控制箱内安放有信号处理模块与电源系统的硬件装置。
所述主动降噪系统可以有效降低环境中的中低频噪音分量，但对高频噪音成分的降噪却并不显著。为提升该抗噪消音亭降噪的频带范围，该设计结合传统被动降噪的方法来综合改善降噪效果。所述抗噪消音亭本体的顶棚内表面贴附有波浪吸音棉，该吸音棉的波浪结构与多孔结构能大量吸收入射声波的能量，尤其是1000HZ以上的高频噪音成分。
抗噪消音亭顶棚内的自由空间较小，误差信号麦克风与次级扬声器间的距离较近。虽然传统的前馈控制具有较好的鲁棒性，但在此场景中应用前馈控制算法所引起的“声反馈”问题较严重，且对于车站这种噪声声场极为复杂的场景，参考噪声信号不易获取，前馈控制算法并不合适。因此，所述主动降噪系统采用反馈控制算法。
传统的反馈控制算法对于300HZ及以下带宽范围的窄带信号具有良好的控制效果，但却难以有效控制带宽在500HZ以上的宽频带噪声。为解决此问题，所述主动降噪系统首先对误差噪声信号进行预处理，即通过两个甚至多个带通滤波器，将误差噪声信号分解为两个甚至多个均等带宽的窄带信号，之后再对每个窄带信号同时进行控制，并通过次级扬声器将系统输出的各抵消噪声信号同时发出。
设e(n)为误差信号麦克风采集的噪声信号，e'(n)为带通滤波器对e(n)处理后的噪声信号， S(n)为从误差信号麦克风到次级扬声器间的次级声通道系数，S'(n)为其估计值，y(n)为次级扬声器发出的抵消声音信号，x(n)为构造的参考噪声信号，则满足：
x(n)＝e'(n)-s'(n)·y(n)
经过估计的次级声通道滤波后的参考噪声信号为：
xf(n)＝s'(n)·x(n)
次级扬声器发出的声音信号为：
y(n)＝WT(n)·x(n)
其中W(n)为滤波器的权系数，且其更新采用归一化LMS算法(NLMS算法)，由最小均方误差原则可得更新公式如下：
其中W(n+1)为下一时刻的时刻权系数，δ和η为常量影响系数，且δ主要控制算法的稳定性，η的引入避免了因xT(n)·x(n)过小而导致步长因子过大。通过滤波器权系数的不断更新，信号处理模块实时计算抵消噪声信号的大小并通过次级扬声器发出。
本发明的技术优势在于同时采用主动降噪与被动降噪，有效拓宽了降噪的频带范围；采用反馈控制结构直接避免了“声反馈”严重与参考噪声信号不易获取的问题；通过多个带通滤波器将宽频带误差噪声信号分解为多个均等带宽的窄带信号，并对每个窄带信号同时进行控制，有效解决了反馈控制难以降低宽频带噪声的问题；创新性地设计了抗噪消音亭的基本结构，该设计构造简单、布置便捷、灵活性强，且实用价值高，为旅客、工作人员等的通话质量提供了有效的保障。
附图说明
为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使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通人员来讲，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它附图。
图1为本发明实施例所提供的抗噪消音亭的结构示意图；
图2为本发明实施例所提供的抗噪消音亭顶棚的剖视图；
图3为本发明实施例所涉及的波浪吸音棉的结构示意图；
图4为本发明实施例所提供的主动降噪功能开闭的流程框图；
图5为本发明实施例所提供的主动降噪系统各部件连接关系示意图；
图6为本发明实施例所提供的主动降噪控制算法框图。
具体实施方式
为使本发明的具体实施例的目的、技术方案与优点更加清楚，现结合发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细、完整的描述。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其它实施例，均属于本发明的保护范围。
下面结合实施例及附图对本发明的技术方案做进一步阐述。
本发明实施公开了一种具有主动降噪功能的抗噪消音亭，如图1和图2所示，其包括：消音亭本体1、电源系统2、主动降噪系统3和红外传感系统4。所述消音亭本体包括顶棚1-1、支撑架1-2、底板1-3和控制箱基座1-4；所述主动降噪系统包括误差信号麦克风3-1、信号处理模块3-2和次级扬声器3-3。
所述红外传感系统1-4位于消音亭顶棚1-1的外表面且靠近消音亭进口端；所述红外传感系统4包括红外发射装置与红外传感装置，红外发射装置用于向指定检测区域发出红外线，进而判断是否有行人进入或离开该抗噪消音亭；当检测到行人进入时，红外传感装置接收到触点信号并传送至控制箱，控制箱发出高电平触发信号以开启主动降噪功能；当检测到行人离开时，控制箱发送低电平触发信号以关闭主动降噪功能。
所述抗噪消声亭本体中的支撑架1-2采用伸缩杆结构，可根据实际情况自由伸缩进而调整顶棚与地面间的高度，以适应不同身高人群的通话需求。
所述误差信号麦克风3-1与次级扬声器3-3均布置于消音亭顶棚的内表面，误差信号麦克风置于顶棚内部的中间位置，次级扬声器置于顶棚的顶部且开口向外；当采用多通道主动降噪模式时，误差信号麦克风和次级扬声器在顶棚内表面呈环形阵列布置。
所述消音亭本体的支撑架中有横梁结构，控制箱基座1-4位于横梁的上表面，且通过螺栓固定在横梁上，控制箱内安放有信号处理模块与电源系统的硬件装置。
所述主动降噪系统可以有效降低环境中的中低频噪音分量，但对高频噪音成分的降噪却并不显著。为提升该抗噪消音亭降噪的频带范围，该设计结合传统被动降噪的方法来综合改善降噪效果。所述抗噪消音亭本体的顶棚内表面贴附有波浪吸音棉，该吸音棉的波浪结构与多孔结构能大量吸收入射声波的能量，尤其是1000HZ以上的高频噪音成分。
图6为本发明实施例所提供的主动降噪控制算法框图，其中e(n)为误差信号麦克风采集的噪声信号，e'(n)为带通滤波器(Band Filter)对e(n)处理后的噪声信号，S(z)为从误差信号麦克风到次级扬声器间的次级声通道系数，S'(z)为其估计值，实际情况下次级声通道采用随机白噪声进行离线辨识，y(n)为次级扬声器发出的抵消声音信号，x(n)为构造的参考噪声信号，则满足：
x(n)＝e'(n)-s'(z)·y(n)
经过估计的次级声通道滤波后的参考噪声信号为：
xf(n)＝s'(z)·x(n)
次级扬声器发出的声音信号为：
y(n)＝WT(n)·x(n)
其中W(n)为滤波器的更新权系数，且其更新采用归一化LMS算法(NLMS算法)，由最小均方误差原则可得更新公式如下：
其中W(n+1)为下一时刻的时刻权系数，δ和η为常量收敛系数，根据实际情况下环境噪声的大小来综合确定。通过滤波器权系数的不断更新，信号处理模块实时计算抵消噪声信号的大小并通过次级扬声器发出。
以上所述为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下，可以对本发明进行多种改进或改型，比如误差信号麦克风和次级扬声器的数目可以选取两个甚至多个，这些均被视为本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有主动降噪功能的抗噪消音亭，其特征在于，包括消音亭本体、电源系统、主动降噪系统和红外传感系统，所述消音亭本体包括顶棚、支撑架、底板与控制箱基座；所述电源系统用于给主动降噪系统和红外传感系统供电；所述主动降噪系统包括信号采集模块、信号处理模块和抵消信号发声模块；所述信号采集模块包括一个或多个误差信号麦克风，主要用于采集消音亭顶棚内的环境噪音信号；所述信号处理模块包括A/D转换单元、DSP处理单元、D/A转换单元和功率放大单元；所述抵消信号发声模块包括一个或多个次级扬声器，主要用于发出抵消音频信号。
2.根据权利要求1所述的一种具有主动降噪功能的抗噪消音亭，其特征在于，所述抗噪消声亭本体中的支撑架采用伸缩杆结构，可根据实际情况自由伸缩进而调整顶棚与地面间的高度，以适应不同身高人群的通话需求。
3.根据权利要求1所述的一种具有主动降噪功能的抗噪消音亭，其特征在于，所述红外传感系统位于消音亭顶棚的外表面且靠近消音亭进口端，红外传感系统包括光束发射装置与光电传感装置，其用于判断是否有行人进入该抗噪消音亭；当检测到行人进入时，红外传感装置接收到触点信号并传送至控制箱，控制箱发出高电平触发信号以开启主动降噪功能；当检测到行人离开时，控制箱发送低电平触发信号以关闭主动降噪功能。
4.根据权利要求1所述的一种具有主动降噪功能的抗噪消音亭，其特征在于，所述误差信号麦克风与次级扬声器均布置于消音亭顶棚的内表面，误差信号麦克风置于顶棚内部的中间位置，次级扬声器置于顶棚的顶部且开口向下；当采用多通道主动降噪模式时，误差信号麦克风和次级扬声器在顶棚内表面呈环形阵列布置。
5.根据权利要求1所述的一种具有主动降噪功能的抗噪消音亭，其特征在于，所述消音亭本体的支撑架中有横梁结构，控制箱基座位于横梁的上表面，且通过螺栓固定在横梁上，控制箱内安放有信号处理模块与电源系统的硬件装置。
6.根据权利要求1所述的一种具有主动降噪功能的抗噪消音亭，其特征在于，所述主动降噪系统采用反馈控制算法。
7.根据权利要求1所述的一种具有主动降噪功能的抗噪消音亭，其特征在于，所述主动降噪系统首先对误差噪声信号进行预处理，即通过两个甚至多个带通滤波器，将误差噪声信号分解为两个甚至多个均等带宽的窄带信号，之后再对每个窄带信号同时进行控制，并通过次级扬声器将系统输出的各抵消噪声信号同时发出。
8.根据权利要求1所述的一种具有主动降噪功能的抗噪消音亭，其特征在于，所述滤波器权系数更新采用归一化LMS算法，计算公式为：
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