CN108877758A - 一种空间场主动降噪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明通过采集各点周围噪声分布、变化的特征,以此模拟建立整个噪声声场模型即,一组三维空间的连续函数并且包含每个频率声音特性,本发明先计算出该声场模型基函数的系数,依据当前的控制器参数构建一个降噪声场的模型与该噪声声场结合进行初步降噪后根据新采集的噪声声场模型计算出整体空间的能量,这个整体能量最小的情况下,结合声场模型的基函数系数设计出控制器参数,然后根据模型,再建立一个与抵消该噪声声场的声场模型,以此实现精准降噪,从而使系统的降噪效果最优,可以理解为在最需要降噪的位置降噪,以实现整体空间最优的降噪效果,很好的降低空间的噪声水平。
Description
技术领域
本发明涉及降噪领域,尤其涉及一种空间场主动降噪方法。
背景技术
在工作和生活环境中,噪声污染随处可见,这些噪声对人们的身心健康造成了不良影响,因此,空间场内的降噪设计是一项比较重要的工作,一般情况下,空间内的噪声成分是比较复杂的,传统的在空间场内主动降噪的方法通过在各个噪声采样点测量噪声信号,基于每个噪声信号利用滤波电路产生降噪信号以达到消除噪声的目的,主要以整个场空间采样点上声信号功率的平均值高低为评价标准,若各采样点声信号功率的平均值达到降噪标准,则认为空间场整体噪声水平降低,但由于空间场的噪声成分是十分复杂的,部分点的降噪,并不能代表空间场的整体降噪水平,考虑到各个降噪信号对彼此的影响,使得仅仅根据各个噪声采样点的降噪结果来表征空间场的降噪水平是不准确的,降噪效果也不佳,噪声突出区域的降噪效果不明显。
发明内容
本发明旨在提供一种能够实现精准降噪的空间场主动降噪方法。
为实现上述技术目的,本发明采用以下技术方案,一种空间场主动降噪方法,包括以下步骤:
S1、确定降噪区域,在需要降噪的空间内安装多个传入装置及输出装置;
S2、计算降噪系统基函数的系数,误差麦克风阵列采集空间的噪声信号,计算麦克风阵列采集到的对应监测点的统计声压数据阵列即噪声信号为e(x,f),x为在监测点该空间中的位置坐标,f为是监测点采集到信号的频率域统计声压值,e(x,f)用下列公式来表示:
式中φk(x,f)是根据降噪系统的使用环境选择的基函数,管道声场环境选用声音空腔模态,开放声场选用球面波,是一组固定的基函数,Ak(f)是基函数的系数,麦克风阵列采集到的噪声信号用来表示,的公式为:
即根据测得的噪声信号,通过上述公式推导出基函数系数的计算公式从而算出Ak(f),公式如下:
式中的H代表厄米特矩阵,-1代表逆矩阵,Ak(f)是通过上文的e(x,f)公式算出,因为基函数固定,通过测得的信号反向算出,计算出Ak(f)和B(f)后得到上述公式的傅里叶变换即
其中 式中e(f)是噪声经过反向声波抵消后,误差麦克风采集到噪声信号,d(f)是噪声在误差麦克风处的信号,W(f)是ANCfilter的传递函数,v(f)为一个换算过程中的中间变量,F为傅里叶变换,是用时间的函数来表示该参数;
S3、启动降噪系统,对空间声场各点的能量进行计算,先对依据建模计算出的声场各点声音进行有针对性的主动降噪,此时信号如下:
上述e(f)是一组向量,而e(n)是实际执行降噪时第l处麦克风的值,e(f)包含e(n),式中l代表某个误差麦克风的编号,则el(n)表示在n时刻第l个误差麦克风处的信号,表示在n时刻第l个误差麦克风处的原始噪声源信号,加号后面为系统发出的反相声波信号,m为降噪扬声器的编号,其中gl,m,j中的g代表滤波器参数,j代表滤波器阶数,该系数通过前期测量测得,u代表驱动扬声器发出降噪声波的信号,um代表第m个扬声器的驱动信号,则该式表示的是,第l个误差麦克风处接收到的已经进行降噪后的噪声信号,本式代表一个麦克风附近的噪声信号经过公式计算出的声场环境能量,如果实际系统中有几个麦克风,需要将几个麦克风的信号计算出的声场环境能量进行相加并据此计算出声场环境的整体能量期望值,整体能量结合上述和的计算公式用以下公式表示:
式中的T指矩阵的转置,E代表的是随机变量的期望值;
S4、对步骤S3的J取最小值求得参数W,取得的系数W即为使该声场环境下J最小的系数,也就是使整体声场能量最低的控制器系数,得到W后即完成对控制器的设计,进而完成前期测量,正式开始降噪过程;
S5、将步骤S4求得的控制器参数W输入,主动降噪系统根据麦克风阵列采集的噪声信号计算出相应的反相声波,控制单元发出的反相声波信号结合扬声器到降噪区域的传递函数后进行降噪处理,麦克风阵列继续对经过降噪处理的噪声信号进行采集并由主动降噪系统继续进行降噪处理。
作为优选,在步骤S1之后进行系统自检,降噪系统的自检模块接收并处理自身系统信息来判定出是否有传入装置和输出装置的增减,自检完成后降噪系统启动整体的计算过程,转入下一步骤开始计算最佳的控制器参数;系统自检模块内设有定时系统检测模块,检测到系统信息发生变化后会进行系统矫正,重新进行自检,如果有新增或新减少的传入装置或输出装置,系统会以新的装置数量为标准。
本发明通过采集各点周围噪声分布、变化的特征,以此模拟建立整个噪声声场模型即一组三维空间的连续函数并且包含每个频率声音特性,本发明先计算出该声场模型基函数的系数,依据当前的控制器参数构建一个降噪声场的模型与该噪声声场结合进行初步降噪后根据新采集的噪声声场模型计算出整体空间的能量,这个整体能量最小的情况下,结合声场模型的基函数系数设计出控制器参数,然后根据模型,再建立一个与抵消该噪声声场的声场模型,以此实现精准降噪,从而使系统的降噪效果最优,可以理解为在最需要降噪的位置降噪,以实现整体空间最优的降噪效果,很好的降低空间的噪声水平。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,除非另有规定和限定,需要说明的是,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是机械连接或电连接,也可以是两个元件内部的连通,可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
下面参照图1描述根据本发明实施例的一种空间场主动降噪方法,包括以下步骤:
S1、确定降噪区域,在需要降噪的空间内安装多个传入装置及输出装置;
S2、计算降噪系统基函数的系数,误差麦克风阵列采集空间的噪声信号,计算麦克风阵列采集到的对应监测点的统计声压数据阵列即噪声信号为e(x,f),x为在监测点该空间中的位置坐标,f为是监测点采集到信号的频率域统计声压值,e(x,f)用下列公式来表示:
式中φk(x,f)是根据降噪系统的使用环境选择的基函数,管道声场环境选用声音空腔模态,开放声场选用球面波,是一组固定的基函数,Ak(f)是基函数的系数,麦克风阵列采集到的噪声信号用来表示,的公式为:
即根据测得的噪声信号,通过上述公式推导出基函数系数的计算公式从而算出Ak(f),公式如下:
式中的H代表厄米特矩阵,-1代表逆矩阵,Ak(f)是通过上文的e(x,f)公式算出,因为基函数固定,通过测得的信号反向算出,计算出Ak(f)和B(f)后得到上述公式的傅里叶变换即
其中 式中e(f)是噪声经过反向声波抵消后,误差麦克风采集到噪声信号,d(f)是噪声在误差麦克风处的信号,W(f)是ANCfilter的传递函数,v(f)为一个换算过程中的中间变量,F为傅里叶变换,是用时间的函数来表示该参数;
S3、启动降噪系统,对空间声场各点的能量进行计算,先对依据建模计算出的声场各点声音进行有针对性的主动降噪,此时信号如下:
上述e(f)是一组向量,而e(n)是实际执行降噪时第l处麦克风的值,e(f)包含e(n),式中l代表某个误差麦克风的编号,则el(n)表示在n时刻第l个误差麦克风处的信号,表示在n时刻第l个误差麦克风处的原始噪声源信号,加号后面为系统发出的反相声波信号,m为降噪扬声器的编号,其中gl,m,j中的g代表滤波器参数,j代表滤波器阶数,该系数通过前期测量测得,u代表驱动扬声器发出降噪声波的信号,um代表第m个扬声器的驱动信号,则该式表示的是,第l个误差麦克风处接收到的已经进行降噪后的噪声信号,本式代表一个麦克风附近的噪声信号经过公式计算出的声场环境能量,如果实际系统中有几个麦克风,需要将几个麦克风的信号计算出的声场环境能量进行相加并据此计算出声场环境的整体能量期望值,整体能量结合上述和的计算公式用以下公式表示:
式中的T指矩阵的转置,E代表的是随机变量的期望值;
S4、对步骤S3的J取最小值求得参数W,取得的系数W即为使该声场环境下J最小的系数,也就是使整体声场能量最低的控制器系数,得到W后即完成对控制器的设计,进而完成前期测量,正式开始降噪过程;
S5、将步骤S4求得的控制器参数W输入,主动降噪系统根据麦克风阵列采集的噪声信号计算出相应的反相声波,控制单元发出的反相声波信号结合扬声器到降噪区域的传递函数后进行降噪处理,麦克风阵列继续对经过降噪处理的噪声信号进行采集并由主动降噪系统继续进行降噪处理。
作为优选,在步骤S1之后进行系统自检,降噪系统的自检模块接收并处理自身系统信息来判定出是否有传入装置和输出装置的增减,自检完成后降噪系统启动整体的计算过程,转入下一步骤开始计算最佳的控制器参数;系统自检模块内设有定时系统检测模块,检测到系统信息发生变化后会进行系统矫正,重新进行自检,如果有新增或新减少的传入装置或输出装置,系统会以新的装置数量为标准。
本发明通过采集各点周围噪声分布、变化的特征,以此模拟建立整个噪声声场模型即一组三维空间的连续函数并且包含每个频率声音特性,本发明先计算出该声场模型基函数的系数,依据当前的控制器参数构建一个降噪声场的模型与该噪声声场结合进行初步降噪后根据新采集的噪声声场模型计算出整体空间的能量,这个整体能量最小的情况下,结合声场模型的基函数系数设计出控制器参数,然后根据模型,再建立一个与抵消该噪声声场的声场模型,以此实现精准降噪,从而使系统的降噪效果最优,可以理解为在最需要降噪的位置降噪,以实现整体空间最优的降噪效果,很好的降低空间的噪声水平。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (2)
1.一种空间场主动降噪方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、确定降噪区域,在需要降噪的空间内安装多个传入装置及输出装置;
S2、计算降噪系统基函数的系数,误差麦克风阵列采集空间的噪声信号,计算麦克风阵列采集到的对应监测点的统计声压数据阵列即噪声信号为e(x,f),x为在监测点该空间中的位置坐标,f为是监测点采集到信号的频率域统计声压值,e(x,f)用下列公式来表示:
式中φk(x,f)是根据降噪系统的使用环境选择的基函数,管道声场环境选用声音空腔模态,开放声场选用球面波,是一组固定的基函数,Ak(f)是基函数的系数,麦克风阵列采集到的噪声信号用来表示,的公式为:
即根据测得的噪声信号,通过上述公式推导出基函数系数的计算公式从而算出Ak(f),公式如下:
式中的H代表厄米特矩阵,-1代表逆矩阵,Ak(f)是通过上文的e(x,f)公式算出,因为基函数固定,通过测得的信号反向算出,计算出Ak(f)和B(f)后得到上述公式的傅里叶变换即
其中式中e(f)是噪声经过反向声波抵消后,误差麦克风采集到噪声信号,d(f)是噪声在误差麦克风处的信号,W(f)是ANCfilter的传递函数,v(f)为一个换算过程中的中间变量,F为傅里叶变换,是用时间的函数来表示该参数;
S3、启动降噪系统,对空间声场各点的能量进行计算,先对依据建模计算出的声场各点声音进行有针对性的主动降噪,此时信号如下:
上述e(f)是一组向量,而e(n)是实际执行降噪时第l处麦克风的值,e(f)包含e(n),式中l代表某个误差麦克风的编号,则el(n)表示在n时刻第l个误差麦克风处的信号,表示在n时刻第l个误差麦克风处的原始噪声源信号,加号后面为系统发出的反相声波信号,m为降噪扬声器的编号,其中gl,m,j中的g代表滤波器参数,j代表滤波器阶数,该系数通过前期测量测得,u代表驱动扬声器发出降噪声波的信号,um代表第m个扬声器的驱动信号,则该式表示的是,第l个误差麦克风处接收到的已经进行降噪后的噪声信号,本式代表一个麦克风附近的噪声信号经过公式计算出的声场环境能量,如果实际系统中有几个麦克风,需要将几个麦克风的信号计算出的声场环境能量进行相加并据此计算出声场环境的整体能量期望值,整体能量结合上述和的计算公式用以下公式表示:
式中的T指矩阵的转置,E代表的是随机变量的期望值;
S4、对步骤S3的J取最小值求得参数W,取得的系数W即为使该声场环境下J最小的系数,也就是使整体声场能量最低的控制器系数,得到W后即完成对控制器的设计,进而完成前期测量,正式开始降噪过程;
S5、将步骤S4求得的控制器参数W输入,主动降噪系统根据麦克风阵列采集的噪声信号计算出相应的反相声波,控制单元发出的反相声波信号结合扬声器到降噪区域的传递函数后进行降噪处理,麦克风阵列继续对经过降噪处理的噪声信号进行采集并由主动降噪系统继续进行降噪处理。
2.根据权利要求1所述的降噪方法,其特征在于,在步骤S1之后进行系统自检,降噪系统的自检模块接收并处理自身系统信息来判定出是否有传入装置和输出装置的增减,自检完成后降噪系统启动整体的计算过程,转入下一步骤开始计算最佳的控制器参数;系统自检模块内设有定时系统检测模块,检测到系统信息发生变化后会进行系统矫正,重新进行自检,如果有新增或新减少的传入装置或输出装置,系统会以新的装置数量为标准。
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