CN109036368A - 一种主动消除噪音的外放式装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种主动消除噪音的外放式装置，包括：声音采集放大模块，所述声音采集放大模块噪音收集麦克风、纠错麦克风、第一自动增益控制器、第二自动增益控制器、第一前置放大器和第二前置放大器；处理器模块，所述处理器模块包括数字信号处理器、音频编解码器、第一数字模拟转换器和第二数字模拟转换器；音频输出模块，所述音频输出模块包括功率放大器和扬声器。本主动消除噪音的外放式装置通过采集噪声信号经移相、增益处理后释放与原声波振幅相同但相位相反的声波信号与原噪声相抵消，从而更有效的消除噪声，并且结构简单，容易实现产业化，携带和安装十分方便，可以做成时尚的外形。

Description

一种主动消除噪音的外放式装置

技术领域

本发明涉及农作物采摘设备技术领域，具体涉及一种主动消除噪音的外放式装置。

背景技术

噪音给人带来生理和心理上的危害：1、损害听力；2、影响人的神经系统，使人急躁易怒；3、影响睡眠，造成疲倦，导致神经衰弱。噪音量(分贝)对人体影响：0—50分贝：舒适，细语声；50—90分贝：妨碍睡眠、难过、焦虑；90—130分贝：耳朵发痒、耳朵疼痛；130分贝以上：耳膜破裂、耳聋。

我国有2/3的城市人口生活在高噪声的环境中，据统计，在影响城市环境的各种噪声来源中，工业噪声占8％-10％，建筑施工噪声占5％，交通噪声占30％，社会生活噪声占47％。社会生活噪声影响面最广，是干扰生活环境的主要噪声污染源。我国对城市噪音与居民健康的调查表明:地区的噪音每上升一分贝,高血压发病率就增加3％；影响人的神经系统，使人急躁、易怒；影响睡眠，造成疲倦，神经衰弱。

按照国际标准，在繁华市区，室外的噪音，白天不能超过55分贝，夜间不能超过45分贝；一般居住区，白天不能超过45分贝，夜间不能超过35分贝。

目前采用的都是被动减噪的方法：

一、安装隔音门窗：

将临街窗的普通玻璃换成隔音玻璃。因为隔音玻璃较厚，普通的窗轨不能对接，所以窗框也要改造。使用密闭性能好的塑钢门窗，可以节省能源30％至50％，并可以使室内噪音降低到室外的三分之一，维持在30分贝左右。缺点是必须关闭窗户，影响通风和空气对流。

更换房门：用实木门和实木复合门，越是密度高、重量沉、门板厚，隔音效果越好。采用四周有密封条的防火门，也具有良好的隔音效果。缺点是开支不菲。

二、墙地降噪：

将墙壁表面弄得粗糙一些，可使声波产生多次折射，从而减弱噪音。天花加装一层石膏板来降低噪声。或者用软木覆盖在墙壁上，先用实木不等距呈几何图形分隔墙壁，再用软木覆盖。改造墙壁后，噪音大约可降低50多分贝。

三、采用静音软木地板，通过提高地板的弹性指数和静曲强度，使地板具有吸音隔音的功能。也可以采用地毯，织物甚至吸(隔)音棉等来减弱他们对室内的影响。在床脚加装胶垫也可以减轻一定的振动感。同时床垫采用棕榈垫也要比采用弹簧的席梦思好，当然，硬床板就更不用说了。

四、家居用品：

选用木质家具会收到良好的隔音效果，木质纤维家具有多孔性，能吸收噪音。通过使用厚质窗帘来可消耗部分声音的能量。

主动降噪概念是美国BOSE公司创始人Amar G.Bose博士在一次飞行旅途中由于受不了飞机噪音而提出的。1989年，BOSE主动降噪耳机推出，但主要用于商业以及军用战场上，真正量产到民用还是在2000年。之所以要采用主动降噪耳机，一方面是因为某些噪音是无法通过物理方式隔绝的，另一方面，很多情况下，噪音来自于多方面，我们无法通过传统方法来进行降噪。主动降噪的理论十分简单，“声波”是我们中学物理课程中都会学到的理论。声音的传播是通过介质的振动来实现，波与波之间如果呈反相则会在理论条件下实现抵消。这就好比平静的湖中两组不同方向的波浪相互抵消一个道理。

所有的声音都由一定的频谱组成，如果可以找到一种声音，其频谱与所要消除的噪声完全一样，只是相位刚好相反，相差180°，就可以将这噪声完全抵消掉，如图1所示。抗噪信号仅仅是通过对原始噪声信号的反相处理得到的，目的就是当它们相遇时可以互相抵消。这种方法基于叠加原理，当波形相同、相位相差180。的两个信号相互叠加时，就会产生干涉相消现象。如果噪声抑制信号和原信号不完全相同或者相位不是精确的相差180°，则只会减弱噪声，并不能达到完全抵消的效果。

随着现代工业的发展，噪声污染已成为一个世界性的问题。长期以来，人们不断寻找噪声控制的有效方法。在传统噪声控制中，主要采用吸声材料、阻尼处理、结构消声等无源消声方法，这种方法虽然能够很好的消除高频噪声，但是对波长较长的低频噪声是不适用的，虽然低频噪声对生理的直接影响没有高频噪音那么明显，但是近来国内从事低频噪声研究的专家指出，低频噪音会引起头痛、失眠等神经官能症，更严重的影响了人们的健康，噪声污染的消除是一个急待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种主动消除噪音的外放式装置，通过采集噪声信号经移相、增益处理后释放与原声波振幅相同但相位相反的声波信号与原噪声相抵消，从而更有效的消除噪声。

为实现上述技术方案，本发明提供的一种主动消除噪音的外放式装置，包括：

声音采集放大模块，所述声音采集放大模块包括多个呈阵列分布的噪音收集麦克风和纠错麦克风，所述噪音收集麦克风与第一前置放大器通过导线连接，所述第一前置放大器与第一自动增益控制器通过导线连接，纠错麦克风通过导线与第二前置放大器连接，所述第二前置放大器与第二自动增益控制器通过导线连接；

处理器模块，所述处理器模块包括数字信号处理器、音频编解码器、第一数字模拟转换器和第二数字模拟转换器，所述声音采集放大模块中的第一自动增益控制器和第二自动增益控制器分别与音频编解码器电性连接，数字信号处理器分别与音频编解码器、第一数字模拟转换器和第二数字模拟转换器电性连接，第一数字模拟转换器与第一自动增益控制器电性连接，第二数字模拟转换器与第二自动增益控制器电性连接，所述数字信号处理器内加载自适应算法中的归一化最小均方算法；

音频输出模块，所述音频输出模块包括功率放大器和扬声器，所述功率放大器与音频编解码器电性连接，扬声器与功率放大器导线连接。

优选的，本主动消除噪音的外放式装置还包括存储模块，所述存储模块包括静态随机存储器和闪存，所述静态随机存储器和闪存分别与数字信号处理器电性连接。

优选的，所述噪音收集麦克风和纠错麦克风均采用XF-18D麦克风。

优选的，所述数字信号处理器采用AVR单片机处理器。

优选的，本主动消除噪音的外放式装置还包括外壳，所述外壳将声音采集放大模块、处理器模块、音频输出模块和存储模块包裹在内。

本发明提供的一种主动消除噪音的外放式装置的有益效果在于：

1)本主动消除噪音的外放式装置利用阵列分布的噪音收集麦克风和纠错麦克风在需要消噪区域进行声音采集，由于声音信号比较微弱，用自动增益控制器将采集信号放大，数字信号处理器对采集的信号进行A/D转换，通过归一化最小均方算法的自适应算法对信息进行相应的处理控制移相器和增益放大器，进行自动校准，使得经过处理产生的信号与理论值误差尽可能的小，信号传送给功率放大器，功率放大器将处理好的数据进行适当的放大，以驱动扬声器将声音发送到消噪区域，在消噪区域正常的噪声遇到与其相位相反，振幅相等的声波，噪声的能量会大大降低，降噪效果非常好；

2)本主动消除噪音的外放式装置，结构简单，容易实现产业化，携带和安装十分方便，可以做成时尚的外形，放置在床头柜上，帮助用户拥有良好的睡眠，可以充分休息，修复身体。消噪器既能保证在几个平方米的空间消除噪音，又是一个美观的工艺品。

附图说明

图1为主动降噪原理示意图；

图2为本发明的模块连接示意图；

图3为本发明中的主动降噪波形示意图。

图中：1、数字信号处理器；2、音频编解码器；3、第一数字模拟转换器；4、第二数字模拟转换器；5、第一自动增益控制器；6、第二自动增益控制器；7、第一前置放大器；8、第二前置放大器；9、纠错麦克风；10、噪音收集麦克风；11、功率放大器；12、扬声器；13、静态随机存储器；14、闪存；100、声音采集放大模块；200、处理器模块；300、音频输出模块；400、存储模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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。本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。

实施例：一种主动消除噪音的外放式装置。

参照图1至图3所示，一种主动消除噪音的外放式装置，包括：

声音采集放大模块100，所述声音采集放大模块100包括多个呈阵列分布的噪音收集麦克风10和纠错麦克风9，所述噪音收集麦克风10与第一前置放大器7通过导线连接，所述第一前置放大器7与第一自动增益控制器5通过导线连接，纠错麦克风9通过导线与第二前置放大器8连接，所述第二前置放大器8与第二自动增益控制器6通过导线连接，其中所述噪音收集麦克风10和纠错麦克风9均采用XF-18D麦克风，声音测量通过驻极体XF-18D麦克风阵列进行测量，XF-18D麦克风是电容式微麦克风，输入信号为声音信号，输出信号经前置放大器后进行电压值A/D采样，由于声音信号比较微弱，用前置放大器将采集信号放大，并且由于主动消噪主要只能消除声源固定的噪声，而对声源不固定的声音消除起来是比较有困难的，对此本发明采用在一片区域内进行多点布控的方式来消除此缺陷，即通过设置呈阵列分布的噪音收集麦克风10和纠错麦克风9，可以将噪音收集麦克风10和纠错麦克风9放到房间的不同角落，通过噪音收集麦克风10和纠错麦克风9之间的对称布置能够防止声音因为干涉而使空间内出现声音不均匀现象(一些区域声音强一些区域声音弱)；

处理器模块200，所述处理器模块200包括数字信号处理器1、音频编解码器2、第一数字模拟转换器3和第二数字模拟转换器4，所述声音采集放大模块100中的第一自动增益控制器5和第二自动增益控制器6分别与音频编解码器2电性连接，数字信号处理器1分别与音频编解码器2、第一数字模拟转换器3和第二数字模拟转换器4电性连接，第一数字模拟转换器3与第一自动增益控制器5电性连接，第二数字模拟转换器4与第二自动增益控制器6电性连接，所述数字信号处理器1内加载自适应算法中的归一化最小均方算法，其中数字信号处理器1采用AVR单片机处理器，由于外界来的噪声信号是宽频带信号，信号的幅度也是多种多样，对这种信号的处理需要使用高性能，处理数据快的单片机，利用AVR单片机高性能的特点，计算宽频噪声信号的频率，幅度和相位，采用自适应算法中的最小均方差算法对数字模拟转换器和自动增益控制器进行校准，使移相、增益之后的信号与噪声信号的误差达到最小，以达到减弱或消除噪声的目的，并且AVR单片机内加载自适应算法中的归一化最小均方算法(NLMS)，NMLS算法相比最小均方算法具有收敛速度快，稳态误差小，运算量小的特点，在算法设计过程中将应用MATLAB软件对自适应算法在噪声抵消的应用进行仿真，针对各类不同参数和不同输入信号，分析比较各种情况下的移相增益放大收敛速度、稳态误差力求完成对噪声信号的消除，在理论和仿真的基础上，结合基本硬件平台设计数字模拟转换器、自动增益控制器，在编程实现上将采用C语言编程的方法进行编程设计，实现自适应噪声消除功能；此外采用AVR高性能，低功耗单片机作为主控CPU，节能模式下电流在nA级别，节省能源，而且它的指令执行速度与数据吞吐量大，采用自适应算法--归一化最小均方算法，稳态误差小，收敛速度快，计算量相对其他算法较小，本发明相对传统的模拟电路消除噪声有着无可比拟的优点，内嵌的自适应算法进行自动校准，将误差控制在较小的范围之内，达到有效的消除噪声，营造一个环保，安静的环境；

音频输出模块300，所述音频输出模块300包括功率放大器11和扬声器12，所述功率放大器11与音频编解码器2电性连接，扬声器12与功率放大器11导线连接，AVR单片机对采集的信号进行A/D转换，通过归一化最小均方算法的自适应算法对信息进行相应的处理控制数字模拟转换器与第二自动增益控制器，进行自动校准，使得经过处理产生的信号与理论值误差尽可能的小，信号传送给功率放大器11，功率放大器11将处理好的数据进行适当的放大，以驱动扬声器12将声音发送到消噪区域，这样在消噪区域正常的噪声遇到与其相位相反，振幅相等的声波，噪声的能量会大大降低，利用这样的原理进行有效的消除噪声；

存储模块400，所述存储模块400包括静态随机存储器13和闪存14，所述静态随机存储器13和闪存14分别与数字信号处理器1电性连接，静态随机存储器13和闪存14用于存储执行代码和数据/参数；

电源模块，电源模块用于为声音采集放大模块100、处理器模块200、音频输出模块300和存储模块400提供转换后的电源；

外壳，所述外壳将声音采集放大模块100、处理器模块200、音频输出模块300、电源模块和存储模块400包裹在内，并且该外壳可以根据客户的需求制作成不同的外形。

本主动消除噪音的外放式装置通过收集噪声信号，经过处理后能够释放出与原噪声信号相位相反、幅度相同的噪声信号。当需要消噪的时候开启设备，由于系统本身对消除噪声的区域有一定的限制，所以采用多点布控的方法，可以将噪音收集麦克风10和纠错麦克风9放到房间的不同角落，在多个位置采集数据，让噪声消除区域最大化，白昼模式下，当声音超过50dB时，自动进行噪声消除；夜晚模式下，当声音超过30dB时，自动进行噪声消除。高标准模式下，当声音超过40dB时，自动进行噪声消除；在低标准模式下，当声音超过70dB时，自动进行噪声消除。

本主动消除噪音的外放式装置，结构简单，容易实现产业化，携带和安装十分方便，可以做成时尚的外形，放置在床头柜上，帮助用户拥有良好的睡眠，可以充分休息，修复身体。消噪器既能保证在几个平方米的空间消除噪音，又是一个美观的工艺品。

本主动消除噪音的外放式装置不仅适用于那些需要安静的场合，比如教室、图书馆、办公室、卧室、病房等；也同样适用于那些噪声很大，需要降低噪声的场合，比如大型工厂车间、嘈杂的菜市场、商场等，可以根据面积的大小，做成功率不同，大小不同的噪音消除器。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应局限于该实施例和附图所公开的内容，所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种主动消除噪音的外放式装置，其特征在于包括：

声音采集放大模块，所述声音采集放大模块包括多个呈阵列分布的噪音收集麦克风和纠错麦克风，所述噪音收集麦克风与第一前置放大器通过导线连接，所述第一前置放大器与第一自动增益控制器通过导线连接，纠错麦克风通过导线与第二前置放大器连接，所述第二前置放大器与第二自动增益控制器通过导线连接；

处理器模块，所述处理器模块包括数字信号处理器、音频编解码器、第一数字模拟转换器和第二数字模拟转换器，所述声音采集放大模块中的第一自动增益控制器和第二自动增益控制器分别与音频编解码器电性连接，数字信号处理器分别与音频编解码器、第一数字模拟转换器和第二数字模拟转换器电性连接，第一数字模拟转换器与第一自动增益控制器电性连接，第二数字模拟转换器与第二自动增益控制器电性连接，所述数字信号处理器内加载自适应算法中的归一化最小均方算法；

音频输出模块，所述音频输出模块包括功率放大器和扬声器，所述功率放大器与音频编解码器电性连接，扬声器与功率放大器导线连接。

2.根据权利要求1所述的主动消除噪音的外放式装置，其特征在于：还包括存储模块，所述存储模块包括静态随机存储器和闪存，所述静态随机存储器和闪存分别与数字信号处理器电性连接。

3.根据权利要求1所述主动消除噪音的外放式装置，其特征在于：所述噪音收集麦克风和纠错麦克风均采用XF-18D麦克风。

4.根据权利要求1所述的主动消除噪音的外放式装置，其特征在于：所述数字信号处理器采用AVR单片机处理器。

5.根据权利要求2所述的主动消除噪音的外放式装置，其特征在于：还包括外壳，所述外壳将声音采集放大模块、处理器模块、音频输出模块和存储模块包裹在内。