CN1092128A - 防护某一给定的特别是设置在室内的空间免除外部噪声的改进方法和装置 - Google Patents

Abstract

为了使房间(3)内部的空间(2)防护外部噪声E， 使用接收噪声E的声传感器(11j)的阵列，其距该空 间的距离为A，还使用声源(15k)的阵列，其距空间 的距离B小于A，信号S加到这些声源上，这些信号 是函数Ej(t)与两个函数f_ij(t)与g_ik(t)的双重卷积的 和。一方面，在各传感器(11j)处接收由限定该空间 的设想的格栅(6)所携带的各声源(10i)发射的脉冲， 另一方面，在各传感器(12i)处接收为上述声源(15k) 所发射的脉冲，传感器(12i)放置在与声源(10i)相同 的位置上。

Description

经常需要使某一空间免除在该空间外部所产生的噪音的干扰。

所议的空间是指某一个人头部所占有的空间，特别是指他处在坐立位置或躺下位置时头部所占有的空间：当实现所需的声音防护时，只要该人的头部保持放在该空间内部，该人就会与外部噪声相屏蔽。

为了确保这种声音防护，已经提出在所议的空间和其外部之间设隔音板。

利用这样的隔板所实现的隔音作用是有限的，配备这种隔板的有形障碍物经常是无作用的。

还已提出，通过向所述空间提供具有与噪声相同幅度和相反相位的“反噪声”来抵消为该空间所接收的某些噪声。

但是迄今为止，这种有时被称为主动衰减类型的抵消作用仅对直接从声源传播到所要防护的空间的比较纯正的正弦波声音产生效果。

特别是，以这种方式不可能正确地处理随机的噪声，当设想该空间处在室内由隔板在横向上、由地板在下面以及由天花板在上方限定时，向来几乎不可能控制在限定所述房间的各面墙上以及在该房间内的其它障碍物例如家具上所产生的所要抵消的噪声的反射或回响现象。

本发明的目的首先是通过使设置在室内的某一空间免除该室外部所引起的任何性质的噪声，特别是对从某些选择的方向例如窗口来的噪声，消除所有上述这些缺点。

为了这一目的，根据本发明用于对某些限定的空间进行声音防护的装置的基本特征在于，一方面该装置包括一个接收所要抵消的噪声Ej（t）的声音传感器（拾音器）的阵列以及一个声源（扬声器）的阵列，它们分别在距限定设置在所要进行声音防护的空间中的各个点i的同一个假设格栅阵列为两个不同的距离A和B处设置，距离B小于距离A，另一方面，在所述传感器和所述声源之间加入一个电路装置，其配置用于计算，在小于（A-B）/V的时间间隔内，（其中V是声音在空气中的速度），对每一个噪声Ej（t），都有若干信号S_k（t）瞬间分别加到各声源上，每一个信号S_k（t）为：

在公式中：

-每一个函数f_ji（t）与互反函数f_ij（t）是相同的，该互反函数是脉冲响应信号，它是预先确定和记录的，它对应于在上述传感器阵列中的标号为j的传感器处所产生的噪声，是通过从假设位于点i处的一个声源发射一个短的声脉冲产生的。

-每一个函数g_ik（-t）是由与互反函数g_ki（t）相同的函数g_ik（t）而推演出来，该函数也是脉冲响应信号，是预先确定和记录的，它对应于假设位于点i的一个传感器处所产生的噪声，是由上述声源阵列中标号为k的声源所发射的一个短的声脉冲产生的。

在各最佳实施例中，还要使用一个和/或其它的如下规定：

-实施检测为计算信号S所需的噪声Ej（t）是通过按照基本上相应于表征所要处理的声波的最短周期的八分之一的速率进行取样，亦即是说相应于根据各传感器的灵敏度所选择的最高的频率范围。

-传感器处于灵敏状态所在的频率分布范围在10到10000赫兹之间。

-构成每一个阵列的的声元件的数量为几十个，特别是在50到100的数量级，在每一个阵列中的这些元件相互分开的距离为分米数量级。

-距离A和B之间的差为1米数量级;

-每一个信号S_k（t）为：

在公式中，h_jk（t）是一个预先确定和记录的函数，并且为：

本发明还提出了用于装备上述装置的声元件的特别设计的各种阵列，以及提出了用于计算信号S的脉冲响应信号f_ij（t）和g_ki（t）的确定方法。

根据本发明，这些方法的基本特征在于，在邻近所要进行声防护的空间处，为了以某种方式限定该空间的至少一部分，配置一个限定若干点i的格栅阵列，在该阵列处：

-在第一时间间隔中，设有各声源，在利用所述声源发射短的声脉冲期间，在邻近上述常设传感器处确定响应信号f_ij（t），

-在第二时间间隔中，设有各声传感器，在利用上述常设声源发射短的声脉冲期间，在邻近这些传感器处，确定响应信号g_ki（t）。

在上面限定的方法中两个依次的“时间间隔”的阶段中分别使用的两个声源-传感器组件中的至少一个组件的内部，声源和传感器各自的作用和位置可以交换。

在预计使用上述函数h_jk（t）的情况下，此外还要采取计算和记录该函数h_jk（t）的在先步骤。

除了这些主要规定外，本发明还包含某些其它的规定，这些规定最好同时使用并且在下文将更清楚予以评价。

下面将参照附图，以非限制方式介绍本发明的最佳实施例。

附图1仅仅示意地表示一个装备着适用于使一房间的有限空间防护免除室外噪声的装置的房间。

图2是包含在该装置内的电路的示意图。

提出的问题是要对设置在房间3内部的一个相对有限的空间2提供防护，房间3在横向上为隔板4所限定，下方为地板所限定，上方为天花板所限定，关于随机噪声E用箭头1示意表示。

噪声E例如来源于室外，通过一个开启或关闭的窗5进入。

空间2例如是球形的或是一个旋转圆柱形的，其直径为1米数量级，其中心部分为某一个希望与噪声E隔绝的人的头部所占据，这个人例如坐在桌前或躺在床上。

为了解决所提出的问题，采用本身是已知的主动衰减的方法，为了防护某一指定点免除讨厌的噪音，该方法在于使在该点产生反噪声，该反噪声与所述噪声是相反的，并按某种方式确定，使得它们在所述点上与这些噪声叠加，使噪声变为零，就是说消除了所述噪声。

迄今，在这一方面已经提出的实施例只有当满足如下两个条件时，才能具有满意的效果：

-噪声是由一个纯正弦的声音所构成的，例如由某些电动机或乐器所发射的，

-从声源到所要防护点的所述声音是专一定向传播的，没有在障碍物例如房间墙壁上产生该声音的反向或回响。

本发明提出的方法和装置能够做到即使该噪声是随机的并且为房间3的墙壁4所反向或回响也能解决在上述限定的空间2中衰减或者甚至消除讨厌的噪声的问题。

为了实现这一点，采取如下措施。

为了希望确保所述防护，在所要进行声防护的空间2和噪声E来源之间设置两个“栅栏”或“阵列”6和8，它们中的每一个都包含各自的声元件，声元件利用一个按照声音分布需要成格栅状的刚性构架（分别为7和9）保持彼此分开。

这两个栅栏或阵列6和8彼此间隔平均距离A。

这两个阵列中的第一个阵列6限定了一个一般为三维的格栅网，格栅网的各个点或节点i-1，i，i+1…至少部分地占据所要进行声防护的空间2。

在第一时间间隔中，阵列所包含的声元件是位于在所述节点上的声源（扬声器或其它元件）10_i-1，10_i，10_i+1…。

说到包含第二个格栅8的声元件，它们是位于所述格栅的各个不同的点或节点11_j-1，11_j，11_j+1的传感器（拾音器）11_j-1，11_j，11_j+1…。

接下来，确定作为时间t的函数的每一个脉冲响应原理信号f_ij（t），其相应于在传感器11;处所产生每一个噪声信号，是由每个声源10_i发射一个短的声脉冲所产生的。

这里使人想起互换定理，根据该定理，按照上述方式确定的脉冲响应信号f_ij（t）是与为一些传感器将要产生的反向脉冲响应信号f_ji（t）是严格相同的，这些传感器设想配置在与上述声源10_i严格相同的位置上，这些反向脉冲响应信号响应于从代替上述传感器11j的假想配置在各个点j处的声源发射短的声脉冲。

这种互换性特别要考虑所有的声波的反射或回响，这种反射或回响是由房间3的墙壁或在该房间中容纳的其它障碍物例如家具所引起的，在附图上这种反射利用线R来示意表示。

利用所述定理，对于在每一个点j处所接收的每个给定的总噪声E_j（t），对将到达阵列6的每一个点i处的合成噪声进行计算。

该合成噪声是卷积E_j（t）

f_ji（t）。

然后确定总噪声F_i（t），该噪声响应于被在成组的点j所接收的噪声信号E_j（t），将到达于每一个点i处，这些噪声用上方箭头1所表示。

该总的噪声F_i（t）为：

阵列6的每一个声源10_i然后利用与这些声源严格相同位置配置的声传感器12_i所替代。

像前述格栅一样种类的第3个格栅或阵列13基本上按照与阵列6的中部区域距离为B的方式配置，长度B小于A：该阵列13由一个刚性构架14形成，它使位于在所述构架的各个点或“节点”K-1，K，K+1…处的若干声源15_k-1，15_k，15_k+1彼此保持分开状态。

接下来，确定每一个脉冲响应信号g_ki（t），它对应于在传感器12_i处所产生的噪声，为从声源15_k发射一个短的声脉冲所产生。

借助于上面回顾的互换性原理，每一个函数g_ki（t）与该互反函数g_ik（t）是严格相同的。

因此，可以说响应于设想从各点i利用在该点上的声源所发射出的噪声F_i（t），将会在阵列13中的各点K的每一点处产生总的噪声G_k（t），该噪声为：

G_k（t）＝∑F_i（t）

g_ik（t） （Ⅱ）

这个公式是非常有用的，因为它能够在非常精确地确定在邻近阵列13处，由于在第一阵列6的各个点i的邻近处产生的噪声F_i（t）所导致形成的噪声。

因此，确切地说后一个噪声F_i（t）就是通过向房间3施加所要抵消的干扰噪音E_j（t）在邻近所述点i处产生的那些噪声。

为了计算那些打算用来抵消在邻近这些点i处不希望有的入射噪声E_j（t）所引起的任何噪动的预期的反噪声，就是说使在邻近点i处由于这些不希望有的噪声所引起产生的噪声F_i（t）变为零或至少大为衰减，应满足：

-利用在响应原理信号g_ik（t）中做为变量的变量（-t）代换变量（t）代入上述公式Ⅱ中，

-施加每个合成信号的反向信号S_k（t）到相应声源15k。

实际上发现，假如在每一个点K处发射反信号g_ik（-t），朝向点i发射的相应声波的传播与相应于由所述点i朝向所述点k发射一个短的声脉冲的传播正好相反，并且该波在点i处因此而会聚，在该处精确地重新构成所述短脉冲，尽管波的前沿由于房间的墙壁和其它障碍物的各种声反射可能沿两个方向而产生各种畸变。

更确切地说，相应于这些反信号的反向波前以顺序方式占据在过去由起始“正向”波前所占据的各个位置，所观察的现象类似于倒放电影胶片。

所议的信号S_k（t）然后可以利用如下公式求出：

将该信号S_k（t）加到声源15k，使得它能够在邻近各点i处产生反噪声信号C-或C_i（t）-它能够通过利用不想有的噪声信号E_j（t），使得在这些点处所产生的噪声F_i（t）为零。

空间2然后保持安静并对所述噪声E_j（t）来说是不能达到的，不管它们的种类和强度并且不管它们的某些成分在到达所述空间以前已经历各种反射和回响。

当然，在已经确定脉冲响应原理信号g_ki（t）之后，阵列6可以完全除去，因此可完全自由地接近已被隔声的空间2。

这是本发明的一个重要的优点。

为了实现理想地抵消每一种噪声F_i（t），反噪声C应当像这些噪声一样同时到达各点i的邻近处。

这是由于介于从阵列8和13分别离开阵列6的两个距离A和B之间的差值起作用之所在。

应当注意，该差值要足够大，以便在声音传播通过长度A-B的时间阶段内能够采用电子方式计算该反噪声。

业已发现，假如该长度为1米数量级，所获得的时间（3毫秒）对所述的电子方式的计算是足够了。

这是若干原始观察结果之一，它使得本发明的构思实现成为可能。

所议的电子电路在图1中利用矩形16表示。

在图2中对其做了更详细的介绍，其中连有一个存储和计算单元17：

-在一侧，利用包含放大器18j和模/数转换器19j的链式电路接到每一个声传感器11j上，

-在另一侧，利用包含数/模转换器20k和放大器21k的链式电路接到每一个声源15k上。

在实际上，由传感器11j所录入的噪声E_j（t）并不是以连续的方式使用的。

按照某一速率进行取样，该速率基本上相应于表征所要处理的声波的最短周期的八分之一，就是说对应于按照各传感器灵敏度所选择的最高频率范围。

各传感器处于灵敏状态的频率分布范围最好包括在10到10000赫兹之间。

在这些条件下，最高频率为10干赫兹，它对应于100微秒的一个周期，取样频率等于80干赫兹，它对应于每12微秒进行一次取样。

说到同一个阵列或格栅的各个声元件分开的距离，该距离其数值最好等于有关频率范围的最小波长的二分之一。

因此，所议的距离可以为10厘米数量级，它能对于所要抵消的低频分量的噪声确保特别优异的声音防护效果：实际上，对1000赫兹的频率来说波长为33厘米。

说到构成每一个格栅或阵列的声元件的数量，该数量为几十，特别是50到100的数量级。

代入上述公式Ⅲ的这些各种不同的数量的卷积是相对高的，这就可能意味着要使用相对强大的计算装置。

为了实现这一点，对每一个传感器11j，可以配置一个数字信号处理器（DSP）。

按照下文将要介绍的一个便利的改进，所需的电子处理可以相当程度地被简化。

这种改进是建立在如下的设想的基础上。

上述公式Ⅲ还可以写成：

用h_jk表示该总面积的右侧（就是说 ），公式Ⅳ变成：

该公式相对简单在于它不包含任何点i的参数。

当然，在计算函数h期间，还是包含这些点i的。

然而，这种计算可以在准备步骤的阶段中预前完成，接续准备步骤将要计算的函数h放入存储器，这会比先前的解决方案灵活得多。

实际上，该过程如下进行：

-开始，在从时间t＝0开始的时间T的一个周期内，检测每个脉冲响应信号f_ij（t），t＝0对应于从点i发射短的起始声脉冲，所述周期足以延伸以包含整个相关的脉冲响应信号，它对应于直射通道和伴生的反射。

-在同一个周期T内按照相似的方式检测每一个脉冲响应信号g_ki（t）。

-因此，所检测的两个函数在从t＝-∞到时间t＝0以及从时间t＝T到时间t＝+∞的延伸的两个周期内分别增补零点值（Os）。

-计算“反”函数g_ik（-t）并存储，

-计算函数

-所计算的函数h进行存储，要指出它们对于jk是对称的，因为两个脉冲响应信号f_ij（t）和g_ik（t）本身对ij和ik都是对称的，

-最后，根据上述公式Ⅳ，利用所存储的函数h_jk（t），使所要抵消的噪声信号E_j（t）卷积，以便确定相反的信号S_k（t）。

-为了说明通过刚刚介绍的改进所带来的上述优点，下面举出数字实例，当然仅仅是通过非限制性的介绍本发明的方式说明：

-阵列8包含8×8点j构成的格网，即64点j的格网，

-与之相似，阵列13包含8×8点k即64点k构成的格网，

-阵列6包含一个立体的三维的8×8×8＝512个点i的网状系统，

-时间T等于100毫秒，按照100干赫兹的速率进行取样，这相应于每个读数取样数为10000，每个取样的分辨率为12比特，它相应于1.5字节：因此，每个读数包含15000字节。

假如直接使用上面给定的通用公式Ⅲ，每一个脉冲响应信号f_ij（t）和g_ik（-t）必须存入存储器中，即对这两族中的每一个总共有64×512＝32768个读数;假如考虑到对称性，数量可以全部减半，对每族而言，它对应的读数依然大于16000。

这两族脉冲响应信号的卷积以及所述卷积与代表噪声E_j（t）的函数的双重卷积的计算需要使用强大的计算机。

在进行上述改进的情况下，

-计算和存储函数h的准备步骤包括对从i＝1到i＝512的512次卷积f_ij（t）

g_ik（-t）求和;构成函数h的该求和结果被存储。

-实际产生反噪声S的步骤仅需要包含对每一对变量jk确定所存储的函数h，就是说，由于对jk而言的系统的对称性，总对数的数量级仅为2080。

最后，为了实际实施本发明所要进行的存储包含2080×15000字节，就是说31.20兆字节，它代表了一个整体相当的数量。

概括起来，可以表述为：

-在完成准备阶段时，对所采用的数字实例，所要存储的函数的数量仅为2000的数量级，而根据通用公式，它的数量级则为32000。

-如果考虑在每种情况下，所要进行的卷积容有两个因式，第一个因式是E_j（t），第二个因式在第一种情况下利用大约2000函数限定，而在一般情况下，它大约包含16000×16000＝256兆函数。

因此，不考虑所采用的实施例，最终获得一个能够有效地使某一指定的空间免除外部噪声的装置，该装置其结构和使用充分遵循上面介绍的内容。

与先前已知的装置相比，该装置具有许多优点，特别是即使对随机的噪声也能确保声防护，甚至有关的空间设置在一个其墙壁没有为了克服声反射而进行专门处理的房间内部也能确保声防护。

不言而喻，当充分领会上述内容时，可知本发明决不限于它的应用和实施例的方式的内容，这些应用和实施例不过受到更特别的重视：相反地，本发明概括了它的所有变型方案，特别是：

-在该装置中，用于产生反噪声的拾音器11j和/或扬声器15k并不同于当存在阵列6时为了校正或设立装置先前所用的那些器件，在这种情况下，为了考虑在所用设备的响应之间的差异，要将适当的校正系数引入计算程序之中。

-在该装置中，由扬声器所产生的和/或由拾音器所检测的参数并不是一个压力而是空气分子的速度，在这种情况下，要向计算程序引入适当的校正系数，从这些参数中的一个转换到其它个是通过对时间的微分或积分作用实现的。

-在该装置中，在计算函数f和g中的至少一个函数的阶段中，各声源和传感器的作用和位置就上述采用的实施例而言是相互交换的，的确从上面回顾的互换原理来看，等于f_ji（t）的函数f_ij（t）能够相当好地进行计算是通过使用从各个点i所发射的短的声脉冲以及通过分析在各点j处的相应的脉冲响应信号，或者是通过使用从各个点j发射的短的声脉冲以及通过分析在各个点i处的相应的脉冲响应信号;特别是为了确定所有的脉冲响应信号f_ij（t）和g_ik（t），仅仅是在各点i处的声源的放置可能要预计，然后，为了确定响应信号g，在各点k处利用各传感器代替各声源15k。

Claims (10)

1、一种用于防护某给定空间免除外部噪声的装置，其特征在于，一方面它包含一个接收所要抵消的噪声E_j(t)的各声音传感器(11j)的阵列(8)以及一个各声源(15k)的阵列(13)，两阵列分别在距限定设置在所要进行声音防护的空间(2)中各个点i的同一个假设格栅阵列(6)为两个不同的距离A和B处配置，距离B小于距离A，另一方面，在所述传感器和所述声源之间加入一个电子电路装置(16)，其配置用于计算，在小于(A-B)/V的时间间隔内，其中V是声音在空气中的速度，对每一个噪声E_j(t)都有若干信号S_k(t)瞬间分别加到各声源(15_k)上，每一个信号S_k(t)为：

在公式中；

-每一个函数f_ji(t)与互反函数f_ij(t)是相同的，该互反函数是预先确定和记录的脉冲响应信号，它对应于在上述传感器阵列中标号为j的传感器(11_j)处所产生的噪声，是通过从假设位于点i处的一个声源(10_i)发射一个短的声脉冲产生的。

-每一个函数g_ik(-t)是由与互反函数g_ki(t)相同的函数g_ik(t)而推演出的，该函数也是预先确定和记录的脉冲响应信号，它对于假设位于点i的一个传感器(12_i)处所产生的噪声，是由上述声源阵列中标号为k的声源(15_k)所发射的一个短的声脉冲所产生的。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，实施检测为计算信号S所需要的噪声E_j（t）是通过按照基本上相应于表征所要处理的声波的最短周期的八分之一的速率进行取样，亦即是说相应于根据各传感器的灵敏度所选择的最高频率范围。

3、根据前述权利要求中的任何一个权利要求所述的装置，其特征在于，传感器（11_j）处于灵敏状态的频率分布范围包含在10到10000赫兹之间。

4、根据前述权利要求中的任何一个权利要求所述的装置，其特征在于，构成每一个阵列（6、8、13）的声元件（10_i，11_j，12_i，15_k）的数量为几十个，特别是在50到100的数量级，在每一个阵列内部的这些元件相互分开的距离为分米数量级。

5、根据前述权利要求中的任何一个权利要求所述的装置，其特征在于，距离A和B的差为1米数量级。

6、根据前述权利要求中的任何一个权利要求所述的装置，其特征在于，每一个信号S_k（t）＝-∑E_j（t）

h_jk（t），在公式中，h_jk（t）是一个预先确定和记录的函数，并且：

7、一种用于确定脉冲响应信号f_ij（t）和g_ki（t）的方法，脉冲响应信号f_ij（t）和g_ki（t）是用于计算根据前述权利要求中的任何一个权利要求所述信号S的，其特征在于，在邻近所要进行声音防护的空间（2）处，为了以某种方式限定该空间的至少一部分，配置一个限定若干点i的格栅阵列，在该阵列处：在第一时间间隔中，设有各声源（10_i），在利用所述声源发射短的声脉冲期间，在邻近上述常设传感器处确定响应信号f_ij（t），而在第二时间间隔中，设有各传感器（12_i），在利用上述常设声源（15_k）发射短的声脉冲期间，在邻近这些传感器处，确定响应信号g_ki（t）。

8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在两个依次的“时间间隔”的阶段中分别使用的两个声源（10_i;15_k）-传感器（11_j;12_i）组件中的至少一个组件内部，声源和传感器各自的作用和位置可以交换。

9、一种用于实施根据权利要求7和8中的任何一个权利要求所述方法的声音元件（10_i;12_i）的格栅阵列。

10、一种用于使用根据权利要求6所述的装置的方法，其特征在于，采取计算和记录函数h_jk（t）的在先步骤。

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