CN109461432B - 一种具有方向性的主动降噪装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有方向性的主动降噪装置及方法，设计了环形方向性麦克风阵列，通过信号数字处理技术，将不同频段的信号强度和相位进行综合计算和分析，获得了噪声源的位置，对处于噪声区和保护区的声源分别处理，通过外接麦克风和本身麦克风的反馈，构造降噪声场，削减抑制来自噪音区的噪音，对保护区的声音不做抑制处理。本发明既解决了方向性噪声源难以抑制的难题，又避免了本身保护区正常声音的抑制。

Description

一种具有方向性的主动降噪装置及方法

技术领域

本发明涉及一种降噪装置及方法，适用于空间主动降噪。

背景技术

在军事及民用的许多场合，人员都暴露在高噪声的环境中，这些噪声对身处其中的人员健康造成了巨大影响。主动降噪技术出现时间较早，1936年专利US2043416“Processof silencing sound oscillations”就提出了在声场中加入次级声源，利用该声源发出与噪声幅度相同相位相反的反向噪声，来抵消抑制噪声，实现主动降噪。目前主动降噪技术集中在主动降噪耳机上，这是一维的线性降噪，主要是利用耳机外麦克风采样，经过运算电路变换后，抵消耳机内的噪声声场。但是在三维空间中，由于声音源头多、传输角度和距离变化大等特点，一维降噪技术很难实现一定范围内的主动降噪。目前有针对三维空间内“点噪声源”的降噪技术研究，例如CN201710957376.5“一种应用在油烟机的主动降噪方法”、CN201510537895.7“一种有源降噪排气扇机器线谱噪声有源控制方法”和CN201620075578.8“一种用于抽油烟机的消音装置”等，主要针对油烟机、排风扇等固定点状噪声源，利用扬声器进行主动抵消降噪；CN201610967849.5“一种车载主动降噪系统及方法”则是在密闭空间内利用麦克风阵列采集所有声音，利用扬声器进行主动抵消降噪。

但是，实际家庭生活中遇到的很多是方向性噪声源，来源于公路、窗户、大门的复杂噪声具备很强的方向性，这些噪声给人们的生产和生活都带来了很大影响，在家庭中采用隔音墙等被动降噪技术又因为成本等原因不宜采用。由于噪声的消减不应当将空间内的所有声音或者某些频率的所有声音都消减，因此采用全声场的主动降噪会严重影响正常的生活。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种具有方向性的主动降噪装置，能够在不适宜设置隔音墙等被动降噪技术的区域，使装置后方降噪区的噪声得到消减和抑制，同时不干扰装置保护区的正常声场。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有方向性的主动降噪装置，包括电子控制单元、两块隔音板、若干个声音聚焦器和扬声器；

所述的两块隔音板相互垂直固连，在水平放置的隔音板上方，若干个声音聚焦器呈环状均布且沿竖直放置的隔音板对称布放，各个声音聚焦器的拾音方向沿圆环径向向外；在水平放置的隔音板下方，若干个扬声器呈半环状均布在竖直放置的隔音板一侧，每个扬声器对应一个声音聚焦器，即该扬声器的轴线在水平隔音板上的投影延长经过两块隔音板的交点后与一个声音聚焦器的拾音方向重合；所述的声音聚焦器采集各个方向的声源信号，由电子控制单元判断不同频率下各个方向的声源信号强度，并对背向扬声器一侧的声音聚焦器捕获的最强声源信号作为噪声源，由对应该声音聚焦器的扬声器发出与噪声幅度相同相位相反的反向噪声，实现主动降噪。

所述的声音聚焦器共六个，扬声器共三个。

所述的声音聚焦器均由不锈钢板卷成锥底开口的圆锥形，圆锥内部接近锥顶位置安装一个柱状麦克风；不锈钢钢板外涂敷橡胶后嵌入到发泡隔音材料中。

所述的声音聚焦器均由1mm厚的不锈钢板卷至成锥底开口的圆锥形，其锥角为60度，圆锥体横向投影为正三角形，边长为160mm；声音聚焦器接近锥顶位置安装一个柱状麦克风，安装高度为圆锥高度接近锥顶1/3处；声音聚焦器不锈钢钢板外涂敷2mm厚的橡胶，并嵌入到发泡隔音材料形成的柱状体中，所述柱状体的底面为边长200mm的正三角形，柱状体的高度为200mm。

所述的隔音板在不锈钢板两侧涂敷橡胶后加装发泡隔音板。

所述的隔音板采用1mm厚的不锈钢板为基材，两侧分别涂敷2mm厚的橡胶后再加装5mm厚的发泡隔音板，形成15mm厚的复合隔音板；竖直放置的隔音板尺寸为800mm*800mm，板上缘开倒角；水平放置的隔音板形状为直径600mm的圆。

所述扬声器的轴线均与水平方向呈20°夹角，开口端向下倾斜。

本发明还包括一个全向麦克风和两个辅助扬声器，所述的辅助扬声器安装在扬声器组成的半环两侧，与半环中的扬声器共同工作，根据全向麦克风提供的反馈信号重构噪声场。

本发明还提供一种利用上述装置的主动降噪方法，包括以下步骤：

1)将上述装置置于需要主动降噪的区域，将扬声器所在一侧朝向需要保护的区域，将另一侧朝向噪声来源方向；

2)各个声音聚焦器分别采集对应方向的声信号，A/D转换为数字信号；

3)分别将各路数字信号进行数字滤波，分析信号频谱分布，得到各频带的信号强度分布；判定同一频带下背向扬声器一侧信号强度最大的方向为噪声方向；

4)利用噪声方向及其反向的一对声音聚焦器所捕获声源信号之差，计算得出反向叠加降噪信号，通过DA转换和信号放大，驱动对应的扬声器工作产生降噪声场。

本发明的有益效果是：设计了环形方向性麦克风阵列，通过信号数字处理技术，将不同频段的信号强度和相位进行综合计算和分析，获得了噪声源的位置，对处于噪声区和保护区的声源分别处理，通过外接麦克风和本身6个麦克风的反馈，构造降噪声场，削减抑制来自噪音区的噪音，同时对保护区的声音不做抑制处理。

本发明既解决了方向性噪声源难以抑制的难题，又避免了本身保护区正常声音的抑制。和传统一维主动降噪技术比较，本发明扩大了降噪的使用方式和范围，避免了耳机等降噪设备的佩戴；和点状主动降噪比较，避免了设备和噪声源的限制，使用更加灵活方便；和密闭空间主动降噪比较，避免了有益声源的抑制，能够有效区分需要隔离的噪音区和有益声音的保护区。

附图说明

图1是本发明的结构正视图；

图2是本发明的结构后视图；

图3是本发明的结构俯视图；

图4是本发明的结构左侧视图；

图5是本发明的结构右侧视图；

图中，1-声音聚焦器A，2-声音聚焦器B，3-声音聚焦器C，4-声音聚焦器D，5-声音聚焦器E，6-声音聚焦器F，7-隔音板H1，8-隔音板H2，9-主扬声器P，10-主扬声器Q，11-主扬声器R，12-主支架，13-右侧分支架，14-左侧分支架，15-右支扬声器S，16-左支扬声器T，17-四轮支架，18-电子控制设备盒，19-右侧支撑杆，20-左侧支撑杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明主要针对不适宜设置隔音墙等被动降噪技术的区域，解决空间主动降噪的两个突出需求：一是隔绝削弱噪音区噪音，保证人身健康；二是实现保护区正常信息交流和倾听声音。本发明能够使装置后方降噪区的噪声源噪声得到消减和抑制，而且不干扰装置保护区的正常声场，使保护区的声场能够保持原有正常状态。

如图1所示，本发明的整个装置由2个半柱体接收阵列M、N(共包含6个声音聚焦器A、B、C、D、E、F)、2块隔音板H1、H2、电子控制单元、外接反馈器件、主扬声器单元(包含3个主扬声器P、Q、R)、2个支扬声器单元S、T以及支架组成。

如图2所示，所述的声音聚焦器A、B、C、D、E、F均由1mm不锈钢板卷至成圆锥形，其锥面夹角为60度，圆锥体横向投影为正三角形，边长约为160mm。声音聚焦器接近锥顶位置安装一个柱状麦克风，安装高度为圆锥高度接近锥顶1/3处。声音聚焦器不锈钢钢板外涂敷2mm橡胶，嵌入到发泡隔音泡沫中，所述柱状体的底面为边长200mm的正三角形，柱状体的高度为200mm。

如图3、图4、图5所示，安装声音聚焦器A、B、C的隔音泡沫拼接形成一个半柱体接收阵列M，安装声音聚焦器D、E、F的隔音泡沫拼接形成另一个半柱体接收阵列N。

两个半柱体接收阵列M和N之间安装一块复合隔音板H1，隔音板为1mm不锈钢材质为基材，两面各喷涂敷2mm橡胶后再加装5mm发泡隔音泡沫，形成15mm厚的复合隔音板，隔音板尺寸为800mm*800mm，板上缘开倒角。

两个半柱体接收阵列M和N下方有一块与H1相同结构的复合隔音板H2，形状为直径600mm的圆。复合隔音板H2的加工方式与复合隔音板H1相同。

在复合隔音板H2下方对应半柱体接收阵列M一侧安装电子控制单元，电子控制单元外壳由不锈钢钢板制作，呈半圆柱体。电子控制单元包括模拟信号采集板、扬声器控制输出板、数字信号处理板、反馈接收电路以及外接反馈器件K。

外接反馈器件K是一个由小型全向麦克风、前置滤波放大模块、A/D转换模块、单片机、编码模块、电源接口组成的外接反馈组件，全向麦克风接收的信号通过前置滤波放大模块进行滤波放大后由A/D转换模块转换为数字信号，存储在单片机中并通过编码模块编码传输给数字信号处理板；所述的电源接口为上述全向麦克风、前置滤波放大模块、A/D转换模块、单片机和编码模块供电。

电子控制单元中，模拟信号采集板接收声音聚焦器A、B、C、D、E、F的模拟信号，进行前置滤波放大和AD转换给输出给数字信号处理板，数字信号处理板同时通过反馈接收电路接收外接反馈器件K的输入，形成反馈输出信号，通过扬声器控制输出板控制对应扬声器的输出。

在半柱体接收阵列N下方，安装主扬声器单元，包括数字信号处理板、主扬声器控制板、输入输出接口和3个主扬声器P、Q、R，扬声器Q为中心位置，扬声器P、R在扬声器Q两侧，与扬声器Q夹角为60度。扬声器P、Q、R均向下倾斜20度。

上述设备的中心下方安装主支架，主支架采用直径40mm的中空铝管，主支架底部为四脚可固定滑轮支架。在设备下方，主支架两侧各水平安装一个直径20mm的中空碳纤管支架，长度各为1000mm。主支架与碳纤管支架件治安有斜向支撑杆。

碳纤管支架顶端分别安装支扬声器S、T，支扬声器S、T为160mm木制音箱盒，音箱线路从碳纤管内部走线。

整个设备包含了7路采集通道，其中6路采用模拟/数字转换输入接口分别与声音聚焦器A、B、C、D、E、F中的麦克风相连接，1路与外界反馈器件直接连接。前6路将麦克风产生的模拟信号转换为数字处理板主动降噪所需的初始运算信号。外接反馈器件为数字处理板主动降噪提供所需的反馈运算信号。

数字处理板主要包括数字滤波模块、声场定位模块和降噪声场空间重构模块。

数字滤波模块是对6路采集的数字信号进行并行多路处理，对不同频带下的声音信号进行滤波。

声场定位模块分析噪声主要噪声源和频带，并通过6路滤波后的信号的强度和信号相位判别噪声源的基本方向和位置。

降噪声场空间重构模块是根据噪声源的频带和空间位置，对噪声信号进行预测，加入外界反馈器件的反馈信号，产生3个主扬声器和2个支扬声器的削减降噪声场信号。

扬声器控制输出板包括主扬声器控制输出板和支扬声器控制输出板，主要包含数字/模拟转换模块和功率放大模块，主扬声器控制输出板还带有数字信号处理板单元。数字处理板产生3个主扬声器P、Q、R的驱动信号，和2个支扬声器S、T的驱动信号同时进行数模转换和功率放大后输出至各扬声器。

本发明涉及的主动降噪方法如下：

步骤1)需要实现空间主动降噪时，将声音聚焦器A、B、C所在的接收阵列M面向噪声，声音聚焦器B正对噪声来源大致方向，将接收阵列N正对需要保护的区域；

步骤2)麦克风A、B、C、D、E、F分别采集对应方向的声信号，通过A/D转换为6路数字信号；

步骤3)分别将6路数字信号通过数字滤波模块进行数字处理，分析得出6路的信号频谱分布，得到各频带的信号强度分布。

对同一频带下的6路信号进行强度综合分析，获得该频带下主要声源的大致方向，并判断是否为主要的噪声源(声场强度最大的判定为主要噪声源)。

当主要声源位置处于噪声区时，进入步骤4处理；如判断为保护区声源时，不再对该频段信号处理。

步骤4)如果声源位置在噪声区，通过麦克风A、B、C所采集的信号进行进一步分析。

信号质量能够通过相位差判别方位的，采用相位差夹角方式判别；无法通过相位差判别的，通过A、B、C、D、E、F六个麦克风采集信号强度判别，进一步判断噪声源位置。

当声源位置在B聚焦器面对的方位时，按照步骤5.1)执行。

当声源位置在A聚焦器面对的方位时，按照步骤5.2)执行。

当声源位置在C聚焦器面对的方位时，按照步骤5.3)执行。

步骤5.1)利用麦克风B信号减除麦克风E信号，计算得出反向叠加降噪信号，通过数字/模拟转换和信号放大，驱动扬声器P、Q、R工作产生降噪声场。

通过麦克风E信号作为反馈信号，对降噪声场强度进行负反馈，调整相位，获得理想降噪效果。

步骤5.2)利用麦克风A信号剪除麦克风D信号，计算得出反向叠加降噪信号。

通过数字/模拟转换和信号放大，驱动扬声器P工作产生降噪声场；通过降噪声场空间重构模块，利用扬声器S、T，双声道重构降噪声场。

通过麦克风D和外接反馈器件K，对降噪声场强度进行负反馈，调整相位，获得理想效果。

步骤5.3)利用麦克风C信号剪除麦克风F信号，计算得出反向叠加降噪信号。

通过数字/模拟转换和信号放大，驱动扬声器Q工作产生降噪声场；通过降噪声场空间重构模块，利用扬声器S、T，双声道重构降噪声场。

通过麦克风F和外接反馈器件K，对降噪声场强度进行负反馈，调整相位，获得理想效果。

步骤6)将各频带的降噪声场信号进行综合，获得最终主扬声器P、Q、R和支扬声器S、T的输出。

通过扬声器的不同抑制噪声的降噪声场的协同，使隔离区的噪音得到有效控制。

本发明的尺寸为800mm*2300mm*1600mm，主体设备为800mm*650mm*800mm。设备壳体采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料，声音聚焦器外敞口处包裹尼龙丝绵网布。数字信号处理单元采用TI公司的TMS320C6678，7个AD转换芯片是TI公司的TLC320AD50C，声音采集麦克风采用SENA，五个扬声器均采用高中频同轴150W扬声器。

本实施例的实施场景为某航空修理厂，飞机的发动机试车噪声污染极大，由于飞机与其它场所之间无法用被动隔音设施进行隔离，严重影响了修理人员的人身健康。利用传统的主动降噪手段，修理人员需要戴上庞大笨重的耳机进行修理工作，但是由于耳机的一维降噪，使外界所有声场都被反向削弱抑制，修理人员有一种耳朵被堵住的感觉，正常的交谈、查看设备、设备告警等声音也无法识别，严重影响了修理质量和进度。

通过本发明制作的设备，按照步骤1在飞机修理与检查仪器之间放置该设备，将设备的B声音聚焦器面向飞机，E声音聚焦器面向维修人员和检查仪端，给设备供电。当设备开启后，按照步骤2，A、B、C、D、E、F六个麦克风都采集到了较强的发动机噪声。数字信号处理模块按照步骤3，将6个麦克风信号进行了处理、滤波，发现了发动机主要噪声来源的X个频带点，通过对6个数据进行综合分析，判断出噪声源来源是正对B声音聚焦器方向的噪声源，数字信号处理模块驱动P、Q、R扬声器进行声波抵消，在保护区发现发动机噪音明显减小。

Claims (8)

1.一种具有方向性的主动降噪装置，包括电子控制单元、两块隔音板、六个声音聚焦器A、B、C、D、E和F和主扬声器P、Q、R及支扬声器S、T，其特征在于：所述的两块隔音板相互垂直固连，在水平放置的隔音板上方，六个声音聚焦器A、B、C、D、E和F呈环状均布且沿竖直放置的隔音板对称布放，各个声音聚焦器的拾音方向沿圆环径向向外，在水平放置的隔音板下方，三个主扬声器P、Q、R呈半环状均布在竖直放置的隔音板一侧，且三个主扬声器P、Q、R位于声音聚焦器D、E、F的下方，扬声器P、Q、R分别与声音聚焦器A、B、C一一对应，即该扬声器的轴线在水平隔音板上的投影延长经过两块隔音板的交点后与一个声音聚焦器的拾音方向重合，声音聚焦器A与扬声器P对应，声音聚焦器B与扬声器Q对应，声音聚焦器C与扬声器R对应，所述的声音聚焦器采集各个方向的声源信号，由电子控制单元判断不同频率下各个方向的声源信号强度，并对背向扬声器一侧的声音聚焦器捕获的最强声源信号作为噪声源；当声源位置在B聚焦器面对的方位时，分别驱动主扬声器Q、P、R，当声源位置在A聚焦器面对的方位时，驱动主扬声器P，当声源位置在C聚焦器面对的方位时，驱动主扬声器Q，当声源位置在A和C聚焦器面对的方位时，不仅驱动对应的主扬声器工作，还通过降噪声场空间重构模块，利用支扬声器S、T，双声道重构降噪声场，实现主动降噪。

2.根据权利要求1所述的具有方向性的主动降噪装置，其特征在于：所述的声音聚焦器均由不锈钢板卷成锥底开口的圆锥形，圆锥内部锥顶位置安装一个柱状麦克风；不锈钢钢板外涂敷橡胶后嵌入到发泡隔音材料中。

3.根据权利要求1所述的具有方向性的主动降噪装置，其特征在于：所述的声音聚焦器均由1mm厚的不锈钢板卷至成锥底开口的圆锥形，其锥角为60度，圆锥体横向投影为正三角形，边长为160mm；声音聚焦器锥顶位置安装一个柱状麦克风，安装高度为圆锥高度接近锥顶1/3处；声音聚焦器不锈钢钢板外涂敷2mm厚的橡胶，并嵌入到发泡隔音材料形成的柱状体中，所述柱状体的底面为边长200mm的正三角形，柱状体的高度为200mm。

4.根据权利要求1所述的具有方向性的主动降噪装置，其特征在于：所述的隔音板在不锈钢板两侧涂敷橡胶后加装发泡隔音板。

5.根据权利要求1所述的具有方向性的主动降噪装置，其特征在于：所述的隔音板采用1mm厚的不锈钢板为基材，两侧分别涂敷2mm厚的橡胶后再加装5mm厚的发泡隔音板，形成15mm厚的复合隔音板；竖直放置的隔音板尺寸为800mm*800mm，板上缘开倒角；水平放置的隔音板形状为直径600mm的圆。

6.根据权利要求1所述的具有方向性的主动降噪装置，其特征在于：所述扬声器的轴线均与水平方向呈20°夹角，开口端向下倾斜。

7.根据权利要求1所述的具有方向性的主动降噪装置，其特征在于：还包括一个全向麦克风和两个辅助扬声器，所述的辅助扬声器安装在扬声器组成的半环两侧，与半环中的扬声器共同工作，根据全向麦克风提供的反馈信号重构噪声场。

8.一种利用权利要求1所述装置的具有方向性的主动降噪方法，其特征在于包括下述步骤：

1)将上述装置置于需要主动降噪的区域，将扬声器所在一侧朝向需要保护的区域，将另一侧朝向噪声来源方向；

2)各个声音聚焦器分别采集对应方向的声信号，A/D转换为数字信号；

3)分别将各路数字信号进行数字滤波，分析信号频谱分布，得到各频带的信号强度分布；判定同一频带下背向扬声器一侧信号强度最大的方向为噪声方向；

4)利用噪声方向及其反向的一对声音聚焦器所捕获声源信号之差，计算得出反向叠加降噪信号，通过DA转换和信号放大，当声源位置在B聚焦器面对的方位时，驱动扬声器P、Q、R工作产生降噪声场，当声源位置在A聚焦器面对的方位时，驱动扬声器P工作产生降噪声场，当声源位置在C聚焦器面对的方位时，驱动扬声器Q工作产生降噪声场。

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