CN109994098A - 一种基于次级通路离线重构的计权噪声主动控制方法 - Google Patents

一种基于次级通路离线重构的计权噪声主动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于次级通路离线重构的计权噪声主动控制方法，包括以下步骤：1)获取噪声主动控制系统的次级通路传递函数的单位脉冲响应；2)确定噪声信号的加权形式，并获取噪声信号在确定加权形式下系统函数的单位冲击响应，并将该响应作为加权滤波器；3)对次级通路传递函数进行离线重构；4)用重构后的次级通路传递函数替换原次级通路传递函数；5)对噪声主动控制系统重新进行参数匹配，以达到计权噪声主动控制的最佳效果。与现有技术相比，本发明具有快速、方便、提升降噪量和降噪带宽、不增加计算量和硬件投入、快速参数匹配等优点。

Description

一种基于次级通路离线重构的计权噪声主动控制方法
技术领域
本发明涉及噪声主动控制领域，尤其是涉及一种基于次级通路离线重构的计权噪声主动控制方法。
背景技术
噪声主动控制(噪声主动控制)技术是通过一系列运算操作产生一个与初级噪声相位相反的声波，使其与初级噪声叠加从而达到噪声消除的目的，算法原理如图2所示。虽然，这一技术已经广泛应用于耳机、飞机、汽车等的主动降噪中。但典型的噪声主动控制系统都不具有对加权噪声的控制能力，典型的降噪效果如图3所示。由图3(左)可以看出，降噪后的噪声频谱比较平坦，但这与人耳的听觉特性并不相符。在考虑人耳听觉对不同频率噪声具有不同敏感度的情况下，即对噪声进行A计权处理，上述降噪效果则如图3(右)所示。显然，现有系统对低频段噪声具有明显的衰减效果。但是，降噪后高频噪声成分凸显，整体A计权声压级并未明显降低。
此外，在越来越多的噪声主动控制应用中，不仅要求将噪声的计权声压级衰减到较低水平，而且还提出了对声音品质的特殊需求。当噪声主动控制系统的控制目标是改善不同的声品质指标时，就需要对噪声信号进行更加复杂的滤波(运算)处理。显然，如果直接沿用现有的噪声主动控制系统，仅通过参数调校是无法满足这些技术需求。
针对上述问题的一种潜在解决方法是在控制系统中引入计权滤波器，如图4所示。但是，模拟滤波器难以实现复杂的计权操作，并且还会增加硬件成本和系统实现的难度。数字滤波器不仅会引入附加的计算量增加硬件成本，而且更重要的是会引入时延或导致原始信号的相位混乱，最终导致噪声主动控制系统失效。虽然，精确设计过的数字滤波器可以在一定程度上解决相位混乱的问题。但是，一方面数字滤波器设计过程复杂且效果难以保证，另一方面数字滤波器使用所引入的计算量增加和硬件成本提升的问题不可避免。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于次级通路离线重构的计权噪声主动控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于次级通路离线重构的计权噪声主动控制方法，包括以下步骤：
1)获取噪声主动控制系统的次级通路传递函数的单位脉冲响应x(n)；
2)确定噪声信号的加权形式，并获取噪声信号在确定加权形式下系统函数的单位冲击响应h(n)，并将该响应h(n)作为加权滤波器；
3)对次级通路传递函数进行离线重构；
4)用重构后的次级通路传递函数替换原次级通路传递函数；
5)对噪声主动控制系统重新进行参数匹配，以达到计权噪声主动控制的最佳效果。
所述的步骤2)中，噪声信号的加权形式为A计权加权形式。
所述的步骤3)具体包块以下步骤：
31)采用计权滤波器对次级通路传递函数x(n)进行正向滤波操作，并把滤波后的信号y1(n)进行时域翻褶得到信号y2(n)；
32)采用计权滤波器对翻褶后的信号y2(n)进行反向滤波操作得到信号y3(n)，最后将二次滤波后的信号y3(n)进行时域翻褶后输出信号y4(n)，作为重构后的次级通路传递函数。
所述的步骤31)中，滤波后的信号y1(n)的表达式为：
y1(n)＝x(n)*h(n)
其中，*为卷积运算。
所述的步骤31)中，信号y2(n)的表达式为：
y2(n)＝y1(N-n-1)
其中，N为输入信号的总长度，n为信号时间索引。
所述的步骤32)中，二次滤波操作得到信号y3(n)的表达式为：
y3(n)＝y2(n)*h(n)。
所述的步骤32)中，输出信号y4(n)的表达式为：
y4(n)＝y3(N-n-1)。
所述的步骤3)中，离线重构仅改变次级通路传递函数的幅频响应特性，而不改变次级通路传递函数的相频响应特性和阶次。
所述的步骤5)中，进行参数匹配具体为：
将噪声主动控制系统的收敛系数放大1000倍。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、通过次级通路传递函数的离线重构，可以快速、方便地实现对特定需求的计权噪声主动控制系统设计，典型地可以根据人耳听觉特性，快速、高效地设计出A计权噪声主动控制系统；
二、通过次级通路传递函数的离线重构，可以极大地提升原噪声主动控制系统的降噪量和降噪带宽；
三、通过次级通路传递函数离线重构设计的新系统，不需要在原噪声主动控制系统中增加任何计算量，即不需要增加任何的硬件投入；
四、通过次级通路传递函数离线重构设计的新系统，快速参数匹配可以简单地将原噪声主动控制系统收敛系数放大1000倍实现。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为典型的噪声主动控制系统原理图。
图3为现有噪声主动控制系统的典型降噪效果，其中，图(3a)为不考虑计权特性的效果对比图，图(3b)为考虑A计权的效果对比图。
图4为本发明所述问题的一种潜在解决方案。
图5为实施案例中的重构前后次级通路的传递函数对比，其中，图(5a)为次级通路1的幅频特性，图(5b)为次级通路1的相频特性，图(5c)为次级通路2的幅频特性，图(5d)为次级通路2的相频特性。
图6为实施案例中应用本发明后的噪声主动控制系统降噪效果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明的目的是针对上述问题提供一种基于次级通路离线重构的计权噪声主动控制方法。使研究人员或工程技术人员，可以在已有主动控制系统的基础上，根据其特定的噪声控制需求，通过简单的次级通路离线重构，在不增加任何计算量和硬件成本的基础上，大幅提升现有系统的降噪性能，满足特定的降噪需求。
本发明的具体步骤如下：
1)获取噪声主动控制系统的次级通路传递函数的单位脉冲响应x(n)；
2)根据特定的控制目标，确定噪声信号的加权形式。然后，根据离散系统理论导出这一加权方式的系统函数，进而得到其单位冲击响应h(n)；
3)运用加权滤波器h(n)对次级通路传递函数x(n)进行滤波操作得到y1(n)＝x(n)*h(n)，其中，“*”表示卷积运算；
4)将滤波后信号进行时域翻褶得到y2(n)＝y1(N-n-1)；
5)对翻褶后的信号进行二次反向滤波操作得到y3(n)＝y2(n)*h(n)；
6)将二次滤波后的信号进行时域翻褶得到y4(n)＝y3(N-n-1)；
7)用上述第6)步得到的新次级通路传递函数替换原有噪声主动控制系统的次级通路传递函数，即可实现特定降噪需求的计权噪声主动控制。
在步骤7)替换原系统次级通路传递函数后，需要对新的噪声主动控制系统进行参数匹配。不仅可以实现特定需求的计权噪声主动控制，而且可以提升系统的收敛速度，从而提高噪声主动控制系统的降噪性能，对新的噪声主动控制系统进行参数匹配，可以简单地将原系统收敛系数放大1000倍实现。
实施例
如图1所示，本实施例提供了一种基于次级通路离线重构的计权噪声主动控制方法，包括下列步骤：
1)测量次级通路传递函数；
2)确定噪声主动控制评价标准——A计权声压级最小；
3)运用声压A计权曲线对次级通路进行离线重构；
4)将重构后的次级通路运用于已有的噪声主动控制系统；
5)重新对系统参数进行匹配以实现计权噪声主动控制的最佳效果。
如图2所示是本实施例的噪声主动控制系统原理图，其中为本实施例的次级通路传递函数。
步骤1)测量次级通路传递函数的结果如图5中实线所示。本实施例以A计权噪声主动控制为例，运用A计权曲线对上述次级通路传递函数进行离线重构。具体实施过程为：前向滤波y1(n)＝x(n)*h(n)；信号翻褶y2(n)＝y1(N-n-1)；反向滤波y3(n)＝y2(n)*h(n)；信号翻褶y4(n)＝y3(N-n-1)。
重构后的次级通路y4(n)的传递函数如图5中虚线所示，其中幅频响应中已包含了A计权特性，同时保持了原次级通路的相位未改变。
用重构后的次级通路传递函数y4(n)替换原噪声主动控制系统的次级通路传递函数，再将原系统收敛系数调整到原来的1000倍，得到图6所示的降噪效果。
从图6可以看出，应用本发明后的噪声主动控制系统不仅A计权声压级进一步降低了10.5dBA，而且整个系统的降噪带宽得到了极大的拓宽。从整个实施过程可以看出，该发明的应用简单、方便，并且不会在原控制系统中引入任何的附加计算量，不需要任何的硬件投入。

Claims (9)

1.一种基于次级通路离线重构的计权噪声主动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取噪声主动控制系统的次级通路传递函数的单位脉冲响应x(n)；
2)确定噪声信号的加权形式，并获取噪声信号在确定加权形式下系统函数的单位冲击响应h(n)，并将该响应h(n)作为加权滤波器；
3)对次级通路传递函数进行离线重构；
4)用重构后的次级通路传递函数替换原次级通路传递函数；
5)对噪声主动控制系统重新进行参数匹配，以达到计权噪声主动控制的最佳效果。
2.根据权利要求1所述的一种基于次级通路离线重构的计权噪声主动控制方法，其特征在于，所述的步骤2)中，噪声信号的加权形式为A计权加权形式。
3.根据权利要求1所述的一种基于次级通路离线重构的计权噪声主动控制方法，其特征在于，所述的步骤3)具体包块以下步骤：
31)采用计权滤波器对次级通路传递函数x(n)进行正向滤波操作，并把滤波后的信号y1(n)进行时域翻褶得到信号y2(n)；
32)采用计权滤波器对翻褶后的信号y2(n)进行反向滤波操作得到信号y3(n)，最后将二次滤波后的信号y3(n)进行时域翻褶后输出信号y4(n)，作为重构后的次级通路传递函数。
4.根据权利要求3所述的一种基于次级通路离线重构的计权噪声主动控制方法，其特征在于，所述的步骤31)中，滤波后的信号y1(n)的表达式为：
y1(n)＝x(n)*h(n)
其中，*为卷积运算。
5.根据权利要求4所述的一种基于次级通路离线重构的计权噪声主动控制方法，其特征在于，所述的步骤31)中，信号y2(n)的表达式为：
y2(n)＝y1(N-n-1)
其中，N为输入信号的总长度，n为信号时间索引。
6.根据权利要求5所述的一种基于次级通路离线重构的计权噪声主动控制方法，其特征在于，所述的步骤32)中，二次滤波操作得到信号y3(n)的表达式为：
y3(n)＝y2(n)*h(n)。
7.根据权利要求6所述的一种基于次级通路离线重构的计权噪声主动控制方法，其特征在于，所述的步骤32)中，输出信号y4(n)的表达式为：
y4(n)＝y3(N-n-1)。
8.根据权利要求1所述的一种基于次级通路离线重构的计权噪声主动控制方法，其特征在于，所述的步骤3)中，离线重构仅改变次级通路传递函数的幅频响应特性，而不改变次级通路传递函数的相频响应特性和阶次。
9.根据权利要求1所述的一种基于次级通路离线重构的计权噪声主动控制方法，其特征在于，所述的步骤5)中，进行参数匹配具体为：
将噪声主动控制系统的收敛系数放大1000倍。
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