CN110197653B - 一种空间主动降噪试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间主动降噪试验装置，包括：箱体；两个第一导轨，其水平设置在箱体的内部，并且两个第一导轨分别对称固定设置在箱体的底板的两端；多条第二导轨，其可移动的安装在两个第一导轨上，第二导轨水平设置，并且与第一导轨垂直；多个伸缩支撑杆，其竖直设置，并且可移动的安装在第二导轨上；多个采样麦克风，其分别固定安装在伸缩支撑杆的顶端；初级声源和多个次级声源，其分别固定安装在箱体内与第二导轨平行的侧壁上；模拟信号发生器，其设置在箱体外侧，并与初级声源相连；ANC控制器，其设置在箱体外侧，并与次级声源相连；电源，其用于为模拟信号发生器和ANC控制器供电。同时，本发明还提供了一种空间主动降噪试验方法。

Description

一种空间主动降噪试验装置及方法

技术领域

本发明属于主动降噪试验装置技术领域，特别涉及一种空间主动降噪试验装置及方法。

背景技术

随着工业与经济的飞速发展，环境中的噪声种类及噪声强度日益加剧，对民众的生活及工作带来了严重影响。传统的被动降噪技术对于1000Hz以上的中高频噪声具有较理想的控制效果，但其却难以有效抑制500Hz以下的中低频噪声。与此相反，主动降噪技术(Active Noise Control，ANC)因具有卓越的低频降噪性能以及相对低廉的成本而广受欢迎，逐步成为诸多科研院所以及企业的热点研究方向。通俗地讲，主动降噪技术依据声波叠加原理，通过次级扬声器来发出与原始噪声信号具有相同频率、相反相位以及相等幅值的抵消信号，进而实现目标噪声的消除。

主动降噪的应用场景目前可分为三类：耳机ANC系统、管道噪声ANC系统以及三维空间ANC系统。其中，耳机ANC系统主要应用于个人听力保护领域，由于该系统所需要的工作空间仅在人体的耳道之内，声场分布的空间尺寸与人耳接收到的声音波长相比微不足道，因此耳机ANC系统通常降噪效果显著，逐步成为市场中普及率最高的主动降噪产品。管道ANC系统主要用于空调、排气扇、供暖设备等通风换气系统的管道内噪声的控制。特定尺寸的管道设计可以使管道内声波传递近似呈平面波状态，进而极大程度地简化管道内声场分布，直接降低主动降噪的难度。因此，管道ANC系统通常较易实现，且因管道在工业及生活中广泛存在而备受关注，并得到了小范围的推广。相比于耳机ANC系统与管道噪声ANC系统，三维空间ANC系统主要用于实现车辆、飞行器等舱室内的封闭空间的主动降噪以及大型电力变压器等开放场景等的自由空间的主动降噪，三维空间主动降噪的应用场景是极其普遍的，但其实现难度也是巨大的。由于目标降噪对象在三维空间内的声场辐射及分布相对复杂，致使应用于三维空间降噪的ANC系统无论从结构设计、降噪算法实现还是试验布局优化等均存在诸多难题，直接限制了ANC系统的深入推广应用。因此，开展三维空间主动降噪的研究是至关重要与有价值的，但同时也是一项严峻的挑战。

针对三维空间内的主动降噪，通常可根据ANC系统的控制结构分为前馈ANC系统、反馈ANC系统以及前反馈混合ANC系统，其中，前馈ANC系统同时采用参考麦克风/传感器与误差麦克风来实现主动降噪，适用于宽频带噪声的主动控制；反馈ANC系统则取消参考麦克风/传感器的使用，其仅通过误差麦克风来实现降噪，这种结构可有效避免前馈ANC系统所存在的“声反馈”问题，但其不足在于该系统可实现的降噪频带通常较窄，且降噪时易出现“水床效应”现象；前反馈混合ANC系统则同时弥补了前馈结构与反馈结构的不足，可更为有效地实现目标噪声的控制，但其结构较为复杂，成本较高。此外，ANC系统的控制结构还根据目标降噪区域的降噪范围大小分为单通道ANC系统与多通道ANC系统，单通道ANC系统的降噪空间通常受限于误差麦克风单体附近的狭小区域；多通道ANC系统的降噪空间相比单通道结构则得以较大程度拓展，且在一定范围内误差麦克风数量越多，降噪区域范围越大。除此之外，ANC系统的控制结构还根据误差麦克风的取消与否分为非虚拟误差ANC结构与虚拟误差ANC结构，其中虚拟误差ANC结构仅在ANC调试前期引入误差麦克风来辅助声通道辨识，在调试结束后随即去除误差麦克风，仅采用参考麦克风来实现主动降噪，这种结构简化了ANC系统的构造，但通常仅适用于抑制具有特定规律或周期性强的稳态目标噪声；非虚拟误差ANC结构则相反，其通过误差麦克风来实时反馈降噪效果，可同时适应于稳态噪声与非稳态噪声的主动控制。

综合上述分析，三维空间主动降噪的效果直接取决于ANC系统的结构选取，此外，主动降噪效果也受参考/误差麦克风布置位置的影响。针对不同频率特性的目标噪声，综合选取出降噪性能优良、性价比高的ANC系统是至关重要的。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种空间主动降噪试验装置，该装置可选择性地进行不同结构ANC算法的主动降噪试验，并且能够直观的展示主动降噪的作用机理和效果。

本发明的目的之二是提供一种空间主动降噪试验方法，其操作简单，易于实现。

本发明提供的技术方案为：

一种空间主动降噪试验装置，包括：

箱体；

两个第一导轨，其水平设置在所述箱体的内部，并且所述两个第一导轨分别对称固定设置在箱体的底板的两端；

多条第二导轨，其两端同时可移动的安装在所述两个第一导轨上，所述第二导轨水平设置，并且与所述第一导轨垂直；

多个伸缩支撑杆，其竖直设置，并且可移动的安装在所述第二导轨上；

多个采样麦克风，其分别固定安装在所述伸缩支撑杆的顶端；

初级声源，其固定安装在所述箱体内与所述第二导轨平行的侧壁上；

次级声源，其固定安装在所述箱体内与所述第二导轨平行的侧壁上，并且所述次级声源与所述初级声源在箱体的同侧安装；

模拟信号发生器，其设置在所述箱体外侧，并与所述初级声源相连；

ANC控制器，其设置在所述箱体外侧，并同时与所述采样麦克风和所述次级声源分别相连；

电源，其用于为所述模拟信号发生器和ANC控制器供电。

优选的是，所述空间主动降噪试验装置还包括：扬声器后腔体，其固定安装在设置有初级声源和次级声源的箱体侧壁的外侧。

优选的是，所述扬声器后腔体内填充有聚酯纤维吸音棉。

优选的是，所述第二导轨的两端分别固定安装有滑块，所述滑块能够在所述第一导轨上匹配滑动。

优选的是，所述伸缩支撑杆的底端固定安装有滑块，所述滑块能够在所述第二导轨上匹配滑动。

优选的是，所述第一导轨、所述第二导轨及所述伸缩支撑杆上分别具有刻度线。

优选的是，所述采样麦克风包括参考麦克风和误差麦克风；

其中，所述参考麦克风靠近声源安装。

优选的是，所述ANC控制器采用多通道型ANC控制器。

优选的是，所述空间主动降噪试验装置还包括：显示屏，其设置在所述箱体的顶板上。

一种空间主动降噪试验方法，使用所述的空间主动降噪试验装置，包括如下步骤：

步骤一、选取主动降噪算法类型；

步骤二、根据主动降噪算法类型确定采样麦克风的数量；

步骤三、打开ANC控制器，进行声道辨识，打开模拟信号发生器并设定目标噪声信号；并且查看显示器显示的降噪效果；

步骤四、改变采样麦克风的位置，再次打开ANC控制器，进行声道辨识，打开模拟信号发生器并设定目标噪声信号；直到得到最优降噪效果。

本发明的有益效果是：

本发明提供的空间主动降噪试验装置，可选择性的开展单通道/多通道、前馈/反馈等不同结构ANC算法的试验，并且能够直观的展示主动降噪的作用机理和效果。

本发明提供的空间主动降噪试验装置，在用于三维空间主动降噪试验的同时可作为演示系统，通过模拟对单频噪声信号、扫频噪声信号、特定频段白噪声信号、录制音频噪声信号的主动降噪，帮助民众主观感知主动降噪技术的魅力。

本发明提供的空间主动降噪试验方法，操作简单，易于实现。

附图说明

图1为本发明所述的空间主动降噪试验装置总体结构示意图。

图2为本发明所述的空间主动降噪试验装置后侧结构示意图。

图3为本发明所述的箱体内部结构示意图。

图4为本发明所述的箱体外部结构示意图。

图5为本发明所述的空间主动降噪试验方法的流程框图。

图6(a)为单通道200Hz单频噪声主动降噪前后时域幅值对比图。

图6(b)为单通道200Hz单频噪声主动降噪前后频域声压级对比图。

图7(a)为单通道300-600Hz高斯随机白噪声主动降噪前后时域幅值对比图。

图7(b)为单通道300-600Hz高斯随机白噪声主动降噪前后频域声压级对比图。

图8(a)为单通道200-800Hz扫频信号主动降噪前后时域幅值对比图。

图8(b)为单通道200-800Hz扫频信号主动降噪前后频域声压级对比图。

图9(a)为单通道某轴流风机出风口处噪声录制音频主动降噪前后时域幅值对比图。

图9(b)为单通道某轴流风机出风口处噪声录制音频主动降噪前后频域声压级对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1-2所示，本发明提供了一种空间主动降噪试验装置，主要包括箱体110、模拟声源120、采样麦克风130、ANC控制器140、模拟信号发生器150、液晶显示器160以及电源系统。

箱体110为长方体结构，其具有内部空腔。两个固定导轨170，其水平设置在箱体110内部，并且两个固定导轨170分别对称固定设置在箱体110的底板的两端。多条移动导轨，其可移动的安装在两个固定导轨170上，所述移动导轨水平设置，并且移动导轨与固定导轨170垂直。在本实施例中，移动导轨为两条，即分别为移动导轨181和移动导轨182。

多个竖直设置的伸缩支撑杆190分别可移动的安装在移动导轨181或移动导轨182上。多个采样麦克风130分别固定安装在伸缩支撑杆190的顶端。

模拟声源120包括：初级声源121和多个次级声源122，初级声源121和多个次级声源122分别固定安装在箱体110内与移动导轨181和182平行的后侧壁111的内侧。ANC控制器140固定设置在箱体110的后侧壁111外侧下部，并与次级声源122相连；模拟信号发生器150设置在箱体110的后侧壁111外侧下部，并与初级声源121相连。所述的空间主动降噪试验装置还包括扬声器后腔体210，其固定安装在设置有初级声源121和次级声源122的箱体后侧壁111的外侧；扬声器后腔体210内填充有聚酯纤维吸音棉。

电源系统(图中未示出)用于为模拟信号发生器150和ANC控制器140供电。

如图3-4所示，在本实施例中，箱体110为棱长为40cm的立方体腔体，采用1-2mm厚的铝合金板组成，箱体的前侧安装有可开启的箱门，所述箱门为透明材质。箱体110后侧壁111上开设有3个直径为80mm且呈等腰三角形分布的圆形通孔以及12个规格为国标M4的螺纹孔，均用于对初级声源及次级声源的固定。此外，箱体110的侧壁上开设有直径为15mm的圆形通孔，便于麦克风线束的收取。ANC控制器140与模拟信号发生器150通过定位销固定与箱体110后侧壁固定连接。固定导轨170长度为35cm且通过螺栓固定于箱体110的两个内侧壁底部，固定导轨170的底面地靠在箱体110的底板上。固定导轨170内设置有“凸”字型滑槽；移动滑轨181和移动导轨182的两端分别固定连接有滑块，滑块为“凸”字型结构，可以与固定导轨170配合并进行自由滑动。移动导轨181和移动导轨182与固定导轨170一致的形状尺寸相同。其中，以移动导轨181为例，移动导轨181的两端分别通过螺栓与滑块181a相连。伸缩支撑杆190的下端加工有螺纹，并通过螺纹与滑块191连接。滑块191安装在移动导轨181或移动导轨182上，并与移动导轨181或移动导轨182配合滑动。固定导轨170与移动滑轨181、182上均刻有标准的刻度线，便于读取采样麦克风130的横向位置坐标及纵向位置坐标；伸缩支撑杆190上加工有刻度线，便于读取麦克风130的位置及垂直移动的距离。

扬声器后腔体210为尺寸为36cm×28cm×8cm的长方体腔体，扬声器后腔体210通过螺栓与箱体后侧壁111连接。扬声器后腔体210内填充有少量的聚酯纤维吸音棉，用于衰减扬声器后腔的辐射噪声。

模拟声源120由初级声源121与次级声源122组成，初级声源121与次级声源122均采用电动式扬声器，初级声源121用于发出模拟目标噪声信号且其数量为1个，次级声源122用于发出抵消噪声信号且其数量为2个；初级声源121与模拟信号发生器150相连，次级声源120与ANC控制器140相连。

采样麦克风130包括参考麦克风131与误差麦克风132，且二者均采用全指向性的驻极体麦克风，参考麦克风131用于采集目标对象的噪声并将其反馈至ANC控制器140，误差麦克风132用于采集目标降噪区域的噪声并反馈至ANC控制器140。其中，参考麦克风131安装在靠近声源的移动导轨182上，即参考麦克风131相对于误差麦克风132更靠近声源。参考麦克风131与误差麦克风132通过尼龙扎带与伸缩支撑杆190的顶端固连。采样麦克风130通过固定导轨170、移动滑轨181、182与伸缩支撑杆190的配合来实现横向、纵向、垂向三个自由度的位置调整。

ANC控制器140为多通道型，即可以同时采集多路麦克风信号并驱动多路次级声源发声；该ANC控制器所存储的程序包含声通道辨识程序、主动降噪算法程序与降噪信息后处理程序三部分，其中声通道辨识程序用于辨识次级声源122与参考麦克风131或误差麦克风132之间的声通道系数，并将辨识结果反馈至主动降噪算法程序；主动降噪算法用于对参考麦克风131及误差麦克风132的采集信号进行运算处理，生成次级抵消信号并驱动次级声源122发出，其可考虑采用单通道/多通道结构的控制算法、前馈/反馈/前反馈混合结构的控制算法等；所述降噪信息后处理程序用于对主动降噪功能开启前后误差麦克风132采集的噪声信号进行时域与频域分析，并将分析结果反馈至液晶显示器160。液晶显示器160通过螺栓固定于箱体110的顶部且与ANC控制器140电连接，并将ANC控制器140所分析的主动降噪前后的对比结果进行实时显示，对比结果包括降噪前后的时域幅值对比图、频域声压级对比图、整体声压级数值对比，进而便于用于直观评判降噪效果。为便于观看，显示器160与箱体110的顶板之间具有一定的倾斜角度。

模拟信号发生器150用于根据用户的实际设定产生模拟目标噪声并驱动初级声源122发声，模拟信号发生器150可产生的模拟噪声有单频噪声信号、扫频噪声信号、特定频段的白噪声信号以及录制的音频噪声信号。

所述电源系统采用12V的恒压电源，用于为ANC控制器140、模拟信号发生器150以及液晶显示器160供电。

在另一个实施例中，在第一导轨、第二导轨以及伸缩支撑杆上加装可遥控操作的电动推杆电机来实现装置的自动移位，进而更高效与便捷地确定采样麦克风的三维空间坐标。

在进行三维空间主动降噪的具体试验或演示时，该装置的操作方法如图5所示。本实施例采用单通道前馈型主动降噪算法来进行200Hz单频噪声、300-600Hz高斯随机白噪声、200-800Hz扫频信号、某轴流风机出风口处噪声录制音频的三维空间主动降噪试验及演示，步骤如下：

1)依据单通道前馈型主动降噪算法的原理，选用参考麦克风131的数量为1个，采用误差麦克风以及次级声源的数量同样均为1个；(如果采用双通道前馈型主动降噪算法，则采用误差麦克风和次级声源的数量为2个)

2)通过移动滑轨181、移动滑轨181与伸缩支撑杆190来调整参考麦克风131与误差麦克风132在箱体110内的初始空间位置坐标并进行记录；

3)打开ANC控制器140，运行内部存储的声通道辨识程序(本实施例选用附加高斯白噪声的LMS算法)，对次级声源122与误差麦克风132之间的声通道进行辨识，并将辨识结果反馈至单通道前馈型主动降噪算法程序(本实施例选用FxLMS主动降噪算法)；

4)打开模拟信号发生器150并将目标噪声信号依次设定为200Hz的单频噪声信号、300-600Hz高斯随机白噪声、200-800Hz扫频信号以及某轴流风机出风口处噪声的录制音频；

5)打开ANC控制器140，系统自动运行主动降噪算法程序(本实施例采用经典的FxLMS算法)，并驱动次级声源122发声；一段时间后，系统自动运行降噪信息后处理程序，计算出主动降噪前后的对比结果并将其反馈至液晶显示器160显示。

6)为进一步优化主动降噪效果，通过优化麦克风130的位置布局来进一步提升系统的降噪性能，此时仅需重复上述步骤二至步骤五。针对200Hz单频噪声信号的主动降噪试验，当噪声整体声压级降低15dB(A)以上时认为达到最优效果，记录此时麦克风位置，试验结束；针对300-600Hz高斯随机白噪声的主动降噪试验，当噪声整体声压级降低5dB(A)以上时认为达到最优效果，记录此时麦克风位置，试验结束；针对200-800Hz扫频信号的主动降噪试验，当噪声整体声压级降低15dB(A)以上时认为达到最优效果，记录此时麦克风位置，试验结束；针对某轴流风机出风口处噪声的录制音频的主动降噪试验，当噪声整体声压级降低6dB(A)以上时认为达到最优效果，记录此时麦克风位置，试验结束。

本实施例的试验结果如下：

如图6(a)-6(b)所示，200Hz单频噪声在主动降噪前整体声压级为70.4dB(A)，主动降噪后整体声压级为51.5dB(A)，整体降噪量为18.9dB(A)。

如图7(a)-7(b)所示，300-600Hz高斯随机白噪声在主动降噪前整体声压级为69.5dB(A)，主动降噪后整体声压级为63.3dB(A)，整体降噪量为6.2dB(A)。

如图8(a)-8(b)所示，200-800Hz扫频信号在主动降噪前整体声压级为81.8dB(A)，主动降噪后整体声压级为62.2dB(A)，整体降噪量为19.6dB(A)。

如图9(a)-9(b)所示，某轴流风机出风口处噪声的录制音频在主动降噪前整体声压级为62.3dB(A)，主动降噪后整体声压级为55.0dB(A)，整体降噪量为7.3dB(A)。

同时，使用本发明提供的试验装置还可以验证不同主动降噪算法的降噪效果。首先，选取需验证的主动降噪算法并据此确定参考麦克风的数量；其次，确定参考麦克风及误差麦克风的初始位置并固定；在ANC控制器中写入所需验证的主动降噪算法程序并进行降噪试验，观察显示器的降噪结果，即可对比出不同主动降噪算法的效果。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种空间主动降噪试验装置，其特征在于，包括：

箱体；

两个第一导轨，其水平设置在所述箱体的内部，并且所述两个第一导轨分别对称固定设置在箱体的底板的两端；

多条第二导轨，其两端同时可移动的安装在所述两个第一导轨上，所述第二导轨水平设置，并且与所述第一导轨垂直；

多个伸缩支撑杆，其竖直设置，并且可移动的安装在所述第二导轨上；

多个采样麦克风，其分别固定安装在所述伸缩支撑杆的顶端；所述采样麦克风采用全指向性的驻极体麦克风；

初级声源，其固定安装在所述箱体内与所述第二导轨平行的侧壁上；

次级声源，其固定安装在所述箱体内与所述第二导轨平行的侧壁上，并且所述次级声源与所述初级声源在箱体的同侧安装；

模拟信号发生器，其设置在所述箱体外侧，并与所述初级声源相连；

ANC控制器，其设置在所述箱体外侧，并同时与所述采样麦克风和所述次级声源分别相连；

电源，其用于为所述模拟信号发生器和ANC控制器供电。

2.根据权利要求1所述的空间主动降噪试验装置，其特征在于，还包括：扬声器后腔体，其固定安装在设置有初级声源和次级声源的箱体侧壁的外侧。

3.根据权利要求2所述的空间主动降噪试验装置，其特征在于，所述扬声器后腔体内填充有聚酯纤维吸音棉。

4.根据权利要求3所述的空间主动降噪试验装置，其特征在于，所述第二导轨的两端分别固定安装有滑块，所述滑块能够在所述第一导轨上匹配滑动。

5.根据权利要求3或4所述的空间主动降噪试验装置，其特征在于，所述伸缩支撑杆的底端固定安装有滑块，所述滑块能够在所述第二导轨上匹配滑动。

6.根据权利要求5所述的空间主动降噪试验装置，其特征在于，所述第一导轨、所述第二导轨及所述伸缩支撑杆上分别具有刻度线。

7.根据权利要求6所述的空间主动降噪试验装置，其特征在于，所述采样麦克风包括参考麦克风和误差麦克风；

其中，所述参考麦克风靠近声源安装。

8.根据权利要求7所述的空间主动降噪试验装置，其特征在于，所述ANC控制器采用多通道型ANC控制器。

9.根据权利要求8所述的空间主动降噪试验装置，其特征在于，还包括：显示屏，其设置在所述箱体的顶板上。

10.一种空间主动降噪试验方法，使用如权利要求1-9任意一项所述的空间主动降噪试验装置，包括如下步骤：

步骤一、选取主动降噪算法类型；

步骤二、根据主动降噪算法类型确定采样麦克风的数量；

步骤三、打开ANC控制器，进行声道辨识，打开模拟信号发生器并设定目标噪声信号；并且查看显示器显示的降噪效果；

步骤四、改变采样麦克风的位置，再次打开ANC控制器，进行声道辨识，打开模拟信号发生器并设定目标噪声信号；直到得到最优降噪效果。