CN111128113A - 一种民航客机座舱主动降噪方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种民航客机座舱主动降噪方法及系统，所述民航客机座舱主动降噪方法包括：通过设置于机舱内的多对红外定位传感器来检测机舱内人员所在的位置，通过机舱内多组拾音器检测机舱内的声源，并通过降噪控制器控制降噪发声器对机舱内人员所在位置进行主动降噪。本发明提供的降噪方法可以实现飞机在不同状态阶段下，使舱内噪声水平明显降低并保持稳定，可以消除某些隔声层、消声器等被动降噪方式无法消除的噪声。与本发明方法所配套的系统由硬件子系统和软件子系统组成，本发明的民航客机座舱主动降噪方法具有以下有益技术效果：有效降低机舱内部的噪声，改善机组人员和乘客的舒适性。
Description
技术领域
本发明涉及民航客机降噪技术领域，尤其是涉及一种民航客机座舱主动降噪方法及系统。
背景技术
民航客机舱内环境的舒适是反映民航客机优劣的重要指标，随着科技的进步和民航客机的不断普及，舱内的噪声水平在民航客机的舒适性设计指标中越来越被重视。民航客机的噪声来自于多个方面，主要有发动机、气动附面层噪声、环控系统空调组件噪声、压调系统喷流噪声及空调管内的气动噪声几大噪声源。
民航客机座舱内的噪声控制水平，是反映乘客舒适性的重要指标。国外主要民航客机制造商越来越重视舱内噪声设计，投入大量资金和人力对舱内噪声控制和集成技术进行研究，降低新型飞机的舱内噪声设计指标，同时，对已有机型进行降噪设计优化，提高各自民用客机型号的市场竞争力。
目前，民航客机采取的座舱降噪方法主要是在飞机蒙皮与座舱内饰之间加装结构绝热隔声层、优化飞机气动外形、在空调管道上加装消声器以及优化环控系统空调组件涡轮和压气机叶片。传统的这些被动降噪方式确实能减少机舱内的噪声，但其降噪的程度有限，机舱内的噪声仍然强烈。并且，由于飞机完成一次飞行任务要经过滑行、起飞、爬升、巡航、下降、进近和着陆等多个状态阶段，在不同的状态阶段，飞机舱内噪声源的声源特性会发生变化，例如，飞机襟翼打开、起落架放下等多种情况下，飞机座舱内的噪声水平会显著提高，而传统的铺设绝热隔声层的被动降噪方式对这些噪声作用甚微。
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民航客机座舱主动降噪方法及系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种民航客机座舱主动降噪方法，包括以下步骤：
步骤1：通过设置于机舱内不同位置的拾音器采集机舱内的声源，监测声源特性并返回信息至降噪控制器；
步骤2：通过设置于所述机舱内的多对红外定位传感器来检测机舱内人员所在的位置，并返回信息至所述降噪控制器；
步骤3：利用所述降噪控制器得到舱内人员所在区域的噪声所形成的声场中心位置；
步骤4：利用所述降噪控制器调整降噪发声器的声场中心位置与机舱内人员所在区域的噪声所形成的声场中心位置重合；
步骤5：结合声源特性控制所述降噪发声器产生与所述噪声相位相反的抑制波，以对机舱内人员所在位置进行主动降噪。
本发明还提供一种用于所述的民航客机座舱主动降噪方法的硬件系统，包括：
所述拾音器，用于采集飞机座舱内的声源，监测各个舱内的声源特性，并将结果反馈给所述降噪控制器；
所述红外定位传感器，用于确定需要降噪的区域，通过多对织成的红外线网覆盖整个飞机座舱空间，直接对机舱内人员进行精确定位并把数据传递给所述降噪控制器；
所述降噪控制器，用于控制主动降噪；
所述降噪发声器，用于产生与所述噪声的频率和幅值相同、相位相反的抑制波，以抵消噪音。
进一步地，所述降噪控制器的主动降噪过程包括以下步骤：
步骤01：分析和监视所述拾音器测得的声源特性；
步骤02：根据所述红外定位传感器的数据得到舱内人员所在区域的噪声所形成的声场中心位置；
步骤03：调整所述降噪发声器的声场中心位置与机舱内人员所在位置的噪声所形成的声场中心位置重合；
步骤04：控制所述降噪发声器对舱内人员所在区域进行主动降噪。
进一步地，所述拾音器包括噪声源拾音器和误差拾音器，所述红外定位传感器由发射器和接收器组成。
本发明还提供一种用于所述的民航客机座舱主动降噪方法的软件系统，包括：
计算模块，用于根据所述红外定位传感器的数据计算舱内人员所在区域的噪声所形成的声场中心位置；
数据采集模块，用于采集所述拾音器读取的声音信号，并分离出舱内人员所在位置的噪声，得到噪声的频谱图；
次级信号数模转换模块，用于通过接收主程序发出的次级声源信号，将次级声源信号由数字信号转换为模拟信号，再输出给功率放大器；
次级通道辨识模块，用于次级通道传递函数的识别。
进一步地，该软件系统的平台架构采用LabVIEW软件。
进一步地，该软件系统的编译软件采用MATLAB软件。
进一步地，所述次级通道辨识模块的中枢部分采用由MATLAB设计的LMS算法。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明提供的降噪方法是通过设置于机舱内的多对红外定位传感器来检测机舱内人员所在的位置，通过机舱内多组拾音器检测机舱内的声源，并通过降噪控制器控制降噪发声器对机舱内人员所在位置进行主动降噪。本发明提供的降噪方法中，降噪响应是随着机舱内噪声的变化和舱内人员所在位置的变化而变化，从而提高降噪的灵活性，提高机舱内人员所在位置的降噪效果，提升民航客机的乘坐品质。
(2)本发明提供的降噪方法可以实现飞机在不同状态阶段下，使舱内噪声水平明显降低并保持稳定，可以消除某些隔声层、消声器等被动降噪方式无法消除的噪声，可以实现对现有服役客机进行优化，配合民航客机原有的被动降噪系统可以有效降低机舱内部的噪声，改善机组人员和乘客的舒适性。
附图说明
图1为本发明方法实施方式民航飞机座舱主动降噪方法的流程图；
图2为本发明方法实施方式中民航飞机座舱内的各模块布置示意图；
图3为本发明方法实施方式中民航飞机座舱内的各模块布置局部放大示意图；
图中，D1为降噪控制器，D2为红外定位传感器，D3为噪声源拾音器，D4为误差拾音器，D5为降噪发声器。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
图1是本发明一实施方式民航飞机座舱主动降噪方法的流程图，图2和图3分别是本发明一实施方式民航飞机座舱主动降噪方法的模块及局部放大示意图。
如图1、图2和图3所示，根据本发明的一实施例，本发明提供一种民航客机座舱主动降噪方法，包括以下步骤：
S1、通过设置于机舱内不同位置的噪声源拾音器D3采集机舱内的声源；
S2、通过设置于机舱内的多对红外定位传感器D2来检测机舱内人员所在的位置；
S3、计算舱内人员所在区域的噪声所形成的声场中心位置；
S4、调整系统的声场中心位置与上述声场中心位置重合；
S5、控制降噪发声器D5对机舱内人员所在位置进行主动降噪。
在本实施方式中，在所述控制降噪发声器D5对机舱内人员所在位置进行主动降噪之前，还包括：根据噪声源拾音器D3所采集到的主噪声，分离出舱内人员所在位置的噪声，计算机舱内各人员所处位置的噪声所形成的声场中心位置以及分析噪声的频谱图。
控制降噪发声器D5对机舱内人员所在位置进行主动降噪，包括：调整系统的声场中心位置与噪声所形成声场中心位置重合，产生与飞机噪声频率和幅值相同、相位相反的抑制波进行降噪。
本发明提供另一种确定机舱内人员所在位置的实施方式，具体包括：由于人声和舱内噪声的频率有明显的区别，所以可以通过对采集的主噪声进行频谱分析区别出人声，通过对噪声源拾音器D3采集到的人声进行分析，计算出各噪声源拾音器D3中频率相同的人声的采集时间点，根据各噪声源拾音器D3的位置和同一频率的人声的采集时间差计算出人声所在位置，进而也可算出机舱内人员所在的位置。
根据本发明的一实例，一种民航客机座舱主动降噪方法，包括硬件平台设计和软件平台设计。
硬件平台包括：
降噪发声器D5，产生与飞机座舱内噪声的频率和幅值相同、相位相反的抑制波，抵消噪音。利用virtual.lab声学软件仿真，使降噪发声器D5的布放位置可以使飞机座舱内声辐射的总功率调整到最小，在该位置上降噪发声器D5能发最优的声源强度。
拾音器，包括噪声源拾音器D3和误差拾音器D4，用于采集飞机座舱内的声源(包括人的声音和噪声)，本发明的降噪方法中，拾音器安装在飞机座舱内需要控制舱内噪声水平的区域，用于监测飞机座舱内的声源特性，并将结果反馈给降噪控制器D1。
具体的，利用virtual.lab声学软件仿真，误差拾音器D4应该放在主动降噪控制后测量的声功率的最小区域内，且误差拾音器D4的个数和降噪发声器D5的个数相等。
红外定位传感器D2，用于确定需要降噪的区域，通过多对发射器和接收器织成的红外线网覆盖整个飞机座舱空间，直接对机舱内人员进行精确定位并把数据传递给降噪控制器。
降噪控制器D1，连接于拾音器(噪声源拾音器D3和误差拾音器D4)、定位传感器D2和降噪发声器D5，实现主动降噪，包括：
根据红外定位传感器D2的数据计算舱内人员所在区域的噪声所形成的声场中心位置；
分析和监视拾音器测得的声源特性，并根据拾音器所传递的声源分离出舱内人员所在区域的噪声并分析频谱；
调整系统的声场中心位置与机舱内人员所在位置的噪声所形成的声场中心位置重合；
控制降噪发声器D5产生与所属噪声的频率和幅值相同、相位相反的抑制波对噪声进行降噪；
较优的是，本发明的技术方案中采用红外织网的定位技术可以实现对降噪目标的精确定位。
较优的是，本发明的技术方案以舱内人员为降噪目标，不是以整个机舱为降噪区域。
较优的是，本发明的技术方案降噪区域能随着舱内人员位置的变化而灵活调整。
较优的是，本发明的技术方案可以实现在不同飞机工况条件下实行不同水平的降噪效果。
在硬件平台的基础上，需要设计建立相应的软件平台，软件平台架构采用LabVIEW软件设计，系统FXLMS算法采用MATLAB软件编译。
软件平台包括以下模块：
计算模块，计算模块用于根据红外定位传感器的数据计算舱内人员所在区域的噪声所形成的声场中心位置。
数据采集模块，数据采集模块主要任务是采集拾音器读取的声音信号，并分离出舱内人员所在位置的噪声，计算噪声的频谱图。
具体的，数据采集模块采集的声音信号包括噪声源拾音器D3采集的主噪声和误差拾音器D4采集的残余噪声。
具体的，数据采集模块从采集的主噪声中分离出舱内人员所在位置的噪声并计算频谱图。
次级信号数模转换模块，次级信号数模转换模块的任务是通过接收主程序发出的次级声源信号，将次级声源信号由数字信号转换为模拟信号，再输出给功率放大器。
次级通道辨识模块，次级通道辨识模块用于次级通道传递函数的识别，中枢部分是采用Matlab设计的LMS算法。具体的，次级通道辨识模块通过生成白噪声再通过降噪发声器D5发出声音信号，再被误差拾音器D4读取信号反馈给模块作为输入，可以有效得出次级通道传递函数的估计值。
较优的是，本技术方案利用LMS算法计算得到次级通道传递函数的估计值，通过次级通道传递函数估计解决了声延迟问题，从而有效实现噪声主动控制。
本实施方式中所采用的降噪方式有别于其他的降噪方式，本实施方式不是以整个飞机座舱为降噪区域，而是以机舱内人员所在的位置为降噪区域。
本发明降噪方法中，降噪的设置可根据舱内噪声水平的高低灵活调整。
具体的，根据舱内噪声水平的高低设置多个阈值，根据噪声的阈值划分出多个降噪等级。
进一步的，当噪声水平超过某一预定噪声水平阈值时，降噪控制器D1控制降噪发声器D5实现高等级的降噪，当噪声水平低于该预定噪声水平阈值时，降噪控制器D1控制降噪发声器D5实现较低等级的降噪，从而实现控制机舱内的噪声水平基本稳定。比如，当飞机在起飞阶段或着陆时，飞机座舱内噪声源的声源特性会发生变化，且机舱内的噪声水平会明显升高，此系统降噪控制器D1控制降噪发声器D5实现高等级的降噪，抑制机舱内的噪声升高。
本发明降噪方法是以机舱内人员所在的位置为降噪的目标，不是以整个飞机座舱为降噪区域，本发明中降噪区域能根据机舱内人员的位置的变化而自动调整，比如空乘人员在机舱内走动时，本发明的降噪方法可以实现对空乘人员周围区域的实时降噪，降低空乘人员周围的噪声，大大提高了降噪的灵活性。
本实施方式是通过设置于机舱内不同位置的噪声源拾音器D3采集机舱内的主噪声，通过设置于机舱内的多对红外定位传感器D2来检测机舱内人员所在的位置，并通过降噪控制器D1控制降噪发声器D5对机舱内人员所在位置进行主动降噪，本发明的降噪方法中系统的降噪响应是随着机舱内噪声的变化和机舱内人员位置的变化而变化，从而大大提高了降噪的灵活性，以及大大提高了机舱内人员所在位置的降噪效果，提升了民航客机的乘坐品质。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种民航客机座舱主动降噪方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：通过设置于机舱内不同位置的拾音器采集机舱内的声源，监测声源特性并返回信息至降噪控制器；
步骤2：通过设置于所述机舱内的多对红外定位传感器来检测机舱内人员所在的位置，并返回信息至所述降噪控制器；
步骤3：利用所述降噪控制器得到舱内人员所在区域的噪声所形成的声场中心位置；
步骤4：利用所述降噪控制器调整降噪发声器的声场中心位置与机舱内人员所在区域的噪声所形成的声场中心位置重合；
步骤5：结合声源特性控制所述降噪发声器产生与所述噪声相位相反的抑制波，以对机舱内人员所在位置进行主动降噪。
2.一种用于如权利要求1所述的民航客机座舱主动降噪方法的硬件系统，其特征在于，包括：
所述拾音器，用于采集飞机座舱内的声源，监测各个舱内的声源特性，并将结果反馈给所述降噪控制器；
所述红外定位传感器，用于确定需要降噪的区域，通过多对织成的红外线网覆盖整个飞机座舱空间，直接对机舱内人员进行精确定位并把数据传递给所述降噪控制器；
所述降噪控制器，用于控制主动降噪；
所述降噪发声器，用于产生与所述噪声的频率和幅值相同、相位相反的抑制波，以抵消噪音。
3.根据权利要求2所述的一种用于民航客机座舱主动降噪方法的硬件系统，其特征在于，所述降噪控制器的主动降噪过程包括以下步骤：
步骤01：分析和监视所述拾音器测得的声源特性；
步骤02：根据所述红外定位传感器的数据得到舱内人员所在区域的噪声所形成的声场中心位置；
步骤03：调整所述降噪发声器的声场中心位置与机舱内人员所在位置的噪声所形成的声场中心位置重合；
步骤04：控制所述降噪发声器对舱内人员所在区域进行主动降噪。
4.根据权利要求2所述的一种用于民航客机座舱主动降噪方法的硬件系统，其特征在于，所述拾音器包括噪声源拾音器和误差拾音器，所述红外定位传感器由发射器和接收器组成。
5.一种用于如权利要求1所述的民航客机座舱主动降噪方法的软件系统，其特征在于，包括：
计算模块，用于根据所述红外定位传感器的数据计算舱内人员所在区域的噪声所形成的声场中心位置；
数据采集模块，用于采集所述拾音器读取的声音信号，并分离出舱内人员所在位置的噪声，得到噪声的频谱图；
次级信号数模转换模块，用于通过接收主程序发出的次级声源信号，将次级声源信号由数字信号转换为模拟信号，再输出给功率放大器；
次级通道辨识模块，用于次级通道传递函数的识别。
6.根据权利要求5所述的一种用于民航客机座舱主动降噪方法的软件系统，其特征在于，该软件系统的平台架构采用LabVIEW软件。
7.根据权利要求5所述的一种用于民航客机座舱主动降噪方法的软件系统，其特征在于，该软件系统的编译软件采用MATLAB软件。
8.根据权利要求5所述的一种用于民航客机座舱主动降噪方法的软件系统，其特征在于，所述次级通道辨识模块的中枢部分采用由MATLAB设计的LMS算法。
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