CN111128208A

CN111128208A - 一种便携式激励器

Info

Publication number: CN111128208A
Application number: CN201811278476.6A
Authority: CN
Inventors: 赵永吉
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Co Ltd
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2020-05-08
Anticipated expiration: 2038-10-30
Also published as: CN111128208B

Abstract

为解决现有技术中激励器对于高频噪声不能起到优化的作用的问题，本发明提供了一种便携式激励器。包括信号采集装置、处理发生器和声音播放装置；信号采集装置用于采集声环境中的噪声；处理发生器用于获取所述信号采集装置采集的噪声，并根据所述噪声生成分谐波信号；声音播放装置用于输入所述分谐波信号，播出可与所述声环境中的噪声相融合，以形成融合和声的降噪构造声音。本发明提供的便携式激励器，其无需考虑噪声源的具体形式，只要将便携式激励器置于噪声源附近，可以改善音质、音色、降低声音的尖锐度，改善声环境的声品质。该便携式激励器易于实现，操作简单，且不受环境限制，只要将其置于需要进行噪声消除的声环境中即可。

Description

一种便携式激励器

技术领域

本发明属于噪声处理领域，尤其指采用激励器对噪声进行改善的领域。

背景技术

噪声是一类引起人烦躁、或音量过强而危害人体健康的声音。噪声污染主要来源于交通运输、车辆鸣笛、工业噪音、建筑施工、社会噪音如音乐厅、高音喇叭、早市和人的大声说话等。

噪声根据其频率高低可以分为高频噪声、中频噪声和低频噪声等。现有通常采用ANC技术(英文全称：Active Noise Cancellation，中文：主动消噪或降噪)对低频噪声进行处理。其原理是产生与声环境中噪音相等的反相等幅的声波，将噪音中和，从而实现降噪的效果。)

前人研究认为，部分噪声是因频谱失去了不少成分，其中主要是中频和高频丰富的谐波，听起来缺少现场感，缺少穿透力，缺乏细腻感，缺少明晰度，缺乏高频泛音。因此，有人发明了激励器用于补全高频泛音。激励器从现代电子技术和心理声学原理上，把失落的细节重新修复，重新再现一种设备，经过专门的增强线路，产生丰富的可调的音乐谐波(泛音)，在输出放大电路中与直接信号混合。其作用一方面用于对声音进行处理，把失去的部分加以恢复，如现场感、亲切感、真实感等中高频泛音。经过激励后，可使音色增加清晰度、可懂度、透明度，降噪音补全为令人舒服的和声。

高频噪声主要来自工业机器(如织布机、车床、空气压缩机、风镐、鼓风机等)、现代交通工具(如汽车、火车、摩托车、拖拉机、飞机等)、高音喇叭、建筑工地以及商场、体育和文娱场所的喧闹声等、变压器内产生的电流声等。这些高强度的噪声危害着人们的机体，使人感到疲劳，产生消极情绪，甚至引起疾病，其特性是超强穿透性和不易衰减，目前常见使用吸隔声物理降噪技术进行高频降噪，但也只是整体降低声压级水平，不能改善声音品质。

而上述高频噪声环境中，上述激励器主要也是针对于低频声音来增加声音的高频谐波成分，对于高频噪声不能起到优化的作用。

发明内容

为解决现有技术中激励器对于高频噪声不能起到优化的作用的问题，本发明提供了一种便携式激励器。

本发明提供的便携式激励器，包括信号采集装置、处理发生器和声音播放装置；

所述信号采集装置用于采集声环境中的噪声；

所述处理发生器用于获取所述信号采集装置采集的噪声，并根据所述噪声生成分谐波信号；

声音播放装置用于输入所述分谐波信号，播出可与所述声环境中的噪声相融合，以形成融合和声的降噪构造声音。

本发明提供的便携式激励器，其通过信号采集装置采集声环境中的噪声(主要是高频噪声)，并根据声环境中的高频噪声，生成高频噪声的分谐波信号，并通过声音播放装置播放该，构造融合和声(协和音程)，来提高环境的声品质。本发明提供的便携式激励器，其无需考虑噪声源的具体形式，只要噪声源发出高频噪声，即可将便携式激励器置于噪声源附近，利用音乐声学的相关知识，构造分谐波信号，以人的心理声学特性为依据，对环境中的声音信号进行修饰，形成融合和声以对高频噪声进行优化处理，可以改善音质、音色、降低声音的尖锐度，改善声环境的声品质。该便携式激励器易于实现，操作简单，不再依附于其他的产品作为母体，且不受环境限制，只要将其置于需要进行噪声消除的声环境中即可。

进一步地，所述处理发生器包括分析获取模块和信号发生模块；

所述分析获取模块用于获取所述噪声，分析其频率和声压级，获取其需要生成的分谐波组成；

所述信号发生模块用于根据所述噪声的频率和声压级，生成分谐波信号。

进一步地，还包括显示器，用于显示处理发生器中的参数和/或处理过程。

进一步地，包括外壳；所述处理发生器为控制线路板；所述信号采集装置为内置麦克风，所述声音播放装置为内置扬声器；所述控制线路板、内置麦克风和内置扬声器安装于所述外壳内。该种优选方式将其集成为一个设备，当其需要进行高频噪声环境的优化时，只需将该设备置于噪声源附近即可。

进一步地，包括外壳，所述处理发生器为控制线路板；所述信号采集装置为外置麦克风，所述声音播放装置为外置扬声器；所述控制线路板安装于所述外壳内；所述外置麦克风和所述外置扬声器通过有线或无线的方式与所述控制线路板连接。该种方式中，可以将扬声器和麦克风外置，做成分体式，将外置麦克风和外置扬声器置于噪声源附近，用以对噪声进行采样，并经处理后，通过外置扬声器播放分谐波信号。

进一步地，所述外壳上安装有LCD显示屏。

进一步地，所述控制线路板包括中央处理器及若干接口模块。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中提供的便携式分谐波激励器用于对噪声源进行降噪消噪处理的原理示意图；

图2是本发明具体实施方式中提供的便携式分谐波激励器原理框图；

图3是本发明具体实施方式中提供的处理发生器模块示意图；

图4是本发明具体实施方式中提供的优选的便携式分谐波激励器原理框图；

图5是本发明具体实施方式中提供的便携式分谐波激励器分解立体示意图；

图6是本发明具体实施方式中提供的另一种便携式分谐波激励器分解立体示意图。

其中，1、便携式激励器；2、噪声源；3、融合和声；4、人耳；11、信号采集装置；12、处理发生器；13、声音播放装置；14、显示器；121、分析获取模块；122、信号发生模块；10、外壳；101、下壳；102、上盖；11a、内置麦克风；12a、控制线路板；13a、内置扬声器；14a、LCD显示屏；11b、外置麦克风；13b、外置扬声器。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的工作原理描述如下：

在音乐声学中声乐的组成原理，在音乐声学中，我们听见的声音(同样包括噪音)是由两部分组成的，基波和谐波(泛音)，通常谐波的频率(为区别起见，简称谐波频率)是基波的频率(为区别期间，简称基频)成分的整数倍。基频决定着音高，谐波频率决定音色，音高是决定这个声音“响不响”，音色来决定声音“美不美”或“好不好听”(当然它们之间都是相互作用的结果，没有这么简单的单一对应，此处是为了更好的理解)。这样就可以解释歌唱家的高音和金属物体划过玻璃时的“吱吱”声虽然中心频率相近，但主观感受却天壤之别的原因，两者的泛音不同。

如果完全按照音乐声学的原理来构造它的谐波成分的话，可能主观感受会有所提高，但由于高频成分的增加，烦躁度也会增加，不能达到提高环境声品质的目的。于是我们反向思考，加入高频信号的分数谐波(简称分谐波)成分，构造机理依然是音乐声学的相关原理。在主观感受中加入分数谐波和加入谐波的效果是一样的，都能提高声品质，他们在物理机制中的解释也是一样的，也就是两个信号重合的几率是一样的，比如，基频为5000Hz，谐波频率是10000Hz，谐波每振动两次就有一次是跟基频重合的，谐波频率与基频的频率比为2:1；基频为5000Hz，分谐波成分是2500Hz，基频每振动两次就有一次跟分谐波重合，基频与谐波频率的频率比是2:1；两者是一样的。在心理声学中，当我们加入分谐波时，在整个频域之中高频成分所占有的比值就会降低，而高频成分的多少反映了烦躁度的大小，所以烦躁度是降低的。

基于上述原理，如图1所示，比如，噪声源2会向声环境中发出噪声，上述噪声包括高频噪声和低频噪声等。我们对于低频噪声可以采用ANC技术进行处理，对于高频噪声，该ANC技术无法进行有效处理，这时，需要应用到本发明中提供的便携式激励器1，本发明提供的便携式激励器1会根据高频噪声的频率和声压级等参数，构造生成分谐波信号，并用该分谐波信号进行播放，播出降噪构造声音，该降噪构造声音可以与噪声源2发出的高频噪声相融合，补全其频谱，形成融合和声3，该融合和声3进入人耳4中，使听者听到该融合和声3时并不会产生不舒适感。其中，所谓声环境指在一定的区域中，所有声音组成的系统。噪声也属于声音，表征该声环境噪声的参数也包括频率、声压级等。所谓声压级(sound pressurelevel)是表征声压大小的指标，声压是大气压受到声波扰动后产生的变化，即为大气压强的余压，它相当于在大气压强上的叠加一个声波扰动引起的压强变化。声波通过媒质时，由于振动所产生的压强改变量。它是随时间变化的，实测声压是它的有效值。单位是帕斯卡(Pa)。声压级用某声音的声压P与基本声压值P0之比的常用对数的20倍来表示，即20lg^P/P0，单位为分贝(dB)。

如下图2所示，本例提供的便携式激励器1，包括信号采集装置11、处理发生器12和声音播放装置13；

所述信号采集装置11用于采集声环境中的噪声；具体的，用于对声环境中的声音成分中影响声品质的主要频率成分。噪声信号的采集一般是在噪声源2附近，使信号采集装置11位于声音传播的路径上，越接近噪声源2越好，这样就可以避免声音在传播过程中产生的能量损失，使信号采集装置11采集的噪声信号更强。对于声环境中的噪声信号，主要目的是直接或间接检测频率和声压级。好用于后续分谐波信号的分析获取和生成。

所述处理发生器12用于获取所述信号采集装置11采集的噪声，并根据所述噪声生成分谐波信号；

声音播放装置13用于输入所述分谐波信号，播出可与所述声环境中的噪声相融合，以形成融合和声3的降噪构造声音。

可以将声音播放装置13设置在噪声源2处，由此可以保证分谐波信号和声环境中噪声信号同源同途径，消除分谐波信号在传播过程中产生的衰减等不确定因素，提高分谐波信号与噪声源2发出的高频噪声进行融合后的降噪效果。

进一步地，所述处理发生器12包括分析获取模块121和信号发生模块122；

所述分析获取模块121用于获取所述噪声，分析其频率和声压级，获取其需要生成的分谐波组成；

例如：采集到的高频噪声的频率为5000Hz，此时尖锐度很高，容易引起人们的烦躁度，此时需要生成八度分数谐波，也就是2500Hz的分谐波成分，就会最大程度的提升环境声品质；但是，当电机的噪声频率为4000Hz时，则需要生成四度分数谐波，也就是3000Hz的分数谐波，才会最大程度的提升环境声品质。(乐理中完全协和的音程包括纯一、纯八、纯五、纯四。其他音程的频率比：小二度16:15，大二度9:8，小三度6:5，大三度5:4，纯四度4:3，增四度45:32，减五度64:45，纯五度3:2，小六度8:5，大六度5:3，小七度16:9，大七度5:27。)。同时，也对其声压级进行分析，并对应需要生成的分谐波的声压级。

所述信号发生模块122用于根据所述需要生成的分谐波组成，生成分谐波信号。信号发生模块122的主要作用是产生由分析获取模块121确定要产生的目标信号：分谐波信号。目标信号的产生可以有两种形式，一种是存储所有高频噪声信号需要的分谐波组成，当分析模块确定其目标信号时，直接调用其对应的分谐波信号即可。这种方法的成本小，但是在和声构造细节处理上不够细腻，所以比较适合用在火车，地铁等大电机、声环境较复杂的地方；具体地，可以预先建立预设的构造声音数据库并存储，从中获取与高频噪声相对应的分谐波信号。

预设的构造声音数据库的构建过程包括：

采集不同声环境中的高频噪声作为样本，并对高频噪声划分频段划分。

根据噪声频谱特征信息，对应获得多个频段的噪声信号。其中，高频噪声进行频段划分是为了在进行分谐波构造时节省工作量。例如，举例而言，如3000-6000Hz的高频噪声，可以构造600-1000Hz的声音以增加至该高频噪声中。

然后选择任一频段的噪声信号，并根据音乐声学或心理声学原理对所选频段的噪声信号进行频率构造以生成多个分谐波信号。对于任一频段的噪声信号，可以根据音乐声学或心理声学原理利用声音处理软件(如MATLAB)对该频段的噪声信号进行频率构造以生成多个分谐波信号。

然后，将所选频段的噪声信号分别与每个分谐波信号进行合成，以生成多个合成声音样本并输出。

其中，每个合成声音样本的频率的所属频段均包括所选频段。例如，对于4000-5000Hz频段的噪声信号，进行频率构造后得到400-500Hz频段的低频信号，两者合成后得到的合成声音样本的频率的所属频段可以为400-6000Hz，可见，400-6000Hz频段包括4000-5000Hz频段。由此，通过分谐波信号可以对所选频段的噪声信号的频率进行补偿，即使得合成声音样本的频率覆盖范围广。

然后，根据预设评价方法对每个合成声音样本进行评分，并根据每个合成声音样本的评分结果获取一个与所选频段的噪声信号相对应的构造声音样本。

其中，预设评价方法可以包括：1)确定评价人员，评价人员应具有正常的听觉，可以是一般的工作人员，人数可以要求在10人以上；2)评分标准，可以采用百分制进行评分，同时采用五级评价标准，如，优：很悦耳(如，听起来令人舒服、平静、愉悦)(80-100分)，良：悦耳(60-80分)，中：一般40-60分)，差：难听(20-40分)，劣：很难听(如，听起来令人不舒服、令人不安、烦躁等)(0-20分)，即评价人员可以基于分级评价进行百分制评分；3)试听条件，如可以在较为安静的室内环境中进行试听评价。

举例而言，由男女成年人各10人组成评价人员，在较为安静的室内环境中，播放所选频段对应的每个合成声音样本，每个合成声音样本可以播放3遍。在播放3遍后，由20个评价人员进行评分，评分完成后，对评分结果进行数理统计，以选出评分最高(如，平均分最高)的合成声音样本，将该合成声音样本对应的构造声音样本作为与所选频段的噪声信号相对应的构造声音样本。同理，可以获取每个频段的噪声信号对应的构造声音样本，所有构造声音样本的集合即为上述预设的构造声音数据库。

另一种是实时的产生谐波信号，当分析获取模块121确定其目标信号时，直接作用于信号发生模块122的信号发生函数(若高频噪声表达式设为y＝a*sin(2*pi*A*f*t)，则分谐波的发生函数为y1＝ma*sin(2*pi*nA*f*t),m值决定分谐波信号的声压级，n值决定所产生的分谐波信号的频率，所以在产生分数谐波时只需要确定点(m，n)就可以)。这种方法的成本相对贵一些，但是声音构造处理很细腻，比较适合家庭轿车，会议室等对声品质要求比较高的地方。

在后期的试验和研究中我们发现，在进行上述分谐波构造的同时，我们给目标声音加入一个与之频率相近的声音信号，为区别起见，将上述分谐波信号称为和声信号，将该频率相近的声音信号其为掩蔽信号，加入该掩蔽信号后，主观感受改善的程度更加的大。作为优选的方式，还根据所述高频噪声信号的频率，构造生成和声掩蔽信号；所述和声掩蔽信号包括和声信号和掩蔽信号；其中，和声信号即为上述分谐波信号，关于该掩蔽信号的作用及其生成机理，解释如下：该掩蔽信号是这样起作用的，当一个较强的声音将一个较弱的声音隐蔽使较弱的声音不能听到的现象称为“掩蔽效应”。当同时聆听两个或者多个声音时，听觉系统会产生所谓的“掩蔽效应”，即每个纯音都会变得更听不清或者听不清，或者说这些纯音被部分地或完全的“掩蔽”掉，我们就是利用了这一特性，给高频噪声生成一个“掩蔽信号”，让这个“掩蔽信号”使高频噪声信号变得听不清，“掩蔽信号”的频率比噪声信号的要低一点。这样，一方面能起到掩蔽噪声信号的作用，另一方面，也能稍稍的降低尖锐度，至少不会增加尖锐度。以此，对于该掩蔽信号，一方面要求其频率要低于高频噪声信号的频率，另外，所述掩蔽信号的声压级与所述和声信号的声压级变化趋势一致。所谓变化趋势一致，指其与和声信号的声压级的趋势相匹配，比如，假设和声信号的声压级整体是线性减小的，则掩蔽信号也要相对于高频噪声信号的音高减小，但需要注意的是，其减小的幅度不一定要和和声信号的减小幅度保持一致。若和声信号的声压级是保持不变的，则掩蔽信号的声压级相对于高频噪声信号的声压级也保持一致。

作为优选的方式，如图4所示，还包括显示器14，用于显示处理发生器12中的参数和/或处理过程。

为了能进一步让本领域技术人员了解本发明，下面结合具体的机械示意图对本发明构思的便携式激励器1进行具体解释说明。

如下图5所示，本例中的便携式激励器1包括外壳10；所述处理发生器12为控制线路板12a；所述信号采集装置11为内置麦克风11a，所述声音播放装置13为内置扬声器13a；所述控制线路板12a、内置麦克风11a和内置扬声器13a安装于所述外壳10内。该种优选方式将其集成为一个设备，当其需要进行高频噪声环境的优化时，只需将该设备置于噪声源2附近即可。本利中，其外壳10包括下壳101和上盖102，其中，其下壳101和上盖102封装的空间内安装上述控制线路板12a和内置麦克风11a和内置扬声器13a；本例中，一般内置麦克风11a和内置扬声器13a安装于控制线路板12a上，但外壳10上留有内置麦克风11a声音传入的咪孔和内置扬声器13a声音传出的声孔。或者内置麦克风11a直接安装于外壳10上，但其电连接至该控制线路板12a；或者内置扬声器13a也可安装于外壳10上，电连接至该控制线路板12a。

或者，如下图6所示，本例中的便携式激励器1包括外壳10，所述处理发生器12为控制线路板12a；所述信号采集装置11为外置麦克风11b，所述声音播放装置13为外置扬声器13b；所述控制线路板12a安装于所述外壳10内；所述外置麦克风11b和所述外置扬声器13b通过有线或无线的方式与所述控制线路板12a连接。该种方式中，可以将扬声器和麦克风外置，做成分体式，将外置麦克风11b和外置扬声器13b置于噪声源2附近，用以对噪声进行采样，并经处理后，通过外置扬声器13b播放分谐波信号。

如图5、图6所示，所述外壳10上安装有显示器14，本例中的显示器14优选采用LCD显示屏14a。同时，还包括有输入装置，用来输入相关参数和进行配置等。

其中，所述控制线路板12a包括中央处理器及若干接口模块。所述控制线路板12a，包括算法集成器、功率放大器、A/D转换器等，算法集成器有两个部分，一是对环境噪声信号的声压及频率进行计算识别，二是生成目标频率信号，以及控制频率声压级，来生成分谐波信号。功率放大器，用来调节目标信号功率，来适应和声信号所需功率。A/D转换器，用来将数字信号转换为模拟信号输出给声音播放装置13。另外，包括其他的外界端口，比如存储、通信、蓝牙等模块。

该便携式激励器1可以使用在产生各种高频噪声的各种噪声源2附近，以用来对其进行降噪处理。比如，用在某些便携式激励器1主要针对于类似于电机的高频噪声相关的声品质改善，所以有相应的电机高频噪声信号的地方就可以用。比如大功率的变电器附近，也会发出高频的噪声，这种噪声的主观感受非常不好，在此场景中，我们使用分谐波激励器，将播放模块选用球形声源(此类噪声源2就是球形声源)即可。

本发明提供的便携式激励器1，其通过信号采集装置11采集声环境中的噪声(主要是高频噪声)，并根据声环境中的高频噪声，生成高频噪声的分谐波信号，并通过声音播放装置13播放该，构造融合和声3(协和音程)，来提高环境的声品质。本发明提供的便携式激励器1，其无需考虑噪声源2的具体形式，只要其噪声源2发出高频噪声，即可将便携式激励器1置于噪声源2附近，利用音乐声学的相关知识，构造分谐波信号，以人的心理声学特性为依据，对环境中的声音信号进行修饰，形成融合和声3以对高频噪声进行优化处理，可以改善音质、音色、降低声音的尖锐度，改善声环境的声品质。该便携式激励器1易于实现，操作简单，不再依附于其他的产品作为母体，且不受环境限制，只要将其置于需要进行噪声消除的声环境中即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种便携式激励器，其特征在于，包括信号采集装置、处理发生器和声音播放装置；

所述信号采集装置用于采集声环境中的噪声；

2.根据权利要求1所述的便携式激励器，其特征在于，所述处理发生器包括分析获取模块和信号发生模块；

所述信号发生模块用于根据所述需要生成的分谐波组成，生成分谐波信号。

3.根据权利要求1所述的便携式激励器，其特征在于，还包括显示器，用于显示处理发生器中的参数和/或处理过程。

4.根据权利要求1所述的便携式激励器，其特征在于，包括外壳；所述处理发生器为控制线路板；所述信号采集装置为内置麦克风，所述声音播放装置为内置扬声器；所述控制线路板、内置麦克风和内置扬声器安装于所述外壳内。

5.根据权利要求1所述的便携式激励器，其特征在于，包括外壳，所述处理发生器为控制线路板；所述信号采集装置为外置麦克风，所述声音播放装置为外置扬声器；所述控制线路板安装于所述外壳内；所述外置麦克风和所述外置扬声器通过有线或无线的方式与所述控制线路板连接。

6.根据权利要求4或5所述的便携式激励器，其特征在于，所述外壳上安装有LCD显示屏。

7.根据权利要求4或5所述的便携式激励器，其特征在于，所述控制线路板包括中央处理器及若干接口模块。

8.根据权利要求1所述的便携式激励器，其特征在于，还包括存储器，所述存储器内存储有与噪声频率对应的各预设的分谐波信号。

9.根据权利要求1所述的便携式激励器，其特征在于，所述处理发生器可调用分谐波发生函数，通过所述分谐波发生函数实时生成分谐波信号。

10.根据权利要求1所述的便携式激励器，其特征在于，所述处理发生器还包括用于生成与低频噪声反相等幅的低频构造信号。