CN111968665A - 一种局部区域有源降噪控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种局部区域有源降噪控制系统及方法，所述系统包括：误差传感器阵列、主动控制平台、控制声源；所述误差传感器阵列、控制声源分别与所述主动控制平台连接；所述误差传感器阵列用于进行噪声数据采集，并将所采集的噪声数据转换成误差信号后传送至所述主动控制平台；所述主动控制平台对所述误差传感器阵列传送的误差信号进行计算，得到控制信号，并将所述控制信号传送至所述控制声源；所述控制声源将所述主动控制平台传送的控制信号转换为控制声信号，通过所述控制声信号与原噪声进行叠加，降低待降噪区域的噪声。本发明能够有效提高局部区域有源降噪效果，控制系统的复杂程度低，实用性强。

Description

一种局部区域有源降噪控制系统及方法
技术领域
本发明涉及有源降噪控制技术领域，特别是涉及一种局部区域有源降噪控制系统及方法。
背景技术
有源降噪控制技术通过电子电路和作动器产生与原噪声大小相等、相位相反的声音来降噪抵消原来的噪声，从而达到降低噪声的目的。而有源噪声控制技术恰恰解决的是传统降噪技术难以解决的低频噪声。低频噪声广泛的存在于我们的生活中，如，汽车发动机噪声、马路噪声等，长活在低频噪声的环境中，对身心健康有着极大危害。然而目前局部区域有源降噪控制存在降噪通道多，系统复杂，稳定性能差，性价比低，不适合用于实际应用。
因此，目前亟需一种局部区域有源降噪控制系统及控制方法，能够对噪声敏感区域进行局部降噪控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种局部区域有源降噪控制系统及方法，以解决现有技术中存在的技术问题，能够有效提高局部区域有源降噪效果，控制系统的复杂程度低，实用性强。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种局部区域有源降噪控制系统，包括：误差传感器阵列、主动控制平台、控制声源；所述误差传感器阵列、控制声源分别与所述主动控制平台连接；
所述误差传感器阵列用于进行噪声数据采集，并将所采集的噪声数据转换成误差信号后传送至所述主动控制平台；
所述主动控制平台对所述误差传感器阵列传送的误差信号进行计算，得到控制信号，并将所述控制信号传送至所述控制声源；
所述控制声源将所述主动控制平台传送的控制信号转换为控制声信号，通过所述控制声信号与原噪声进行叠加，降低待降噪区域的噪声。
优选地，所述误差信号为所述控制声源发出的控制声信号与原噪声叠加后的产生的残余噪声。
优选地，所述主动控制平台包括顺次连接的前置放大器、抗混叠滤波器、A/D转换器、DSP控制系统、D/A转换器、重构滤波器、电压跟随器、功率放大器；所述前置放大器与所述误差传感器阵列相连，所述功率放大器与所述控制声源相连。
优选地，所述DSP控制系统根据所述误差信号进行自身参数的更新。
优选地，所述DSP控制系统采用正交分解结构的选频有源噪声控制FSFANC算法进行自身参数的更新。
优选地，所述控制声源由扬声器阵列组成，且所述控制声源设置在能辐射到待降噪区域、且与噪声源同轴向的位置。
本发明还提供一种局部区域有源降噪控制方法，包括如下步骤：
S1、采集待降噪区域原噪声和控制声信号叠加后的残余噪声，即误差信号；
S2、对误差信号进行放大及抗混叠滤波处理；
S3、通过自适应控制器调整控制信号计算参数，并通过调整后的计算参数进行控制信号的计算；
S4、将控制信号转换为控制声信号，通过控制声信号实现局部区域有源降噪；
S5、重复步骤S1～S4，直到降噪结束。
本发明公开了以下技术效果：
(1)本发明通过误差传感器阵列采集待降噪区域的噪声信号，所采集的噪声信号为控制声信号与原噪声叠加后产生的残余噪声，无需采集原噪声作为参考信号，仅仅采用误差传感器阵列采集残余噪声作为主动控制平台的输入，并根据主动控制平台实时给出相应的控制输出，极大降低了控制系统的复杂程度，提高了本发明局部区域有源降噪控制系统的适用性。
(2)本发明通过误差传感器阵列采集的残余噪声对控制器的参数进行自适应调整，能够根据环境噪声进行控制器参数的实时调整，有效提高了降噪效果。
(3)本发明采用正交分解结构的FSFANC算法对DSP控制系统内嵌控制算法的参数进行自适应调整；正交分解结构的FSFANC算法采用只有两个系数的数字滤波器，与数字滤波器相比，其优点是两个系数有明确的物理意义，即两个系数分别为系统频率响应的实部和虚部；与标准正交分解结构相比，其优点是大大简化了计算，还给系统的严格理论分析带来了方便，将信号的时域处理与频域处理有机地结合在了一起。本发明正交分解结构的FSFANC算法，不但解决了现有系统算法对频率误差过度敏感以致对频率估计精度要求过高的不足，还具有结构简单、稳定性高、计算量少等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明局部区域有源降噪控制系统结构示意图；
图2为本发明FSFANC系统框图；
图3为本发明局部区域有源降噪控制方法流程图。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1所示，本实施例提供一种局部区域有源降噪控制系统，包括：误差传感器阵列、主动控制平台、控制声源；所述误差传感器阵列、控制声源分别与所述主动控制平台有线连接。
所述误差传感器阵列用于进行噪声数据采集，并将所采集的噪声数据转换成误差信号后传送至所述主动控制平台，所述误差信号为电信号。所述误差传感器阵列放置在待降噪区域，所述误差传感器阵列所采集的噪声数据为所述控制声源发出的控制声信号与原噪声叠加后的残余噪声，并将所述残余噪声转换为误差信号。所述误差信号一方面作为所述主动控制平台自适应调整控制器的参数，另一方面作为所述主动控制平台的输入信号，无需采集原噪声作为参考信号，仅仅采用误差传感器阵列采集残余噪声作为主动控制平台的输入，并根据主动控制平台实时给出相应的控制输出，极大降低了控制系统的复杂程度，提高了本发明局部区域有源降噪控制系统的适用性。
所述主动控制平台对所述误差传感器阵列传送的误差信号进行计算，得到控制信号，并将所述控制信号传送至所述控制声源。所述主动控制平台包括顺次连接的前置放大器、抗混叠滤波器、A/D转换器、DSP控制系统、D/A转换器、重构滤波器、电压跟随器、功率放大器；所述前置放大器与所述误差传感器阵列相连，所述功率放大器与所述控制声源相连。通过前置放大器对误差信号进行放大，并通过抗混叠滤波器进行抗混叠滤波后，将误差信号送入高精度的A/D转换器，通过A/D转换器将模拟噪声电信号转换为数字信号，并将数字信号送入DSP控制系统；DSP控制系统内嵌控制算法，通过控制算法对噪声信号进行计算得到控制信号；其中，DSP控制系统能够根据噪声信号自适应调整内嵌控制算法的参数，实时输出控制信号。为避免其他电信号对控制信号的干扰，通过D/A转换器将数字控制信号转换为模拟控制信号后，利用重构滤波器对模拟控制信号进行重构滤波，并利用电压跟随器具有高输入电阻、低输出电阻的特点，隔离系统负载对控制信号的影响，送入功率放大器。
所述控制声源将所述主动控制平台传送的控制信号转换为控制声信号，通过所述控制声信号与原噪声进行叠加，降低待降噪区域的噪声。其中，所述控制声源由扬声器阵列组成。所述控制声源设置在能辐射到待降噪区域、且与噪声源同轴向的位置，通过所述功率放大器将所述主动控制平台传送的控制信号由电信号转换为控制声信号。
所述DSP控制系统通过正交分解结构的FSFANC(Frequency Select FilterActive Noise Control，选频有源噪声控制)算法自适应调整内嵌控制算法的参数。
所述FSFANC的系统框图如图2所示，图2中P(z)、S(z)、G(z)、W(z)分别为初级通道，次级通道和选频滤波器和自适应控制器；x′(n)、d′(n)、e′(n)分别为含有该频率分量的初级信号、期望信号和误差信号；x(n)、d(n)、e(n)分别为只含有该频率分量的初级信号、期望信号和误差信号；u(n)为自适应滤波器的滤波信号，y(n)为控制信号；
其中，x(n)＝G(z)*x′(n)；d(n)＝G(z)*d′(n)；e(n)＝G(z)*e′(n)，*表示卷积；
控制器滤波器系数更新：
W(n+1)＝W(n)+ue(n)r(n)；
其中：r(n)＝S(n)*x(n)，u为收敛因子。
通过正交分解结构的FSFANC算法自适应调整内嵌控制算法的参数的具体过程包括：在信号输入通道中设置一个选频滤波器，通过所述选频滤波器实现选频处理；所述选频滤波器是一个窄带带通滤波器，其带通足够窄，以便能够选择出感兴趣的噪声频谱并进行处理，而不受其他频率噪声的影响。所述FSFANC中，自适应控制滤波器、次级通道、初级通道、选频滤波器均采用只含有两个系数的FIR(Finite Impulse Response，有限长单位冲激响应)滤波器进行建模，并采用FxLMS算法对内嵌控制算法的参数进行自适应调整。与数字滤波器相比，其优点是两个系数有明确的物理意义，即两个系数分别为系统频率响应的实部和虚部；与标准正交分解结构相比，其优点是大大简化了计算，还给系统的严格理论分析带来了方便，将信号的时域处理与频域处理有机地结合在了一起。本发明正交分解结构的FSFANC算法，不但解决了现有系统算法对频率误差过度敏感以致对频率估计精度要求过高的不足，还具有结构简单、稳定性高、计算量少等优点。
本实施例提供一种局部区域有源降噪控制方法，如图3所示，包括如下步骤：
S1、采集待降噪区域原噪声和控制声信号叠加后的残余噪声，即误差信号；
S2、对误差信号进行放大及抗混叠滤波处理；
S3、通过自适应控制器调整控制信号的计算参数，并通过调整后的计算参数进行控制信号的计算；
S4、将控制信号转换为控制声信号，通过控制声信号实现局部区域有源降噪；
S5、重复步骤S1～S4，直到降噪结束。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种局部区域有源降噪控制系统，其特征在于，包括：误差传感器阵列、主动控制平台、控制声源；所述误差传感器阵列、控制声源分别与所述主动控制平台连接；
所述误差传感器阵列用于进行噪声数据采集，并将所采集的噪声数据转换成误差信号后传送至所述主动控制平台；
所述主动控制平台对所述误差传感器阵列传送的误差信号进行计算，得到控制信号，并将所述控制信号传送至所述控制声源；
所述控制声源将所述主动控制平台传送的控制信号转换为控制声信号，通过所述控制声信号与原噪声进行叠加，降低待降噪区域的噪声。
2.根据权利要求1所述的局部区域有源降噪控制系统，其特征在于，所述误差信号为所述控制声源发出的控制声信号与原噪声叠加后的产生的残余噪声。
3.根据权利要求1所述的局部区域有源降噪控制系统，其特征在于，所述主动控制平台包括顺次连接的前置放大器、抗混叠滤波器、A/D转换器、DSP控制系统、D/A转换器、重构滤波器、电压跟随器、功率放大器；所述前置放大器与所述误差传感器阵列相连，所述功率放大器与所述控制声源相连。
4.根据权利要求3所述的局部区域有源降噪控制系统，其特征在于，所述DSP控制系统根据所述误差信号进行自身参数的更新。
5.根据权利要求4所述的局部区域有源降噪控制系统，其特征在于，所述DSP控制系统采用正交分解结构的选频有源噪声控制FSFANC算法进行自身参数的更新。
6.根据权利要求1所述的局部区域有源降噪控制系统，其特征在于，所述控制声源由扬声器阵列组成，且所述控制声源设置在能辐射到待降噪区域、且与噪声源同轴向的位置。
7.一种局部区域有源降噪控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、采集待降噪区域原噪声和控制声信号叠加后的残余噪声，即误差信号；
S2、对误差信号进行放大及抗混叠滤波处理；
S3、通过自适应控制器调整控制信号计算参数，并通过调整后的计算参数进行控制信号的计算；
S4、将控制信号转换为控制声信号，通过控制声信号实现局部区域有源降噪；
S5、重复步骤S1～S4，直到降噪结束。
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