CN112863473A - 一种基于耳廓特征位置自动辨识跟踪的主动降噪装置 - Google Patents

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张恒
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李由
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Abstract

本发明公开了一种耳廓特征位置自动辨识跟踪的主动降噪装置，包括设置在睡眠区域的识别系统、传声器系统、机电系统、声源系统以及控制系统，所述识别系统用于采集耳廓特征位置；所述传声器系统用于采集声场参数；所述控制系统用于对所述耳廓特征位置以及所述声场参数进行处理，得到外耳坐标和反相位声波信息，并将所述所述外耳坐标和所述反相位声波信息发生至所述机电系统和所述声源系统，所述机电系统控制所述声源系统跟踪耳部位置并输出所述反相位声波以抵消人耳位置的噪声。本发明全角度自动跟踪识别人耳位置(耳廓)的特征参数识别，并跟踪人耳3D定位并发出反相位声波，对到达耳边的噪声给以抵消，实现非接触式主动降噪。

Description

一种基于耳廓特征位置自动辨识跟踪的主动降噪装置
技术领域
本发明涉及噪声控制领域，特别是涉及一种基于耳廓特征位置自动辨识跟踪的主动降噪装置。
背景技术
现有主动噪声消减(Active Noise Cancellation，ANC)技术是针对环境低频噪声给以反相位的声源叠加从而达到降噪的效果。目前市场上诸如Bose，Sony等都推出了主动降噪耳机/耳罩，但其使用有一定局限性。噪声环境下工作时长期佩戴耳机和耳罩，由于耳机/耳罩接触面与皮肤接合，存在力的压迫，会影响人体耳廓、外耳道皮肤的正常热交换，长时间佩戴会导致人体的不适甚至诱发外耳道炎等。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于耳廓特征位置自动辨识跟踪的主动降噪装置，用以实现降噪装置与人体的分离，在自由空间内接近外耳道口位置形成声场消减或抑制，从而使人脱离了耳罩/耳机在噪声环境下更加自由。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种耳廓特征位置自动辨识跟踪的主动降噪装置，包括设置在睡眠区域的识别系统、传声器系统、机电系统、声源系统以及控制系统，所述控制系统分别与所述识别系统、所述传声器系统、所述机电系统以及所述声源系统连接；
所述识别系统用于采集耳廓特征位置；所述传声器系统用于采集声场参数；所述控制系统用于对所述耳廓特征位置以及所述声场参数进行处理，得到外耳坐标和反相位声波信息，并将所述所述外耳坐标和所述反相位声波信息发生至所述机电系统和所述声源系统，所述机电系统控制所述声源系统跟踪耳部位置并输出所述反相位声波以抵消人耳位置的噪声。
可选地，所述识别系统包括两个摄像头，两个摄像头位于头部上方两侧与水平位置成45度夹角处，分别对焦于左右两侧耳廓位置。
可选地，两个摄像头固定于睡眠区的支架两侧，与耳部位置距离不小于50cm。
可选地，所述传声器系统包括两个用于自由声场测量的传声器，两个传声器位于头顶上方30cm，固定于睡眠区头顶上方。
可选地，所述控制系统集成设置于睡眠区床板两侧。
可选地，所述控制系统为基于FxLMS算法的前馈有源噪声控制。
可选地，所述声源系统包括两个扬声器。
可选地，两个扬声器固定于睡眠区顶部两侧，与头部距离不小于1m。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种耳廓特征位置自动辨识跟踪的主动降噪装置，包括设置在睡眠区域的识别系统、传声器系统、机电系统、声源系统以及控制系统，所述识别系统用于采集耳廓特征位置；所述传声器系统用于采集声场参数；所述控制系统用于对所述耳廓特征位置以及所述声场参数进行处理，得到外耳坐标和反相位声波信息，并将所述所述外耳坐标和所述反相位声波信息发生至所述机电系统和所述声源系统，所述机电系统控制所述声源系统跟踪耳部位置并输出所述反相位声波以抵消人耳位置的噪声。本发明全角度自动跟踪识别人耳位置(耳廓)的特征参数识别，并跟踪人耳3D定位并发出反相位声波，对到达耳边的噪声给以抵消，实现非接触式主动降噪。本发明在自由空间内接近外耳道口位置形成声场消减或抑制，从而使人脱离了耳罩/耳机在噪声环境下更加自由。
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为本发明实施例耳廓特征位置自动辨识跟踪的主动降噪装置的示意图；
图2为采用FxLMS算法的前馈有源噪声控制系统。
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。
本发明的目的是提供一种基于耳廓特征位置自动辨识跟踪的主动降噪装置，用以实现降噪装置与人体的分离，在自由空间内接近外耳道口位置形成声场消减或抑制，从而使人脱离了耳罩/耳机在噪声环境下更加自由。
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。
如图1所示，本发明公开的一种耳廓特征位置自动辨识跟踪的主动降噪装置包括设置在睡眠区域的识别系统、传声器系统、机电系统、声源系统以及控制系统，所述控制系统分别与所述识别系统、所述传声器系统、所述机电系统以及所述声源系统连接。
所述识别系统用于采集耳廓特征位置。所述识别系统包括两个摄像头(摄像头1和摄像头2)，两个摄像头位于头部上方两侧与水平位置成45度夹角处，分别对焦于左右两侧耳廓位置。两个摄像头固定于睡眠区的支架两侧，与耳部位置距离不小于50cm。耳部位置信息的获取是通过摄像头中红外传感器和色彩传感器的景深计算得到的
所述传声器系统用于采集声场参数；所述传声器系统包括两个用于自由声场测量的传声器，两个传声器位于头顶上方30cm，固定于睡眠区头顶上方。传声器获取头(耳)部位置的声压级、频谱和相位参数。
所述控制系统用于对所述耳廓特征位置以及所述声场参数进行处理，得到外耳坐标和反相位声波信息，并将所述所述外耳坐标和所述反相位声波信息发生至所述机电系统和所述声源系统，所述机电系统控制所述声源系统跟踪耳部位置并输出所述反相位声波以抵消人耳位置的噪声。
所述控制系统集成设置于睡眠区床板两侧。机电系统使用全方位云台，通过内部电机控制声源系统的扬声器在上下和左右各方向的转动。所述声源系统包括两个扬声器，两个扬声器置于云台上方，固定于睡眠区顶部两侧，与头部距离不小于1m；
用户还可以通过用户界面可调整和校准坐标参数及选择降噪效果强弱等参数。
图2为控制系统使用基于FxLMS算法的前馈有源噪声控制示意图。参考传声器(传声器系统中的传声器)拾取的参考信号x(n)经初级路径P(z)传播到误差传声器(传声器系统中的传声器)处时产生初级噪声d(n)，同时x(n)也经控制器W(z)处理后产生信号y(n)由次级源(扬声器)产生次级声后在误差传声器处干涉相消，在不考虑次级源对参考传声器的反馈声时，可以利用经典的最小均方(LeastMeanSquare，LMS)算法调整控制器参数，使得W(z)＝-P(z)/S(z)即可获得降噪效果。实际系统中控制器产生的信号y(n)需要经过次级路径后才能到达误差传声器处，次级路径S(z)主要包括数模(D/A)转换、重构滤波器、功放、扬声器和扬声器与误差传声器之间的声学路径、误差传声器、前置放大、抗混叠滤波器和模数(A/D)转换等。为了补偿次级路径的影响，可以利用次级路径的估计
Figure BDA0002888944840000041
对参考信号x(n)进行滤波得到xf(n)，将xf(n)作为LMS算法的输入，因此称作FxLMS算法。
FxLMS算法的目标是使误差平方期望最小，即：
J(n)＝E[e2(n)] (1-1)
利用瞬时误差平方作为最速下降法中的均方误差的近似即J(n)≈e2(n)，可以得到FxLMS算法中的控制器系数矢量的更新公式为
w(n+1)＝w(n)-μe(n)xf(n) (1-2)
此处，n为时间序号，μ为算法的步长(Step size)，w(n)是第n次更新后的控制器系数矢量。xf(n)是经次级路径估计滤波后的参考信号矢量，其元素为
Figure BDA0002888944840000042
其中，
Figure BDA0002888944840000043
是估计的次级路径
Figure BDA0002888944840000044
的脉冲响应，并假设其为L阶的有限长脉冲响应(Finite Impulse Response，FIR)滤波器，
Figure BDA0002888944840000045
为第l个系数。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种耳廓特征位置自动辨识跟踪的主动降噪装置，其特征在于，包括设置在睡眠区域的识别系统、传声器系统、机电系统、声源系统以及控制系统，所述控制系统分别与所述识别系统、所述传声器系统、所述机电系统以及所述声源系统连接；
所述识别系统用于采集耳廓特征位置；所述传声器系统用于采集声场参数；所述控制系统用于对所述耳廓特征位置以及所述声场参数进行处理，得到外耳坐标和反相位声波信息，并将所述所述外耳坐标和所述反相位声波信息发生至所述机电系统和所述声源系统，所述机电系统控制所述声源系统跟踪耳部位置并输出所述反相位声波以抵消人耳位置的噪声。
2.根据权利要求1所述的耳廓特征位置自动辨识跟踪的主动降噪装置，其特征在于，所述识别系统包括两个摄像头，两个摄像头位于头部上方两侧与水平位置成45度夹角处，分别对焦于左右两侧耳廓位置。
3.根据权利要求2所述的耳廓特征位置自动辨识跟踪的主动降噪装置，其特征在于，两个摄像头固定于睡眠区的支架两侧，与耳部位置距离不小于50cm。
4.根据权利要求1所述的耳廓特征位置自动辨识跟踪的主动降噪装置，其特征在于，所述传声器系统包括两个用于自由声场测量的传声器，两个传声器位于头顶上方30cm，固定于睡眠区头顶上方。
5.根据权利要求1所述的耳廓特征位置自动辨识跟踪的主动降噪装置，其特征在于，所述控制系统集成设置于睡眠区床板两侧。
6.根据权利要求1所述的耳廓特征位置自动辨识跟踪的主动降噪装置，其特征在于，所述控制系统为基于FxLMS算法的前馈有源噪声控制。
7.根据权利要求1所述的耳廓特征位置自动辨识跟踪的主动降噪装置，其特征在于，所述声源系统包括两个扬声器。
8.根据权利要求7所述的耳廓特征位置自动辨识跟踪的主动降噪装置，其特征在于，两个扬声器固定于睡眠区顶部两侧，与头部距离不小于1m。
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