CN113207065B - 一种基于anc前馈拓扑的声学校准器及方法 - Google Patents

一种基于anc前馈拓扑的声学校准器及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113207065B
CN113207065B CN202110504790.7A CN202110504790A CN113207065B CN 113207065 B CN113207065 B CN 113207065B CN 202110504790 A CN202110504790 A CN 202110504790A CN 113207065 B CN113207065 B CN 113207065B
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
acoustic
microphone
calibrator
adaptive filter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110504790.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113207065A (zh
Inventor
曹祖杨
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hangzhou Crysound Electronics Co Ltd
Original Assignee
Hangzhou Crysound Electronics Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hangzhou Crysound Electronics Co Ltd filed Critical Hangzhou Crysound Electronics Co Ltd
Priority to CN202110504790.7A priority Critical patent/CN113207065B/zh
Publication of CN113207065A publication Critical patent/CN113207065A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113207065B publication Critical patent/CN113207065B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R3/00—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R3/04—Circuits for transducers, loudspeakers or microphones for correcting frequency response
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R29/00—Monitoring arrangements; Testing arrangements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Otolaryngology (AREA)
  • Soundproofing, Sound Blocking, And Sound Damping (AREA)

Abstract

本发明提供了一种基于ANC前馈拓扑的声学校准器及方法。声学校准器包括：第一扬声器，提供标准声信号；第一麦克风，录制校准器的内部声音信号，内部声音信号包含第一扬声器提供的标准声信号、第二扬声器的输出信号以及进入校准器内部的环境噪声信号；第二麦克风，用来录制声学校准器外部的环境噪声信号；主动降噪模块，包括自适应算法模块和自适应滤波器，自适应算法模块根据第一麦克风所录制到的内部声音信号和第二麦克风所录制到的环境噪声信号，计算并调整所述自适应滤波器下一时刻的系数，自适应滤波器对第二麦克风的环境噪声信号进行滤波，并根据滤波后的信号调整所述第二扬声器的输出信号，该输出信号用于抵消进入到校准器内部的噪声信号。

Description

一种基于ANC前馈拓扑的声学校准器及方法
技术领域
本发明涉及声学校准器，尤其涉及基于ANC前馈拓扑的声学校准器及方法。
背景技术
声学校准器，是一种能够发出固定频率和固定声压级的，用于声学传感器校准的装置。在校准声学传感器时，以声学校准器发出的声信号为标准，从而来标定声学传感器的灵敏度。实际校准过程中，声学传感器采集到的是声学校准器发出的声信号和环境噪声的叠加。在环境噪声较小时，其影响很小。但是当环境噪声较大时，其影响就不能忽视，会导致声学传感器灵敏度与实际有偏差，最终的结果就是测量结果的偏差。
此外，声学校准器使用的场景复杂多变，有可能在安静的实验室、消声室中使用，也有可能在嘈杂的生产线上、环境噪声明显的监测点等地方使用。
但是目前，所有的声学校准器，都只有被动降噪功能，即通过校准器外壳以及与被校准设备耦合时形成的密闭空间，来实现一定的降噪功能。但是，众所周知，被动降噪对低频的声音衰减能力是很弱的。特别地，500Hz-3kHz的噪声对校准信号的影响是很大，当外部噪声超过85dB时(能量主要集中在500-3kHz)，校准信号会产生0.5-3dB的误差，这会直接导致麦克风的测量准确度差0.5-3dB。如下表为不同大小的外部噪声对麦克风读取校准信号的影响：
外部噪声 校准器发出的实际校准信号的大小 麦克风读取到的校准信号大小
<50dB 94dB 94dB
50dB-70dB 94dB 93.9dB
70dB-90dB 94dB 93.7dB
>90dB 94dB 91.7dB
发明内容
本发明考虑到500-3kHz正是ANC起作用的有效频率范围，其平均降噪深度可以达到30dB以上，因此，即使校准器外部噪声大于90dB，通过ANC降噪，也可以将噪声对校准信号的影响降低到0.3dB以下。因此，本发明开创性地将ANC与声学校准器结合在一起，大大提高了声学校准器对复杂环境的适应度。
本发明提供了一种基于ANC前馈拓扑的声学校准器，所述声学校准器包括：
第一扬声器，用于提供标准声信号；
第一麦克风，用于录制所述声学校准器的内部声音信号，所述内部声音信号包含第一扬声器提供的所述标准声信号、第二扬声器的输出信号以及进入所述声学校准器内部的噪声信号；
第二麦克风，用于录制所述声学校准器外部的环境噪声信号；
主动降噪模块，包括自适应算法模块和自适应滤波器，所述自适应算法模块根据第一麦克风所录制到的内部声音信号和第二麦克风所录制到的环境噪声信号，计算所述自适应滤波器下一时刻的系数，根据下一时刻的系数，所述自适应滤波器模块对第二麦克风的环境噪声信号进行滤波，并根据滤波后的信号调整所述第二扬声器的输出信号，所述输出信号用于抵消进入所述声学校准器内部的噪声信号。
在一个实施例中，第二扬声器的所述输出信号与进入所述声学校准器内部的所述噪声信号的相位相反。
在一个实施例中，还包括微控制器，所述第一麦克风所录制的声音信号反馈给所述微控制器，所述微控制器通过所述声音信号动态调整第一扬声器提供的标准声信号，使该标准声信号的频率稳定在预设频率上，信号大小稳定在第一分贝或第二分别。
在一个实施例中，所述自适应算法模块采用以下方式计算所述自适应滤波器下一时刻的系数：
设当前第n时刻自适应滤波器的系数w(n)为：
w(n)＝[w1(n),w2(n),…,wL(n)]T 公式(1)，
其中，L为所述自适应滤波器的阶数，w1(n),w2(n),…,wL(n)为每一阶的系数；
设n-L+1到n这一时间段所述环境噪声信号x(n)为：
x(n)＝[x(n),x(n-1),…,x(n-L+1)]T 公式(2)，
则根据公式(1)和(2)：
第二扬声器的输出信号为：y'(n)＝xT(n)w(n)*g(n) 公式(3)，
其中g(n)为第二扬声器到被校准传感器的声学传递方程；
所述声学校准器外部的环境噪声信号传递到内部后的噪声信号为：
y(n)＝p(n)*x(n) 公式(4)，
其中p(n)为噪声声源到第一麦克风的声学传递方程；
根据公式(3)和(4)，所述被校准传感器的最终收到的校准信号为：
e(n)＝y(n)-y'(n)，e(n)为误差函数；
根据最小均方误差准则，所述误差函数e(n)平方的期望为：
J(n)＝E[e2(n)] 公式(5)；
当J(n)达到最小时，即自适应滤波器为最优，因此采用梯度下降法来求解所述自适应滤波器下一时刻的系数w(n+1):
w(n+1)＝w(n)+μ(▽J(n)) 公式(6)，其中μ为一常数；
设v(n)＝x(n)*g(n)公式(7)，其中v(n)为自适应算法的中间系数；
根据公式(5)和(7)，得到▽J(n)＝-2E[e(n)v(n)]
设-2e(n)v(n)称为瞬时梯度，因为瞬时梯度是真实梯度的无偏估计，这里使用瞬时梯度代替真实梯度，即:
▽J(n)＝-2E[e(n)v(n)]＝-2e(n)v(n) 公式(8)
根据公式(6)和(8)，则得到所述自适应滤波器下一时刻的系数为w(n+1)＝w(n)-2μe(n)v(n)。
在一个实施例中，还包括功能按键，被配置成短按可将第一扬声器提供的标准声信号在第一分贝和第二分贝之间进行切换；长按可将所述主动降噪模块在开启和关闭之间进行切换。
本发明还提供了一种基于ANC前馈拓扑的声学校准方法，所述方法包括：
采用第一扬声器提供标准声信号；
采用第一麦克风录制声学校准器的内部声音信号，所述内部声音信号包含第一扬声器提供的所述标准声信号、第二扬声器的输出信号以及进入所述声学校准器内部的噪声信号；
采用第二麦克风录制所述声学校准器外部的环境噪声信号；
根据第一麦克风所录制到的内部声音信号和第二麦克风所录制到的环境噪声信号，计算所述声学校准器中的自适应滤波器下一时刻的系数；
根据所述系数，所述自适应滤波器模块对第二麦克风的环境噪声信号进行滤波，根据滤波后的信号调整所述第二扬声器的输出信号，所述输出信号用于抵消进入所述声学校准器内部的噪声信号。
在一个实施例中，第二扬声器的所述输出信号与进入所述声学校准器内部的所述噪声信号的相位相反。
在一个实施例中，所述方法还包括：将所述第一麦克风所录制的声音信号反馈给所述声学校准器内的微控制器，所述微控制器通过所述声音信号动态调整第一扬声器提供的标准声信号，使该标准声信号的频率稳定在预设频率上，信号大小稳定在第一分贝或第二分别。
在一个实施例中，计算所述声学校准器中的自适应滤波器下一时刻的系数包括以下步骤：
设当前第n时刻自适应滤波器的系数w(n)为：
w(n)＝[w1(n),w2(n),…,wL(n)]T 公式(1)，
其中，L为所述自适应滤波器的阶数，w1(n),w2(n),…,wL(n)为每一阶的系数；
设n-L+1到n这一时间段所述环境噪声信号x(n)为：
x(n)＝[x(n),x(n-1),…,x(n-L+1)]T 公式(2)，
则根据公式(1)和(2)：
第二扬声器的输出信号为：y'(n)＝xT(n)w(n)*g(n) 公式(3)，
其中g(n)为第二扬声器到被校准传感器的声学传递方程；
所述声学校准器外部的环境噪声信号传递到内部后的噪声信号为：
y(n)＝p(n)*x(n)公式(4)，
其中p(n)为噪声声源到第一麦克风的声学传递方程；
根据公式(3)和(4)，所述被校准传感器的最终收到的校准信号为：
e(n)＝y(n)-y'(n)，e(n)为误差函数；
根据最小均方误差准则，所述误差函数e(n)平方的期望为：
J(n)＝E[e2(n)] 公式(5)；
当J(n)达到最小时，即自适应滤波器为最优，因此采用梯度下降法来求解所述自适应滤波器下一时刻的系数w(n+1):
w(n+1)＝w(n)+μ(▽J(n)) 公式(6)，其中μ为一常数；
设v(n)＝x(n)*g(n)公式(7)，其中v(n)为自适应算法的中间系数；
根据公式(5)和(7)，得到▽J(n)＝-2E[e(n)v(n)]
设-2e(n)v(n)称为瞬时梯度，因为瞬时梯度是真实梯度的无偏估计，这里使用瞬时梯度代替真实梯度，即:
▽J(n)＝-2E[e(n)v(n)]＝-2e(n)v(n) 公式(8)
根据公式(6)和(8)，则得到所述自适应滤波器下一时刻的系数为w(n+1)＝w(n)-2μe(n)v(n)。
在一个实施例中，所述方法还包括：提供一功能按键，该功能按键被配置成短按可将第一扬声器提供的标准声信号在第一分贝和第二分贝之间进行切换；长按可将所述主动降噪模块在开启和关闭之间进行切换。
附图说明
本发明的以上发明内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是，附图仅作为所请求保护的发明的示例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的元素。
图1示出根据本发明一实施例的基于ANC前馈拓扑的声学校准器的结构框图；
图2示出根据本发明一实施例的自适应算法；
图3示出根据本发明一实施例的基于ANC前馈拓扑的声学校准方法。
具体实施方式
以下在具体实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。
为了克服现有技术中的问题，本发明提供了一种基于ANC前馈拓扑的声学校准器和方法。ANC全称Active Noise Cancellation主动降噪，常用于耳机。
本发明考虑到500-3kHz正是ANC起作用的有效频率范围，其平均降噪深度可以达到30dB以上，因此，即使校准器外部噪声大于90dB，通过ANC降噪，也可以将噪声对校准信号的影响降低到0.3dB以下。因此，本发明开创性地将ANC与声学校准器结合在一起，大大提高了声学校准器对复杂环境的适应度。
图1示出了根据本发明一实施例的基于ANC前馈拓扑的声学校准器的结构框图。该声学校准器包括电源按键101、功能按键102、电池103、LED104、微控制器105、第一麦克风106、第一扬声器107、第二麦克风108、主动降噪模块109以及第二扬声器110。
电源按键101被配置成控制电源的开关。
功能按键102被配置成短按可切换第一扬声器107发声的大小，例如在1kHz频率的94dB/114dB之间切换；长按可切换主动降噪模块109的开启和关闭。
电池103为整个声学校准器供电，同时连接到微控制器105，其电压大小受到微控制器105的监测。当所述电压大小低于一预先设定的电压值时，如果低于一定值，微控制器105令LED104指示低电量。
LED104由微控制器105控制，用于指示主动降噪功能是否开启以及指示低电量。
第一麦克风106用来测量本发明的声学校准器的内部声音信号，该内部声音信号包含了第一扬声器107发出的有效声音(标准声信号)、第二扬声器的输出信号以及进入所述声学校准器内部的噪声信号。第一麦克风106所测的声音信号同时反馈给微控制器105和主动降噪模块109。微控制器105通过这个声音信号动态调整输出，使第一扬声器的声音稳定在预设频率上(例如1kHz)，声音大小稳定在第一分别(例如94dB)或第二分贝(例如114dB)。主动降噪模块109通过这个声音来自动调整算法系数。
第一扬声器107用于提供标准声信号，由微控制器输出驱动，频率固定预设频率上(例如1kHz)，声压级大小可在第一分贝和第二分贝之间切换。在一个实施例中，第一分贝可以为94dB，第二分贝可以为114dB。
主动降噪模块109包括自适应算法模块和自适应滤波器，自适应滤波器用于产生抵消进入校准器内部的噪声信号，调整第二扬声器的输出信号，使该输出信号用于抵消进入到所述声学校准器内部的噪声信号。自适应算法模块用于计算自适应滤波器的系数。具体而言，所述自适应算法模块根据第一麦克风所录制到的内部声音信号和第二麦克风所录制到的环境噪声信号，计算出所述自适应滤波器下一时刻的系数，所述自适应滤波器对第二麦克风的环境噪声信号进行滤波，滤波后的信号激励所述第二扬声器播放一个用于抵消进入到所述声学校准器内部的噪声信号的输出信号。
第二麦克风108用来测量抵达声学校准器外部的环境噪声信号。
第二扬声器110输出与进入到校准器内部噪声信号相位相反的信号，发出抵消环境噪声的声音。
本发明的所有功能主要由微控制器进行控制，电源按键用于整个装置的开启与停止，功能按键用于功能控制，包括ANC的开关，输出声压级在94dB/114dB之间的切换；LED用来指示ANC状态；电池给整个装置供电，同时其电压由微控制器监测，如果低于一定值，将会用LED指示低电量；第一扬声器由微控制器驱动，用于发出标准声信号；第一麦克风采集第一扬声器发出的信号，反馈给微控制器，微控制器根据第一麦克风收到的声音信号大小，调整给第一扬声器的驱动信号大小，从而保持校准声信号的稳定。
本发明的主动降噪模块109采用自适应前馈拓扑。第二麦克风108采集环境噪声信号，输入到主动降噪模块109中的自适应滤波器后，第二扬声器110输出与进入到校准器内部噪声信号相位相反的信号，以抵消环境噪声对有效校准信号的影响，提高了校准器对低频(50-3kHz)声音的降噪能力，减小了校准器对安静环境的依赖，提高了校准过程的准确度。同时，第一麦克风106会采集第一扬声器107和被校准传感器之间的信号，同时配合第二麦克风108采集到的环境噪声信号，通过主动降噪模块109中的自适应算法模块，来计算自适应滤波器的系数，从而动态调整自适应滤波器的系数来改变第一扬声器播放的声信号，来提高ANC功能的降噪能力。
在一个实施例中，参考图2，首先假设从噪声声源到校准器装置内部第一麦克风106的声学传递方程为P(z)，校准器装置内部第二扬声器110到被校准传感器的声学传递方程为G(z)。第二麦克风108采集环境噪声信号x(n)，其在频域上表达为X(z)，第二扬声器110输出与进入到校准器内部的噪声信号相位相反的信号y'(n)。y(n)是环境噪声信号进入到装置内部后的噪声声音。G'(z)为第二麦克风到自适应滤波器之间的传递方程。
第二麦克风108录制环境噪声信号，将录制的环境噪声输入至自适应滤波器W(z)滤波之后，旋转180度，用第二扬声器110播放(从第二扬声器110到被校准传感器的路径，相当与经过G(z)传递)，第二扬声器110播放的声音y'(n)用以抵消环境噪声传递进入装置后对有效校准信号的影响。从而提高了校准器对低频(50-3kHz)声音的降噪能力，减小了校准器对安静环境的依赖，提高了校准过程的准确度。
由于环境噪声的来源方向不同，因此W(z)是需要动态变化，因此用第一麦克风106录制到的音频作为误差进行反馈到自适应算法模块，来计算自适应滤波器的系数(这里指的是下一时刻的系数，当前时刻的系数是已知的)，从而动态调整W(z)来改变第二扬声器110的播放的声信号，从而来获得有更强环境适应性的降噪功能。
自适应算法模块采用以下方式计算所述自适应滤波器下一时刻的系数。
设当前第n时刻自适应滤波器的系数w(n)为：
w(n)＝[w1(n),w2(n),…,wL(n)]T 公式(1)，
其中，L为所述自适应滤波器的阶数，w1(n),w2(n),…,wL(n)为每一阶的系数；
设n-L+1到n这一时间段所述环境噪声信号x(n)为：
x(n)＝[x(n),x(n-1),…,x(n-L+1)]T 公式(2)，
则根据公式(1)和(2)：
第二扬声器的输出信号为：y'(n)＝xT(n)w(n)*g(n) 公式(3)，
其中g(n)为第二扬声器到被校准传感器的声学传递方程；
所述声学校准器外部的环境噪声信号传递到内部后的噪声信号为：
y(n)＝p(n)*x(n) 公式(4)，
其中p(n)为噪声声源到第一麦克风的声学传递方程；
根据公式(3)和(4)，所述被校准传感器的最终收到的校准信号为：
e(n)＝y(n)-y'(n)，e(n)为误差函数；
根据最小均方误差准则，所述误差函数e(n)平方的期望为：
J(n)＝E[e2(n)] 公式(5)；
当J(n)达到最小时，即自适应滤波器为最优，因此采用梯度下降法来求解所述自适应滤波器下一时刻的系数w(n+1):
w(n+1)＝w(n)+μ(▽J(n)) 公式(6)，其中μ为一常数；
设v(n)＝x(n)*g(n)公式(7)，其中v(n)为自适应算法的中间系数；
根据公式(5)和(7)，得到▽J(n)＝-2E[e(n)v(n)]
设-2e(n)v(n)称为瞬时梯度，因为瞬时梯度是真实梯度的无偏估计，这里使用瞬时梯度代替真实梯度，即:
▽J(n)＝-2E[e(n)v(n)]＝-2e(n)v(n) 公式(8)
根据公式(6)和(8)，则得到所述自适应滤波器下一时刻的系数为w(n+1)＝w(n)-2μe(n)v(n)。
在一个实施例中，自适应算法模块可采用FxLMS算法(Filtered-x LMS)。
图3示出了根据本发明一实施例的基于ANC前馈拓扑的声学校准方法流程图。该流程图包括：
采用第一扬声器提供标准声信号(301)；
采用第一麦克风录制声学校准器的内部声音信号，所述内部声音信号包含第一扬声器提供的所述标准声信号、第二扬声器的输出信号以及进入所述声学校准器内部的噪声信号(302)；
采用第二麦克风录制所述声学校准器外部的环境噪声信号(303)；
根据第一麦克风所录制到的内部声音信号和第二麦克风所录制到的环境噪声信号，计算所述声学校准器中的自适应滤波器下一时刻的系数(304)；
根据所述系数，所述自适应滤波器模块对第二麦克风的环境噪声信号进行滤波，根据滤波后的信号调整所述第二扬声器的输出信号，所述输出信号用于抵消进入所述声学校准器内部的噪声信号(305)。
在一个实施例中，第二扬声器的所述输出信号与进入所述声学校准器内部的噪声信号的相位相反。
在一个实施例中，所述方法还包括：将所述第一麦克风所录制的声音信号反馈给所述声学校准器内的微控制器，所述微控制器通过所述声音信号动态调整第一扬声器提供的标准声信号，使该标准声信号的频率稳定在预设频率上，信号大小稳定在第一分贝或第二分别。
在一个实施例中，计算所述声学校准器中的自适应滤波器下一时刻的系数包括以下步骤：
设当前第n时刻自适应滤波器的系数w(n)为：
w(n)＝[w1(n),w2(n),…,wL(n)]T 公式(1)，
其中，L为所述自适应滤波器的阶数，w1(n),w2(n),…,wL(n)为每一阶的系数；
设n-L+1到n这一时间段所述环境噪声信号x(n)为：
x(n)＝[x(n),x(n-1),…,x(n-L+1)]T 公式(2)，
则根据公式(1)和(2)：
第二扬声器的输出信号为：y'(n)＝xT(n)w(n)*g(n) 公式(3)，
其中g(n)为第二扬声器到被校准传感器的声学传递方程；
所述声学校准器外部的环境噪声信号传递到内部后的噪声信号为：
y(n)＝p(n)*x(n) 公式(4)，
其中p(n)为噪声声源到第一麦克风的声学传递方程；
根据公式(3)和(4)，所述被校准传感器的最终收到的校准信号为：
e(n)＝y(n)-y'(n)，e(n)为误差函数；
根据最小均方误差准则，所述误差函数e(n)平方的期望为：
J(n)＝E[e2(n)] 公式(5)；
当J(n)达到最小时，即自适应滤波器为最优，因此采用梯度下降法来求解所述自适应滤波器下一时刻的系数w(n+1):
w(n+1)＝w(n)+μ(▽J(n)) 公式(6)，其中μ为一常数；
设v(n)＝x(n)*g(n)公式(7)，其中v(n)为自适应算法的中间系数；
根据公式(5)和(7)，得到▽J(n)＝-2E[e(n)v(n)]
设-2e(n)v(n)称为瞬时梯度，因为瞬时梯度是真实梯度的无偏估计，这里使用瞬时梯度代替真实梯度，即:
▽J(n)＝-2E[e(n)v(n)]＝-2e(n)v(n) 公式(8)
根据公式(6)和(8)，则得到所述自适应滤波器下一时刻的系数为w(n+1)＝w(n)-2μe(n)v(n)。
在一个实施例中，所述方法还包括：提供一功能按键，该功能按键被配置成短按可将第一扬声器提供的标准声信号在第一分贝和第二分贝之间进行切换；长按可将所述主动降噪模块在开启和关闭之间进行切换。
本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或下面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，或将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。
这里采用的术语和表述方式只是用于描述，本发明并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征，应认识到可能存在的各种修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换也可能存在。相应的，权利要求应视为覆盖所有这些等效物。
同样，需要指出的是，虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种基于ANC前馈拓扑的声学校准器，其特征在于，所述声学校准器包括：
第一扬声器，用于提供标准声信号；
第一麦克风，用于录制所述声学校准器的内部声音信号，所述内部声音信号包含第一扬声器提供的所述标准声信号、第二扬声器的输出信号以及进入所述声学校准器内部的噪声信号；
第二麦克风，用于录制所述声学校准器外部的环境噪声信号；
主动降噪模块，包括自适应算法模块和自适应滤波器，所述自适应算法模块根据第一麦克风所录制到的内部声音信号和第二麦克风所录制到的环境噪声信号，计算所述自适应滤波器下一时刻的系数，根据下一时刻的系数，所述自适应滤波器模块对第二麦克风的环境噪声信号进行滤波，并根据滤波后的信号调整所述第二扬声器的输出信号，所述输出信号用于抵消进入所述声学校准器内部的噪声信号。
2.如权利要求1所述的基于ANC前馈拓扑的声学校准器，其特征在于，第二扬声器的所述输出信号与进入所述声学校准器内部的所述噪声信号的相位相反。
3.如权利要求1所述的基于ANC前馈拓扑的声学校准器，其特征在于，还包括微控制器，所述第一麦克风所录制的声音信号反馈给所述微控制器，所述微控制器通过所述声音信号动态调整第一扬声器提供的标准声信号，使该标准声信号的频率稳定在预设频率上，信号大小稳定在第一分贝或第二分贝 。
4.如权利要求1所述的基于ANC前馈拓扑的声学校准器，其特征在于，所述自适应算法模块采用以下方式计算所述自适应滤波器下一时刻的系数：
设当前第n时刻自适应滤波器的系数w(n)为：
w(n)＝[w1(n),w2(n),…,wL(n)]T公式(1)，
其中，L为所述自适应滤波器的阶数，w1(n),w2(n),…,wL(n)为每一阶的系数；
设n-L+1到n这一时间段所述环境噪声信号x(n)为：
x(n)＝[x(n),x(n-1),…,x(n-L+1)]T 公式(2)，
则根据公式(1)和(2)：
第二扬声器的输出信号为：y'(n)＝xT(n)w(n)*g(n) 公式(3)，
其中g(n)为第二扬声器到被校准传感器的声学传递方程；
所述声学校准器外部的环境噪声信号传递到内部后的噪声信号为：
y(n)＝p(n)*x(n) 公式(4)，
其中p(n)为噪声声源到第一麦克风的声学传递方程；
根据公式(3)和(4)，所述被校准传感器的最终收到的校准信号为：
e(n)＝y(n)-y'(n)，e(n)为误差函数；
根据最小均方误差准则，所述误差函数e(n)平方的期望为：
J(n)＝E[e2(n)] 公式(5)；
当J(n)达到最小时，即自适应滤波器为最优，因此采用梯度下降法来求解所述自适应滤波器下一时刻的系数w(n+1):
w(n+1)＝w(n)+μ(▽J(n)) 公式(6)，其中μ为一常数；
设v(n)＝x(n)*g(n) 公式(7)，其中v(n)为自适应算法的中间系数；
根据公式(5)和(7)，得到▽J(n)＝-2E[e(n)v(n)]
设-2e(n)v(n)称为瞬时梯度，因为瞬时梯度是真实梯度的无偏估计，这里使用瞬时梯度代替真实梯度，即:
▽J(n)＝-2E[e(n)v(n)]＝-2e(n)v(n) 公式(8)
根据公式(6)和(8)，则得到所述自适应滤波器下一时刻的系数为w(n+1)＝w(n)-2μe(n)v(n)。
5.如权利要求3所述的基于ANC前馈拓扑的声学校准器，其特征在于，还包括功能按键，被配置成短按可将第一扬声器提供的标准声信号在第一分贝和第二分贝之间进行切换；长按可将所述主动降噪模块在开启和关闭之间进行切换。
6.一种基于ANC前馈拓扑的声学校准方法，其特征在于，所述方法包括：
采用第一扬声器提供标准声信号；
采用第一麦克风录制声学校准器的内部声音信号，所述内部声音信号包含第一扬声器提供的所述标准声信号、第二扬声器的输出信号以及进入所述声学校准器内部的噪声信号；
采用第二麦克风录制所述声学校准器外部的环境噪声信号；
根据第一麦克风所录制到的内部声音信号和第二麦克风所录制到的环境噪声信号，计算所述声学校准器中的自适应滤波器下一时刻的系数；
根据所述系数，所述自适应滤波器模块对第二麦克风的环境噪声信号进行滤波，根据滤波后的信号调整所述第二扬声器的输出信号，所述输出信号用于抵消进入所述声学校准器内部的噪声信号。
7.如权利要求6所述的基于ANC前馈拓扑的声学校准方法，其特征在于，第二扬声器的所述输出信号与进入所述声学校准器内部的所述噪声信号相位相反。
8.如权利要求6所述的基于ANC前馈拓扑的声学校准方法，其特征在于，还包括：
将所述第一麦克风所录制的声音信号反馈给所述声学校准器内的微控制器，所述微控制器通过所述声音信号动态调整第一扬声器提供的标准声信号，使该标准声信号的频率稳定在预设频率上，信号大小稳定在第一分贝或第二分贝 。
9.如权利要求6所述的基于ANC前馈拓扑的声学校准方法，其特征在于，计算所述声学校准器中的自适应滤波器下一时刻的系数包括以下步骤：
设当前第n时刻自适应滤波器的系数w(n)为：
w(n)＝[w1(n),w2(n),…,wL(n)]T 公式(1)，
其中，L为所述自适应滤波器的阶数，w1(n),w2(n),…,wL(n)为每一阶的系数；
设n-L+1到n这一时间段所述环境噪声信号x(n)为：
x(n)＝[x(n),x(n-1),…,x(n-L+1)]T 公式(2)，
则根据公式(1)和(2)：
第二扬声器的输出信号为：y'(n)＝xT(n)w(n)*g(n) 公式(3)，
其中g(n)为第二扬声器到被校准传感器的声学传递方程；
所述声学校准器外部的环境噪声信号传递到内部后的噪声信号为：
y(n)＝p(n)*x(n) 公式(4)，
其中p(n)为噪声声源到第一麦克风的声学传递方程；
根据公式(3)和(4)，所述被校准传感器的最终收到的校准信号为：
e(n)＝y(n)-y'(n)，e(n)为误差函数；
根据最小均方误差准则，所述误差函数e(n)平方的期望为：
J(n)＝E[e2(n)] 公式(5)；
当J(n)达到最小时，即自适应滤波器为最优，因此采用梯度下降法来求解所述自适应滤波器下一时刻的系数w(n+1):
Figure FDA0003057965720000041
其中μ为一常数；
设v(n)＝x(n)*g(n) 公式(7)，
其中v(n)为自适应算法的中间系数；
根据公式(5)和(7)，得到
Figure FDA0003057965720000042
设-2e(n)v(n)称为瞬时梯度，因为瞬时梯度是真实梯度的无偏估计，这里使用瞬时梯度代替真实梯度，即:
Figure FDA0003057965720000043
根据公式(6)和(8)，则得到所述自适应滤波器下一时刻的系数为w(n+1)＝w(n)-2μe(n)v(n)。
10.如权利要求6所述的基于ANC前馈拓扑的声学校准方法，其特征在于，还包括：
提供一功能按键，该功能按键被配置成短按可将第一扬声器提供的标准声信号在第一分贝和第二分贝之间进行切换；长按可将主动降噪模块在开启和关闭之间进行切换。
CN202110504790.7A 2021-05-10 2021-05-10 一种基于anc前馈拓扑的声学校准器及方法 Active CN113207065B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110504790.7A CN113207065B (zh) 2021-05-10 2021-05-10 一种基于anc前馈拓扑的声学校准器及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110504790.7A CN113207065B (zh) 2021-05-10 2021-05-10 一种基于anc前馈拓扑的声学校准器及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113207065A CN113207065A (zh) 2021-08-03
CN113207065B true CN113207065B (zh) 2022-04-12

Family

ID=77030501

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110504790.7A Active CN113207065B (zh) 2021-05-10 2021-05-10 一种基于anc前馈拓扑的声学校准器及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113207065B (zh)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9325821B1 (en) * 2011-09-30 2016-04-26 Cirrus Logic, Inc. Sidetone management in an adaptive noise canceling (ANC) system including secondary path modeling
CN107864444A (zh) * 2017-11-01 2018-03-30 大连理工大学 一种麦克风阵列频响校准方法
CN108810746A (zh) * 2018-07-27 2018-11-13 歌尔科技有限公司 一种音质优化方法、反馈降噪系统、耳机及存储介质
CN108900943A (zh) * 2018-07-24 2018-11-27 四川长虹电器股份有限公司 一种场景自适应主动降噪方法及耳机
CN109587618A (zh) * 2018-11-22 2019-04-05 清华大学苏州汽车研究院（相城） 一种主动降噪系统稳定性测试方法及测试系统
CN109769060A (zh) * 2019-02-02 2019-05-17 吉林大学 一种手机主动降噪装置及方法
CN111935589A (zh) * 2020-09-28 2020-11-13 深圳市汇顶科技股份有限公司 主动降噪的方法、装置、电子设备和芯片
CN112037752A (zh) * 2020-09-08 2020-12-04 珠海格力电器股份有限公司 家电设备降噪方法、装置、计算机设备和存储介质
CN212785763U (zh) * 2020-06-30 2021-03-23 歌尔科技有限公司 降噪装置及耳机

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8693700B2 (en) * 2011-03-31 2014-04-08 Bose Corporation Adaptive feed-forward noise reduction

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9325821B1 (en) * 2011-09-30 2016-04-26 Cirrus Logic, Inc. Sidetone management in an adaptive noise canceling (ANC) system including secondary path modeling
CN107864444A (zh) * 2017-11-01 2018-03-30 大连理工大学 一种麦克风阵列频响校准方法
CN108900943A (zh) * 2018-07-24 2018-11-27 四川长虹电器股份有限公司 一种场景自适应主动降噪方法及耳机
CN108810746A (zh) * 2018-07-27 2018-11-13 歌尔科技有限公司 一种音质优化方法、反馈降噪系统、耳机及存储介质
CN109587618A (zh) * 2018-11-22 2019-04-05 清华大学苏州汽车研究院（相城） 一种主动降噪系统稳定性测试方法及测试系统
CN109769060A (zh) * 2019-02-02 2019-05-17 吉林大学 一种手机主动降噪装置及方法
CN212785763U (zh) * 2020-06-30 2021-03-23 歌尔科技有限公司 降噪装置及耳机
CN112037752A (zh) * 2020-09-08 2020-12-04 珠海格力电器股份有限公司 家电设备降噪方法、装置、计算机设备和存储介质
CN111935589A (zh) * 2020-09-28 2020-11-13 深圳市汇顶科技股份有限公司 主动降噪的方法、装置、电子设备和芯片

Also Published As

Publication number Publication date
CN113207065A (zh) 2021-08-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10708682B2 (en) Auto-calibrating noise canceling headphone
EP3720144A1 (en) Headset with active noise cancellation
US5937070A (en) Noise cancelling systems
EP2182510B2 (en) Active noise control arrangement, active noise control headphone and calibration method
JP5114611B2 (ja) ノイズ制御システム
CN114846819A (zh) 用于个人音频设备诊断的方法、装置和系统
US8670571B2 (en) Frequency control based on device properties
CN111133505A (zh) 声学设备中的并行主动降噪(anr)和穿过收听信号流路径
EP2629289B1 (en) Feedback active noise control system with a long secondary path
CN105814627A (zh) 有源噪声控制系统
JP2010513987A (ja) 近接場ベクトル信号増幅
US20080247560A1 (en) Audio output device
WO2008151970A8 (en) Online anti-feedback system for a hearing aid
US11862140B2 (en) Audio system and signal processing method for an ear mountable playback device
JP2004163875A (ja) フィードバック能動型ノイズ防止回路およびヘッドホン
CN109313889A (zh) 缓解主动噪声控制系统中的不稳定状况
KR20210149857A (ko) 액티브 노이즈 소거 시스템들 및 방법들을 위한 윈드 노이즈 억제
US20150358708A1 (en) Noise cancellation microphones with shared back volume
CN1886782A (zh) 有效消除噪音的助听器
US20170127171A1 (en) Noise reduction system
CN113207065B (zh) 一种基于anc前馈拓扑的声学校准器及方法
WO2009081189A1 (en) Calibration of a noise cancellation system by gain adjustment based on device properties
US7227957B2 (en) Noise-suppressing receiver
GB2526945A (en) Noise cancellation microphones with shared back volume
WO2021063688A1 (en) Audio system and signal processing method for an ear mountable playback device

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB02 Change of applicant information

Address after: 311121 building 3, No.10 Xianqiao Road, Zhongtai street, Yuhang District, Hangzhou City, Zhejiang Province

Applicant after: Hangzhou Zhaohua Electronics Co.,Ltd.

Address before: 31-1 Xianxing Road, Xianlin Industrial Park, Yuhang District, Hangzhou City, Zhejiang Province

Applicant before: CRY SOUND CO.,LTD.

CB02 Change of applicant information
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant