CN113990284A - 建筑物室内噪音主动式降噪减震方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种建筑物室内噪音主动式降噪减震方法，在建筑物的玻璃窗上设置主动式降噪减震结构，主动式降噪减震结构，包括：一个麦克风或者震动感应器，用于拾取玻璃震动信号；麦克风或震动传感器放置在玻璃窗的外部；一个ANC电路，用于产主一个和震动信号相反相位的反噪音信号；一个磁致伸缩平面喇叭驱动器，用于将反噪音信号输出，反相作用到玻璃上。本发明隔音式室内可以安静下来，闹中取静，消除室内空间的噪声污染，防玻璃窗窃听，不用安装昂贵的多层玻璃，就能达到隔音，降低成本，可以用于已有的玻璃窗，不用换新的多层隔音玻璃，比室内用喇叭的主动降噪技术更便宜，效果更好。

Description

建筑物室内噪音主动式降噪减震方法

技术领域

本发明涉及主动降噪技术领域，具体涉及一种建筑物室内噪音主动式降噪减震方法。

背景技术

主动降噪(Active Noise Cancellation),简称ANC，该技术已经发明了30多年了。近年来主动降噪技术被广泛的应用在封闭式头戴耳机中。这些耳机一般和耳朵或者耳道形成紧密密封的小空间中，通过喇叭播放出一种和噪音信号反相的声音信号，把空间噪音信号抵消掉，达到消除噪音的目的，这就是主动消噪技术。

主动消噪技术也被有限的应用到汽车座舱中，因为汽车内也是封闭的小空间，主动降噪技术可以在驾驶员和乘客头部位置有限的降低一些噪音。但是在普通的大空间，比如室内，火车内，飞机内，在较大的空间内普遍的降低噪音，靠前述主动降噪技术成本很高，而且效果不佳。业界尚未有大规模的建筑物室内主动降噪产品出现。

本发明正是要解决这个棘手的问题。现代城市化的生活便利和娱乐社交需求，导致人们越来越集中的居住在闹市中。但是闹市中人口密度高，交通拥挤，居住条件狭小，高楼大厦林立，往往非常靠近繁忙的高速公路和主要街道公路。城市中的噪音污染非常严重。如何降低和消除噪音污染，提供人们一个闹中取静的生活空间，是提高人们城市生活品质的一个关键点。假如我们能够实现室内大空间里的主动降噪，白天可以提供给大人孩子一个安静的读书工作环境，晚上也可以帮助老人和市民一个安静的睡眠环境。市场上必将对这样的产品有广泛的需求。

目前的主动消噪技术有几个局限性。第一是对封闭的小空间比较有效，对大空间效果不佳。第二通常对开放漏风的空间，主动消噪效果会大大的减少。

通常的主动降噪技术，都是通过喇叭在某个空间点放出反相噪音，用于抵消此空间点的噪音，达到在此空间点静音的效果。但是由于室内空间比较大，各个空间点的噪音各不相同，较难通过主动消噪方法消除噪音。

发明内容

本发明的目的是提供一种建筑物室内噪音主动式降噪减震方法。是为了解决现代建筑物室内空间的消噪静音问题，用的方法是采取主动消噪(ANC)的方法。建筑物的隔音消噪，一般可以通过采用隔声材料作为墙体，阻断噪音穿透墙壁。这又叫被动消噪方法。但是在窗户的地方这种隔声就不管用了，玻璃窗会随着噪音振动而振动，把噪音传递进室内来。加装多层玻璃，两层甚至三层玻璃，并把玻璃之间抽真空，或填充进惰性气体，可以减少噪音的穿透，达到良好的隔音效果。但是这种玻璃比较昂贵，较少采用。另外，这种玻璃窗隔音被动隔音的方法，一般对中高频噪音比较有效，对低音无效。所以低音振动，比如汽车的声音，仍然会通过玻璃窗穿透进来。对城市内楼宇的隔音帮助不大。

本发明利用玻璃窗的这一特点，利用主动降噪ANC的方法，使用紧贴玻璃窗的震动和声音传感器感知噪音导致的玻璃振动，然后用平板喇叭驱动器对玻璃施加反相的声波，使玻璃的振动大幅度减弱，从而达到阻断噪音穿透玻璃窗的难题。

本项主动降噪方法，不同于传统的空间声场主动消噪。我们转换思路，找出噪音进入室内的源头，在漏音最大的玻璃窗上做ANC，消除玻璃的振动，从而达到阻绝噪音向室内传播的目的。

本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种建筑物室内噪音主动式降噪减震方法，在建筑物的玻璃窗上设置主动式降噪减震结构，主动式降噪减震结构，包括：

一个麦克风或者震动感应器，用于拾取玻璃震动信号；麦克风或震动传感器放置在玻璃窗的外部；

一个ANC电路，用于产主一个和震动信号相反相位的反噪音信号；

一个磁致伸缩平面喇叭驱动器，用于将反噪音信号输出，反相作用到玻璃上。

进一步的，所述ANC电路使用数字信号处理器或专用ANC处理硬件将噪声信号映射到窗户上实际产生的震动频率响应，再通过平面喇叭驱动器播出反相的震动信号来抵消玻璃窗的声波震动。

进一步的，所述专用ANC处理硬件为线性滤波电路。

进一步的，所述主动式降噪减震结构还包括一个设置于玻璃窗的内侧的麦克风或者震动感应器。

进一步的，所述ANC电路使用数字信号处理器或专用ANC处理硬件将噪声信号映射到玻璃窗实际产生的震动频率响应，再通过平板喇叭驱动器播出反相的震动信号来抵消玻璃窗的声波震动，外部的麦克风监测噪音信号，同时用内侧麦克风随时监测消噪效果的误差信号，利用这两个信号自适应的调节主动降噪滤波电路。

进一步的，所述专用ANC处理硬件为采用自适应归一化最小均方NLMS滤波电路。

与现有技术相比，本发明一种建筑物室内噪音主动式降噪减震方法的有益效果是：

1)隔音式室内可以安静下来，闹中取静。

2)消除室内空间的噪声污染。

3)防玻璃窗窃听。

4)不用安装昂贵的多层玻璃，就能达到隔音，降低成本。

5)可以用于已有的玻璃窗，不用换新的多层隔音玻璃。

6)比室内用喇叭的主动降噪技术更便宜，效果更好。

附图说明

图1是磁致伸缩平面喇叭驱动器的结构示意图。

图2是磁致伸缩平面喇叭驱动器的使用状态示意图。

图3是主动消噪原理示意图。

图4是前馈消噪的原理示意图。

图5是混合反馈消噪的原理示意图。

图6是自适应归一化最小均方NLMS滤波电路的原理示意图。

具体实施方式

建筑物室内噪音主动式降噪减震方法，在建筑物的玻璃窗上设置主动式降噪减震结构，主动式降噪减震结构，包括：

一到二个麦克风或者震动感应器，用于拾取玻璃震动信号；

一个ANC电路，用于产主一个和震动信号相反相位的反噪音信号；

一个磁致伸缩的平面喇叭驱动器，用于将反噪音信号输出，反相作用到玻璃上。

这个ANC电路可以由模拟电路实现，也可以由数字电路实现。假如由数字电路实现，整个系统的延迟必须很小，在微秒量级。

如图1和图2，平面喇叭驱动器是一种高输出功率的，由磁致伸缩材料制成的驱动器，把这个驱动器紧贴在玻璃或者其他平板的表面，通过驱动器的振动，带动整个平面玻璃表面的震动，从而把整个平面变成一个喇叭的振膜，输出声音。这样整个平板(玻璃或其他材质)就是一个喇叭。由于这个喇叭的振膜面积巨大，它输出的声音分布比较均匀，整个玻璃平面不同位置的声音强度都差不多。而且由于这个喇叭的驱动很小，且可以藏在背后，人们可能不会注意到他是个喇叭，所以他是个所谓的“无形喇叭”，“隐藏式喇叭”。

本发明的原理是通过麦克或者震动感应器拾取玻璃震动信号，通过反相滤波器产主一个和震动信号相反相位的反噪音信号，再通过平面喇叭驱动输出，反相作用到玻璃上，抵消掉因为噪音产生的玻璃震动，给玻璃“减震”“消噪”。这样玻璃就不会振动产生声音，也就阻绝了玻璃作为噪音漏进来的通道，使噪音消失在窗户玻璃上，不让它传播到室内空间里来。

这种方法的好处，是不需要在室内空间，通过喇叭产生的反相声源进行空间声学消噪。因为室内空间比较大，很难在一个大空间里在所有的空间点上都通过反相声源主动消噪，而且在大空间里主动消噪喇叭的声场也不好控制。所以在大空间采取声场主动消噪的方法，是事倍功半的事。

相反，我们的方法是去寻找噪音传入室内的源头，玻璃窗，用主动消噪减震的方法抵消掉玻璃窗的震动，这样也就在噪音传入的入口处，就把噪音消灭掉了，不会让噪音传导进室内空间。

因为现代的建筑就是隔声的木材支架或者钢筋水泥的材料制成，一般都有很好的隔声性能。噪音很少能通过墙壁传入室内。同时现代建筑的密封性比较好，一般漏风漏气的地方都被堵死了，也不会让噪音传导进来。所以一般噪音只有通过建筑物的“开口”，比如窗或者门才会传入室内。这样我们只要在噪音的入口通过主动消噪，消除掉玻璃的震动，就可以把噪音屏蔽在窗户之外，让窗户成为一个隔绝噪音的屏幕。

这个主动降噪装置应该在每一块玻璃上都要安装一个，才能把每一块玻璃的震动消除掉。同样，本发明装置也不局限于应用在玻璃窗上，也可以用在任何噪音容易进入的开口平面上，比如门，或者单薄的不隔音的墙面。

主动消噪的原理如图3所示。简单来说，就是通过一个反相声源，去抵消掉噪音。

想要产生用于抵消噪声的声波，首先要得到噪声的信息才可以。主动降噪装置设有反馈麦克风用于采集环境中的噪声信号。这里有一个先后顺序的问题：先采集噪声，但是要与噪声同时产生抵消音才能够降噪。所以处理器会根据噪声进行预测，预测出下一时刻噪声的情况，并产生相应抵消声波。

为了保证降噪质量，还需要一个反馈麦克风用来检测所合成后的噪声是否真的变小了。这时处理器会根据这个反馈麦克风测量到的结果，对处理过程进行调整从而进一步降低合成后的噪声音量，这叫做自适应过程。好比处理器变聪明了，能够根据消噪的效果不断调整自己，以达到最佳降噪效果。

下面要分别讨论各个不同的主动消噪的具体方法和电路。

实施例1

前馈消噪，如图4所示。

前馈技术的噪声捕捉麦克风或震动传感器放置14在玻璃窗11的外部。前馈ANC电路13使用数字信号处理器(DSP)或专用ANC处理硬件(一般是线性滤波电路)将噪声信号映射到窗户上实际产生的震动频率响应，再通过平面喇叭驱动器12播出反相的震动信号来抵消玻璃窗的声波震动。ANC滤波器必须事先经过测试调试，才能确保此映射正确适用于最大噪声消除。

实施例2

混合反馈消噪，如图5所示。

混合主动降噪提供了两全其美的优势。它结合了前馈和反馈麦克风以及处理以涵盖所有情况，以此提供最佳的主动消噪效果。混合ANC电路33使用数字信号处理器(DSP)或专用ANC处理硬件(一般是自适应归一化最小均方NLMS滤波电路)将噪声信号映射到玻璃窗31实际产生的震动频率响应，再通过平板喇叭驱动器32播出反相的震动信号来抵消玻璃窗的声波震动。玻璃窗内外各设有一个麦克风或者震动感应器，它用外部的麦克风或者震动感应器34监测噪音信号，同时用内侧麦克风或者震动感应器35随时监测消噪效果的误差信号，利用这两个信号自适应的调节主动降噪滤波电路，达到最佳的消噪效果。

ANC算法一般是采用自适应归一化最小均方NLMS滤波电路，如图6所示。

本技术发明的创新点：

1)通过玻璃窗实现室内大空间主动消噪，在噪音进屋子入口处薄弱环节消噪，以此隔绝噪音的进入，从根本上解决室内噪音问题，而不是等到噪音已经进来了以后再进行声学主动消噪，那样的难度要大得多。我们这种主动消噪方法是创新点，没有人用过。

2)利用磁致伸缩材料做成平面喇叭驱动，用平面喇叭驱动来给窗户玻璃减震。这种方法也没有人用过。以前一般人们有用这种平面喇叭来放音乐或作为一般音频喇叭来用的，还没有人用它来做主动消噪的。

3)玻璃窗主动消噪，本质上是一种隔音技术，阻断玻璃窗作为声音的传播口和路径。所以它不仅能让外面的声音穿不进来，也能让里面的声音传不出去。它就象一道无形的声幕，声幕打开以后声音就无法传播通过了。此技术不仅可以用于室内降噪，还可以用来做隔音室防窃听。比如加装此技术的玻璃窗，外面就很难远程通过激光反射提取室内人讲话导致的玻璃窗的微小震动，所以也就能防窃听。

4)此技术隔音，但是不隔光，玻璃窗对光线还是通透的，例外都能看见。它和传统的窗帘不一样，传统的窗帘是隔光不隔声。和深色变色或者贴膜玻璃也不一样，那些都不隔音。

本发明的有益效果包括：

1)隔音式室内可以安静下来，闹中取静。

2)消除室内空间的噪声污染。

3)防玻璃窗窃听。

4)不用安装昂贵的多层玻璃，就能达到隔音，降低成本。

5)可以用于已有的玻璃窗，不用换新的多层隔音玻璃。

6)比室内用喇叭的主动降噪技术更便宜，效果更好。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.建筑物室内噪音主动式降噪减震方法，其特征在于：在建筑物的玻璃窗上设置主动式降噪减震结构，主动式降噪减震结构，包括：

一个麦克风或者震动感应器，用于拾取玻璃震动信号；麦克风或震动传感器放置在玻璃窗的外部；

一个ANC电路，用于产主一个和震动信号相反相位的反噪音信号；

一个磁致伸缩平面喇叭驱动器，用于将反噪音信号输出，反相作用到玻璃上。

2.根据权利要求1所述的一种建筑物室内噪音主动式降噪减震方法，其特征在于：所述ANC电路使用数字信号处理器或专用ANC处理硬件将噪声信号映射到窗户上实际产生的震动频率响应，再通过平面喇叭驱动器播出反相的震动信号来抵消玻璃窗的声波震动。

3.根据权利要求2所述的一种建筑物室内噪音主动式降噪减震方法，其特征在于：所述专用ANC处理硬件为线性滤波电路。

4.根据权利要求1所述的一种建筑物室内噪音主动式降噪减震方法，其特征在于：所述主动式降噪减震结构还包括一个设置于玻璃窗的内侧的麦克风或者震动感应器。

5.根据权利要求4所述的一种建筑物室内噪音主动式降噪减震方法，其特征在于：所述ANC电路使用数字信号处理器或专用ANC处理硬件将噪声信号映射到玻璃窗实际产生的震动频率响应，再通过平板喇叭驱动器播出反相的震动信号来抵消玻璃窗的声波震动，外部的麦克风监测噪音信号，同时用内侧麦克风随时监测消噪效果的误差信号，利用这两个信号自适应的调节主动降噪滤波电路。

6.根据权利要求5所述的一种建筑物室内噪音主动式降噪减震方法，其特征在于：所述专用ANC处理硬件为采用自适应归一化最小均方NLMS滤波电路。

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