CN203870969U - 一种家用有源降噪器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种家用有源降噪器，该家用有源降噪器包括用于接收初级声源并输出参考信号的参考信号发射器；用于接收降噪点附近声源信号并输出误差信号的误差信号发射器；用于对参考信号以及误差信号进行处理并产生输出信号的自适应处理主机；用于接收自适应处理主机发出的输出信号并发出可与初级声源相消的次级声源的扬声器，所述自适应处理主机的输出信号经功率放大器输送至扬声器；所述参考信号发射器、自适应处理主机及误差信号发射器内均设置有用于无线通信的无线模块。该降噪器在无需关闭门窗的情况下即可实现良好的降噪功效，并且可高保真无线通信，避免了有线通信的凌乱，不影响居室的美观。

Description

一种家用有源降噪器

技术领域

本实用新型涉及一种家用电器，具体涉及一种用于降低室内噪音的家用降噪器。

背景技术

在繁华的城市或者便利的交通要道附近，噪声日益成为环境污染的一大公害，一直困扰着人们。研究表明，噪声在55～60dB范围，会使人感到烦恼，在60～65dB范围，会使烦恼度大大增加，在65dB以上，则人体健康可能受到危害。噪声影响人们的身心健康、损伤听力及相关系统、降低工作效率，严重的甚至造成安全事故。 

人们对高品质家庭生活进行着不懈追求，希望日益进步的科技水平带给人们一个更加宁静和舒适的新时代，消除噪声，营造一个环保、安静的家庭环境从而对人们正常的工作、学习和生活产生极大意义。

现在普遍使用吸声、隔声、声学阻尼处理等来降低噪声的方法，这些方法的控制机理在于通过噪声声波与声学材料或者声学结构的相互作用消耗声波能量来达到降低噪声的目的，称之为无源消声法。在家庭中降低外界噪声所采用关窗户的方法就是一种无源消声法。无源消声法普遍存在以下问题：

1、家庭中长期关窗户空气得不到自然流通，呼吸不到外界的新鲜空气不符合人们追求高品质生活的要求，人们期盼的是沐浴在自然的新鲜空气中，过着绿色、环保的家庭生活；

2、低频（尤其是200Hz以下）噪声穿透力强，一般需要体积庞大的防护材料，即使这样，低频噪声防护也很困难。

与人们日常生活密切相关的噪声却大多以低频噪声为主, 如家用电器中空调和冰箱等产生的噪声，居室外汽车、城铁或飞机等交通工具经过时产生的噪声，这就迫使人们在对其控制上另辟蹊径, 近几年发展起来的利用自适应信号处理技术进行有源消声(adaptive active noise cancellation) 的方法，为噪声控制开辟了一条新的道路。有源噪声控制通过某种手段在指定空间产生与噪声源在该处噪声幅值相等而相位相反的次级声源，使之与噪声源叠加最终达到消减噪声的目的。十九世纪80年代以后，自适应滤波理论得到充分的发展，这种滤波器的“自适应”特性能够自动跟踪系统变化，因此其可以应用于随时间而变化的噪声控制系统中，构成自适应有源噪声控制系统。自适应滤波器按照某种事先设定的准则，由自适应算法调节其本身的系统特性以达到所需要的输出要求。

家庭实际环境中的噪声源(初级声源) 特性及声空间的物理参数(如温度、气流速度等)经常随时间发生变化， 若要实现较好的降噪效果，有源噪声控制器的传递函数必须是时变的，也就是要求控制器是自适应的。将自适应滤波技术应用于有源噪声控制，是目前有源噪声控制技术研究的热点。

自适应有源噪声控制能解决无源噪声控制的缺点，但是由于自适应有源噪声控制系统是一种电控制系统，因此各部件之间通过电线连接，以确立信号的通信，电线的布置会给日常起居生活带来不便，且非常凌乱。

实用新型内容                     

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种家用有源降噪器，该降噪器在无需关闭门窗的情况下即可实现良好的降噪功效，并且避免了凌乱的电线即可实现信号的通信。

为解决上述技术问题，本实用新型所述家用有源降噪器包括

用于接收初级声源并输出参考信号的参考信号发射器；

用于接收降噪点附近声源信号并输出误差信号的误差信号发射器；

用于对参考信号以及误差信号进行处理并产生输出信号的自适应处理主机；

用于接收自适应处理主机发出的输出信号并发出可与初级声源相消的次级声源的扬声器，所述自适应处理主机的输出信号经功率放大器输送至扬声器； 

所述参考信号发射器、自适应处理主机及误差信号发射器内均设置有用于无线通信的无线模块。

进一步地，所述参考信号发射器内还设有用于处理初级声源的立体声音频编解码器，且该立体声音频编解码器与设置在参考信号发射器内的无线模块电连接，所述参考信号发射器由充电电池供电。

所述自适应处理主机内还设有立体声音频编解码器和数字信号处理器，依次与设置在自适应处理主机内的无线模块电连接，所述主机由AC/DC模块电源供电。

所述误差信号发射器内还设有立体声音频编解码器，该立体声音频编解码器与设置在误差信号发射器内的无线模块电连接，该误差信号发射器由充电电池供电。

进一步地，所述立体声音频编解码器采用TLV320AIC23芯片或SPCE061A单片机。

进一步地，所述数字信号处理器采用FPGA、TMS6455或TS201。

进一步地，所述扬声器为若干个点源喇叭（即声源范围局限于空间点的传统电动扬声器），该家用有源降噪器为多通道控制系统。

或，所述扬声器为平板扬声器，平板扬声器连接有低音音响，该家用有源降噪器为单通道控制系统。

本实用新型采用上述技术方案后，具有以下优点：

1、本实用新型是在家庭居室窗户打开的情况下使用，使家庭居室降噪得到安静环境的同时能使居室内外空气自然流通；

2、本实用新型相对于无源消声器可以更加有效地降低低频噪声；

3、本实用新型采用无线通信方式，能在家庭居室内50米距离内稳定、高保真地通信，克服有线通信带来的不便。

4、本实用新型的扬声器可以采用点源喇叭或平板扬声器，当采用平板扬声器时，由平板扬声器发出平面声源信号，扩大降噪空间，因此本实用新型采用平板扬声器时无需增加通道数，但与多通道有源降噪器具有同样的降噪效果，且成本低下。

5、采用平板扬声器时，配合低音音响，可以弥补平板扬声器低频（80kHz以下）响应灵敏度低的缺点，且频率越低的音响指向性越差，越接近于低频平面波。

6、采用平板扬声器时，本实用新型在家庭中使用不会破坏原有的装修，隐蔽性好，甚至还能为家庭居室增加美观和装饰，比如平板扬声器可以风景画、十字绣等形式悬挂在墙上，参考信号发射器等可以与花瓶等物件融合，其美观度极佳。

附图说明

附图1为本实用新型的控制原理示意图；

附图2窗户外的噪声时域波形图；

附图3为自适应滤波后输出的次级声源时域波形图；

附图4为噪声对消后误差传感器处误差信号的均方归一化时域波形图；

附图5为本实用新型的结构示意图。

图中标号：1-参考信号发射器；2-误差信号发射器；3-扬声器；4-自适应处理主机；5-功率放大器 ；1＇-参考信号传感器；2＇-误差信号传感器；4＇-有源自适应噪声控制器。

具体实施方式

考虑到现有家庭无源噪声控制如关窗户等导致新鲜空气不自然流通，本实用新型旨在提供一种自适应有源噪声控制方案，其中图1为自适应有源噪声控制原理图，来自家庭居室窗户外的噪声作为初级声源通过打开的窗户进入室内（如图1中左侧箭头所示），在靠近窗户附近的参考信号传感器1＇接收到初级声源，参考信号送入到自适应有源噪声控制器4＇，通过相应的自适应数字信号处理算法后自适应有源噪声控制器4＇产生输出信号送往功率放大器5，经过功率放大器5驱动后达到一定功率的电信号驱动扬声器3发出相应功率的声波作为次级声源，在空间同一点次级声源和初级声源幅度可比拟，相位近似相差180°，次级信号与初级噪声产生相消干涉,从而使该区域内的噪声得以降低，根据误差传感器2＇得到的信号通过自适应算法调节自适应滤波器的系数，使误差传感器2＇处的噪声信号最小。

从图1可以看出，有源自适应噪声控制器4＇中的自适应控制模块是整个系统的核心，其中自适应控制模块算法的好坏决定消声的效果和效率。普通最小均方（LMS）误差算法是根据参考信号和误差信号调整输出信号产生次级声源，使误差传感器处的声波能量最小来达到消声的目的。普通LMS算法具有计算简单和易于实现的特点，从而成为应用最普遍的算法之一，但其受梯度噪声影响大，收敛速度慢。为加快系统收敛速度和满足实时性要求，本实用新型采用归一化LMS算法。具体来说，其权值调整遵循以下式子：

y(n)=W^T(n)X(n)

W(n+1)=W(n)+αe(n)X(n)/(r+X^T (n)X(n))

式中，X(n)是初级声源信号，y(n)是次级声源信号，W(n)是要调整的权值，e(n)是误差信号，α的取值在0～2之间，（本实用新型取0.005）而r是一个较小的数(本实用新型取0.001)，用来保证当X^T (n)X(n)的值很小时，权值的变化量不会太大。

图2、图3和图4为采用归一化LMS算法进行家庭居室降噪的仿真波形图。图2是窗户外的噪声时域波形图，图3是自适应滤波后输出的次级声源时域波形图，图4是噪声对消后误差传感器处误差信号的均方归一化时域波形图。从图2至图4可以看出噪声对消后均方误差即噪声的能量经过200次左右的调整收敛后降噪效果明显。

如图1以及图2至图4所示都是针对空间一个点来进行降噪的，为单通道系统，即在该单通道系统中仅包含一个次级声源和一个误差传感器，从图2至图4可以看出降噪效果确实比较明显。 

本实用新型的实施例1：

参考图5所示，本实用新型所述家用有源降噪器包括

用于接收初级声源并输出参考信号的参考信号发射器1；

用于接收降噪点附近声源信号并输出误差信号的误差信号发射器2；

用于对参考信号以及误差信号进行处理并产生输出信号的自适应处理主机4；

用于接收自适应处理主机4发出的输出信号并发出可与初级声源相消的次级声源的扬声器3，所述自适应处理主机4的输出信号经功率放大器5输送至扬声器3，扬声器3采用若干个点源喇叭（即传统电动扬声器），该家用有源降噪器为多通道控制系统。

参考信号发射器1、误差信号发射器2实际均为一种传感器。 

所述参考信号发射器1、自适应处理主机4和误差信号发射器2内均设有用于无线通信的无线模块。

所述参考信号发射器1内还设有用于处理初级声源的立体声音频编解码器，且该立体声音频编解码器与设置在参考信号芯片发射器1内的无线模块电连接，所述参考信号芯片发射器1由充电电池供电。

所述自适应处理主机4内还设有立体声音频编解码器和数字信号处理器，依次与设置在主机4内的无线模块电连接，所述自适应处理主机4由AC/DC模块电源供电。

所述误差信号发射器2内还设有立体声音频编解码器，该立体声音频编解码器与设置在误差信号发射器2内的无线模块电连接，该误差信号发射器2由充电电池供电。

本实用新型所述立体声音频编解码器应同时具有AD、DA和麦克风信号调理电路，内置有抗混叠模拟滤波器，具有对数字信号滤波的数字低通滤波器，可以对DA输出的模拟信号进行驱动放大。具体可以采用TI公司，即德州仪器 ，Texas Instruments推出的一款高性能立体声音频编解码器TLV320AIC23芯片或台湾凌阳科技有限公司生产的SPCE061A单片机（SPCE061A单片机采样率低，数字量位数少，本实施例采用TLV320AIC23芯片。）。

本实用新型所述数字信号处理器采用FPGA以及其他一些高性能DSP（digital singnal processor，数字信号处理器），比如TMS6455或TS201。其中FPGA高性能信号处理器（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列；TMS6455是TI公司生产的一种高性能DSP；TS201为美国ADI公司生产的一种高性能DSP。本实施例采用FPGA数字信号处理器。

以上无线模块采用无线单片机。

作为家庭居室内使用的降噪器必须要有一定的降噪空间，而多通道系统包含两个以上的次级声源和误差传感器。多通道系统可以扩大消声空间，提高降噪量，但随着通道数的增多，控制器设计的复杂程度将大幅度增加，具体到某一个例可能是这些分类的组合，如自适应反馈控制系统。其成本大幅度增加，难以大规模进入千家万户。

本实用新型的实施例2：

为解决实施1成本高的问题，并考虑到作为初级声源来自家庭居室窗户外的噪声近似为平面波，利用平板扬声器近似为平面声源的特点，将图1中的扬声器不用普通的点源喇叭而改用如图5所示的平板扬声器3，可以将单通道有源降噪器的消声空间扩大，满足家庭用户的需要。为了解决平板扬声器3对于低频（80kHz以下）响应灵敏度低的缺点，给该平板扬声器3配一个主要发出低频信号（80Hz以下）的低音音响，该低音音响通过分频器与平板扬声器3电连接。平板扬声器技术已经成熟，市场上有现成的产品。平板扬声器表面可以根据居室环境或个人喜好贴上各种风景画，在家庭居室墙上挂上贴有风景画的平板扬声器不会破坏居室的环境，特别对于那些装修比较豪华的居室可以保持居室的色彩协调，使居室内显得美观、典雅。

其余结构同实施例1，不再赘述。

实施例2的具体控制过程如下：

参考信号发射器1放置在开着窗户的窗台上，从窗户外面来的噪声由驻极体电容式麦克风转换成电信号送往设置在其内的TLV320AIC23芯片，该芯片内部集成了驻极体电容式麦克风的偏置电压和缓冲器，同时高度集成了模拟电路功能，可以将麦克风输出的微弱电信号调理到A/D转换器输入信号的要求。TLV320AIC23芯片中的模数与数模转换器使用了多比特sigma-delta工艺，并在内部集成了高采样率的数字内插滤波器。该器件的数字传输字长可以是16、20、24、32bit，它支持8～96kHz的采样率。在本实用新型中A/D的采样率设置为48kHz，数字量设置为16位，这样设置可以保证所采集到的参考信号数字量高保真。TLV320AIC23芯片中集成的数字内插滤波器对A/D转换器输出的数字信号进行数字滤波以DSP模式从数字音频接口输出。该芯片的功率消耗小于23mW，用充电电池可以长时间工作。参考信号发射器1上电后无线单片机初始化程序通过TLV320AIC23芯片的控制接口将TLV320AIC23设置为主设备工作模式，这样上电后TLV320AIC23芯片就会对参考信号以设定的参数要求进行连续采样，源源不断地将参考信号的数字量通过数字音频接口以DSP模式输出到无线单片机的数字I/O口。无线单片机将跟TLV320AIC23的数字音频接口相连的数字I/O口设置为跟TLV320AIC23的数字音频接口DSP模式相兼容的工作方式，这样无线单片机将TLV320AIC23的数字音频接口输出的数字量输入到片内集成的射频发射电路通过天线发射出去。参考信号发射器1的电路安装在一个花瓶里，发射天线2厘米长，卷在花瓶里，花瓶插入一束塑料花，麦克风隐藏在塑料花中，充电插头在花瓶底可收缩。误差信号发射器2与参考信号发射器1电路和安装结构完全一样，唯一不同的是无线单片机设置的发射频率与参考信号发射器1不一样，这是为了防止两者发射信号互相干扰。误差信号发射器2放在家庭室内需要消噪声要求最高的地方，例如需要卧室内床上的噪声最低，那么就将误差信号发射器2放在床头柜上，这样床上的噪声最低，家庭人员可以在床上安然熟睡而不受窗外噪声影响，同时开着窗户让室内外空气可以自然流通。

家用有源降噪器的自适应处理主机4中的无线单片机接收到参考信号发射器1和误差信号发射器2发射来的信号，接收到的数字信号源源不断地送往FPGA高性能数字信号处理器（FPGA，Field－Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列），在FPGA中采用归一化LMS算法进行自适应数字信号处理运算，根据参考信号和误差信号产生输出数字信号送往TLV320AIC23，芯片内的D/A转换器将产生相应的模拟信号，该模拟信号送往带功率放大器5的平板扬声器，平板扬声器作为次级平面声源发声，从而与从窗户外来的噪声相互抵消而将室内噪声降低。FPGA的主频为100MHz，从而保证自适应数字信号处理有足够收敛速度，随着外界噪声的变化能快速自动调整参数从而产生相应的次级声源。自适应处理主机4的电路安装在平板扬声器的背面，作为一个整体将平板扬声器3挂在靠近窗户的墙上，辐射面朝向室内。平板扬声器3及自适应处理主机4电路由AC/DC供电，AC/DC由墙上的市电插座提供。由于平板扬声器3的低频响应灵敏度不够高，因此该平板扬声器还设置了一个低音音响，该低音音响通过分频器与平板扬声器3电连接。

FPGA高性能数字信号处理器中的高性能数字信号处理算法对于窗户外面各种噪声快速、超稳定地自适应收敛，尤其对于窗外运动的汽车、城铁和飞机等交通工具产生的噪声能快速、高效地抵消。

只要安装正确，本实用新型家用有源降噪器在开窗户的情况下能将家庭室内噪声降低20～30dB，从而创造一个安静、环保的家庭环境。

不管是实施例1还是实施例2，均采用了无线通信的方式，能在家庭居室内50米距离内稳定、高保真地通信，克服有线通信带来的不便。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种家用有源降噪器，其特征在于：

该家用有源降噪器包括 

用于接收初级声源并输出参考信号的参考信号发射器（1）；

用于接收降噪点附近声源信号并输出误差信号的误差信号发射器（2）；

用于对参考信号以及误差信号进行处理并产生输出信号的自适应处理主机（4）；

用于接收自适应处理主机（4）发出的输出信号并发出可与初级声源相消的次级声源的扬声器（3），所述自适应处理主机（4）的输出信号经功率放大器（5）输送至扬声器（3）； 

所述参考信号发射器（1）、自适应处理主机（4）及误差信号发射器（2）内均设置有用于无线通信的无线模块。

2.根据权利要求1所述的家用有源降噪器，其特征在于：

所述参考信号发射器（1）内还设有用于处理初级声源的立体声音频编解码器，且该立体声音频编解码器与设置在参考信号发射器（1）内的无线模块电连接，所述参考信号发射器（1）由充电电池供电。

3.根据权利要求1所述的家用有源降噪器，其特征在于：

所述自适应处理主机（4）内还设有立体声音频编解码器和数字信号处理器，依次与设置在自适应处理主机（4）内的无线模块电连接，所述自适应处理主机（4）由AC/DC模块电源供电。

4.根据权利要求1所述的家用有源降噪器，其特征在于：

所述误差信号发射器（2）内还设有立体声音频编解码器，该立体声音频编解码器与设置在误差信号发射器（2）内的无线模块电连接，该误差信号发射器（2）由充电电池供电。

5.根据权利要求2、3或4所述的家用有源降噪器，其特征在于：

所述立体声音频编解码器采用TLV320AIC23芯片或SPCE061A单片机。

6.根据权利要求3所述的家用有源降噪器，其特征在于：

所述数字信号处理器采用FPGA、TMS6455或TS201。

7.根据权利要求1所述的家用有源降噪器，其特征在于：

所述扬声器（3）为若干个点源喇叭，该家用有源降噪器为多通道控制系统。

8.根据权利要求1所述的家用有源降噪器，其特征在于：

所述扬声器（3）为平板扬声器，平板扬声器连接有低音音响，该家用有源降噪器为单通道控制系统。