TWI407430B - 音波抑制裝置及其方法 - Google Patents

Description

音波抑制裝置及其方法

本揭示內容是有關於一種發聲裝置及方法，且特別是有關於一種以反相音波抑制噪音之裝置及方法。

噪音在現代社會中是非常嚴重且難以避免的一種環境污染。噪音的來源非常的多樣，如人聲喧嘩、商業活動、工業生產、宗教慶典、交通運輸等，所以要減少噪音源是非常困難的一件事情。然而，當噪音值超過了一定的值，會對人體的健康造成威脅，導致精神壓力、使人表現不友善、引致高血壓、失眠甚至失聰。

因此，為了有效的阻隔噪音，人們會在建築物中設計一些可阻隔噪音的設備，如氣密窗、可吸音的建築材料等。但是這些方法往往不能完全阻隔所有的噪音，當噪音的分貝過大時，建築物內的人還是會受到影響。且人們為了要阻隔噪音就必須關上窗戶，而無法讓室內空氣流通，這也是非常擾人的一個問題。

另，在網球比賽過程中，有些選手為了提升氣勢，常常會發出相當大的吼叫，吼叫的音量有時高達80、90分貝，甚至大於100分貝，嚴重影響對方選手的情緒。雖然主辦單位已提出嚴重的警告，但某些選手還是無法改善已經養成的吼叫習慣。

因此，本揭示內容是在提供一種音波抑制裝置，用以消除建築物外圍的噪音污染，使人們在室內時，不易受外界噪音干擾。

依據本揭示內容之一實施方式，提供一種音波抑制裝置，包含至少一第一接收器、至少一處理器以及至少一播放器。第一接收器用以接收至少一預設方向之音波訊號。處理器用以將音波訊號轉換成一電訊號。播放器用以將電訊號轉為一反相音波訊號，並朝預設方向播出反相音波訊號，以抵消音波訊號。

值得一提的是，音波抑制裝置更包含一第二接收器，位於第一接收器及該播放器間，用以接收一剩餘音波訊號，並傳送至處理器，而處理器可接收剩餘音波訊號，並透過反饋手段產生反相剩餘電訊號。

當應用在一開放空間時，接收器的數量為複數個，而各個接收器分別接收不同預設方向之音波訊號，且可在經由複數個播放器或可轉向之播放器將轉換後之反相音波訊號朝各個預設方向播放，使不同角度之音波訊號皆可被抵消。藉此，更可減低建築物外圍的噪音污染。

另，依據本揭示內容之另一實施方式，提供一種音波抑制方法，其包含以下步驟：接收至少一預設方向之音波訊號。將音波訊號轉換成一電訊號。將電訊號轉換成一反相音波訊號。朝預設方向播出反相音波訊號，以抵消音波訊號。

另，可接收音波訊號及反相音波訊號相互抵消後之一剩餘音波訊號。將剩餘音波訊號轉換成剩餘電訊號後，再轉換成反相音波訊號，並與反相音波訊號疊加，朝預設方向播出，以抵消剩餘音波訊號。藉此，可完全消除噪音的干擾。

請參照第1圖，其繪示依照本揭示內容一實施方式的一種音波抑制裝置之結構示意圖。本實施方式之音波抑制裝置100包含一第一接收器110、一處理器120、一播放器130以及一第二接收器140。

第一接收器110為一音波感測器，如麥克風等，其用來接收噪音源200所發出的音波訊號f₁ ，音波訊號f₁ 之波形公式可表示如下：

f₁ (t )=Re{A₁ (t)e ^{jθ ( t )} }

而音波訊號f₁ 通過第一接收器110後，會持續前進一段距離d₁ 。當音波訊號f₁ 前進至使用者希望噪音被抵消的預設位置時，音波訊號f₁ 會因環境條件等因素而衰減為f₂ ，其衰減後的波形公式如下：

f₂ (t +Δt )=αRe{A₁ (t)e ^{jθ ( t )} }

其中，Δt 為音波訊號由第一接收器前進d₁ 的時間，而α為衰減係數。

處理器120為一數位訊號處理器(Digital Signal Processor,DSP)，其可將第一接收器110所接收到音波訊號f₁ 轉換為電訊號。處理器120內預設有第一接收器110及使用者希望噪音被抵消的預設位置間的距離d₁ 。因此，處理器120已可由d₁ 及音波訊號的速度v計算Δt ，而產生一反相電訊號。

播放器130為一揚聲器，其可接收處理器120所傳送之反相電訊號，並將反相電訊號轉換成一反相音波訊號f_sp ，並播出該反相音波訊號f_sp ，其中f_sp 波形公式如下：

f _sp (t +Δt )=βRe{A _sp (t )e ^{jθ ( t +Δ t )} }

藉此，由播放器130所發出之反相音波訊號f_sp 可與噪音源200所發出之音波訊號f₁ 相互抵消。

但，在訊號傳遞、處理器120轉換訊號的過程中，或是外在環境因素的影響下，往往會造成時間上的誤差t _c ，以致於反相音波訊號f_sp 無法完全將音波訊號消除。

因此，第二接收器140即用以解決前述問題。第二接收器140架設於第一接收器110及播放器130間。確切地說，第二接收器140設置在使用者欲消除噪音的位置。第二接收器140亦為音波感測器，如麥克風等，其用來接收反相音波訊號與音波訊號抵消後之剩餘音波訊號。

當剩餘音波訊號不為零時，表示反相音波訊號並沒有把音波訊號完全抵消。第二接收器140接收到剩餘音波訊號後，將其傳送至處理器120中，由處理器120將剩餘音波訊號轉換成反相剩餘電訊號，並傳送至播放器130。播放器130會將反相剩餘電訊號轉成反相剩餘音波訊號，並將其與反相音波訊號疊加而播放出去。藉此，音波訊號可完全被抵消。

由上述可知，在抵消噪音源200所產生的音波訊號過程中，必須滿足下列公式條件：

其中，d₂ 為第二接收器140與播放器130間的距離。換言之，音波訊號從第一接收器110傳至第二接收器140的時間，必須大於或等於音波訊號由第二接收器140傳至播放器130的時間及訊號傳遞和處理器轉換訊號的誤差時間t _c 的和。且處理器120利用反饋的手段，反覆的接收第二接收器140所傳來的剩餘音波訊號，並轉換成反相剩餘電訊號，使播放器130可將反相音波訊號及反相剩餘音波訊號疊加並播出。藉此，滿足此條件並配合處理器120的反饋手段，噪音源200的音波訊號才能完全被抵消。

另，當本實施方式之音波抑制裝置應用在建築物外圍時，噪音可能不會來自於單一方向，而是從四面八方傳來。因此，第一接收器110及第二接收器140可為多向接收器，其可用來接收不同預設方向噪音源200之音波訊號，而播放器130可為一可轉向播放器，其可依照不同預設方向的噪音源200，適當的轉向並播出可抵消該噪音源200音波訊號之反相音波訊號。藉此，人們更可隔絕建築物外的噪音干擾。從另一個角度來說，本實施方式之音波抑制裝置亦可裝設於建築物對外的窗口處，則建築物外部多處噪音源可基於音波繞射原理自動整合為一個窗口噪音源，以利本實施方式之音波抑制裝置對其進行固定方向的抑制。

請參照第2圖，其繪示依照本揭示內容另一實施方式的一種音波抑制裝置之結構示意圖。本實施方式之音波抑制裝置300包含複數個第一接收器110、處理器120、複數個播放器130以及複數個第二接收器140，其中音波抑制裝置300可運用在建築物外牆，用來阻隔建築物周圍的噪音源200所發出的聲響。

各個第一接收器110可同時接收不同方向噪音源200所產生的音波訊號，並且透過處理器120分別將不同噪音源200的音波訊號轉換成電訊號。處理器120中預設有第一接收器110及使用者希望噪音值為零的預設位置間的距離d₁ 。因此，處理器120可利用音波訊號的速度v及d₁ 計算出音波訊號到達使用者希望噪音值為零的預設位置的時間Δt ，並將電訊號轉換成反相電訊號，且分別傳送至各個播放器130。播放器130將反相電訊號轉換成反相音波訊號，並朝各個噪音源200播放。藉此，噪音源200所發出的音波訊號會被反相音波訊號抑制而消失。

但，在訊號傳遞的過程及外在環境因素影響下，會有時間誤差，導致反相音波訊號無法完全抵銷音波訊號。因此，在使用者欲使噪音值為零的預設位置架設第二接收器140。當音波訊號沒有完全被反相音波訊號抵銷，而產生剩餘音波訊號時，第二接收器140會接收剩餘音波訊號，並再次經由處理器120轉換成一反相剩餘電訊號，並傳遞至播放器130，使播放器130將反相音波訊號與反相剩餘音波訊號疊加並播出。藉此，可在第二接收器140的位置完全將噪音源200發出的音波訊號抵銷，使建築物內的人們完全不受噪音干擾。

請參照第3圖，其繪示依照第2圖實施方式應用在網球場上之應用示意圖。本實施方式之音波抑制裝置300裝設在網球網400的兩端。

當網球比賽的過程中，雙方選手410發出吼叫時，裝設在網球網400兩端的音波抑制裝置300可接收選手410吼叫聲的音波，且發出反相音波來抵銷選手的吼叫聲，使選手410不會聽到對方吼叫的聲音。藉此，雙方選手410仍可在比賽中發出吼叫聲，但又不會相互影響。此外，為了不讓反相音波變成新的噪音源，播放器130可為音束撥放器，以提供具有高度方向性之反相音波訊號。

請參照第4圖，其繪示依照本揭示內容又一實施方式的一種音波抑制方法之步驟流程圖。本音波抑制方法包含以下步驟：步驟500接收預設方向之音波訊號，其可同時接收多個不同預設方向的音波訊號。步驟510將前述所接收到的音波訊號轉換成電訊號。步驟520將電訊號轉換成反相音波訊號。步驟530朝預設方向播出反向音波訊號，以抵銷音波訊號。藉此，達到抑制噪音的目的。

但在訊號轉換的過程中，往往會因外在環境因素或訊號傳遞的時間差，導致誤差而無法將噪音完全消除。因此，步驟540接收剩餘音波訊號，其中剩餘音波訊號即為音波訊號及反向音波訊號相互抵銷後的殘餘音波。步驟550將剩餘音波訊號轉換為剩餘電訊號。步驟560將剩餘電訊號轉換為反相剩餘音波訊號。步驟570將反向剩餘音波訊號與反向音波訊號疊加，並朝預設方向播出，以抵銷剩餘音波訊號。其中，當同時從多個預設方向接收多個音波訊號時，亦可相對地朝播出多個反向音波訊號。藉此，可完全將噪音源發出之音波訊號完全消除，且同時抵銷來自多個方向的噪音，而使人們不會受干擾。

由上述實施方式可知，應用本音波抑制裝置有下列優點：

1.由於處理器透過反饋的手段，可重複地利用尚未被消除的剩餘音波訊號，轉成反相剩餘電訊號，並供播放器反相的音波疊加並播出，使噪音可完全被抵銷，而不會有殘留的雜音。

2.應用在建築物外圍時，可同時針對不同方向的噪音源執行噪音抑制。這對於座落於吵雜都市中的建築物，尤其是對於工業區周圍的住宅大樓特別有幫助，可有效阻隔工廠內機具長時間所發出的噪音污染。且當人們欲將窗戶打開使室內空氣流通時，亦不會受到噪音的干擾。

3.當上述音波抑制裝置應用在網球場上，比賽仍可正常進行，但雙方選手的吼叫會受音波抑制裝置的抵銷，而不會因吼叫聲而相互干擾。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．音波抑制裝置

110．．．第一接收器

120．．．處理器

130．．．播放器

140．．．第二接收器

200．．．噪音源

300．．．音波抑制裝置

400．．．網球網

410．．．選手

500-570．．．步驟

為讓本揭示內容之上述和其他目的、特徵、優點與實施方式能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖係繪示依照本揭示內容一實施方式的一種音波抑制裝置之結構示意圖。

第2圖係繪示依照本揭示內容另一實施方式的一種音波抑制裝置之結構示意圖。

第3圖係繪示依照第2圖實施方式應用在網球場上之應用示意圖。

第4圖係繪示依照本揭示內容又一實施方式的一種音波抑制方法之步驟流程圖。

100．．．音波抑制裝置

110．．．第一接收器

120．．．處理器

130．．．播放器

140．．．第二接收器

200．．．噪音源

Claims (16)

1. 一種音波抑制裝置，包含：至少一第一接收器，係用以接收至少一預設方向之音波訊號；至少一處理器，係用以將該音波訊號轉換成一電訊號，並將該電訊號轉換成一反相電訊號；至少一播放器，係用以將該反相電訊號轉為一反相音波訊號，並朝該預設方向播出該反相音波訊號，以抵消音波訊號；以及至少一第二接收器，係位於欲使音波為零之預設位置，用以接收該反相音波訊號與該音波訊號抵消後之一剩餘音波訊號；其中該處理器可接收該剩餘音波訊號，並透過反饋手段產生一反相剩餘電訊號，且該播放器可接收該反相剩餘電訊號，且將其與該反相音波訊號疊加並朝該預設方向播出，以抵消該音波訊號。
2. 如請求項1所述之音波抑制裝置，其中該第一接收器之數量為複數個，且該些接收器分別接收不同預設方向之音波訊號。
3. 如請求項1所述之音波抑制裝置，其中該第一接收器為多向接收器，其用以接收不同預設方向之音波訊號。
4. 如請求項2或3所述之音波抑制裝置，其中該播放器為可轉向播放器，用以朝不同的預設方向播出反相音波訊號，以抵消該些音波訊號。
5. 如請求項4所述之音波抑制裝置，其中該第二接收器之數量為複數個，其分別用以接收各個該第一接收器及該播放器間之剩餘音波訊號。
6. 如請求項2或3所述之音波抑制裝置，其中該播放器之數量為複數個，且各個播放器分別朝向不同的預設方向播出反相音波訊號，以抵消該些音波訊號。
7. 如請求項6所述之音波抑制裝置，其中該第二接收器之數量為複數個，其分別用以接收各個該第一接收器及各個該播放器間之剩餘音波訊號。
8. 如請求項1所述之音波抑制裝置，其中該第一接收器之數量為複數個，且該些接收器分別接收不同預設方向之音波訊號。
9. 如請求項1所述之音波抑制裝置，其中該第一接收器為多向接收器，其用以接收不同預設方向之音波訊號。
10. 如請求項8或9所述之音波抑制裝置，其中該播放 器為可轉向播放器，用以朝不同的預設方向播出反相音波訊號，以抵消該些音波訊號。
11. 如請求項8或9所述之音波抑制裝置，其中該播放器之數量為複數個，且各個播放器分別朝向不同的預設方向播出反相音波訊號，以抵消該些音波訊號。
12. 如請求項1所述之音波抑制裝置，其中該處理器為數位訊號處理器(Digital Signal Processor,DSP)。
13. 一種音波抑制方法，其包含以下步驟：接收至少一預設方向之音波訊號；將該音波訊號轉換成一電訊號；將該電訊號轉換成一反相音波訊號；朝該預設方向播出該反相音波訊號，以抵消該音波訊號；接收該音波訊號及該反相音波訊號相互抵消後之一剩餘音波訊號；將該剩餘音波訊號轉換成一剩餘電訊號；將該剩餘電訊號轉換成一反相剩餘音波訊號；以及將該反相剩餘音波訊號與該反相音波訊號疊加，並朝該預設方向播出，以抵消該剩餘音波訊號。
14. 如請求項13所述之音波抑制方法，更包括同時接收複數個預設方向之音波訊號。
15. 如請求項14所述之音波抑制方法，更包括分別朝該些預設方向播出反相音波訊號，以抵消該音波訊號。
16. 如請求項15所述之音波抑制方法，更包括分別接收該些音波訊號及該些反相音波訊號間的剩餘音波訊號。