TWI584268B - 一種機器人室內噪聲控制系統 - Google Patents
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Description
本發明涉及聲音領域，尤其涉及一種機器人對室內的低頻噪聲控制系統。
噪聲污染是一個全世界都十分關注的環境問題，過量的環境噪聲對人的生理和心理健康都會造成一定的影響；高噪聲環境會對人們的聽力和身體健康造成嚴重的損害；而一般噪聲則會對人們日常工作與生活造成一定的影響。據統計，噪聲污染對全球範圍內約70%以上的城市居民造成不同程度的危害。而作爲發展中國家，中國噪聲污染對人民的影響更爲突出。以家用電器爲主要噪聲源的室內低頻噪聲已經成爲不可忽視的噪聲源。實際監測表明：家用電冰箱爲35~50分貝，洗衣機爲50~70分貝，電風扇爲55~70分貝，吸塵器爲60~80分貝，家庭影院可以達到60~80分貝。由於現代人的生活和工作時間大多數是在室內度過，室內噪聲污染會影響到人的心理狀况，導致聽覺、神經系統及內分泌系統出現病變，持續的室內噪聲會對人們的日常生活造成較大的危害。
傳統降噪技術的主要方法包括吸聲處理、隔音處理和使用消聲器。吸聲處理包括使用吸聲材料或吸聲結構來吸取聲能，從而降低噪聲强度。但吸聲材料主要指多孔吸聲材料，其吸聲係數隨聲波頻率增加而增大，達到極大值後略降再回升，到高頻時起伏變化就不再明顯；中低頻的吸聲還隨著多孔材料的厚度增加而增加，但厚度對高頻聲波的吸收不顯著。隔聲處理主要包括隔聲罩和隔聲屏兩種，隔聲罩的隔聲性能總體遵循質量控制規律，但在應用上需要更多地考慮通風、散熱、耐蝕、耐熱、設備維修等問題。消聲處理中的抗性消聲器能夠較好地降低低頻噪聲，但它的消聲頻段窄，並且隨消聲頻率的下降而使體積變得龐大起來。而複合消聲器雖然消聲量和消聲頻帶都比較理性，但其體積過大，且使用壽命在高溫、蒸汽侵蝕和高速氣流衝擊下减短。
針對現有的降噪技術存在的上述問題，現提供一種旨在實現降低室內的低頻噪聲，體積小，降噪效率高，便於使用的機器人室內噪聲控制系統。
具體技術方案如下：
一種機器人室內噪聲控制系統，應用於複數個噪聲源的環境中，用於消除所述噪聲源發射的噪聲信號，所述機器人室內噪聲控制系統包括：
複數個次級聲源，複數個所述次級聲源按輸出聲音信號的分貝區間的不同分爲多個音頻類別，所述分貝區間與所述音頻類別一一對應；
一採集單元，用於採集所述聲音信號和所述噪聲信號；
一識別單元，連接所述採集單元，所述識別單元預設有多個所述分貝區間，用以將所述噪聲信號的分貝分別與多個所述分貝區間進行匹配，以獲取與所述噪聲信號匹配的所述分貝區間對應的所述音頻類別，並輸出所述噪聲信號和所述聲音信號；
一控制單元，分別連接所述識別單元和所述次級聲源，用於根據每個所述噪聲信號的方向和頻率進行處理獲取相應的控制信號，並將所述控制信號發送至與所述噪聲信號匹配的所述分貝區間對應的所述音頻類別的所述次級聲源，使所述次級聲源輸出與所述噪聲源的聲波幅度相同，且聲波相位相反的所述聲音信號。
優選的，所述採集單元採用多通道信號採集器。
優選的，所述多通道信號採集器用於將採集到的多路所述聲音信號和多路所述噪聲信號分別同步轉換爲聲音數字信號和噪聲數字信號，並採用DMA中斷的方式將所述聲音數字信號的聲波相位和所述噪聲數字信號的聲波相位同步發送至所述控制單元。
優選的，所述多通道信號採集器包括第一陣列麥克風，所述第一陣列麥克風用於採集所述噪聲信號。
優選的，所述多通道信號採集器包括第二陣列麥克風，所述第二陣列麥克風用於採集所述聲音信號。
優選的，還包括：
一多路信號傳輸單元，分別連接所述控制單元和所述識別單元，用於將所述識別單元識別後的所述聲音信號和所述噪聲信號發送至所述控制單元。
優選的，所述多路信號傳輸單元採用USB多路麥克風信號傳輸器，用於將所述聲音信號和所述噪聲信號封裝成數據報文並通過USB協議將所述數據報文發送至所述控制單元。
上述技術方案的有益效果：
在本技術方案中，機器人室內噪聲控制系統的控制單元可根據採集單元採集到的所述噪聲信號進行處理獲取控制信號，使所述次級聲源根據控制信號輸出與所述噪聲源的聲波幅度相同，且聲波相位相反的所述聲音信號，使同一分貝區間內的聲音信號與噪聲信號二者疊加後相互抵消，從而達到消除室內低頻噪聲的效果。
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
需要說明的是，在不衝突的情况下，本發明中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明，但不作爲本發明的限定。
如圖1所示，一種機器人室內噪聲控制系統，應用於複數個噪聲源1的環境中，用於消除噪聲源1發射的噪聲信號，機器人室內噪聲控制系統包括：
複數個次級聲源6，複數個次級聲源6按輸出聲音信號的分貝區間的不同分爲多個音頻類別，分貝區間與音頻類別一一對應；
一採集單元2，用於採集聲音信號和噪聲信號；
一識別單元3，連接採集單元2，識別單元3預設有多個分貝區間，用以將噪聲信號的分貝分別與多個分貝區間進行匹配，以獲取與噪聲信號匹配的分貝區間對應的音頻類別，並輸出噪聲信號和聲音信號；
一控制單元5，分別連接識別單元3和次級聲源6，用於根據每個噪聲信號的方向和頻率進行處理獲取相應的控制信號，並將控制信號發送至與噪聲信號匹配的分貝區間對應的音頻類別的次級聲源6，使次級聲源6輸出與噪聲源1的聲波幅度相同，且聲波相位相反的聲音信號。
在本實施例中，控制單元5可根據採集單元2採集到的噪聲信號進行處理獲取控制信號，使次級聲源6根據控制信號輸出與噪聲源1的聲波幅度相同，且聲波相位相反的聲音信號，使同一分貝區間內的聲音信號與噪聲信號二者疊加後相互抵消，從而達到消除室內低頻噪聲的效果。從而實現降低用戶室內環境中的低頻噪聲，爲用戶營造一個安靜的室內生活環境的目的。
在優選的實施例中，採集單元2採用多通道信號採集器。
進一步地，採集單元2可以是FPGA多通道麥克風陣列信號採集器。
在優選的實施例中，多通道信號採集器包括第一陣列麥克風，第一陣列麥克風用於採集噪聲信號。
在本實施例中，第一陣列麥克風相當於初級噪聲源傳聲器，可安放在可能形成噪聲源1的方向，接收各個方向的噪聲源1發出的噪聲信號。
在優選的實施例中，多通道信號採集器還可包括第二陣列麥克風，第二陣列麥克風用於採集聲音信號。
進一步地，多通道信號採集器可包括多路陣列麥克風。
在本實施例中，第二陣列麥克風相當於誤差傳聲器，設置於次級聲源6附近，用於接收次級聲源6發出的聲波信號作爲降噪誤差動態值，控制單元5根據反饋的降噪誤差動態值對輸出的控制信號進行相應的調整。
在優選的實施例中，多通道信號採集器用於將採集到的多路聲音信號和多路噪聲信號分別同步轉換爲聲音數字信號和噪聲數字信號，並採用DMA中斷的方式將聲音數字信號的聲波相位和噪聲數字信號的聲波相位同步發送至控制單元5。
在本實施例中，多通道信號採集器可用於實現對多路陣列麥克風中各路麥克風信號的相位同步採集，採用多路ADC來同步將多路陣列麥克風信號轉換爲數字信號，通過DMA中斷的方式實現多路陣列麥克風的相位同步。
在優選的實施例中，還可包括：
一多路信號傳輸單元4，分別連接控制單元5和識別單元3，用於將識別單元3識別後的聲音信號和噪聲信號發送至控制單元5。
在本實施例中，多路信號傳輸單元4通過將多通道信號採集器採集的多路信號同步發送至控制單元5。
在優選的實施例中，多路信號傳輸單元4採用USB多路麥克風信號傳輸器，用於將聲音信號和噪聲信號封裝成數據報文並通過USB協議將數據報文發送至控制單元5。
在本實施例中，USB多路麥克風信號傳輸器將陣列麥克風採集到的麥克風信號封裝成數據報文，並通過USB協議將數據報文傳輸到控制單元5，控制單元5從USB接口中解析麥克風信號來提取出噪聲信號，並根據噪聲信號的方向及頻率實時計算出主動抵消噪聲的次級聲源6輸出的聲音信號的方向及頻率，並控制次級聲源6輸出可實時抵消噪聲信號的聲音信號。
控制單元5控制次級聲源6可輸出包含多個不同方向的數字功放驅動揚聲器向噪聲源1實時發射與噪聲信號的聲波幅度相等、相位相反的聲波，産生二者疊加抵消的效果，從而達到主動噪聲動態控制的效果。
實際環境中噪聲源1（初級聲源）特性及聲場空間中的溫度、氣流速度等物理參數會經常隨時間發生變化。機器人室內噪聲控制系統是基於兩列頻率相同、相位差固定的聲波，疊加後會産生相加性或相消性干涉來消除噪聲的原理，通過設置傳遞函數爲自適應時變，並同時將次級聲源6輸出的聲音信號（反饋信號）考慮在內。通過採集噪聲信號和反饋信號，根據噪聲信號的聲壓，控制次級聲源6發出與噪聲源1頻率相反，振幅相同的抵消聲波，使聲音信號與噪聲信號進行疊加、抵消，實現主動噪聲動態控制的效果。
以上所述僅爲本發明較佳的實施例，並非因此限制本發明的實施方式及保護範圍，對於本領域技術人員而言，應當能夠意識到凡運用本發明說明書及圖示內容所作出的等同替換和顯而易見的變化所得到的方案，均應當包含在本發明的保護範圍內。
噪聲源1 採集單元2 識別單元3 多路信號傳輸單元4 控制單元5 次級聲源6
圖1爲本發明所述機器人室內噪聲控制系統的一種實施例的模組圖。
噪聲源1 採集單元2 識別單元3 多路信號傳輸單元4 控制單元5 次級聲源6
Claims (7)
- 一種機器人室內噪聲控制系統，應用於複數個噪聲源的環境中，用於消除所述噪聲源發射的噪聲信號，所述機器人室內噪聲控制系統包括： 複數個次級聲源，複數個所述次級聲源按輸出聲音信號的分貝區間的不同分爲多個音頻類別，所述分貝區間與所述音頻類別一一對應； 一採集單元，用於採集所述聲音信號和所述噪聲信號； 一識別單元，連接所述採集單元，所述識別單元預設有多個所述分貝區間，用以將所述噪聲信號的分貝分別與多個所述分貝區間進行匹配，以獲取與所述噪聲信號匹配的所述分貝區間對應的所述音頻類別，並輸出所述噪聲信號和所述聲音信號； 一控制單元，分別連接所述識別單元和所述次級聲源，用於根據每個所述噪聲信號的方向和頻率進行處理獲取相應的控制信號，並將所述控制信號發送至與所述噪聲信號匹配的所述分貝區間對應的所述音頻類別的所述次級聲源，使所述次級聲源輸出與所述噪聲源的聲波幅度相同，且聲波相位相反的所述聲音信號。
- 如專利申請範圍第1項所述機器人室內噪聲控制系統，所述採集單元採用多通道信號採集器。
- 如專利申請範圍第2項所述機器人室內噪聲控制系統，所述多通道信號採集器用於將採集到的多路所述聲音信號和多路所述噪聲信號分別同步轉換爲聲音數字信號和噪聲數字信號，並採用DMA中斷的方式將所述聲音數字信號的聲波相位和所述噪聲數字信號的聲波相位同步發送至所述控制單元。
- 如專利申請範圍第2項所述機器人室內噪聲控制系統，所述多通道信號採集器包括第一陣列麥克風，所述第一陣列麥克風用於採集所述噪聲信號。
- 如專利申請範圍第2項所述機器人室內噪聲控制系統，所述多通道信號採集器包括第二陣列麥克風，所述第二陣列麥克風用於採集所述聲音信號。
- 如專利申請範圍第1項所述機器人室內噪聲控制系統，還包括： 一多路信號傳輸單元，分別連接所述控制單元和所述識別單元，用於將所述識別單元識別後的所述聲音信號和所述噪聲信號發送至所述控制單元。
- 如專利申請範圍第6項所述機器人室內噪聲控制系統，所述多路信號傳輸單元採用USB多路麥克風信號傳輸器，用於將所述聲音信號和所述噪聲信號封裝成數據報文並通過USB協議將所述數據報文發送至所述控制單元。
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