一种针对室内环境中低频噪音的自适应降噪器的制造方法

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一种针对室内环境中低频噪音的自适应降噪器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种针对室内环境中低频噪音的自适应降噪器，包括初级传声器，反相声源、频率调节装置和次级传声器，所述的次级传声器为频率响应20HZ～20KHz的高灵敏度全指向驻极体次级传声器；初级传声器和次级传声器分别通过音频线缆与16位模/数转换器连接，16位模/数转换器通过16针并口总线与频率调节装置的I/O读写并口连接，反相声源通过串行数/模转换器与频率调节装置的MCU处理器连接。本发明特别适用于家居环境下的低频噪音处理，能显著降低屋内电子及电器设备发出的低频噪音，改善居住环境，提高生活质量。该设备体积小巧，系统上电即可使用，无需复杂的安装过程。同时，设备制造价格低廉，一般用户完全有能力购置和部署。
【专利说明】一种针对室内环境中低频噪音的自适应降噪器
【技术领域】
[0001]本发明属于电子有源降噪【技术领域】，具体是涉及一种针对室内环境中的低频噪音有显著降噪效果的自适应降噪器。
【背景技术】
[0002]低频噪音污染已成为城市环境的一大公害。科学研究表明低频噪音会损害健康，人长时间工作、生活在低频噪音环境中，对中枢神经系统的刺激大，严重者会导致中枢神经系统功能紊乱。此外，低频噪音会引起睡眠不好，注意力不集中，记忆力下降等症状，然后导致心情烦乱，情绪不稳，忍耐性降低，脾气暴躁，乃至产生高血压、溃疡、糖尿病等一系列的疾病。由于低频噪音造成的是感音神经性损伤和毛细胞损伤，很难对其进行修复，目前还没有特效药物可治疗这种损伤。
[0003]目前，家庭室内降噪常见的处理手段是采用吸音、隔音等无源材料对室内墙壁、门窗进行涂层处理，但吸音、隔音材料的声衰减会随频率降低而变差，无源降噪机制对中、高频段噪音较为有效，而对低频噪音的效果不大。
[0004]针对低频噪音的“有源”控制(Active Noise Control:ANC)概念于30年代由德国物理学家P.Lueg提出，其根据两列相干声波的混合会产生干涉的物理现象，人为叠加一列与原有声波幅值相等而相位相反的声波，利用声波的相消性干涉来达到消除和降低噪音的目的，即通过声源产生次级声场进行噪音降噪控制。然而由于技术实现的原因，这一技术被放弃了近30年。随着电子信息技术的快速发展，有源控制技术逐步已经进入电器产品领域，从工业厂房噪音控制到中央式空调设备的降噪处理都部分引入了 ANC技术。以家用冰箱为例，其噪音源主要是通过全封闭压缩机的机壳向外扩散，日本东芝公司Saruta等人利用有源法和阻性消声相结合对家用电冰箱的噪音进行实验研究，取得降噪7dB效果；美国Americold公司D S Smith利用类似的方法，用加速传感器检测压缩机壳体震动，用传声器检测残余噪音，驱动输出反噪音，在小型半混响室内的测试结果获得5dB的降噪效果。近年来，在国内市场也出现了基于ANC的降噪设备，例如南京零分贝声学科技有限公司的NANTY系列噪音控制器、北京科奥克声学技术有限公司代理的S-cube系列降噪控制器等。
[0005]这类专业降噪设备主要面对的是航空航天，汽车制造，大型仪器等工业环境，设备安装复杂，体积庞大且造价高昂，一般用户没有能力购置和部署；另一部分产品只针对诸如空调、油烟机或电冰箱等电器设备进行内部降噪处理，属于独立电器设备的附加功能。不仅降噪效果较差，而且无法实现屋内环境的集中式降噪处理，无法降低室内多种电子电器设备发出的低频噪音。

【发明内容】

[0006]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种能够有效降低室内环境中低频噪音的自适应降噪器，以低廉的成本集中解决居家环境中的低频噪音污染问题。
[0007]本发明的目的通过下述技术方案予以实现。[0008]一种针对室内环境中低频噪音的自适应降噪器，包括初级传声器，反相声源和频率调节装置，其特征在于:还包括一个次级传声器，所述的次级传声器为频率响应20HZ?20KHz的高灵敏度全指向驻极体次级传声器；初级传声器和次级传声器分别通过音频线缆与16位模/数转换器连接，16位模/数转换器通过16针并口总线与频率调节装置的I/O读写并口连接，反相声源通过串行数/模转换器与频率调节装置的MCU处理器连接。
[0009]所述的初级传声器及次级传声器均使用两个NPN型三极管组成共射集二级前置放大电路，保证无衰减传输音频信号。
[0010]所述的频率调节装置由一片复杂可编程逻辑器件(CPLD)、一片32位微处理单元(MCU)和一片外随机存储器(SRAM)构成。
[0011]所述的反相声源采用20HZ?20KHz全频信号共点同轴扬声器。
[0012]本发明的工作原理:初级传声器采集低频噪音声源的音频信号，通过频率调节装置输出至反相声源，形成降噪音频信号。次级传声器采集声场中的实时降噪处理的音频误差信号，并反馈至频率调节装置，形成对原有低频噪音声源的补偿声源，使密闭居家空间环境内低频噪音值低于最大可容忍的值。
[0013]与所述自适应降噪器相配合的系统软件主要包括两部分:主系统通讯程序和中断服务程序；其中，主系统通讯程序包括2路传声器信号采集程序和D/A转换输出通讯程序；中断服务程序负责处理两级声源音频信号的存储、基于FX-LMS算法的自适应滤波调节以及输出反向降噪信号程序。
[0014]其中，所述的主系统通讯程序执行顺序如下:
[0015](I)进行系统初始化，包括A/D转换器、D/A转换器、CPLD器件和MCU核；
[0016](2) A/D器件接收噪音数据并执行转换，MCU等待数据处理；
[0017](3)判断A/D转换结束，若转换没有结束继续接收和转换音频数据；
[0018](4) A/D转换结束后，进入中断服务程序；
[0019](5)中断服务程序处理完毕，执行D/A串口通讯程序，输出低频降噪信号。
[0020]所述的中断服务程序执行顺序如下:
[0021](I)基于CPLD器件采样、保持2路A/D转换的音频信号数据；
[0022](2)基于FX-LMS计算y (η)低频降噪信号，自适用滤波调解，减少降噪处理后得到的残余误差信号e (η)值；
[0023](3) MCU计算输出反向降噪信号；
[0024](4)跳出中断，返回主通讯程序。
[0025]相对于现有技术，本发明具有如下优点:
[0026]1、本发明特别适用于家居环境下的低频噪音处理，保证设备的鲁棒性和适用性，体积小巧，系统上电即可使用，无需复杂的安装过程。同时，设备制造价格低廉，一般用户完全有能力购置和部署。
[0027]2、本发明可以实现屋内环境的集中式降噪处理，较好的降低屋内电子及电器设备发出的低频噪音，改善居住环境，提高生活质量。
【专利附图】

【附图说明】
[0028]图1为本发明低频降噪器的系统原理框图；[0029]图2为本发明低频降噪器的控制原理图；
[0030]图3为本发明低频降噪器的结构示意图；
[0031]图4为控制系统的程序流程图；
[0032]图5为封闭空间噪音源采样数据图，黑色曲线为没有启动自适应低频降噪器时的噪音数据，坐标横轴为采样的300秒时间长度(单位:秒)，竖轴为密闭空间声响值(单位:分贝)；
[0033]图6为封闭空间降噪采样数据图，坐标横轴为采样的300秒时间长度(单位:秒)，竖轴为密闭空间声响值(单位:分贝)；
[0034]图7为封闭空间降噪对比图，坐标横轴为采样的300秒时间长度(单位:秒)，竖轴为密闭空间声响值(单位:分贝)。黑色实线为密闭空间内噪音源产生的采样数据，虚线为降噪处理后的密闭空间内声响采样数据。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图和实施例对本发明作进一步地详细说明，但它们不是对本发明的限定。
[0036]实施例1
[0037]术语解释:
[0038]A/D (analog to digital converter)是将模拟信号转换成数字信号的电路,称为模数转换器，简称A/D转换器。
[0039]D/A (digital to analog converter)是将数字信号转换为模拟信号的电路,称为数模转换器，简称D/A转换器。
[0040]CPLD (Complex Programmable Logic Device)是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路，Complex PLD的简称，是一种较PLD为复杂的逻辑元件。
[0041]MCU (Micro Controller Unit)是一种集成电路芯片,采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器、随机存储器、多种输入/输出接口和中断系统集成到一块硅片上构成的小而完善的计算机系统。
[0042]JTAG (Joint Test Action Group;联合测试行动小组)是一种国际标准测试协议(IEEEl 149.1兼容)，主要用于芯片内部测试。标准的JTAG接口是4线:TMS、TCK、TD1、TD0，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。
[0043]如图1所示，本发明基于“以音消音”的原理，在相对封闭的室内环境中利用电子设备采集原有噪音声场的声压值，利用设备中的频率调节装置产生一个与原有声压大小相等、相位相反的声波，使其在封闭的空间范围内与原有噪音声场相抵消。
[0044]首先，基于FX-LMS算法建立自适应控制系统。如图2所示，自适应控制系统的原理如下:
[0045](l)hr (η)为初级传声器参考通道传递函数，接收低频噪音声源信号P (η)，输出低频噪音信号X (η)；
[0046](2)ff(n)为滤波器传递函数，接收低频噪音信号χ (η)以及降噪处理后的残差信号e(n)，输出反相降噪信号y(n)；
[0047](3)hs(n)为反相声源传递函数，接收反相降噪信号y (η)，输出相干降噪信号S (η)；
[0048](4)hp(n)为次级传声器参考通道传递函数，其接收相干消噪信号，输出次级声源低频噪音信号d (η)；
[0049](5)相干降噪信号s(n)与次级声源低频噪音信号d(n)通过相干叠加输出降噪处理后的残差信号e (η)。
[0050]为使控制系统具备自适应降噪处理，W(n)为滤波器传递函数具有自适应调整。
[0051]自适应控制系统输出反相降噪信号y(n)见下式:
[0052]
【权利要求】
1.一种针对室内环境中低频噪音的自适应降噪器，包括初级传声器，反相声源和频率调节装置，其特征在于:还包括一个次级传声器，所述的次级传声器为频率响应20HZ?20KHz的高灵敏度全指向驻极体次级传声器；初级传声器和次级传声器分别通过音频线缆与16位模/数转换器连接，16位模/数转换器通过16针并口总线与频率调节装置的I/O读写并口连接，反相声源通过串行数/模转换器与频率调节装置的MCU处理器连接。
2.根据权利要求1所述的针对室内环境中低频噪音的自适应降噪器，其特征在于:所述的初级传声器及次级传声器均使用两个NPN型三极管组成共射集二级前置放大电路。
3.根据权利要求1所述的针对室内环境中低频噪音的自适应降噪器，其特征在于:所述的频率调节装置由一片复杂可编程逻辑器件、一片32位微处理单元和一片外随机存储器构成。
4.根据权利要求1所述的针对室内环境中低频噪音的自适应降噪器，其特征在于:所述的反相声源采用20HZ?20KHz全频信号共点同轴扬声器。
5.根据权利要求1所述的针对室内环境中低频噪音的自适应降噪器，其特征在于:与所述自适应降噪器相配合的系统软件主要包括两部分:主系统通讯程序和中断服务程序；其中，主系统通讯程序包括2路传声器信号采集程序和D/A转换输出通讯程序；中断服务程序负责处理两级声源音频信号的存储、基于FX-LMS算法的自适应滤波调节以及输出反向降噪信号程序。
6.根据权利要求5所述的针对室内环境中低频噪音的自适应降噪器，其特征在于:其中，所述的主系统通讯程序执行顺序如下: (1)进行系统初始化，包括A/D转换器、D/A转换器、CPLD器件和MCU核； (2)A/D器件接收噪音数据并执行转换，MCU等待数据处理； (3)判断A/D转换结束，若转换没有结束继续接收和转换音频数据； (4)A/D转换结束后，进入中断服务程序； (5)中断服务程序处理完毕，执行D/A串口通讯程序，输出低频降噪信号。
7.根据权利要求5所述的针对室内环境中低频噪音的自适应降噪器，其特征在于:所述的中断服务程序执行顺序如下: (1)基于CPLD器件采样、保持2路A/D转换的音频信号数据； (2)基于FX-LMS计算y(η)低频降噪信号，自适用滤波调解，减少降噪处理后得到的残余误差信号e (η)值； (3)MCU计算输出反向降噪信号； (4)跳出中断，返回主通讯程序。
【文档编号】G10K11/178GK103440861SQ201310386752
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月30日 优先权日:2013年8月30日
【发明者】吴斌, 马继涛, 邬平, 诸开梅, 张红霞, 李鑫, 黄红伟, 谭鹏, 杜军, 李俊, 邓艺, 刘薇, 卢泓洲, 安道渊 申请人:云南省科学技术情报研究院

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