一种级联预测式主动降噪系统技术方案

本发明专利技术公开了一种级联预测式主动降噪系统，应用于管道降噪，包括多个麦克风沿管道长度方向间隔布置在管道内；相邻两个麦克风之间设置一个扬声器，每个扬声器通过单独的次级通道与管道连通；模数转换器接收麦克风采集的声音模拟信号，并将声音模拟信号转换为声音数字信号后发送至数字处理单元；数字处理单元接收模数转换器发送的声音数字信号，基于相邻两个麦克风对应的声音数字信号执行降噪算法，得到相邻两个麦克风之间的扬声器的降噪数字信号并发送至数模转换器；数模转换器接收数字处理单元发送的降噪数字信号，将降噪数字信号转换为降噪模拟信号后发送至扬声器，使扬声器发出对应降噪声波实现主动降噪。本发明专利技术实现管道噪声的有效降噪。声的有效降噪。声的有效降噪。

【技术实现步骤摘要】
一种级联预测式主动降噪系统


[0001]本专利技术属于主动降噪
，具体涉及一种级联预测式主动降噪系统。

技术介绍

[0002]从生理学观点来看，凡是干扰人们休息、学习和工作以及对人们所要听的声音产生干扰的声音，即不需要的声音，统称为噪声。当噪声对人及周围环境造成不良影响时，就形成噪声污染。
[0003]目前噪音降噪的方法有三种：在声源处减弱噪音，在传播途径中拦截噪声和在人耳处减弱噪音。在声源处减弱噪音，工业、交通运输业可以选用低噪音的生产设备和改进生产工艺，或者改变噪音源的运动方式(如用阻尼、隔振等措施降低固体发声体的振动)。在传播途径中拦截噪声，会采用控制噪音的传播，改变声源已经发出的噪音传播途径，如采用吸音、隔音、音屏障、隔振等措施。受音者或受音器官的噪音防护，在声源和传播途径上无法采取措施，或采取的声学措施仍不能达到预期效果时，就需要对受音者或受音器官采取防护措施，如长期职业性噪音暴露的工人可以戴耳塞、耳罩或头盔等护耳器。
[0004]其中，降噪也分为主动降噪和被动降噪两种方式。以上提到的控制传播和保护受音器官的方式大多为被动降噪方式，主要是使噪音被吸收或反射，能够更少地到达人耳处。主动降噪是通过发出与噪声相位相反，频率、振幅相同的声波与噪声干涉实现相位抵消，使噪音减小。如图1所示，在一个主动降噪系统中，麦克风采集噪音，处理器将噪音反向后再在合适的时间通过扬声器发出，与噪音混合。理论上叠加后的声音可以做到完全地使噪音消除。
[0005]目前应用于传播途径的开放空间主动降噪应用专利多集中于汽车NVH以及油烟机系统中，例如公开号为CN105513585A的专利提供了一种汽车主动降噪方法及系统，通过在汽车的ABCD柱布置扬声器，压力传感器感应中心位置，在中心位置进行主动降噪；又如公开号为CN108916949A的专利提供了一种低阻尼半包围式三维空间声场降噪油烟机及降噪方法，将声波分为多个子带信号，使用对应扬声器进行声场降噪。但上述公开技术皆用于特定场景，与结构强相关，普适性差。因此本专利将提出一种方案用于通用管道的主动降噪，采用多级参考/误差麦克风，FxLMS算法及时间序列预测算法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种级联预测式主动降噪系统，实现管道噪声的有效降噪。
[0007]为实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案为：
[0008]一种级联预测式主动降噪系统，应用于管道降噪，所述级联预测式主动降噪系统包括麦克风、扬声器、模数转换器、数模转换器和数字处理单元，其中：
[0009]所述麦克风具有多个，且多个麦克风沿管道长度方向间隔布置在管道内；
[0010]所述扬声器具有多个，相邻两个麦克风之间设置一个扬声器，每个扬声器通过单
独的次级通道与管道连通；
[0011]所述模数转换器，用于接收麦克风采集的声音模拟信号，并将声音模拟信号转换为声音数字信号后发送至所述数字处理单元；
[0012]所述数字处理单元，用于接收所述模数转换器发送的声音数字信号，基于相邻两个麦克风对应的声音数字信号执行降噪算法，得到相邻两个麦克风之间的扬声器的降噪数字信号并发送至数模转换器；
[0013]所述数模转换器，用于接收所述数字处理单元发送的降噪数字信号，将降噪数字信号转换为降噪模拟信号后发送至扬声器，使扬声器发出对应降噪声波实现主动降噪。
[0014]以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。
[0015]作为优选，所述麦克风布置在管道截面的中心位置，且麦克风朝向噪音来源方向。
[0016]作为优选，在噪音来源方向，所述次级通道与管道之间的夹角小于90
°
。
[0017]作为优选，所述扬声器发出的降噪声波与管道中噪音声波在管道中轴线上的混合位置称为混合点，将相邻两个麦克风以及相邻两个麦克风之间的扬声器作为一个降噪单元，且降噪单元中更靠近噪音来源的麦克风作为参考麦克风，降噪单元中另一个麦克风作为误差麦克风；
[0018]则同一降噪单元中扬声器与参考麦克风的位置满足以下关系：
[0019][0020]式中，L
micm
为参考麦克风与混合点之间的距离，L
spkm
为扬声器与混合点之间的距离，Vs为声音传播速度，t
da
为数模转换器标定的数模转换耗时，t
ad
为模数转换器标定的模数转换耗时，t
p
为数字处理单元执行降噪算法所需耗时，t
d
为数字处理单元设置的延时时间。
[0021]作为优选，将相邻两个麦克风以及相邻两个麦克风之间的扬声器作为一个降噪单元，且降噪单元中更靠近噪音来源的麦克风作为参考麦克风，降噪单元中另一个麦克风作为误差麦克风，所述降噪算法，包括：
[0022]取参考麦克风对应的声音数字信号输入至FxLMS算法中，得到扬声器在本次降噪周期中的降噪数字信号；
[0023]基于参考麦克风对应的声音数字信号得到估计降噪信号，取误差麦克风对应的声音数字信号输入至时间序列预测算法中得到预测误差信号，利用所述估计降噪信号和预测误差信号更新FxLMS算法中FIR滤波器的系数，完成针对降噪单元的一次降噪周期执行。
[0024]作为优选，所述降噪算法独立实施在各降噪单元。
[0025]作为优选，所述取参考麦克风对应的声音数字信号输入至FxLMS算法中，得到扬声器在本次降噪周期中的降噪数字信号，包括：
[0026]令第n时刻FIR滤波器的系数和输入分别为：
[0027]w(n)＝[w1(n)，w2(n)，
…
，w
L
(n)]T
[0028]x(n)＝[x
c
(n)，x
c
(n
‑
1)，
…
，x
c
(n
‑
L+1)]T
[0029]式中，w(n)为第n时刻FIR滤波器的系数，T为转置，L为FIR滤波器的长度，x(n)为第
n时刻FIR滤波器的输入，x
c
(n)为第n时刻参考麦克风对应的声音数字信号；
[0030]则FIR滤波器输出的降噪数字信号为：
[0031]y(n)＝x(n)
T
w(n)
[0032]式中，y(n)为第n时刻得到的降噪数字信号，x(n)
T
为x(n)的转置。
[0033]作为优选，所述基于参考麦克风对应的声音数字信号得到估计降噪信号，包括：
[0034]x
′
(n)＝S
′
(z)
T
x(n)
[0035]式中，x
′
(n)为第n时刻得到的估计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种级联预测式主动降噪系统，应用于管道降噪，其特征在于，所述级联预测式主动降噪系统包括麦克风、扬声器、模数转换器、数模转换器和数字处理单元，其中：所述麦克风具有多个，且多个麦克风沿管道长度方向间隔布置在管道内；所述扬声器具有多个，相邻两个麦克风之间设置一个扬声器，每个扬声器通过单独的次级通道与管道连通；所述模数转换器，用于接收麦克风采集的声音模拟信号，并将声音模拟信号转换为声音数字信号后发送至所述数字处理单元；所述数字处理单元，用于接收所述模数转换器发送的声音数字信号，基于相邻两个麦克风对应的声音数字信号执行降噪算法，得到相邻两个麦克风之间的扬声器的降噪数字信号并发送至数模转换器；所述数模转换器，用于接收所述数字处理单元发送的降噪数字信号，将降噪数字信号转换为降噪模拟信号后发送至扬声器，使扬声器发出对应降噪声波实现主动降噪。2.如权利要求1所述的级联预测式主动降噪系统，其特征在于，所述麦克风布置在管道截面的中心位置，且麦克风朝向噪音来源方向。3.如权利要求1所述的级联预测式主动降噪系统，其特征在于，在噪音来源方向，所述次级通道与管道之间的夹角小于90
°
。4.如权利要求1所述的级联预测式主动降噪系统，其特征在于，所述扬声器发出的降噪声波与管道中噪音声波在管道中轴线上的混合位置称为混合点，将相邻两个麦克风以及相邻两个麦克风之间的扬声器作为一个降噪单元，且降噪单元中更靠近噪音来源的麦克风作为参考麦克风，降噪单元中另一个麦克风作为误差麦克风；则同一降噪单元中扬声器与参考麦克风的位置满足以下关系：式中，L
micm
为参考麦克风与混合点之间的距离，L
spkm
为扬声器与混合点之间的距离，Vs为声音传播速度，t
da
为数模转换器标定的数模转换耗时，t
ad
为模数转换器标定的模数转换耗时，t
p
为数字处理单元执行降噪算法所需耗时，t
d
为数字处理单元设置的延时时间。5.如权利要求1所述的级联预测式主动降噪系统，其特征在于，将相邻两个麦克风以及相邻两个麦克风之间的扬声器作为一个降噪单元，且降噪单元中更靠近噪音来源的麦克风作为参考麦克风，降噪单元中另一个麦克风作为误差麦克风，所述降噪算法，包括：取参考麦克风对应的声音数字信号输入至FxLMS算法中，得到扬声器在本次降噪周期中的降噪数字信号；基于参考麦克风对应的声音数字信号得到估计降噪信号，取误差麦克风对应的声音数字信号输入至时间序列预测算法中得到预测误差信号，利用所述估计降噪信号和预测误差信号更新FxLMS算法中FIR滤波器的系数，完成针对降噪单元的一次降噪周期执行。6.如权利要求5所述的级联预测式主动降噪系统，其特征在于，所述降噪算法独立实施在各降噪单元。7.如权利要求5所述的级联预测式主动降噪系统，其特征在于，所述取参考麦克风对应的声音数字信号输入至FxLMS算法中，得到扬声器在本次降噪周期中的降噪数字信号，包
括：令第n时刻FIR滤波器的系数和输入分别为：w(n)＝[w1(n)，w2(n)，
…
，w
L
(n)]
T
x(n)＝[x
c
(n)，x
c
(n
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：曾鸣，原洋，徐永康，李琳，冯帆，谢敏杰，李嫣然，
申请(专利权)人：中电海康集团有限公司，
类型：发明
国别省市：