一种船用主动听力防护型耳罩及其防护方法技术

本发明专利技术属于听力防护耳罩技术领域，具体地涉及一种船用主动听力防护型耳罩及其防护方法。耳罩包括耳弓，耳弓的两端设置有耳罩，耳罩上设置有扬声器，扬声器的外侧设置有参考传声器，扬声器的内侧设置有误差传声器。防护方法为：步骤1：建立基于船用主动听力防护型耳罩的改进型前馈型主动防护策略结构，将前馈型主动防护策略结构改进为改进型前馈型主动防护策略结构；步骤2：建立基于船用主动听力防护型耳罩的反馈型主动防护策略结构；步骤3：步骤1和步骤2结合，建立复合型主动防护策略结构。本发明专利技术能提升主动防护耳罩中有源控制技术鲁棒性和降噪效率，拓宽了有源噪声控制频段，提升了防护效果和降噪效果，以及控制系统运行可靠性和稳定性。和稳定性。和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种船用主动听力防护型耳罩及其防护方法


[0001]本专利技术属于听力防护耳罩
，具体地涉及一种船用主动听力防护型耳罩及其防护方法。

技术介绍

[0002]舰艇航行过程中辐射噪声和舱室环境噪声，对自身隐蔽性和艇员健康影响至关重要，各国海军十分重视舰艇减振降噪工作。考虑隐蔽航行需求，我国舰艇已在噪声振源和传递路径方面取得较好效果，相关技术已渐趋成熟。随着人性化需求发展和遂行任务不断增加，舱室噪声对艇员身心健康和工作效能影响日益凸显，各级越来越重视此类噪声治理工作。
[0003]研究发现：若潜艇舱室封闭环境噪声降低5％，艇员综合战斗力将提高25％。而且环境噪声与人体生理和心理安全行为存在直接关系，噪声容易使人产生疲劳、注意力下降、反应速度降低等问题，进而影响装备操纵安全性和故障检修效率，甚至诱发装备操纵事故。
[0004]为解决上述舰船局域空间环境噪声控制问题，可通过入耳式耳塞、头戴式耳罩实现听力防护。但传统无源防护器材通过外壳或内部吸声材料衰减环境噪声，对高频环境噪声控制效果十分明显，但对1kHz以下低频噪声控制效果不够理想。随着技术发展，有源噪声控制已经受到广泛关注。该方式利用声波干涉相消原理，在局域空间产生与原始噪声相位相反、幅度和频率相当的次级噪声，并与原始噪声抵消进而抑制噪声传递，可有效弥补传统耳罩低频噪声控制效果不佳的困境，为船用防护耳罩样机研制提供了条件。例如，有学者开展有源耳罩声学器件选型、结构设计研究，为有源耳罩设计提供研究思路。也有学者以坦克噪声对驾乘人员身体伤害为目标，设计降低坦克舱室噪声头盔，可获得8
‑
10dB降噪效果。还有学者系统分析有源耳罩市场定位与应用前景，并开展前馈结构理论和试验研究。这些研究较好地解决局域空间噪声特性分析和耳罩结构设计等问题，为有源噪声控制技术应用奠定了研究基础。然而，舰艇机械设备功率大，工作所致舱室噪声污染严重，如何在强噪声、低信噪比、中低频段噪声等恶劣环境下实现船员主动听力防护能力，仍有诸多工作亟待开展。
[0005]现有专利《一种具备语音增强功能的主动隔音耳罩“201911142904.7”》，公开了“在被动隔音耳罩将大部分高频噪声隔离的基础上，通过主动降噪技术将低频噪声在人耳附近进行抑制，同时通过在耳罩外布放麦克风阵列结合阵列语音增强算法提取语音信号耦合到主动降噪系统中并输入耳罩腔体，实现更有效的听力保护的同时，提升佩戴者之间的语音可懂度，保证正常的语音交流”的技术方法，但是该方法是滤波之后增强，增强的效果差，不能将接受的信号进一步的进行反馈进行过滤，进而导致并不能很好的实现语音信号的有效降噪和防护。

技术实现思路

[0006]针对上述存在的在问题，本专利技术提出一种船用主动听力防护型耳罩及其防护方法，针对传统耳塞式或头戴式耳罩听力防护效果不佳的现实问题，构建主动听力防护耳罩
样机模型，并考虑耳罩声学器件内部影响因素，对前馈式、反馈式和复合式有源噪声控制策略进行改进和验证。在此基础上，搭建声学试验平台，开展主动听力防护耳罩试验研究，为后期深入研究船用主动听力防护耳罩提供参考和借鉴。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0008]一种船用主动听力防护型耳罩，包括耳弓，所述耳弓的两端设置有耳罩，所述耳罩内设置有扬声器，所述扬声器的外侧设置有参考传声器，所述扬声器的内侧设置有误差传声器。
[0009]一种船用主动听力防护型耳罩防护方法，包括：
[0010]步骤1：建立基于船用主动听力防护型耳罩的前馈型主动防护策略结构，然后进一步将前馈型主动防护策略结构改进为改进型前馈型主动防护策略结构；
[0011]步骤2：建立基于船用主动听力防护型耳罩的反馈型主动防护策略结构；
[0012]步骤3：将步骤1和步骤2的防护策略结构结合，建立复合型主动防护策略结构。
[0013]优选的，所述步骤1的前馈型主动防护策略结构具体为：
[0014]e(n)＝d(n)+y(n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0015][0016][0017]W(n+1)＝W(n)
‑
μe(n)X
′
(n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0018]其中，P(n)、S(n)、分别为主通道、次级通道和次级通道估计值，x(n)、x
′
(n)、d(n)、u(n)、y(n)、e(n)、μ分别为外界噪声、时延参考信号、主通道响应、控制器输出信号、扬声器输出次级声源、残余噪声及步长因子，P(n)为外部噪声x(n)与误差传声器之间物理路径，S(n)为扬声器与误差传声器之间物理路径，X(n)为n时刻外界噪声x(n)的序列，W(n)为滤波器，U(n)为u(n)组成M
×
1阶矢量序列，X
′
(n)为X(n)经次级通道估计值后的参考信号，该算法需通过离线或在线方式获得次级通道估计值并将其作用于x(n)来补偿次级通道影响，滤波信号x
′
(n)再作用于前馈型结构，获得控制信号u(n)和输出信号y(n)并利用误差传声器获得误差残余量e(n)，并由LMS算法调整滤波系数W(n)。
[0019]优选的，所述步骤1的改进型前馈型主动防护策略结构具体为：
[0020]受扬声器扰动后外界噪声演变为x
c
(n)：
[0021][0022]其中，为n时刻内部反馈通道输出，定义Q(n)为内部反馈通道，Q(n)用M阶有限脉冲响应滤波器代替，则Q(n)系数如下：
[0023]Q(n)＝[q0(n) q1(n) ...q
M
‑1(n)]T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0024]由扬声器传递至参考传声器的信号表示为：
[0025][0026]式中，U(n)是由当前及过去时刻滤波器W(n)输出所构成的M
×
1阶矢量：
[0027]U(n)＝[u(n)u(n
‑
1)...u(n
‑
M+1)]T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0028]则当前激励信号表示为：
[0029][0030]其中，X
c
(n)、W(n)分别是滤波器在n时刻叠加信号采样序列、参考延时采样序列和滤波器权值矢量：
[0031][0032]式中，滤波器W(n)输出u(n)表示为：
[0033][0034]联立式(9)及(11)有：
[0035]U(n)＝W
T
(n)X
c
(n)＝W
T
(n)(X(n)+Q(n)
T
U(n))(12)
[0036]整理后引入内部反馈通道后的控制器输出为：
[0037][0038]由此，反馈通道使滤波器W(n)修正为当反馈通道传递函数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种船用主动听力防护型耳罩，包括耳弓(1)，所述耳弓(1)的两端设置有耳罩(2)，其特征在于：所述耳罩(2)内设置有扬声器(3)，所述扬声器(3)的外侧设置有参考传声器(4)，所述扬声器(3)的内侧设置有误差传声器(5)。2.一种船用主动听力防护型耳罩防护方法，其特征在于：包括：步骤1：建立基于船用主动听力防护型耳罩的前馈型主动防护策略结构，然后进一步将前馈型主动防护策略结构改进为改进型前馈型主动防护策略结构；步骤2：建立基于船用主动听力防护型耳罩的反馈型主动防护策略结构；步骤3：将步骤1和步骤2的防护策略结构结合，建立复合型主动防护策略结构。3.根据权利要求2所述的一种船用主动听力防护型耳罩防护方法，其特征在于：所述步骤1的前馈型主动防护策略结构具体为：e(n)＝d(n)+y(n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)(1)W(n+1)＝W(n)
‑
μe(n)X
′
(n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中，P(n)、S(n)、分别为主通道、次级通道和次级通道估计值，x(n)、x
′
(n)、d(n)、u(n)、y(n)、e(n)、μ分别为外界噪声、时延参考信号、主通道响应、控制器输出信号、扬声器输出次级声源、残余噪声及步长因子，P(n)为外部噪声x(n)与误差传声器之间物理路径，S(n)为扬声器与误差传声器之间物理路径，X(n)为n时刻外界噪声x(n)的序列，W(n)为滤波器，U(n)为u(n)组成M
×
1阶矢量序列，X
′
(n)为X(n)经次级通道估计值后的参考信号，该算法需通过离线或在线方式获得次级通道估计值并将其作用于x(n)来补偿次级通道影响，滤波信号x
′
(n)再作用于前馈型结构，获得控制信号u(n)和输出信号y(n)并利用误差传声器获得误差残余量e(n)，并由LMS算法调整滤波系数W(n)。4.根据权利要求3所述的一种船用主动听力防护型耳罩防护方法，其特征在于：所述步骤1的改进型前馈型主动防护策略结构具体为：受扬声器扰动后外界噪声演变为x
c
(n)：其中，为n时刻内部反馈通道输出，定义Q(n)为内部反馈通道，Q(n)用M阶有限脉冲响应滤波器代替，则Q(n)系数如下：Q(n)＝[q0(n) q1(n) ...q
M
‑1(n)]
T
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)由扬声器传递至参考传声器的信号表示为：式中，U(n)是由当前及过去时刻滤波器W(n)输出所构成的M
×
1阶矢量：U(n)＝[u(n) u(n
‑
1) ... u(n
‑
M+1)]
T
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
则当前激励信号表示为：其中，X
c
(n)、W(n)分别是滤波器在n时刻叠加信号采样序列、参考延时采样序列和滤波器权值矢量：式中，滤波器W(n)输出u(n)表示为：联立式(9)及(11)有：U(n)＝W
T
(n)X
c
(n)＝W
T
(n)(X(n)+Q(n)
T
U(n))
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)整理后引入内部反馈通道后的控制器输出为：由此，反馈通道使滤波器W(n)修正为当反馈通道传递函数Q(n)＝0时，W
′
(n)将退化为无内部反馈的滤波自适应控制算法结构，具体如步骤1所示的前馈型主动防护策略结构。5.根据权利要求4所述的一种船用主动听力防护型耳罩防护方法，其特征在于：所述步骤2建立基于船用主动听力防护型耳罩的反馈型主动防护策略结构具体...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨理华，孙俊忠，刘丽滨，张骁，艾夏禹，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军潜艇学院，
类型：发明
国别省市：