一种基于声源定位的噪声源主动噪声控制方法技术

本发明专利技术公开一种基于声源定位的噪声源主动噪声控制方法，属于噪声消除技术领域，通过麦克风阵列采集噪声源信号，获取麦克风阵列间不同麦克风采集到的噪声源信号；采集到的噪声源信号通过广义互相关算法，得到不同麦克风之间的传播时延；利用三角定位法获取包含噪声源位置信息的非线性方程组，使用阻尼牛顿算法求得噪声源位置信息；根据获得的噪声源信号使用FFT求得噪声源信号的特征，得到信号主要幅频特性；根据信号主要幅频特性得到控制信号，使用时间补偿算法，将控制信号送至噪声源处，达到噪声源处主动噪声控制的效果；本发明专利技术解决了多点、多方位噪声源区域的降噪问题，改变了传统的降噪系统设备繁多，使用条件高的问题。使用条件高的问题。使用条件高的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于声源定位的噪声源主动噪声控制方法


[0001]本专利技术属于噪声消除
，具体的说是一种基于声源定位的噪声源主动噪声控制方法。

技术介绍

[0002]近些年来，噪声对于人体健康的危害备受关注，以控制噪声源入手，噪声控制分为主动控制和被动控制，被动控制又称为无源控制，该方法主要在噪声源处以及传播过程中对噪声进行吸音隔离处理，对处理高频噪声有着很好的效果，而低于低频噪声，由于随着频率的降低材料的声衰减性能也会变差，需要隔音材料拥有较大的面密度，导致降噪设备体积与质量的过大，所以低频噪声更适合进行主动控制。目前主流的主动降噪系统一般有前馈、反馈两种结构，前馈型系统一般在声源处放置传感器，用于提取参考信号，同时在降噪点处放置一个误差传感器，将参考信号与误差信号作为控制信号，经过处理后得到与原噪声等大反相的次级噪声，从而达到降噪的目的。前馈系统可以近似实现实时主动降噪，因此对低频噪声有很好的控制效果。但其需要在声源处放置传感器，对于难以在声源处获得参考信号以及无法放置参考麦克风的情况难以实现。反馈型系统只需要在降噪点处放置误差传感器，以误差信号作为系统的输入，从而实现噪声的控制。但反馈型降噪系统的缺点是容易引发“回音效应”，需要很高的同步性。因此，目前对于噪声源处的噪声控制难以做到多方向，多点位，并且使用设备较多，使用环境较为苛刻甚至难以实现。

技术实现思路

[0003]为了解决上述问题，本专利技术提出了一种基于声源定位的噪声源主动噪声控制方法，该方法可快速定位噪声源位置，进行多点多方位降噪，改变了传统的降噪系统设备繁多，使用条件高的问题。
[0004]为了达到上述目的，本专利技术是通过以下技术方案来实现的：一种基于声源定位的噪声源主动噪声控制方法，所述方法包括如下步骤：
[0005]步骤1：构建五元十字形麦克风阵列，麦克风阵列中包括麦克风M1、M2、M3、M4、M5；以M1为中心并作为参考麦克风，M2、M3、M4、M5均匀分布在M1的四周并作为其他麦克风；获取麦克风阵列间参考麦克风采集到的噪声源信号，其中为1；获取麦克风阵列间其他麦克风采集到的噪声源信号，其中为2、3、4、5；
[0006]步骤2：使用麦克风阵列采集到的噪声源信号 与通过广义互相关算法，得到麦克风阵列中其他麦克风与参考麦克风之间的传播时延；
[0007]步骤3：根据麦克风阵列中麦克风位置和传播时延，利用三角定位法获取包含噪声源位置信息的非线性方程组，并使用阻尼牛顿算法求解非线性方程组，得到噪声源定位坐标，从而得到噪声源位置信息，噪声源位置信息包括噪声源相对于参考麦克风的距离以及方位角；
[0008]步骤4：根据麦克风阵列中参考麦克风采集到的噪声源信号使用FFT求得噪声源信号的特征，得到信号主要幅频特性；
[0009]步骤5：根据获得的信号主要幅频特性，对其相位进行反相，得到控制信号，使用时间补偿算法，将控制信号送至噪声源处，完成噪声源处的主动噪声控制。
[0010]本专利技术采用了五元十字形麦克风阵列，弥补了一维阵列在定位区域上的限制同时相较于三维阵列也有较低的运算量；采用了广义互相关算法，利用“时域相乘，频域相卷”的原理，通过FFT算法，将计算放到频域进行，再通过IFFT算法转换回时域，并寻找互相关函数的峰值，大大降低了计算复杂度；使用了阻尼牛顿算法，相较于传统的牛顿算法增加了一维搜索的步长因素，这样使得牛顿法每次的搜索方向均为下降方向，保证了结果的收敛。
[0011]优选的，步骤1中参考麦克风采集到的噪声源信号和其他麦克风采集到的噪声源信号表达式如下：
[0012]；
[0013]；
[0014]其中，为噪声源信号；a和b为噪声源信号到达麦克风后的衰减系数；和为接收的加性噪声；和分别为噪声源到第i和第j个麦克风的传播时间。
[0015]优选的，步骤2中所述使用麦克风阵列采集到的噪声源信号与通过广义互相关算法，得到麦克风阵列中其他麦克风与参考麦克风之间的传播时延，具体步骤如下：
[0016]构建参考麦克风采集到的噪声源信号和其他麦克风采集到的噪声源信号二者之间的互相关函数，互相关函数公式如下：
[0017][0018]其中，为滞后时间；为噪声源信号的自相关序列；为噪声的互相关序；
[0019]若噪声之间不相关，那么，因此可以化简为：
[0020]；
[0021]根据自相关函数的性质：
[0022]；
[0023]所以互相关函数在处取最大值，即互相关函数取得最大值时的滞后时间τ给出时延的估计。
[0024]优选的，步骤3中所述根据麦克风阵列中麦克风位置和传播时延，利用三角定位法获取包含噪声源位置信息的非线性方程组，并使用阻尼牛顿算法求解非线性方程组，得到噪声源定位坐标，具体步骤如下：
[0025]步骤3
‑
1：确定麦克风的坐标位置；
[0026]步骤3
‑
2：假设噪声源s的坐标位置，从噪声源到参考麦克风的传播路径为，为1；从噪声源到其他麦克风的传播路径为，为2、3、4、5；
[0027]步骤3
‑
3：根据麦克风的位置和声传播模型得到以下公式：
[0028]；
[0029]其中，表示噪声从噪声源s处传播至其他麦克风与参考麦克风的声程差；C为噪声在空气中的传播速度；为其他麦克风与参考麦克风之间的时延；由此得出包含噪声源位置信息的非线性方程组；
[0030]步骤3
‑
4：使用阻尼牛顿算法求解非线性方程组，得到噪声源定位坐标，从而得到噪声源位置信息。
[0031]优选的，步骤3
‑
1所述确定麦克风的坐标位置，具体为M1(0,0)、M2(0,d)、M3(d,0)、M4(
‑
d,0)、M5(0,
‑
d)；
[0032]步骤3
‑
2所述噪声源s（x,y）；
[0033]步骤3
‑
3所述根据麦克风的位置和声传播模型得到以下公式，具体为：
[0034]当噪声源s位于第一象限内时，根据麦克风M2、M3和M1的位置和声传播模型得到以下公式如下：
[0035]；
[0036]；
[0037]其中，s2
‑
s1即为噪声从噪声源s处传播至M2和M1的声程差；s3
‑
s1即为噪声从噪声源s处传播至M3和M1的声程差；，分别为麦克风M2与M1和M3和M1之间的时延；由此得出包含噪声源位置信息的非线性方程组如下：
[0038]；
[0039]；
[0040]当噪声源s位于第二象限内时，根据麦克风M2、M4和M1的位置和声传播模型得到以下公式如下：
[0041]；
[0042]；
[0043]其中，s2
‑
s1即为噪声从噪声源s处传播至M2和M1的声程差；s4
‑
s1即为噪声从本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于声源定位的噪声源主动噪声控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1：构建五元十字形麦克风阵列，麦克风阵列中包括麦克风M1、M2、M3、M4、M5；以M1为中心并作为参考麦克风，M2、M3、M4、M5均匀分布在M1的四周并作为其他麦克风；获取麦克风阵列间参考麦克风采集到的噪声源信号，其中为1；获取麦克风阵列间其他麦克风采集到的噪声源信号，其中为2、3、4、5；步骤2：使用麦克风阵列采集到的噪声源信号与通过广义互相关算法，得到麦克风阵列中其他麦克风与参考麦克风之间的传播时延；步骤3：根据麦克风阵列中麦克风位置和传播时延，利用三角定位法获取包含噪声源位置信息的非线性方程组，并使用阻尼牛顿算法求解非线性方程组，得到噪声源定位坐标，从而得到噪声源位置信息，噪声源位置信息包括噪声源相对于参考麦克风的距离以及方位角；步骤4：根据麦克风阵列中参考麦克风采集到的噪声源信号使用FFT求得噪声源信号的特征，得到信号主要幅频特性；步骤5：根据获得的信号主要幅频特性，对其相位进行反相，得到控制信号，使用时间补偿算法，将控制信号送至噪声源处，完成噪声源处的主动噪声控制。2.根据权利要求1所述的基于声源定位的噪声源主动噪声控制方法，其特征在于，步骤1中参考麦克风采集到的噪声源信号和其他麦克风采集到的噪声源信号表达式如下：；；其中，为噪声源信号；a和b为噪声源信号到达麦克风后的衰减系数；和为接收的加性噪声；和分别为噪声源到第i和第j个麦克风的传播时间。3.根据权利要求2所述的基于声源定位的噪声源主动噪声控制方法，其特征在于，步骤2中所述使用麦克风阵列采集到的噪声源信号与通过广义互相关算法，得到麦克风阵列中其他麦克风与参考麦克风之间的传播时延，具体步骤如下：构建参考麦克风采集到的噪声源信号和其他麦克风采集到的噪声源信号二者之间的互相关函数，互相关函数公式如下：；其中，为滞后时间；为噪声源信号的自相关序列；为噪声的互相关序；若噪声之间不相关，那么，因此化简为：；根据自相关函数的性质：；所以互相关函数在处取最大值，即互相关函数取得最大值时的滞后时间τ给出
时延的估计。4.根据权利要求1所述的基于声源定位的噪声源主动噪声控制方法，其特征在于，步骤3中所述根据麦克风阵列中麦克风位置和传播时延，利用三角定位法获取包含噪声源位置信息的非线性方程组，并使用阻尼牛顿算法求解非线性方程组，得到噪声源定位坐标，具体步骤如下：步骤3
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1：确定麦克风的坐标位置；步骤3
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2：假设噪声源s的坐标位置，从噪声源到参考麦克风的传播路径为，为1；从噪声源到其他麦克风的传播路径为，为2、3、4、5；步骤3
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3：根据麦克风的位置和声传播模型得到以下公式：；其中，表示噪声从噪声源s处传播至其他麦克风与参考麦克风的声程差；C为噪声在空气中的传播速度；为其他麦克风与参考麦克风之间的时延；由此得出包含噪声源位置信息的非线性方程组；步骤3
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【专利技术属性】
技术研发人员：郝学元，宁晨旭，马顾彧，夏雪晴，许志语，周帅文，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：