可分离式有源噪声控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种可分离式有源噪声控制系统，该控制器可用于稳定声场环境下的噪声控制，该控制器将有源噪声控制器分为两个独立模块：训练模块和控制模块。控制模块具有模拟声场路径的功能，主要负责从参考源到控制源的声场路径模拟，使其在特定的区域达到声压降低。训练模块和控制模块组合工作，主要负责有源噪声控制中声场路径的匹配。本发明专利技术所提出的系统可以工作在固定控制和自适应两种工作模式下：在固定控制模式下，控制模块独立工作，功能单一，体积小，成本低，功耗低，并行性强，降低处理时延；在自适应工作模式下，控制模块和训练模块协同工作，连接方便快捷，操作简单，使用效率高，一个训练模块用于多个控制模块，便于系统的调试安装。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及有源噪声控制领域，尤其涉及一种可分离式有源噪声控制系统，本专利技术将传统有源噪声控制器以控制模块和训练模块形式分离开来，通用性强，使用效率高，特别适用于，但不局限于，声场较为稳定的有源噪声控制应用。
技术介绍
近年来，随着工业化和城市交通的发展，人们对周围环境降噪要求显得越来越迫切。有源噪声是一种特殊的降噪方法，与传统的噪声控制相比较，有源噪声控制对低频噪声控制更为有效，再加上其体积小设置灵活等特点，具有较为广泛的应用前景，因此，越来越受到学术界、工业界和民众重视。有源降噪的基本原理是通过声场路径匹配，在目标区域内产生与实际噪声幅度相近但相位相反的声信号，以抵消实际噪声从而达到的降噪的目的。有源噪声控制器是有源噪声控制应用的核心组成，主要负责实际降噪空间的声场路径匹配，通过馈给次级控制声源(常用扬声器)信号，其设计和安装调试过程是各种有源噪声和振动控制应用的重要环节。但是，传统的有源噪声控制器有以下两个缺点：1、有源噪声控制器较为复杂，设计和使用成本高，功耗大，价格昂贵；2、现有的有源控制器主要为研究人员服务，需要安装调试人员掌握较多的专业知识，且操作流程较为复杂。这些限制了有源噪声控制器和有源噪声控制应用的推广和普及。
技术实现思路
本专利技术提出一种新的有源噪声控制器的构架，本专利技术将传统的有源噪声控制器中的核心部分分离开来，划分成两个模块：控制模块和训练模块。有源噪声控制的基本原理是，人为产生反相的声场与实际的声场叠加，两者在目标区域内相互抵消，达到降低噪声的目的。基于有源噪声控制的基本原理，只要噪声源信号和相应声场传递路径已知，就可以达到降噪的效果。因此，有源噪声控制包含3个主要功能：1)参考噪声源的采集和合成根据噪声的类型，有源噪声控制分为窄带控制和宽带控制。在窄带控制中，噪声源信号的有效频带限制在一个较窄的范围呢，通过测量获得信号的中心频率，进而合成窄带有源噪声控制的参考信号。在宽带控制中，噪声源的有效频带较宽，往往大于100Hz，具有随机性，因此，噪声源的特性需通过参考信号源获得。2)声场路径的构建在通常情况下，有源噪声控制所构建的声场路径是线性的，有源噪声控制器中的运算单元可以构建一个线性的滤波器来匹配实际的声场路径。该滤波器既可以通过预先加载，也可以通过控制模块与训练模块组合运行自适应算法来匹配声场传递函数获得。3)控制源信号的构建基于上述1)和2)，以采集或者合成的噪声源所对应的参考信号作为激励，通过和声场路径匹配的线性系统，获得控制源信号并作为系统的输出。当噪声应用场景较为稳定时，例如有源降噪耳机、通风管道降噪等应用，这些声场路径往往具有较强的稳定性，声学路径传递函数在较长一段的时间内可以看成是时不变系统。在自适应处理收敛之后，滤波器与实际声场路径长期匹配，即自适应滤波器的系数取值仅在一个非常小的区间内变化。此外，在声学结构相同或者相近的噪声应用场景中，若把任一已收敛且稳定的有源噪声控制系统中的滤波器系数值被复制给其它有源噪声控制系统的滤波器后，其它有源噪声控制系统仍能达到相同的降噪效果，如降噪耳机等。基于上述原理，将传统的有源噪声控制器分为两个模块：控制模块和训练模块。有源噪声控制器的工作模式分为固定控制模式和自适应控制模式。控制模块具有模拟声场路径的功能，主要负责构建从参考信号源到控制信号源的声学系统，使系统输出的声信号所形成的声场在目标区域与实际声场相抵消。在单独工作时，控制模块进入固定控制模式，控制模块所包含的运算单元中包含固定的滤波器，它将参考信号源作为输入进行处理，得到控制信号源的信号。控制模块一般可以看成是噪声源的采集或合成信号的滤波系统，所以可以设计简单，在滤波器系数固定的情况，其工作模式较为单一，极少需要干预，其工作状态具有较强的独立性。控制模块参与固定控制和自适应两种工作模式。在固定控制模式下，控制模块内部设定的滤波器固定，匹配稳定的声场路径。控制模块包含交互接口，该接口实现控制模块的人机交互功能。在自适应控制模式下，控制模块协同训练模块工作，调整控制模块内部的滤波器系数，使其收敛并达到稳定状态。控制模块能够实时的评估噪声控制的效果，提醒用户噪声应用场景可能发生的变化，如声场路径改变或者噪声源特性改变。训练模块具有自适应处理的功能，主要负责获取控制模块可用的声场路径传递函数。控制模块和训练模块组合工作时，系统进入自适应控制模式，形成具有自适应功能的有源噪声控制器。在自适应控制模式下，控制模块中的滤波器自适应匹配声场路径，使误差信号源的信号达到最小。具体细节如下：1)采集误差信号；训练模块设有单独的误差信号源采集接口，它采集误差信号源的声信号，训练模块根据误差信号源输入和参考信号源输入对系统参数进行调整实时优化控制模块的运算单元A中用于匹配声场路径的滤波器，使得误差信号源达到最小。滤波器系统通过自适应算法来进行更新，如FxLMS算法或者FxLMS的衍生算法，训练模块所获得的滤波器系数实时传递给控制模块。2)参数设定与数据交互；训练模块与控制模块连接后，可以设定控制模块的相关参数，包括滤波器阶数和系数值等，同时，训练模块有灵活的在线调试功能，遇到故障或者性能下降时，可以通过数据接口将当前工作状态和数据传送到计算机用于分析。训练模块包含交互接口，用于训练模块的人机交互功能：当控制模块和训练模块组合工作时，控制模块的交互接口和训练模块的交互接口可协同完成组合系统的人机交互功能。3)性能评估和检测。控制模块和训练模块在组合工作状态下，可以通过接口完成数据和信号的实时传输、保存和赋值，包括采集数据、处理结果、运行状态和系统参数等。训练模块在滤波器收敛之后能够对实际的降噪效果进行实时的评估，提醒调试人员和用户滤波器已经完成收敛，当自适应滤波器收敛过程受到干扰或者声场匹配困难时，系统能发出警告，提示变更降噪方案，如移动误差信号源、改变参考信号源参数等。在可分离式有源噪声控制系统中，可选低通滤波器是重要的组成部分，具体作用是：1)输入信号混叠：去除输入信号的高频成分，使得系统满足奈奎斯特采样定理；2)输出信号平滑：去除因数字到模拟转换而产生的高频干扰，即平滑输出信号。模拟低通滤波器本身会带来一定的电路时延，该时延会对有源噪声控制的性能有一定的约束。若传感器或者控制源本身具有低通特性，且采样率设置满足奈奎斯特采样定理，则该传感器或者控制源所对应的可选低通滤波器可以选择不作用，即旁路直通。本专利技术所提出的控制系统具备以下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可分离式有源噪声控制系统，其特征在于：1)包含控制模块(1)和训练模块(2)；2)控制模块(1)可作为独立系统，以固定控制模式运行；3)控制模块(1)和训练模块(2)可组合系统，以自适应控制模式运行；4)参考源信号源(8)输入与控制模块(1)的输入通道连接，控制信号源(9)输出与控制模块(1)的输出通道连接。误差信号源(10)输入与训练模块(2)的输入通道连接；5)在控制模块(1)中，输入信号通过可选低通滤波器(3)抗混叠处理，并经过模拟到数字转换器(4)转换成数字信号，并送给运算单元A(6)进行处理；6)在控制模块(1)中，运算单元A(6)的输出经过数字到模拟转换器转换成模拟信号，该模拟信号经过可选低通滤波器(3)平滑处理后，作为系统输出。7)在训练模块(2)中，输入信号通过可选低通滤波器(3)抗混叠处理，并经过模拟到数字转换器(4)转换成数字信号，该数字信号作为运算单元A(7)的输入。

【技术特征摘要】
1.一种可分离式有源噪声控制系统，其特征在于：
1)包含控制模块(1)和训练模块(2)；
2)控制模块(1)可作为独立系统，以固定控制模式运行；
3)控制模块(1)和训练模块(2)可组合系统，以自适应控制模式运行；
4)参考源信号源(8)输入与控制模块(1)的输入通道连接，控制信号源(9)输出与控制模块(1)的输出通道连接。误差信号源(10)输入与训练模块(2)的输入通道连接；
5)在控制模块(1)中，输入信号通过可选低通滤波器(3)抗混叠处理，并经过模拟到数字转换器(4)转换成数字信号，并送给运算单元A(6)进行处理；
6)在控制模块(1)中，运算单元A(6)的输出经过数字到模拟转换器转换成模拟信号，该模拟信号经过可选低通滤波器(3)平滑处理后，作为系统输出。
7)在训练模块(2)中，输入信号通过可选低通滤波器(3)抗混叠处理，并经过模拟到数字转换器(4)转换成数字信号，该数字信号作为运算单元A(7)的输入。
2.如权利要求1所述的可分离式有源噪声控制系统，其特征在于：控制模块(1)单独工作时，系统进入固定控制模式，运算单元A(6)中用于匹配声场路径的滤波器的固定，运算单元A(6)将参考源信号源(8)作为输入进行处理，得到控制信号源(9)的信号。
3.如权利要求1所述的可分离式有源...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈锴，卢晶，邹海山，陶建成，林志斌，邱小军，李宁荣，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32