一種多點反饋的主動降噪系統及方法與流程
2023-09-16 07:18:10
本發明涉及降噪的技術領域，具體涉及一種多點反饋的主動降噪系統及方法。
背景技術：
在工作和生活環境中，噪聲汙染隨處可見，這些噪聲對人們的身心健康造成了不良影響。為解決噪聲問題，分別有被動降噪和主動降噪兩種方案。被動降噪利用吸聲材料或腔體對噪聲進行隔離和吸收，進而降低噪聲；而主動降噪是一種有源降噪方法，基於檢測到的噪聲信號，利用聲源發出與噪聲信號幅值相同、相位相反的信號對噪聲信號進行抵消，進而消除噪聲。與被動降噪相比，主動降噪在中、低頻段具有更出色的降噪水平，對某些特定的場景具有顯著的降噪效果。近年來，隨著人們生活水平的提高和數位訊號處理技術的飛躍，對主動降噪技術的迫切需求促使該技術發展迅速。
現有的主動降噪技術能夠在噪聲環境下針對開放空間中的某一位置進行噪聲消除。該技術通過在噪聲消除點測量噪聲信號，基於該噪聲信號利用濾波電路產生消噪信號，達到消除消聲的目的。這種主動降噪方法是一種基於單輸入單輸出系統的設計方法。而針對開放空間進行多點降噪，需要根據多個噪聲信號設計多個濾波器，並且考慮各消噪信號對彼此的影響，單輸入單輸出系統的設計方法並不適用於上述情況，因此無法解決開放空間的多點降噪問題。
技術實現要素：
為解決開放空間的多點降噪問題，本發明提出一種基於多輸入多輸出控制系統設計方法的濾波器，具體涉及一種多點反饋主動降噪系統及方法。
為實現上述目的，本發明提供一種多點反饋的主動降噪系統，所述多點反饋的主動降噪系統包括：微控制單元(mcu)、檢測單元、執行單元以及數位訊號處理(dsp)單元。所述微控制單元包括模/數轉換單元和微處理器；所述檢測單元為若干噪聲信號檢測裝置；所述執行單元為若干消噪信號發生裝置；所述數位訊號處理單元包括模/數轉換單元、數位訊號處理器以及數/模轉換單元；
所述檢測單元檢測到的噪聲信號分別作為控制單元和數位訊號處理單元的輸入信號；所述微控制處理單元基於輸入信號進行處理，並將輸出信號傳輸至數位訊號處理單元；所述數位訊號處理單元以噪聲檢測信號和微處理單元輸出信號作為輸入信號進行計算，將計算結果輸出；數字處理單元輸出信號作為執行單元輸入信號，執行單元根據輸入信號產生消噪信號。
進一步地，檢測單元可在不同位置分別放置檢測裝置測量該處的噪聲。
進一步地，檢測裝置檢測到的信號可為噪聲的振動信號或聲信號。
進一步地，執行單元可在不同位置分別放置消噪信號發生裝置。
進一步地，消噪信號發生裝置為揚聲器。
進一步地，微控制單元可在線設計或修改濾波器參數。
進一步地，假設檢測到的噪聲信號有m個，n個消噪信號，則需要設計的濾波器為m×n個，為一個濾波器陣列h，
本發明還提供一種多點反饋的主動降噪方法，所述方法包含以下步驟：
步驟(1)檢測裝置將檢測到噪聲的振動信號或聲信號分別傳輸至數位訊號處理單元和微控制單元；
步驟(2)噪聲信號經過數位訊號處理單元的模/數轉換單元轉換成數位訊號後傳輸至數位訊號處理器；
步驟(3)噪聲信號經過微控制單元的模/數轉換單元轉換成數位訊號後傳輸至微處理器，微控制器根據噪聲信號分析噪聲的頻譜分布情況，並據此設計降噪電路的濾波器參數，將得到的濾波器參數輸出至數位訊號處理器；若噪聲頻譜發生變化，微控制理器還可對濾波器參數進行修改。
步驟(4)數位訊號處理器根據噪聲的數位訊號和濾波器參數進行計算，並將計算結果傳輸至數/模轉換單元，轉換成模擬消噪信號輸出；
步驟(5)模擬消噪信號傳輸至執行單元，執行單元播放該消噪信號，對噪聲進行抵消。
與現有技術相比，本發明的優勢在於：採用多輸入多輸出主動降噪系統設計方法一方面解決了單輸入單輸出主動降噪系統無法解決的開放式空間多點降噪的問題，另一方面能夠用於解決單輸入單輸出主動降噪系統的設計問題，由於採用多個檢測裝置對噪聲進行更精準的測量，提升降噪效果。
附圖說明
圖1多點反饋主動降噪系統結構圖；
圖2多點反饋主動降噪方法原理圖。
具體實施方式
為進一步理解本發明的技術方案與特點，下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
在本發明實施過程中，提供一種多點反饋的主動降噪系統。參閱附圖1，該系統包括微控制單元(mcu)、檢測單元、執行單元以及數位訊號處理(dsp)單元。微控制單元包括模/數轉換單元和微控制器；檢測單元為若干噪聲信號檢測裝置，確定將麥克風作為噪聲信號檢測裝置；所述執行單元為若干消噪信號發生裝置，確定揚聲器作為消噪信號發生裝置；數位訊號處理單元包括模/數轉換單元、數位訊號處理器以及數/模轉換單元。
檢測單元的信號出口分別連接至數位訊號處理單元的模/數轉換裝置的入口、微控制單元的模/數轉換裝置的入口；微控制單元的模/數轉換裝置的出口連接至微控制器的入口，微控制器出口連接至數位訊號處理器的入口，同時，數位訊號處理單元的模/數轉換裝置的出口也連接至數位訊號處理器的入口；數位訊號處理器的出口連接至數/模轉換裝置的入口，數/模轉換裝置的入出口連接至執行單元的入口，執行單元播放消噪信號。
本實施例，在開放空間中放置多個麥克風檢測噪聲的聲信號。針對開放空間的多點降噪需求，在相應位置放置多個揚聲器。微控制器用於在線計算降噪濾波器的參數，數位訊號處理器根據噪聲信號和濾波器參數計算得出消噪信號。
假設需要根據m個噪聲信號u＝[u1u2…um]t，其中，um表示第m個噪聲信號，通過設計濾波器h，得到n個消噪信號y＝[y1y2…yn]t，其中，yn表示第n個消噪信號。利用消噪信號消除開放空間中多點噪聲。濾波器h為一個濾波器矩陣，可用式(1)表示，並滿足條件，式(2)。其中hnm表示基於第m個噪聲信號對第n個消噪信號設計的濾波器。
本發明還提出一種多點反饋的主動降噪方法，本實施例執行以下步驟：
步驟(1)檢測裝置將檢測到噪聲的聲信號分別傳輸至數位訊號處理單元和微控制單元；
步驟(2)噪聲信號經過數位訊號處理單元的模/數轉換單元轉換成數位訊號後傳輸至數位訊號處理器；
步驟(3)噪聲信號經過微控制單元的模/數轉換單元轉換成數位訊號後傳輸至微控制器，微控制器根據噪聲信號分析噪聲的頻譜分布情況，據此設計降噪電路的濾波器參數，將得到的濾波器參數輸出至數位訊號處理器；若噪聲頻譜發生變化，微控制理器還可對濾波器參數進行修改；
步驟(4)數位訊號處理器根據噪聲的數位訊號和濾波器參數進行計算，並將計算結果傳輸至數/模轉換單元，轉換成模擬消噪信號輸出；
步驟(5)模擬消噪信號傳輸至執行單元，執行單元播放該消噪信號，對噪聲進行抵消。
步驟(3)中，微控制器設計濾波器，原理參閱圖2。圖2所示的系統為反饋系統。h表示濾波器矩陣，g表示揚聲器傳聲特性矩陣，降噪效果最佳，即消噪信號與環境噪聲信號差值e最小。上述濾波器設計問題可歸納為如下優化問題：求取使式(3)最小的濾波器矩陣h，式(3)中i表示單位陣。微控制器還需在計算過程中保證系統穩定，即降噪系統不發生嘯叫情況。
以上對本發明實施例所提供的一種多點反饋的主動降噪系統及方法進行了詳細介紹，實施例的說明只是為幫助理解本發明的核心思想。對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。