一種家用有源降噪器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種家用有源降噪器，該家用有源降噪器包括用于接收初級聲源并輸出參考信號的參考信號發射器；用于接收降噪點附近聲源信號并輸出誤差信號的誤差信號發射器；用于對參考信號以及誤差信號進行處理并產生輸出信號的自適應處理主機；用于接收自適應處理主機發出的輸出信號并發出可與初級聲源相消的次級聲源的揚聲器，所述自適應處理主機的輸出信號經功率放大器輸送至揚聲器；所述參考信號發射器、自適應處理主機及誤差信號發射器內均設置有用于無線通信的無線模塊。該降噪器在無需關閉門窗的情況下即可實現良好的降噪功效，并且可高保真無線通信，避免了有線通信的凌亂，不影響居室的美觀。
【專利說明】一種家用有源降噪器
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種家用電器，具體涉及一種用于降低室內噪音的家用降噪器。
【背景技術】
[0002] 在繁華的城市或者便利的交通要道附近，噪聲日益成為環境污染的一大公害，一 直困擾著人們。研究表明，噪聲在55?60dB范圍，會使人感到煩惱，在60?65dB范圍，會 使煩惱度大大增加，在65dB以上，則人體健康可能受到危害。噪聲影響人們的身心健康、損 傷聽力及相關系統、降低工作效率，嚴重的甚至造成安全事故。
[0003] 人們對高品質家庭生活進行著不懈追求，希望日益進步的科技水平帶給人們一個 更加寧靜和舒適的新時代，消除噪聲，營造一個環保、安靜的家庭環境從而對人們正常的工 作、學習和生活產生極大意義。
[0004] 現在普遍使用吸聲、隔聲、聲學阻尼處理等來降低噪聲的方法，這些方法的控制機 理在于通過噪聲聲波與聲學材料或者聲學結構的相互作用消耗聲波能量來達到降低噪聲 的目的，稱之為無源消聲法。在家庭中降低外界噪聲所采用關窗戶的方法就是一種無源消 聲法。無源消聲法普遍存在以下問題：
[0005] 1、家庭中長期關窗戶空氣得不到自然流通，呼吸不到外界的新鮮空氣不符合人們 追求高品質生活的要求，人們期盼的是沐浴在自然的新鮮空氣中，過著綠色、環保的家庭生 活；
[0006] 2、低頻(尤其是200Hz以下)噪聲穿透力強，一般需要體積龐大的防護材料，即使這 樣，低頻噪聲防護也很困難。
[0007] 與人們日常生活密切相關的噪聲卻大多以低頻噪聲為主，如家用電器中空調和 冰箱等產生的噪聲，居室外汽車、城鐵或飛機等交通工具經過時產生的噪聲，這就迫使人 們在對其控制上另辟蹊徑，近幾年發展起來的利用自適應信號處理技術進行有源消聲 (adaptive active noise cancellation)的方法，為噪聲控制開辟了一條新的道路。有源噪 聲控制通過某種手段在指定空間產生與噪聲源在該處噪聲幅值相等而相位相反的次級聲 源，使之與噪聲源疊加最終達到消減噪聲的目的。十九世紀80年代以后，自適應濾波理論 得到充分的發展，這種濾波器的"自適應"特性能夠自動跟蹤系統變化，因此其可以應用于 隨時間而變化的噪聲控制系統中，構成自適應有源噪聲控制系統。自適應濾波器按照某種 事先設定的準則，由自適應算法調節其本身的系統特性以達到所需要的輸出要求。
[0008] 家庭實際環境中的噪聲源（初級聲源）特性及聲空間的物理參數（如溫度、氣流 速度等）經常隨時間發生變化，若要實現較好的降噪效果，有源噪聲控制器的傳遞函數必 須是時變的，也就是要求控制器是自適應的。將自適應濾波技術應用于有源噪聲控制，是目 前有源噪聲控制技術研究的熱點。
[0009]自適應有源噪聲控制能解決無源噪聲控制的缺點，但是由于自適應有源噪聲控制 系統是一種電控制系統，因此各部件之間通過電線連接，以確立信號的通信，電線的布置會 給日常起居生活帶來不便，且非常凌亂。
[0010] 實用新型內容 toon] 本實用新型所要解決的技術問題是，提供一種家用有源降噪器，該降噪器在無需 關閉門窗的情況下即可實現良好的降噪功效，并且避免了凌亂的電線即可實現信號的通 ?目。
[0012] 為解決上述技術問題，本實用新型所述家用有源降噪器包括
[0013] 用于接收初級聲源并輸出參考信號的參考信號發射器；
[0014] 用于接收降噪點附近聲源信號并輸出誤差信號的誤差信號發射器；
[0015] 用于對參考信號以及誤差信號進行處理并產生輸出信號的自適應處理主機；
[0016] 用于接收自適應處理主機發出的輸出信號并發出可與初級聲源相消的次級聲源 的揚聲器，所述自適應處理主機的輸出信號經功率放大器輸送至揚聲器；
[0017] 所述參考信號發射器、自適應處理主機及誤差信號發射器內均設置有用于無線通 信的無線模塊。
[0018] 進一步地，所述參考信號發射器內還設有用于處理初級聲源的立體聲音頻編解碼 器，且該立體聲音頻編解碼器與設置在參考信號發射器內的無線模塊電連接，所述參考信 號發射器由充電電池供電。
[0019] 所述自適應處理主機內還設有立體聲音頻編解碼器和數字信號處理器，依次與設 置在自適應處理主機內的無線模塊電連接，所述主機由AC/DC模塊電源供電。
[0020] 所述誤差信號發射器內還設有立體聲音頻編解碼器，該立體聲音頻編解碼器與設 置在誤差信號發射器內的無線模塊電連接，該誤差信號發射器由充電電池供電。
[0021] 進一步地，所述立體聲音頻編解碼器采用TLV320AIC23芯片或SPCE061A單片機。
[0022] 進一步地，所述數字信號處理器采用FPGA、TMS6455或TS201。
[0023] 進一步地，所述揚聲器為若干個點源喇叭（即聲源范圍局限于空間點的傳統電動 揚聲器)，該家用有源降噪器為多通道控制系統。
[0024] 或，所述揚聲器為平板揚聲器，平板揚聲器連接有低音音響，該家用有源降噪器為 單通道控制系統。
[0025] 本實用新型采用上述技術方案后，具有以下優點：
[0026] 1、本實用新型是在家庭居室窗戶打開的情況下使用，使家庭居室降噪得到安靜環 境的同時能使居室內外空氣自然流通；
[0027] 2、本實用新型相對于無源消聲器可以更加有效地降低低頻噪聲；
[0028] 3、本實用新型采用無線通信方式，能在家庭居室內50米距離內穩定、高保真地通 信，克服有線通信帶來的不便。
[0029] 4、本實用新型的揚聲器可以采用點源喇叭或平板揚聲器，當采用平板揚聲器時， 由平板揚聲器發出平面聲源信號，擴大降噪空間，因此本實用新型采用平板揚聲器時無需 增加通道數，但與多通道有源降噪器具有同樣的降噪效果，且成本低下。
[0030] 5、采用平板揚聲器時，配合低音音響，可以彌補平板揚聲器低頻（80kHz以下)響應 靈敏度低的缺點，且頻率越低的音響指向性越差，越接近于低頻平面波。
[0031] 6、采用平板揚聲器時，本實用新型在家庭中使用不會破壞原有的裝修，隱蔽性好， 甚至還能為家庭居室增加美觀和裝飾，比如平板揚聲器可以風景畫、十字繡等形式懸掛在 墻上，參考信號發射器等可以與花瓶等物件融合，其美觀度極佳。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0032] 附圖1為本實用新型的控制原理示意圖；
[0033] 附圖2窗戶外的噪聲時域波形圖；
[0034] 附圖3為自適應濾波后輸出的次級聲源時域波形圖；
[0035] 附圖4為噪聲對消后誤差傳感器處誤差信號的均方歸一化時域波形圖；
[0036] 附圖5為本實用新型的結構示意圖。
[0037] 圖中標號：1_參考信號發射器；2-誤差信號發射器；3-揚聲器；4-自適應處理主 機；5-功率放大器；1'-參考信號傳感器；2'-誤差信號傳感器；4'-有源自適應噪聲 控制器。
【具體實施方式】
[0038] 考慮到現有家庭無源噪聲控制如關窗戶等導致新鮮空氣不自然流通，本實用新型 旨在提供一種自適應有源噪聲控制方案，其中圖1為自適應有源噪聲控制原理圖，來自家 庭居室窗戶外的噪聲作為初級聲源通過打開的窗戶進入室內（如圖1中左側箭頭所示)，在 靠近窗戶附近的參考信號傳感器P接收到初級聲源，參考信號送入到自適應有源噪聲控 制器4'，通過相應的自適應數字信號處理算法后自適應有源噪聲控制器4'產生輸出信 號送往功率放大器5,經過功率放大器5驅動后達到一定功率的電信號驅動揚聲器3發出相 應功率的聲波作為次級聲源，在空間同一點次級聲源和初級聲源幅度可比擬，相位近似相 差180°，次級信號與初級噪聲產生相消干涉，從而使該區域內的噪聲得以降低，根據誤差 傳感器2'得到的信號通過自適應算法調節自適應濾波器的系數，使誤差傳感器2'處的 噪聲信號最小。
[0039] 從圖1可以看出，有源自適應噪聲控制器4 '中的自適應控制模塊是整個系統的 核心，其中自適應控制模塊算法的好壞決定消聲的效果和效率。普通最小均方（LMS)誤差 算法是根據參考信號和誤差信號調整輸出信號產生次級聲源，使誤差傳感器處的聲波能量 最小來達到消聲的目的。普通LMS算法具有計算簡單和易于實現的特點，從而成為應用最 普遍的算法之一，但其受梯度噪聲影響大，收斂速度慢。為加快系統收斂速度和滿足實時性 要求，本實用新型采用歸一化LMS算法。具體來說，其權值調整遵循以下式子 ：
[0040] y (n) =ffT (η) X (η)
[0041] ff (η+1) =ff (η) + α e (η) X (η) / (r+XT (η) X (η))
[0042] 式中，Χ(η)是初級聲源信號，y(n)是次級聲源信號，W(n)是要調整的權值，e(n) 是誤差信號，α的取值在〇?2之間，（本實用新型取0.005)而r是一個較小的數（本實 用新型取0.001)，用來保證當Χ τ (n)X(n)的值很小時，權值的變化量不會太大。
[0043] 圖2、圖3和圖4為采用歸一化LMS算法進行家庭居室降噪的仿真波形圖。圖2是 窗戶外的噪聲時域波形圖，圖3是自適應濾波后輸出的次級聲源時域波形圖，圖4是噪聲對 消后誤差傳感器處誤差信號的均方歸一化時域波形圖。從圖2至圖4可以看出噪聲對消后 均方誤差即噪聲的能量經過200次左右的調整收斂后降噪效果明顯。
[0044] 如圖1以及圖2至圖4所示都是針對空間一個點來進行降噪的，為單通道系統，即 在該單通道系統中僅包含一個次級聲源和一個誤差傳感器，從圖2至圖4可以看出降噪效 果確實比較明顯。
[0045] 本實用新型的實施例1 :
[0046] 參考圖5所示，本實用新型所述家用有源降噪器包括
[0047] 用于接收初級聲源并輸出參考信號的參考信號發射器1 ;
[0048] 用于接收降噪點附近聲源信號并輸出誤差信號的誤差信號發射器2 ;
[0049] 用于對參考信號以及誤差信號進行處理并產生輸出信號的自適應處理主機4 ;
[0050] 用于接收自適應處理主機4發出的輸出信號并發出可與初級聲源相消的次級聲 源的揚聲器3,所述自適應處理主機4的輸出信號經功率放大器5輸送至揚聲器3,揚聲器 3采用若干個點源喇叭（即傳統電動揚聲器)，該家用有源降噪器為多通道控制系統。
[0051] 參考信號發射器1、誤差信號發射器2實際均為一種傳感器。
[0052] 所述參考信號發射器1、自適應處理主機4和誤差信號發射器2內均設有用于無線 通信的無線模塊。
[0053] 所述參考信號發射器1內還設有用于處理初級聲源的立體聲音頻編解碼器，且該 立體聲音頻編解碼器與設置在參考信號芯片發射器1內的無線模塊電連接，所述參考信號 芯片發射器1由充電電池供電。
[0054] 所述自適應處理主機4內還設有立體聲音頻編解碼器和數字信號處理器，依次與 設置在主機4內的無線模塊電連接，所述自適應處理主機4由AC/DC模塊電源供電。
[0055] 所述誤差信號發射器2內還設有立體聲音頻編解碼器，該立體聲音頻編解碼器與 設置在誤差信號發射器2內的無線模塊電連接，該誤差信號發射器2由充電電池供電。
[0056] 本實用新型所述立體聲音頻編解碼器應同時具有AD、DA和麥克風信號調理電路， 內置有抗混疊模擬濾波器，具有對數字信號濾波的數字低通濾波器，可以對DA輸出的模擬 信號進行驅動放大。具體可以采用TI公司，即德州儀器，Texas Instruments推出的一款 高性能立體聲音頻編解碼器TLV320AIC23芯片或臺灣凌陽科技有限公司生產的SPCE061A 單片機（SPCE061A單片機采樣率低，數字量位數少，本實施例采用TLV320AIC23芯片。）。
[0057] 本實用新型所述數字信號處理器采用FPGA以及其他一些高性能DSP (digital singnal processor，數字信號處理器)，比如TMS6455或TS201。其中FPGA高性能信號處理 器（Field - Programmable Gate Array)，即現場可編程門陣列；TMS6455是TI公司生產的 一種高性能DSP ;TS201為美國ADI公司生產的一種高性能DSP。本實施例采用FPGA數字 信號處理器。
[0058] 以上無線模塊采用無線單片機。
[0059] 作為家庭居室內使用的降噪器必須要有一定的降噪空間，而多通道系統包含兩個 以上的次級聲源和誤差傳感器。多通道系統可以擴大消聲空間，提高降噪量，但隨著通道數 的增多，控制器設計的復雜程度將大幅度增加，具體到某一個例可能是這些分類的組合，如 自適應反饋控制系統。其成本大幅度增加，難以大規模進入千家萬戶。
[0060] 本實用新型的實施例2 :
[0061] 為解決實施1成本高的問題，并考慮到作為初級聲源來自家庭居室窗戶外的噪聲 近似為平面波，利用平板揚聲器近似為平面聲源的特點，將圖1中的揚聲器不用普通的點 源喇叭而改用如圖5所示的平板揚聲器3,可以將單通道有源降噪器的消聲空間擴大，滿足 家庭用戶的需要。為了解決平板揚聲器3對于低頻（80kHz以下）響應靈敏度低的缺點，給 該平板揚聲器3配一個主要發出低頻信號（80Hz以下）的低音音響，該低音音響通過分頻 器與平板揚聲器3電連接。平板揚聲器技術已經成熟，市場上有現成的產品。平板揚聲器 表面可以根據居室環境或個人喜好貼上各種風景畫，在家庭居室墻上掛上貼有風景畫的平 板揚聲器不會破壞居室的環境，特別對于那些裝修比較豪華的居室可以保持居室的色彩協 調，使居室內顯得美觀、典雅。
[0062] 其余結構同實施例1，不再贅述。
[0063] 實施例2的具體控制過程如下：
[0064] 參考信號發射器1放置在開著窗戶的窗臺上，從窗戶外面來的噪聲由駐極體電容 式麥克風轉換成電信號送往設置在其內的TLV320AIC23芯片，該芯片內部集成了駐極體電 容式麥克風的偏置電壓和緩沖器，同時高度集成了模擬電路功能，可以將麥克風輸出的微 弱電信號調理到A/D轉換器輸入信號的要求。TLV320AIC23芯片中的模數與數模轉換器使 用了多比特sigma-delta工藝，并在內部集成了高采樣率的數字內插濾波器。該器件的數 字傳輸字長可以是16、20、24、32bit，它支持8?96kHz的采樣率。在本實用新型中A/D的 采樣率設置為48kHz，數字量設置為16位，這樣設置可以保證所采集到的參考信號數字量 高保真。TLV320AIC23芯片中集成的數字內插濾波器對A/D轉換器輸出的數字信號進行數 字濾波以DSP模式從數字音頻接口輸出。該芯片的功率消耗小于23mW，用充電電池可以長 時間工作。參考信號發射器1上電后無線單片機初始化程序通過TLV320AIC23芯片的控 制接口將TLV320AIC23設置為主設備工作模式，這樣上電后TLV320AIC23芯片就會對參考 信號以設定的參數要求進行連續采樣，源源不斷地將參考信號的數字量通過數字音頻接口 以DSP模式輸出到無線單片機的數字I/O 口。無線單片機將跟TLV320AIC23的數字音頻接 口相連的數字I/O 口設置為跟TLV320AIC23的數字音頻接口 DSP模式相兼容的工作方式， 這樣無線單片機將TLV320AIC23的數字音頻接口輸出的數字量輸入到片內集成的射頻發 射電路通過天線發射出去。參考信號發射器1的電路安裝在一個花瓶里，發射天線2厘米 長，卷在花瓶里，花瓶插入一束塑料花，麥克風隱藏在塑料花中，充電插頭在花瓶底可收縮。 誤差信號發射器2與參考信號發射器1電路和安裝結構完全一樣，唯一不同的是無線單片 機設置的發射頻率與參考信號發射器1不一樣，這是為了防止兩者發射信號互相干擾。誤 差信號發射器2放在家庭室內需要消噪聲要求最高的地方，例如需要臥室內床上的噪聲最 低，那么就將誤差信號發射器2放在床頭柜上，這樣床上的噪聲最低，家庭人員可以在床上 安然熟睡而不受窗外噪聲影響，同時開著窗戶讓室內外空氣可以自然流通。
[0065] 家用有源降噪器的自適應處理主機4中的無線單片機接收到參考信號發射器1和 誤差信號發射器2發射來的信號，接收到的數字信號源源不斷地送往FPGA高性能數字信號 處理器（FPGA，Field - Programmable Gate Array,即現場可編程門陣列），在FPGA中采用 歸一化LMS算法進行自適應數字信號處理運算，根據參考信號和誤差信號產生輸出數字信 號送往TLV320AIC23,芯片內的D/A轉換器將產生相應的模擬信號，該模擬信號送往帶功率 放大器5的平板揚聲器，平板揚聲器作為次級平面聲源發聲，從而與從窗戶外來的噪聲相 互抵消而將室內噪聲降低。FPGA的主頻為100MHz，從而保證自適應數字信號處理有足夠收 斂速度，隨著外界噪聲的變化能快速自動調整參數從而產生相應的次級聲源。自適應處理 主機4的電路安裝在平板揚聲器的背面，作為一個整體將平板揚聲器3掛在靠近窗戶的墻 上，輻射面朝向室內。平板揚聲器3及自適應處理主機4電路由AC/DC供電，AC/DC由墻上 的市電插座提供。由于平板揚聲器3的低頻響應靈敏度不夠高，因此該平板揚聲器還設置 了一個低音音響，該低音音響通過分頻器與平板揚聲器3電連接。
[0066] FPGA高性能數字信號處理器中的高性能數字信號處理算法對于窗戶外面各種噪 聲快速、超穩定地自適應收斂，尤其對于窗外運動的汽車、城鐵和飛機等交通工具產生的噪 聲能快速、高效地抵消。
[0067] 只要安裝正確，本實用新型家用有源降噪器在開窗戶的情況下能將家庭室內噪聲 降低20?30dB，從而創造一個安靜、環保的家庭環境。
[0068] 不管是實施例1還是實施例2,均采用了無線通信的方式，能在家庭居室內50米距 離內穩定、高保真地通信，克服有線通信帶來的不便。
[〇〇69] 最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非限制。盡 管參照實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本實用 新型的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本實用新型技術方案的精神和范圍，其 均應涵蓋在本實用新型的權利要求范圍當中。
【權利要求】
1. 一種家用有源降噪器，其特征在于： 該家用有源降噪器包括 用于接收初級聲源并輸出參考信號的參考信號發射器（1); 用于接收降噪點附近聲源信號并輸出誤差信號的誤差信號發射器（2); 用于對參考信號以及誤差信號進行處理并產生輸出信號的自適應處理主機（4); 用于接收自適應處理主機（4)發出的輸出信號并發出可與初級聲源相消的次級聲源的 揚聲器（3 )，所述自適應處理主機（4 )的輸出信號經功率放大器（5 )輸送至揚聲器（3 ); 所述參考信號發射器（1 )、自適應處理主機（4 )及誤差信號發射器（2 )內均設置有用于 無線通信的無線模塊。
2. 根據權利要求1所述的家用有源降噪器，其特征在于： 所述參考信號發射器（1)內還設有用于處理初級聲源的立體聲音頻編解碼器，且該立 體聲音頻編解碼器與設置在參考信號發射器（1)內的無線模塊電連接，所述參考信號發射 器（1)由充電電池供電。
3. 根據權利要求1所述的家用有源降噪器，其特征在于： 所述自適應處理主機（4)內還設有立體聲音頻編解碼器和數字信號處理器，依次與設 置在自適應處理主機（4 )內的無線模塊電連接，所述自適應處理主機（4 )由AC/DC模塊電源 供電。
4. 根據權利要求1所述的家用有源降噪器，其特征在于： 所述誤差信號發射器（2)內還設有立體聲音頻編解碼器，該立體聲音頻編解碼器與設 置在誤差信號發射器（2)內的無線模塊電連接，該誤差信號發射器（2)由充電電池供電。
5. 根據權利要求2、3或4所述的家用有源降噪器，其特征在于： 所述立體聲音頻編解碼器采用TLV320AIC23芯片或SPCE061A單片機。
6. 根據權利要求3所述的家用有源降噪器，其特征在于： 所述數字信號處理器采用FPGA、TMS6455或TS201。
7. 根據權利要求1所述的家用有源降噪器，其特征在于： 所述揚聲器（3)為若干個點源喇叭，該家用有源降噪器為多通道控制系統。
8. 根據權利要求1所述的家用有源降噪器，其特征在于： 所述揚聲器（3)為平板揚聲器，平板揚聲器連接有低音音響，該家用有源降噪器為單通 道控制系統。
【文檔編號】G10K11/16GK203870969SQ201420060475
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年2月10日 優先權日:2014年2月10日
【發明者】何先忠, 陳學歡 申請人:杭州歌麗瑞環保科技有限公司