基于飛行員耳機的有源噪聲控制裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了基于飛行員耳機的有源噪聲控制裝置，其特征在于，包括，次級聲源，用于抵消外界噪聲；參考傳感器，用于采集外界噪聲；誤差傳感器，用于采集次級聲源與外界噪聲疊加后的殘差；以及控制器，用于接收參考傳感器和誤差傳感器發出的電信號及向次級聲源發出控制信號。本發明的優點：可根據特定的噪聲環境調節控制參數，從而使噪聲控制具有目標性和選擇性，在降噪的同時保證語音信號的順利傳輸，又由于減少了低頻噪聲的掩蓋作用，因此，提高語音或音樂的清晰度。
【專利說明】基于飛行員耳機的有源噪聲控制裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及有源噪聲的控制裝置，該控制裝置應用在飛機、坦克、汽車駕駛艙等高噪聲場所。
【背景技術】
[0002]噪聲污染作為環境污染的三大公害之一，越來越受到人們的重視。噪聲污染已經成為一種不可忽視的環境問題。長期暴露在噪聲下，會嚴重影響人們的身心健康，降低工作效率。
[0003]主動噪聲控制(也可稱為有源噪聲控制)的原理是應用電子技術和電聲器件，引入一個與原噪聲聲波(初級聲波)幅值相等而相位相反的次級聲波，使其產生的噪聲與原來的噪聲在一定區域內相互抵消，從而達到降噪的目的。目前，有源噪聲控制在機理研究、系統實現及工程應用等方面均取得了長足的進展，但是針對那些高噪聲場所，諸如，飛機駕駛艙內，其效果仍不是很理想。
【發明內容】
[0004]本發明目的是解決現有技術中降噪效果不佳的問題，通過有源降噪技術的研究，提出一種新型的基于飛行員耳機的有源噪聲控制裝置，實現降低飛機上噪聲的目的，這樣不僅可以緩解飛行員的聽覺壓力，提高工作效率，而且還可以保證語音信號“干凈”的傳輸。
[0005]為了實現上述目的，本發明是這樣實現的:基于飛行員耳機的有源噪聲控制裝置，其特征在于，包括，次級聲源，用于抵消外界噪聲；參考傳感器，用于采集外界噪聲；誤差傳感器，用于采集次級聲源與外界噪聲疊加后的殘差；以及控制器，用于接收參考傳感器和誤差傳感器發出的電信號及向次級聲源發出控制信號。
[0006]所述控制器包括，
一第一運算放大電路，具有一輸入端，用于與誤差傳感器和參考傳感器連接；一輸出
端;
一第二運算放大電路，具有一輸入端，用于與誤差傳感器和參考傳感器連接；一輸出
端;
一第一抗混疊濾波器，具有一輸入端，用于與所述第一運算放大電路的輸出端連接；一輸出端；
一第二抗混疊濾波器，具有一輸入端，用于與所述第二運算放大電路的輸出端連接；一輸出端；
一多路轉換及數據保持電路具有一第一輸入端，用于與所述第一抗混疊濾波器的輸出端連接；一第二輸入端，用于與所述第二抗混疊濾波器的輸出端連接；一第三輸入端；一輸出端；
一 A/D轉換器，具有一第一輸入端，用于與所述多路轉換及數據保持電路的輸出端連接；一第二輸入端 ；一輸出端；一邏輯控制器，具有一第一輸出端，用于與所述多路轉換及數據保持電路的第三輸入端連接；一第二輸出端，用于與所述A/D轉換器的第二輸入端連接；一第三輸出端；一雙向輸入/輸出端；
一 SDRAM,具有一輸入端,用于與所述A/D轉換器的輸出端連接；一雙向輸入/輸出端；一數字信號處理器，具有一第一雙向輸入/輸出端，用于與所述SDRAM的雙向輸入/輸出端連接；一第二雙向輸入/輸出端，用于與所述邏輯控制器的雙向輸入/輸出端連接；一第三雙向輸入/輸出端，用于與計算機連接；一輸出端；
一 D/A轉換電路，具有一第一輸入端，用于與所述數字信號處理器的輸出端連接；一第二輸入端，用于與所述邏輯控制器的第三輸出端連接；一輸出端；
一平滑濾波電路，具有一輸入端，用于與所述D/A轉換電路的輸出端連接；一輸出端；以及，
一功率放大器，具有一輸入端，用于與所述平滑濾波電路的輸出端連接；一輸出端，用于與所述次級聲源連接。
[0007]優選地，所述次級聲源為單指向性的揚聲器。
[0008]優選地，所述抗混疊濾波器的截至頻率大于或等于其采樣頻率的一半。
[0009]優選地，所述A/D轉換器的字長在12以上，并采用并行式。 [0010]優選地，所述數字信號處理器采用TMS320C6000 DSP系列，例如，TMS320C6713。
[0011]優選地，所述功率放大器的輸入阻抗為5000-15000 Ω，失真度在0.05%以下。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為本發明的結構示意圖。
[0013]圖2為本發明中控制器的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖和實施例對本發明作詳細說明。
[0015]請參見圖1，圖1所示的是一種基于飛行員耳機的有源噪聲控制裝置，包括，次級聲源1，位于耳罩內，是一個用于抵消外界噪聲人為加入的揚聲器；誤差傳感器2，位于耳罩內次級聲源和初級聲源之間，用于采集聲場疊加后的殘差，以更新迭代下述控制器的權系數；位于頭帶頂端的參考傳感器3，用于采集外界噪聲并作為下述控制器的初級信號；以及控制器4，用于接收參考傳感器和誤差傳感器發出的信號及向次級聲源發出控制信號。
[0016]所述次級聲源為單指向性的揚聲器(方向與初級聲源相反)，避免給誤差傳感器和參考傳感器帶來聲反饋，影響系統穩定；參考傳感器和誤差傳感器采用靈敏度高的傳聲器，其幅頻特性在音頻范圍內盡量平穩。
[0017]所述控制器，作為本控制裝置的重要部件，完成有源控制的外部輸入信號的調整，并將其轉換為數字信號，供數字信號處理器完成自適應控制算法，同時它對輸出的數字信號加以調整并將其轉換為模擬信號。總的來說，控制器主要是完成模/數，數/模轉換及其信號的調整。其結構具體為:包括，
一第一運算放大電路5,具有一輸入端；一輸出端；
一第二運算放大電路5,具有一輸入端；一輸出端；一第一抗混疊濾波器6,具有一輸入端,用于與所述第一運算放大電路的輸出端連接；一輸出端；
一第二抗混疊濾波器6，具有一輸入端，用于與所述第二運算放大電路的輸出端連接；一輸出端；
一 多路轉換及數據保持電路7，具有一第一輸入端，用于與所述第一抗混疊濾波器的輸出端連接；一第二輸入端，用于與所述第二抗混疊濾波器的輸出端連接；一第三輸入端；一輸出端；
一 A/D轉換器8，具有一第一輸入端，用于與所述多路轉換及數據保持電路的輸出端連接；一第二輸入端；一輸出端；
一邏輯控制器10，具有一第一輸出端，用于與所述多路轉換及數據保持電路的第三輸入端連接；一第二輸出端，用于與所述A/D轉換器的第二輸入端連接；一第三輸出端；一雙向輸入/輸出端；
一 SDRAM9,具有一輸入端,用于與所述A/D轉換器的輸出端連接；一雙向輸入/輸出
端;
一數字信號處理器11，具有一第一雙向輸入/輸出端，用于與所述SDRAM的雙向輸入/輸出端連接；一第二雙向輸入/輸出端，用于與所述邏輯控制器的雙向輸入/輸出端連接；一第三雙向輸入/輸出端，用于與計算機連接；一輸出端；
一 D/A轉換電路12,具有一第一輸入端,用于與所述數字信號處理器的輸出端連接；一第二輸入端，用于與所述邏輯控制器的第三輸出端連接；一輸出端；
一平滑濾波電路13，具有一輸入端，用于與所述D/A轉換電路的輸出端連接；一輸出端；以及，
一功率放大器14,具有一輸入端,用于與所述平滑濾波電路的輸出端連接；一輸出端，用于與所述次級聲源連接。
[0018]控制器的外部輸入信號，對前饋控制系統來說，包括參考信號和誤差信號；對于反饋控制系統來說，僅有誤差信號。從理論上來講，需要注意采樣定理對A/D轉換的要求。采樣定理說明:如果一個模擬信號的上限頻率為fk，則保持該信號采樣后頻率成分不失真的必要條件是采樣頻率fs ^ 2fk。為了滿足采樣定理和保持一定的參考輸入幅度，A/D轉換之前需要進行電壓前置放大和抗混疊濾波。如果系統采樣頻率為fs，抗混疊濾波器(實質上是一個低通濾波器，其截止頻率為fs/2。)就是要濾出模擬信號中fs/2以上的頻率成分，以保證A/D轉換后的離散時間信號在頻譜上不發生混疊。
[0019]A/ D轉換器就是模擬信號在時間上采樣，在幅度上量化。有源噪聲控制中，最關心的A/D轉換器的性能指標有:量化噪聲和轉換速度。量化噪聲與A/D轉換器的字長有關。一般來說只要A/D轉換器的字長在12以上，量化噪聲對有源控制器性能造成的影響就可以忽略不計。A/D轉換器的轉換速度主要與轉換器的類型有關。從工作原理上分，A/D轉換器分并行式、雙斜積式、斜坡式、逐次逼近式等。相對說來，并行式A/D轉換器的轉換速度最快，但是隨著分辨率的提高，成本會迅速增加。對于多通道有源控制系統，選擇快速的A/D轉換器是相當重要的。本實施例選并行式。
[0020]從圖中可以看出，有源控制器輸出的是次級信號。對次級信號進行D/A轉換之后需要插入平滑濾波，其目的在于平滑D/A轉換后的階梯信號。D/A轉換器通常帶有一個零階保持器，其輸出為模擬信號。零階保持器的頻率響應是不斷衰減的低通函數組成的“臺階”，平滑濾波器就是要濾除第一個低通響應以外的信號頻率成分。
[0021]D/A轉換器就是將數字量轉換為模擬量，通過功率放大后驅動次級聲源。有源噪聲控制系統中，需要關心的D/A轉換器的性能指標主要是建立時間，它與所用元件有關，特別與一些開關器件和放大器有關。一般而言，D/A轉換器的建立時間都很短，不會對有源控制器的性能造成大的影響。
[0022]在設計抗混疊濾波器和平滑濾波器時，除了關注它們的截止頻率和幅度響應外，還應該特別注意它們的時間延遲。因為這些時間延遲作為次級通道時延特性的一部分，對系統的穩定性有著重要影響。如果抗混疊濾波器和重建濾波器的相頻響應為ΦΟω),則它們的時延特性可以用群延遲表示’有.^?^^^)/#。
[0023]濾波器相頻響應與濾波器的類型、參數及用途(作為抗混疊濾波、還是作為平滑濾波)有關。
[0024]功率放大器在設計時，要考慮飛行員耳罩的阻抗匹配問題，以保證功率放大器的轉換效率，避免過載導致功率放大器損壞；另外需要注意得是:(I)輸入阻抗:通常表示功率放大器的抗干擾能力的大小，一般會在5000—15000 Ω ,數值越大表不抗干擾能力越強；
(2)失真度:指輸出信號同輸入信號相比的失真程度，數值越小質量越好，一般在0.05%以下；(3)信噪比:是指輸出信號當中音樂信號和噪音信號之間的比例，數值越大代表聲音越干凈。
[0025]數字信號處理器在設計時，DSP芯片的選擇是非常重要的一個環節。一般來說，選擇標準主要是:運算速度(主要包括指令周期和MAC，前者指執行一條指令所需的時間，后者指完成一次乘法和一次加法所需的時間)、價格、硬件資源、運算精度、開發環境的完整和方便性、芯片的功耗等。在有源噪聲控制系統中，目前一般的DSP芯片在硬件資源、運算精度、功耗方面都能滿足要求，價格也在不斷下降。因此，選擇DSP芯片的主要標準是看它的運算能力能不能保證自適應有源控制算法的實時性，這一點對多通道有源控制系統來說就顯得特別重要。以LMS算法為例，如果一個多通道有源控制系統由J路參考信號、M路誤差信號和K個次級通路，作為控制器和建模濾波器的濾波長度分別為L和I，則實現該算法所需的乘加次數為(￡+I)x.JxMx尺。
[0026]根據綜合分析，本實施例所采用的DSP芯片為TMS320C6713為最佳，TMS320C6713是TMS320C6000 DSP系列。TMS320C6000系列數字信號處理器(DSP)是TMS320DSP家族的重要系列。該系列DSP芯片具有定點和浮點兩種，其中TMS320C62系列和TMS320C64系列為定點系列，而TMS320C67系列為浮點系列。
C6000系列的DSP均采用VelociTI結構，該結構是一種高性能的、先進的VLIW (非常長的指令字)結構，使C6000系列DSP成為多通道和多功能應用的最佳選擇。
[0027]C6000 DSP片內有8個并行的處理單元，分為相同的兩組。DSP的體系結構采用非常長的指令字(VLIW)結構。單指令字長為32位，8個指令組成一個指令包，總字長為256位。芯片內部設置了專門的指令分配模塊，可以將每個256位指令同時分配到8個處理單元，并由8個單元同時運行，因此可以在單個周期內執行多條指令。當芯片內部8個處理單元同時運行時，其最大處理能力可以達到6000MIPS(MIPS為每秒百萬條指令)。C6713的主要特性可概括如下:
?定點/浮點系列兼容DSP，主頻200MHz。
[0028]?內部存儲空間為264KX16bit。
[0029]?具有8個功能單元的先進VLIW CPU，包括2個乘法器和6個算數邏輯單元(ALU)。
[0030].每個周期可以執行多達8條指令，是典型DSP芯片的10倍。
[0031].允許設計者開發高效的類RISC (精簡指令代碼)，以便提高開發效率。
[0032]?指令打包。
[0033].為串行或并行執行的8條指令提供代碼長度等效處理。
[0034].減少代碼長度和降低功耗。
[0035].所有指令可以實現條件執行。
[0036].減少高開銷的分支轉移。
[0037].在獨立的功能單元中有效執行代碼。
[0038].應用于DSP的最有效的C編譯器。
[0039].為快速開發和提高并行工作效率而使用的匯編優化器。
[0040].8/16/32位數據支持，為各種應用提供了高效的存儲器支持。
[0041].飽和與歸一化技術為關鍵的算法操作提供了支持。
[0042]?域操作和指令提取、設置、清除及位計數支持在控制和數據操作應用中的一般操作。
[0043].為單精度(32位)和雙精度(64位)的IEEE浮點操作提供硬件支持。
[0044].32位整型乘法可以獲得32位或64位結果。
[0045]有源噪聲控制裝置工作時，由傳聲器拾取控制信號，送入控制器，產生連續的次級信號，經功率放大后驅動次級聲源，產生與初級聲信號頻率相同、相位相反的次級信號，實現噪聲的衰減。
[0046] 以上僅表達了本發明的實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1.基于飛行員耳機的有源噪聲控制裝置，其特征在于，包括，次級聲源，用于抵消外界噪聲；參考傳感器，用于采集外界噪聲；誤差傳感器，用于采集次級聲源與外界噪聲疊加后的殘差；以及控制器，用于接收參考傳感器和誤差傳感器發出的電信號及向次級聲源發出控制信號。
2.根據權利要求1所述的基于飛行員耳機的有源噪聲控制裝置，其特征在于:所述控制器包括， 一第一運算放大電路，具有一輸入端，用于與誤差傳感器和參考傳感器連接；一輸出端; 一第二運算放大電路，具有一輸入端，用于與誤差傳感器和參考傳感器連接；一輸出端; 一第一抗混疊濾波器，具有一輸入端，用于與所述第一運算放大電路的輸出端連接；一輸出端； 一第二抗混疊濾波器，具有一輸入端，用于與所述第二運算放大電路的輸出端連接；一輸出端； 一多路轉換及數據保持電路具有一第一輸入端，用于與所述第一抗混疊濾波器的輸出端連接；一第二輸入端，用于與所述第二抗混疊濾波器的輸出端連接；一第三輸入端；一輸出端； 一 A/D轉換器，具有一第一輸入端，用于與所述多路轉換及數據保持電路的輸出端連接；一第二輸入端；一輸出端； 一邏輯控制器，具有一第一輸出端，用于與所述多路轉換及數據保持電路的第三輸入端連接；一第二輸出端，用于與所述A/D轉換器的第二輸入端連接；一第三輸出端；一雙向輸入/輸出端； 一 SDRAM,具有一輸入端,用于與所述A/D轉換器的輸出端連接；一雙向輸入/輸出端；一數字信號處理器，具有一第一雙向輸入/輸出端，用于與所述SDRAM的雙向輸入/輸出端連接；一第二雙向輸入/輸出端，用于與所述邏輯控制器的雙向輸入/輸出端連接；一第三雙向輸入/輸出端，用于與計算機連接；一輸出端； 一 D/A轉換電路，具有一第一輸入端，用于與所述數字信號處理器的輸出端連接；一第二輸入端，用于與所述邏輯控制器的第三輸出端連接；一輸出端； 一平滑濾波電路，具有一輸入端，用于與所述D/A轉換電路的輸出端連接；一輸出端；以及， 一功率放大器，具有一輸入端，用于與所述平滑濾波電路的輸出端連接；一輸出端，用于與所述次級聲源連接。
3.根據權利要求1所述的基于飛行員耳機的有源噪聲控制裝置，其特征在于:所述次級聲源為單指向性的揚聲器。
4.根據權利要求1所述的基于飛行員耳機的有源噪聲控制裝置，其特征在于:所述抗混疊濾波器的截至頻率大于或等于其采樣頻率的一半。
5.、根據權利要求1所述的基于飛行員耳機的有源噪聲控制裝置，其特征在于:所述A/D轉換器的字長在12以上，并采用并行式。
6.根據權利要求1所述的基于飛行員耳機的有源噪聲控制裝置，其特征在于:所述數字信號處理器采用TMS320C6000 DSP系列，例如，TMS320C6713。
7.根據權利要求1所述的基于 飛行員耳機的有源噪聲控制裝置，其特征在于:所述功率放大器的輸入阻抗為5000-15000 Ω，失真度在0.05%以下。
【文檔編號】H04R3/02GK103905959SQ201210573027
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年12月26日 優先權日:2012年12月26日
【發明者】溫泉, 馬立超 申請人:上海航空電器有限公司