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一种基于逆滤波频率均衡的复合式主动降噪方法与流程

时间:2022-01-23 阅读: 作者:专利查询

一种基于逆滤波频率均衡的复合式主动降噪方法与流程

1.本发明涉及耳机主动降噪技术领域,特别是涉及基于逆滤波频率均衡的复合式主动 降噪技术。


背景技术:

2.随着现代社会建设水平的飞速提高,人们的生活也越来越便利。但与此同时,人们 生活、工作环境中也增加了由各种机器产生的噪声。人们长时间处在一些恶劣的噪声环 境中将会带来严重的身心危害。因此,降低噪声水平变得越来越重要,这也与我们的生 活质量的提高息息相关。主动降噪耳机在很多工作生活环境中均可以有效的降低噪声对 人们的伤害,因此对主动降噪耳机的研究渐渐成为一个重要的课题。
3.目前减少噪声的技术可以分为被动降噪(pnc,passive noise cancelling)和主动降噪 (anc,active noise cancellation)两大类。被动降噪主要是通过吸声材料来吸收噪声, 材料的性质决定了降噪效果;被动降噪对高频噪声有较好的削减作用,但由于材料尺寸 等原因其适用性有限。主动降噪是实时发出噪声的反相噪声,通过声波的互相干涉来达 到消减噪声的目的。主动降噪对低频噪声有较好的抑制作用,且适用性较强。主动降噪 技术也被广泛运用于汽车、家电、高铁、便携式穿戴设备等领域。主动降噪在便携式穿 戴设备领域一个典型代表就是主动降噪耳机。主动降噪耳机可以显著改善人们工作学习 休息的噪声水平进而提高人们的生活质量。但随着现代微型数字信号处理器芯片和集成 电路技术的飞速发展,以dsp技术为基础的主动降噪技术也迎来了新的挑战;比如复杂 噪声环境下的主动降噪问题,如何将迅猛发展的数字信号处理器技术与相关算法高效结 合等问题。然而无论主动降噪技术怎样发展,如何有效提高主动降噪量仍是主动降噪耳 机技术的主旨。
4.为了改善扬声器系统固有的频谱失真的问题,本发明提出了一种基于逆滤波的频率 均衡方法;并将该种方法运用于前馈加反馈的复合式主动降噪耳机系统,得到了一种新 的主动降噪控制方案。


技术实现要素:

5.主动降噪耳机的原理是通过扬声器产生反相噪声来抵消初始噪声。而扬声器系统的 加入必然会引入频谱的失真,这种失真会使次级声道模型变得复杂,不利于实时主动降 噪中对初级声道的在线辨识。事实上,声音在空间中从一点近距离传播到另一点的过程 中,其频率的改变很小更多的是相位的延迟。本发明提出了一种基于逆滤波频率均衡的 腐蚀式主动降噪方法,将频率均衡运用到主动降噪模型中,那么次级声道模型将变成一 个纯延时系统。这种纯延时的系统只有相位的延迟,更接近于声音在两点之间的传递规 律。
6.本发明的技术方案如下:
7.本发明提出了一种基于逆滤波频率均衡的复合式主动降噪方法。首先通过对主动降 噪耳机控制结构、fxlms算法以及经典lms算法的研究基础上提出了改进的rnlms 算法。
同理次级声道传递函数做同样处理,将其变成 纯延时环节。最后将模型次级声道模型级联后产生的纯延时环节向前移动两种系统结构;
17.进一步地,步骤4频率均衡的计算机稳态误差验证具体包括:纯延时环节前移输入 参考信号多了一个最小相位系统环节s
min
(z),该环节的加入使系统变得复杂,这必然会 减慢系统辨识的速度,增大系统稳态误差。然后通过计算机采用均值为0,均方为0.1的 高斯白噪声作为输入信号仿真验证,未前移纯延时环节逆滤波频率系统比前移系统明显 小。
18.进一步地,步骤5系统模型实验验证具体包括:在理论和仿真效果验证测试后,在 半消音环境下利用德州仪器的tms320c6748lcdk开发板为平台运行主动降噪算法。 使用高斯白噪声对次级声道和反射通道进行离线建模,分别测定anc关闭,anc开启 经典fxlms算法,anc开启逆滤波均衡的fxlms算法这3种条件下的实时降噪结 果。通过对比稳态误差可以看出采用逆滤波均衡方案的控制系统所得的稳态误差比经典 fxlms算法的稳态误差更小(约9db),从功率谱密度看出基于fxlms算法的anc系 统对功率占比高的频率成分有很好的降噪效果,采用频率均衡的方案加强了对功率占比 低的频率成分的降噪效果。
19.本发明所述的一种基于逆滤波频率均衡的复合式主动降噪方法的优点如下:
20.1、本发明提出了一种基于逆滤波的频率均衡方法;并将该种方法运用于前馈加反 馈的复合式主动降噪耳机系统,得到了一种新的主动降噪控制方案。
21.2、为了提高降噪效果,本发明的主动降噪控制方案还补偿了次级声源扬声器对参 考信号造成的污染。
22.3、本发明通过计算机仿真和基于dsp实时降噪实验表明,本发明提出的新的主动 降噪控制系统具有良好的降噪效果。
附图说明
23.图1:本发明方法的实现流程;
24.图2:前馈及反馈复合式降噪控制结构;
25.图3:经典fxlms系统的等效拆解图;
26.图4:逆滤波fxlms系统的等效拆解图;
27.图5:经典fxlms算法仿真结果;
28.图6:逆滤波fxlms算法仿真结果;
29.图7:完整anc控制结构图;
30.图8:主动降噪实验;
31.图9:经典算法fxlms算法时域波形实验结果;
32.图10:逆滤波均衡fxlms算法时域波形实验结果;
33.图11:fxlms算法与逆滤波算法稳态噪声误差;图12:三种测试条件下功率谱密度;
具体实施方式
34.本发明方法实现的流程:
35.步骤1:确定主动降噪的研究对象
36.通过分析三种常规的耳机主动降噪控制模型的优缺点,确定复合式主动降噪耳机的 控制方式作为主要研究对象;
37.步骤2:rxlms算法提出与验证
38.在nlms的基础上,权值迭代更新中引入相对误差为误差的绝对值和参考信号的 平均幅值的比值。提出一种在误差较大时采用大步长加快算法收敛,稳态收敛误差较小 时采用较小步长以较小稳态误差的rnlms算法。根据所述算法进行理论分析和计算机 仿真验证;
39.步骤3:非最小相位系统逆变换
40.基于上述研究对象和fxlms算法模型基础上,在次级声通道和初级声通道前加入 对应的逆最小相位系统;根据所述次级声通道和初级声通道的变换,等效为经典和逆滤 波fxlms系统,理论分析对比两者的稳态误差;
41.步骤4:频率均衡的稳态误差验证
42.采用均值为0,均方为0.1的高斯白噪声作为系统的输入信号,利用经典lms算法 进行系统辨识,仿真结果表明经典fxlms系统比逆滤波fxlms系统的稳态误差要大。
43.步骤5:系统模型实验验证
44.根据上述的逆滤波均衡模型又考虑了次级声源对参考麦克风的影响,给出完整的主 动降噪控制模型。基于所述控制模型在半消音室进行实时主动降噪实验。
45.下面结合附图,以搭建的试验条件测试本发明提出的算法有效性,对本发明进一步 说明。
46.具体实施步骤如下:
47.步骤1:通过对比前馈式、反馈式和前馈及反馈复合式控制方式的适用性、稳定性、 设计难度和降噪效果等方面,确定研究的主动降噪控制结构采用前馈加反馈的复合控制 方案如图1。
48.步骤2:通过分析fxlms算法、lms算法和nlms算法的性能和收敛速度,提出 可以变步长的rnlms算法。采用经典lms模型进行仿真实验,取误差和输入信号功 率比值来衡量算法的性能。理论分析和计算机仿真效果表明算法达到了预期的结果,收 敛速度比nlms更快、稳态误差相当,且不受信号功率改变。
49.步骤3:由逆滤波原理可知任何一个非最小相位系统h(z)可以分解为一个最小相位 系统h
min
(z)和一个全通系统h
ap
(z)级联的形式h(z)=h
min
(z)h
ap
(z)。在该系统前级联一 个最小相位系统的逆系统,将变成一个全通系统据此将次级声道和初级声道函数变成纯延时环节,最后将模型次级声道模型级联后产生 的纯延时环节向前移动两种系统结构经典fxlns等效系统如图2和简化的逆滤波 fxlms系统如图3;
50.步骤4:根据步骤3所述的两种系统控制方式,通过计算机采用均值为0,均方为 0.1的高斯白噪声作为输入信号仿真验证,经典fxlms等效系统的稳态误差如图4和 简化的逆滤波fxlms系统如图5,结果表明未前移纯延时环节逆滤波频率系统比前移系 统明显小。
51.步骤5:在步骤4的逆滤波频率均衡控制方式基础上,考虑反射通道对级联后的模 型影响构造完整的主动降噪控制方案如图6。随后在半消音室环境下的实验环境如图7 下
进行测定anc关闭,anc开启经典fxlms算法,anc开启逆滤波均衡的fxlms 算法这3种条件下的实时降噪结果如图8、9。通过对比稳态误差可以看出采用逆滤波均 衡方案如图10的控制系统所得的稳态误差比经典fxlms算法的稳态误差更小(约9db), 从功率谱密度如图11看出基于fxlms算法的anc系统对功率占比高的频率成分有很 好的降噪效果,采用频率均衡的方案加强了对功率占比低的频率成分的降噪效果。