专利名称：在主动降噪系统中模仿次级路径的方法
在主动降噪系统中模仿次级路径的方法
技术领域：
本发明涉及在主动降噪系统中模仿次级路径的方法，所述降噪系统 包含传输线路、可自适应调节的滤波器和加法单元，其中依据所述加法 单元的一种输出信号调节所述可自适应调节的滤波器，还涉及运行主动 降噪系统的方法。
噪音源越来越被感受到是一种环境污染并且降低生活质量。因为噪 音源往往不可避免，所以有人根据消波原理提出了降噪方法。
主动降噪(ANC或者"主动噪音消除")的原理基于通过干涉消除 声波。这种干涉由一或者多个电声换能器(例如由扬声器)产生。由所 述电声换能器发出的信号，借助一个适当的算法来计算并且不断地校 正。由一个或者多个传感器提供的信息是计算从所述电声换能器所要发 出的信号的基础。它们一方面是关于需要最小化信号特性的信息。为此 例如可以采用一个微音器来探测需要最小化的噪音。另一方面则还需要 关于保留下来的剩余信号的信息。为此也可以采用微音器。
主动降噪中应用的基本原理已由Paul Lueg博士在l935年公开 号为AT-141 998B的一个专利中说明。该文献披露了 ，如何可以在一
个管子中借助产生一个反相位的信号来消除噪音。
一种用于主动降噪的算法需要至少一个用以查明剩余误差的传感器 (例如一个微音器)提供的信息。视应用和采用的算法而异，还加上另 一个传感器，用来提供关于需要最小化信号特性的信息。此外一个自适 应的降噪系统还需要一个或者多个执行器(例如以扬声器的形式)用于 输出所述校正信号。所述传感器的信息必须由一个模数转换器转换成一 个相应的格式。在通过所述算法处理以后把该信号由一种数模转换器转 换回模拟信号并且向所述执行器传输。该转换器的分辨率以及其动力都 受限制。
在下文称为ANC的"主动噪音消除"的应用中，所使用的算法的稳 定性是一个决定性的因素。当前使用一系列的专用算法，例如LMS(最 小均方)或者与之同源的Fx-LMS算法。尤其是所述Fx算法有良好的稳 定性并且因此可以良好地用于ANC系统。前缀"Fx" 在此表明是模仿 所谓的"次级路径，，，所述次级路径包含所采用的执行器、传感器、放大器、模数转换器、数模转换器和传输路径的特性以及所有其它对需要 传输的信号有影响的特性。该"次级路径"在下文中也称为"部件影响"。
下面对一些常用的用于查明所述次级路径(部件影响)的方法进行 说明并且指出其弱点。
其中Muhammad Tahir Akthaa:、 Masahide Abe和Masayuki Kawamat在为"声学回波和噪音控制国际工作会议(IWAEN2003 )" 2003年九月在东京发表的"A New Structure For Feed forward Active Noise Control Systems with Online Secondary-Path Modeling"(—种有在线次级路径模拟的前馈主动噪音控制系统的新结 构)的文章中说明了一个集成了次级路径的完整的ANC系统。
在该文献中说明了一种次级路径(部件影响)的离线模拟。该确定 所述次级路径的公知方法称为"离线模拟"，因为是在事前，也就是说 在系统不工作时确定所述次级路径的特性。
一旦借助白噪音确定了所述部件影响(所述次级路径的特性)，就 立即由LMS算法把一个模仿该特性的滤波器计入到所述计算中。
这种确定所述次级路径(部件影响)的方法在特性上共同的是，对 于计算所述部件影响(次级路径)与频率响应无关地考虑在所述执行器 与传感器之间出现的时间延迟。因为这种时间延迟却是所述次级路径的 一个重要特性，在模拟所述部件影响(次级路径)时忽略这种时间延迟 有损于整个系统的效率和稳定性。在环境参数改变时，例如气压或者温 度改变时，信号的传播时间也改变。如果所述信号的传播时间变短，所 述算法通过在所述次级路径的模型中预先给定的延迟慢得不能够提供满 意的结果。其结果可能是出现更差的衰减特征并且在极端的情况下形成 一个不稳定的系统。
在运行中确定所述次级路径的另一种方法由Sen M.Kuo在美国专 利5, 940， 519中进4亍了i兌明。
该方法中的想法在于，附加地给应当消除的噪音混合进一个信号， 并且根据该信号的改变确定所述次级路径的(部件影响)的特征。在通 过所述执行器(在该情况下是一个扬声器)输出所谓"抗噪音信号，，以 前，重新滤除掉所述附加的信号。该方法的缺点是，所述信号总是存在。
如果在ANC的情况下采用所述次级路径(部件影响)的模型，其特 性自动地加入到所述"反噪音，，的计算中。如果所述次级路径的模型包含一个时间延迟，如在通常的模型中就是这种情况，所述系统就受到不 再能够平衡所述信号传播时间的变化的局限。这种情况尤其出现在所述 信号的传播时间缩短时。
因此本发明的技术问题是提出 一种没有前述缺点的方法。
该技术问题通过在权利要求l中说明的特征得到解决。有利的实施 方式和一种运行主动降噪系统的方法在其它的权利要求中说明。
本发明首先涉及一种在主动降噪系统中模仿次级路径的方法，所述 降噪系统包含传输线路、可以自适应调节的滤波器和加法单元，其中所 述可自适应调节的滤波器依据所述加法单元的输出信号来调节。如本发明所述的方法包含以下步骤
-向所述传输线路和具有一个可调节的传输函数的所述可自适应调 节的滤波器输送一个已知信号；
-如此调节所述自适应滤波器或者其传输函数，使得所述加法单元 的输出信号最小；
-为产生所述次级路径的模仿在可自适应调节的滤波器的传输函数 中去除或已经去除信号通过所述传输线路的延迟时间。
从而首次创立了 一种方法，用它信号传播时间对所述次级路径的影 响不复存在，从而达到对所述主动降噪系统的系统稳定性的实质性改 善。
在如本发明所述方法的一个实施变例中确定所述延迟时间，为此尤 其是采用一个基于峰值搜索法的方法。由此能够特别准确地查明延迟时 间，这使得在以后的运行中有突出良好的系统性能。
在如本发明所述方法的一个进一步的实施方式中，所述可自适应调 节的滤波器在频域中工作。
在如本发明所述的方法的一个更进一步的实施方式中，把白噪音作 为已知信号输送给所述传输线路和所述可自适应调节的滤波器。
在如本发明所述方法的另一个实施方式中设置，在向所述可自适应 调节的滤波器输送所述已知信号以前，通过一个变换把所述已知信号从 时域变换到频域中，并且在向所述加法单元输送所述传输线路的输出信 号以前通过一个变换把所述传输线路的输出信号从时域变换到频域中。
在如本发明所述方法的一个更进一步的实施方式中设置，在从时域 向频域变换时只继续使用振幅语。由此使模拟所述次级路径得到进一步
简化并且从而提高效率。
在如本发明所述方法的一个更进一步的实施方式中设置，向所述可 自适应调节的滤波器输送一个有恒定振幅谙的已知信号，并且，在向所 述加法单元输送所述传输线路的输出信号以前，通过一个变换把所述传 输线路的输出信号从时域变换到频域中。
在如本发明所述方法的一个进一步的实施方式中不继续使用所述已 知信号的相位谱。由此得到一种进一步的简化。
最后给出 一种运行一个主动降噪系统的方法，所述主动降噪系统包 含一个传输线路、 一个可自适应调节的滤波器和一个加法单元，其中依 据所述加法单元的 一个输出信号调节所述可自适应调节的滤波器，并且 其中一个模仿的次级路径如此地作用在所述可自适应调节的滤波器上， 使得能够考虑次级路径影响，其中所述次级路径的模仿已按照以上说明 的方法进行。
下面借助实施例参照附图进一步说明本发明。在附图中
图l是一种公知的根据"离线模拟"法确定所述次级路径方法的简 化方框图，
图2示意地示出一种如本发明所述方法的一个实施方式的筒化方框图，
图3示出一个公知的用于确定所述次级路径特性的方法的另一个简 化的方框图，
图4是用于说明一个如本发明所述方法的一个简化的图示，
图5是用于说明一个如本发明所述方法的另一个简化的图示，
图6是一种如本发明所述方法的另一个简化的方框图，
图7是一个如本发明所述的方法的另一个实施方式的一个方框图，
图8是一种信号曲线的一个例子，并且
图9是一种信号曲线的另一个例子。
图1由一个噪音发生器单元l、其特性需要模仿的、具有传输函数 H(z)的传输路径2，和一个其中含有实际的输函数H(z)的模型S(z) 并且由一个用以完成自适应算法的自适应单元4控制的滤波器3。从而 模型H(z)是传输路径2中的传输函数H (z)的模仿。
向传输路径2、滤波器3以及自适应单元4馈给由一个由噪音发生 器单元1 (随机噪音发生器)随机产生的信号。从传输路径2和滤波器3
的输出端得出的信号d(n)、 y(n)在一个加法单元5中构成一个和，其 中在求和前将滤波器3的输出信号y(n)反相。
将由此得出的剩余信号e (n)输送给自适应单元4。在所述自适应单 元4中完成的算法把滤波器3调节得使剩余信号e(n)最小。如果剩余信 号e(n)6等于零，就获得了整个系统的一种理想的调节。在此情况下， 传输函数H (z)与模型fi (z)相同。
图3示出确定所述次级路径(部件影响)特性的一种公知的方法。 一个传输路径由一个放大单元8、 一个执行器9 (例如一个扬声器)，一 个传感器10 (例如一个微音器)和一个传感器放大器11构成。 一个噪 音发生器单元7向该传输路径、滤波器13和自适应单元15馈给白噪音。 滤波器13由在自适应单元15中完成的自适应算法调节得4吏加法单元14 的结果最小，其中必须反相这两个和项之一。在该方法中将归结于所述 次级路径(部件影响)的时间延迟包含进滤波器13的计算中。在此所述 次级路径(部件影响)由放大器8、 11、执行器9、传感器10和执行器 9与传感器10之间的传输媒介的特定影响组成。这只是配置次级路径的 多个可能性中的一个。还可以采用其它的执行器和传感器取代一个扬声 器和一个微音器。在一定的情况下微音器放大器11还可以包含一个滤波 器。
于是本发明在于，通过把所述信号从时域变换到频域消除出现在所 述次级路径中的信号传播时间的影响。这借助于在图2中示出的如本发 明所述的实施变例说明。
图2示出一个如本发明所述的用于确定所述次级路径(部件影响) 特性的系统的原理结构，所述次级路径由不同的部件，譬如放大器8、执 行器或者扬声器9、传感器或者微音器IO、传感器放大器或者微音器放 大器11以及执行器9与传感器10之间的传输媒介组成。噪音发生器单 元7向所述次级路径馈给白噪音。同时把所述噪音输送给一个变换单元 12，所述变换单元进行一种从时域向频域的变换。在所述次级路径的终 点，另一个变换单元16把所述信号变换到频域。在单元15中采用的自 适应算法把滤波器13调节得使在加法单元14中构成的和最小，其中， 在求和之前从滤波器13得出的信号被反相。
通过在变换单元12和16中进行的从时域向频域的变换排除多数在 次级路径中出现的传播时间在时间上的变化。事实表明，以2*丌的整倍
数错开的某些信号成分无法被排除。也就是说，滤波器13只代表所述次 级路径(部件影响)在频域中的特性。
在此，与图3所示方法的区别是在变换单元12和16中所进行的 从时域向频域的变换。
借助图8说明如本发明所述方法的另一个实施变例，用该实施变例 可以确定时间延迟T。在此，在图8中示出了所述传输线路的一个脉冲 响应S (t)，其中，在时间点t-0给所述传输线路输入一个信号。从脉 冲响应fi(t)中查明为选除而查找的时间延迟T。为此，例如借助一种 公知的峰值搜寻法消除含在脉冲响应S (t)中的、在所述脉冲响应fi (t) 的最大值31之前出现的成分，方法是，在包含在所述脉冲响应中的信息 中追朔一定数量的扫描值。从而，在使用了所述峰值搜寻法后得到一种 如在图9中所示的曲线。这种排除时间延迟的方法的优点在于，可以非 常准确地确定所述延迟T。
图4示出白噪音的频谱。在横座标上标出频率20，而在纵座标上 标出振幅19。该频谱示出振幅17的恒定的曲线。
图5示出如图4所示的白噪音通过所述次级路径以后的频谱。还是 在横座标上标出频率20，在纵座标上标出振幅19。这时所述频谱不再表 现恒定的振幅谱，而是一个随着频率变化的振幅谱。该振幅谱示出在用 如图4所示的曲线激励以后一个次级路径在频域中的一种可能的输出信号。
在图2中由噪音发生器单元l产生白噪音，这意味着，每个单个频 率的振幅17都一样大。这在图4中示出。
在所述白噪音通过所述次级路径以后，振幅18不再在每个频率都 一样大，如从图5中可见的那样。
图6示出一个具有两个在其中生成白噪音的噪音发生器21和22 的方框图。为了计算所述次级路径，在滤波器13的输入端和在自适应单 元15使用一个恒定的值。 一个数量的使用(在此情况下是以一个恒定的 值取代复杂的信号)是对模拟所述次级路径的一种进一步简化。
图7中示出一个简单的ANC系统。在下面说明在频域中已查明其次 级路径的一个ANC系统的工作方式。
需要最小化的信号x (n)用28指代，保留的剩余信号e(n)用29 指代、传输函数为H的传输线路用23指代，并且用以模仿传输线路H的滤波器S用24指代。方框25和26值得特别注意。就是用25指代 所述次级路径(部件影响)，并且用26给出对次级路径(部件影响)的 估算。也就是说在方框26中存储此前借助在图2和图3中所说明的方 法查明的参数。
如果采用在图3中所说明的公知的方法，就要受到前文中已经说明 的制约，即无法考虑信号在所述次级路径中的传播时间在时间上的变 化。如果在方框26中的信号传播时间影响大，这就不再能够由滤波器 24校正。
相反，如果已经用在图2中说明的如本发明所述方法查明所述参 数，所述信号传播时间对所述次级路径模型的影响就不再存在。然而， 在滤波器13 (图2或者图6)中查明的参数必须在存入所述次级路径模 型(方框26)之前，事先借助一个逆变换从频域向时域变换。从而方框 26说明次级路径25的频率特性。在所述需要最小化的信号x (n) —方面 受到传输线路23影响，和另一个方面通过滤波器24以及次级路径25 处理之后，在加法单元14中又构成一个和。要注意的是，如在附图中所 示，在用加法单元求差之前必须对这两个和项之一进行反相。所述完成 一种自适应算法的自适应单元27如此控制滤波器24，使得剩余信号 e(n)29尽可能小，也就是说最小。
权利要求
1.在主动降噪系统中模仿次级路径的方法，所述降噪系统包含传输线路(8、9、10、11)、可自适应调节的滤波器(13)、加法单元(14)，其中，依据所述加法单元(14)的输出信号调节所述可自适应调节的滤波器(13)，其中所述方法包含以下步骤-向所述传输线路(8、9、10、11)和具有可调节的传输函数的所述可自适应调节的滤波器(13)输送一个已知信号；-按照以下方式调节所述自适应滤波器(13)或者其传输函数使得所述加法单元(14)的输出信号最小；-为产生所述次级路径的模仿在可自适应调节的滤波器(13)的传输函数中去除或已经去除信号通过所述传输线路(8、9、10、11)的延迟时间(T)。
2 .如权利要求1所述的方法， 其特征在于，确定所述延迟时间(T)，其中为此尤其是采用基于峰值搜索法的方法。
3. 如权利要求1所述的方法， 其特征在于，所述可自适应调节的滤波器(13)在频域中工作。
4. 如权利要求1或3所述的方法， 其特征在于，把白噪音作为已知信号输送给所述传输线路(8、 9、 10、 ll)和所 述可自适应调节的滤波器(13)。
5. 如权利要求1、 3、 4之一所述的方法， 其特征在于，在向所述可自适应调节的滤波器(13)输送所述已知信号以前，借 助一个变换把所述已知信号从时域变换到频域中，并且在向所述加法单 元(14)输送所述传输线路(8、 9、 10、 11)的输出信号以前，借助一 个变换把所述传输线路(8、 9、 10、 11)的一个输出信号从时域变换到频域中。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，在从时域向频域变换时只继续使用振幅谱。
7. 如权利要求1、 3、 4之一所述的方法， 其特征在于，向可自适应调节的滤波器(13)输送有恒定振幅谱的已知信号，并 且，在向所述加法单元输送所述传输线路(8、 9、 10、 11)的输出信号 以前，借助一个变换把所述传输线路(8、 9、 10、 ll)的一个输出信号 从时域变换到频域中。
8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，不继续使用所述已知信号的相位语。
9. 运行主动降噪系统的方法，所述主动降噪系统包含传输线路(8、 9、 10、 11)、可自适应调节的滤波器(13)和加法单元(14)，其中 可以依据所述加法单元(14)的输出信号调节所述可自适应调节的滤波 器(13)，并且其中一个模仿的次级路径按照以下方式作用在所述可自 适应调节的滤波器(13)上使得考虑次级路径影响，其特征在于，按照权利要求1至8之一进行所述次级路径的模仿。
全文摘要
给出了一种在主动降噪系统中模仿次级路径的方法，所述降噪系统包含传输线路(8、9、10、11)、可以自适应调节的滤波器(13)和加法单元(14)，其中，依据所述加法单元(14)的输出信号调节所述可自适应调节的滤波器(13)。所述方法主要包含以下步骤为产生所述次级路径的模仿在可自适应调节的滤波器(13)的传输函数中去除或已经去除信号通过所述传输线路(8、9、10、11)的延迟时间(T)。
文档编号G10K11/178GK101203905SQ200680022149
公开日2008年6月18日 申请日期2006年4月21日 优先权日2005年4月22日
发明者H·巴克曼 申请人:阿诺克系统股份公司