一种具有柔性增益的反馈式主动降噪系统及方法与流程

本发明涉及一种主动降噪技术领域，尤其涉及一种具有柔性增益的反馈式主动降噪系统及方法。

背景技术：

主动降噪技术又称为有源降噪技术，是通过发声装置产生与外界噪声幅值相同、相位相反的声波，将噪声中和，从而实现降噪的效果。根据拓扑结构的不同，主动降噪采用的方法分为前馈式和反馈式两种。前馈式利用前馈控制方法设计降噪滤波器，该方法不存在系统稳定性问题，但降噪深度小，降噪效果不明显。而反馈式则利用反馈控制方法设计降噪滤波器，降噪深度大，降噪效果明显，但存在系统稳定性的问题。

不同的噪声环境，其噪声频域特性不同，因此采用固定参数的反馈滤波器其降噪性能无法保证，再者，降噪耳机使用者的佩戴习惯会导致降噪系统声学特性上的差异，这种差异会进一步恶化降噪效果，导致反馈系统出现过调或不稳定情况而引发的啸叫。这种情况下不仅无法消除噪声，还会增强噪声。

技术实现要素：

为保证降噪效果，提高反馈降噪系统的稳定性，本发明提出一种具有柔性增益的反馈滤波器，具体涉及一种具有柔性增益的反馈式主动降噪系统及方法。

为实现上述目的，本发明提出一种具有柔性增益的反馈式主动降噪系统，所述主动降噪系统包括：传声器、扬声器以及反馈滤波单元。所述反馈滤波单元包括模/数转换电路、反馈滤波电路、变增益模块以及数/模转换电路。

所述传声器将检测到的噪声声信号转换成电信号后输出至反馈滤波单元，反馈滤波单元的模/数转换电路接收到该电信号并将其转换成数字信号后输出至反馈滤波电路，经反馈滤波电路处理后输出消噪信号至数/模转换电路，数模转换电路将消噪信号转化成模拟信号后传输至传声器，扬声器将该信号转换成声信号，该降噪声波与环境噪声声波叠加产生相消干涉，达到降噪效果。同时将反馈滤波电路的输出传输至变增益模块，经变增益模块计算后输出增益值，该增益值输出至反馈滤波电路，用于修正当前滤波器增益。

进一步地，反馈滤波电路的滤波器参数采用离线设计方法。

进一步地，反馈滤波器增益根据滤波电路的输出值在线进行调节。

进一步地，变增益模块的输出与反馈降噪滤波器的输出程函数关系。

本发明还提出一种具有柔性增益的反馈式主动降噪方法，所述方法包括以下步骤：

步骤(1)利用传声器测量噪声信号，分析噪声频率特性；

步骤(2)基于噪声频率特性，离线设计反馈滤波器；

步骤(3)利用步骤(2)所得反馈滤波器在线消除噪声；

步骤(4)利用实时检测反馈滤波电路的输出值在线修正反馈滤波器增益，保证反馈滤波电路输出不超过预先设定的阙值。

与现有技术相比，本发明的优势在于：针对不同的噪声环境，通过在线调整反馈滤波器的增益，控制反馈滤波器的输出，有效的保证了降噪系统的稳定性，提高了系统的鲁棒性。由于增益调整需求是根据反馈滤波电路的输出是否超过预设的阙值而定，在不超过阙值的情况下反馈滤波器增益保持不变，一方面减少在线的计算量，使实施变得简单；另一方面将由于增益的调整对系统降噪性能的影响将至较小的范围内。

附图说明

图1为具有柔性增益的反馈式主动降噪系统构成图；

图2为反馈滤波器设计原理图；

图3为反馈滤波器增益与反馈滤波器输出函数关系图。

具体实施方式

为进一步理解本发明的技术方案与特点，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本实施例中提供一种基于变增益的反馈式主动降噪系统。参阅附图1，该系统包括换能器、传声器、反馈滤波单元。所述反馈控制单元包括模/数转换电路、反馈滤波电路、变增益模块以及数/模转换电路。

实施例中确定换能器为麦克风。

麦克风将检测到的噪声声信号转换成电信号后输出至反馈滤波单元，反馈滤波单元的模/数转换电路接收噪声的电信号，并将其转换成数字信号后输出至反馈滤波电路，经反馈滤波电路处理后输出降噪信号，该降噪信号输至数/模转换电路，经数模转换电路转换成模拟信号后输出至扬声器，扬声器将该模拟降噪电信号转换成声信号，该降噪声波与环境噪声声波相互作用，达到降噪效果。同时将反馈滤波电路的输出信号传输至变增益模块，经变增益模块计算后输出增益调整信号，该信号输出至反馈滤波电路，用于修正当前反馈滤波器增益。未被消除的噪声又被麦克风检测到，上述过程循环发生，直至噪声降至最小。

反馈滤波器需要基于噪声频率特性离线设计。利用反馈滤波器设计降噪系统原理参阅图2，其中k表示反馈滤波器增益，h表示反馈滤波器传递函数，g表示扬声器传声特性传递函数。为保证降噪效果最优，需求得k和h满足式即：使的二范数最小。

由于固定参数的反馈滤波器对不同噪声环境的消噪效果不同，为防止在消噪过程中反馈滤波器出现过调导致的啸叫或降噪系统的不稳定，利用变增益单元，基于反馈滤波器输出值对滤波器增益进行动态调整。参阅图3，对反馈滤波器输出设定阈值y0，若输出值在该阈值范围内，则保持当前滤波器增益k0不变；若输出值超过该阈值，则根据滤波器输出在线调整滤波器增益，超出阙值越多，增益降的越小，通过多次调节滤波器增益值直至反馈滤波器输出值不超过阙值。反馈滤波器超出阙值的部分与增益是单调下降的关系，可以是如图3所示的线性单调下降，也可以是非线性单调下降，该部分的函数关系可视实际情况而定。

本发明还提出一种具有柔性增益反馈滤波器的主动降噪方法，本实施例执行以下步骤：

步骤(1)利用麦克风测量噪声信号，分析噪声频率特性：将麦克风采集到的噪声信号作傅里叶变换后，得到噪声信号在各频段的分布曲线；

步骤(2)基于噪声频率特性，离线设计反馈滤波器：基于步骤(1)中的噪声频域特性曲线以及扬声器传声特性，整定反馈滤波器，并保证降噪系统的稳定。

步骤(3)利用步骤(2)所得反馈滤波器在线消除噪声：利用离线设计的反馈滤波器在线消除噪声，并对滤波器输出信号进行实时监测。

步骤(4)利用实时检测反馈滤波电路的输出值在线修正反馈滤波器增益，保证反馈波电路输出不超过预先设定的阙值。若滤波器输出超过阙值，则减小滤波器增益；若滤波器输出在阙值范围内，则保持滤波器增益不变。

以上对本发明实施例所提供的一种具有柔性增益反馈滤波器的主动降噪系统及方法进行了详细介绍，实施例的说明只是为帮助理解本发明的核心思想。对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。