环境音频降噪装置的制作方法

所属技术领域

本发明涉及环境音频降噪装置，尤其是指阵列分区排布跟踪噪声源特定扩散方向同步地用反相的声波叠加中和，或用特定传播方向声波叠加改变原有噪声传播扩散方向的方式去除或降低保护区的噪声影响。总之，减小音频声压，或控制音频扩散方向或范围。应用场景主要包括：道路边沿降噪、住宅区抗噪、室内抗噪、密谈保护。

背景技术：

火车站、船运码头、机场、铁路沿线、城市高速道路、高架快速路、工况车间等周边噪声污染严重，对人们工作、生活、健康影响很大，这些基建项目也常受周边民众抵制。目前，主要靠围墙或建筑屏障隔音，植被吸收方式抵御噪声，效果不好。另外，已公知相干声波会有叠加效应，在一些扇区会增强声压，而在另一些扇区会降低声压；且已有提出对环境噪声采样、放大、反向、移相、再通过音响设备功率放大输出这来降噪。但是方案过于简单，效果不好，不足以解决复杂工程环境的实际问题，以致影响应用推广，局限性较大。其根本因是：声波在空旷的空气环境是向四周球面扩散的，简单布置一套普通音响设备不能理想地啮合消除不同方向和区域传播的声波。如果采样某一个点噪声，信号变换后送到音响播出仍是向四周扩散，只有音响设备位置与噪声源位置关系很接近才有可能效果较好。人的听觉频率范围是20hz-20khz，声波在常温空气传输速度为340米/秒左右，假设需叠加中和1khz频率声波，音响设备与噪声源距离必需小于17厘米，并且也只正前方小扇区才能有效控制降噪，其它扇区因声波传输距离差异或路线差异，使得本来接近同步反向啮合与当前位置噪声声波的相位出现偏差，交叠时可能反而增强了噪声。如果音响设备与噪声源距离大于17厘米，随着距离变大，可控的有效降噪扇区将更小。还有其它原因是：受音箱发出反向啮合声波影响，采样的背景声场严重失真，影响降噪，还可能引起自激。为避免对原声波采样的不利影响，就需通过有线或无线通信的方式传输采样或加工处理后的噪声信号，把拾音器与音响喇叭方向背对并且需要拉开相互间距，又要控制声波反向啮合的相位，工程施工难度不说，影响控制的准确度；而且不能用这种方法在声源小范围就近简单地反向啮合中和。

技术实现要素：

为了克服现有的环境音频降噪装置适用性、效果、准确度，和施工困难等工程应用的缺陷，本发明提供一个较合理和完整的环境音频降噪技术方案，该装置的拾音咪头与音响喇叭可以就近装配，不仅适用于点噪声源环境还适合像高速道路带状随机移动变化噪声环境或工况车间噪声环境。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用分区拼接中和方式降噪或隔离方式降噪，或这两种方式共存的组合方式降噪的环境音频降噪装置。降噪装置主要由ecu电路板、咪头、喇叭或音箱，外壳和支架组成；一个降噪系统可能包含集中管理器、雨雪雪传感器，或很多个降噪装置。分区拼接中和方式降噪是根据噪声辐射四周划分扇区，每个扇区分别布置咪头和指向性喇叭，以低于50微秒人类听觉反映时间瞬间关掉音响喇叭输出，当喇叭输出对应咪头最小影响时采样环境声波瞬时信号值，多个分扇区拼接输出经运算补偿后的反相声波叠加中和抑制噪声声波；隔离方式降噪是分时或同时用并排的几个指向性喇叭输出声波以隔离的方式干涉原有噪声传播方向，使原有噪声传播方向发生改变，从而避免需保护区域的噪声影响，较适合随机移动变化噪声环境。声波是一种机械纵波，是以质子振动来传播能量的，声波是一种能量的传递。声波在空气中通常情况是直线发散的，即声波能量振动是有方向的，质子沿着直线发散方向往返运动。这种机械能量传播，在受外力或称外部能量作用，改变传播方向必将可行。隔离方式环境降噪正是利用了这个原理，通过降噪喇叭发出声波能量，改变或阻止噪声源原有传播路径，能量合成后，力学作用，传播方向变了。隔离方式降噪喇叭可以输出白噪声，需保证足够声压强度，最高频率最好高于背景噪声。拾音咪头选用全指向性或单指向性，主要根据现场声波环境，环境降噪处理装置具体设计；为抑制远处传入窗内住宅噪声，进入窗户截面接近平行传来的声波也可选用全指向性咪头，且可以只装1个咪头，为了效果更好，指向性喇叭可均匀排布几个。分区拼接中和方式降噪的指向性喇叭角度要求根据抑制噪声源的最高频率确定，频率高即周期短，相位变化快，而声波在空气中传播速度基本恒定，为了不产生相位差，则要求扇区划分角度更小，喇叭指向夹角更小；否则离喇叭中心轴夹角较大处相位误差太大，不能较好反向啮合中和抑制噪声。市场上音箱喇叭多为圆型，振动膜有一定弧度，且一个音箱内分别有高、中、低音喇叭，这不能很好满足啮合需求，每个喇叭应能输出噪声抑制的所有频率，且喇叭振动膜面排布应尽量吻合声音传播截面，并根据划分扇区，控制喇叭安装夹角。为更好吻合，喇叭也可定制，振动膜平面外形尽可能平行声音传播截面，这样就更均匀地啮合每个扇区噪声传播，因为固体传播声速更快。而隔离方式降噪喇叭主要用于输出扇区截面声波通过隔离干涉改变原有声波传播方向，喇叭口可选型或定制考虑扁平的，指向性强更好，输出墙壁一样的声波屏障。隔离方式降噪可用不相关声波，一般采用频率更高，声强更大。根据实际环境也可以同时采用分区拼接中和方式降噪和隔离方式降噪，两种方式共存的组合方式降噪。现在所有智能手机或平板电脑等移动设备本来就具备环境音频降噪装置的一些关键功能硬件，内置单片微型计算机芯片，均能通过设计的app应用软件或改进底层操作系统，直接或间接定期采样解析咪头输入信号，通过运算，直接或间接控制喇叭输出来降噪。移动设备配上相应号角音效更好。另外，app相关软件还可增加“秘谈”、“静默”、“睡眠”等等菜单控件。分别调用中和降低谈话声音扩散，或外来声音降噪，或白噪声输出等功能程序。当然还可为相关app设计后台计费服务，需要通过注册或付费，获取互联网平台服务器软件统授权才能开启上述有偿服务，同时后台运行软件计费。另外，也可以定制可充电池供电的便携式环境音频降噪装置，任意选择分区拼接中和方式降噪或隔离方式降噪；同样设计关停喇叭，适时采样声音背景功能软件，避免受自身喇叭影响；增加“秘谈”保护，“静默”免打扰、助“睡眠”输出白噪声等控件和相关软件功能模块，预留rca插口，用于配接喇叭。

本发明的有益效果是，可以适应不同声场环境和保护区域，采用分扇区可控反向啮合的分区拼接中和方式降噪或声波屏障的隔离方式降噪，实现有效降噪，并且方便工程施工。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是环境降噪失效示例。

图2是降噪装置ecu硬件总体框图。

图3是环境音频降噪装置单片微型计算机基本软件流程图。

图4是高速道路一侧隔离方式环境降噪系统安装实施例俯视示意图。

图5是高速道路一侧隔离方式环境降噪系统安装实施例截面示意图。

图6是高速道路隔离方式环境降噪装置音箱喇叭结构示意图。

图7是固定噪声源分区拼接中和方式环境降噪系统安装实施例俯视示意图。

具体实施方式

图1是环境降噪失效示例。图1中a点是噪声源，b点是咪头，c点是噪声源扩散传播后的某一点特例，d点是喇叭声波传播至c点的振动膜输出点。如图，当a点噪声向四周扩散传播至c点，传播距离为ac线段；同时a点噪声源传到咪头b点的最短距离是ab线段；而喇叭输出准备叠加的降噪声波至c点最短距离是cd线段；以c点为圆心，cd为半径画弧交ac线段于e点，则cd线段与ce线段等长。如图，由噪声源a点声波传到b点，再到d点反应，叠加声波传至c点，即ab线段加上cd线段距离明显大于ac线段距离；也就是说c点到d点反应时间即使为零，还是来不及同步反向叠加，叠加波滞后了，也就无法正常降噪了。从图1中可发现：不论a点或c点向左平移，这种叠加波滞后现象更严重。因此，需要限制音箱喇叭输出扇区夹角，即要求喇叭有一定指向性，每个喇叭各管一个夹角扇区，超出扇区就需拼接解决。另外，噪声源至喇叭轴心的夹角也需限制，而咪头需要准确检测喇叭轴心方向背景声压，类似道路应用降噪系统距噪声源较近，就要求咪头指向性好；类似住宅窗户应用，可能距噪声源较远，采用全指向咪头也可以。

图2是降噪装置ecu硬件总体框图。ecu硬件是降噪装置的核心部件，主要指电子控制单元，包括了电子部分。图中的单片微型计算机考虑选用内置flash、ram存储空间，要求系统时钟快，有多路adc和dac通道，带有spi、uart、i²c等通信接口，多路io口可直接驱动led，arm内核芯片首选，当然相似资源其它类型的单片微型计算机也有很多可选；另外，图中的单片微型计算机也可选用dsp类芯片、或其它可编程器件加外扩资源作替代。硬件总体框图设计了2个咪头，因咪头输出信号很小，通过后面各自的输入信号放大电路对信号藕合放大，再由单片微型计算机内置adc功能模块做模数转换，从而确定了环境声音强度、相位、频率等参数，为降噪做准备。输入信号放大电路主要用npn三极管或运算放大器搭接。因为咪头输出信号极小，所以对咪头和输入信号放大电路的电源纹波和噪声指标要求很高，框图设计用单独电池供电，主要考虑用二次电池，可充电循环使用。首选锂离子电池或锂聚合物电池，如框图配备了充电管理保护电路，电池充电管理保护专用芯片较多，功能全面，或配备pmos管器件实现开关控制接通或断开充电回路；应避免在环境声音检测采样时充电，否则因电源纹波或噪声影响准确度；可以考虑在咪头采样间歇或雨天停止降噪时充电。当然，也可用ldo线性电源搭配几级“π”型滤波电路抑制纹波和噪声，替代这个独立电池电源方式。道路噪声消除应用可根据音箱或喇叭组合整体状况配1路或多路咪头采样，但是远传接近平行均匀噪声降噪，像离噪声源有一定距离的住宅窗户应用，只要1路咪头采样即可，不过降噪的喇叭需均匀排布几套，否则可能效果不好。类似住宅窗户应用，可做成便携式，所有电路均有同一组电池供电，但需做好电源隔离与滤波，星型接地方式，避免相互串扰；根据功率与工作时长要求确定电池组串联或并联；配通用电源适配器充完电，投入正常降噪处理。类似住宅窗户应用，1路咪头内置，预留几路rca插口，用于配接喇叭。ecu部分设计闪存，用于存储助睡眠白噪声语音数据。可依据采样背景的噪声数据补偿、移相处理与白噪声数据整合处理，经mcu内置dac功能模块数模转换输出模拟信号，藕合到滤波电路，再到相应的输出信号放大电路进行信号电压放大，又输到对应的功率放大器进行负载电流能力放大，最后连接到喇叭，音频输出。这里的功率放大器指音频功率放大器，应用成熟，专用芯片很多，为了提高电声转换效能，主要考虑用ab类或d类功放芯片。道路降噪应用应功率消耗较大，需要设计市电供电或太阳能供电，一般都需要如图电源模块。市电供电主要考虑有ac-dc开关电源；太阳能供电考虑用dc-dc开关电源，并外挂蓄电池。开关电源主要设计3路输出：分别是模拟电源网络1、模拟电源网络2、数字电源网络。模拟电源网络1设计为输出信号放大电路和功率放大电路供电，电压设计较大，一般是在9vdc～24vdc之间；而模拟电源网络2主要提供为无线收发模块供电，电压范转是2.7vdc～5.5vdc之间，典型电压为3.3vdc。数字电源网络主要提供为mcu、闪存等数字电路供电用，电压范围一般在2.7vdc～5.5vdc之间；电压范围与模拟电源网络2基本一致，为简化可以合二为一，但需注意滤波与pcb走线，以免电路噪声串扰。还有设计“按键、复位与输入”、“信号显示”、“驱动及信号输出”、“有线通信接口”、“编程调试”等辅助外围电路。“按键、复位与输入”用于手动按键命令触发，可以做功能设置，输入通过并接esd保护器件，电阻或整流二极管隔离连至单片微型计算机io口。“信号显示”主要指led或lcd显示，指示功能状态。“驱动及信号输出”指直流电机驱动电路和单片微型计算机输出口，串接电阻及并接esd保护器件。“有线通信接口”主要指ethernet、can总线、rs-485等有线通信接口。“编程调试”用于产品开发、调试和下载程序。无线收发模块主要用于语音数据、控制或设置命令、终端工作状态信息、出厂编号信息传送。可采用zigbee、lora、bluetooth、wifi、wlan等芯片技术方案，也可用其它短距离无线技术芯片方案，如需远程通信，可把无线收发模块设计成gprs、nb-iot芯片技术方案。如某区域内节点较多，为节省材料与收费络网运营成本，可做成网关形式的集中管理器，用gprs、4g、或ethernet有线网络中继上述免费无线网络信息，实现1个网关对应多节点终端，使短距离无线网络延伸到互联网。

图3是环境音频降噪装置单片微型计算机基本软件流程图。当硬件上电，系统复位“开始”运行程序，即做程序“初始化”工作，主要是作些特殊寄存器设置，从而设置了spi、uart、定时器、通用输入输出io口等初始状态，还对内部一些需用到的ram空间执行置位或清零工作。“初始化”后进行“看门狗开启”，“看门狗”即程序监视定时器，当程序出现意外未按规定流程执行，就没有“看门狗重置”动作喂狗，这样超出时限，将引发看门狗复位，让程序跳回到“初始化”后续流程，使程序重新正常。执行完“看门狗开启”后进入程序主循环，先判断有没有“按键命令”有则做按键命令解析与命令执行处理，再回到判断有没有“按键命令”，如果没有则往下执行确定有没有“通信请求”，若有需确定是命令还是数据，因数据包可能较长，收发一个数据包就需往下执行，不然会延误降噪处理。流程中的“雨雪状态”判断，主要看程序相关变量标识，如当前是下雨或下雪，则执行“延时等待”流程，进入定时待机低功耗状态，但中断要能响应，不然按键或通信命令不能响应，定时低功耗时间溢出，则往下执行“看门狗重置”；若无雨雪则往下执行“背景声采样”和“本区域噪声”判断，确定噪声源是不是在本套降噪设备管辖范围，主要针对室外隔离方式降噪，不是则跳至执行“看门狗重置”；如果判定是管辖范围噪声源，则往下执行“io输入”、“邻近有输出”。判断接近的左侧和右侧降噪装置喇叭有没有输出，主要靠邻近降噪装置高低电平信号输出，到本降噪装置输入的2条io口电位信号确定，如果检测到邻近喇叭有输出，则程序跳到“看门狗重置”；如果邻近喇叭没输出，则执行“运算与修正”、“d/a转换”，降噪喇叭输出，且输出2路电平信号告知邻近降噪系统本机状态，当然也可用rs-485、can、ethernet等有线或无线通信方式告知。后续执行“看门狗重置”、“电池管理”、“雨雪检测”、“雨雪处理”等再回到主循环。流程中的“电池管理”主要执行电池电量检测，如果检测到电量偏低则可做标识记录，等到咪头采样间歇或雨雪天气状态，智能芯片io口输出控制充电管理保护电路实现对二次电池进行间歇或持续充电，充满后对标识记录清零，停止充电。“雨雪检测”主要通过雨雪传感器输出通信信号或干节点的开关量信号至单片微型计算机，当然也可结合声音识别和内置温度传感器做判断。若在下雨或下雪，则在“雨雪处理”流程驱动电机做雨雪遮蔽措施和雨雪状态变量标识。雨雪遮蔽措施可以行使喇叭口翻转朝下或加盖遮蔽。程序回到主循环后，如果上个循环周期数据通信未完毕，则会继续通信。雨雪传感器也可与有线或无线通信板一体，做成集中管理器模式，统一向所有终端降噪设备装置发送雨雪处理命令，未收到命令终端降噪装置也可定时访问集中管理器征询天气状态。如果是室内应用，雨雪相关流程可省略。

图4是高速道路一侧隔离方式环境降噪系统安装实施例俯视示意图。(1)和(3)都是降噪设备，安装在高速道路边沿护栏上，在护栏边沿每5米布置一套降噪设备(其它设备图中未标注)，(2)和(4)均为道路上的噪声源。图中(4)是两个临近的噪声源合成的噪声源效果。降噪设备应有固定支架安装于机械式声音屏障或护栏外侧。降噪设备也可与机械式声音屏障整合设计，混为一体，简洁美观，便于安装。为了更好检测噪声源是否落在本机管辖范围区域，每个降噪设备安装2个指向性咪头，以路边沿各45度左右两个方向水平指向路面，如果咪头指向性不够，可用套管增强，套管内侧附吸音材料更佳；当然用3个全指向咪头以等边三角形水平布置也行，这样可以较精确地计算出噪声源水平坐标，但算法较复杂，运算处理时间较长。隔离方式环境降噪，喇叭需规则排列，可沿路边排成一列，发出声波像一堵墙，如果空间允许相邻降噪设备交错排列效果更好，这样相近的喇叭相互干扰影响更小。为了限制相邻降噪喇叭长时间相互干扰而影响隔离降噪效果，每个降噪设备均有2路电平信号输出线，和2路电平信号输入线，及有线通信接口，实时感知和通知旁边降噪喇叭工作状态；如果旁边有降噪喇叭在工作，则不打开本机降噪喇叭。只有旁边给出关喇叭信号了，才立即启动本机降噪，为了避免出现声波隔离空档或缝隙，旁边降噪喇叭还可以短时间持续输出略小强度声波作过渡，如果声波频率不同，影响更小。因此，也可把相邻降噪设备发射声波频率和强度错开，来降低安装在一起的设备自身降噪声波的相互影响，同时开启全部或部分降噪喇叭工作，不用与旁边喇叭联动分时控制，控制简单了，但一些降噪设备同时工作，功耗就增加了。

图5是高速道路一侧隔离方式环境降噪系统安装实施例截面示意图。(1)是高速道路截面，(2)是路中一噪声源声波发射的左半部分，(3)是路侧降噪设备发出的隔离声波，(4)是路中噪声源声波与降噪设备合成声波，(5)是路侧的降噪设备。道路上噪声是随机移动的，以道路上某一点为球心，向四周扩散声波，与地面竖直方向上的声波用分区拼接中和方式降噪很难处理，空中搭建降噪支架也很不现实，用隔离方式降噪就较容易实现。降噪设备(5)在路侧发射斜上方向隔离声波(3)阻挡高速道路(1)上有一噪声源声波(2)，能量合成后方向改变了，为合成声波(4)，声波(4)是基本向上的，这样左侧的工作或生活环境区域就免受噪声污染了。合成声波(4)的方向主要受控于隔离声波(3)的方向、强度及频率。

图6是高速道路隔离方式环境降噪装置音箱喇叭结构示意图。(1)为正视图，(2)为左视图，(3)为俯视图，正视图(1)的半圆弧面是喇叭振动膜，这样保证隔离声波沿半圆弧面均匀发射。从左视图(2)或俯视图(3)可以发现音箱外形扁平，控制声波扁平状扩散发射。也可采用号角喇叭或参考号角喇叭设计，但号角喇叭口输出的声波效果应与正视图(1)的半圆弧面喇叭振动膜输出声波效果一致；这样，声音效能高，指向性好。

图7是固定噪声源分区拼接中和方式环境降噪系统安装实施例俯视示意图。(1)是点噪声源，(2)是五个降噪设备之一。降噪设备包括支架、ecu电路板、咪头、外壳、喇叭或音箱等。分区拼接中和方式环境降噪系统主要适用于固定噪声源，且声波传输方向确定，降噪设备支架方便搭建的应用环境，这种降噪方式突出优点是把噪声消耗掉。图中五套降噪设备咪头和喇叭轴心指向点噪声源，以点噪声源为圆心画弧均匀排布，声波扩散示意轴心也指向点噪声源均匀排列，在一定声音传播距离后形成无缝拼接与交汇。采用指向性咪头，喇叭也为指向性喇叭。如果喇叭指向性强，输出声波夹角小，小扇区声音传播路径差别小，便于保证降噪声波与背景噪声同步反向啮合。喇叭选型可考虑用号角喇叭，用于户外，声音效能高，但是需考虑号角喇叭内部声波反射延时，保证喇叭口降噪声波与噪声背景接近反向重叠。另外，纸盆式喇叭或音箱也可根据实际背景噪声截面吻合定制，喇叭振动膜与背景噪声传播截面对应平行，这样更均匀与背景声音反向啮合。同理，如果噪声源是带状的，所有降噪咪头和喇叭轴心应并行排列成行。