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智能软降噪装置与方法

阅读：352发布：2022-02-21

专利汇可以提供智能软降噪装置与方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种智能软降噪装置与方法，装置包括：拾音阵列、信号放大器、信号处理器和反相声波发生阵列。方法包括：步骤一：系统初始化；步骤二：采集噪声信号，并将采集到的噪声信号经信号放大器进行电压放大后再输送至信号处理器；步骤三：确定噪声源的数目与方位；步骤四：判别N是否等于0，如果是，执行步骤五；否则执行步骤八；步骤五：存储原始噪声数字信号及其特征信息；步骤六：调节反噪声信号发射方向；步骤七：生成反噪声信号；返回执行步骤二；步骤八：存储当前噪声数字信号及其特征信息；步骤九、调节反噪声信号输出。本发明对所接收到的噪声信号通过盲信号空域分离法进行分离，进而生成相应的反噪声信号对噪声进行抵消，即将噪声“隔离”于特定半径范围之外，能够使得受音者在特定半径范围内免受噪声的影响。，下面是智能软降噪装置与方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种智能软降噪装置，其特征在于，包括：拾音阵列、信号放大器、信号处理器和反相声波发生阵列；拾音阵列的输出接口与信号放大器的输入接口连接，信号放大器的输出接口与信号处理器的输入接口连接，信号处理器的输出接口与反相声波发生阵列的输入接口连接；其中，拾音阵列所采集到的未知噪声信号送入信号放大器进行电压放大，信号放大器具体工作方式分为两大类：第一类，对压电薄膜或者微型驻极体拾音传感器输出的音频模拟电信号直接进行电压放大，音频模拟电信号又被简称为音频模拟信号；第二类，对光纤拾音传感器输出的光调制波，首先进行光波解调和光电转换，然后才对光电转换获取的电模拟信号进行放大；经电压放大后的未知噪声信号通过信号处理器输入接口送入信号处理器中的模数转换模块的输入端，模数转换模块再将转换后的未知噪声数字信号输至信号处理器中的信号处理模块；信号处理模块运用盲信号空域分离方法将来自空间不同方向的未知噪声信号进行分离，同时计算出各个来自不同方向未知噪声的方向坐标，并送达反相声波发生阵列中的相应反相声波发生阵元作为生成对应发噪声信号及其准确发射方向的依据；首次被分离出的多路噪声数字信号及其特征信息被存放于信号处理器内存模块的第一寄存区；经过首次盲信号空域分离后，再经实时被分离后的多路噪声数字信号及其特征信息被存放于信号处理器内存模块的第二寄存区；信号处理器中的信号处理模块能够通过当前噪声信号和内存模块中的噪声样本对各个反相声波发生阵元输出的反噪声信号参数及其发射方向进行调节，起到有效抵消或削减噪声影响的作用。
2.根据权利要求1所述的智能软降噪装置，其特征是，所述反相声波发生阵列是由多个独立的反相声波发生阵元构成，每个独立的反相声波发生阵元，包括：输入接口、数模转换器、倒相器、功率放大器和反相声波发生器；其中，输入接口的输入端口与信号处理器的输出接口连接，输入接口的输出端口与数模转换器的输入端口连接，数模转换器的输出端口与倒相器的输入端口连接，倒相器的输出端口与功率放大器的输入端口连接，功率放大器的输出端口与反相声波发生器的输入端口连接；反相声波发生器与拾音器靠近安装，以尽量减小两者之间的空间位置偏差。
3.根据权利要求2所述的智能软降噪装置，其特征是，所述反相声波发生器包括：大功率压电陶瓷、圆锥面助振薄膜、圆锥面支架和万向转动器；大功率压电陶瓷呈圆形薄片附着于圆锥面助振薄膜的中心位置，并使其平面与圆锥面助振薄膜的中轴线垂直，即圆锥面助振薄膜的中轴线垂直穿过大功率压电陶瓷平面的圆心；圆锥面支架起到大功率压电陶瓷和万向转动器的固定机械连接作用。
4.根据权利要求3所述的智能软降噪装置，其特征是，所述万向转动器包括：控制指令输入接口、控制指令译码器、两个驱动器、两台微型步进电机和机械万向节；其中，控制指令输入接口的输入端口与对应反相声波发生阵元输入接口的输入端口相并接；控制指令输入接口的输出端口与控制指令译码器的输入端口连接；控制指令译码器的第一、二输出端口分别与第一、二驱动器的输入端口连接；第一、二驱动器的输出端口分别与第一、二微型步进电机的输入端口连接；第一、二微型步进电机的机械转轴分别与大功率压电陶瓷的机械基座上的机械万向节两根转轴对应连接；信号处理器通过万向转动器控制指令输入接口输入的控制指令经控制指令译码器的“解释”，被分别输送至第一、二驱动器，驱动器根据接收到的二进制代码确定各自输出至对应步进电机的脉冲信号数，两个步进电机转轴在对应脉冲信号的驱动下使大功率压电陶瓷跟随其基座的机械万向节转动，并使其处于相应的空间姿态，即其法线处于相应指向。
5.根据权利要求4所述的智能软降噪装置，其特征是，所述控制指令译码器的“解释”，即将噪声源方向估计参数向量通过坐标投影变换，被转换为两个步进电机转轴应该所处的角度坐标值，并将其与当前步进电机所处的角度坐标相减，进而得出两个步进电机需要改变的角度坐标，以及该需要改变的角度坐标值所对应的驱动脉冲数。
6.一种采用权利要求1所述装置的智能软降噪方法，包括：
步骤一、系统初始化；
步骤二、采集噪声信号，并将采集到的噪声信号经信号放大器进行电压放大后再输送至信号处理器；
步骤三、确定噪声源的数目与方位；
步骤四、判别N＝0？如果是，执行步骤五；否则执行步骤八；
步骤五、存储原始噪声数字信号及其特征信息；
步骤六、调节反噪声信号发射方向；
步骤七、生成反噪声信号；返回执行步骤二；
步骤八、存储当前噪声数字信号及其特征信息；
步骤九、调节反噪声信号输出。
7.根据权利要求6所述的智能软降噪方法，其特征是，步骤一系统初始化的分步骤如下：
(1)设置噪声信号采集次数的计数变量N；
(2)将反相声波发生器的万向转动器进行复位；
(3)联立公式
和
得
其中，k＝1，2，…，m；(αi，ri)为第i个噪声源的方位坐标，αi为第i个噪声源与拾音阵列中心点(参考点，亦即极坐标原点)的方向角，ri为第i个噪声源到拾音器阵列中心点的距离；ωi为第i个噪声信号的角频率；Δtik为第k个拾音器(阵元)收到的第i个噪声信号与参考点收到第i个噪声信号的时间差，rik为第i个噪声源到第k个拾音器(阵元)的距离，aik(αi，ri)为第k个拾音器(阵元)接收到的第i个噪声源信号幅度相对于阵列中心(参考点)接收到的第i个噪声源信号幅度的比值，因为噪声信号幅值与传播距离近似成反比，所以能够取 dk为第k个拾音器到拾音器阵列中心点的距离绝对值，c为声速；
8.根据权利要求6所述的智能软降噪方法，其特征是，步骤三确定噪声源的数目与方位的分步骤如下：
分步骤1.对噪声信号进行短时傅里叶变换
令采样起始时刻为τ、时间窗为Δτ，定义采样点数为p，拾音阵列中m个阵元接收到的信号能够表示为
T
其中，向量xk(τ)＝[xk1 xk2…xkp]，k＝1，2，…，m，表示第k个拾音阵元接收的第τ 帧信号；
对xk(τ)进行短时傅里叶变换，得
T
xk(ωi，τ)＝[xk1(ωi，τ)xk2(ωi，τ)…xkp(ωi，τ)]
其中，xkl(ωi，τ)为xkl在时刻τ的短时傅里叶变换对ωi的值，进而得X(τ)的短时傅里叶变换为
T
X(ωi，τ)＝[x1(ωi，τ)x2(ωi，τ)…xm(ωi，τ)]
同时有公式
X(ωi，τ)＝As(ωi，τ)
T
其中，s(ωi，τ)为噪声源s＝[s1 s2…sn] 在时刻τ的短时傅里叶变换；
A中的ai为
分步骤2.求取短时傅里叶变换的相关矩阵
针对多个噪声源信号的互不相关性，由公式九能够获得相关矩阵R××(ωi)，且H
R××(ωi)＝E[X(ωi，τ)X(ωi，τ)]
H H
＝A(ωi)E[s(ωi，τ)s(ωi，τ)]A(ωi)
H
＝A(ωi)Cs(ωi)A(ωi)
H H
其中，Cs(ωi)＝E[s(ωi，τ)s(ωi，τ)]为噪声源相关矩阵；[·] 为矩阵的共轭转置；
分步骤3.确定噪声源的数目和方位
利用短时傅里叶变换获得的噪声源幅频特性找出幅值最大的噪声所对应的频率作为参考噪声源，重新描述相关矩阵R××(ωi)，得
其中，为去除幅值最大的噪声信号后的噪声源短时傅里叶变换，为去除幅值最大的噪声信号后的噪声源相关矩阵，为去除幅值最大的噪声信号后的噪声源向量矩阵，且为(m-1)×n矩阵；sΩ为幅值最大的一个噪声信号的短时傅里叶变换，EΩ为者幅值最大的一个噪声信号的相关矩阵；
如果事先已经掌握某已知频率信号，则取sΩ为该已知频率信号的短时傅里叶变换，取EΩ为该已知频率信号的相关矩阵，即通过短时傅里叶变换获知其中存在某已知频率信号的sΩ时，则取该已知频率信号构建EΩ；
进而，联合公式 X(ωi，τ)＝As(ωi，τ)和
采用峰值搜索法来确定信号源的数目和方位；其中，
i∈U∧i≠Ω；P(αi，ri)为第i个被判断的噪声源的方位坐标；为第i个被判断的噪声源在中的估计向量，因此能够逐一求出对应于不同角频率ωi的对应方位坐标(αi，ri)，包括最先确认的某已知频率信号或者幅值最大的一个噪声信号的方位坐标(αi，ri)。
9.根据权利要求6所述的智能软降噪方法，其特征是，步骤六调节反噪声信号发射方向，具体为：
(11)
根据矩阵S 所提供的方向角αi，调整反相声波发生器的万向转动器坐标将大功率压电陶瓷的声波发射方向对准方向角αi所指定的方向，即
其中，uk、vk分别代表第k个拾音器阵元所对应的万向转动器中两个步进电机转轴法平面，即与步进电机转轴垂直的平面，又称第k个拾音器阵元坐标投影平面；为第i个噪声源与拾音阵列中心点(参考点)的夹角分别在投影平面uk、vk上的角度分量；dk为第k个拾音器(阵元)到拾音器阵列中心点的距离绝对值；∠uik、∠vik分别为第i个噪声源与拾音阵列中第k阵元夹角在投影平面uk、vk上的角度分量；
将∠uik、∠vik的计算值作为反相声波发生器的万向转动器的两个转动轴定位角度依据，与转动轴端机械连接的两只步进电机分别在其驱动器的驱动下，使万向转动器连同大功率压电陶瓷旋转到对准第i个噪声源的发出方向上，即根据与
来驱动两个步进电机的相应角度；其中与分别为两个步进电机
当前所处角度坐标，Δ∠uik与Δ∠vik分别为两个步进电机当前应该被转动的角度值，正值为正向转动，负值为负向转动；鉴于声波的衍射特性，对于反噪声信号与噪声源信号两者的发射方向“对准”要求不严格，两个步进电机当前所处角度坐标能够根据信号处理器输出脉冲数的记忆来确认。
10.根据权利要求6所述的智能软降噪方法，其特征是，步骤九调节反噪声信号输出的分步骤如下：
分步骤1.计算当前各个噪声分量均值并将计算结果构成统计特征向量
存放于信号处理器中内存的第二寄存区的统计特征存
储单元内；
分步骤2.
(12) T
当且时，提取S (τ)所对应的si(τ)＝[si1 si2…sih] 后，继
续执行步骤七；
所述即按照所对应的中的元素集合
(11) (11)
{αi，ri，ωi}与信号处理器中第一寄存区S 的集合元素进行比对，看是否已经被S 所包含；
分步骤3.
(12) T
当且时，提取S (τ)所对应的si(τ)＝[si1 si2…sic] 并进
行修正，即然后，以替代噪声分量数
字信号si(τ)，再执行步骤七；
分步骤4.当且时，则说明来自原有方向上的噪声分量已经消失
且当前检测到的信号也已削弱到足够小的程度，无需对当前的所
对应的噪声分量进行处理，此时，返回执行步骤二；
分步骤5.当且时，说明当前发现的噪声分量可能是新出现的噪
(11)
声分量，需要对原有信号处理器中第一寄存区的噪声源特征信息矩阵S 和各噪声分量的(12)
数字信号矩阵S (τ)进行扩充，即增加记录和sn+1(τ)
＝[sn+1，1 sn+1，2…sn+1，c]T；
(11)
根据矩阵S 中的新记录所提供的方向角αn+1，调整第n+1个反相声波发生器的万向转动器坐标将大功率压电陶瓷的声波发射方向对准方向角αn+1所指定的方向，即将∠un+1，k+1、∠vn+1，k+1的计算值作为反相声波发生器的
万向转动器的两个转动轴定位角度依据，与转动轴端机械连接的两只步进电机分别在其驱动器的驱动下，使万向转动器连同大功率压电陶瓷旋转到对准第n+1个噪声源的合适方向(11)
上；再根据矩阵S 所提供的地址代码gn+1，将指定的噪声分量数字信号sn+1(τ)依次送入反相声波发生阵列中第k+1个拾音器阵元所对应的第k+1个反相声波发生器输入接口；将噪声数字信号sn+1(τ)经过反相声波发生阵元中的数模转换器、倒相器、功率放大器和反相声波发生器及其大功率压电陶瓷的连续工作，最终向第n+1个噪声源方向发射一种与其相位相反、能量相等的反噪声信号致使第n+1个噪声源能量在抵达第k+1个拾音器阵元前的空间特定距离处被抵消或被大幅度降低；返回执行步骤二。

说明书全文

智能软降噪装置与方法

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种环境科学与工程技术，具体是一种智能软降噪装置与方法。

背景技术

[0002] 随着工业化进程的不断加快，噪声给人们生产与生活所造成的危害日益加重。噪声一般是指引起人们听觉不舒服刺激的音频信号。它是一种由为数众多的频率组成的、具有非周期性振动的复合声音。医学与生理心理卫生学已经证实：强噪声对人体神经、心血管、内分泌和消化等系统方面都会产生不良的影响和病理变化。

[0003] 狭义定义的噪声是由一类非周期性的音频信号振动所引起的，但是，从社会和心理学意义上来说，凡是妨碍人们学习、工作和休息并使人产生不舒适感觉的声音，都叫噪声。除此之外，凡是人们不需要(或不希望、不愿意)接收的信号，那怕是一首歌曲或演讲也会起到相当于噪声的同样效果，因此从“广义噪声”的角度来看，可以将所有人们拒绝接收的信号统称为“噪声”，这也适合人们对生产、生活环境条件的要求。换句话说，泛指凡是不需要(或不希望)接收到、其频率覆盖范围为20～20000Hz的音频信号可以统称为“广义噪声”。本发明就是在“广义噪声”的定义前提下，将不需要(或不希望)接收到的信号统称为“噪声”。因此本发明所涉及的“噪声”既包括加性噪声，也包括各种拒绝接收的歌曲播放或有线广播等语音信号。本发明所说的“软降噪”也可以等价于“软降声”。

[0004] 所述加性噪声，一般指热噪声、散弹噪声等，它们与信号的关系是相加的，不管有没有信号，噪声都存在。信道中加性噪声的来源，一般可以分为三方面：(1)人为噪声，人为噪声来源于无关的其它信号源，例如，外台信号、开关接触噪声、工业的点火辐射等；(2)自然噪声，自然噪声是指自然界存在的各种电磁波源，例如，闪电、雷击、大气中的电爆和各种宇宙噪声等；(3)内部噪声，内部噪声是系统设备本身产生的各种噪声，例如，电阻中自由电子的热运动和半导体中载流子的起伏变化等。某些类型的噪声是确知的，虽然消除这些噪声不一定很容易，但至少在原理上可消除或基本消除。另一些噪声则往往不能准确预测其波形，这种不能预测的噪声统称为随机噪声。相对于加性噪声，还有一类噪声称之为乘性噪声，乘性噪声一般由信道不理想引起，它们与信号的关系是相乘，信号在它在，信号不在它也就不在。一般通信中，把加性和随机性噪声看成是系统的背景噪声；而乘性噪声看成由系统的时变性或者非线性所造成的。

[0005] 如何降噪或者说如何控制噪声，一般来说，除了考虑人的因素之外，还须兼顾经济和技术上的可行性。能够充分地控制噪声，必须考虑由噪声源、传音途径、受音者所组成的整个系统。当前噪声控制所涉及的技术内容，概括地说，包括：

[0006] (1)降低声源噪声，工业、交通运输业可以选用低噪声的生产设备和改进生产工艺，或者改变噪声源的运动方式(如用阻尼、隔振等措施降低固体发声体的振动)；

[0007] (2)在传音途径上降低噪声，控制噪声的传播，改变声源已经发出的噪声传播途径，如采用吸音、隔音、音屏障、隔振等措施，以及合理规划城市和建筑布局等；

[0008] (3)受音者或受音器官的噪声防护，在声源和传播途径上无法采取措施，或采取的声学措施仍不能达到预期效果时，就需要对受音者或受音器官采取防护措施，如长期受职业性噪声暴露的工人可以戴耳塞、耳罩或头盔等护耳器。

[0009] 应该说，现有噪声控制技术在上述三个方面的研究成果较为成熟，但是，总的来说，仍然不甚理想，加上现代工业、交通运输业规模庞大，要采取噪声控制的企业和场所为数甚多，在防止噪声问题上，必须从技术、经济和效果等方面进行综合权衡。为了降低环境噪声，科学家与工程师们至今仍在不懈努力，始终在寻找一种试图能够彻底消除噪声的理想方法。

[0010] 经对现有技术文献的检索发现，张建芬文“高炉鼓风机的噪声控制”(《冶金丛刊》2010年第2期)在对高炉电动鼓风机产生的主要噪声源进行分析的基础上，提出风机降低噪声综合治理方案，其特点在于：(1)为风机排气口加消声器；(2)为风机加隔声罩；(3)改造离心风机原有进风小室；(4)对室内一层管道设备间进行隔声处理；(5)对室外进、排气管道及阀门进行隔声处理；(6)采用防喘振阀及其排气口技术；(7)对室内钢板地面进行隔声处理；(8)风机放风排气口加装消声器。应该说，该论文所采用的降噪方法具有一定的代表性，“堵”、“疏”兼具，对降噪具有一定程度的效果。但是，其降噪工程之浩大、经济成本之高昂，显而易见，况且设备与材料的制作、安装稍有疏忽，降噪效果势必大打折扣。

[0011] 再经对现有技术文献的检索还发现，梁桂强文“轴流风机降噪技术的仿生学试验”(《机械设计与研究》2010年第6期)在分析总结传统的风机降噪技术的基础上提出了一种新兴的风机降噪技术，即仿生降噪。该方法是根据一些科学家所提出的鸟类飞行无声原理，在风机的叶片边缘按照一定规律加以锯齿形态，应用于轴流风机的降噪技术。这是从机械结构设计源头做起，寻求一种新的结构及其设计方法企图将噪声源可能出现的噪声下降到最低水平。显然这是技术人员必须追求的技术标准，但是一般来说，噪声包括：空气动力性噪声、机械噪声、电磁噪声以及结构噪声等。空气动力性噪声是由于气体非稳定流动，即气流的扰动，气体与气体及气体与物体相互作用产生的噪声。从噪声产生的机理看，主要由旋转噪声(气压脉动)和涡流噪声(紊流噪声)组成。仅仅从机械结构上进行技术改进显然对实际降噪的效果并不显著，仍然离不开其他辅助手段的协同作用。

[0012] 再经对现有技术文献的检索还发现，黄大伟的发明专利“抗噪耳机”(中国发明专利号：93118013.9)设计一种抗噪耳机，能在耳机内模拟噪声，而以振幅相等、相位相反的反噪声与噪音在耳机内进行抵消，以提高语音信息的清晰度。必须肯定，该发明从原理上讲完全正确与可行，发明者的思路也是奇特的。但是，该发明仍然存在如下不足之处：

[0013] (1)由“外麦克风”及其“增益补偿器”和“反向器”生成的“反噪声”能量始终要大于耳机外传入的外噪声能量，从抵消余噪的角度看，自然就离不开再由“内麦克风”、“增益补偿器”和“反向器”生成第二波“反噪声”对其进行消除；然而，由于“内麦克风”、“增益补偿器”和“反向器”均不具备信号分离功能，因此由其所生成的第二波“反噪声”必然包含耳机正常音响信号的反相信号，这样在第二波“反噪声”抵消“余噪”的同时也在抵消(或部分抵消)掉正常音响信号，势必要破坏正常音响效果；

[0014] (2)无论与“外麦克风”连接的“增益补偿器”，还是与“内麦克风”连接的“增益补偿器”均为固定增益的“增益补偿器”，也就是说，这些“增益补偿器”的增益系数不具备“自适应性”，不会根据噪声的大小自动调节增益系数以最佳的方式抵消噪声的影响；因此从其硬件结构工作原理就可以判定其“抗噪”效果不会很明显；

[0015] (3)严格地说，该技术尚不具备对噪声信号的识别功能，因此无法针对特定低频噪声进行“抗噪”。

[0016] 本发明就是针对现有技术的不足而提供的，并且是基于“广义噪声”定义下而提供的一种新技术。本发明对所有拒绝接收的信号或未经分离的信号统称为“噪声”。

发明内容

[0017] 本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种消除噪声技术，具体为智能软降噪装置与方法。该装置与方法能够对任意噪声源在其所发生环境的一定范围内实施有效地降噪作用，实现噪声的“软隔离”，即能够使得受音者在特定半径范围内免受噪声的影响，将噪声“隔离”于特定半径范围之外。由于这是一种“抵消能量”的降噪技术，人们肉眼看不到有明显的隔音或消声材料存在，所以称之为“软降噪”或“噪声软隔离”。“特定半径”的大小由“抵消能量”的能级所决定。

[0018] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0019] 本发明涉及一种智能软降噪装置，包括：拾音阵列、信号放大器、信号处理器和反相声波发生阵列。拾音阵列又称声音传感阵列或语音传感阵列。拾音阵列的输出接口与信号放大器的输入接口连接，信号放大器的输出接口与信号处理器的输入接口连接，信号处理器的输出接口与反相声波发生阵列的输入接口连接。

[0020] 所述拾音阵列，由多个拾音器按照几何规则排列构成，如等间隔直线排列、等间隔环形排列或等间隔球形排列等方式。所述拾音器，即拾取音频信号的传感器，从物理结构和工作原理上看，有压电薄膜、光纤和微型驻极体等类型之分。构成拾音阵列的拾音器，又称之为拾音阵元，或简称阵元。

[0021] 所述压电薄膜拾音传感器，其技术特征是：由聚偏二氟乙烯(PVDF)制作成压电薄膜传感器，其频率响应范围大，被用作传感器时，能够实现音乐拾音、机器状态监测、轴承磨损、风扇气流和材料断裂等的传感；在加速度参数检测中还可作加速度计使用；在无损检测中以阵列形式检测超声信号。

[0022] 所述光纤拾音传感器，是以光纤传感和光电子技术为基础的一种新型水声传感器。其传感原理是利用声波调制光纤中光波的强度、偏振态、相位等参量来传输并由传感终端获取声波的频率、强度等信息。光纤拾音传感器具有灵敏度高、响应频带宽、频率响应特性好、抗电磁干扰能力强等特点。在技术上，光纤拾音传感器可分为强度型、偏振态型、相位干涉型和光纤光栅型、光纤激光器型等。

[0023] 所述微型驻极体拾音传感器，包括：导电薄膜、极性环、振动膜片及其支撑件。当微型驻极体拾音器受到声波冲击时，振动膜片发生法向振动，随着振动膜片的振动，使得附着在振动膜片上的导电薄膜与极性环之问形成一个频率与幅值大小能够跟随声波信号变化的电压信号输出。其中，振动薄片由充以电荷的驻极体薄膜构成，通过溅射或化学气相沉积方法在驻极体薄膜的一侧形成导电薄膜；极性环为设置在导电薄膜下侧的导电环状体；支撑件即支撑导电薄膜圆周与极性环的部件以便与固定部件紧固连接。

[0024] 本装置一旦采用不同的拾音器作为拾音阵列的阵元，便能够适用于相应物理媒介中对噪声信号的采集，如：压电薄膜和微型驻极体能够直接应用于空气介质中的噪声信号采集，光纤拾音传感器能够十分方便地应用于河流、海洋等流体介质中的水声信号的采集。

[0025] 所述信号放大器，专门用于对拾音传感器输出模拟信号的放大。具体工作方式分为两大类：第一类，对压电薄膜或者微型驻极体等拾音传感器输出的音频模拟电信号直接进行电压放大，音频模拟电信号又被简称为音频模拟信号；第二类，对光纤拾音传感器输出的光调制波，首先进行光波解调和光电转换，然后才对光电转换获取的电模拟信号进行放大。

[0026] 所述信号处理器，包括：输入接口、模数转换模块、信号处理模块、内存模块、输出接口。其中：输入接口的输入端口与信号放大器输出接口连接，输入接口的输出端口与模数转换模块的输入端连接，模数转换模块的输出端口与信号处理模块的输入端口连接；信号处理模块的输出端口与输出接口的输入端连接；输出接口的输出端口与反相声波发生阵列输入接口连接。输出接口具有多路信号工作通道，即输出接口具有多个独立通道，多个独立通道具有各自独立的通道地址编码，分别由信号处理器中的信号处理模块输出的“反噪声”数字信号帧头代码选通；反相声波发生阵列输入接口由多个独立的反相声波发生阵元输入接口构成多路信号输入通道口，每个独立的反相声波发生阵元输入接口与信号处理器输出接口多路信号工作通道端口对应连接。内存模块存储噪声数字信号及其特征信息，信号处理模块与内存模块之间通过信号处理器的内部信号总线连接，实现两者之间的数据双向交互。所述内存模块，包括：第一寄存区和第二寄存区；第一寄存区存放原始噪声数字信号及其特征信息，第二寄存区存放实时噪声数字信号及其特征信息，“实时”又称“当前”。所述“原始噪声数字信号及其特征信息”又被称之为“原始噪声样本”；所述“实时噪声数字信号及其特征信息”又被称之为“实时噪声样本”。所述“反噪声”，即采用反相技术形成一种针对特定“噪声”的“抵消能量”信号，即“消能信号”，因其能够产生一种降噪效果，故称之为“反噪声”信号。

[0027] 所述反相声波发生阵列，是由多个独立的反相声波发生阵元构成。每个独立的反相声波发生阵元，包括：输入接口、数模转换器、倒相器、功率放大器、反相声波发生器。其中，输入接口的输入端口与信号处理器的输出接口连接，输入接口的输出端口与数模转换器的输入端口连接，数模转换器的输出端口与倒相器的输入端口连接，倒相器的输出端口与功率放大器的输入端口连接，功率放大器的输出端口与反相声波发生器的输入端口连接。反相声波发生器与拾音器靠近安装，以尽量减小两者之间的空间位置偏差。

[0028] 所述反相声波发生器，包括：大功率压电陶瓷、圆锥面助振薄膜、圆锥面支架和万向转动器。大功率压电陶瓷呈圆形薄片附着于圆锥面助振薄膜的中心位置，并使其平面与圆锥面助振薄膜的中轴线垂直，也就是说圆锥面助振薄膜的中轴线垂直穿过大功率压电陶瓷平面的圆心；圆锥面支架起到大功率压电陶瓷和万向转动器的固定机械连接作用。

[0029] 所述大功率压电陶瓷，是一种具有压电效应的晶体，通过切割工艺将其制作成片状体，故也称之为压电晶片。压电晶片的压电效应分正压电效应和逆压电效应两种。正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时，内部就产生电极化现象，同时在其两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。逆压电效应是指：对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应；在压电晶片的两个表面被通以电压信号的情况下，会产生机械形变效应。具体地说，当该压电晶片的两面被分别处于正、负两种电位下，处于正电位作用下的表面会被拉伸，处于负电位作用下的表面会被压缩；当正、负两种电位轮番作用于压电晶片的两个表面时，该压电晶片的两个表面就会轮番发生拉伸与压缩效应，因此引起了压电晶片沿着其表面法线方向上的连续振动；压电晶片的连续振动带动了助振薄膜及其周围空气的振动，形成一种振动波向空间传播。当加在压电晶片两个表面的电信号为交变信号时，只要该交变信号的频率与压电晶片的固有振动频率一致或接近时，就会使得压电晶片发生共振现象，此时压电晶片向外发射声波信号的功率达到最大值。一般压电晶片的厚度被控制在0.2mm以下，只要在制作工艺上控制好压电晶片的尺寸大小，就能随意获得人们所需要的压电晶片固有振动频率特性，因此在交变电功率的驱动下特定类型的压电晶片能够输出大振幅、大功率声波能量信号。大功率压电陶瓷片的材料成分与分子结构，包括：Pb(Sn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3系列和Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-Pb(Sn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3系列等。此类压电陶瓷片的耦合系数、压电常数和机械强度、居里点等参数都要求有足够高的数值并在大振幅工作状态下保持足够好的稳定性。

[0030] 所述圆锥面助振薄膜，是一种声波助振和反射器件，能够对附着于其中心位置上的大功率压电陶瓷圆形薄片发出的振动波起到放大的作用，并能够将振动波的散射成分进行反射而形成一股围绕于中轴线的振动波束，即呈现喇叭状的振动波束。

[0031] 所述万向转动器，又称“云台”，包括：控制指令输入接口、控制指令译码器、两个驱动器、两台微型步进电机和机械万向节。其中，控制指令输入接口的输入端口与对应反相声波发生阵元输入接口的输入端口相并接；控制指令输入接口的输出端口与控制指令译码器的输入端口连接；控制指令译码器的第一、二输出端口分别与第一、二驱动器的输入端口连接；第一、二驱动器的输出端口分别与第一、二微型步进电机的输入端口连接；第一、二微型步进电机的机械转轴分别与大功率压电陶瓷的机械基座上的机械万向节两根转轴对应连接。信号处理器通过万向转动器控制指令输入接口输入的控制指令经控制指令译码器的“解释”，被分别输送至第一、二驱动器，驱动器根据接收到的二进制代码确定各自输出至对应步进电机的脉冲信号数，两个步进电机转轴在对应脉冲信号的驱动下使大功率压电陶瓷跟随其基座的机械万向节转动，并使其处于相应的空间姿态，即其法线处于相应指向。如：当控制指令为8位二进制代码时，定义上、下4位分别为第一、二步进电机的驱动代码，且各自的上1位为正反转辨识码，各自的下3位为步进脉冲数；机械万向节两根转轴在两个步进电机的带动下，使得大功率压电陶瓷跟随其基座被转动至特定的姿态，即其法线指向特定方向。所述控制指令译码器的“解释”，即将噪声源方向估计参数向量通过坐标投影变换，被转换为两个步进电机转轴应该所处的角度坐标值，并将其与当前步进电机所处的角度坐标相减，进而得出两个步进电机需要改变的角度坐标，以及该需要改变的角度坐标值所对应的驱动脉冲数。

[0032] 本发明所涉及的智能软降噪装置工作过程为：

[0033] 拾音阵列所采集到的未知噪声信号经信号放大进行电压放大后，被送入信号处理器。信号处理器输入接口将未知噪声信号送入模数转换模块的输入端，模数转换模块再将转换后的未知噪声数字信号输至信号处理模块。信号处理模块运用盲信号空域分离方法将来自空间不同方向的未知噪声信号进行分离，并计算出各个来自不同方向未知噪声的方向坐标，即极坐标。首次被分离出的多路噪声数字信号及其特征信息被存放于信号处理器内存模块的第一寄存区；在其之后，被分离的实时多路噪声数字信号及其特征信息被存放于信号处理器内存模块的第二寄存区。

[0034] 所述“未知噪声信号”，是指被拾音阵列采集到的信号属于事先未知的信号，包含着两层含义：(1)被采集到的信号究竟有几路、各自来自哪个方向，是未知的；(2)被采集到的信号属于哪种类型的信号，具体波形如何，也是未知的。所述“被分离的实时多路噪声数字信号及其特征信息”，又称“被分离的当前多路噪声数字信号及其特征信息”。必须指出，如果在接收到的信号中包含预知频率的特定信号时，我们又称“未知噪声信号”为“包含预知特定频率信号的未知噪声信号群”。

[0035] 每个拾音阵元所接收到的未知噪声信号能够用数学模型表达如下：

[0036] (公式一)

[0037] 式中，xk为第k个拾音阵元传感输出的混合模拟电信号；si为未知第i个噪声信号被第k个拾音阵元传感转换后的电模拟信号，aik为si的权系数，即第i个噪声信号被第k个拾音阵元传感转换系数，又称“传感因子”或“影响因子”；n为被第k个拾音阵元传感到的噪声源数目。

[0038] 由拾音阵列输出至信号放大器的噪声信号有数学关系如下：

[0039] (公式二)

[0040] 式中，y为拾音阵列输出的混合噪声信号向量；w＝[w1 w2…wm]为权系数向量；xT＝[x1 x2…xm] 为拾音阵列传感到的噪声信号列向量；m为拾音阵列中的阵元数目。这是“广义噪声”定义下的典型“未知噪声信号群”描述。

[0041] 当w为单位向量，即每个拾音阵元等增益，或者说每个拾音阵元工作参数、增益(或衰减)完全一致时，(公式一)又能够表达为：

[0042] (公式三)

[0043] 这是工程技术上完全能够容易做得到的事情。

[0044] 结合(公式一)～(公式三)能够得：

[0045] x＝As (公式四)

[0046] 及y＝wx＝wAs (公示五)

[0047] 其中，A 为系数矩阵，又称转换矩阵，T T
ak＝[a1k a2k…ank] ；s＝[s1 s2…sn]
为噪声列向量，n为空间存在的噪声源数目，k＝1，2，…，m且m≥n。
T

[0048] 令噪声源以极坐标表达其空间位置，则A＝[a1 a2…ak…am] 又被称为向量矩阵，且有关系

[0049]

[0050] (公式六)

[0051] 其中，k＝1，2，…，m；(αi，ri)为第i个噪声源的方位坐标，αi为第i个噪声源与拾音阵列中心点(参考点，亦即极坐标原点)的方向角，ri为第i个噪声源到拾音器阵列中心点的距离；ωi为第i个噪声信号的角频率；Δtik为第k个拾音器(阵元)收到的第i个噪声信号与参考点收到第i个噪声信号的时间差，且有关系

[0052] (公式七)

[0053] 其中，rik为第i个噪声源到第k个拾音器(阵元)的距离，aik(αi，ri)为第k个拾音器(阵元)接收到的第i个噪声源信号幅度相对于阵列中心(参考点)接收到的第i个噪声源信号幅度的比值，因为噪声信号幅值与传播距离近似成反比，所以能够取dk为第k个拾音器(阵元)到拾音器阵列中心点的距离绝对值，c为声速。

[0054] 当本发明装置进入初始工作状态时，信号处理器中的信号处理模块将首次被分离出的多路噪声数字信号分别经过输出接口的多个通道向反相声波发生阵列的输入接口输送；同时将通过盲信号空域分离方法分离出的首次被分离出的多路噪声数字信号及其特征信息依次存放于内存模块第一寄存区的存储单元中，称此刻第一寄存区存储单元中的被分离噪声数字信号及其特征信息为原始噪声样本。

[0055] 由盲信号空域分离方法分离出的多路噪声数字信号分别经过输出接口的多个通道送入反相声波发生阵列后，被分成对应的多路信号分别被各路万向转动器中的控制指令译码器通过坐标投影变换转换为驱动步进电机的两轴脉冲信号，步进电机在相应脉冲信号的作用下带动万向转动器转动，使得反相声波发生器中压电晶片表面法线能够准确对准对应的噪声源点。与此同时，被分离出的多路噪声数字信号在反相声波发生阵元中被分别通过各自的数模转换、倒相和功率放大电路经由反相声波发生器的大功率压电陶瓷及其圆锥面助振薄膜向空间发射，成为正对着对应噪声源方向且与其反相的“反噪声”声波信号。因此，对应噪声源点产生的噪声能量被反相声波发生器所发射的“反噪声”声波信号所抵消。

[0056] 本发明装置经初始工作之后，亦即首次被分离出的多路噪声数字信号及其特征信息存放于信号处理器内存模块的第一寄存区后，被拾音阵列实时采集的噪声信号经过信号处理器的盲信号空域分离方法分离后获得的噪声数字信号及其特征信息依次被存放于内存模块第二寄存区的存储单元中，称此刻第二寄存区存储单元中的被分离噪声数字信号及其特征信息为实时噪声样本。当再次采集并经盲信号空域分离方法分离出的多路噪声样本与第二寄存区对应的存储单元中所存储的实时噪声样本进行比对，若发现存在的差异超出允许的阈值时，则立即对相应通道反相声波发生器输出的“反噪声”声波信号调节其相位与功率大小以达到最大限度地降低来自对应方向的噪声分贝值的效果；同时，将当前的噪声分离信号作为新的实时噪声样本替代之前存放于第二寄存区对应的存储单元中的实时噪声样本，重新保存。如此周而复始地循环，最终能够使得来自各个方向上的噪声影响被降低(削减)到最低程度。

[0057] 所述盲信号空域分离方法，即

[0058] 当(公式四)x＝As中的系数矩阵A为方阵，即m＝n；而且满足下列条件：

[0059] (1)秩等于行数m；

[0060] (2)行列式不为0；

[0061] (3)行向量(或列向量)是线性无关的；

[0062] (4)存在一个矩阵，与它的乘积是单位阵；

[0063] 则系数矩阵A为可逆的，这就是系数矩阵A可逆的充分且必要条件。这是能够对-1 T(公式四)进行逆运算s＝A x，即可求出s＝[s1 s2…sn] 向量中的各个元素，即噪声(信号)分量。这就是说，在dk与c事先已知的前提下，利用(公式四)、(公式六)和(公式七)的计算，对于角频率为ωi的噪声源，能够求出由一组方位坐标(αi，ri)表达的第i个噪声信号源的位置。分离结果既能得知被拾音阵列所接收到的噪声存在几个独立噪声源又能得知其各自的发出方向及噪声源点坐标。

[0064] 但是必须指出，当m≥n时，在系数矩阵A中最多只有n个行向量是线性无关的；这时能够从系数矩阵A中找出n个线性无关的行向量构成新的方阵 x相应地去除其中线性相关的元素后，能够得到对应的、含有n个线性无关元素的向量只要新的方阵继续满T
足上述可逆的充分且必要条件，则同样能够通过逆运算求取s＝[s1 s2…sn] 向量中的各个元素，即噪声(信号)分量。

[0065] 本发明还涉及一种智能软降噪方法，包括步骤如下：

[0066] 步骤一、系统初始化，具体包括：

[0067] (1)设置噪声信号采集次数的计数变量N，且赋予初始值为零，即

[0068] (2)将反相声波发生器的万向转动器进行复位，即所有万向转动器的步进电机转轴均处于初始状态，偏角为零，亦即万向转动器所连接的大功率压电陶瓷压电晶片表面法线与其固定安装平面垂直；

[0069] (3)结合(公式六)和(公式七)演化得

[0070] (公式八)

[0071] 步骤二、采集噪声信号。

[0072] 由拾音阵列采集噪声信号，并将采集到的噪声信号经信号放大器进行电压放大后再输送至信号处理器。

[0073] 步骤三、确定噪声源的数目与方位，包括分步骤如下：

[0074] 分步骤1.对噪声信号进行短时傅里叶变换

[0075] 令采样起始时刻为τ、时间窗为Δτ(即短时采样时段，或称持续时间)，定义采样点数为p，拾音阵列中m个阵元接收到的信号能够表示为

[0076] (公式九)

[0077] 其中，向量xk(τ)＝[xk1 xk2…xkp]T，k＝1，2，…，m，表示第k个拾音阵元接收的第τ帧信号；

[0078] 对xk(τ)进行短时傅里叶变换，得

[0079] xk(ωi，τ)＝[xk1(ωi，τ)xk2(ωi，τ)…xkp(ωi，τ)]T (公式十)[0080] 其中，xkl(ωi，τ)为xkl在时刻τ的短时傅里叶变换对ωi的值，进而得X(τ)的短时傅里叶变换为

[0081] X(ωi，τ)＝[x1(ωi，τ)x2(ωi，τ)…xm(ωi，τ)]T (公式十一)[0082] 此时，(公式四)被演变为

[0083] X(ωi，τ)＝As(ωi，τ) (公式十二)

[0084] 其中，s(ωi，τ)为噪声源s＝[s1 s2…sn]T在时刻τ的短时傅里叶变换；A中的ai为

[0085]

[0086] (公式十三)

[0087] 分步骤2.求取短时傅里叶变换的相关矩阵

[0088] 利用多个噪声源信号的互不相关性，即线性无关的，由(公式九)能够获得相关矩阵R××(ωi)，且H

[0089] R××(ωi)＝E[X(ωi，τ)X(ωi，τ)]H H

[0090] ＝A(ωi)E[s(ωi，τ)s(ωi，τ)]A(ωi) (公式十四)H

[0091] ＝A(ωi)Cs(ωi)A(ωi)H H

[0092] 其中，Cs(ωi)＝E[s(ωi，τ)s(ωi，τ)]为噪声源相关矩阵；[·] 为矩阵的共轭转置。

[0093] 分步骤3.确定噪声源的数目和方位

[0094] 利用短时傅里叶变换获得的噪声源幅频特性找出幅值最大的噪声所对应的频率作为参考噪声源，重新描述相关矩阵R××(ωi)，得

[0095]

[0096] (公式十五)

[0097] 其中，为去除幅值最大的噪声信号后的噪声源短时傅里叶变换，为去除幅值最大的噪声信号后的噪声源相关矩阵，为去除幅值最大的噪声信号后的噪声源向量矩阵，且为(m-1)×n矩阵，假定噪声源论域为U，则此时i属于论域U，但不包含原先已知频率或幅值最大的噪声信号，即i∈U∧i≠Ω；sΩ为幅值最大的一个噪声信号的短时傅里叶变换，EΩ为幅值最大的一个噪声信号的相关矩阵；

[0098] 如果事先已经掌握某已知频率信号，则取sΩ为该已知频率信号的短时傅里叶变换，取EΩ为该已知频率信号的相关矩阵。换句话说，通过短时傅里叶变换获知其中存在某已知频率信号的sΩ时，则取该已知频率信号构建EΩ；

[0099] 进而，联合(公式七)、(公式十二)、(公式十三)，采用峰值搜索法在(αi，ri)二维空间内进行搜索，来确定信号源的数目和方位。峰值搜索法的计算公式为

[0100] (公式十六)

[0101] 其中，P(αi，ri)为第i个被判断的噪声源的方位坐标；为第i个被判断的噪声源在中的估计向量。因此能够逐一求出对应于不同角频率ωi的对应方位坐标(αi，ri)，包括最先确认的某已知频率信号或者幅值最大的一个噪声信号的方位坐标(αi，ri)。

[0102] 步骤四、判别N＝0？如果是，执行步骤五；否则执行步骤八。

[0103] 步骤五、存储原始噪声数字信号及其特征信息。

[0104] 将首次通过盲信号空域分离法分离所得到的原始各噪声分量的噪声数字信号及其特征信息(即原始噪声样本)存储于信号处理器中内存的第一寄存区。所述噪声特征信息，包括：角频率ωi、方向角αi、噪声源与接收拾音阵元两者之间的距离ri(简称距离ri)、噪声幅值Bi及其存放噪声分量数字信号地址代码gi(简称地址代码gi)，采用噪声特征信息向量表示为噪声特征信息在第一寄存区的存放方式为矩阵S(11)，且

[0105] (公式十七)(12)

[0106] 各噪声分量的数字信号在第一寄存区的存放方式为矩阵S (τ)，且

[0107] (公式十八)

[0108] 其中，向量si(τ)＝[si1 si2…sih]T，i＝1，2，…，n，表示第i个噪声分量在时刻τ经过短时采样时段Δτ的数字采样值；h表示采样周期内的采样次数。

[0109] 步骤六、调节反噪声信号发射方向。

[0110] 根据矩阵S(11)所提供的方向角αi，调整反相声波发生器的万向转动器坐标将大功率压电陶瓷的声波发射方向对准方向角αi所指定的方向，即

[0111] (公式十九)

[0112] 其中，uk、vk分别代表第k个拾音器阵元所对应的万向转动器中两个步进电机转轴法平面，即与步进电机转轴垂直的平面，又称第k个拾音器阵元坐标投影平面；为第i个噪声源与拾音阵列中心点(参考点)的夹角分别在投影平面uk、vk上的角度分量；
dk为第k个拾音器(阵元)到拾音器阵列中心点的距离绝对值；∠uik、∠vik分别为第i个噪声源与拾音阵列中第k阵元夹角在uk、vk投影平面上的角度分量。

[0113] 将∠uik、∠vik的计算值作为反相声波发生器的万向转动器的两个转动轴定位角度依据，与转动轴端机械连接的两只步进电机分别在其驱动器的驱动下，使万向转动器连同大功率压电陶瓷旋转到对准第i个噪声源的发出方向上，即根据与来驱动两个步进电机的相应角度；其中与分别为两个步进电机
当前所处角度坐标，Δ∠uik与Δ∠vik分别为两个步进电机当前应该被转动的角度值，正值为正向转动，负值为负向转动。鉴于声波的衍射特性，对于反噪声信号与噪声源信号两者的发射方向“对准”要求并不严格。两个步进电机当前所处角度坐标能够根据信号处理器输出脉冲数的记忆来确认，因此使得本发明装置对步进电机的驱动省掉了一般步进电机运动控制需要配置的位置传感器。

[0114] 所述第k个拾音器阵元的投影平面uk、vk，即反相声波发生器的万向转动器坐标平面u、v，亦即万向转动器两个转动轴的法平面。因为拾音器与反相声波发生器靠近安装，已经尽量减小两者之间的空间位置偏差，所以能够忽略不计根据(公式十九)计算结果作为万向转动器两个转动轴转角坐标所产生的反噪声信号指向误差。

[0115] 步骤七、生成反噪声信号。

[0116] 根据矩阵S(11)所提供的地址代码gi，将指定的噪声数字信号si(τ)依次送入反相声波发生阵列中的第k个拾音器阵元所对应的第k个反相声波发生器输入接口。将噪声数字信号si(τ)经过反相声波发生阵元中的数模转换器、倒相器、功率放大器和反相声波发生器及其大功率压电陶瓷的连续工作，最终向第i个噪声源方向发射一种与其相位相反、能量相等的反噪声信号致使第i个噪声源能量在抵达第k个拾音器阵元前的特定距离处被抵消或被大幅度削减。

[0117] 所述“相位相反、能量相等”，由信号处理器的运算予以实现，其数学模型能够表达为

[0118] (公式二十)

[0119] 其中，φ为原噪声信号的初相位；δ为反噪声信号初相位的修正值，这是对信号处理器运算引起反噪声信号生成过程滞后的一种补偿，当δ足够小时，即信号处理器的运算速度足够快时，δ能够忽略不计；f(ωi，-Bi，-φ+δ)表示反噪声信号是关于角频率ωi、反噪声幅值-Bi和初相位-φ+δ的函数；表示反噪声信号的输出能量，Δτ为短时傅里叶变换的采样时间，又称短时傅里叶变换时间窗宽度。

[0120] 返回执行步骤二。

[0121] 步骤八、存储当前噪声数字信号及其特征信息。

[0122] 将当前通过盲信号空域分离方法分离所得到的各噪声分量的噪声数字信号及其特征信息存储于信号处理器中的第二寄存区。所述当前噪声特征信息，同样包括：角频率ωi、方向角αi、噪声源与接收拾音阵元两者之间的距离ri(简称距离ri)、噪声幅值Bi及其存放噪声分量数字信号地址代码gi，采用噪声特征信息向量表示为(21)噪声源特征信息在第二寄存区的存放方式为矩阵S ，且

[0123] (公式二十一)

[0124] 各噪声分量的数字信号在第二寄存区的存放方式为矩阵S(22)(τ)，且[0125] (公式二十二)

[0126] 其中，向量 i＝1，2，…，n，表示当前第i个噪声分量在时刻τ经过短时采样时段Δτ的数字采样值；h表示采样周期内的采样次数。

[0127] 步骤九、调节反噪声信号的输出，包括分步骤如下：

[0128] 分步骤1.计算当前各个噪声分量均值即

[0129] (公式二十三)

[0130] 并将计算结果构成统计特征向量即

[0131] (公式二十四)

[0132] 存放于信号处理器中内存的第二寄存区的统计特征存储单元内；

[0133] 分步骤2.

[0134] 当且时，提取S(12)(τ)所对应的si(τ)＝[si1 si2…sih]T后，继续执行步骤七；

[0135] 所述即按照所对应的中的元素集(11) (11)
合{αi，ri，ωi}与信号处理器中第一寄存区S 的集合元素进行比对，看是否已经被S所包含；

[0136] 分步骤3.

[0137] 当且时，提取S(12)(τ)所对应的si(τ)＝[si1 si2…sic]T，并进行修正，即

[0138] (公式二十五)

[0139] 然后，以替代噪声分量数字信号si(τ)，再执行步骤七；

[0140] 分步骤4.当且时，则说明来自原有方向上的噪声分量已经消失且当前检测到的信号也已削弱到足够小的程度，无需对当前的所对应的噪声分量进行处理；此时，返回执行步骤二；

[0141] 分步骤5.当且时，说明当前发现的噪声分量可能是新出(11)
现的噪声分量，需要对原有信号处理器中第一寄存区的噪声源特征信息矩阵S 和各噪声(12)
分量的数字信号矩阵S (τ)进行扩充，即增加记录和
T
sn+1(τ)＝[sn+1，1 sn+1，2…sn+1，c] ；

[0142] 根据矩阵S(11)中的新记录所提供的方向角αn+1，调整第k+1个反相声波发生器的万向转动器坐标将大功率压电陶瓷的声波发射方向对准方向角αn+1所指定的方向，即[0143] (公式二十六)

[0144] 其中，uk+1、vk+1分别代表第k+1个拾音器阵元万向转动器中两个步进电机转轴法平面，又称第k+1个拾音器阵元坐标投影平面；为第n+1个噪声源与拾音阵列中心点(参考点)的夹角分别在投影平面uk+1、vk+1上的角度分量；∠un+1，k+1、∠vn+1，k+1分别为第i个噪声源与拾音阵列中第k+1阵元夹角在投影平面uk+1、vk+1上的角度分量；k+1≤m，m即反相声波发生器的数目，亦即拾音器阵元的数目；

[0145] 将∠un+1，k+1、∠vn+1，k+1的计算值作为反相声波发生器的万向转动器的两个转动轴定位角度依据，与转动轴端机械连接的两只步进电机分别在其驱动器的驱动下，使万向转动器连同大功率压电陶瓷旋转到对准第n+1个噪声源的方向上；

[0146] 根据矩阵S(11)所提供的地址代码gn+1，将指定的噪声分量数字信号sn+1(τ)依次送入反相声波发生阵列中第k+1个拾音器阵元所对应的第k+1个反相声波发生器输入接口。将噪声数字信号sn+1(τ)经过反相声波发生阵元中的数模转换器、倒相器、功率放大器和反相声波发生器及其大功率压电陶瓷的连续工作，最终向第n+1个噪声源方向发射一种与其相位相反、能量相等的反噪声信号致使第n+1个噪声源能量在抵达第k+1个拾音器阵元前的空间特定距离处被抵消或被大幅度削减。

[0147] 返回执行步骤二。

[0148] 必须指出，对“盲信号空域分离”结果，如果其中存在“某已知频率信号”并需要保留其传输通道，则本发明装置与方法能够通过信号处理器输出的控制指令予以实现，即关闭对应的反相声波发生器“反噪声”信号输出以达到保留该信号传输的目的。因此本发明在实现软降噪的同时，还能够实现“有选择性”地保留某些信号的传输路径。这在空间无线通信或水下声纳通信过程具有较高的实用价值。附图说明

[0149] 图1为本发明装置结构示意图；

[0150] 图2为本发明系统及其反相声波发生器工作姿态示意图；

[0151] 图3为本发明信号处理器结构示意图；

[0152] 图4为本发明反相声波发生阵列结构示意图；

[0153] 图5为本发明反相声波发生器结构示意图；

[0154] 图6为本发明方法步骤流程图；

[0155] 图7为本发明拾音阵列中心点、拾音阵元及其步进电机坐标平面之间关系示意图。

具体实施方式

[0156] 下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0157] 如图1、2所示，本实施例涉及一种智能软降噪装置，包括：拾音阵列1、信号放大器2、信号处理器3和反相声波发生阵列4。拾音阵列1的输出接口与信号放大器2的输入接口连接，信号放大器2的输出接口与信号处理器3的输入接口连接，信号处理器3的输出接口与反相声波发生阵列4的输入接口连接。

[0158] 本发明装置一旦采用特定类型的拾音器作为拾音阵列的阵元，便能够适用相应噪声信号的采集。如：采用微型驻极体拾音传感器能够对空气介质中的噪声信号进行采集；对于水介质中的噪声信号进行采集时，可以采用光纤拾音传感器，也可以采用微型驻极体拾音传感器，但是此时需要通过防水传声材料使微型驻极体拾音传感器既与水质隔离又不影响接收水噪声信号。图2示出了拾音阵元11、12、13等的工作姿态举例；拾音阵元11、12、
13等分别与反相声波发生器41、42、43等靠近安装。

[0159] 如图3所示，所述信号处理器3，包括：输入接口31、模数转换模块32、信号处理模块33、内存模块34、输出接口35。其中：输入接口31的输入端口与信号放大器2输出接口连接，输入接口31的输出端口与模数转换模块32的输入端连接，模数转换模块32的输出端口与信号处理模块33的输入端口连接；信号处理模块33的输出端口与输出接口35的输入端连接；输出接口35的输出端口与反相声波发生阵列4输入接口连接。输出接口35具有多路信号工作通道，即输出接口35具有多个独立通道，多个独立通道具有各自独立的通道地址编码，分别由信号处理器3中的信号处理模块33输出的“反噪声”数字信号帧头代码选通；反相声波发生阵列4输入接口由多个独立的反相声波发生阵元输入接口构成多路信号输入通道口，每个独立的反相声波发生阵元输入接口与信号处理器3输出接口35多路信号工作通道对应连接。内存模块34存储噪声数字信号样本及其特征信息，信号处理模块33与内存模块34之间通过信号处理器的内部信号总线连接，实现两者之间的数据双向交互。所述内存模块34，包括：第一寄存区341和第二寄存区342；第一寄存区341存放原始噪声数字信号样本及其特征信息，第二寄存区342存放实时噪声数字信号样本及其特征信息。

[0160] 如图4所示，所述反相声波发生阵列4，是由多个独立的反相声波发生阵元构成。每个独立的反相声波发生阵元，包括：输入接口41、数模转换器42、倒相器43、功率放大器
44、反相声波发生器45。每个独立的反相声波发生阵元输入接口41的输入端口与信号处理器3的输出接口35多路信号工作通道对应连接，输入接口41的输出端与数模转换器42的输入端口连接，数模转换器42的输出端口与倒相器43的输入端口连接，倒相器43的输出端口与功率放大器44的输入端口连接，功率放大器44的输出端口与反相声波发生器45等的输入端口连接。如图5所示，反相声波发生器45与拾音器11靠近安装，以尽量减小两者之间的空间位置偏差。

[0161] 如图5所示，所述反相声波发生器，包括：大功率压电陶瓷451、圆锥面助振薄膜452、圆锥面支架453和万向转动器454。大功率压电陶瓷451呈圆形薄片附着于圆锥面助振薄膜452的中心位置，并使其平面与圆锥面助振薄膜452的中轴线垂直，也就是说圆锥面助振薄膜452的中轴线垂直穿过大功率压电陶瓷451圆形薄片的圆心；圆锥面支架453起到圆锥面助振薄膜452和万向转动器454的固定机械连接作用，以及圆锥面助振薄膜452与拾音器11的靠近安装连接作用。所述圆锥面助振薄膜452，是一种声波助振和反射器件，能够对置于其中心位置上的大功率压电陶瓷451圆形薄片发出的振动波起到放大的作用，并能够将振动波的散射成分予以反射形成一股相对平行于中轴线的振动波束。

[0162] 所述万向转动器454，包括：控制指令输入接口、控制指令译码器、两个驱动器、两台微型步进电机和机械万向节。其中，控制指令输入接口的输入端口与对应反相声波发生阵元输入接口的输入端口相并接；控制指令输入接口的输出端口与控制指令译码器的输入端口连接；控制指令译码器的第一、二输出端口分别与第一、二驱动器的输入端口连接；第一、二驱动器的输出端口分别与第一、二微型步进电机的输入端口连接；第一、二微型步进电机的机械转轴分别与大功率压电陶瓷的机械基座上的机械万向节两根转轴对应连接。信号处理器通过万向转动器控制指令输入接口输入的控制指令经控制指令译码器的“解释”，被分别输送至第一、二驱动器，驱动器根据接收到的二进制代码确定各自输出至对应步进电机的脉冲信号数，两个步进电机转轴在对应脉冲信号的驱动下使大功率压电陶瓷跟随其基座的机械万向节转动，并使其处于相应的空间姿态，即其法线处于相应指向。当控制指令输出为8位二进制代码时，定义上、下4位分别为第一、二步进电机的驱动代码，且各自的高1位为正反转辨识码，各自的低3位为步进脉冲数；如：8位控制指令“01101001”即表示分别由第一、二驱动器向第一、二步进电机对应输出6个正向驱动脉冲和1个负向驱动脉冲信号；机械万向节两根转轴在两个步进电机的带动下，使得大功率压电陶瓷451跟随其基座被转动至特定的姿态，即其法线指向特定方向。所述控制指令译码器的“解释”，即将噪声源方向坐标估计参数向量(αi，ri)通过坐标投影变换，被转换为两个步进电机转轴应该所处的角度坐标值，并将其与当前步进电机所处的角度坐标相减，进而得出两个步进电机需要改变的角度坐标，以及该需要改变的角度坐标值所对应的驱动脉冲数。

[0163] 以三个拾音器等间隔直线排列构成拾音阵列为例，本发明所涉及的智能软降噪装置工作过程为：

[0164] 拾音阵列1所采集到的未知噪声信号经信号放大2进行电压放大后，被送入信号处理器3。信号处理器3输入接口31将未知噪声信号送入模数转换模块32的输入端，模数转换模块32再将转换后的未知噪声数字信号输至信号处理模块33。信号处理模块33运用盲信号空域分离方法将来自空间的未知噪声信号进行分离与定向。首次被分离出的多路噪声数字信号及其特征信息存放于信号处理器内存模块34的第一寄存区341；经过首次盲信号空域分离后，再经实时被分离后的多路噪声数字信号及其特征信息存放于信号处理器3内存模块34的第二寄存区342。

[0165] 当本发明装置进入初始工作状态时，信号处理模块33将首次被分离出的三路(或小于三路)噪声数字信号及其特征信息分别经过输出接口35的三个通道向反相声波发生阵列4的输入接口41输送；同时将盲信号空域分离方法分离出的首次被分离出的三路噪声数字信号及其特征信息依次存放于内存模块34第一寄存区341的存储单元中，称此刻第一寄存区341存储单元中的被分离噪声数字信号及其特征信息为原始噪声样本。

[0166] 由盲信号空域分离方法分离出的多路噪声数字信号分别经过输出接口的多个通道送入反相声波发生阵列4后，分成对应的多路信号分别被各路万向转动器454中的控制指令译码器通过坐标投影变换转换为驱动步进电机的两轴脉冲信号。与此同时，多路噪声数字信号分别通过各自的数模转换、倒相和功率放大电路经由反相声波发生器45的大功率压电陶瓷451及其圆锥面助振薄膜452向空间发射，成为正对着对应噪声源方向且与其反相的“反噪声”声波信号。在步进电机的准确驱动下，使得由万向转动器454转动下的反相声波发生器45压电晶片表面法线能够准确对准对应的噪声源点，同时对应噪声源点产生的噪声能量被反相声波发生器45所发射的“反噪声”声波信号所抵消，致使该噪声源点所产生的噪声分贝值被明显降低。

[0167] 本发明装置在初始工作之后，亦即首次被分离出的多路噪声数字信号及其特征信息存放于信号处理器3内存模块34的第一寄存区后，被拾音阵列1实时采集的噪声信号经过信号处理器3的盲信号空域分离法分离后依次被存放于内存模块34第二寄存区342的存储单元中，称此刻第二寄存区342存储单元中的被分离噪声数字信号及其特征信息为实时噪声样本。当再次采集并经盲信号空域分离方法分离出的三路(或小于三路)的噪声数字信号与第二寄存区342对应的存储单元中所存储的实时噪声样本进行比对，若发现存在的差异超出允许的阈值时，则立即对相应通道反相声波发生器45输出的“反噪声”声波信号调节其相位与功率大小以达到最大限度地降低来自对应方向的噪声分贝值的效果；同时，将当前的噪声分离信号作为新的实时噪声样本替代之前存放于第二寄存区342对应的存储单元中的实时噪声样本。如此周而复始地循环，最终能够使得来自各个方向上的噪声影响被降低(削减)到最低程度。

[0168] 本发明还涉及一种智能软降噪方法，如图6所示，包括如下步骤：

[0169] 步骤一、系统初始化，具体包括：

[0170] (1)设置噪声信号采集次数的计数变量N，且

[0171] (2)将反相声波发生器的万向转动器进行复位；

[0172] (3)结合(公式六)和(公式七)演化得

[0173] (公式八)

[0174] 步骤二、采集噪声信号。

[0175] 由拾音阵列采集噪声信号，并将采集到的噪声信号经信号放大器进行电压放大后再输送至信号处理器。

[0176] 步骤三、确定噪声源的数目与方位，包括分步骤如下：

[0177] 分步骤1.对噪声信号进行短时傅里叶变换；

[0178] 令采样起始时刻为τ、时间窗为Δτ，定义采样点数为p，拾音阵列中m个阵元接收到的信号能够表示为

[0179] (公式九)

[0180] 对xk(τ)进行短时傅里叶变换，得

[0181] xk(ωi，τ)＝[xk1(ωi，τ)xk2(ωi，τ)…xkp(ωi，τ)]T (公式十)[0182] 进而得X(τ)的短时傅里叶变换为

[0183] X(ωi，τ)＝[x1(ωi，τ)x2(ωi，τ)…xm(ωi，τ)]T (公式十一)[0184] 此时，(公式四)被演变为

[0185] X(ωi，τ)＝As(ωi，τ) (公式十二)

[0186] 其中，s(ωi，τ)为噪声源s＝[s1 s2…sn]T的短时傅里叶变换；A中的ai为[0187]

[0188] (公式十三)

[0189] 分步骤2.求取短时傅里叶变换的相关矩阵；

[0190] 利用多个噪声源信号的互不相关性，由(公式九)能够获得相关矩阵R××(ωi)，且[0191] R××(ωi)＝E[X(ωi，τ)XH(ωi，τ)]

[0192] ＝A(ωi)E[s(ωi，τ)sH(ωi，τ)]AH(ωi) (公式十四)

[0193] ＝A(ωi)Cs(ωi)AH(ωi)

[0194] 分步骤3.确定噪声源的数目和方位

[0195] 利用短时傅里叶变换获得的噪声源幅频特性找出幅值最大的噪声所对应的频率作为参考噪声源，重新描述相关矩阵R××(ωi)，得

[0196]

[0197] (公式十五)

[0198] 其中，为去除幅值最大的噪声信号后的噪声源短时傅里叶变换，为去除幅值最大的噪声信号后的噪声源相关矩阵，为去除幅值最大的噪声信号后的噪声源向量矩阵，且为(m-1)×n矩阵；sΩ为幅值最大的一个噪声信号的短时傅里叶变换，EΩ为幅值最大的一个噪声信号的相关矩阵。

[0199] 进而，联合(公式七)、(公式十二)、(公式十三)，采用峰值搜索法来确定信号源的数目和方位，其中，i∈U∧i≠Ω。

[0200] 步骤四、判别N＝0？如果是，执行步骤五；否则执行步骤八。

[0201] 步骤五、存储原始噪声数字信号及其特征信息。

[0202] 将首次通过盲信号空域分离法分离所得到的原始各噪声分量的噪声数字信号及其特征信息(即原始噪声样本)存储于信号处理器中内存的第一寄存区。所述噪声特征信息，包括：角频率ωi、方向角αi、噪声源与接收拾音阵元两者之间的距离ri(简称距离ri)、噪声幅值Bi及其存放噪声分量数字信号地址代码gi(简称地址代码gi)，采用噪声特征信息向量表示为噪声特征信息在第一寄存区的存放方式为矩阵S(11)，且

[0203] (公式十七)

[0204] 各噪声分量的数字信号在第一寄存区的存放方式为矩阵S(12)(τ)，且[0205] (公式十八)

[0206] 其中，向量si(τ)＝[si1 si2…sih]T，i＝1，2，…，n，表示第i个噪声分量在时刻τ经过短时采样时段Δτ的数字采样值；h表示采样周期内的采样次数。

[0207] 步骤六、调节反噪声信号发射方向。

[0208] 根据矩阵S(11)所提供的方向角αi，调整反相声波发生器的万向转动器坐标将大功率压电陶瓷的声波发射方向对准方向角αi所指定的方向，即

[0209] (公式十九)

[0210] 将∠uik、∠vik的计算值作为反相声波发生器的万向转动器的两个转动轴定位角度依据，并根据与来驱动两个步进电机的相应角度，使与其机械连接的万向转动器连同大功率压电陶瓷旋转到对准第i个噪声源的发出方向上。
即根据与来驱动两个步进电机的相应角度；其中
与分别为两个步进电机当前所处角度坐标，Δ∠uik与Δ∠vik分别为两个步进电机当前应该被转动的角度值，正值为正向转动，负值为负向转动。鉴于声波的衍射特性，对于反噪声信号与噪声源信号两者的发射方向“对准”要求不严格。两个步进电机当前所处角度坐标能够根据信号处理器输出脉冲数的记忆来确认，因此使得本发明装置对步进电机的驱动省却了一般步进电机运动控制需要配置的位置传感器。如：每个脉冲信号驱动步进电机转动0.5°角度，首次向步进电机输入+5个脉冲，步进电机被正向驱动2.5°；当需要将步进电机置于+30°角时，说明对当前步进电机应该继续正向驱动27.5°角，或者说，对应+30°角的+60脉冲数必须减去原先输出的+5个脉冲数得到+55脉冲数正是应该向步进电机输送的脉冲数值；余类推。

[0211] 如图5、7所示，所述第j个拾音器阵元的投影平面u、v，即反相声波发生器的万向转动器坐标平面u、v，亦即万向转动器两个转动轴的法平面。因为拾音器与反相声波发生器靠近安装，且同处于一个中心轴线上，已经尽量减小两者之间的空间位置偏差，所以能够忽略不计根据(公式十九)计算结果作为万向转动器两个转动轴转角坐标所产生的发噪声信号指向误差。

[0212] 步骤七、生成反噪声信号。(11)

[0213] 根据矩阵S 所提供的地址代码gi，将指定的噪声数字信号si(τ)依次送入反相声波发生阵列中的第k个拾音器阵元所对应的第k个反相声波发生器输入接口。将噪声数字信号si(τ)经过反相声波发生阵元中的数数模转换器、倒相器、功率放大器和反相声波发生器及其大功率压电陶瓷的连续工作，最终向第i个噪声源方向发射一种与其相位相反、能量相等的反噪声信号即

[0214] (公式二十)

[0215] 返回执行步骤二。

[0216] 步骤八、存储当前噪声数字信号及其特征信息。

[0217] 将当前通过盲信号空域分离方法分离所得到的各噪声分量的噪声数字信号及其(21)特征信息存储于信号处理器中的第二寄存区。即存储噪声特征信息矩阵S

[0218] (公式二十一)

[0219] 与各噪声分量的数字信号矩阵S(22)(τ)

[0220] (公式二十二)

[0221] 于信号处理器中的第二寄存区。

[0222] 步骤九、调节反噪声信号的输出，包括分步骤如下：

[0223] 分步骤1.计算当前各个噪声分量均值

[0224] (公式二十三)

[0225] 并将计算结果构成统计特征向量

[0226] (公式二十四)

[0227] 存放于信号处理器中第二寄存区的统计特征存储单元内。

[0228] 分步骤2.

[0229] 当且时，提取S(12)(τ)所对应的si(τ)＝[si1 si2…sic]T后，继续执行步骤七。

[0230] 分步骤3.

[0231] 当且时，提取S(12)(τ)所对应的si(τ)＝[si1 si2…sic]T并进行修正，即

[0232] (公式二十五)

[0233] 然后，以替代噪声分量数字信号si(τ)，再执行步骤七。

[0234] 分步骤4.当且时，无需对当前的所对应的噪声分量进行处理。此时，返回执行步骤二。

[0235] 分步骤5.当且时，需要对原有信号处理器中第一寄存区(11) (12)
的噪声源特征信息矩阵S 和各噪声分量的数字信号矩阵S (τ)进行扩充，即增加记录和

[0236] 根据矩阵S(11)中的新记录所提供的方向角αn+1，调整第n+1个反相声波发生器的万向转动器坐标将大功率压电陶瓷的声波发射方向对准方向角αn+1所指定的方向，即[0237] (公式二十六)

[0238] 将∠un+1，k+1、∠vn+1，k+1的计算值作为反相声波发生器的万向转动器的两个转动轴定位角度依据，与转动轴端机械连接的两只步进电机分别在其驱动器的驱动下，使万向转动器连同大功率压电陶瓷旋转到对准第n+1个噪声源的合适方向上；

[0239] 根据矩阵S(11)所提供的地址代码gn+1，将指定的噪声分量数字信号sn+1(τ)依次送入反相声波发生阵列中第k+1个拾音器阵元所对应的第k+1个反相声波发生器输入接口。将噪声数字信号sn+1(τ)经过反相声波发生阵元中的数模转换器、倒相器、功率放大器和反相声波发生器及其大功率压电陶瓷的连续工作，最终向第n+1个噪声源方向发射一种与其相位相反、能量相等的反噪声信号致使第n+1个噪声源能量在抵达第k+1个拾音器阵元前的空间特定距离处被抵消或被大幅度降低。

[0240] 返回执行步骤二。

[0241] 实施结果证实：

[0242] (1)本发明智能软降噪方法对来自多个方向的互不相关噪声信号的分离准确率达到98％以上；

[0243] (2)本发明智能软降噪装置所形成的反噪声信号发射方向与噪声点的偏差小于10°；

[0244] (3)本发明所形成的反噪声信号能够在其作用范围内使噪声的能量降低50％以上。

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智能软降噪装置与方法

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