一种响度控制有源消声系统及其方法
阅读：1044发布：2020-05-25
专利汇可以提供一种响度控制有源消声系统及其方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种响度控制有源消声系统及其方法，其中系统包括I个次级源、J个 传声 器、参考 信号 传感器 、最小均方 算法 模 块 、传声通道模型和响度 滤波器 ，其特征在于所述的参考信号传感器分别连接在响度滤波器和I个次级源上，所述的响度滤波器连接在传声通道模型上，所述的传声通道模型连接在最小均方算法模块上，所述的J个传声器通过响度滤波器连接在最小均方算法模块上。本发明可适度放大误差传感信号中人 耳 敏感 频率 成分，以及衰减不敏感成分，使系统加大对敏感成分的消声作用，能改善有源消声的听觉主观舒适性。，下面是一种响度控制有源消声系统及其方法专利的具体信息内容。
1.一种响度控制有源消声系统，包括I个次级源、J个传声器、参考信号传感器、最小均方算法模块、传声通道模型和响度滤波器，其特征在于所述的参考信号传感器分别连接在响度滤波器和I个次级源上，所述的响度滤波器连接在传声通道模型上，所述的传声通道模型连接在最小均方算法模块上，所述的J个传声器通过响度滤波器连接在最小均方算法模块上。
2.根据权利要求1所述的一种响度控制有源消声系统，其特征在于所述的响度滤波器的频率特性具有等响曲线倒置形状，所述的响度滤波器以1000Hz声音的幅值为基准，频率f处的相对幅值β的算式 其中，LN为选定等响曲线的响度级，Lf和
L1000分别为该曲线上频率f和1000Hz处的声压级，pf为Lf对应的声压，p1000为L1000对应的声压，p0为参考声压，p0=2×10-5Pa。
3.一种响度控制有源消声方法，其特征在于步骤包括：
1）通过参考信号传感器检测噪声源得到参考信号x(n)，其中n为时间序列之后执行步骤2）；
2）所述的参考信号x(n)经过响度滤波器滤波，滤波后的信号又分为I×J路，每个信号分别经相应的传声通道模型模块 其中i为1至I的整数，j为1至J的整数， 为第i个次级源到第j个传声器的传声通道模型，x(n)经响度滤波器和 滤波后得到raij(n)，这些信号又分为I组、每组J个后，分别输入I个最小均方算法模块；同时，所述的J个传声器检测得到J个声压误差信号，每个声压误差信号都经过一个响度滤波器滤波得到J个响度误差信号，所述的J个响度误差信号分别输入I个最小均方算法模块，之后执行步骤3）；
3）所述的最小均方算法模块根据权系数迭代算法 分
别实时更新I个控制器权系数，其中，μ为收敛系数，Wi(n+1)和Wi(n)分别为n+1和n时刻的第i个控制器权系数，eaj(n)为第j个响度误差信号，之后执行步骤4）；
4）步骤1）中所述的参考信号x(n)分为I路，每路x(n)信号经I个控制器权系数模块处理，得到I个次级源控制信号，之后执行步骤5）；
5）所述的I个次级源控制信号输入I个次级源，通过传声器发出相应次级声消减噪声源。
一种响度控制有源消声系统及其方法
技术领域
[0001] 本发明涉及有源消声技术，特别是一种响度控制有源消声系统及其方法。
背景技术
[0002] 无源噪声控制通过声学材料或声学结构与声波相互作用耗掉声能而降噪，对高频噪声有较好控制效果，但对低频噪声效果不理想，并且所采用的声学材料（结构）的质量、体积较大，增加了被控对象的质量、体积和成本。有源消声是一种引入次级源发出振幅相同、相位相反的声波来抵消原有噪声的技术。与无源噪声控制相比，有源消声具有控制频带宽、低频控制效果好、重量轻、控制针对性强的优点。
[0003] 传统有源消声的系统目标是使得误差传声器测得的某个或若干个位置的声压平方和最小。但声压大小与人耳对声音感受不完全一致，声压级更小的声音可能比另一声压级大些声音听起来更响更不舒适，其原因是听觉形成是一个带主观性的、复杂的生理与心理过程，声压级仅显示声音在物理学意义的强弱，不能反映更多的听觉特性。
[0004] 当前噪声控制的一个新趋势是控制理念正从单一的降噪转向改善声音的听觉舒适性，为相关人员提供一个听觉舒适的声环境。对于商业化程度高的机电产品，甚至能够针对不同消费群体的听觉偏好，提供具有相应听觉特性的产品，提高该产品的市场吸引力和竞争力。国际上从上世纪九十年代开始引入声品质的概念来研究噪声控制问题。声品质可从主观和客观两方面表述人对声音的感受，与声压级相比，对声音的描述更全面、更真实，能体现出声音的多维属性。
[0005] 随着声品质概念的提出和有源消声技术的发展，已有研究探讨将有源消声用于改善噪声的听觉舒适性。
[0006] Scheuren等将有源消声安装于一辆汽车，进行声品质主观评价和心理声学参数的客观评价，得到的结论是声压级和响度都有明显减小，尖锐度略有上升，但总体的主观评价得分比原车增加（Scheuren J,et al.Active noise control and sound quality design in motor vehicles.SAE 1999-01-1846.）。
[0007] Gonzaleza等在7.35m×4.16m×2.59m的长方体房间进行了双通道有源消声实验，比较了控制前后的响度、尖锐度、粗糙度以及音色等心理声学参数，还进行了听觉舒适性主观评价实验，结论是大多数情况下听觉舒适性与响度的减小直接相关，听觉效果的改善除了与降噪水平有很大关系，与控制前后的噪声频谱特性也有关系（Gonzaleza A,et al.Sound quality of low-frequency and car engine noises after active noise control.Journal of sound and vibration,2003,265:663–679.）。
[0008] 但是，Scheuren等和Gonzaleza等采用的是传统的声压最小化为目标的有源消声系统，研究的是有源消声对听觉舒适性影响的问题，声品质模型和心理声学参数只作为控制效果的一个评价依据，有源消声系统本身没有考虑听觉特性。
发明内容
[0010] 针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种可以加强对人耳敏感频段的消声作用，与传统的声压控制有源消声相比，具有更好的主观听觉效果的响度控制有源消声系统及其方法。
[0011] 为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种响度控制有源消声系统，包括I个次级源、J个传声器、参考信号传感器、最小均方算法模块、传声通道模型和响度滤波器，其特征在于所述的参考信号传感器分别连接在响度滤波器和I个次级源上，所述的响度滤波器连接在传声通道模型上，所述的传声通道模型连接在最小均方算法模块上，所述的J个传声器通过响度滤波器连接在最小均方算法模块上。
[0012] 所述的响度滤波器的频率特性具有等响曲线倒置形状，所述的响度滤波器以1000Hz声音的幅值为基准，频率f处的相对幅值β的算式 其中，LN
为选定等响曲线的响度级，Lf和L1000分别为该曲线上频率f和1000Hz处的声压级，pf为Lf对应的声压，p1000为L1000对应的声压，p0为参考声压，p0=2×10-5Pa。
为选定等响曲线的响度级，Lf和L1000分别为该曲线上频率f和1000Hz处的声压级，pf为Lf对应的声压，p1000为L1000对应的声压，p0为参考声压，p0=2×10-5Pa。
[0013] 一种响度控制有源消声方法，步骤包括：
[0014] 1）通过参考信号传感器检测噪声源得到参考信号x(n)，其中n为时间序列之后执行步骤2）；
[0015] 2）所述的参考信号x(n)经过响度滤波器滤波，滤波后的信号又分为I×J路，每个信号分别经相应的传声通道模型模块 其中i为1至I的整数，j为1至J的整数， 为第i个次级源到第j个传声器的传声通道模型，x(n)经响度滤波器和 滤波后得到raij(n)，这些信号又分为I组、每组J个后，分别输入I个最小均方算法模块；同时，所述的J个传声器检测得到J个声压误差信号，每个声压误差信号都经过一个响度滤波器滤波得到J个响度误差信号，所述的J个响度误差信号分别输入I个最小均方算法模块，之后执行步骤3）；
[0016] 3） 所 述 的 最 小 均 方 算 法 模 块 根 据 权 系 数 迭 代 算 法分别实时更新I个控制器权系数，其中，μ为收敛系数，Wi(n+1)和Wi(n)分别为n+1和n时刻的第i个控制器权系数，eaj(n)为第j个响度误差信号，之后执行步骤4）；
[0017] 4）步骤1）中所述的参考信号x(n)分为I路，每路x(n)信号经I个控制器权系数模块处理，得到I个次级源控制信号，之后执行步骤5）；
[0018] 5）所述的I个次级源控制信号输入I个次级源，通过传声器发出相应次级声消减噪声源。
[0020] 图1为本发明I个次级源和J个传声器的响度控制有源消声结构图。
[0021] 图2为等响曲线（ISO226-2003）。
[0022] 图3为控制前后的声压谱。
[0023] 图4为控制前后的响度谱。
具体实施方式
[0025] 如图1所示，一种响度控制有源消声系统，包括I个次级源、J个传声器、参考信号传感器、最小均方算法模块、传声通道模型和响度滤波器，其特征在于所述的参考信号传感器分别连接在响度滤波器和I个次级源上，所述的响度滤波器连接在传声通道模型上，所述的传声通道模型连接在最小均方算法模块上，所述的J个传声器通过响度滤波器连接在最小均方算法模块上。
[0026] 图中：
[0027] C1,C2,CI分别为第1,第2和第I个次级源；
[0028] M1,M2,MJ分别为第1,第2和第J个传声器；
[0029] R为参考信号传感器；
[0030] x(n)为n时刻的参考信号；
[0031] W1,W2,WI分别为第1,第2和第I个次级源控制器权系数；
[0032] LMS为最小均方算法模块；
[0033] y1(n),y2(n),yI(n)分别为第1,第2和第I个次级源控制信号；
[0034] A为响度滤波器；
[0035] e1(n),e2(n),eJ(n)分别为第1,第2和第J个传声器测得的声压误差信号；
[0036] eaj(n),eaj(n),eaj(n)分别为第1,第2和第J个响度误差信号；
[0037] （其中i=1,2,…,I；j=1,2,…,J）为第i个次级源到第j个传声器的传声通道模型；
[0038] raij(n)（其中i=1,2,…,I；j=1,2,…,J）为x(n)经滤波得到的信号。
[0039] 所述的响度滤波器的频率特性具有等响曲线倒置形状，所述的响度滤波器以1000Hz声音的幅值为基准，频率f处的相对幅值β的算式 其中，LN
为选定等响曲线的响度级，Lf和L1000分别为该曲线上频率f和1000Hz处的声压级，pf为Lf对应的声压，p1000为L1000对应的声压，p0为参考声压，p0=2×10-5Pa。
为选定等响曲线的响度级，Lf和L1000分别为该曲线上频率f和1000Hz处的声压级，pf为Lf对应的声压，p1000为L1000对应的声压，p0为参考声压，p0=2×10-5Pa。
[0040] 如图2所示，等响曲线由大量的听力学实验数据统计分析得到，将响度级相等的各频率纯音所对应的声压级点连起来即构成等响曲线。
[0041] 根据等响曲线近似得到听觉系统频率特性，并据其设计响度滤波器。对于响度级相同而频率不同的各个声音，对应的声压级也不同，某频率声音对应的声压级越高，则人耳对该频率越不敏感。将响度滤波器的特性设计成具有某条等响曲线倒置形状，那么经过该滤波器滤波，不敏感频率成分有一定程度的衰减，而敏感成分得到放大，声压信号经该滤波器滤波作用近似地得到响度信号。
[0042] 选定一条响度级为LN的等响曲线，该曲线上频率为f和1000Hz处的声压级分别为
[0043] Lf＝20lg(pf/p0) （1）
[0044] L1000＝LN＝20lg(p1000/p0) （2）
[0045] 式中pf为Lf对应的声压，p1000为L1000对应的声压，p0为参考声压，p0=2×10-5Pa。
[0046] 由式（1）和式（2）得到
[0047]
[0048] 为将听觉系统频率特性设计成具有等响曲线的倒置形状，以1000Hz声音的幅值为基准，引入频率f处的相对幅值β
[0049]
[0050] 等响曲线按10phon一个档次存在多条曲线，由等响曲线和式（4）可得到多个响度滤波器特性。各等响曲线形状不同，滤波器特性形状也不同，表现在β峰值的大小及其出现的频段有差异，响度级低的滤波器特性的β峰值较小，且出现在较高频段，响度级较高的滤波器则反之，β峰值较大且出现在较低频段。经过响度滤波器作用，β值较小的频段的声音成分被衰减，而β值较大的频段的成分被较大程度放大。选用响度滤波器时，不同被控噪声选择的滤波器也不同，原则是使β峰值频段与被控噪声中对总响度贡献最大的频段一致。实际操作时可尝试多个滤波器，选定效果最好的一个滤波器。
[0051] 本发明中的响度滤波器采用FIR滤波器，其系数根据响度滤波器特性在MATLAB中通过“fir2”函数设计得到。
[0052] 设定控制器权系数长度为L，定义第i个次级源控制器权系数矢量Wi(n)和参考信号矢量X(n)
[0053] Wi(n)＝[wi1(n),wi2(n),...,wiL(n)]T (5)
[0054] X(n)＝[x(n),x(n-1),...,x(n-L+1)]T (6)
[0055] 第i个次级声源输入信号表示为
[0056]
[0057] 第j个传声器声压误差信号ej(n)表示为
[0058]
[0059] 式中*表示卷积，dj(n)为噪声源信号经初级通道到达第j个传声器的信号，为第i个次级声源到第j个传声器的单位脉冲响应。
[0060] 式(7)代入（8）有
[0061]
[0062] 式中，
[0063]
[0064] 响度误差信号eaj(n)表示成
[0065]
[0066] 式中ha(n)为响度滤波器脉冲响应，
[0067] daj(n)＝dj(n)*ha(n) (12)
[0068] Raij(n)＝Rij(n)*ha(n) (13)
[0069] 响度控制有源消声系统的控制目标是J个位置的响度平方和最
[0070] 小，目标函数为
[0071]
[0072] 对ILD求极小，由最陡下降法得到第i个控制器权系数的迭代算法[0073]
[0074] 式中μ为收敛系数。
[0075] 一种响度控制有源消声方法，其特征在于步骤包括：
[0076] 1）通过参考信号传感器检测噪声源得到参考信号x(n)，其中n为时间序列之后执行步骤2）；
[0077] 2）所述的参考信号x(n)经过响度滤波器滤波，滤波后的信号又分为I×J路，每个信号分别经相应的传声通道模型模块 其中i为1至I的整数，j为1至J的整数， 为第i个次级源到第j个传声器的传声通道模型，x(n)经响度滤波器和 滤波后得到raij(n)，这些信号又分为I组、每组J个后，分别输入I个最小均方算法模块；同时，所述的J个传声器检测得到J个声压误差信号，每个声压误差信号都经过一个响度滤波器滤波得到J个响度误差信号，所述的J个响度误差信号分别输入I个最小均方算法模块，之后执行步骤3）；
[0078] 3） 所 述 的 最 小 均 方 算 法 模 块 根 据 权 系 数 迭 代 算 法分别实时更新I个控制器权系数，其中，μ为收敛系数，Wi(n+1)和Wi(n)分别为n+1和n时刻的第i个控制器权系数，eaj(n)为第j个响度误差信号，之后执行步骤4）；
[0079] 4）步骤1）中所述的参考信号x(n)分为I路，每路x(n)信号经I个控制器权系数模块处理，得到I个次级源控制信号，之后执行步骤5）；
[0080] 5）所述的I个次级源控制信号输入I个次级源，通过传声器发出相应次级声消减噪声源。
[0081] 以1.5m×2.5m×2m的长方体封闭空间内的有源消声仿真为例，介绍本发明的实现过程。
[0082] 仿真采用单通道有源消声系统，包含1个噪声源﹑1个次级源和1个控制点，位置分别在空间内（0.1,0.1,0.1）m、（0.2,2.3,1.8）m和（0.5,1.7,1.1）m。
[0083] 参考信号x(n)取为6个以30Hz为基频的正弦和随机噪声的叠加，正弦噪声的频率从30Hz到330Hz，频率间隔60Hz，且幅值从低频到高频逐渐减小。
[0084] 收敛系数μ取0.001，控制器权系数取30，传声通道的传递函数根据长方体空间理论模态模型计算，用高阶FIR滤波器模拟，响度根据Zwicker方法，用Matlab语言进行计算。
[0085] 根据附图2中的10～100phon等响曲线和式（4）设计了10个响度滤波器频率特性，根据这些特性用MATLAB中的“fir2”函数设计得到FIR响度滤波器的系数，将这10个响度滤波器分别用于系统。
[0086] 进行响度控制和传统声压控制的有源消声仿真。在响度控制仿真时，发现采用70和80phon滤波器的控制效果更好，其中采用70phon响度滤波器的控制结果及采用声压控制结果见附图3和附图4。
[0087] 与未控噪声相比，响度控制后的声压减小了7.6dB，响度减小了41.2%，而声压控制后的声压减小值为11.2dB，比响度控制要大，但响度减小的效果却比响度控制要差，仅减小19.8%，这说明响度控制可得到更好的主观听觉效果。
[0088] 由附图3(a)和4(a)可知，未控噪声的100Hz以下成分的声压较高，随后的频率成分的声压则逐渐减小，考虑到人耳对100Hz以下（0～1bark）声音的敏感程度不如150～300Hz（1～3bark）声音的敏感程度大，尽管100Hz以下成分的声压较高，但它对总响度做的贡献却并不大，而150～300Hz成分的声音的贡献大得多。对比图3和4中各噪声的声压和特性响度可知，声压控制对100Hz以下成分衰减更多，而响度控制对150～300Hz成分衰减更多，其原因是：声压控制的控制目标为声压，100Hz以下成分由于声压较高而被系统衰减得较多，而响度控制由于有响度滤波器的作用，被控噪声的100Hz以下成分被缩小，
150～300Hz成分被放大，相应地系统对150～300Hz成分衰减程度加大了，由于100Hz以下成分对总声压贡献更大，因而声压控制的总声压减小量大于响度控制，而150～300Hz成分对总响度贡献更大，响度控制的响度减小量多于声压控制，即响度控制可得到更好的主观听觉效果。
150～300Hz成分被放大，相应地系统对150～300Hz成分衰减程度加大了，由于100Hz以下成分对总声压贡献更大，因而声压控制的总声压减小量大于响度控制，而150～300Hz成分对总响度贡献更大，响度控制的响度减小量多于声压控制，即响度控制可得到更好的主观听觉效果。
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