概述

隨著現(xiàn)代工業(yè)化進(jìn)程的加快，噪聲污染已上升為一個(gè)嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，和水污染、空氣污染、固體廢棄物污染一起被稱(chēng)為當(dāng)今的四大污染，引起了全球的關(guān)注。可以說(shuō)日常生活中幾乎到處都充斥著噪聲，尤其像現(xiàn)在家庭中的各種家用電器如空調(diào)、洗衣機(jī)、冰箱等工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生噪聲污染;工廠中的一些工業(yè)設(shè)備， 如切割機(jī)、通風(fēng)管道、壓縮機(jī)、發(fā)電機(jī)等在工作時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量的工業(yè)噪聲。

這些設(shè)備與人們的生活息息相關(guān)，所產(chǎn)生的噪聲也已嚴(yán)重危害到人們的健康。洗衣機(jī)的噪聲通常在 42~70dB，空調(diào)和冰箱在 34~50dB，而工業(yè)噪聲普遍都超過(guò) 90dB，最高可達(dá) 130dB。研究表明，人耳最高可以接受 70dB的聲音，超過(guò)50dB的噪聲就會(huì)影響人的正常休息，長(zhǎng)時(shí)間睡眠不足會(huì)導(dǎo)致人體正常的生理機(jī)能出現(xiàn)問(wèn)題;若噪聲達(dá)到 70dB會(huì)影響人們之間的交流，并使人出現(xiàn)躁動(dòng)不安情緒，降低工作效率;長(zhǎng)期身處 90dB以上的噪聲環(huán)境找那個(gè)會(huì)損傷聽(tīng)力，并致使心腦血管等一系列疾病的發(fā)生;100dB左右的噪聲會(huì)使人頭痛，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)暫時(shí)性耳聾;當(dāng)噪聲高達(dá) 140dB就會(huì)引起人的眼球振動(dòng)，導(dǎo)致視覺(jué)模糊，呼吸加速，血壓升高，說(shuō)話(huà)能力也受到影響。因此，對(duì)噪聲污染的治理是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。

一般而言，解決噪聲問(wèn)題會(huì)從噪聲的源頭、傳播途徑和接收者三個(gè)方面入手。從原理上來(lái)分，進(jìn)行噪聲控制的辦法主要包括無(wú)源(被動(dòng))控制(PassiveNoiseControl，PNC)和有源(主動(dòng))控制[1] (Active Noise Control，ANC)兩種。

無(wú)源控制是用聲學(xué)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)降噪目的，其機(jī)理是利用聲學(xué)材料或聲學(xué)結(jié)構(gòu)特性，通過(guò)吸聲處理、隔聲處理、使用消聲器、隔離振動(dòng)等方法使聲波在傳輸過(guò)程中相互作用消耗聲能來(lái)降低噪聲，但是該方法僅在降低中、高頻噪聲時(shí)效果比較好，對(duì)低頻段噪聲抑制效果不理想，并且實(shí)現(xiàn)起來(lái)體積龐大、價(jià)格昂貴。然而現(xiàn)在大多數(shù)家用電器和機(jī)械設(shè)備所產(chǎn)生的噪聲都集中在低頻段，且頻率越低，聲波波長(zhǎng)越長(zhǎng)， 穿透能力也越強(qiáng)，更易對(duì)人體造成危害。此時(shí)有源控制的出現(xiàn)可以很好地將以上問(wèn)題解決。

有源噪聲控制是將聲學(xué)和電子裝置相互配合，根據(jù)聲波相互抵消干涉原理，針對(duì)初始噪聲，產(chǎn)生一個(gè)與其幅度相同、相位相反的次級(jí)噪聲，兩列聲波在空間中互相疊加來(lái)降低噪聲。由此可知，實(shí)現(xiàn)有源控制的核心技術(shù)是對(duì)次級(jí)噪聲幅度和相位的調(diào)節(jié)[ 2-3] ，其核心思想如圖 1-1 聲波抵消圖所示。與無(wú)源控制相比，該方法能很好地降低低頻段噪聲，并且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、體積小、易于安裝。

圖 1-1 聲波抵消圖(空間中某點(diǎn)的壓強(qiáng)隨時(shí)間變化圖)

主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

低成本的非接觸式寬帶大范圍主動(dòng)降噪：以座椅為載體，嵌入噪聲控制單元、機(jī)器視覺(jué)單元和運(yùn)動(dòng)控制單元，既避免了接觸式降噪(降噪耳機(jī))容易導(dǎo)致出汗、甚至損傷聽(tīng)力的缺陷，又避免了基于多揚(yáng)聲器的陣列降噪系統(tǒng)的高成本。以極低的成本滿(mǎn)足了個(gè)人休息時(shí)的降噪需求。

系統(tǒng)架構(gòu)

1.降噪處理單元硬件設(shè)計(jì)

降噪處理單元核心為一個(gè)單核 ARM Cortex-M7微控制器，組成硬件還包括自適應(yīng)聲音采集電路，揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電路和濾波電路，如圖 2-4 為它們的硬件組成框圖。

圖 2-4 硬件組成框圖

1.1 傳感器前置放大電路設(shè)計(jì)

傳感器在 ANC系統(tǒng)中用來(lái)采集初級(jí)噪聲和殘余噪聲，其本身的特性直接影響 ANC算法的計(jì)算精度，進(jìn)一步影響系統(tǒng)的降噪效果。在本次設(shè)計(jì)中考慮到需要在空間內(nèi)采集噪聲信號(hào)，為了方便安裝和調(diào)整位置，選用了電容式咪頭，該話(huà)筒指向性為心形指向，頻響范圍為 40Hz~18kHz，正好符合系統(tǒng)對(duì)低頻信號(hào)的頻響穩(wěn)定度，輸出阻抗為 600Ω，靈敏度為-40dB±2dB，可承受的最大聲壓級(jí)為115dB，采集距離遠(yuǎn)，具有 20~50cm的參考拾音距離。

本系統(tǒng)使用話(huà)筒來(lái)采集噪聲以實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換功能，但是由話(huà)筒采集轉(zhuǎn)換的電信號(hào)比較微弱，通常在 mV級(jí)水平，為了防止幅值太小而導(dǎo)致 A/D采樣位數(shù)的變化不大，需要將微弱的電信號(hào)放大到一定電平來(lái)得到合適的電壓，供后續(xù)電路使用。由于本次采集的是語(yǔ)音信號(hào)，頻響范圍較寬，而放大電路在對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行放大的時(shí)候也會(huì)將噪聲放大，因此該電路在設(shè)計(jì)時(shí)要保證自身噪聲盡可能小， 輸入阻抗足夠大，輸出阻抗足夠小，才能夠使信號(hào)在傳輸過(guò)程中失真較小，以保證信號(hào)的穩(wěn)定性。本次設(shè)計(jì)選用 AD823構(gòu)成兩級(jí)放大電路，一方面因?yàn)?AD823是高性能低噪聲雙運(yùn)算放大器，有良好的輸出驅(qū)動(dòng)能力和很高的小信號(hào)帶寬，能夠適用于各種音頻放大領(lǐng)域;另一方面由于 AD823可以采用 3.0V~36V的單電源供電，當(dāng)供電電壓為 3.3V時(shí)，能夠與降噪處理單元核心的供電電壓一致，這樣不僅可以降低芯片功耗，還能減少電壓路數(shù)。具體的電路設(shè)計(jì)如圖 2-5 所示。

圖 2-5 前置放大電路

該電路中 AD823采用+3.3V單電源供電，因此由穩(wěn)壓電路為其供電。其中R2和 R6構(gòu)成第一級(jí)反相比例放大，放大倍數(shù)為 5.1 倍，R1和 RP7構(gòu)成第二級(jí)反相比例放大，放大倍數(shù)為 50 倍，這樣整個(gè)電路就會(huì)有 255 倍的放大區(qū)間，完全滿(mǎn)足系統(tǒng)要求，可以通過(guò)調(diào)整滑動(dòng)變阻器 RP7來(lái)改變放大倍數(shù)，以得到實(shí)驗(yàn)時(shí)所需的電壓。此外團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了另一種自適應(yīng)放大電路，以適用于不同噪聲大小環(huán)境，如附錄 I 所示。

1.2 功率放大電路設(shè)計(jì)

功率放大器在ANC系統(tǒng)中用來(lái)對(duì)控制器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大以驅(qū)動(dòng)次級(jí)揚(yáng)聲器發(fā)出次級(jí)噪聲。它的選擇要求其功率要和揚(yáng)聲器匹配，匹配時(shí)功放的功率要大于揚(yáng)聲器的功率。功放的阻抗也要和揚(yáng)聲器相匹配，當(dāng)功放的額定輸出阻抗與揚(yáng)聲器的額定輸入阻抗相一致時(shí)，二者才能實(shí)現(xiàn)最佳匹配。如圖2-6 為T(mén)DA7377的電路圖。

圖 2-6 功放電路

TDA7377是采用了新技術(shù)的AB類(lèi)音響放大器?？梢允褂秒p橋接輸出到兩個(gè)喇叭上，或者非橋接四單端輸出到四個(gè)喇叭。專(zhuān)業(yè)的完全互補(bǔ)輸出結(jié)構(gòu)和內(nèi)部固定增益保證了在大功率下輸出不失真，并且周邊原件非常少，簡(jiǎn)化了電路。

經(jīng)ANC算法處理輸出的次級(jí)信號(hào)需通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后連接至功放以驅(qū)動(dòng)次級(jí)揚(yáng)聲器在誤差傳感器范圍內(nèi)產(chǎn)生次級(jí)噪聲。但由于D/A輸出受到系統(tǒng)采樣率的限制，其輸出的模擬信號(hào)會(huì)引入高頻干擾以及聲器發(fā)出的聲音中還存在高頻干擾會(huì)影響到最終的降噪效果，此時(shí)需要通過(guò)一個(gè)平滑濾波器來(lái)濾除高頻噪聲。而本電路設(shè)計(jì)原理圖如圖2-7 所示。由線性穩(wěn)壓源供電，使用兩級(jí)低噪聲、高增益單片式運(yùn)算放大器TL082構(gòu)成四階濾波器，其中第一級(jí)中R1和C4、R2和 C1構(gòu)成一個(gè)二階濾波器，同樣第二級(jí)中R3和 C2、R4和 C5構(gòu)成另一個(gè)二階濾波器。

圖 2-7 DAC 輸出濾波器電路

2.降噪處理單元軟件設(shè)計(jì)

圖 2-8 為系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)先進(jìn)行初始化，然后執(zhí)行進(jìn)行次級(jí)通道辨識(shí)，辨識(shí)結(jié)束后進(jìn)行主程序，用誤差信號(hào)判斷是否對(duì)噪聲進(jìn)行抵消。

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還需要根據(jù)控制器運(yùn)算能力與實(shí)際降噪需要，預(yù)設(shè)一個(gè)系統(tǒng)采樣率，每次采樣完成后，利用 CPU將采樣結(jié)果歸一化，再將歸一化的采樣值送入算法函數(shù)，運(yùn)算結(jié)果去歸一化送入 DAC。軟件初始化流程如圖 2-8(a)所示， 中斷處理(降噪)如圖 2-8(b)所示。

在本項(xiàng)目中，系統(tǒng)采樣率為 28.6 kHz，4 個(gè)次級(jí)通道階數(shù)均為 128，2 個(gè)主通道階數(shù)為 320，軟件利用基 16 的 FIR運(yùn)算的作循環(huán)，并利用滾動(dòng)儲(chǔ)存方式提升系統(tǒng)運(yùn)行效率。

綜上，除 ADC、DAC，屏幕顯示，按鍵處理，內(nèi)存讀寫(xiě)等其它時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)外， 系統(tǒng)每秒所進(jìn)行的浮點(diǎn)乘加運(yùn)算超過(guò) 28.6 k * (128 * 4 + 320 * 2 * 3) = 69 M次。

圖 2-8 軟件流程

設(shè)計(jì)演示

1. 次級(jí)通道離線辨識(shí)

首先進(jìn)行次級(jí)通道離線辨識(shí)實(shí)驗(yàn)，然后分別選用單頻、多頻和實(shí)際噪聲進(jìn)行降噪實(shí)驗(yàn)，評(píng)估降噪裝置的降噪效果，并通過(guò)聲壓計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境噪聲水平。

次級(jí)通道的辨識(shí)將影響到整體系統(tǒng)的收斂效果，本作品是使用帶限白噪聲進(jìn)行辨識(shí)。

實(shí)驗(yàn)條件：關(guān)閉噪聲源，降噪處理單元產(chǎn)生帶限白噪聲作為主信號(hào)，主信號(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換和功率放大驅(qū)動(dòng)次級(jí)揚(yáng)聲器發(fā)聲，用傳感器采集該噪聲作為參考信號(hào)，兩路信號(hào)同時(shí)送入降噪處理單元內(nèi)部并調(diào)用LMS算法經(jīng)濾波處理產(chǎn)生輸出信號(hào)，參考信號(hào)與輸出信號(hào)的差值就是誤差信號(hào)，經(jīng)LMS算法調(diào)節(jié)后系統(tǒng)很快收斂，用示波器觀察到誤差信號(hào)減小了大約10 倍，如圖5-1 所示。

圖 5-1 次級(jí)通道離線辨識(shí)殘余誤差

使一位實(shí)驗(yàn)者坐于安裝有實(shí)驗(yàn)降噪器的座椅上，打開(kāi)降噪器并進(jìn)入辨識(shí)模式，等待系統(tǒng)收斂后，可由計(jì)算機(jī)串口獲得降噪器 4 個(gè) 128 階的次級(jí)通道系數(shù)。

如圖 6 所示，紅、綠、藍(lán)、紫四色線條，分別代表了四個(gè)次級(jí)通道模型，圖中橫坐標(biāo)為模型階次，縱坐標(biāo)為該階次對(duì)應(yīng)的權(quán)系數(shù)。

圖 5-2 次級(jí)通道建模結(jié)果

利用 MATLAB自帶的 FREQZ函數(shù)對(duì)次級(jí)通道系數(shù)進(jìn)行分析，可獲得次級(jí)通道頻域特性。圖 5-3 展示了其中一個(gè)次級(jí)通道模型的頻域特性，其它次級(jí)通道模型特性與此類(lèi)似。

圖 5-3 次級(jí)通道模型S11(z)頻域特性由圖 5-2 可知，次級(jí)通道階數(shù)約為 100 階，預(yù)設(shè)的模型階數(shù)(128)能夠滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求。在圖 5-3 中幅頻特性曲線，以-3 dB線作為通帶截止頻率，可見(jiàn)降噪器僅能對(duì) 180Hz-1200Hz的主濾波器輸出做出響應(yīng)， 即降噪器的降噪范圍在180Hz-1200Hz內(nèi)。根據(jù)降噪器系統(tǒng)組成可知，頻響下限主要由揚(yáng)聲器性能決定， 頻響上限主要由 DAC輸出連接的低通平滑濾波器決定。

2.人為噪聲降噪結(jié)果

測(cè)試人為噪聲降噪效果的方法為：通過(guò)桌面版 Audio Sweep Gen軟件與3.5mm音頻口連接外置低音音響，產(chǎn)生 200 - 800Hz遞增的正弦單頻、雙頻信號(hào)以及 40 - 100Hz方波噪聲作為噪聲源，進(jìn)行降噪測(cè)試。

人為噪聲中，正弦噪聲可以檢驗(yàn)降噪器的基本降噪能力，通過(guò)聲壓計(jì)觀測(cè)到的單雙頻測(cè)試部分結(jié)果如表 1 所示。

表 5-1 正弦噪聲降噪結(jié)果

誤差傳感器在一次單頻測(cè)試中的降噪效果如圖 5-4 所示，圖中，黃色波形是參考傳感器采集到的信號(hào)，青色波形是左誤差傳感器采集到的信號(hào)，降噪器在圖中的中間點(diǎn)打開(kāi)。由圖可見(jiàn)系統(tǒng)在啟動(dòng)后 150ms內(nèi)即達(dá)到降噪效果。

圖 5-4 單頻降噪測(cè)試波形方波噪聲的諧波分量可以覆蓋整個(gè)音頻范圍，通過(guò)方波可以測(cè)試系統(tǒng)對(duì)寬帶噪聲的降噪能力。如圖 5-5 為 100Hz的方波噪聲頻譜。

圖 5-5 100Hz 方波噪聲頻譜

圖 5-6 為了一次測(cè)試中誤差傳感器旁的殘余噪聲頻譜，由圖比例推算可知降噪器可以顯著降低方波噪聲中的低頻噪聲。同時(shí)也可看出，本不在降噪器降噪范圍的高頻噪聲也得到了降低，這表明玻璃窗本身對(duì)于中高頻噪聲有一定的隔絕能力。

圖 5-6 100Hz 方波殘余噪聲頻譜

方波噪聲的部分降噪結(jié)果如表 5-2 所示，由表可知降噪器對(duì)于方波噪聲的降噪量在 2.7 ~ 7dB之間。比起正弦噪聲，方波噪聲降噪量大幅降低的主要原因?yàn)椋?系統(tǒng)響應(yīng)范圍決定了其對(duì)于低于 180Hz的低頻分量和高于 1200Hz高頻分量降噪能力有限，增大系統(tǒng)響應(yīng)范圍需要使用固有頻率足夠低的揚(yáng)聲器與運(yùn)算足夠快的處理器。

表 5-2 方波噪聲降噪結(jié)果

3. 實(shí)際噪聲降噪結(jié)果

降噪器對(duì)于機(jī)械旋轉(zhuǎn)噪聲與汽車(chē)?guó)Q笛聲的降噪結(jié)果如表 3 所示，由表可知降噪器對(duì)于幾種實(shí)際噪聲的降噪量在 5 ~ 10dB之間。表 3 實(shí)際噪聲降噪結(jié)果

降噪器在汽車(chē)?guó)Q笛聲降噪實(shí)驗(yàn)過(guò)程中波形如圖 5-7 所示。圖中，黃色波形是參考傳感器采集到的信號(hào)，青色波形是左誤差傳感器采集到的信號(hào)。

圖 5-7 鳴笛聲降噪測(cè)試波形

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，本次所設(shè)計(jì)的三維空間降噪裝置能夠降低生活中機(jī)械設(shè)備所產(chǎn)生的低頻噪聲。雖然在有些高頻分量處功率增大，但這部分功率密度較小，不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的降噪效果;由于生活中的噪聲成分更加復(fù)雜，降噪效果沒(méi)有單頻和多頻好，不足 10dB，但同樣可以驗(yàn)證該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和有效性。在本次實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，還需要更多的研究空間中聲場(chǎng)環(huán)境，并且對(duì) ANC算法提出更高的要求。