本發(fā)明屬于語音信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于塔式空氣凈化器的主動(dòng)降噪系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

近年來，霧霾是一直為百姓熱議的環(huán)境污染話題，人們也逐漸意識(shí)到長時(shí)間身處霧霾環(huán)境中會(huì)對(duì)身體造成很大的危害，輕則引起呼吸道疾病，重則可能致癌。為此，在霧霾天氣，人們一方面減少外出，并在外出時(shí)佩戴專業(yè)的防護(hù)口罩，另一方面，關(guān)閉門窗并在室內(nèi)使用空氣凈化器凈化室內(nèi)空氣，盡可能的減少霧霾對(duì)身體的傷害。然而，空氣凈化器在凈化空氣的同時(shí)會(huì)帶來噪聲污染。大部分空氣凈化器在大功率運(yùn)行時(shí)，其噪聲均超過50dB，長時(shí)間在該噪聲環(huán)境中工作和生活不利于人的身、心健康。

為消除環(huán)境噪聲，通常有被動(dòng)降噪和主動(dòng)降噪兩種方法，對(duì)于被動(dòng)降噪，可通過改變空氣凈化器本身的結(jié)構(gòu)、放置相應(yīng)的吸聲材料等方法降低噪聲。對(duì)于主動(dòng)降噪，可在產(chǎn)生噪聲的風(fēng)道內(nèi)放置麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器以及降噪模組實(shí)現(xiàn)噪聲消除。被動(dòng)降噪可消除高頻段的噪聲，主動(dòng)降噪則消除中低頻段的噪聲。專利CN104848432A設(shè)計(jì)了一種帶主動(dòng)降噪裝置的空氣凈化器，主動(dòng)降噪裝置包括兩個(gè)麥克風(fēng)和一個(gè)揚(yáng)聲器，采用具有FIR結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)前饋濾波器實(shí)現(xiàn)降噪功能，這種基于單方向檢測噪聲特性并據(jù)此在線設(shè)計(jì)前饋濾波器的降噪方法，其缺點(diǎn)在于一方面噪聲傳播特性無法全面的描述進(jìn)而影響前饋濾波器的設(shè)計(jì)效果，另一方面在線設(shè)計(jì)前饋濾波器對(duì)硬件要求高，難以實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決塔式空氣凈化器的噪音問題，在全面描述噪聲傳遞特性的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)易于實(shí)現(xiàn)的前饋濾波器，本發(fā)明提出一種用于塔式空氣凈化器的主動(dòng)降噪系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明提出的一種用于塔式空氣凈化器的主動(dòng)降噪系統(tǒng)，該降噪系統(tǒng)包括：噪聲檢測裝置、降噪單元和消噪裝置。噪聲檢測裝置包括：麥克風(fēng)和振動(dòng)傳感器；降噪單元包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、前饋濾波電路和數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路；消噪裝置為揚(yáng)聲器。

其中，配備兩個(gè)麥克風(fēng)，分別放置于噪聲源附近和揚(yáng)聲器附近，一個(gè)振動(dòng)傳感器放置于噪聲源附近。

其中，前饋濾波器與反饋濾波器均為IIR結(jié)構(gòu)的濾波器，濾波器階次依據(jù)濾波效果、濾波器參數(shù)整定難度權(quán)衡決定。

本發(fā)明另外還提供一種用于塔式空氣凈化器的主動(dòng)降噪方法，利用上述的用于塔式空氣凈化器的主動(dòng)降噪系統(tǒng)，該方法分別利用麥克風(fēng)和振動(dòng)傳感器檢測噪聲信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)，根據(jù)上述信號(hào)確定噪聲的傳輸特性，依據(jù)噪聲傳輸特性設(shè)計(jì)前饋濾波器，噪聲信號(hào)與振動(dòng)信號(hào)通過前饋濾波器得到消噪信號(hào)，揚(yáng)聲器播放消噪信號(hào)實(shí)現(xiàn)噪聲的消除。

其中，采用傳遞函數(shù)表達(dá)式描述噪聲傳輸特性。

其中，前饋濾波器采用離線設(shè)計(jì)方法。

其中，設(shè)計(jì)兩個(gè)前饋濾波器，兩個(gè)濾波器輸出信號(hào)的加權(quán)和為消噪信號(hào)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)先比優(yōu)點(diǎn)在于：由于分別采用噪聲信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)描述噪聲的傳播特性，并基于該特性分別設(shè)計(jì)了兩個(gè)前饋濾波器，兩個(gè)前饋濾波器輸出信號(hào)的加權(quán)和作為消噪信號(hào)，這種方法對(duì)噪聲傳播特性刻畫的更全面，利于消噪信號(hào)的求取，基于該噪聲傳播特性設(shè)計(jì)的降噪系統(tǒng)消噪性能更好，同時(shí)由于前饋濾波器是離線設(shè)計(jì)，對(duì)硬件的在線計(jì)算能力要求較低，易于實(shí)現(xiàn)，降噪系統(tǒng)噪聲消除速度更快，用戶體驗(yàn)更佳。

附圖說明

圖1為一種用于塔式空氣凈化器的主動(dòng)降噪系統(tǒng)原理框圖；

圖2為濾波器設(shè)計(jì)框圖。

具體實(shí)施方式

為進(jìn)一步理解本發(fā)明的技術(shù)方案與優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說明。

本發(fā)明一種用于塔式空氣凈化器的主動(dòng)降噪系統(tǒng)，該降噪系統(tǒng)包括噪聲檢測裝置、降噪單元和消噪裝置。噪聲檢測裝置包括兩個(gè)麥克風(fēng)和一個(gè)振動(dòng)傳感器。降噪單元包括降噪單元包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、兩個(gè)前饋濾波器和數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路；消噪裝置為一個(gè)揚(yáng)聲器。兩個(gè)麥克風(fēng)分別放置于噪聲源附近和揚(yáng)聲器附近，用于收集噪聲信號(hào)。振動(dòng)傳感器放置于噪聲源附近，用于收集噪聲信號(hào)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)。模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路將噪聲信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)分別傳輸給前饋濾波器，經(jīng)前饋濾波器處理后，數(shù)/模轉(zhuǎn)化電路將前饋濾波器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)并將其傳輸給揚(yáng)聲器，揚(yáng)聲器作為消噪裝置，播放該模擬信號(hào)，用于抵消噪聲信號(hào)，達(dá)到噪聲消除的目的。

主動(dòng)降噪方法：如圖1所示。利用麥克風(fēng)和振動(dòng)傳感器分別檢測噪聲源附近的噪聲信號(hào)p₁(t)和振動(dòng)信號(hào)v(t)，同時(shí)利用麥克風(fēng)檢測放置于揚(yáng)聲器附近的噪聲信號(hào)p₂(t)。利用p₁(t)和p₂(t)、v(t)和p₂(t)確定噪聲傳輸特性，噪聲傳輸特性用Z傳遞函數(shù)表示，分別記為G₁(z)和G₂(z)，并將揚(yáng)聲器的傳聲特性記為S(z)，該降噪系統(tǒng)的可表示為G＝G1*w+G2*(1-w)，其中，w為權(quán)重系數(shù)，0≤w≤1，w的取值與噪聲特性G1和G2的建模準(zhǔn)確度相關(guān)，擬合度高的權(quán)重大，反之亦然。為使降噪系統(tǒng)輸出E最小，前饋濾波器H1＝-(G1/S)*w，前饋濾波器H2＝-(G2/S)*(1-w)。由于S(z)是非最小相位系統(tǒng)，利用上述方法得到的H1和H2均不穩(wěn)定，為此，根據(jù)線性系統(tǒng)可交換原則，利用圖2所示結(jié)構(gòu)求取前饋濾波器H1和H2。首先確定揚(yáng)聲器的傳聲特性S(z)，然后將噪聲信號(hào)p₁(t)和振動(dòng)信號(hào)v(t)經(jīng)過揚(yáng)聲器S(z)分別得到信號(hào)p₁’(t)和v’(t)，然后以p₁’(t)、p₂(t)為輸入、輸出，以v’(t)、p₂(t)為輸入、輸出，求取前饋濾波器。

輸出誤差模型結(jié)構(gòu)如式(1)所示：

其中y(t)、u(t)和e(t)分別表示模型的輸出、輸入與誤差。

B(z)和F(z)分別為分子、分母多項(xiàng)式，如式(2)、式(3)所示，

B(z)＝b₁+b₂z^-1+…+b_nbz^-nb+1 (2)

F(z)＝1+f₁z^-1+…+f_nfz^-nf (3)

其中b₁，b₂...b_nb，f₁，f₂...f_nf分別表示分子、分母多項(xiàng)式的系數(shù)，分別表示分子、nb、nf分別表示分子、分母多項(xiàng)式的階次。

噪聲傳輸特性Z傳遞函數(shù)表達(dá)式如式(4)所示。

將白噪聲信號(hào)或粉紅噪聲信號(hào)n1(t)作為揚(yáng)聲器輸入信號(hào)，同時(shí)利用麥克風(fēng)檢測揚(yáng)聲器的輸出信號(hào)n2(t)，將噪聲信號(hào)n₁(t)和噪聲信號(hào)n₂(t)作為輸出誤差模型的輸入和輸出，在確定分子、分母階次nb、nf的基礎(chǔ)上，利用最小二乘類辨識(shí)方法確定式(4)中的參數(shù)，進(jìn)而得到S(z)。

將信號(hào)p₁’(t)和噪聲信號(hào)p₂(t)作為輸出誤差模型的輸入和輸出，在確定分子、分母階次nb、nf的基礎(chǔ)上，利用最小二乘類辨識(shí)方法確定式(4)中的參數(shù)，得到前饋濾波器H1(z)，同理，將信號(hào)v’(t)和噪聲信號(hào)p₂(t)作為輸出誤差模型的輸入和輸出，在確定分子、分母階次nb、nf的基礎(chǔ)上，利用最小二乘類辨識(shí)方法確定式(4)中的參數(shù)，得到前饋濾波器H2(z)。

本發(fā)明的示意性實(shí)施方式及其說明用于解釋本發(fā)明，但并不對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制。基于本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都在本發(fā)明保護(hù)的范圍內(nèi)。