室内环境中低频噪音自适应降噪器的设计与实现
2022-08-23马琳娜谭鹏秦伟
马琳娜 谭鹏 秦伟
1.云南固垒科技有限公司；2.云南省科学技术情报研究院；3.云南省科普资源信息中心
为降低室内环境下低频噪音对人体的伤害，基于“以音消音”的原理，研制一种针对室内环境中低频噪音的自适应降噪器，在相对封闭的室内环境中通过初/次传声器采集原有噪音声场的声压值，基于FX-LMS算法计算低频降噪信号，自适用滤波调解，减少降噪处理后得到的残余误差信，利用频率调节单位产生与原有声压大小相等、相位相反的声波，使其在封闭的空间范围内与原有噪音声场相抵消，可有效处理家居环境下的低频噪音，降低屋内电子及电器设备发出的低频噪音，改善居住环境，提高生活质量。
低频噪音污染已成为城市环境的一大公害，科学研究表明低频噪音会损害健康，人长时间工作、生活在低频噪音环境中，会导致中枢神经系统功能紊乱，并引起高血压、溃疡、糖尿病等一系列的疾病。目前，家庭室内降噪常见的处理手段是采用吸音、隔音等无源材料对室内墙壁、门窗进行涂层处理，但吸音、隔音材料的声衰减会随频率降低而变差，无源降噪机制对中、高频段噪音较为有效，而对低频噪音的效果不大。
针对低频噪音的“有源”控制（Active Noise Control：ANC）概念由德国物理学家P.Lueg提出，其根据两列相干声波的混合会产生干涉的物理现象，人为叠加一列与原有声波幅值相等而相位相反的声波，利用声波的相消性干涉来达到消除和降低噪音的目的，即通过声源产生次级声场进行噪音降噪控制。然而由于技术实现的原因，这一技术被放弃了近30年。随着电子信息技术的快速发展，有源控制技术逐步已经进入电器产品领域，从工业厂房噪音控制到中央式空调设备的降噪处理都部分引入了ANC技术。文献[4]针对汽车风噪主动噪声控制（ANC）系统中主控制滤波器收敛速度慢的问题提出基于主控制滤波器变步长以及次级通道在线和离线建模相互转换的主动噪声控制算法。文献[5]提出了一种基于改进FxLMS前馈控制算法的高速列车主动控制设计方案，将8个参考传声器安装在VIP座椅及内饰板上，通过在高速列车上的长时间运行试验，结果表明，在启动ANC系统时，噪声可以降低3dBA。文献[6]针对空调噪声提出一种基于次级通道建模滤波器变步长的反馈型主动噪声控制算法。此外，随着机器学习的日益普及，将神经网络应用于ANC的技术也逐渐出现。
这类降噪设计研究主要面对诸如空调、油烟机或电冰箱等电器设备进行内部降噪处理，属于独立电器设备的附加功能，设计工艺以与安装部署有极强的专业要求，而且无法实现屋内环境的集中式降噪处理，对于降低室内多种电子电器设备发出的低频噪音适应性较差。
1 低频噪音自适应降噪器的设计
针对室内环境中低频噪音的自适应降噪器，包括初级传声器，反相声源和频率调节装置，还包括一个频率响应20HZ～20KHz的高灵敏度全指向驻极体次级传声器；初级传声器和次级传声器分别通过音频线缆与16位模/数转换器连接，16位模/数转换器通过16针并口总线与频率调节装置的I/O读写并口连接，反相声源通过串行数/模转换器与频率调节装置的MCU（Micro Controller Unit）处理器连接。
初级传声器及次级传声器均使用两个NPN型三极管组成共射集二级前置放大电路，保证无衰减传输音频信号。
频率调节装置由一片复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device：CPLD）、一片32位微处理单元（MCU）和一片外随机存储器（SRAM）构成。
反相声源采用20HZ～20kHz全频信号共点同轴扬声器。
1.1 工作原理
低频降噪器是基于“以音消音”的基本原理，应用于相对封闭的室内环境中，利用电子设备采集原有噪音声场的声压值，通过设备中的频率调节装置产生一个与原有声压大小相等、相位相反的声波，使其在封闭的空间范围内与原有噪音声场相抵消。如图1所示为低频降噪器系统原理框图。
图1 低频降噪器的系统原理框图Fig.1 System principle block diagram of low frequency noise reducer
1.2 系统软件设计
自适应降噪器相配合的系统软件主要包括两部分：主系统通讯程序和中断服务程序；其中，主系统通讯程序包括2路传声器信号采集程序和D/A（Digital to Analog Converter）转换输出通讯程序；中断服务程序负责处理两级声源音频信号的存储、基于FX-LMS算法的自适应滤波调节以及输出反向降噪信号程序。
主系统通讯程序执行顺序如下：
（1）进行系统初始化，包括A/D（Analog to Digital Converter）转换器、D/A转换器、CPLD器件和MCU核；
（2）A/D器件接收噪音数据并执行转换，MCU等待数据处理；
（3）判断A/D转换结束，若转换没有结束继续接收和转换音频数据；
（4）A/D转换结束后，进入中断服务程序；
（5）中断服务程序处理完毕，执行D/A串口通讯程序，输出低频降噪信号。
中断服务程序执行顺序如下：
（1）基于CPLD器件采样、保持2路A/D转换的音频信号数据；
（2）基于FX-LMS（Filtered-XLMS：FXLMS）计算y
(n
)低频降噪信号，自适用滤波调解，减少降噪处理后得到的残余误差信号e
(n
)值；（3）MCU计算输出反向降噪信号；
（4）跳出中断，返回主通讯程序。
2 低频降噪器的实现
初级传声器采集低频噪音声源的音频信号，通过频率调节装置输出至反相声源，形成降噪音频信号。次级传声器采集声场中的实时降噪处理的音频误差信号，并反馈至频率调节装置，形成对原有低频噪音声源的补偿声源，使密闭居家空间环境内低频噪音值低于最大可容忍的值。
2.1 建立自适应控制系统
基于FX-LMS算法建立自适应控制系统，其原理如图2所示。
图2 低频降噪器的控制原理图Fig.2 Control principle diagram of low frequency noise reducer
自适应控制系统的原理如下：
（1）hr
(n
)为初级传声器参考通道传递函数，接收低频噪音声源信号p
(n
)，输出低频噪音信号x
(n
)；（2）W
(n
)为滤波器传递函数，接收低频噪音信号x
(n
)以及降噪处理后的残差信号e
(n
)，输出反相降噪信号y
(n
)；（3）hs
(n
)为反相声源传递函数，接收反相降噪信号y
(n
)，输出相干降噪信号s
(n
)；（4）hp
(n
)为次级传声器参考通道传递函数，其接收相干消噪信号，输出次级声源低频噪音信号d
(n
)；（5）相干降噪信号s
(n
)与次级声源低频噪音信号d
(n
)通过相干叠加输出降噪处理后的残差信号e
(n
)。为使控制系统具备自适应降噪处理，W
(n
)为滤波器传递函数具有自适应调整。自适应控制系统输出反相降噪信号y
(n
)如式(1)所示：
L
为滤波器的长度，X
(n
)为参考信号矢量，W
(n
)为滤波器权系数矢量。降噪处理后的残差信号e
(n
)如式(2)所示：
e
(n
)与次级声源低频噪音信号输出有关d
(n
)，因此e
(n
)是一个随机变量。按最小均方误差准则，滤波器最佳权系数如式(3)所示：
μ
为滤波器的步长因子；R
(n
)为-X
(n
)信号矢量，其值等于R
(n
)=X
(n
)×h
(n
)。2.2 低频自适应降噪器实现
系统设计为单通道前馈结构，如图3所示。以32位MCU为核心，通过音频线缆分别与两片16位模/数转换器连接，2片16位高精度转换器实现2路模拟信号的同步采集，通过16针并口总线CPLD器件的I/O读写并口连接，CPLD器件实现锁存功能，信号经过相反运算后，通过高速串行D/A器件实现反噪声信号的输出，此外，在MCU片外直连一片静态随机存储器（SRAM：Static RAM）作为数据存储空间。
图3 低频降噪器的结构示意图Fig.3 Structural diagram of low frequency noise reducer
低频噪音声源的信息数据通过初级传声器和次级传声器采集，经16位A/D转换器传输至CPLD锁存器，CPLD锁存器接收A/D音频转换接口采样数据，在系统中断时保持锁存，通过并口将初级传声器音频信号和次级传声器音频信号传输至32位MCU处理器，为系统提供采样保持功能。MCU通过外部中断将锁存信息读入和存储至一片SRAM，经过相位反向运算后通过串行D/A转化器输出至反相声源，实现相干降噪处理。
2.3 低频自适应降噪器系统软件实现
系统软件是低频降噪器各部分硬件联合实施降噪处理的具体指令集合，是低频降噪器正常运行的必要条件。
系统软件主要包括两部分：主系统通讯程序和中断服务程序。其中，主系统通讯程序包括2路传声器信号采集程序和D/A转换输出通讯程序；中断服务程序负责处理两级声源音频信号的存储、基于FX-LMS算法的自适应滤波调节以及输出反向降噪信号程序。系统程序流程如图4所示。
图4 控制系统程序流程图Fig. 4 Program flow chart of control system
软件系统设计基于顺寻结构，主通讯程序执行顺序如下：
（1）进行系统初始化，包括A/D转换器、D/A转换器、CPLD器件和MCU核；
（2）A/D器件接收噪音数据并执行转换，MCU等待数据处理；
（3）判断A/D转换结束，若转换没有结束继续接收和转换音频数据；
（4）A/D转换结束后，进入中断服务程序；
（5）中断服务程序处理完毕，执行D/A串口通讯程序，输出低频降噪信号。
中断服务程序执行顺序如下：
（1）基于CPLD器件采样、保持2路A/D转换的音频信号数据；
（2）基于FX-LMS计算y(n)低频降噪信号，自适用滤波调解，降低降噪处理后得到的残余误差信号e(n)；
（3）MCU计算输出反向降噪信号；
（4）跳出中断，返回主通讯程序。
3 降噪测试
我们国家的相关标准规定，住宅区的噪音白天不能超过50分贝，夜间应低于45分贝，超过这个标准就会对人体产生危害。据此，在进行自适应低频降噪器独立空间的降噪测试时，噪音源引自一台全自动洗衣机进行标准洗涤状态下发出的持续噪音，经分贝仪测试噪音达到48分贝，属于对人体构成危害的情况。自适应低频降噪器则放置于独立空间中央地面进行降噪测试。
3.1 噪音数据采集
在封闭空间里3min内采集的噪音数据，全自动洗衣机进行标准洗涤状态下发出的持续噪音介于47～49分贝之间，平均值为48分贝，噪音源发出的持续噪音声响范围已对人体构成危害，其噪音源采样数据图如图5所示。
图5 封闭空间噪音源采样数据图Fig.5 Sampling data of noise source in enclosed space
图中黑色曲线为没有启动自适应低频降噪器时的噪音数据，坐标横轴为采样的300s时间长度（单位：秒），竖轴为密闭空间声响值（单位：分贝）。
3.2 降噪数据采样
启动自适应低频降噪器，待设备运行稳定后，进行3min声响采样的降噪数据，如图6所示中的采样数据显示，噪音范围下降至41～43分贝之间，平均值约为42分贝，噪音已经降低至45分贝以下，满足国家关于噪音的标准规定。
图6 封闭空间降噪采样数据图Fig.6 Sampling data of noise reduction in enclosed space
图中坐标横轴为采样的300s时间长度（单位：秒），竖轴为密闭空间声响值（单位：分贝）。
3.3 密闭空间降噪前后声响数据采样
在密闭空间中对降噪前后的声响采样数据，如图7所示的数据采样对比图显示，设备能对密闭空间进行明显的降噪处理，其降噪幅度为6分贝左右。
图7 封闭空间降噪对比图Fig.7 Comparison of noise reduction in enclosed space
图中坐标横轴为采样的300s时间长度（单位：秒），竖轴为密闭空间声响值（单位：分贝）。黑色实线为密闭空间内噪音源产生的采样数据，虚线为降噪处理后的密闭空间内声响采样数据。
通过降噪测试的结果可以看出，所设计的低频自适应降噪器能有效降低密闭空间内的低频噪音值，减少低频噪音对人体造成的物理损害。
4 结论
通过对低频自适应降噪器的设计与实现，并在密闭环境中对降噪器进行了测试，对比分析测试中采集的低频噪音数据后发现，本低频自适应降噪器适用于家居环境下的低频噪音处理，可以实现屋内环境的集中式降噪处理，较好的降低屋内电子及电器设备发出的低频噪音，改善居住环境，提高生活质量；并且能够保证设备的鲁棒性和适用性，体积小巧，系统上电即可使用，无需复杂的安装过程。同时，设备制造价格低廉，一般用户完全有能力购置和部署。
