室內環境中低頻噪音自適應降噪器的設計與實現

馬琳娜 譚鵬 秦偉

1.云南固壘科技有限公司；2.云南省科學技術情報研究院；3.云南省科普資源信息中心

為降低室內環境下低頻噪音對人體的傷害，基于“以音消音”的原理，研制一種針對室內環境中低頻噪音的自適應降噪器，在相對封閉的室內環境中通過初/次傳聲器采集原有噪音聲場的聲壓值，基于FX-LMS算法計算低頻降噪信號，自適用濾波調解，減少降噪處理后得到的殘余誤差信，利用頻率調節單位產生與原有聲壓大小相等、相位相反的聲波，使其在封閉的空間范圍內與原有噪音聲場相抵消，可有效處理家居環境下的低頻噪音，降低屋內電子及電器設備發出的低頻噪音，改善居住環境，提高生活質量。

低頻噪音污染已成為城市環境的一大公害，科學研究表明低頻噪音會損害健康，人長時間工作、生活在低頻噪音環境中，會導致中樞神經系統功能紊亂，并引起高血壓、潰瘍、糖尿病等一系列的疾病。目前，家庭室內降噪常見的處理手段是采用吸音、隔音等無源材料對室內墻壁、門窗進行涂層處理，但吸音、隔音材料的聲衰減會隨頻率降低而變差，無源降噪機制對中、高頻段噪音較為有效，而對低頻噪音的效果不大。

針對低頻噪音的“有源”控制（Active Noise Control：ANC）概念由德國物理學家P.Lueg提出，其根據兩列相干聲波的混合會產生干涉的物理現象，人為疊加一列與原有聲波幅值相等而相位相反的聲波，利用聲波的相消性干涉來達到消除和降低噪音的目的，即通過聲源產生次級聲場進行噪音降噪控制。然而由于技術實現的原因，這一技術被放棄了近30年。隨著電子信息技術的快速發展，有源控制技術逐步已經進入電器產品領域，從工業廠房噪音控制到中央式空調設備的降噪處理都部分引入了ANC技術。文獻[4]針對汽車風噪主動噪聲控制（ANC）系統中主控制濾波器收斂速度慢的問題提出基于主控制濾波器變步長以及次級通道在線和離線建模相互轉換的主動噪聲控制算法。文獻[5]提出了一種基于改進FxLMS前饋控制算法的高速列車主動控制設計方案，將8個參考傳聲器安裝在VIP座椅及內飾板上，通過在高速列車上的長時間運行試驗，結果表明，在啟動ANC系統時，噪聲可以降低3dBA。文獻[6]針對空調噪聲提出一種基于次級通道建模濾波器變步長的反饋型主動噪聲控制算法。此外，隨著機器學習的日益普及，將神經網絡應用于ANC的技術也逐漸出現。

這類降噪設計研究主要面對諸如空調、油煙機或電冰箱等電器設備進行內部降噪處理，屬于獨立電器設備的附加功能，設計工藝以與安裝部署有極強的專業要求，而且無法實現屋內環境的集中式降噪處理，對于降低室內多種電子電器設備發出的低頻噪音適應性較差。

1 低頻噪音自適應降噪器的設計

針對室內環境中低頻噪音的自適應降噪器，包括初級傳聲器，反相聲源和頻率調節裝置，還包括一個頻率響應20HZ～20KHz的高靈敏度全指向駐極體次級傳聲器；初級傳聲器和次級傳聲器分別通過音頻線纜與16位模/數轉換器連接，16位模/數轉換器通過16針并口總線與頻率調節裝置的I/O讀寫并口連接，反相聲源通過串行數/模轉換器與頻率調節裝置的MCU（Micro Controller Unit）處理器連接。

初級傳聲器及次級傳聲器均使用兩個NPN型三極管組成共射集二級前置放大電路，保證無衰減傳輸音頻信號。

頻率調節裝置由一片復雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device：CPLD）、一片32位微處理單元（MCU）和一片外隨機存儲器（SRAM）構成。

反相聲源采用20HZ～20kHz全頻信號共點同軸揚聲器。

1.1 工作原理

低頻降噪器是基于“以音消音”的基本原理，應用于相對封閉的室內環境中，利用電子設備采集原有噪音聲場的聲壓值，通過設備中的頻率調節裝置產生一個與原有聲壓大小相等、相位相反的聲波，使其在封閉的空間范圍內與原有噪音聲場相抵消。如圖1所示為低頻降噪器系統原理框圖。

圖1 低頻降噪器的系統原理框圖Fig.1 System principle block diagram of low frequency noise reducer

1.2 系統軟件設計

自適應降噪器相配合的系統軟件主要包括兩部分：主系統通訊程序和中斷服務程序；其中，主系統通訊程序包括2路傳聲器信號采集程序和D/A（Digital to Analog Converter）轉換輸出通訊程序；中斷服務程序負責處理兩級聲源音頻信號的存儲、基于FX-LMS算法的自適應濾波調節以及輸出反向降噪信號程序。

主系統通訊程序執行順序如下：

（1）進行系統初始化，包括A/D（Analog to Digital Converter）轉換器、D/A轉換器、CPLD器件和MCU核；

（2）A/D器件接收噪音數據并執行轉換，MCU等待數據處理；

（3）判斷A/D轉換結束，若轉換沒有結束繼續接收和轉換音頻數據；

（4）A/D轉換結束后，進入中斷服務程序；

（5）中斷服務程序處理完畢，執行D/A串口通訊程序，輸出低頻降噪信號。

中斷服務程序執行順序如下：

（1）基于CPLD器件采樣、保持2路A/D轉換的音頻信號數據；

（2）基于FX-LMS（Filtered-XLMS：FXLMS）計算

y

(

n

)低頻降噪信號，自適用濾波調解，減少降噪處理后得到的殘余誤差信號

e

(

n

)值；

（3）MCU計算輸出反向降噪信號；

（4）跳出中斷，返回主通訊程序。

2 低頻降噪器的實現

初級傳聲器采集低頻噪音聲源的音頻信號，通過頻率調節裝置輸出至反相聲源，形成降噪音頻信號。次級傳聲器采集聲場中的實時降噪處理的音頻誤差信號，并反饋至頻率調節裝置，形成對原有低頻噪音聲源的補償聲源，使密閉居家空間環境內低頻噪音值低于最大可容忍的值。

2.1 建立自適應控制系統

基于FX-LMS算法建立自適應控制系統，其原理如圖2所示。

圖2 低頻降噪器的控制原理圖Fig.2 Control principle diagram of low frequency noise reducer

自適應控制系統的原理如下：

（1）

hr

(

n

)為初級傳聲器參考通道傳遞函數，接收低頻噪音聲源信號

p

(

n

)，輸出低頻噪音信號

x

(

n

)；（2）

W

(

n

)為濾波器傳遞函數，接收低頻噪音信號

x

(

n

)以及降噪處理后的殘差信號

e

(

n

)，輸出反相降噪信號

y

(

n

)；（3）

hs

(

n

)為反相聲源傳遞函數，接收反相降噪信號

y

(

n

)，輸出相干降噪信號

s

(

n

)；（4）

hp

(

n

)為次級傳聲器參考通道傳遞函數，其接收相干消噪信號，輸出次級聲源低頻噪音信號

d

(

n

)；（5）相干降噪信號

s

(

n

)與次級聲源低頻噪音信號

d

(

n

)通過相干疊加輸出降噪處理后的殘差信號

e

(

n

)。為使控制系統具備自適應降噪處理，

W

(

n

)為濾波器傳遞函數具有自適應調整。自適應控制系統輸出反相降噪信號

y

(

n

)如式(1)所示：

其中，

L

為濾波器的長度，

X

(

n

)為參考信號矢量，

W

(

n

)為濾波器權系數矢量。降噪處理后的殘差信號

e

(

n

)如式(2)所示：

由于降噪處理后的殘差信號

e

(

n

)與次級聲源低頻噪音信號輸出有關

d

(

n

)，因此

e

(

n

)是一個隨機變量。按最小均方誤差準則，濾波器最佳權系數如式(3)所示：

其中，

μ

為濾波器的步長因子；

R

(

n

)為-

X

(

n

)信號矢量，其值等于

R

(

n

)=

X

(

n

)×

h

(

n

)。

2.2 低頻自適應降噪器實現

系統設計為單通道前饋結構，如圖3所示。以32位MCU為核心，通過音頻線纜分別與兩片16位模/數轉換器連接，2片16位高精度轉換器實現2路模擬信號的同步采集，通過16針并口總線CPLD器件的I/O讀寫并口連接，CPLD器件實現鎖存功能，信號經過相反運算后，通過高速串行D/A器件實現反噪聲信號的輸出，此外，在MCU片外直連一片靜態隨機存儲器（SRAM：Static RAM）作為數據存儲空間。

圖3 低頻降噪器的結構示意圖Fig.3 Structural diagram of low frequency noise reducer

低頻噪音聲源的信息數據通過初級傳聲器和次級傳聲器采集，經16位A/D轉換器傳輸至CPLD鎖存器，CPLD鎖存器接收A/D音頻轉換接口采樣數據，在系統中斷時保持鎖存，通過并口將初級傳聲器音頻信號和次級傳聲器音頻信號傳輸至32位MCU處理器，為系統提供采樣保持功能。MCU通過外部中斷將鎖存信息讀入和存儲至一片SRAM，經過相位反向運算后通過串行D/A轉化器輸出至反相聲源，實現相干降噪處理。

2.3 低頻自適應降噪器系統軟件實現

系統軟件是低頻降噪器各部分硬件聯合實施降噪處理的具體指令集合，是低頻降噪器正常運行的必要條件。

系統軟件主要包括兩部分：主系統通訊程序和中斷服務程序。其中，主系統通訊程序包括2路傳聲器信號采集程序和D/A轉換輸出通訊程序；中斷服務程序負責處理兩級聲源音頻信號的存儲、基于FX-LMS算法的自適應濾波調節以及輸出反向降噪信號程序。系統程序流程如圖4所示。

圖4 控制系統程序流程圖Fig. 4 Program flow chart of control system

軟件系統設計基于順尋結構，主通訊程序執行順序如下：

（1）進行系統初始化，包括A/D轉換器、D/A轉換器、CPLD器件和MCU核；

（2）A/D器件接收噪音數據并執行轉換，MCU等待數據處理；

（3）判斷A/D轉換結束，若轉換沒有結束繼續接收和轉換音頻數據；

（4）A/D轉換結束后，進入中斷服務程序；

（5）中斷服務程序處理完畢，執行D/A串口通訊程序，輸出低頻降噪信號。

中斷服務程序執行順序如下：

（1）基于CPLD器件采樣、保持2路A/D轉換的音頻信號數據；

（2）基于FX-LMS計算y(n)低頻降噪信號，自適用濾波調解，降低降噪處理后得到的殘余誤差信號e(n)；

（3）MCU計算輸出反向降噪信號；

（4）跳出中斷，返回主通訊程序。

3 降噪測試

我們國家的相關標準規定，住宅區的噪音白天不能超過50分貝，夜間應低于45分貝，超過這個標準就會對人體產生危害。據此，在進行自適應低頻降噪器獨立空間的降噪測試時，噪音源引自一臺全自動洗衣機進行標準洗滌狀態下發出的持續噪音，經分貝儀測試噪音達到48分貝，屬于對人體構成危害的情況。自適應低頻降噪器則放置于獨立空間中央地面進行降噪測試。

3.1 噪音數據采集

在封閉空間里3min內采集的噪音數據，全自動洗衣機進行標準洗滌狀態下發出的持續噪音介于47～49分貝之間，平均值為48分貝，噪音源發出的持續噪音聲響范圍已對人體構成危害，其噪音源采樣數據圖如圖5所示。

圖5 封閉空間噪音源采樣數據圖Fig.5 Sampling data of noise source in enclosed space

圖中黑色曲線為沒有啟動自適應低頻降噪器時的噪音數據，坐標橫軸為采樣的300s時間長度（單位：秒），豎軸為密閉空間聲響值（單位：分貝）。

3.2 降噪數據采樣

啟動自適應低頻降噪器，待設備運行穩定后，進行3min聲響采樣的降噪數據，如圖6所示中的采樣數據顯示，噪音范圍下降至41～43分貝之間，平均值約為42分貝，噪音已經降低至45分貝以下，滿足國家關于噪音的標準規定。

圖6 封閉空間降噪采樣數據圖Fig.6 Sampling data of noise reduction in enclosed space

圖中坐標橫軸為采樣的300s時間長度（單位：秒），豎軸為密閉空間聲響值（單位：分貝）。

3.3 密閉空間降噪前后聲響數據采樣

在密閉空間中對降噪前后的聲響采樣數據，如圖7所示的數據采樣對比圖顯示，設備能對密閉空間進行明顯的降噪處理，其降噪幅度為6分貝左右。

圖7 封閉空間降噪對比圖Fig.7 Comparison of noise reduction in enclosed space

圖中坐標橫軸為采樣的300s時間長度（單位：秒），豎軸為密閉空間聲響值（單位：分貝）。黑色實線為密閉空間內噪音源產生的采樣數據，虛線為降噪處理后的密閉空間內聲響采樣數據。

通過降噪測試的結果可以看出，所設計的低頻自適應降噪器能有效降低密閉空間內的低頻噪音值，減少低頻噪音對人體造成的物理損害。

4 結論

通過對低頻自適應降噪器的設計與實現，并在密閉環境中對降噪器進行了測試，對比分析測試中采集的低頻噪音數據后發現，本低頻自適應降噪器適用于家居環境下的低頻噪音處理，可以實現屋內環境的集中式降噪處理，較好的降低屋內電子及電器設備發出的低頻噪音，改善居住環境，提高生活質量；并且能夠保證設備的魯棒性和適用性，體積小巧，系統上電即可使用，無需復雜的安裝過程。同時，設備制造價格低廉，一般用戶完全有能力購置和部署。