自適應有源噪聲消除器研究設計方案介紹

一、項目概述

1.1 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,噪聲污染已成為一個世界性的問題。長期以來,人們不斷尋找噪聲控制的有效方法。在傳統(tǒng)噪聲控制中,主要采用吸聲材料、阻尼處理、結(jié)構(gòu)消聲等無源消聲方法,這種方法雖然能夠很好的消除高頻噪聲，但是對波長較長的低頻噪聲是不適用的，雖然低頻噪聲對生理的直接影響沒有高頻噪音那么明顯，但是近來國內(nèi)從事低頻噪聲研究的專家指出，低頻噪音會引起頭痛、失眠等神經(jīng)官能癥，更嚴重的影響了人們的健康，噪聲污染的消除是一個急待解決的問題。

有沒有一種能夠既可以消除低頻噪聲又可以消除高頻噪聲的方法呢？經(jīng)過查閱資料我們發(fā)現(xiàn)了一種全新的消噪理念--主動消噪：它通過采集噪聲信號經(jīng)移相，增益處理后釋放與原聲波振幅相同但相位相反的聲波信號與原噪聲相抵消，從而更有效的消除噪聲，此方法不僅能消除高頻噪聲還能消除低頻噪聲，真正營造一個環(huán)保、舒適的環(huán)境，有利于人們更好的學習、工作和生活。

1.2 項目背景/選題動機

二十世紀二十年代,電子學的發(fā)展奠定了有源消聲控制(ANC) 的基礎,從而開辟了噪聲控制的新領域。1933 年,德國的Paul Lueg 初步提出了ANC 的基本思想，即：在待控制的聲場區(qū)域建立一個與待消除的聲音強度相同、相位相反的聲場(即次級聲場———secondary sound field) ,利用波的干涉原理,人為造成聲場的相消干涉,從而消除噪聲。同時,Lueg 還指出了實現(xiàn)這一思想的可能性:“空氣中的聲速遠小于電脈沖的速度,意味著當聲波從它的檢測點傳到控制點時,在電子電路中有足夠長的時間用于處理這個聲信號和驅(qū)動控制單元,這段時間的富裕程度取決于噪聲的類型、頻率和系統(tǒng)的物理尺度”。70 年代以后,隨著聲學理論和控制理論的迅速發(fā)展,人們逐漸對有源消聲控制的機理有了更深刻的理解。鑒于常見的噪聲源大都具有強烈的時變特性,因此,在自適應理論日漸成熟后,人們開始探索自適應有源消聲控制(AANC) 這一極具應用價值的新課題。AANC 以恰當?shù)淖赃m應算法自動調(diào)整次級聲信號,確保次級聲信號能有效地跟蹤并抵消噪聲信號,達到消除噪聲目的。

雖然國內(nèi)外也有一些人在研究這個課題，但是實際效果不甚理想，比如一些消噪耳機，但佩戴著耳機也會給生活帶來一定的不便，戴的時間長了，人可能會感覺不舒服；在電路實現(xiàn)方面，我們選用AVR這一低功耗的芯片作為主控芯片，外加一些其他的輔助芯片元件。此設計與傳統(tǒng)的以模擬信號處理實現(xiàn)反相，增益的電路相比功耗要低得多，與那些以單片機+DSP的電路相比要節(jié)省很多成本。

本系統(tǒng)示意圖如下：

消噪演示圖

在某一區(qū)域內(nèi)采集噪聲信號，將其轉(zhuǎn)換為電信號并送往處理電路，處理后能夠通過喇叭放出與原噪聲反相的噪聲，并能夠恰好在某一區(qū)域內(nèi)噪聲相互抵消，達到消除噪聲的目的。此設備不僅適用于那些需要安靜的場合，比如教室、圖書館、辦公室、臥室、病房等；也同樣適用于那些噪聲很大，需要降低噪聲的場合，比如大型工廠車間、嘈雜的菜市場、商場等。

本設計采用AVR高性能，低功耗單片機作為主控CPU，節(jié)能模式下電流在nA級別，節(jié)省能源，而且它的指令執(zhí)行速度與數(shù)據(jù)吞吐量大，采用自適應算法--歸一化最小均方算法，穩(wěn)態(tài)誤差小，收斂速度快，計算量相對其他算法較小。本系統(tǒng)相對傳統(tǒng)的模擬電路消除噪聲有著無可比擬的優(yōu)點，內(nèi)嵌的自適應算法進行自動校準，將誤差控制在較小的范圍之內(nèi)，達到有效的消除噪聲，營造一個環(huán)保，安靜的環(huán)境。