一种主动降噪系统中信号降噪的方法、装置和列车与流程

2021-01-28 12:01:14|

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本发明涉及噪声处理技术领域，尤其是涉及一种主动降噪系统中信号降噪的方法、装置和列车。

背景技术：

主动降噪如耳机、工业振动检测装置等均具备主动降噪(activenoisecontrol，anc)系统。主动降噪的原理如图1所示，anc系统发出的反噪声信号与噪声源发出的噪声信号相位相反、频率、振幅相同，该反噪声信号与噪声信号相干叠加实现信号抵消。

参见图2，在前馈型anc系统中，在噪声产生的位置处放置一个传感器，用于采集初级声源产生的初级噪声信号的电学信号，以下称为参考信号。在需要降噪的位置处放置一个传感器，用于采集达到降噪位置的电学信号，以下称为残余噪声信号。通过传感器分别获得参考信号和残余噪声信号后，控制器以参考信号和残余噪声信号为输入，产生并调节噪声的反噪声信号，驱动次级声源发出次级噪声信号，与初级噪声信号到达需要降噪位置的信号(以下称为期望信号)，最终使得残余噪声信号最小。

但是，期望信号是初级噪声信号通过空气传播到需要降噪的位置的信号，次级噪声信号是参考信号通过电路和空气传播到需要降噪的位置，若想次级噪声信号与期望信号同时达到需要降噪的位置处的传感器，需要控制初级声源与需要降噪的位置两个位置之间的距离。当两个位置之间的距离比较远时，期望信号迟于次级噪声信号到达需要降噪的位置，导致anc系统降噪效果较差。

技术实现要素：

针对上述问题，本申请提供一种主动降噪系统中信号降噪的方法、装置和列车，能够使期望信号与次级噪声信号同时到达需要降噪的位置，提高anc系统降噪的效果。

本申请第一方面提供一种主动降噪系统中信号降噪的方法，包括：

将参考信号存储到存储阵列中；所述参考信号为第一传感器根据初级声源产生的初级噪声信号采集的电学信号，所述第一传感器位于所述初级声源处；

当所述参考信号的存储时间达到预设时间时，从所述存储阵列中读取所述参考信号，将所述参考信号发送给运算器；其中，所述预设时间为期望信号与次级噪声信号到达第二传感器的时间差，所述第二传感器位于降噪位置处，所述期望信号为所述初级噪声信号到达所述第二传感器的声学信号；

指示所述运算器根据所述参考信号和噪声残余信号生成反噪声信号，以便所述次级噪声信号与所述期望信号进行相消干涉；所述次级噪声信号为所述反噪声信号的声学信号。

可选的，所述方法还包括：

获取所述第一传感器与所述第二传感器之间的距离；

获得所述初级噪声信号通过空气到达第二传感器的第一时间，获得所述初级噪声信号通过所述主动降噪系统到达所述第二传感器的第二时间；

根据所述第一时间与所述第二时间的差值获得所述预设时间。

可选的，所述主动降噪系统由现场可编程逻辑门阵列fpga实现的硬件滤波器最小二乘fxlms系统。

可选的，所述运算器具有多通道。

可选的，所述运算器的所述多通道并行实现根据所述参考信号和残余噪声信号生成所述次级噪声信号的步骤。

可选的，所述运算器的所述多通道分时复用串行实现根据所述参考信号和残余噪声信号生成所述次级噪声信号的步骤。

本申请第二方面提供一种主动降噪系统中信号降噪的装置，包括：存储单元、处理单元和降噪单元；

所述存储单元，用于将参考信号存储到存储阵列中；所述参考信号为第一传感器根据初级声源产生的初级噪声信号采集的电学信号，所述第一传感器位于所述初级声源处；

所述处理单元，用于当所述参考信号的存储时间达到预设时间时，从所述存储阵列中读取所述参考信号，将所述参考信号发送给运算器；其中，所述预设时间为期望信号与次级噪声信号到达第二传感器的时间差，所述第二传感器位于降噪位置处，所述期望信号为所述初级噪声信号到达所述第二传感器的声学信号；

所述降噪单元，用于指示所述运算器根据所述参考信号和噪声残余信号生成反噪声信号，以便所述次级噪声信号与所述期望信号进行相消干涉；所述次级噪声信号为所述反噪声信号的声学信号。

可选的，所述装置还包括预设时间设置单元，用于：

获取所述第一传感器与所述第二传感器之间的距离；

获得所述初级噪声信号通过空气到达第二传感器的第一时间，获得所述初级噪声信号通过所述主动降噪系统到达所述第二传感器的第二时间；

根据所述第一时间与所述第二时间的差值获得所述预设时间。

本申请第三方面提供一种列车，所述列车包括主动降噪系统，所述主动降噪系统用于执行以上任意一项所述的主动降噪系统中信号降噪的方法。

相对于现有技术，本申请上述技术方案的优点在于：

本申请实施例提供一种动降噪系统中信号降噪的方法、装置和列车，所述方法包括：将参考信号存储到存储阵列中；当所述参考信号的存储时间达到预设时间时，从所述存储阵列中读取所述参考信号，将所述参考信号发送给运算器；指示所述运算器根据所述参考信号和噪声残余信号生成反噪声信号，以便所述次级噪声信号与所述期望信号进行相消干涉。由此可知，在主动降噪系统中增加存储阵列，不再直接对参考信号进行运算，而是使用存储阵列存储参考信号，当参考信号的存储时间到达预设时间后，再对参考信号进行运算，以便通过参考信号生成的次级噪声信号与期望信号同时到达第二传感器的位置，期望信号与次级噪声信号相位相反、频率、振幅相同，可相干叠加实现信号抵消，使得需要消噪空间内噪声趋于0，从而完成降噪。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请提供的一种主动降噪原理的示意图；

图2为本申请提供的一种anc系统的示意图；

图3为本申请提供的一种anc系统的示意图；

图4为本申请提供的一种主动降噪系统中信号降噪的方法的流程图；

图5为本申请提供的一种anc系统的示意图；

图6为本申请提供的一种预设时间的设置方法的流程图；

图7为本申请提供的一种主动降噪系统中信号降噪的装置的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参见图3，图3是本申请提供的一种anc系统的示意图。在该示意图中，anc系统为前馈型anc系统。为了方便说明，采集声音的两个传感器分别记为第一传感器和第二传感器。其中，第一传感器位于初级声源的附近，用于采集初级声源产生的初级噪声信号xr(n)的电学信号，以下称为参考信号，记为x(n)。第二传感器位于需要降噪的位置附近，用于采集到达降噪位置的电学信号，以下称为残余噪声信号，记为e(n)。

控制器可以将第一传感器采集的参考信号x(n)和残余噪声信号e(n)生成反噪声信号y(n)，反噪声信号y(n)是电学信号，通过扬声器将电学信号转化为声学信号，该声学信号与初级噪声信号xr(n)同时到达第二传感器。其中，该声学信号到达第二传感器的信号为次级噪声信号yd(n)，初级噪声信号xr(n)到达第二传感器的信号为期望信号d(n)，期望信号d(n)与次级噪声信号yd(n)相位相反、频率、振幅相同，可相干叠加实现信号抵消，使得需要消噪空间内噪声趋于0。

由于第一传感器位于初级声源的附近，因此第一传感器的位置可以近似为初级声源的位置，同理，第二传感器的位置可以近似为需要降噪的位置，可以通过获得第一传感器和第二传感器之间的距离，表征初级声源的位置与需要降噪的位置之间的距离。在理论状态下，期望信号d(n)可以通过计算获得，假设声波传播速度为vs，噪声从初级声源传播到达第二传感器的时间为tr＝l/vs，参考信号x(n)通过一系列处理变成次级噪声信号yd(n)到达第二传感器的总时间为ty。

当tr≠ty时，即期望信号d(n)与次级噪声信号yd(n)不能同时到达第二传感器，次级噪声信号yd(n)就无法完全消除期望信号d(n)，导致消噪信号效果差。其中，tr≠ty分为两种情况，第一种情况：当tr<ty时，可以通过提高采样速率等方法使得tr＝ty。第二种情况：当tr>ty时，通过缩短第一传感器与第二传感器之间的间距到合适的位置等方法使得tr＝ty，但需要降噪的位置往往与第一传感器之间的距离超过合适的位置，即对于远距离噪声信号没有较好的解决方案。

基于此，本申请提供一种主动降噪系统中信号降噪的方法和装置，能够使期望信号与次级噪声信号同时到达需要降噪的位置，提高anc系统降噪的效果。

为了更好的说明本申请实施例的方案，下面结合图4和图5对本申请提供的主动降噪系统中信号降噪的方法进行说明。

参见图4，该图为本申请提供的一种主动降噪系统中信号降噪的方法，所述方法包括s401-s403：

s401：将参考信号存储到存储阵列中。

所述参考信号为第一传感器根据初级声源产生的初级噪声信号采集的电学信号，所述第一传感器位于所述初级声源处。

参见图5，该图是本申请实施例提供的一种anc系统的示意图。相比于图3所示的anc系统，本申请实施例提供的anc系统增加了存储阵列，用于存储第一传感器采集的参考信号x(n)。该存储阵列可以位于控制器内，也可以位于控制器外，本申请实施例不做具体限定。

初级声源产生的初级噪声信号xr(n)为声学信号，第一传感器采集该声学信号的电学信号，为参考信号x(n)。参考信号x(n)不再直接传输给控制器中的运算器进行计算，而是先传输给存储阵列进行存储，以便参考信号x(n)经过一系列处理后的次级噪声信号yd(n)和期望信号d(n)同时到达第二传感器。

s402：当所述参考信号的存储时间达到预设时间时，从所述存储阵列中读取所述参考信号，将所述参考信号发送给运算器。

所述预设时间为期望信号与次级噪声信号到达第二传感器的时间差，所述第二传感器位于降噪位置处，所述期望信号为所述初级噪声信号到达所述第二传感器的声学信号。

当期望信号d(n)迟于次级噪声信号yd(n)到达第二传感器时，不再采用缩短第一传感器与第二传感器之间的间距到合适的位置方法使得tr＝ty，而是将参考信号x(n)存储在存储阵列中，当参考信号x(n)的存储时间达到预设时间时，控制器从存储阵列中读取该参考信号x(n)，并将参考信号x(n)发送给运算器，以便运算器可以根据参考信号x(n)生成的次级噪声信号yd(n)，从而次级噪声信号yd(n)与期望信号d(n)同时到达第二传感器，完成降噪。

本申请实施例不具体限定预设时间的设置，下面介绍一种预设时间的设置方式。

由于预设时间为期望信号d(n)与次级噪声信号yd(n)达到第二传感器的时间差，因此可以分别计算期望信号d(n)与次级噪声信号yd(n)达到第二传感器的时间，从而获得对应的时间差。

s601：获取所述第一传感器与所述第二传感器之间的距离。

可以理解的是，当降噪的环境确定后，第一传感器与第二传感器的位置是固定的，因此可以获得第一传感器与第二传感器之间的距离。例如，在列车上，乘客所做的位置是固定的，要消除车窗外产生的噪声，可以在车窗附近放置第一传感器，在乘客的位置处放置第二传感器，从而获得第一传感器和第二传感器的距离l。

需要说明的是，列车上的第一传感器和第二传感器的个数可以为一个，也可以为多个，本申请不做具体限定。

s602：获得所述初级噪声信号通过空气到达第二传感器的第一时间，获得所述初级噪声信号通过所述主动降噪系统到达所述第二传感器的第二时间。

假设声波传播速度为vs，初级噪声信号从初级声源通过空气传播到达第二传感器的第一时间为tr＝l/vs。若第一传感器和第二传感器的距离l＝1m，vs取340m/s，则tr＝l/vs＝1/34≈3ms，假设采样率是96khz，则3ms相当于288个采样点。

初级噪声信号xr(n)会在主动降噪系统中，通过第一传感器采集为参考信号x(n)，然后通过主动降噪系统中的电路生成反噪声信号y(n)，然后反噪声信号y(n)驱动次级声源生成次级噪声信号yd(n)，次级声源可以是扬声器，能够将电学信号转换为声学信号。由于主动降噪系统内的器件不同，初级噪声信号xr(n)生成次级噪声信号yd(n)的时间不同。例如，若主动降噪系统由现场可编程逻辑门阵列fpga实现的硬件滤波器最小二乘fxlms系统时，若fxlms为256阶，滤波器产生的线性延时约为128采样点，系统其它硬件导致的延时约为60采样点，若次级声源与第二传感器的距离为10cm，则反噪声信号y(n)通过次级声源到达第二传感器需要29个采样点。则初级噪声信号通过主动降噪系统到达第二传感器的第二时间约为217个采样点，即ty＝217个采样点。

s603：根据所述第一时间与所述第二时间的差值获得所述预设时间。

第一时间tr为288个采样点，第二时间ty为217个采样点，因此第一时间与第二时间的差值为tr-ty＝288-217＝71个采样点。可以将71个采样点设置为预设时间。

s403：指示所述运算器根据所述参考信号和噪声残余信号生成反噪声信号，以便所述次级噪声信号与所述期望信号进行相消干涉。

所述次级噪声信号为所述反噪声信号的声学信号。

运算器根据参考信号x(n)与噪声残余信号e(n)生成反噪声信号y(n)，由于反噪声信号y(n)是电学信号，需要通过驱动次级声源生成声学信号，该声学信号到达第二传感器为次级噪声信号yd(n)与期望信号d(n)进行相消干涉，从而实现降噪。

在列车中，由于乘客有很多，可以在车厢中放置多套由图5所示的anc系统。由于运算器的成本较高，为了节省成本，可以使用多通道的运算器，以便于通过运算器不同的通道生成不同初级噪声信号对应的次级噪声信号。

随着需要处理的初级噪声信号增多，为了提高运算效率，可以使用运算器的多通道并行实现根据参考信号和残余噪声信号生成次级噪声信号。

由于运算器的计算容量有限，为了能够充分使用运算器，进一步节省成本，可以使用运算器的多通道分时复用串行实现根据参考信号和残余噪声信号生成次级噪声信号。

本申请实施例提供一种主动降噪系统中信号降噪的方法，所述方法包括：将参考信号存储到存储阵列中；当所述参考信号的存储时间达到预设时间时，从所述存储阵列中读取所述参考信号，将所述参考信号发送给运算器；指示所述运算器根据所述参考信号和噪声残余信号生成反噪声信号，以便所述次级噪声信号与所述期望信号进行相消干涉。由此可知，在主动降噪系统中增加存储阵列，不再直接对参考信号进行运算，而是使用存储阵列存储参考信号，当参考信号的存储时间到达预设时间后，再对参考信号进行运算，以便通过参考信号生成的次级噪声信号与期望信号同时到达第二传感器的位置，期望信号与次级噪声信号相位相反、频率、振幅相同，可相干叠加实现信号抵消，使得需要消噪空间内噪声趋于0，从而完成降噪。

同时，由于精准适配期望信号与次级噪声信号可同时到达第二传感器的位置，因此不再限制第一传感器与第二传感器的距离，理论上可以无限拓展第一传感器与第二传感器的距离，解决了远距离噪声源的消噪问题。

进一步的，本算法的目标是能够实现在每个采样周期中所有的通道都计算一次，降低采样率等价于增加了采样周期，一个采样周期就能够分时进行更多次的算法计算，把并行计算转换为分时串行计算，显然就降低了系统对硬件资源的需求，降低了成本。

进一步的，滤波器阶数的作用之一就是匹配信号的对齐，使得消除噪声的信号与噪声信号反相，实现二者反向叠加。如果二者相差的点数多，就需要较高阶滤波器，如果二者相差的点数少，就需要较低阶滤波器，降低滤波器的阶数显然就降低了系统对硬件资源的需求，降低了成本。

本申请实施例除了提供的主动降噪系统中信号降噪的方法外，还提供了一种主动降噪系统中信号降噪的装置，如图7所示，包括：存储单元701、处理单元702和降噪单元703；

所述存储单元701，用于将参考信号存储到存储阵列中；所述参考信号为第一传感器根据初级声源产生的初级噪声信号采集的电学信号，所述第一传感器位于所述初级声源处；

所述处理单元702，用于当所述参考信号的存储时间达到预设时间时，从所述存储阵列中读取所述参考信号，将所述参考信号发送给运算器；其中，所述预设时间为期望信号与次级噪声信号到达第二传感器的时间差，所述第二传感器位于降噪位置处，所述期望信号为所述初级噪声信号到达所述第二传感器的声学信号；

所述降噪单元703，用于指示所述运算器根据所述参考信号和噪声残余信号生成反噪声信号，以便所述次级噪声信号与所述期望信号进行相消干涉；所述次级噪声信号为所述反噪声信号的声学信号。

作为一种可能的实现方式，所述装置还包括预设时间设置单元，用于：

获取所述第一传感器与所述第二传感器之间的距离；

获得所述初级噪声信号通过空气到达第二传感器的第一时间，获得所述初级噪声信号通过所述主动降噪系统到达所述第二传感器的第二时间；

根据所述第一时间与所述第二时间的差值获得所述预设时间。

作为一种可能的实现方式，所述主动降噪系统由现场可编程逻辑门阵列fpga实现的硬件滤波器最小二乘fxlms系统。

作为一种可能的实现方式，所述运算器具有多通道。

作为一种可能的实现方式，所述运算器的所述多通道并行实现根据所述参考信号和残余噪声信号生成所述次级噪声信号的步骤。

作为一种可能的实现方式，所述运算器的所述多通道分时复用串行实现根据所述参考信号和残余噪声信号生成所述次级噪声信号的步骤。

本申请实施例提供一种主动降噪系统中信号降噪的装置，包括：存储单元、处理单元和降噪单元。具有以下至少四个优点：

第一，在主动降噪系统中增加存储阵列，不再直接对参考信号进行运算，而是使用存储阵列存储参考信号，当参考信号的存储时间到达预设时间后，再对参考信号进行运算，以便通过参考信号生成的次级噪声信号与期望信号同时到达第二传感器的位置，期望信号与次级噪声信号相位相反、频率、振幅相同，可相干叠加实现信号抵消，使得需要消噪空间内噪声趋于0，从而完成降噪。

第二，由于精准适配期望信号与次级噪声信号可同时到达第二传感器的位置，因此不再限制第一传感器与第二传感器的距离，理论上可以无限拓展第一传感器与第二传感器的距离，解决了远距离噪声源的消噪问题。

第三，该装置能够实现在每个采样周期中所有的通道都计算一次，降低采样率等价于增加了采样周期，一个采样周期就能够分时进行更多次的算法计算，把并行计算转换为分时串行计算，显然就降低了系统对硬件资源的需求，降低了成本。

第四，滤波器阶数的作用之一就是匹配信号的对齐，使得消除噪声的信号与噪声信号反相，实现二者反向叠加。如果二者相差的点数多，就需要较高阶滤波器，如果二者相差的点数少，就需要较低阶滤波器，降低滤波器的阶数显然就降低了系统对硬件资源的需求，降低了成本。

本申请还提供了一种列车，该列车包括了主动降噪系统，该主动降噪系统用于执行以上任意一项所述的主动降噪系统中信号降噪的方法，或包括以上任意一项所述的主动降噪系统中信号降噪的装置。

需要说明的是，在列车中，可以在每个窗户处安装第一传感器，在每个乘客的座椅安装第二传感器和次级声源，anc系统中可以具有一个第一传感器，一个第二传感器和一个次级声源，anc系统中还可以具有多个第一传感器、多个第二传感器和多个次级声源，需要说明的是，为了保证次级噪声信号不交叉，第二传感器和次级声源的数量应该相同。

当第一传感器、第二传感器、次级声源的数量均为一个时，可以使用单通道的运算器。

当第一传感器、第二传感器、次级声源的数量均为两个时，可以使用八通道的运算器。相同之处不再赘述，可参照前述实施例。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元及模块可以是或者也可以不是物理上分开的。另外，还可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元和模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

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