抽油烟机的主动降噪装置及方法与流程

本发明涉及平面声全息技术，尤其涉及一种抽油烟机的主动降噪装置及方法。

背景技术：

抽油烟机工作过程中产生的电机噪声和气动噪声严重影响了用户的体验效果。传统的方法一般采用吸声材料配合穿孔板来达到降噪的目的，但是这些方法仅对中高频噪声有效果，且随着工作时长的增加，吸声材料受到油烟的侵蚀，吸声效果逐渐变差。而采用主动降噪方法可以解决这些问题。

公开号为cn107702171a的中国专利文献公开了一种包含控制器w1和w2以及配套输入输出设备的主动降噪方法。但是该专利文献没有给出在抽油烟机上的具体布置应用形式，导致降噪系统的性能不能充分发挥。而且该专利文献中噪声采集麦克风采集到的信号受到降噪系统扬声器产生的声波污染，虽然经过处理可以减去大部分降噪系统本身产生的声波，但残留部分仍然会影响降噪效果及降噪系统稳定性。

公开号为cn104534532a的中国专利文献公开了一种吸油烟机的主动降噪装置，该装置将主动降噪系统集成在消声管道内部，增加了通用性。但是由于油烟气体需要通过消声管道进入蜗壳内部被排出，而主动降噪系统的扬声器等部件均在消声管道内部，这种布置方式减小了气流通道截面，增加了阻力，从而影响了吸油烟机的抽油烟效果。而且其扬声器面朝下方，实际应用中会直接受热油烟熏灼，降低了扬声器的性能和使用寿命。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种抽油烟机的主动降噪装置及方法，根据抽油烟机的结构形式及噪声产生机理提出特定的主动降噪装置和方法，充分发挥降噪系统的潜力，实现在声场中的全局降噪。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明提出一种抽油烟机的主动降噪装置。所述抽油烟机的主动降噪装置包括安装在抽油烟机的下部的进气格栅处的第一噪声拾取部件、安装在所述抽油烟机的下端面上或下端面正下方中心位置的第二噪声拾取部件、安装在所述进气格栅下方并且在所述抽油烟机的所述下端面上方的扬声器部件、以及控制器，其中，所述扬声器部件的喇叭朝向所述抽油烟机的前下方，所述第一噪声拾取部件、所述第二噪声拾取部件和所述扬声器部件与所述控制器连接。

可选地，对于所述抽油烟机的主动降噪装置，所述第一噪声拾取部件包括一个麦克风或者麦克风阵列。

可选地，对于所述抽油烟机的主动降噪装置，所述第二噪声拾取部件包括一个麦克风或者麦克风阵列。

可选地，对于所述抽油烟机的主动降噪装置，所述扬声器部件包括扬声器和谐振腔。

可选地，对于所述抽油烟机的主动降噪装置，所述控制器安装在所述抽烟烟机上方，而且所述控制器包括滤波电路、模数转换模块、数字信号处理器、数模转换模块和功率放大器模块。

另一方面，本发明提出一种上述抽油烟机的主动降噪装置的降噪方法。所述抽油烟机的主动降噪装置的降噪方法包括：在扬声器部件单独工作的情况下，获取所述扬声器部件输出的声音到达第一噪声拾取部件处的第一传递函数和到达第二噪声拾取部件处的第二传递函数；在抽油烟机单独工作的情况下，根据第一噪声拾取部件测得的声压信号、第二噪声拾取部件测得的声压信号、以及所述第二传递函数，得到控制器的控制参数；在抽油烟机和扬声器部件同时工作的情况下，根据第一噪声拾取部件测得的当前的声压信号、控制器当前的输出信号、控制器的所述控制参数、以及所述第一传递函数，得到控制器下次的输出信号，以驱动扬声器部件。

可选地，对于所述降噪方法，所述得到控制器的控制参数包括：根据第一噪声拾取部件拾取的声压信号和速度传播因子，得到声源的虚拟振动面的振动速度；由声压信号的波数转换结果得到抽油烟机的下端面对应的声场；根据声源的虚拟振动面的振动速度、抽油烟机的下端面对应的声场、以及所述第二传递函数，得到控制器的控制参数。

可选地，对于所述降噪方法，所述得到控制器下次的输出信号包括：根据第一噪声拾取部件测得的当前的声压信号、控制器当前的输出信号、以及所述第一传递函数，得到抽油烟机本身产生的噪声信号；根据抽油烟机本身产生的噪声信号和速度传播因子，得到声源的虚拟振动面的振动速度；根据声源的虚拟振动面的振动速度和控制器的所述控制参数，得到控制器下次的输出信号。

可选地，对于所述降噪方法，所述抽油烟机包括风机的叶轮和蜗壳，所述声源的虚拟振动面位于所述蜗壳中心所在平面。

可选地，所述降噪方法还包括：循环执行根据第一噪声拾取部件测得的当前的声压信号、控制器当前的输出信号、控制器的所述控制参数、以及所述第一传递函数，得到控制器下次的输出信号，以驱动扬声器部件。

与现有技术相比，本发明技术方案主要的优点如下：

1.本发明实施例提供的抽油烟机的主动降噪装置及方法采用平面声全息技术，假设抽油烟机产生的噪声均通过进气格栅向外辐射出去，根据进气格栅处噪声拾取部件拾取到的噪声信号来实时预测抽油烟机内部虚拟振动面及前下方的声场分布。

2.根据预测得到的声源信息及声场信息来完成控制器设计，保证系统的稳定性。

3.扬声器部件安装方向朝抽油烟机的前下方，既可以提高目标区域的噪声控制效果，又可以减小扬声器部件发出的噪声对噪声拾取部件的影响。

4.根据抽油烟机的结构形式及噪声产生机理设计抽油烟机的主动降噪装置和方法，充分发挥降噪系统的潜力，实现抽油烟机的空间降噪，提高噪声降低效果和降噪控制系统的稳定性。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明一个实施例提供的抽油烟机的主动降噪装置的结构主视图；

图2为图1所示的抽油烟机的主动降噪装置的a-a截面侧视图；

图3为本发明另一个实施例提供的图1所示的抽油烟机的主动降噪装置的降噪方法流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

图1为本发明一个实施例提供的抽油烟机的主动降噪装置的结构主视图。图2为图1所示的抽油烟机的主动降噪装置的a-a截面侧视图。如图1和图2所示，该实施例提供的抽油烟机的主动降噪装置包括安装在抽油烟机的下部的进气格栅处的第一噪声拾取部件110、安装在抽油烟机的下端面150上或下端面正下方中心位置的第二噪声拾取部件120、安装在进气格栅下方并且在抽油烟机的下端面上方的扬声器部件130、以及控制器140。其中，扬声器部件130的喇叭朝向抽油烟机的前下方。第一噪声拾取部件110、第二噪声拾取部件120和扬声器部件130与控制器140连接。抽油烟机例如是塔式抽油烟机。

第一噪声拾取部件110用于测量抽油烟机通过进气格栅向下方辐射的噪声，可以包括一个麦克风或者麦克风阵列。作为一种可选实施方式，麦克风阵列布置在油烟机进气格栅处并处于同一平面。

第二噪声拾取部件120用于对声场进行离线标定，可以包括一个麦克风或者麦克风阵列。作为一种可选实施方式，麦克风阵列布置在油烟机下端面的正下方中心位置。其中，离线标定指的是在抽油烟机没有工作的情况下，控制器140驱动扬声器部件130发出声音，计算对应的传递函数h1和h2。完成标定后即可以移除第二噪声拾取部件120，因此，仅剩下安装在油烟机下方进气格栅处的第一噪声拾取部件110，避免了对抽油烟机抽油烟效果的影响。

扬声器部件130用于产生反噪声声波来抵消目标区域原始声场的噪声，可以包括扬声器和谐振腔。

控制器140可以安装在抽油烟机上方，避免热的油烟对控制器140产生干扰和侵蚀。控制器140可以包括滤波电路、模数转换模块、数字信号处理器、数模转换模块和功率放大器模块。

抽油烟机可以包括风机的叶轮和蜗壳160，在工作过程中产生吸力，通过下方的进气格栅将油烟吸入并通过烟道排出。

扬声器部件130的安装方向朝油烟机的前下方，既可以提高目标区域的噪声控制效果，又可以减小扬声器部件130发出的噪声对第一噪声拾取部件110的影响。第一噪声拾取部件110和第二噪声拾取部件120、以及扬声器部件130的空间安装位置如图1和图2所示，其中第一噪声拾取部件110拾取噪声信号作为控制器140的输入，需要保证扬声器部件130发出的声音对它的影响最小；而第二噪声拾取部件120拾取噪声信号作为控制器140的反馈信息，要求扬声器部件130发出的声音能够有效到达该区域。由于扬声器部件130发出的声音具有指向性，将扬声器部件130安装方向朝抽油烟机的前下方，可以使其发出的反相声波集中在抽油烟机的前下方，也就是降噪的目标区域；此时反相声波到达第一噪声拾取部件110的比例较少，因此减少了对它的影响，提高了降噪控制系统的稳定性。

图3为本发明另一个实施例提供的上述抽油烟机的主动降噪装置的降噪方法流程图。

如图3所示，在步骤s310，在扬声器部件130单独工作的情况下，获取扬声器部件130输出的声音到达第一噪声拾取部件110处的第一传递函数和到达第二噪声拾取部件120处的第二传递函数。

关闭抽油烟机，扬声器部件单独工作，控制器140产生驱动信号使扬声器部件130发出声音，该声音可以为白噪声信号或者扫频信号。分别识别出扬声器部件130输出至第一噪声拾取部件110之间的第一传递函数h1和扬声器部件130输出至第二噪声拾取部件120之间的第二传递函数h2。扬声器部件130输出的声音信号被第一噪声拾取部件110和第二噪声拾取部件120拾取到后也传回给控制器140，相当于一个系统的输入信号和响应信号都是已知的，根据二者关系即可识别出传递函数h1和h2。传递函数识别完成后即可以移除第二噪声拾取部件120。由于主动降噪是基于声波叠加原理，扬声器部件130发出的声音到达目标降噪区域后，必须与原来该区域的噪声具有幅值相似、相位相反的特性。因此，扬声器部件130发出的声音信号到达第一噪声拾取部件110之间的第一传递函数h1和到达第二噪声拾取部件120之间的第二传递函数h2必须精确识别，这两个传递函数h1和h2包含了传递路径的幅值和相位信息。

在步骤s320，在抽油烟机单独工作的情况下，根据第一噪声拾取部件110测得的声压信号、第二噪声拾取部件120测得的声压信号、以及第二传递函数，得到控制器的控制参数。

步骤s320可以具体包括如下步骤：

第一步，第一噪声拾取部件110拾取声压信号，并在所在平面上进行x、y方向的波数转换，得到声压信号的波数转换结果。在抽油烟机单独工作的情况下，即抽烟机与烟道连接正常工作，而扬声器部件130不工作的情况下，通过第一噪声拾取部件110拾取格栅所在平面的噪声信号p(x,y,zh)，并在所在平面上进行x、y方向的波数转换得到p(kx,ky,zh)。这里，kx和ky分别表示空气中的声音波数k(k＝角频率/声速)在x和y方向的投影，zh表示第一噪声拾取部件110到风机中心平面在垂直方向的距离，即图2中的r1。

第二步，根据声压信号的波数转换结果p(kx,ky,zh)和速度传播因子，得到声源的虚拟振动面zo的振动速度。其中，声源的虚拟振动面可以位于蜗壳中心所在平面。由于安装烟道后的抽油烟机向外辐射的噪声大部分是通过下端面150辐射出去的，因此假设抽油烟机产生的噪声是由一个声源的虚拟振动面zo产生的，该虚拟振动面zo位于蜗壳中心所在平面附近，然后依次通过第一噪声拾取部件110所在平面zh和抽油烟机的下端面150和第二噪声拾取部件120所在平面zs传递出去。其中，下端面150和第二噪声拾取部件120所在平面zs二者可以重合也可以不重合。在下端面150和第二噪声拾取部件120所在平面zs不重合的情况下，需要在垂直方向的距离在10mm以内。虚拟振动面zo的振动速度可由以下公式求得：

这里，和分别表示对表达式在x和y方向进行逆波数转换；g(kx,ky,zh-zo)是速度传播因子，它的定义为：

表示两个平面之间声压和声音介质振动速度的关系，其中ρ、c、以及k分别代表空气密度、声音在空气中的传播速度、以及声音波数，e为自然底数，i为虚数单位。该表达式中ρ、c、k、zh、zs均是已知的，把相关参数带入即可计算得到速度传播因子。

第三步，由声压信号的波数转换结果p(kx,ky,zh)得到抽油烟机的下端面150对应的声场。抽油烟机的下端面150对应的声场为：

这里，e为自然底数，i为虚数单位。

第四步，根据上述各步骤得到的声源的虚拟振动面的振动速度v(x,y,zo,t)、抽油烟机的下端面150对应的声场p(x,y,zs,t)、以及第二传递函数h2，得到控制器140的控制参数c。根据上述测量计算的结果，设计控制器140的控制参数c有如下表达式：

c＝fω[v(x,y,zo,t)]/fω[p(x,y,zs,t)]/h2(3)

这里，t代表当前时间，h2代表扬声器部件130发出的声音信号到达第二噪声拾取部件120之间的第二传递函数，fω代表傅里叶变换。

在步骤s330，在抽油烟机和扬声器部件130同时工作的情况下，根据第一噪声拾取部件110测得的当前的声压信号、控制器140当前的输出信号、控制器140的控制参数、以及第一传递函数，得到控制器140下次的输出信号，以驱动扬声器部件130。

步骤s330可以具体包括如下步骤：

第一步，根据上述设计控制器140，实时提取控制器140输入声压信号。具体来说，根据第一噪声拾取部件110测得的当前的声压信号、控制器140当前的输出信号、以及第一传递函数h1，得到抽油烟机本身产生的噪声信号：

pin(x,y,zh,t)＝p(x,y,zh,t)-y(t)*h1(4)

公式(4)中，*表示线性卷积，p(x,y,zh,t)是第一噪声拾取部件110实时测得的声压信号，表示当前时刻t在zh平面上各点测得的声压；y(t)是控制器140的输出信号，是控制器140产生的扬声器部件130的驱动信号；h1是扬声器部件130发出的声音信号到达第一噪声拾取部件110之间的第一传递函数，这三个量都是已知的，代入公式(4)即可得到控制器140的输入声压信号pin(x,y,zh,t)。通过公式(4)，从第一噪声拾取部件110拾取的噪声信号中提取出来原始声场的噪声信号pin(x,y,zh,t)即抽油烟机本身产生的噪声信号给控制器140。

第二步，根据抽油烟机本身产生的噪声信号和速度传播因子，得到声源的虚拟振动面的振动速度。将公式(4)的计算结果进行波数转换后带入公式(5)，进而得到声源的虚拟振动面zo的振动速度如下：

第三步，根据声源的虚拟振动面的振动速度和控制器的控制参数，得到控制器140下次的输出信号。将公式(5)和公式(3)中得到的控制器140的控制参数c带入公式(6)即可得到控制器140下次的输出信号。

y(t)＝vin(x,y,zo,t)*c(6)

公式(6)中控制器140输出的信号通过扬声器部件130播放出来抵达目标降噪区域，与原来该区域的噪声进行抵消。

可以不断重复循环执行步骤s330，从而产生反噪声声波，降低了抽油烟机向外辐射的噪声。由于控制器140的控制参数通过离线测量和计算得到，因此主动降噪装置本身产生的声波不会破坏降噪控制系统的稳定性。这里的离线指的是主动降噪装置不运行的情况下提前计算好控制器140的控制参数c。

本发明实施例提供的抽油烟机的主动降噪装置和方法根据油烟机的结构形式及噪声产生机理设计特定的主动降噪装置和方法，充分发挥降噪系统的潜力，实现抽油烟机的空间降噪，提高噪声降低效果。扬声器部件安装方向朝油烟机的前下方，既可以提高目标区域的噪声控制效果，又可以减小扬声器部件发出的噪声对第一噪声拾取部件的影响。仅把噪声拾取部件安装在抽油烟机下方进气格栅处，避免了对抽油烟机抽油烟效果的影响。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的权利要求保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明权利要求的保护范围内。

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