一种鼾声有源噪声控制系统及其实现方法和使用方法与流程

本发明属于有源噪声控制技术领域，特别是一种结合远程麦克风技术和声源定位系统的鼾声有源噪声控制系统及其实现方法和使用方法。

背景技术：

鼾声是日常生活中普遍存在的一种噪声，俗称“打呼噜”，是由人们在熟睡后因呼吸不畅而导致的不同程度的空气交换阻塞所引起，并且是一种普遍存在的睡眠现象。鼾声虽然是间歇性的，但其声压级可高达90-100db。当打鼾者的伴侣处于如此的噪声环境下时，其睡眠质量将严重受损，进而影响第二天的正常工作和生活，长此以往对其身心健康也将构成威胁。

现有技术还没有行之有效医疗手段可以根治鼾症。为减少鼾声对打鼾者伴侣睡眠的危害，现有一些有源降噪耳塞/耳机可供其在睡觉时佩戴，但睡觉时佩戴此类设备容易脱落。长期佩戴这种设备会使人产生不适感，可能还会引发耳道感染(外耳道炎或中耳炎)，导致听力下降，甚至引发脑膜炎等。此外，也可使用止鼾器(牙套、腕带式止鼾器、耳挂式止鼾器等)通过干扰打鼾者的睡眠来减少鼾声。当止鼾器监测到人体开始打鼾时，可以通过电击或声音震动的方式来唤醒打鼾者，此方法虽然能够暂时止住鼾声，但毫无疑问它是以牺牲打鼾者的睡眠质量为代价，因此也不是解决鼾声困扰的最佳方案。

现有一些有源降噪床头，通过在床头上布置扬声器作为次级声源来降低鼾声，但降噪床头仅对300hz以下的鼾声有3-5db的降噪效果，且降噪范围较小，仅局限于人的左右耳朵，没有考虑人头旋转甚至左右移动时头部周围区域的降噪性能。

此外，us8325934b2公开了一种降噪枕头，然而该降噪枕头也仅是对打鼾者伴侣处于平躺状态时的左、右耳朵进行降噪，没有考虑人头活动的情况，因此降噪后形成的静音区范围比较有限。

综上，考虑到人类在进入睡眠状态后，为避免身体出现疲劳，会无意识的进行睡姿调节，打鼾者伴侣的头部偏离最大降噪量的位置越远，其听到的鼾声将越明显，越容易影响其睡眠。因此，扩大鼾声降噪的静音区范围，为打鼾者伴侣提供舒适自在的睡眠空间是十分必要的。此外，当打鼾者的睡姿出现变化时，打鼾者伴侣周围的声场也会随之发生改变，从而可能导致打鼾者睡姿变化前的有源噪声控制器的降噪性能下降。因此，针对打鼾者睡姿调整的情况设计有源噪声控制器，在打鼾者伴侣的左、右耳朵位置均能保持较好的降噪效果非常具有实际意义，然而现有技术中并没有关于这类技术的披露。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的缺陷，提出一种结合远程麦克风技术和声源定位系统的鼾声有源噪声控制系统及其实现方法和使用方法，在双人床的床头安装鼾声有源噪声控制系统，用于对鼾声降噪，同时利用声源定位系统来捕捉鼾声声源的空间位置，从而保证该系统在打鼾者出现翻身或摇头等情况时仍然能够保持良好的降噪性能。

本发明的目的在于提供一种结合远程麦克风技术和声源定位系统的鼾声有源噪声控制系统，安装在床头，包括：

第一有源噪声控制子系统以及第二有源噪声控制子系统，所述第一有源噪声控制子系统以及第二有源噪声控制子系统分别针对打鼾者伴侣睡在床的左半边或右半边的情况进行降噪，所述第一有源噪声控制子系统以及第二有源噪声控制子系统均由两部分构成，其中一部分固定在床头上，另一部分安装在降噪箱体(11，12)内，所述降噪箱体(11，12)布置在床头中部；所述第一有源噪声控制子系统以及第二有源噪声控制子系统可独立运行，打鼾者伴侣可使用面向自己的子系统对鼾声降噪，而不影响打鼾者的睡眠。

优选的，所述第一有源噪声控制子系统以及第二有源噪声控制子系统均分别包括：

参考传声器(b1，b2)，内置于降噪箱体(11，12)中，用于采集原始鼾声信号，并将其用作有源噪声控制器(c1)的输入信号；

声源定位系统(d1)，用于对鼾声声源进行时实定位；

多个次级扬声器(a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7，a8)，分别置于床头以及旋转式降噪箱体内，位于床头上和旋转式降噪箱体内的所述多个次级扬声器相互配合对打鼾者伴侣的左耳朵和右耳朵位置进行降噪，并在其头部区域形成一定范围的静音区；

多个误差传声器(e1,e2，e3，e4)，所述多个误差传声器均固定在所述床头上，使用远程麦克风技术，增大打鼾者伴侣左、右耳朵与所述误差麦克风的距离，在实现降噪的同时不影响其头部的旋转或左右移动，从而提供安静舒适的睡眠环境；以及

一个有源噪声控制器(c1)，内置于降噪箱体(11，12)中，所述有源噪声控制器(c1)的输出端与次级扬声器(a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7，a8)相连接，所述第一有源噪声控制子系统以及第二有源噪声控制子系统共用所述有源噪声控制器。

优选的，所述参考传声器(b1，b2)为参考麦克风，分别置于所述第一有源噪声控制子系统以及第二有源噪声控制子系统各自的降噪箱体内。

优选的，所述声源定位系统(d1)为麦克风阵列，安装在降噪箱体(11，12)内，且所述第一有源噪声控制子系统以及第二有源噪声控制子系统共用一个所述麦克风阵列对声源进行定位；所述远程麦克风技术将打鼾者伴侣的左耳朵和右耳朵处的误差麦克风视为虚拟误差麦克风，将摆放在床头上的误差麦克风视为物理误差麦克风；在只存在原始鼾声的初级声场中，可利用虚拟误差麦克风和物理误差麦克风采集到的信号计算从物理误差麦克风到虚拟误差麦克风的最优观测滤波器；在启动有源噪声控制系统对原始鼾声降噪时，移除虚拟误差麦克风，虚拟误差麦克风处的原始鼾声通过计算获得的所述最优观测滤波器和物理误差麦克风计算得到。

优选的，所述次级扬声器(a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7，a8)具有八个，其中四个次级扬声器(a1，a2，a3，a4)设置在第一有源噪声控制子系统内，另外四个次级扬声器(a5，a6，a7，a8)设置在第二有源噪声控制子系统内，每四个次级扬声器中的两个(a3，a4或a7，a8)嵌在床头内正对人头的位置，另外两个(a1，a2或a5，a6)置于床头中间的对应第一有源噪声控制子系统以及第二有源噪声控制子系统的降噪箱体内。

优选的，所述第一有源噪声控制子系统以及第二有源噪声控制子系统分别具有两个误差传声器(e1，e2或e3，e4)。

优选的，所述降噪箱体(11，12)的两面均设有控制面板(f)，供打鼾者伴侣使用并控制所述有源噪声控制系统。

优选的，所述降噪箱体为旋转式的，所述旋转式降噪箱体镶嵌在床头内，其一端与床头的横梁连接，另一端可通过转轴(g)从床头内旋出使整个旋转式降噪箱体平稳地放置在床上，位于打鼾者及其伴侣的枕头之间；不使用有源噪声控制系统时，旋转式降噪箱体镶嵌在床头内，需要对鼾声进行降噪时，可将旋转式降噪箱体从床头内旋出，旋出后所述降噪箱体平稳放置在床上，位于打鼾者及其伴侣的枕头之间；所述降噪箱体(11，12)的内部可放置所述参考传声器、次级扬声器、有源噪声控制器和用于鼾声声源定位的麦克风阵列，并在其内部填充吸音棉吸声材料。

本发明的目的还在于提供一种结合远程麦克风技术和声源定位系统的鼾声有源噪声控制系统的实现方法，包括：

步骤1：计算最优观测滤波器oopt，包括：

步骤11，摆放误差麦克风：在只存在原始鼾声的初级声场中，在打鼾者伴侣的左、右耳朵位置摆放误差麦克风，将它们视为虚拟误差麦克风；将床头上打鼾者伴侣一侧的子系统中安装的误差麦克风视为物理误差麦克风；

步骤12，计算最优观测滤波器oopt：利用物理误差麦克风和虚拟误差麦克风采集初级声场中的原始鼾声信号dm(n)和dv(n)，并用采集到的信号计算从物理麦克风到虚拟麦克风的最优观测滤波器oopt；

步骤13，移除虚拟误差麦克风：得到最优观测滤波器oopt后，移除打鼾者伴侣的左、右耳朵位置的虚拟误差麦克风，保留床头上子系统中的物理误差麦克风；

步骤2：对打鼾者伴侣头部区域的原始鼾声dv(n)进行降噪。

步骤21，所述有源噪声控制器(c1)驱动次级扬声器(a1，a2，a3，a4或a5，a6，a7，a8)发声：参考传声器(b1或b2)将采集的原始鼾声信号x(n)传输到所述有源噪声控制器(c1)中，所述有源噪声控制器(c1)驱动面向打鼾者伴侣的次级扬声器发出次级声波ym(n)与床头上物理误差麦克风位置的原始鼾声dm(n)进行叠加；

步骤22，提取物理误差麦克风采集到的原始鼾声在有源噪声控制器(c1)中添加从次级扬声器到物理误差麦克风的次级声通道模型gm(z)，从而抵消物理误差麦克风接收到的次级声波ym(n)，提取出纯净的原始鼾声

步骤23，对虚拟误差麦克风处的原始鼾声进行降噪：根据从物理误差麦克中提取的原始鼾声和所述最优观测滤波器oopt计算虚拟误差麦克风处的原始鼾声用于实现对打鼾者伴侣左耳朵和右耳朵位置进行降噪并在其头部形成一定范围的静音区。

本发明的目的还在于提供一种结合远程麦克风技术和声源定位系统的鼾声有源噪声控制系统的使用方法，包括：

步骤1，启动降噪功能，有源噪声控制系统和声源定位系统同时运行，所述声源定位系统中的麦克风阵列利用所采集的原始鼾声信号计算信号之间的广义互相关来对原始鼾声的声源位置进行精准定位；

步骤2，降低打鼾者伴侣头部区域的原始鼾声降噪dv(n)，所述降噪采用有源噪声控制器(c1)驱动降噪箱体(11，12)内的次级扬声器(a1，a2或a5，a6)和床头内的次级扬声器(a3，a4或a7，a8)发出次级声波yv(n)，所述次级声波yv(n)与打鼾者伴侣头部区域的原始鼾声dv(n)进行叠加从而降低原始鼾声；包括：

步骤21，当所述声源定位系统检测到原始鼾声从第一位置传播时，有源噪声控制系统采用与所述第一位置对应的控制器系数w1对打鼾者伴侣处的原始鼾声dv1(n)进行降噪；

步骤22，当声源定位系统检测到打鼾者的头部发生较大位移导致声源从第二位置传播时，有源噪声控制系统切换至所述第二位置对应的控制器系数w2，对第二位置发出的原始鼾声dv2(n)进行降噪；

步骤3，声源定位系统持续处于运行模式，判断是否手动关闭有源噪声控制系统，如果是，则所述有源噪声控制系统关闭；如果判断结果为否，则判断声源定位系统检测到的声源位置是否发生较大变化，如果发生较大变化，则实施步骤22，如果没有发生较大变化，则实施步骤21。

本发明的有益效果：

(1)本发明提出的有源噪声控制系统由两部分组成：一部分固定在床头内，另一部分内置在旋转式降噪箱体中。不使用有源噪声控制系统时，旋转式降噪箱体镶嵌在床头内，与床头融为一体，不影响床头的美观和倚靠的舒适性。需要对鼾声进行降噪时，可将旋转式降噪箱体从床头内旋出，旋出后它可平稳放置在床上，位于打鼾者及其伴侣的枕头之间，然后有源噪声控制器驱动旋转式降噪箱体内的次级扬声器和床头内的次级扬声器发出次级声波。该次级声波与原始鼾声进行叠加从而降低原始鼾声。

(2)本发明将设计的有源噪声控制系统安装在整个床头上，打鼾者伴侣无论睡在床的哪一侧均可实现对原始鼾声的降噪。

(3)针对打鼾者调整睡姿使得头部出现较大位移的情况，从而导致其伴侣头部的初级声场发生较大变化，引入声源定位系统对鼾声声源进行时实定位，声源定位系统由麦克风阵列构成，并将麦克风阵列安装旋转式降噪箱体内。

(4)在使用有源噪声控制系统时，需要在目标降噪点摆放误差麦克风来监测其降噪性能。本发明中的目标降噪点为打鼾者伴侣的左、右耳朵，如果直接在其左、右耳朵处摆放误差麦克风将不利于其头部的正常活动。本发明将远程麦克风技术融入有源噪声控制系统中，使用远程麦克风技术可在只有原始鼾声的初级声场中使用虚拟误差麦克风，在启动有源噪声控制系统时，可将虚拟误差麦克风移除保留物理误差麦克风，从而增大了误差麦克风与打鼾者伴侣的左、右耳朵之间的距离，即使不在打鼾者伴侣的左、右耳朵处摆放误差麦克风，也能在其左、右耳朵位置获得最大的降噪量并形成一定范围的静音区，同时不影响其头部的旋转或左右移动，为其提供安静舒适的睡眠环境。

(5)本发明提出的有源噪声控制系统的功能不仅仅局限于对鼾声降噪，它也可用做音响设备，用于播放音乐等，亦可用语音进行人机交互。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图的简要说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：

附图1为根据本发明实施例的安装了有源噪声控制系统的双人床的全局示意图。

附图2为根据本发明实施例的旋转式降噪箱体全局示意图。

附图3为根据本发明实施例的旋转式降噪箱体的俯视图。

附图4为根据本发明实施例的旋转式降噪箱体的内部结构示意图。

附图5为根据本发明实施例的声源定位系统结构示意图。

附图6为根据本发明实施例的远程麦克风技术的原理图。

附图7为根据本发明实施例的有源噪声控制系统的控制框图。

附图8为根据本发明实施例的是有源噪声控制系统和声源定位系统的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，但并不用来限制本发明的保护范围。

参见图1，本实施例的鼾声有源噪声控制系统由两部分构成，其中一部分固定在床头上，另一部分安装在旋转式降噪箱体11，12内。固定在床头上的部分用于安装次级扬声器a3，a4或a7，a8和误差麦克风e1，e2，e3，e4。

参见图2，旋转式降噪箱体11，12镶嵌在床头内，其一端与床头的横梁连接，另一端可从床头内旋出使整个旋转式降噪箱体11，12平稳地放置在床上，位于打鼾者及其伴侣的枕头之间。旋转式降噪箱体的内部可用于布放参考麦克风、次级扬声器、有源噪声控制器和用于对鼾声声源定位的麦克风阵列。

参见图3-4，在床头上安装的有源噪声控制系统分为左、右两个子系统，可分别针对打鼾者伴侣睡在床的左半边或右半边的情况进行降噪。每个子系统由两部分构成，其中一部分固定在床头上，另一部分安装在旋转式降噪箱体11，12内。每个系统包含一个参考传声器b1或b2、四个次级扬声器a1-a4或a5-a8和两个误差传声器e1，e2或e3，e4。参考传声器b1，b2采用参考麦克风的形式，内置于旋转式降噪箱体11，12中，用于采集原始鼾声信号，并将其用作有源噪声控制器c1的输入信号。四个次级扬声器a1-a4或a5-a8中的两个a3，a4或a7，a8在床头内，每个与人平躺在枕头上时耳朵的位置成一个高度，两个次级扬声器的间距约为20cm；另外两个次级扬声器a1，a2或a5，a6置于旋转式降噪箱体11，12内，面向打鼾者伴侣，其高度也与人平躺在枕头上时耳朵的位置一致，且间距也约为20cm。两个误差麦克风e1，e2或e3，e4均固定在床头上，分别位于床头上的两个次级扬声器a3，a4或a7，a8的正下方，与各次级扬声器a3，a4或a7，a8的距离约为2cm。两个子系统共用一个有源噪声控制器c1，该有源噪声控制器c1内置于旋转式降噪箱体11，12中，其输出端与次级扬声器相连接。旋转降噪箱体11，12的两面均设有有源降噪系统的控制面板f供打鼾者伴侣使用。当打鼾者伴侣需要使用有源噪声控制系统时，可按下控制面板f上的开/关键，旋转式降噪箱体即可从床头内旋出并平稳放置在床上，位于打鼾者和打鼾者伴侣的枕头之间，有源噪声控制器c1驱动面向打鼾者伴侣的四个次级扬声器a1，a2，a3，a4或a5，a6，a7，a8发出次级声波对原始鼾声进行降噪。

参见图5，用于声源定位系统d1的麦克风阵列也安装在旋转式降噪箱体中，且两个子系统共用一个麦克风阵列对声源进行定位。

针对打鼾者调整睡姿使得头部出现较大位移的情况，从而导致其伴侣头部的初级声场发生较大变化，本发明引入声源定位系统对鼾声声源进行时实定位。本发明使用的声源定位系统由麦克风阵列构成，并将麦克风阵列安装旋转式降噪箱体内。启动声源定位系统后，麦克风阵列利用所采集的原始鼾声信号技术它们之间的广义互相关来对原始鼾声的声源进行精准定位。

参见图6，本实施例将远程麦克风技术融入有源噪声控制系统中。远程麦克风技术的原理：针对真实场景中不方便或不适宜在目标降噪点处摆放误差麦克风的情况，可在离目标降噪点较远且合理的位置摆放误差麦克风，目标降噪点的原始噪声可通过较远位置的误差麦克风和最优观测滤波器计算得到。

使用远程麦克风技术可将打鼾者伴侣的左、右耳朵处的误差麦克风视为虚拟误差麦克风，将摆放在床头上的误差麦克风视为物理误差麦克风。虚拟误差麦克风仅在在只有原始鼾声的初级声场中使用，启动有源噪声控制系统，可移除虚拟误差麦克风只保留物理误差麦克风，虚拟误差麦克风处的原始鼾声可通过物理误差麦克风计算得到。因此，将远程麦克风技术融入有源噪声控制系统中后，增大了误差麦克风与打鼾者伴侣的左、右耳朵的距离，同时还保证在其左、右耳朵位置获得最大的降噪量并形成一定范围的静音区，也不会影响其头部的旋转或左右移动。

参见图7，本实施例中，有源噪声控制系统和远程麦克风技术的具体实现方法如下：

第一阶段：计算最优观测滤波器oopt。

(1)摆放误差麦克风：在只存在原始鼾声的初级声场中，在打鼾者伴侣的左、右耳朵位置摆放误差麦克风，将它们视为虚拟误差麦克风；将床头上打鼾者伴侣一侧的子系统中安装的误差麦克风视为物理误差麦克风。

(2)计算最优观测滤波器oopt：利用物理误差麦克风和虚拟误差麦克风采集初级声场中的原始鼾声信号dm(n)和dv(n)，并用采集到的信号计算从物理麦克风到虚拟麦克风的最优观测滤波器oopt。

(3)移除虚拟误差麦克风：得到最优观测滤波器oopt后，移除打鼾者伴侣的左、右耳朵位置的虚拟误差麦克风，保留床头上子系统中的物理误差麦克风。

第二阶段：对打鼾者伴侣头部区域的原始鼾声dv(n)进行降噪。

(1)有源噪声控制器驱动次级扬声器发声：参考麦克风将采集的原始鼾声信号传输到有源噪声控制器中，有源噪声控制器驱动面向打鼾者伴侣的次级扬声器发出次级声波ym(n)与床头上物理误差麦克风位置的原始鼾声dm(n)进行叠加。

(2)提取物理误差麦克风采集到的原始鼾声对鼾声进行降噪时，物理误差麦克风既能采集到原始鼾声信号dm(n)，又能采集到次级扬声器发出的次级声波ym(n)。因此需在有源噪声控制器中添加从次级扬声器到物理误差麦克风的次级声通道模型从而抵消物理误差麦克风接收到的次级声波ym(n)，提取出纯净的原始鼾声

(3)对虚拟误差麦克风处的原始鼾声进行降噪：用从物理误差麦克中提取出来的原始鼾声和最优观测滤波器oopt计算虚拟误差麦克风处的原始鼾声用于实现对打鼾者伴侣左、右耳朵位置进行降噪并在其头部形成一定范围的静音区。

参见图8，本实施例中，有源噪声控制系统和声源定位系统的具体实现方法：启动降噪功能后，有源噪声控制系统和声源定位系统同时运行，当声源定位系统检测到原始鼾声从位置1传播时，有源噪声控制系统可用与当前位置对应的控制器系数w1对打鼾者伴侣处的原始鼾声进行降噪；当声源定位系统检测到打鼾者的头部发生较大位移导致声源从位置2传播时，有源噪声控制系统切换控制器系数w2，对位置2发出的原始鼾声进行降噪；声源定位系统将一直处于运行模式直至有源噪声控制系统关闭。

本实施例提出的有源噪声控制系统由两部分组成：一部分固定在床头内，另一部分内置在旋转式降噪箱体中。不使用有源噪声控制系统时，旋转式降噪箱体镶嵌在床头内，与床头融为一体，不影响床头的美观和倚靠的舒适性。需要对鼾声进行降噪时，可将旋转式降噪箱体从床头内旋出，旋出后它可平稳放置在床上，位于打鼾者及其伴侣的枕头之间，然后有源噪声控制器驱动旋转式降噪箱体内的次级扬声器和床头内的次级扬声器发出次级声波。该次级声波与原始鼾声进行叠加从而降低原始鼾声。将设计的有源噪声控制系统安装在整个床头上，打鼾者伴侣无论睡在床的哪一侧均可实现对原始鼾声的降噪。在使用有源噪声控制系统时，需要在目标降噪点摆放误差麦克风来监测其降噪性能。本发明中的目标降噪点为打鼾者伴侣的左、右耳朵，如果直接在其左、右耳朵处摆放误差麦克风将不利于其头部的正常活动。针对打鼾者调整睡姿使得头部出现较大位移的情况，从而导致其伴侣头部的初级声场发生较大变化，引入声源定位系统对鼾声声源进行时实定位，声源定位系统由麦克风阵列构成，并将麦克风阵列安装旋转式降噪箱体内。并且将远程麦克风技术融入有源噪声控制系统中，使用远程麦克风技术可在只有原始鼾声的初级声场中使用虚拟误差麦克风，在启动有源噪声控制系统时，可将虚拟误差麦克风移除保留物理误差麦克风，从而增大了误差麦克风与打鼾者伴侣的左、右耳朵之间的距离，即使不在打鼾者伴侣的左、右耳朵处摆放误差麦克风，也能在其左、右耳朵位置获得最大的降噪量并形成一定范围的静音区，同时不影响其头部的旋转或左右移动，为其提供安静舒适的睡眠环境。

当然，本实施例设计的有源噪声控制系统的功能不仅仅局限于对鼾声降噪，它也可用做音响设备，用于播放音乐等，以可用语音进行人机交互。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时本领域的一般技术人员，根据本发明的实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

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