一种主动降噪智能集装箱系统及主动降噪方法与流程

本发明涉及消音降噪技术领域，尤其涉及一种主动降噪智能集装箱系统及主动降噪方法。

背景技术：

目前消音降噪其主要方法包括吸音处理，隔音处理和消音器使用，而主要是利用具有隔绝或具有吸收声音能量的材料或者结构，降低噪音，衰减至可接受的范围，以上所提传统的被动是噪音控制方法的吸音或隔音，效果通常与噪音频率分布有关，一般而言对于中高频会有比较好的控制效果，而在低频部分的控制效果则会不理想，除非在材料上增加其质量或构造比较好的结构。但如此就必须提高大量成本，体积也需要增大，变得笨重又庞大，而在消音器部分也会有回压和流阻的问题要解决，考虑上述因素，此消音技术在实际应用中受到一定的限制，为了有效解决低频噪音问题，因此有了主动式噪音控制的发展，主动式噪音控制的基本概念是由德国物理学家首先提出主动式噪音，控制对于低频噪音的效果能在不改变系统的结构下有效得到控制。从技术的基本原理是接受主要噪音源的噪音信号，有计算进行预估，在同一物理环境下，即为相同位置产生一个次级声源其特性，其特性与主要噪声源的振幅相当，方向相反，相位相差180度的反向声波，与主要噪音源产生破坏性干涉，简单的说就是利用噪音来消除噪音。

而这一简单的概念在实际应用中遇到许多问题，比如是产生回馈第二路径、系统识别、喇叭频率响应、喇叭与声音传感器的空间位置等。这些参数的不同其影响和结果也不同。而在自适应滤波器实行上，也需要选择软硬件结合，控制结构、算法，滤波计算、取样频率、收敛系数等等，而当维度增加时整个系统的复杂度也随之增加了，而且的系统算法硬件的实施，是可以达到实时处理的数字信号处理，数字信号处理技术，电子技术和集成电路渐渐兴起之后，这一技术也得到了很大的突破，使得一直处于理论界的主动噪声控制(anc)技术)activenoisecontrol系统能够得到实际应用，符合现实的实际需求，也使得主动噪声控制(anc)技术activenoisecontrol技术得到发展。如何利用主动噪声控制技术对集装箱系统进行主动降噪，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

为了实现集装箱系统的主动降噪，本发明提供一种主动降噪智能集装箱系统及主动降噪方法，以集装箱空间和发电机组噪声为声场环境，建立声场模型，设计布局声音传感器喇叭阵列，用自适应脉冲响应模式设置喇叭阵列声音频率、幅度、间隔及方向参数，以达到消音降噪的目的。

为达到上述目的，本发明提供了一种主动降噪智能集装箱系统，包括若干声音传感器，控制器、da模数转换器、滤波模块以及喇叭阵列；

所述声音传感器分布在所述集装箱内主噪声源周围，检测噪声信号并发送给所述控制器；所述喇叭阵列分布在所述集装箱内主噪声源周围；

所述控制器基于若干声音传感器检测的噪声信号进行频段分离，获得若干主噪声源噪声信号和次噪声源的噪声信号；基于若干主噪声源噪声信号获得主噪声源噪声信号的分布，叠加次噪声源的噪声信号后作为预期的噪声信号，对预期的噪声信号进行消除预期的噪声信号的自适应滤波；将自适应滤波时叠加至所述预期的噪声信号的信号y(n)输出；

信号y(n)经da数模转换器转换成模拟信号，经所述滤波模块进行平滑滤波后发送至喇叭阵列，输出声音信号，实现降噪。

进一步地，所述控制器包括主噪声分布单元、次噪声源噪声叠加单元、有限脉冲响应滤波器、自适应最小均方根滤波器lms以及求和单元；

所述主噪声分布单元基于若干主噪源噪声信号xi(n)获得主噪声分布x(n)，i表示声音传感器的序号，n表示第n组采样点；

所述次噪声源噪声叠加单元在主噪声分布叠加次噪声源的噪声信号后获得预期的噪声信号d(n)；

所述有限脉冲响应滤波器对主噪声分布加权计算有限脉冲响应y(n)；

所述求和单元将计算有限脉冲响应y(n)与预期的噪声信号d(n)进行叠加，获得误差信号e(n)；

所述自适应最小均方根滤波器lms计算所述有限脉冲响应滤波器的加权系数w(n+1)，并发送给所述有限脉冲响应滤波器，作为下一组采样点的有限脉冲响应计算的加权系数。

进一步地，所述自适应最小均方根滤波器lms进行运算包括：

滤波处理后输出：

误差信号：e(n)＝d(n)-y(n)；

加权系数自适应调整具体为：w(n+1)＝w(n)+βe(n)x(n)；

t(n)为时间序列，n为采样点数，j＝0…l-1，l为有限脉冲采样序列阶数。

进一步地，所述声音传感器的分布在主噪声元四周的顶部，所述喇叭阵列分布包括在集装箱内两端个设置4个消音喇叭，主噪声元的上部沿集装箱长度方向对称设置共18个消音喇叭；消音喇叭外侧设置有锥形柱体的半球面形反射曲面，反射曲面半径为波长分布范围的最小公约数；消音喇叭设置在所述反射曲面的球心处，反射曲面朝向主噪声源；集装箱内壁安装吸音岩棉，消音喇叭外侧距离吸音岩棉50mm处设置六边形铝合金导音薄片；所述六边形铝合金导音薄片平顶六棱锥面，六棱锥面的高度为1/4主噪声波长，厚度为1mm；六棱锥面的平顶平行于吸音岩棉且距离吸音岩棉50mm，六边形铝合金导音薄片外表面附着20μm的厚的薄膜；所述薄膜能够和所述六边形铝合金导音薄片产生共振，吸收噪声信号。

进一步地，所述集装箱内主噪声源为柴油发动机和电动机；所述集装箱内次噪声源为排风机。

本发明另一方面提供一种集装箱系统主动降噪方法，包括：

在所述集装箱内主噪声源周围设置若干声音传感器，检测噪声信号；在所述集装箱内主噪声源周围设置喇叭阵列；

基于若干主噪源声音传感器检测的噪声信号进行频段分离，获得若干主噪声源噪声信号和次噪声源的噪声信号；基于若干主噪声源噪声信号获得主噪声源噪声信号的分布，叠加次噪声源的噪声信号后作为预期的噪声信号，对预期的噪声信号进行消除预期的噪声信号的自适应滤波；将自适应滤波时叠加至所述预期的噪声信号的信号y(n)输出；

信号y(n)转换成模拟信号，经平滑滤波后发送至喇叭阵列，输出声音信号，实现降噪。

进一步地，对预期的噪声信号进行消除预期的噪声信号的自适应滤波包括：

基于若干声音传感器检测的噪声信号xi(n)获得主噪声分布x(n)，i表示声音传感器的序号，n表示第n组采样点；

在主噪声分布叠加次噪声源的噪声信号后获得预期的噪声信号d(n)；

对若干声音传感器检测的噪声信号分别计算加权计算有限脉冲响应y(n)；

将计算有限脉冲响应y(n)与预期的噪声信号d(n)进行叠加，获得误差信号e(n)；

计算所述有限脉冲响应的加权系数w(n+1)，作为下一组采样点的有限脉冲响应计算的加权系数。

进一步地，计算所述有限脉冲响应滤波器的加权系数w(n+1)包括：

w(n+1)＝w(n)+βe(n)x(n)

计算有限脉冲响应y(n)包括：

t(n)为时间序列，n为采样点数，j＝0…l-1，l为有限脉冲采样序列阶数。

进一步地，所述声音传感器的分布在主噪声元四周的顶部，所述喇叭阵列分布包括在集装箱内两端个设置4个消音喇叭，主噪声元的上部沿集装箱长度方向对称设置共18个消音喇叭；消音喇叭外侧设置有锥形柱体的半球面形反射曲面，反射曲面半径为波长分布范围的最小公约数；消音喇叭设置在所述反射曲面的球心处，反射曲面朝向主噪声源；集装箱内壁安装吸音岩棉，消音喇叭外侧距离吸音岩棉50mm处设置六边形铝合金导音薄片；所述六边形铝合金导音薄片平顶六棱锥面，六棱锥面的高度为1/4主噪声波长，厚度为1mm；六棱锥面的平顶平行于吸音岩棉且距离吸音岩棉50mm，六边形铝合金导音薄片外表面附着20μm的厚的薄膜；所述薄膜能够和所述六边形铝合金导音薄片产生共振，吸收噪声信号。

进一步地，所述集装箱内主噪声源为柴油发动机和电动机；所述集装箱内次噪声源为排风机。

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

(1)本发明以集装箱空间和发电机组噪声为声场环境，建立声场模型，设计布局声音传感器喇叭阵列，用自适应脉冲响应模式设置喇叭阵列声音频率、幅度、间隔及方向参数，以达到消音降噪的目的。

(2)本发明消音效果好，在实验环境下显示，在100hz-1000hz的频率下，单一频率下有50db左右的降噪效果。

附图说明

图1是降噪信号生成原理示意图；

图2为声音传感器及喇叭阵列布局主视图；

图3为声音传感器及喇叭阵列布局仰视图；

图4为消音喇叭结构示意图；

图5为吸音结构示意图，其中(a)为俯视图，(b)为主视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

主动式噪音控制系统上所使用的理论方法与机制，可以把它分为两大类，1)自适应控制基本原理2)anc实际进行控制实验后，应用中遇到的物理问题，自适应控制基本原理包含了滤波器结构和自适应性计算法则，而在考虑anc实际应用中所遇到的物理现象时，如第二路径影响产生的回馈影响、各种电子元件及电路产生的失真、声音传感器及声扬声器所摆放的位置、动态响应等等，则会有不同的控制结构及不同的自适应算法，解决真实anc系统上的物理问题，并更准确的计算出反噪音，才能达到主动式噪音控制的目的。自适应滤波器原理是运用维纳滤波器基本原则再加上滤波器脉冲相应结构的配合，以及能达到及时自适应调节最佳权重的自适应方法的两者配合，使得求解过程大大简化，也达到自动调节的效果，在此采用有限脉冲分析模式横向式逆波结构及lms最小均方根法算法来组成自适应性滤波器，理论上采用无限脉冲响应模式能使用较小的控制器数量来模拟实际有限空间的声场控制环境，但无限脉冲响应模式iir会有不稳定的情况产生，因此选用稳定性较好的有限脉冲响应模式fir模式，而自适应滤波系统应用到主动式噪音控制系统图1所示，自适应滤波器为最小均方根法lms。

本发明一方面提供一种主动降噪智能集装箱系统，包括若干主噪源声音传感器，控制器、da模数转换器、滤波模块以及喇叭阵列；

所述声音传感器分布在所述集装箱内主噪声源周围，检测噪声信号并发送给所述控制器；所述喇叭阵列分布在所述集装箱内主噪声源周围；

所述控制器基于若干声音传感器检测的噪声信号进行频段分离，获得若干主噪声源噪声信号和次噪声源的噪声信号；基于若干主噪声源噪声信号获得主噪声源噪声信号的分布，叠加次噪声源的噪声信号后作为预期的噪声信号，对预期的噪声信号进行消除预期的噪声信号的自适应滤波；将自适应滤波时叠加至所述预期的噪声信号的信号y(n)输出；

信号y(n)经da数模转换器转换成模拟信号，经所述滤波模块进行平滑滤波后发送至喇叭阵列，输出声音信号，实现降噪。

结合图1，所述控制器包括主噪声分布单元、次噪声源噪声叠加单元、有限脉冲响应滤波器、自适应最小均方根滤波器lms以及求和单元；

所述主噪声分布单元基于若干主噪源噪声信号xi(n)获得主噪声分布x(n)，i表示声音传感器的序号，n表示第n组采样点；

所述次噪声源噪声叠加单元在主噪声分布叠加次噪声源的噪声信号后获得预期的噪声信号d(n)；

所述有限脉冲响应滤波器对主噪声分布加权计算有限脉冲响应y(n)；t(n)为时间序列，n为采样点数，j＝0…l-1，l为有限脉冲采样序列阶数。

所述求和单元将计算有限脉冲响应y(n)与预期的噪声信号d(n)进行叠加，获得误差信号e(n)；e(n)＝d(n)-y(n)；

加权系数自适应调整具体为：w(n+1)＝w(n)+βe(n)x(n)；β为全局步长参数。

e(n)值在初始状态有很大的误差，通过有限脉冲响应滤波器进行输出声源信号步长变换，逐次逼近，e(n)收敛于0，y(n)为与d(n)频率一致，相位相反，声强相等的声波，用于抵消主噪声源和次噪声源噪声。结合图2、3，所述声音传感器的分布在主噪声元四周的顶部，箱体内喇叭布置如下2、3所示：发电机的主噪音来源于柴油发动机和电动机部分，在喇叭位置的布置上采用两级主动降噪的方式，一级降噪在柴油发动机和电动机左右及上部布置18套噪音传感器及降噪喇叭，其目的为消除主要噪音能量部分。二级降噪布置在箱体两端，两端各4个消音喇叭。

所述喇叭阵列分布在集装箱内两端及中间所述喇叭阵列包括两端个设置4个消音喇叭，中间设置6个消音喇叭；消音喇叭外侧设置有锥形柱体的半球面形反射曲面，反射曲面半径为波长分布范围的最小公约数；消音喇叭设置在所述反射曲面的球心处，反射曲面朝向主噪声源。

结合图4，由于发电机组的噪音频率主要集中在500-3khz，由l＝v/f得到：其波长范围主要分布在：11cm--68cm。

所有整体上消音喇叭安装位置分布在集装箱内两端及中间位置，如图2、3所示，并在消音喇叭安装位置出增加带有防锥形柱体的噪音集中反射曲面，该曲面半径为波长分布范围的最小公约数，大约为748cm，在此范围内涵盖了90％的噪音。

结合图5，在整个箱体内壁安装模拟声学黑洞吸音结构材料，选取频谱在300-1500hz的薄膜，吸收在主动降噪之后逃逸出的噪音能量，同时由于薄膜附着粘牢在1mm六边形铝合金导音薄片上，薄片厚度设计为1/4波长长度。六边形铝合金导音薄片为平顶六棱锥面，底面为圆形，直径为六边形对角线长度的一半。随着噪音声能的积累，薄膜和薄片产生共振，在薄片距离50mm处，布置50mm厚的吸音岩棉，吸收腔体内的声能，以达到进一步消音目的。

在一个实施例中，所述集装箱内主噪声源为发动机；所述集装箱内次噪声源为排风机。

本发明另一方面提供一种集装箱系统主动降噪方法，包括：

(1)在所述集装箱内主噪声源周围设置若干声音传感器分布，检测噪声信号；在所述集装箱内主噪声源周围设置喇叭阵列；

(2)基于若干主噪源声音传感器检测的噪声信号进行频段分离，获得若干主噪声源噪声信号和次噪声源的噪声信号；基于若干主噪声源噪声信号获得主噪声源噪声信号的分布，叠加次噪声源的噪声信号后作为预期的噪声信号，对预期的噪声信号进行消除预期的噪声信号的自适应滤波；将自适应滤波时叠加至所述预期的噪声信号的信号y(n)输出；

对预期的噪声信号进行消除预期的噪声信号的自适应滤波，具体包括：

2.1基于若干声音传感器检测的噪声信号xi(n)获得主噪声分布x(n)，i表示声音传感器的序号，n表示第n组采样点；

2.2在主噪声分布叠加次噪声源的噪声信号后获得预期的噪声信号d(n)；

2.3对若干声音传感器检测的噪声信号分别计算加权计算有限脉冲响应y(n)；

2.4将计算有限脉冲响应y(n)与预期的噪声信号d(n)进行叠加，获得误差信号e(n)；e(n)＝d(n)-y(n)；

2.5计算加权系数w(n+1)＝w(n)+βe(n)x(n)。

(3)信号y(n)转换成模拟信号，经平滑滤波后发送至喇叭阵列，输出声音信号，实现降噪。

本发明的核心在于通过自适应最小均方根滤波器，迅速获取输出信号调整值，然后通过系统主动有限脉冲响应滤波器计算出信号源y(n)输出参数，通过数字模拟da转换、平滑滤波、功率放大、控制喇叭自动输出与噪声源的d(n)频率一致，相位相反，声强相等的声波，以抵消噪声；而抵消结果e(n)将通过声音传感器采样、带通滤波、ad模拟数字转换器将信号输入到控制器进行处理，这就是第二路径，在整个系统中形成闭环反馈。

综上所述，本发明涉及一种主动降噪智能集装箱系统及主动降噪方法，在主噪声源周围设置若干声音传感器分布，检测噪声信号；；在主噪声源周围设置喇叭阵列；若干声音传感器检测的噪声信号进行频段分离，获得若干主噪声源噪声信号和次噪声源的噪声信号；叠加后作为预期的噪声信号，对预期的噪声信号进行消除预期的噪声信号的自适应滤波；将自适应滤波时叠加至所述预期的噪声信号的信号y(n)输出；信号y(n)转换成模拟信号，经平滑滤波后发送至喇叭阵列，输出声音信号，实现降噪。本发明用自适应脉冲响应获得设置喇叭阵列声音频率、幅度、间隔及方向参数，以达到消音降噪的目的。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

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