自適應(yīng)有源噪聲消除器研究設(shè)計(jì)方案介紹

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,噪聲污染已成為一個(gè)世界性的問(wèn)題。長(zhǎng)期以來(lái),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(wú)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(duì)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的低頻噪聲是不適用的，雖然低頻噪聲對(duì)生理的直接影響沒(méi)有高頻噪音那么明顯，但是近來(lái)國(guó)內(nèi)從事低頻噪聲研究的專家指出，低頻噪音會(huì)引起頭痛、失眠等神經(jīng)官能癥，更嚴(yán)重的影響了人們的健康，噪聲污染的消除是一個(gè)急待解決的問(wèn)題。

有沒(méi)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(guò)查閱資料我們發(fā)現(xiàn)了一種全新的消噪理念--主動(dòng)消噪：它通過(guò)采集噪聲信號(hào)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(hào)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(yíng)造一個(gè)環(huán)保、舒適的環(huán)境，有利于人們更好的學(xué)習(xí)、工作和生活。

二十世紀(jì)二十年代,電子學(xué)的發(fā)展奠定了有源消聲控制(ANC) 的基礎(chǔ),從而開(kāi)辟了噪聲控制的新領(lǐng)域。1933 年,德國(guó)的Paul Lueg 初步提出了ANC 的基本思想，即：在待控制的聲場(chǎng)區(qū)域建立一個(gè)與待消除的聲音強(qiáng)度相同、相位相反的聲場(chǎng)(即次級(jí)聲場(chǎng)———secondary sound field) ,利用波的干涉原理,人為造成聲場(chǎng)的相消干涉,從而消除噪聲。同時(shí),Lueg 還指出了實(shí)現(xiàn)這一思想的可能性:“空氣中的聲速遠(yuǎn)小于電脈沖的速度,意味著當(dāng)聲波從它的檢測(cè)點(diǎn)傳到控制點(diǎn)時(shí),在電子電路中有足夠長(zhǎng)的時(shí)間用于處理這個(gè)聲信號(hào)和驅(qū)動(dòng)控制單元,這段時(shí)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(xué)理論和控制理論的迅速發(fā)展,人們逐漸對(duì)有源消聲控制的機(jī)理有了更深刻的理解。鑒于常見(jiàn)的噪聲源大都具有強(qiáng)烈的時(shí)變特性,因此,在自適應(yīng)理論日漸成熟后,人們開(kāi)始探索自適應(yīng)有源消聲控制(AANC) 這一極具應(yīng)用價(jià)值的新課題。AANC 以恰當(dāng)?shù)淖赃m應(yīng)算法自動(dòng)調(diào)整次級(jí)聲信號(hào),確保次級(jí)聲信號(hào)能有效地跟蹤并抵消噪聲信號(hào),達(dá)到消除噪聲目的。

雖然國(guó)內(nèi)外也有一些人在研究這個(gè)課題，但是實(shí)際效果不甚理想，比如一些消噪耳機(jī)，但佩戴著耳機(jī)也會(huì)給生活帶來(lái)一定的不便，戴的時(shí)間長(zhǎng)了，人可能會(huì)感覺(jué)不舒服；在電路實(shí)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(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的以模擬信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)反相，增益的電路相比功耗要低得多，與那些以單片機(jī)+DSP的電路相比要節(jié)省很多成本。

在某一區(qū)域內(nèi)采集噪聲信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并送往處理電路，處理后能夠通過(guò)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(dá)到消除噪聲的目的。此設(shè)備不僅適用于那些需要安靜的場(chǎng)合，比如教室、圖書(shū)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(chǎng)合，比如大型工廠車間、嘈雜的菜市場(chǎng)、商場(chǎng)等。

本設(shè)計(jì)采用AVR高性能，低功耗單片機(jī)作為主控CPU，節(jié)能模式下電流在nA級(jí)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(yīng)算法--歸一化最小均方算法，穩(wěn)態(tài)誤差小，收斂速度快，計(jì)算量相對(duì)其他算法較小。本系統(tǒng)相對(duì)傳統(tǒng)的模擬電路消除噪聲有著無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)嵌的自適應(yīng)算法進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，將誤差控制在較小的范圍之內(nèi)，達(dá)到有效的消除噪聲，營(yíng)造一個(gè)環(huán)保，安靜的環(huán)境。