自適應有源噪聲消除器研究設計

一、項目概述

1.1 引言

隨著(zhù)現代工業(yè)的發(fā)展,噪聲污染已成為一個(gè)世界性的問(wèn)題。長(cháng)期以來(lái),人們不斷尋找噪聲控制的有效方法。在傳統噪聲控制中,主要采用吸聲材料、阻尼處理、結構消聲等無(wú)源消聲方法,這種方法雖然能夠很好的消除高頻噪聲，但是對波長(cháng)較長(cháng)的低頻噪聲是不適用的，雖然低頻噪聲對生理的直接影響沒(méi)有高頻噪音那么明顯，但是近來(lái)國內從事低頻噪聲研究的專(zhuān)家指出，低頻噪音會(huì )引起頭痛、失眠等神經(jīng)官能癥，更嚴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、工作和生活。

1.2 項目背景/選題動(dòng)機

二十世紀二十年代,電子學(xué)的發(fā)展奠定了有源消聲控制(ANC) 的基礎,從而開(kāi)辟了噪聲控制的新領(lǐng)域。1933 年,德國的Paul Lueg 初步提出了ANC 的基本思想，即：在待控制的聲場(chǎng)區域建立一個(gè)與待消除的聲音強度相同、相位相反的聲場(chǎng)(即次級聲場(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)現這一思想的可能性:“空氣中的聲速遠小于電脈沖的速度,意味著(zhù)當聲波從它的檢測點(diǎn)傳到控制點(diǎn)時(shí),在電子電路中有足夠長(cháng)的時(shí)間用于處理這個(gè)聲信號和驅動(dòng)控制單元,這段時(shí)間的富裕程度取決于噪聲的類(lèi)型、頻率和系統的物理尺度”。70 年代以后,隨著(zhù)聲學(xué)理論和控制理論的迅速發(fā)展,人們逐漸對有源消聲控制的機理有了更深刻的理解。鑒于常見(jiàn)的噪聲源大都具有強烈的時(shí)變特性,因此,在自適應理論日漸成熟后,人們開(kāi)始探索自適應有源消聲控制(AANC) 這一極具應用價(jià)值的新課題。AANC 以恰當的自適應算法自動(dòng)調整次級聲信號,確保次級聲信號能有效地跟蹤并抵消噪聲信號,達到消除噪聲目的。

雖然國內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，但佩戴著(zhù)耳機也會(huì )給生活帶來(lái)一定的不便，戴的時(shí)間長(cháng)了，人可能會(huì )感覺(jué)不舒服；在電路實(shí)現方面，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。此設計與傳統的以模擬信號處理實(shí)現反相，增益的電路相比功耗要低得多，與那些以單片機+DSP的電路相比要節省很多成本。

本系統示意圖如下：

消噪演示圖

在某一區域內采集噪聲信號，將其轉換為電信號并送往處理電路，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域內噪聲相互抵消，達到消除噪聲的目的。此設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(chǎng)車(chē)間、嘈雜的菜市場(chǎng)、商場(chǎng)等。

本設計采用AVR高性能，低功耗單片機作為主控CPU，節能模式下電流在nA級別，節省能源，而且它的指令執行速度與數據吞吐量大，采用自適應算法--歸一化最小均方算法，穩態(tài)誤差小，收斂速度快，計算量相對其他算法較小。本系統相對傳統的模擬電路消除噪聲有著(zhù)無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，內嵌的自適應算法進(jìn)行自動(dòng)校準，將誤差控制在較小的范圍之內，達到有效的消除噪聲，營(yíng)造一個(gè)環(huán)保，安靜的環(huán)境。

二、需求分析

2.1 功能要求

通過(guò)收集噪聲信號，經(jīng)過(guò)處理后能夠釋放出與原噪聲信號相位相反、幅度相同的噪聲信號。當需要消噪的時(shí)候開(kāi)啟設備，由于系統本身對消除噪聲的區域有一定的限制，所以采用多點(diǎn)布控的方法，在多個(gè)位置采集數據，讓噪聲消除區域最大化，白晝模式下，當聲音超過(guò)50dB時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行噪聲消除；夜晚模式下，當聲音超過(guò)30dB時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行噪聲消除。高標準模式下，當聲音超過(guò)40dB時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行噪聲消除；在低標準模式下，當聲音超過(guò)70dB時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行噪聲消除。

2.2 性能要求

1、系統各模塊正常工作，穩定性較好，功耗較低在可容許范圍之內；

2、在一定范圍內，實(shí)現噪聲的消除或降低；

3、通過(guò)按鍵實(shí)現模式的切換；

4、各模式能夠實(shí)現相應的功能并達到相應的標準；

5、CPU計算性能強大，處理數據的速度快，減少延遲時(shí)間，保持原噪聲和反相噪聲同步。

6、實(shí)行多點(diǎn)布控是能夠防止聲音因為干涉而使空間內出現聲音不均勻現象（一些區域聲音強一些區域聲音弱）；

三、方案設計

3.1 系統功能實(shí)現原理

3.1.1技術(shù)特點(diǎn)：

任何系統都不可避免地受到噪聲的影響，如何有效地消除和抑制噪聲是多年來(lái)的熱門(mén)研究課題之一。噪聲抑制方法可以分為兩大類(lèi)被動(dòng)噪聲抑制和主動(dòng)噪聲抑制。本設計主要研究基于AVR控制自適應的主動(dòng)噪聲抑制技術(shù)及其實(shí)現方法，本設計應用自適應算法中的歸一化最小均方算法（NLMS），NMLS算法相比最小均方算法具有收斂速度快，穩態(tài)誤差小，運算量小的特點(diǎn)，在算法設計過(guò)程中將應用MATLAB軟件對自適應算法在噪聲抵消的應用進(jìn)行仿真，針對各類(lèi)不同參數和不同輸入信號，分析比較各種情況下的移相增益放大收斂速度、穩態(tài)誤差力求完成對噪聲信號的消除。在理論和仿真的基礎上，結合基本硬件平臺設計移相器，增益放大器，在編程實(shí)現上將采用C語(yǔ)言編程的方法進(jìn)行編程設計，實(shí)現自適應噪聲消除功能。

因為主動(dòng)消噪主要只能消除聲源固定的噪聲，而對聲源不固定的聲音消除起來(lái)是比較有困難的，對此我們想出了一些策略來(lái)應對，可以在一片區域內進(jìn)行多點(diǎn)布控，就是可以放置多個(gè)話(huà)筒和擴音器。通過(guò)經(jīng)過(guò)精確的計算可以確定出話(huà)筒和擴音器放的位置，這樣的話(huà)大范圍噪聲消除便成為了可能。

3.1.2原理說(shuō)明：

利用XF-18D麥克風(fēng)在需要消噪區域進(jìn)行聲音采集，由于聲音信號比較微弱，用放大器將采集信號放大，AVR對采集的信號進(jìn)行A/D轉換，通過(guò)自適應算法對信息進(jìn)行相應的處理控制移相器和增益放大器，進(jìn)行自動(dòng)校準，使得經(jīng)過(guò)處理產(chǎn)生的信號與理論值誤差盡可能的小，信號傳送給功率放大器，功率放大器將處理好的數據進(jìn)行適當的放大，以驅動(dòng)揚聲器將聲音發(fā)送到消噪區域，這樣在消噪區域正常的噪聲遇到與其相位相反，振幅相等的聲波，噪聲的能量會(huì )大大降低，利用這樣的原理進(jìn)行有效的消除噪聲。

系統硬件框架圖：

系統硬件結構框圖

1、聲音采集放大模塊：

聲音測量通過(guò)駐極體XF-18D麥克風(fēng)陣列進(jìn)行測量。XF-18D麥克風(fēng)是電容式微麥克風(fēng)，輸入信號為聲音信號，輸出信號經(jīng)前置放大電路后進(jìn)行電壓值A／D采樣。處理器（AVR）進(jìn)行A／D采樣捕獲到較寬范圍的聲音信號。

2、處理器（AVR）模塊：

由于外界來(lái)的噪聲信號是寬頻帶信號，信號的幅度也是多種多樣，對這種信號的處理需要使用高性能，處理數據快的單片機，利用AVR單片機高性能的特點(diǎn)，計算寬頻噪聲信號的頻率，幅度和相位，采用自適應算法中的最小均方差算法對移相器，增益放大器進(jìn)行校準，使移相增益之后的信號與噪聲信號的誤差達到最小。以達到減弱或消除噪聲的目的。

3、移相模塊：

移相電路利用AD5227　64步遞增／遞減數字電位器IC3可以控制輸進(jìn)到輸出的移相，并替換電阻值。計算輸出中心頻率的公式為：FCENTER＝1/（2*∏*R*C）。AD5277可以取各種不同范圍的電阻值。該例子中的電阻為10ｋΩ。通過(guò)步進(jìn)64個(gè)點(diǎn)，720ｋＨｚ輸進(jìn)正弦波可以從0度到360度循環(huán)若干次。AD5277作為一個(gè)電位器，A和B為兩端，W為擦拭器。

4、壓控增益模塊：

如圖所示為此設計壓控增益放大電路。利用場(chǎng)效應管柵極電壓與漏-源極電阻RSD之間成近似對數關(guān)系可構成壓控增益放大器。該電路采用集成芯片LM307作為放大電路，采取反相輸入形式。由圖可知，RSD與R1組成分壓電路(對Vi分壓)。4個(gè)1N914二極管的管壓降與電阻R5的壓降之和等于場(chǎng)效應管的柵極電壓VG。該VG與控制電壓VC呈非線(xiàn)性關(guān)系，但控制電壓VC與放大器增益的衰減量的對應關(guān)系如圖(b)所示。由圖(b)可知，控制電壓VC越大，放大器增益的衰減量越小，即當VC≥7V時(shí)，放大器的增益最大(衰減最小)；當VC=0V時(shí)，放大器增益的衰減量最大(增益最小)。圖中所示電路增益的最大值和最小值為：

當VC≥7v時(shí)，增益的最大值為：Avmax=-R3／(R1 R2)。

當VC=0V時(shí)，增益的最小值為：Avmin=-R3／(R2//RSD R1)。

電路的上限截止頻率取決于R1和場(chǎng)效應管極間電容所構成的低通濾波器。對于圖中所示元件參數，其最壞上限截止頻率可達1.8MHz，該數值是在VC≥7V的情況下測得的(即電路增益最大時(shí)測得的)。

LM307集成芯片的主要參數(典型值)

5、功率放大器：

如下圖所示，R6為反饋電阻，取值22kΩ較合適，R6也決定本電路的增益，值大增益將增大。

功率管靜態(tài)電流取決于R7、R8，當其值在10kΩ以下時(shí)，電路將處于甲類(lèi)狀態(tài)，靜態(tài)電流可調至100mA~2A，取30kΩ時(shí)，電路工作于乙類(lèi)且相當穩定。

3.2 硬件平臺選用及資源配置

由于處理數據量較大，且處理數據的速度要求相對較高，要求CPU性能相對較高，選用32位高性能AVR單片機（SDRAM控制器）及片外SDRAM數據存儲芯片；顯示環(huán)境噪聲分貝數需要用LCD屏，系統的各個(gè)模塊需要用到相應的芯片：1、采集信號放大模塊 OPA2394運算放大器 2、模擬移相模塊 AD5277芯片 3、壓控增益 LM307 4、功率放大模塊采用TDA7294運放

基于以上需求本設計選用EVK1100硬件開(kāi)發(fā)平臺。

3.3系統軟件架構

圖一 系統軟件架構

軟件程序分為上圖所示幾個(gè)模塊，主要有初始化模塊、時(shí)鐘模塊、模式控制模塊、按鍵控制模塊、顯示模塊、數據處理模塊等。

初始化模塊：主要是初始化芯片和硬件系統，時(shí)鐘用于計算時(shí)間、顯示時(shí)間，可以根據時(shí)間進(jìn)行模式切換。

模式判斷與選擇模塊：用于選擇執行哪種模式，模式選項主要有自動(dòng)模式與手動(dòng)模式，其中自動(dòng)模式可以根據時(shí)間進(jìn)行判斷是白天模式還是夜間模式。不同模式對噪聲消除的效果也是不同的。

按鍵控制模塊主要是為了判斷用戶(hù)輸入的信息，進(jìn)而進(jìn)行相應的處理。

顯示驅動(dòng)是為了驅動(dòng)系統送來(lái)需要顯示的數據。

數據處理模塊：最重要的模塊，采用自適應算法中的最小均方差算法，處理外部輸入的采樣信號，主要有計算出輸入信號的大小并量化為分貝大小，然后將處理后的數據送出顯示，它還要通過(guò)分析輸入的信號來(lái)控制數字電位器與功放的增益參數。

數字電位器模塊：由于原噪聲經(jīng)過(guò)采集，放大電路之后相位幅度會(huì )有所變化，AVR單片機對采集到的信號計算出相位，頻率，振幅之后通過(guò)設置pwm的占空比控制AD5277芯片的clk，控制移相器對噪聲進(jìn)行相應的移相工作。

壓控增益模塊： 從移相器電路接收到的信號幅度與噪聲信號會(huì )有所偏差，AVR單片機經(jīng)過(guò)計算，通過(guò)電壓信號控制增益放大模塊知道增益達到較好的效果，再將信號發(fā)送到功放通過(guò)揚聲器將信號發(fā)送出去，由于揚聲器傳送的聲音信號與距離平方成正比，所以揚聲器需要放到與消噪區域一定距離的地方。

3.4 系統軟件流程

圖二 程序運行流程圖

從初始化開(kāi)始，進(jìn)行相應的復位與初始化系統，默認進(jìn)入智能模式，進(jìn)行噪聲消除，所謂智能模式是指白天（7:00-21:00）當噪聲大于50dB是就開(kāi)始消除噪聲，晚上（0:00-7:0021:00-0∶00）當噪聲大于30dB時(shí)就開(kāi)始消除噪聲，與智能模式相對的則是手動(dòng)模式，該模式分為兩個(gè)標準，高標準模式與低標準模式，其中高標準模式在噪聲大于40時(shí)就開(kāi)始消除噪聲，低標準則是在噪聲大于70時(shí)開(kāi)始處理噪聲。進(jìn)入相應的模式后，就會(huì )按不同的標準來(lái)處理噪聲。

顯示主要是顯示當前時(shí)間、當前環(huán)境的噪聲大小及所選擇的模式。

中斷控制模塊

圖三 中斷處理流程圖

當按鍵按下時(shí)，觸發(fā)中斷，在中斷處理程序中，根據按鍵按下次數切換至相應模式，按下一次進(jìn)入低標準模式，此時(shí)聲音最高允許達到70dB，例如進(jìn)行激烈討論時(shí)，可切換至該模式；當按下兩次時(shí)，切換至高標準模式，此時(shí)要求聲音不高于40dB，適合環(huán)境要求較為安靜的場(chǎng)合；當按鍵按下三次時(shí)，恢復為自動(dòng)模式。

3.5 系統預計實(shí)現結果

上電之后初始化，復位工作正常，模式正常切換，單片機內部程序運行正常，計算數據誤差在3%（可控范圍）之內，移相器電路移相誤差在5%范圍之內，壓控增益誤差在可容許的范圍之內，噪聲消除可能消除的不會(huì )很徹底，會(huì )殘留一部分能量較小的，還會(huì )有一點(diǎn)聲音。系統總體功耗在可容許的范圍之內。