自適應(yīng)有源噪聲消除器研究設(shè)計(jì)

一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,噪聲污染已成為一個(gè)世界性的問題。長期以來,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，但是對波長較長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有高頻噪音那么明顯，但是近來國內(nèi)從事低頻噪聲研究的專家指出，低頻噪音會引起頭痛、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)急待解決的問題。

有沒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)過查閱資料我們發(fā)現(xiàn)了一種全新的消噪理念--主動消噪：它通過采集噪聲信號經(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。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動機(jī)

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(即次級聲場———secondary sound field) ,利用波的干涉原理,人為造成聲場的相消干涉,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)聲波從它的檢測點(diǎn)傳到控制點(diǎn)時(shí),在電子電路中有足夠長的時(shí)間用于處理這個(gè)聲信號和驅(qū)動控制單元,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,人們逐漸對有源消聲控制的機(jī)理有了更深刻的理解。鑒于常見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)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/自適應(yīng)">自適應(yīng)算法自動調(diào)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(dá)到消除噪聲目的。

雖然國內(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)也會給生活帶來一定的不便，戴的時(shí)間長了，人可能會感覺不舒服；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。

本系統(tǒng)示意圖如下：

消噪演示圖

在某一區(qū)域內(nèi)采集噪聲信號，將其轉(zhuǎn)換為電信號并送往處理電路，處理后能夠通過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合，比如教室、圖書館、辦公室、臥室、病房等；也同樣適用于那些噪聲很大，需要降低噪聲的場合，比如大型工廠車間、嘈雜的菜市場、商場等。

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)算量相對其他算法較小。本系統(tǒng)相對傳統(tǒng)的模擬電路消除噪聲有著無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)嵌的自適應(yīng)算法進(jìn)行自動校準(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

通過收集噪聲信號，經(jīng)過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(dāng)需要消噪的時(shí)候開啟設(shè)備，由于系統(tǒng)本身對消除噪聲的區(qū)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(shù)據(jù)，讓噪聲消除區(qū)域最大化，白晝模式下，當(dāng)聲音超過50dB時(shí)，自動進(jìn)行噪聲消除；夜晚模式下，當(dāng)聲音超過30dB時(shí)，自動進(jìn)行噪聲消除。高標(biāo)準(zhǔn)模式下，當(dāng)聲音超過40dB時(shí)，自動進(jìn)行噪聲消除；在低標(biāo)準(zhǔn)模式下，當(dāng)聲音超過70dB時(shí)，自動進(jìn)行噪聲消除。

2.2 性能要求

1、系統(tǒng)各模塊正常工作，穩(wěn)定性較好，功耗較低在可容許范圍之內(nèi)；

2、在一定范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)噪聲的消除或降低；

3、通過按鍵實(shí)現(xiàn)模式的切換；

4、各模式能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能并達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)；

5、CPU計(jì)算性能強(qiáng)大，處理數(shù)據(jù)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?yàn)楦缮娑箍臻g內(nèi)出現(xiàn)聲音不均勻現(xiàn)象（一些區(qū)域聲音強(qiáng)一些區(qū)域聲音弱）；

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

3.1.1技術(shù)特點(diǎn)：

任何系統(tǒng)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的熱門研究課題之一。噪聲抑制方法可以分為兩大類被動噪聲抑制和主動噪聲抑制。本設(shè)計(jì)主要研究基于AVR控制自適應(yīng)的主動噪聲抑制技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方法，本設(shè)計(jì)應(yīng)用自適應(yīng)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(wěn)態(tài)誤差小，運(yùn)算量小的特點(diǎn)，在算法設(shè)計(jì)過程中將應(yīng)用MATLAB軟件對自適應(yīng)算法在噪聲抵消的應(yīng)用進(jìn)行仿真，針對各類不同參數(shù)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(wěn)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(chǔ)上，結(jié)合基本硬件平臺設(shè)計(jì)移相器，增益放大器，在編程實(shí)現(xiàn)上將采用C語言編程的方法進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)噪聲消除功能。

因?yàn)橹鲃酉胫饕荒芟曉垂潭ǖ脑肼暎鴮β曉床还潭ǖ穆曇粝饋硎潜容^有困難的，對此我們想出了一些策略來應(yīng)對，可以在一片區(qū)域內(nèi)進(jìn)行多點(diǎn)布控，就是可以放置多個(gè)話筒和擴(kuò)音器。通過經(jīng)過精確的計(jì)算可以確定出話筒和擴(kuò)音器放的位置，這樣的話大范圍噪聲消除便成為了可能。

3.1.2原理說明：

利用XF-18D麥克風(fēng)在需要消噪?yún)^(qū)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(zhuǎn)換，通過自適應(yīng)算法對信息進(jìn)行相應(yīng)的處理控制移相器和增益放大器，進(jìn)行自動校準(zhǔn)，使得經(jīng)過處理產(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(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，以?qū)動揚(yáng)聲器將聲音發(fā)送到消噪?yún)^(qū)域，這樣在消噪?yún)^(qū)域正常的噪聲遇到與其相位相反，振幅相等的聲波，噪聲的能量會大大降低，利用這樣的原理進(jìn)行有效的消除噪聲。

系統(tǒng)硬件框架圖：

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

1、聲音采集放大模塊：

聲音測量通過駐極體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(chǔ)／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(shù)據(jù)快的單片機(jī)，利用AVR單片機(jī)高性能的特點(diǎn)，計(jì)算寬頻噪聲信號的頻率，幅度和相位，采用自適應(yīng)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(zhǔn)，使移相增益之后的信號與噪聲信號的誤差達(dá)到最小。以達(dá)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(shù)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(jì)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(shè)計(jì)壓控增益放大電路。利用場效應(yīng)管柵極電壓與漏-源極電阻RSD之間成近似對數(shù)關(guān)系可構(gòu)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的壓降之和等于場效應(yīng)管的柵極電壓VG。該VG與控制電壓VC呈非線性關(guān)系，但控制電壓VC與放大器增益的衰減量的對應(yīng)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(dāng)VC≥7V時(shí)，放大器的增益最大(衰減最小)；當(dāng)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(dāng)VC≥7v時(shí)，增益的最大值為：Avmax=-R3／(R1 R2)。

當(dāng)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和場效應(yīng)管極間電容所構(gòu)成的低通濾波器。對于圖中所示元件參數(shù)，其最壞上限截止頻率可達(dá)1.8MHz，該數(shù)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(shù)(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(dāng)其值在10kΩ以下時(shí)，電路將處于甲類狀態(tài)，靜態(tài)電流可調(diào)至100mA~2A，取30kΩ時(shí)，電路工作于乙類且相當(dāng)穩(wěn)定。

3.2 硬件平臺選用及資源配置

由于處理數(shù)據(jù)量較大，且處理數(shù)據(jù)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(jī)（SDRAM控制器）及片外SDRAM數(shù)據(jù)存儲芯片；顯示環(huán)境噪聲分貝數(shù)需要用LCD屏，系統(tǒng)的各個(gè)模塊需要用到相應(yīng)的芯片：1、采集信號放大模塊 OPA2394運(yùn)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(yùn)放

基于以上需求本設(shè)計(jì)選用EVK1100硬件開發(fā)平臺。

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

圖一 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

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(shù)據(jù)處理模塊等。

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

模式判斷與選擇模塊：用于選擇執(zhí)行哪種模式，模式選項(xiàng)主要有自動模式與手動模式，其中自動模式可以根據(jù)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輸入的信息，進(jìn)而進(jìn)行相應(yīng)的處理。

顯示驅(qū)動是為了驅(qū)動系統(tǒng)送來需要顯示的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理模塊：最重要的模塊，采用自適應(yīng)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(jì)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(shù)據(jù)送出顯示，它還要通過分析輸入的信號來控制數(shù)字電位器與功放的增益參數(shù)。

數(shù)字電位器模塊：由于原噪聲經(jīng)過采集，放大電路之后相位幅度會有所變化，AVR單片機(jī)對采集到的信號計(jì)算出相位，頻率，振幅之后通過設(shè)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(yīng)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有所偏差，AVR單片機(jī)經(jīng)過計(jì)算，通過電壓信號控制增益放大模塊知道增益達(dá)到較好的效果，再將信號發(fā)送到功放通過揚(yáng)聲器將信號發(fā)送出去，由于揚(yáng)聲器傳送的聲音信號與距離平方成正比，所以揚(yáng)聲器需要放到與消噪?yún)^(qū)域一定距離的地方。

3.4 系統(tǒng)軟件流程

圖二 程序運(yùn)行流程圖

從初始化開始，進(jìn)行相應(yīng)的復(fù)位與初始化系統(tǒng)，默認(rèn)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(dāng)噪聲大于50dB是就開始消除噪聲，晚上（0:00-7:0021:00-0∶00）當(dāng)噪聲大于30dB時(shí)就開始消除噪聲，與智能模式相對的則是手動模式，該模式分為兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，高標(biāo)準(zhǔn)模式與低標(biāo)準(zhǔn)模式，其中高標(biāo)準(zhǔn)模式在噪聲大于40時(shí)就開始消除噪聲，低標(biāo)準(zhǔn)則是在噪聲大于70時(shí)開始處理噪聲。進(jìn)入相應(yīng)的模式后，就會按不同的標(biāo)準(zhǔn)來處理噪聲。

顯示主要是顯示當(dāng)前時(shí)間、當(dāng)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(dāng)按鍵按下時(shí)，觸發(fā)中斷，在中斷處理程序中，根據(jù)按鍵按下次數(shù)切換至相應(yīng)模式，按下一次進(jìn)入低標(biāo)準(zhǔn)模式，此時(shí)聲音最高允許達(dá)到70dB，例如進(jìn)行激烈討論時(shí)，可切換至該模式；當(dāng)按下兩次時(shí)，切換至高標(biāo)準(zhǔn)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合；當(dāng)按鍵按下三次時(shí)，恢復(fù)為自動模式。

3.5 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

上電之后初始化，復(fù)位工作正常，模式正常切換，單片機(jī)內(nèi)部程序運(yùn)行正常，計(jì)算數(shù)據(jù)誤差在3%（可控范圍）之內(nèi)，移相器電路移相誤差在5%范圍之內(nèi)，壓控增益誤差在可容許的范圍之內(nèi)，噪聲消除可能消除的不會很徹底，會殘留一部分能量較小的，還會有一點(diǎn)聲音。系統(tǒng)總體功耗在可容許的范圍之內(nèi)。