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(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。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)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(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://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/自適應(yīng)">自適應(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。

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(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。

二、需求分析

2.1 功能要求

通過(guò)收集噪聲信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后能夠釋放出與原噪聲信號(hào)相位相反、幅度相同的噪聲信號(hào)。當(dāng)需要消噪的時(shí)候開啟設(shè)備，由于系統(tǒng)本身對(duì)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(guò)50dB時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行噪聲消除；夜晚模式下，當(dāng)聲音超過(guò)30dB時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行噪聲消除。高標(biāo)準(zhǔn)模式下，當(dāng)聲音超過(guò)40dB時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行噪聲消除；在低標(biāo)準(zhǔn)模式下，當(dāng)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(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(guò)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(lái)的熱門研究課題之一。噪聲抑制方法可以分為兩大類被動(dòng)噪聲抑制和主動(dòng)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(dòng)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(guò)程中將應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)自適應(yīng)算法在噪聲抵消的應(yīng)用進(jìn)行仿真，針對(duì)各類不同參數(shù)和不同輸入信號(hào)，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(duì)噪聲信號(hào)的消除。在理論和仿真的基礎(chǔ)上，結(jié)合基本硬件平臺(tái)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(yǔ)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?dòng)消噪主要只能消除聲源固定的噪聲，而對(duì)聲源不固定的聲音消除起來(lái)是比較有困難的，對(duì)此我們想出了一些策略來(lái)應(yīng)對(duì)，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(guò)經(jīng)過(guò)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(shuō)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(hào)比較微弱，用放大器將采集信號(hào)放大，AVR對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，通過(guò)自適應(yīng)算法對(duì)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(dòng)校準(zhǔn)，使得經(jīng)過(guò)處理產(chǎn)生的信號(hào)與理論值誤差盡可能的小，信號(hào)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)姆糯螅则?qū)動(dòng)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(huì)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(cè)量通過(guò)駐極體XF-18D麥克風(fēng)陣列進(jìn)行測(cè)量。XF-18D麥克風(fēng)是電容式微麥克風(fēng)，輸入信號(hào)為聲音信號(hào)，輸出信號(hào)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(hào)。

2、處理器（AVR）模塊：

由于外界來(lái)的噪聲信號(hào)是寬頻帶信號(hào)，信號(hào)的幅度也是多種多樣，對(duì)這種信號(hào)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(hào)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(duì)移相器，增益放大器進(jìn)行校準(zhǔn)，使移相增益之后的信號(hào)與噪聲信號(hào)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(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(shè)計(jì)壓控增益放大電路。利用場(chǎng)效應(yīng)管柵極電壓與漏-源極電阻RSD之間成近似對(duì)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(duì)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(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(duì)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(chǎng)效應(yīng)管極間電容所構(gòu)成的低通濾波器。對(duì)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(cè)得的(即電路增益最大時(shí)測(cè)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(tái)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(duì)較高，要求CPU性能相對(duì)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(chǔ)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(hào)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(tái)。

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(dòng)模式與手動(dòng)模式，其中自動(dòng)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(duì)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(dòng)是為了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)送來(lái)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(hào)，主要有計(jì)算出輸入信號(hào)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(guò)分析輸入的信號(hào)來(lái)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(guò)采集，放大電路之后相位幅度會(huì)有所變化，AVR單片機(jī)對(duì)采集到的信號(hào)計(jì)算出相位，頻率，振幅之后通過(guò)設(shè)置pwm的占空比控制AD5277芯片的clk，控制移相器對(duì)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(hào)幅度與噪聲信號(hào)會(huì)有所偏差，AVR單片機(jī)經(jīng)過(guò)計(jì)算，通過(guò)電壓信號(hào)控制增益放大模塊知道增益達(dá)到較好的效果，再將信號(hào)發(fā)送到功放通過(guò)揚(yáng)聲器將信號(hào)發(fā)送出去，由于揚(yáng)聲器傳送的聲音信號(hào)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(duì)的則是手動(dòng)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(huì)按不同的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)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(chǎng)合；當(dāng)按鍵按下三次時(shí)，恢復(fù)為自動(dòng)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(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(tǒng)總體功耗在可容許的范圍之內(nèi)。