專利名稱：在主動降噪系統(tǒng)中模仿次級路徑的方法
在主動降噪系統(tǒng)中模仿次級路徑的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在主動降噪系統(tǒng)中模仿次級路徑的方法，所述降噪系統(tǒng) 包含傳輸線路、可自適應(yīng)調(diào)節(jié)的濾波器和加法單元，其中依據(jù)所述加法 單元的一種輸出信號調(diào)節(jié)所述可自適應(yīng)調(diào)節(jié)的濾波器，還涉及運行主動 降噪系統(tǒng)的方法。
噪音源越來越被感受到是一種環(huán)境污染并且降低生活質(zhì)量。因為噪 音源往往不可避免，所以有人根據(jù)消波原理提出了降噪方法。
主動降噪(ANC或者"主動噪音消除")的原理基于通過干涉消除 聲波。這種干涉由一或者多個電聲換能器(例如由揚聲器)產(chǎn)生。由所 述電聲換能器發(fā)出的信號，借助一個適當(dāng)?shù)乃惴▉碛嬎悴⑶也粩嗟匦?正。由一個或者多個傳感器提供的信息是計算從所述電聲換能器所要發(fā) 出的信號的基礎(chǔ)。它們一方面是關(guān)于需要最小化信號特性的信息。為此 例如可以采用一個微音器來探測需要最小化的噪音。另一方面則還需要 關(guān)于保留下來的剩余信號的信息。為此也可以采用微音器。
主動降噪中應(yīng)用的基本原理已由Paul Lueg博士在l935年公開 號為AT-141 998B的一個專利中說明。該文獻披露了 ，如何可以在一
個管子中借助產(chǎn)生一個反相位的信號來消除噪音。
一種用于主動降噪的算法需要至少一個用以查明剩余誤差的傳感器 (例如一個微音器)提供的信息。視應(yīng)用和采用的算法而異，還加上另 一個傳感器，用來提供關(guān)于需要最小化信號特性的信息。此外一個自適 應(yīng)的降噪系統(tǒng)還需要一個或者多個執(zhí)行器(例如以揚聲器的形式)用于 輸出所述校正信號。所述傳感器的信息必須由一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成一 個相應(yīng)的格式。在通過所述算法處理以后把該信號由一種數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn) 換回模擬信號并且向所述執(zhí)行器傳輸。該轉(zhuǎn)換器的分辨率以及其動力都 受限制。
在下文稱為ANC的"主動噪音消除"的應(yīng)用中，所使用的算法的穩(wěn) 定性是一個決定性的因素。當(dāng)前使用一系列的專用算法，例如LMS(最 小均方)或者與之同源的Fx-LMS算法。尤其是所述Fx算法有良好的穩(wěn) 定性并且因此可以良好地用于ANC系統(tǒng)。前綴"Fx" 在此表明是模仿 所謂的"次級路徑，，，所述次級路徑包含所采用的執(zhí)行器、傳感器、放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和傳輸路徑的特性以及所有其它對需要 傳輸?shù)男盘栍杏绊懙奶匦?。?次級路徑"在下文中也稱為"部件影響"。
下面對一些常用的用于查明所述次級路徑(部件影響)的方法進行 說明并且指出其弱點。
其中Muhammad Tahir Akthaa:、 Masahide Abe和Masayuki Kawamat在為"聲學(xué)回波和噪音控制國際工作會議(IWAEN2003 )" 2003年九月在東京發(fā)表的"A New Structure For Feed forward Active Noise Control Systems with Online Secondary-Path Modeling"(—種有在線次級路徑模擬的前饋主動噪音控制系統(tǒng)的新結(jié) 構(gòu))的文章中說明了一個集成了次級路徑的完整的ANC系統(tǒng)。
在該文獻中說明了一種次級路徑(部件影響)的離線模擬。該確定 所述次級路徑的公知方法稱為"離線模擬"，因為是在事前，也就是說 在系統(tǒng)不工作時確定所述次級路徑的特性。
一旦借助白噪音確定了所述部件影響(所述次級路徑的特性)，就 立即由LMS算法把一個模仿該特性的濾波器計入到所述計算中。
這種確定所述次級路徑(部件影響)的方法在特性上共同的是，對 于計算所述部件影響(次級路徑)與頻率響應(yīng)無關(guān)地考慮在所述執(zhí)行器 與傳感器之間出現(xiàn)的時間延遲。因為這種時間延遲卻是所述次級路徑的 一個重要特性，在模擬所述部件影響(次級路徑)時忽略這種時間延遲 有損于整個系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。在環(huán)境參數(shù)改變時，例如氣壓或者溫 度改變時，信號的傳播時間也改變。如果所述信號的傳播時間變短，所 述算法通過在所述次級路徑的模型中預(yù)先給定的延遲慢得不能夠提供滿 意的結(jié)果。其結(jié)果可能是出現(xiàn)更差的衰減特征并且在極端的情況下形成 一個不穩(wěn)定的系統(tǒng)。
在運行中確定所述次級路徑的另一種方法由Sen M.Kuo在美國專 利5, 940， 519中進4亍了i兌明。
該方法中的想法在于，附加地給應(yīng)當(dāng)消除的噪音混合進一個信號， 并且根據(jù)該信號的改變確定所述次級路徑的(部件影響)的特征。在通 過所述執(zhí)行器(在該情況下是一個揚聲器)輸出所謂"抗噪音信號，，以 前，重新濾除掉所述附加的信號。該方法的缺點是，所述信號總是存在。
如果在ANC的情況下采用所述次級路徑(部件影響)的模型，其特 性自動地加入到所述"反噪音，，的計算中。如果所述次級路徑的模型包含一個時間延遲，如在通常的模型中就是這種情況，所述系統(tǒng)就受到不 再能夠平衡所述信號傳播時間的變化的局限。這種情況尤其出現(xiàn)在所述 信號的傳播時間縮短時。
因此本發(fā)明的技術(shù)問題是提出 一種沒有前述缺點的方法。
該技術(shù)問題通過在權(quán)利要求l中說明的特征得到解決。有利的實施 方式和一種運行主動降噪系統(tǒng)的方法在其它的權(quán)利要求中說明。
本發(fā)明首先涉及一種在主動降噪系統(tǒng)中模仿次級路徑的方法，所述 降噪系統(tǒng)包含傳輸線路、可以自適應(yīng)調(diào)節(jié)的濾波器和加法單元，其中所 述可自適應(yīng)調(diào)節(jié)的濾波器依據(jù)所述加法單元的輸出信號來調(diào)節(jié)。如本發(fā)明所述的方法包含以下步驟
-向所述傳輸線路和具有一個可調(diào)節(jié)的傳輸函數(shù)的所述可自適應(yīng)調(diào) 節(jié)的濾波器輸送一個已知信號；
-如此調(diào)節(jié)所述自適應(yīng)濾波器或者其傳輸函數(shù)，使得所述加法單元 的輸出信號最??；
-為產(chǎn)生所述次級路徑的模仿在可自適應(yīng)調(diào)節(jié)的濾波器的傳輸函數(shù) 中去除或已經(jīng)去除信號通過所述傳輸線路的延遲時間。
從而首次創(chuàng)立了 一種方法，用它信號傳播時間對所述次級路徑的影 響不復(fù)存在，從而達到對所述主動降噪系統(tǒng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性的實質(zhì)性改 善。
在如本發(fā)明所述方法的一個實施變例中確定所述延遲時間，為此尤 其是采用一個基于峰值搜索法的方法。由此能夠特別準確地查明延遲時 間，這使得在以后的運行中有突出良好的系統(tǒng)性能。
在如本發(fā)明所述方法的一個進一步的實施方式中，所述可自適應(yīng)調(diào) 節(jié)的濾波器在頻域中工作。
在如本發(fā)明所述的方法的一個更進一步的實施方式中，把白噪音作 為已知信號輸送給所述傳輸線路和所述可自適應(yīng)調(diào)節(jié)的濾波器。
在如本發(fā)明所述方法的另一個實施方式中設(shè)置，在向所述可自適應(yīng) 調(diào)節(jié)的濾波器輸送所述已知信號以前，通過一個變換把所述已知信號從 時域變換到頻域中，并且在向所述加法單元輸送所述傳輸線路的輸出信 號以前通過一個變換把所述傳輸線路的輸出信號從時域變換到頻域中。
在如本發(fā)明所述方法的一個更進一步的實施方式中設(shè)置，在從時域 向頻域變換時只繼續(xù)使用振幅語。由此使模擬所述次級路徑得到進一步
簡化并且從而提高效率。
在如本發(fā)明所述方法的一個更進一步的實施方式中設(shè)置，向所述可 自適應(yīng)調(diào)節(jié)的濾波器輸送一個有恒定振幅諳的已知信號，并且，在向所 述加法單元輸送所述傳輸線路的輸出信號以前，通過一個變換把所述傳 輸線路的輸出信號從時域變換到頻域中。
在如本發(fā)明所述方法的一個進一步的實施方式中不繼續(xù)使用所述已 知信號的相位譜。由此得到一種進一步的簡化。
最后給出 一種運行一個主動降噪系統(tǒng)的方法，所述主動降噪系統(tǒng)包 含一個傳輸線路、 一個可自適應(yīng)調(diào)節(jié)的濾波器和一個加法單元，其中依 據(jù)所述加法單元的 一個輸出信號調(diào)節(jié)所述可自適應(yīng)調(diào)節(jié)的濾波器，并且 其中一個模仿的次級路徑如此地作用在所述可自適應(yīng)調(diào)節(jié)的濾波器上， 使得能夠考慮次級路徑影響，其中所述次級路徑的模仿已按照以上說明 的方法進行。
下面借助實施例參照附圖進一步說明本發(fā)明。在附圖中
圖l是一種公知的根據(jù)"離線模擬"法確定所述次級路徑方法的簡 化方框圖，
圖2示意地示出一種如本發(fā)明所述方法的一個實施方式的筒化方框圖，
圖3示出一個公知的用于確定所述次級路徑特性的方法的另一個簡 化的方框圖，
圖4是用于說明一個如本發(fā)明所述方法的一個簡化的圖示，
圖5是用于說明一個如本發(fā)明所述方法的另一個簡化的圖示，
圖6是一種如本發(fā)明所述方法的另一個簡化的方框圖，
圖7是一個如本發(fā)明所述的方法的另一個實施方式的一個方框圖，
圖8是一種信號曲線的一個例子，并且
圖9是一種信號曲線的另一個例子。


圖1由一個噪音發(fā)生器單元l、其特性需要模仿的、具有傳輸函數(shù) H(z)的傳輸路徑2，和一個其中含有實際的輸函數(shù)H(z)的模型S(z) 并且由一個用以完成自適應(yīng)算法的自適應(yīng)單元4控制的濾波器3。從而 模型H(z)是傳輸路徑2中的傳輸函數(shù)H (z)的模仿。
向傳輸路徑2、濾波器3以及自適應(yīng)單元4饋給由一個由噪音發(fā)生 器單元1 (隨機噪音發(fā)生器)隨機產(chǎn)生的信號。從傳輸路徑2和濾波器3
的輸出端得出的信號d(n)、 y(n)在一個加法單元5中構(gòu)成一個和，其 中在求和前將濾波器3的輸出信號y(n)反相。
將由此得出的剩余信號e (n)輸送給自適應(yīng)單元4。在所述自適應(yīng)單 元4中完成的算法把濾波器3調(diào)節(jié)得使剩余信號e(n)最小。如果剩余信 號e(n)6等于零，就獲得了整個系統(tǒng)的一種理想的調(diào)節(jié)。在此情況下， 傳輸函數(shù)H (z)與模型fi (z)相同。
圖3示出確定所述次級路徑(部件影響)特性的一種公知的方法。 一個傳輸路徑由一個放大單元8、 一個執(zhí)行器9 (例如一個揚聲器)，一 個傳感器10 (例如一個微音器)和一個傳感器放大器11構(gòu)成。 一個噪 音發(fā)生器單元7向該傳輸路徑、濾波器13和自適應(yīng)單元15饋給白噪音。 濾波器13由在自適應(yīng)單元15中完成的自適應(yīng)算法調(diào)節(jié)得4吏加法單元14 的結(jié)果最小，其中必須反相這兩個和項之一。在該方法中將歸結(jié)于所述 次級路徑(部件影響)的時間延遲包含進濾波器13的計算中。在此所述 次級路徑(部件影響)由放大器8、 11、執(zhí)行器9、傳感器10和執(zhí)行器 9與傳感器10之間的傳輸媒介的特定影響組成。這只是配置次級路徑的 多個可能性中的一個。還可以采用其它的執(zhí)行器和傳感器取代一個揚聲 器和一個微音器。在一定的情況下微音器放大器11還可以包含一個濾波 器。
于是本發(fā)明在于，通過把所述信號從時域變換到頻域消除出現(xiàn)在所 述次級路徑中的信號傳播時間的影響。這借助于在圖2中示出的如本發(fā) 明所述的實施變例說明。
圖2示出一個如本發(fā)明所述的用于確定所述次級路徑(部件影響) 特性的系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)，所述次級路徑由不同的部件，譬如放大器8、執(zhí) 行器或者揚聲器9、傳感器或者微音器IO、傳感器放大器或者微音器放 大器11以及執(zhí)行器9與傳感器10之間的傳輸媒介組成。噪音發(fā)生器單 元7向所述次級路徑饋給白噪音。同時把所述噪音輸送給一個變換單元 12，所述變換單元進行一種從時域向頻域的變換。在所述次級路徑的終 點，另一個變換單元16把所述信號變換到頻域。在單元15中采用的自 適應(yīng)算法把濾波器13調(diào)節(jié)得使在加法單元14中構(gòu)成的和最小，其中， 在求和之前從濾波器13得出的信號被反相。
通過在變換單元12和16中進行的從時域向頻域的變換排除多數(shù)在 次級路徑中出現(xiàn)的傳播時間在時間上的變化。事實表明，以2*丌的整倍
數(shù)錯開的某些信號成分無法被排除。也就是說，濾波器13只代表所述次 級路徑(部件影響)在頻域中的特性。
在此，與圖3所示方法的區(qū)別是在變換單元12和16中所進行的 從時域向頻域的變換。
借助圖8說明如本發(fā)明所述方法的另一個實施變例，用該實施變例 可以確定時間延遲T。在此，在圖8中示出了所述傳輸線路的一個脈沖 響應(yīng)S (t)，其中，在時間點t-0給所述傳輸線路輸入一個信號。從脈 沖響應(yīng)fi(t)中查明為選除而查找的時間延遲T。為此，例如借助一種 公知的峰值搜尋法消除含在脈沖響應(yīng)S (t)中的、在所述脈沖響應(yīng)fi (t) 的最大值31之前出現(xiàn)的成分，方法是，在包含在所述脈沖響應(yīng)中的信息 中追朔一定數(shù)量的掃描值。從而，在使用了所述峰值搜尋法后得到一種 如在圖9中所示的曲線。這種排除時間延遲的方法的優(yōu)點在于，可以非 常準確地確定所述延遲T。
圖4示出白噪音的頻譜。在橫座標(biāo)上標(biāo)出頻率20，而在縱座標(biāo)上 標(biāo)出振幅19。該頻譜示出振幅17的恒定的曲線。
圖5示出如圖4所示的白噪音通過所述次級路徑以后的頻譜。還是 在橫座標(biāo)上標(biāo)出頻率20，在縱座標(biāo)上標(biāo)出振幅19。這時所述頻譜不再表 現(xiàn)恒定的振幅譜，而是一個隨著頻率變化的振幅譜。該振幅譜示出在用 如圖4所示的曲線激勵以后一個次級路徑在頻域中的一種可能的輸出信號。
在圖2中由噪音發(fā)生器單元l產(chǎn)生白噪音，這意味著，每個單個頻 率的振幅17都一樣大。這在圖4中示出。
在所述白噪音通過所述次級路徑以后，振幅18不再在每個頻率都 一樣大，如從圖5中可見的那樣。
圖6示出一個具有兩個在其中生成白噪音的噪音發(fā)生器21和22 的方框圖。為了計算所述次級路徑，在濾波器13的輸入端和在自適應(yīng)單 元15使用一個恒定的值。 一個數(shù)量的使用(在此情況下是以一個恒定的 值取代復(fù)雜的信號)是對模擬所述次級路徑的一種進一步簡化。
圖7中示出一個簡單的ANC系統(tǒng)。在下面說明在頻域中已查明其次 級路徑的一個ANC系統(tǒng)的工作方式。
需要最小化的信號x (n)用28指代，保留的剩余信號e(n)用29 指代、傳輸函數(shù)為H的傳輸線路用23指代，并且用以模仿傳輸線路H的濾波器S用24指代。方框25和26值得特別注意。就是用25指代 所述次級路徑(部件影響)，并且用26給出對次級路徑(部件影響)的 估算。也就是說在方框26中存儲此前借助在圖2和圖3中所說明的方 法查明的參數(shù)。
如果采用在圖3中所說明的公知的方法，就要受到前文中已經(jīng)說明 的制約，即無法考慮信號在所述次級路徑中的傳播時間在時間上的變 化。如果在方框26中的信號傳播時間影響大，這就不再能夠由濾波器 24校正。
相反，如果已經(jīng)用在圖2中說明的如本發(fā)明所述方法查明所述參 數(shù)，所述信號傳播時間對所述次級路徑模型的影響就不再存在。然而， 在濾波器13 (圖2或者圖6)中查明的參數(shù)必須在存入所述次級路徑模 型(方框26)之前，事先借助一個逆變換從頻域向時域變換。從而方框 26說明次級路徑25的頻率特性。在所述需要最小化的信號x (n) —方面 受到傳輸線路23影響，和另一個方面通過濾波器24以及次級路徑25 處理之后，在加法單元14中又構(gòu)成一個和。要注意的是，如在附圖中所 示，在用加法單元求差之前必須對這兩個和項之一進行反相。所述完成 一種自適應(yīng)算法的自適應(yīng)單元27如此控制濾波器24，使得剩余信號 e(n)29盡可能小，也就是說最小。
權(quán)利要求
1.在主動降噪系統(tǒng)中模仿次級路徑的方法，所述降噪系統(tǒng)包含傳輸線路(8、9、10、11)、可自適應(yīng)調(diào)節(jié)的濾波器(13)、加法單元(14)，其中，依據(jù)所述加法單元(14)的輸出信號調(diào)節(jié)所述可自適應(yīng)調(diào)節(jié)的濾波器(13)，其中所述方法包含以下步驟-向所述傳輸線路(8、9、10、11)和具有可調(diào)節(jié)的傳輸函數(shù)的所述可自適應(yīng)調(diào)節(jié)的濾波器(13)輸送一個已知信號；-按照以下方式調(diào)節(jié)所述自適應(yīng)濾波器(13)或者其傳輸函數(shù)使得所述加法單元(14)的輸出信號最??；-為產(chǎn)生所述次級路徑的模仿在可自適應(yīng)調(diào)節(jié)的濾波器(13)的傳輸函數(shù)中去除或已經(jīng)去除信號通過所述傳輸線路(8、9、10、11)的延遲時間(T)。
2 .如權(quán)利要求1所述的方法， 其特征在于，確定所述延遲時間(T)，其中為此尤其是采用基于峰值搜索法的方法。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法， 其特征在于，所述可自適應(yīng)調(diào)節(jié)的濾波器(13)在頻域中工作。
4. 如權(quán)利要求1或3所述的方法， 其特征在于，把白噪音作為已知信號輸送給所述傳輸線路(8、 9、 10、 ll)和所 述可自適應(yīng)調(diào)節(jié)的濾波器(13)。
5. 如權(quán)利要求1、 3、 4之一所述的方法， 其特征在于，在向所述可自適應(yīng)調(diào)節(jié)的濾波器(13)輸送所述已知信號以前，借 助一個變換把所述已知信號從時域變換到頻域中，并且在向所述加法單 元(14)輸送所述傳輸線路(8、 9、 10、 11)的輸出信號以前，借助一 個變換把所述傳輸線路(8、 9、 10、 11)的一個輸出信號從時域變換到頻域中。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在從時域向頻域變換時只繼續(xù)使用振幅譜。
7. 如權(quán)利要求1、 3、 4之一所述的方法， 其特征在于，向可自適應(yīng)調(diào)節(jié)的濾波器(13)輸送有恒定振幅譜的已知信號，并 且，在向所述加法單元輸送所述傳輸線路(8、 9、 10、 11)的輸出信號 以前，借助一個變換把所述傳輸線路(8、 9、 10、 ll)的一個輸出信號 從時域變換到頻域中。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，不繼續(xù)使用所述已知信號的相位語。
9. 運行主動降噪系統(tǒng)的方法，所述主動降噪系統(tǒng)包含傳輸線路(8、 9、 10、 11)、可自適應(yīng)調(diào)節(jié)的濾波器(13)和加法單元(14)，其中 可以依據(jù)所述加法單元(14)的輸出信號調(diào)節(jié)所述可自適應(yīng)調(diào)節(jié)的濾波 器(13)，并且其中一個模仿的次級路徑按照以下方式作用在所述可自 適應(yīng)調(diào)節(jié)的濾波器(13)上使得考慮次級路徑影響，其特征在于，按照權(quán)利要求1至8之一進行所述次級路徑的模仿。
全文摘要
給出了一種在主動降噪系統(tǒng)中模仿次級路徑的方法，所述降噪系統(tǒng)包含傳輸線路(8、9、10、11)、可以自適應(yīng)調(diào)節(jié)的濾波器(13)和加法單元(14)，其中，依據(jù)所述加法單元(14)的輸出信號調(diào)節(jié)所述可自適應(yīng)調(diào)節(jié)的濾波器(13)。所述方法主要包含以下步驟為產(chǎn)生所述次級路徑的模仿在可自適應(yīng)調(diào)節(jié)的濾波器(13)的傳輸函數(shù)中去除或已經(jīng)去除信號通過所述傳輸線路(8、9、10、11)的延遲時間(T)。
文檔編號G10K11/178GK101203905SQ200680022149
公開日2008年6月18日 申請日期2006年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月22日
發(fā)明者H·巴克曼 申請人:阿諾克系統(tǒng)股份公司