一种目标跟踪的主动噪声控制窗及其控制方法与流程

1.本发明属于主动噪声控制领域，具体涉及一种目标跟踪的主动噪声控制窗及其控制方法。


背景技术：

2.噪声对人们的日常生活、学习和工作等都会产生不良的影响，噪声问题也越来越多地受到人们的关注。目前处理噪声的主要方法为被动降噪和主动降噪两种，被动降噪主要使用吸声棉或其他隔声装置，使声波和材料之间产生摩擦或粘滞等作用，从而将噪声能量减弱，或是尽量阻挡噪声使人耳听到的噪声减小；主动降噪则是人为提供一个与噪声声波幅值相等，相位相反的声波，与原噪声声波进行叠加从而达到消除噪声的目的。由于被动降噪对于低频噪声效果不佳，且受到材料选取、应用场合和降噪效果等的制约，而主动降噪技术凭借其较宽频带的降噪范围、较好的降噪效果以及较灵活的适用场景等，越来越多地受到人们的青睐。主动降噪技术已经较多地使用在汽车轿厢内部降噪及耳机降噪等方面，对噪声控制起到了十分重要的作用。
3.随着城市发展进程的加快和人们生活水平的不断提高，居民住宅和办公建筑受到越来越多的噪声干扰，这些噪声多来源于交通噪声、工业噪声和娱乐噪声等。临街高层建筑不断增多，城市道路发展所带来交通噪声也日益严重，成为城市中危害最大，数量最多的噪声源。传统的建筑降噪多为被动降噪方法，如增加房屋外墙厚度或铺设吸声和隔声装置等以提高降噪效果，但窗户作为通风和采光装置的同时，也是噪声进入室内的主要路径。在窗户关闭时室内得不到通风，长时间关闭后室内空气质量严重下降；而在窗户完全打开时室外噪声不会受到阻隔而直接进入，使室内噪声明显增加。目前带有隔声作用的窗户，大多为两层或三层窗组成，且仅在完全关闭时有较好的隔声作用，在窗户完全打开时，不能对噪声起到阻隔的作用；而带有降噪通风功能的窗户，大多只在窗户上方留有通风口，在窗户完全打开的时候依然没有降噪效果。目前尚缺少一种能够在完全打开的情况下可进行主动降噪，且对室内每个区域均有较好降噪效果的窗户，这样既能对室内进行通风，又能降低室外传来的噪声。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种目标跟踪的主动噪声控制窗及其控制方法，可实现室内通风的同时，降低外界传入室内的噪声，同时在室内人员活动区域变化时，次级扬声器和麦克风能够及时调整朝向，使人员活动区域的降噪效果最佳。
5.本发明提供一种目标跟踪的主动噪声控制窗，包括；
6.金属窗架结构及主动噪声控制系统，所述金属窗架结构由金属圆管(4)和金属方管(5)组合而成，其中金属方管(5)横向放置，起到固定和支撑所述金属圆管(4)的作用，所述金属圆管(4)竖向放置并从所述金属方管(5)中穿入，所述金属窗架两侧的金属圆管(4)与金属方管(5)焊接固定，中部的金属圆管(4)不与金属方管(5)固定，保证所述金属圆管
(4)可自由转动；所述金属圆管(4)除了部分与所述金属方管(5)焊接固定以外，其余金属圆管(4)均在顶端装有电机(11)，所述电机(11)旋转带动金属圆片(12)旋转，所述金属圆片(12)与所述金属圆管(4)焊接固定，电机(11)的旋转带动所述金属圆管(4)左右旋转，并可以旋转至任意角度；所述金属窗架内部设有走线槽和走线孔，保证主动噪声控制系统线路的正常放置和装置的美观性，窗架顶端和底端均有固定装置，所述固定装置用于将金属窗架固定在建筑物窗口处，保证防盗和防护性能。
7.优选的，所述主动噪声控制系统包括：
8.多个参考麦克风(8)，嵌入在所述金属圆管(4)内，用于采集原始的噪声信号，与所述参考麦克风(8)配套的数据线和电源线均放置在金属窗架内；
9.多个次级扬声器(9)，嵌入在所述金属圆管(4)内，且背对所述参考麦克风(8)，用于发出反噪声信号从而对室内空间进行降噪，与所述次级扬声器(9)配套的数据线和电源线均放置在金属窗架内；
10.多个物理误差麦克风(7)，固定在所述金属圆管(4)上，且均放置在所述次级扬声器(9)正对处，用于结合虚拟麦克风技术，在不需要在室内布置麦克风的情况下，对室内区域进行降噪，不影响室内人员正常活动的同时节约空间资源，与所述物理误差麦克风(7)配套的数据线和电源线同样放置在金属窗架内；
11.一个摄像头(3)，放置在房间屋顶或墙面较高位置处，用于捕捉房间内用户头部的位置，并锁定降噪区域，从而使得控制器实时控制电机动作以自动调节金属圆管(4)中次级扬声器(9)和参考麦克风(8)的朝向；
12.一个电机驱动器及控制器(6)，其中所述电机驱动器用来接收电机控制信号，并驱动电机(11)完成指定的动作；所述控制器与电机驱动器一起放置于一个盒体内，并固定在墙面，所述控制器的输入端口接参考麦克风(8)、物理误差麦克风(7)和摄像头(3)的数据信号线，输出端口接所述次级扬声器(9)和所述电机驱动器的数据信号线，其中所述物理误差麦克风(7)放置在物理误差麦克风架(10)内。
13.优选的，所述窗架的金属圆管(4)可连续转动，其转动的速度和方向由金属圆管(4)顶端的电机(11)动作决定。
14.优选的，所述参考麦克风(8)、次级扬声器(9)和物理误差麦克风(7)均固定在金属圆管(4)上，且可以随金属圆管(4)的转动而转动，从而可以面向任意方位.
15.优选的，所述电机(11)的驱动信号由控制器产生，并通过输出端口连接到电机驱动器，电机(11)的启停、转动方向和速度均由驱动信号所控制，驱动信号如根据降噪要求而需实时改变可由控制器自动完成，驱动信号控制电机(11)旋转带动金属圆管(4)旋转，最终使每个次级扬声器(9)、参考麦克风(8)和物理误差麦克风(7)均指向理想的方位，即用户头部所在方位。
16.优选的，所述可旋转的金属圆管(4)的朝向由所述摄像头(3)所追踪到室内人员的位置所决定，锁定位置后控制器驱动电机旋转，使金属圆管(4)内的次级扬声器(9)朝向需要降噪的区域。
17.本发明的目的还在于公开了一种基于主动噪声控制窗的主动噪声控制方法，包括下列步骤：
18.步骤1：确定降噪区域；
19.步骤2：计算辅助滤波器和次级通路模型；
20.步骤3：根据辅助滤波器和次级通路模型进行主动噪声控制。
21.优选的，所述步骤1包括：
22.步骤11，根据房间大小和人员的主要活动范围，将房间分为若干个降噪区域；
23.步骤12，确定次级扬声器朝向和每个所述降噪区域的对应关系，使每个所述降噪区域有降噪需求时，所述次级扬声器(9)都能准确地指向该降噪区域；
24.步骤13，将所述摄像头(3)实时捕捉的房间画面放置在坐标系内，每个降噪区域都固定在一个确定的坐标范围内。
25.优选的，所述步骤2包括：
26.步骤21，根据降噪需求，在一个降噪区域内设置多个降噪点；
27.步骤22，在所述降噪区域的降噪点依次放置虚拟麦克风(1)，并使次级扬声器(9)、参考麦克风(8)和物理误差麦克风(7)指向所述降噪区域，利用fxlms算法计算可使所述降噪区域中每个虚拟麦克风(1)的位置处都有良好降噪效果的控制器参数，然后利用lms算法计算包含控制器参数信息的辅助滤波器；
28.步骤23，在次级扬声器(9)、参考麦克风(8)和物理误差麦克风(7)位置不变的情况下，对次级扬声器(9)和物理误差麦克风(7)之间的声通路进行建模，并得到相应的模型参数；
29.步骤24，对每一个降噪区域重复步骤21，在每一个降噪区域都设置降噪点，并更改次级扬声器(9)、参考麦克风(8)和物理误差麦克风(7)的朝向，使所述次级扬声器(9)、参考麦克风(8)和物理误差麦克风(7)正对于该降噪区域，重复步骤22和步骤23，得到每个降噪区域对应的辅助滤波器系数和次级通路模型，此时可移除所有的虚拟麦克风(1)。
30.优选的，所述步骤3，包括：
31.步骤31，将每个降噪区域对应的辅助滤波器系数和物理次级通路模型都存储在控制器内，当摄像头(3)和控制器锁定降噪区域后，控制器调用所述降噪区域对应的辅助滤波器参数和物理次级通路模型，然后进行主动噪声控制；
32.步骤32，控制器得到摄像头(3)追踪到的降噪区域后，计算生成控制金属圆管(4)顶端电机(11)的驱动信号，电机(11)旋转使每个次级扬声器(9)都正对所述降噪区域；
33.步骤33，开启主动降噪功能，参考麦克风(8)和物理误差麦克风(7)实时接收噪声信号和误差信号并将所述噪声信号和误差信号传递给控制器，由摄像头(3)实时捕捉室内人员活动的范围并锁定所在的降噪区域，控制器生成电机驱动信号和次级扬声器驱动信号，使次级扬声器(9)转向所需降噪的区域，并发出与噪声声波幅值相同，相位相反的反噪声声波信号，目标降噪区域的噪声声波和反噪声声波相互叠加，达到降噪的效果。
34.本发明的有益效果：
35.1)将主动噪声控制技术应用于窗户，主动噪声控制系统固定在金属窗架内，安装在玻璃窗2外侧，玻璃窗2的打开和关闭不影响主动噪声控制系统的结构，且在玻璃窗2完全打开时，依然可以开启窗户的降噪功能，降低外界传入室内的噪声，保证室内通风和降噪可同时进行。同时，该结构也起到了金属防盗窗的作用。
36.2)主动噪声控制系统的降噪效果，与参考麦克风8、物理误差麦克风7和次级扬声器9的空间布局和摆放位置有很大的关系，固定的次级扬声器9，在次级扬声器9正对区域上
的降噪效果较好，而在次级扬声器9侧方区域的降噪效果远不如正对区域。所以固定次级扬声器9的主动噪声控制系统不能保证每个方向的区域都保持最佳的降噪效果。本发明的窗户结构内安装有电机11，电机11旋转可带动参考麦克风8、物理误差麦克风7和次级扬声器9旋转，保证次级扬声器9始终正对于所需降噪的区域，从而使得用户区域始终有最佳的降噪效果；
37.3)窗户采用多通道的主动噪声控制技术，相比单通道而言，降噪范围更大，降噪效果更好，且通道数可根据降噪需求任意选择；
38.4)常见的主动噪声控制系统均在目标降噪点处放置误差麦克风，本发明的主动噪声控制窗的目标降噪点在室内区域，如果在室内放置误差麦克风将影响室内人员正常活动，且占用空间资源。本发明利用虚拟麦克风技术，无需在室内布置误差麦克风，不影响人员活动且节约室内空间，同时控制器系数进行实时的自适应更新，可适应如交通噪声这样移动和变化的噪声。
附图说明
39.图1(a)和(b)为根据本发明实施例的虚拟麦克风以及主动噪声控制窗的布置和结构示意图。
40.图2为根据本发明实施例的主动噪声控制窗的金属圆管结构示意图。
41.图3为根据本发明实施例的金属圆管内电机结构示意图。
42.图4为根据本发明实施例的进行主动降噪控制处理过程示意图。
43.图5为根据本发明实施例的次级扬声器正对a点处a点处的降噪效果图。
44.图6为根据本发明实施例的次级扬声器正对a点处b点处的降噪效果图。
45.图7为根据本发明实施例的次级扬声器正对b点处b点处的降噪效果图。
46.图8为根据本发明实施例的次级扬声器正对b点处a点处的降噪效果图。
47.图中，1——虚拟麦克风、2——玻璃窗、3——摄像头、4——金属圆管、5——金属方管、6——控制器及电机驱动器、7——物理误差麦克风、8——参考麦克风、9——次级扬声器、10——物理误差麦克风架、11——电机、12——金属圆片。
具体实施方式
48.为了更清楚地描述本发明的具体方案和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
49.在实际应用中，根据使用通道数量的多少，主动噪声控制技术可分为单通道控制和多通道控制；也可根据实际降噪区域的范围，分为局部主动噪声控制和全局主动噪声控制。房间内部降噪属于全局降噪，而多通道主动噪声控制的降噪范围更大，所以带有主动降噪功能的窗户更宜使用多通道主动噪声控制技术，确保室内可降噪的区域更多，范围更大。常见的主动噪声控制系统多由参考麦克风、次级扬声器、误差麦克风、控制器等组成，其中参考麦克风用于检测原噪声信号，作为控制器的输入参考信号；次级扬声器用于发出与原噪声波幅值相等，相位相反的反噪声信号；控制器用于进行a/d、d/a转换，滤波器系数更新、次级扬声器控制信号的生成及功率放大等功能；误差麦克风用于接收噪声声波与反噪声声波叠加后的信号，即目标降噪点的声压信号，并反馈给控制器进行滤波器系数的自适应更
新。所以这种结构的主动噪声控制系统只在误差麦克风处及其附近区域有降噪效果，但室内区域如果布置误差麦克风，将会严重影响人员活动，且占用空间资源。所以需采用虚拟麦克风技术，利用物理麦克风和虚拟麦克风之间的关系估计出目标降噪点处的误差信息，这样在目标降噪点处不布置麦克风的情况下，依然可以有理想的降噪效果。
50.在计算控制器系数的过程中，需要用到次级通路传递函数的模型。模型的精确度对降噪效果有着至关重要的影响，该模型可通过离线辨识或在线辨识得到。离线辨识即在计算控制器参数之前，利用相关信号和软件得到指定长度的次级声通路固定模型参数；在线辨识即在进行主动降噪的同时，实时计算次级声通路的模型。在线辨识虽然可适应次级声通路的变化，但建模常需引入附加白噪声作为激励信号，这使系统始终存在残余误差，且建模过程和主动噪声控制过程相互干扰，影响降噪性能。本发明中的主动噪声控制窗的次级声通路是固定的，且结合虚拟麦克风技术后，次级声通路不会被破坏，所以本发明采用离线辨识次级声通路模型的方法，这样能得到精确的模型参数，保证降噪的效果，又不会在降噪过程中对控制系统产生干扰。另外，交通噪声和工业噪声等多为移动的声源，所以控制器系数需要进行实时自适应更新，这样可以适应移动的声源，保证降噪功能的正常使用。
51.参见图1
‑
3，本发明中的主动噪声控制窗，本实施例中降噪区域可随用户头部移动，金属圆管4顶端安装有电机11，电机11旋转可带动金属圆片12旋转，金属圆片12与金属圆管焊接固定，所以电机11旋转可带动金属圆管4及其内置物品的旋转。本发明中的主动噪声控制窗配有摄像头3，用来检测和定位人员活动区域，摄像头放置在屋顶或墙面较高处，可以捕捉到房间内用户头部位置。根据降噪需求，将房间分为任意数量的降噪区域，保证每个降噪区域都可被次级扬声器正对。控制器将摄像头3捕捉的画面放置在坐标系内，并确定每个降噪区域的坐标范围，摄像头3实时检测用户头部位置的坐标，并判断该坐标所在的降噪区域，锁定降噪区域后，控制器向电机驱动器发出相应的脉冲信号来驱动电机11，使电机11旋转带动金属圆管4及内置物品旋转，最终保证次级扬声器9、参考麦克风8和物理误差麦克风7都面向该降噪区域。如需对次级扬声器朝向做细微调节，也可通过按键控制电机11的旋转，保证次级扬声器9和麦克风面向理想的方位。常见的主动噪声控制系统的次级扬声器9都是固定的，这样在降噪过程中，次级扬声器9侧面或其他位置处的降噪效果始终会低于次级扬声器9正对方位的降噪效果。所以旋转扬声器9的设计，可使其正对于每个方位，确保每个降噪区域都有最佳的降噪效果。
52.由于室内空间不便于布置误差麦克风，本发明采用带有辅助滤波器的虚拟麦克风技术，可使目标降噪点处及其附近在没有物理麦克风的情况下，仍然可以达到与布置物理麦克风接近的降噪效果。参见图4，带有虚拟麦克风1的多通道主动降噪控制过程包括两个阶段，第一阶段为训练阶段，用以得到辅助滤波器系数；第二阶段为控制阶段，用来进行主动降噪和控制器参数的实时更新。
53.在训练阶段，需在已经选取的每一个降噪区域的降噪点处放置虚拟麦克风1，然后利用fxlms算法得到在虚拟麦克风1处有理想降噪效果的控制器参数，参考输入向量可表示为：
[0054][0055]
其中x
j
(n)为第j个参考麦克风接收的参考信号向量，表示为：
[0056]
x
j
(n)＝[x
j
(n),x
j
(n
‑
1),,x
j
(n
‑
l+1)]
t
[0057]
其中l为控制滤波器阶数，控制滤波器系数矩阵w(n)为：
[0058][0059]
其中w
kj
(n)表示从第j个参考输入信号到第k个输出控制信号的控制器系数向量，表示为：
[0060]
w
kj
(n)＝[w
kj,0
(n),w
kj,1
(n),,w
kj,l
‑1(n)]
t
[0061]
控制器输出信号为y(n)＝w
t
(n)x(n)，其中y(n)＝[y1(n),y2(n),,y
k
(n),,y
k
(n)]
t
，y
k
(n)表示第k个通道在n采样时刻的输出信号，利用多通道fxlms算法，计算以虚拟麦克风处为误差信号的控制器系数，其迭代更新过程定义为：
[0062][0063]
其中μ1为fxlms算法的步长因子，e
v,i
(n)为第i个虚拟麦克风处的误差信号。x'
v,jki
(n)为滤波后的参考信号，是由第j个参考麦克风接收到的参考信号x
j
(n)与的卷积得到，其中为第k个次级扬声器到第i个虚拟麦克风的虚拟次级通路模型。
[0064]
得到上述控制器参数后，利用lms算法训练辅助滤波器，第m个辅助滤波器系数向量的迭代更新过程可表示为：
[0065][0066]
其中h
mj
(n)表示从第j个参考麦克风到第m个物理误差麦克风之间的辅助滤波器，阶数为l
h
的滤波器可表示为：
[0067][0068]
参考信号向量其中为第j个参考信号向量；误差信号其中e
p,m
(n)为第m个物理误差麦克风处的误差信号。当训练阶段结束后，得到次级扬声器面向各降噪区域时各通道的辅助滤波器系数，便可进行控制阶段。
[0069]
在主动噪声控制阶段中，将各降噪区域的降噪点处的虚拟麦克风移走，次级扬声器前放置的物理误差麦克风位置不变，利用训练阶段得到的辅助滤波器、物理误差麦克风处的误差信号、各次级扬声器到各物理麦克风的次级通路模型，结合fxlms算法进行控制器系数的实时自适应更新，控制器系数的自适应过程可表示为：
[0070][0071]
其中h
o,m
为训练阶段得到的辅助滤波器，x'
p,jkm
(n)是由第j个参考麦克风接收到的信号与的卷积得来，为从第k个次级扬声器到第m个物理误差麦克风的次级声通路模型，本发明中所有的次级声通路模型，均由次级扬声器激励信号和麦克风接收信号估计所得。通过采用虚拟麦克风技术，在主动噪声控制阶段，无需在各
降噪区域的降噪点处放置麦克风，这样能保证室内人员活动不受干扰，也能节约空间资源。
[0072]
实施例
[0073]
参见图1，将本发明应用于室内降噪，用来降低经窗户传入室内的噪声，并比较次级扬声器正对区域和侧方区域的降噪效果。以60
‑
4000hz频带的白噪声作为噪声源进行测试，由一个扬声器在窗外发出。在室内选择某一降噪区域的降噪点a和另一降噪区域的降噪点b，控制滤波器初始化为单位冲激响应。降噪功能开启前，测试人员站在a点附近，扬声器正对于a，噪声源开始发声，采集a点和b点处的噪声信号，开启降噪功能并等待系统稳定后，再次采集a点和b点处的噪声信号，用以比较降噪效果。然后测试人员从a点附近走到b点附近，次级扬声器旋转至正对b点，同样采集a点和b点处的相关噪声信号，比较降噪前后的噪声大小。
[0074]
参见图5到图8，可以看出本发明的主动噪声控制窗可有效降低外界经窗户传入室内的噪声，且次级扬声器正对区域的降噪效果优于侧方区域的降噪效果，所以本发明始终保证人员活动区域的降噪效果最佳。
[0075]
本发明所考虑的是带有主动降噪功能和自动跟踪降噪区域的窗户，可同时进行室内通风和主动降噪，并且可自动跟踪人员活动区域，调节次级扬声器朝向，使次级扬声器正对所需降噪区域，保证该区域的降噪效果最佳。上述实施例仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。