强噪声环境下有源抗噪耳罩设计_孙科伟

第３９卷 第９期 ２０１３ 年 ９ 月
工矿自动化
Ｉｎｄｕｓｔｒｙ ａｎｄ Ｍｉｎｅ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ
Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．９ Ｓｅｐ．２０１３
文 章 编 号 ：１６７１－２５１Ｘ（２０１３）０９－０００８－０５ ＤＯＩ：１０．７５２６／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－２５１Ｘ．２０１３．０９．００３ 孙 科 伟 ，李 建 海 ，杨 海 东 ，等 ．强 噪 声 环 境 下 有 源 抗 噪 耳 罩 设 计 ［Ｊ］．工 矿 自 动 化 ，２０１３，３９（９）：８－１２．
关 键 词 ：抗 噪 耳 罩 ；有 源 抗 噪 ；被 动 降 噪 ；自 适 应 噪 声 抵 消 ；归 一 化 最 小 均 方 算 法 中 图 分 类 号 ：ＴＤ６５５ 文 献 标 志 码 ：Ａ 网 络 出 版 时 间 ：２０１３－０８－２７ １７：０７ 网 络 出 版 地 址 ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／３２．１６２７．ＴＰ．２０１３０８２７．１７０７．００３．ｈｔｍｌ
ＬＭＳ 算 法 的 改 进 ，输 入 信 号 可 以 改 变 归 一 化 收 敛 系
数，解决了 ＬＭＳ算法 中 梯 度 噪 声 放 大 的 问 题［３］，归
一化 ＬＭＳ算法的权矢量迭代公式为
Ｗ （ｎ＋１）＝ Ｗ （ｎ）－２μ（ｎ）ｅ（ｎ）ｘ（ｎ） （９）
式中：μ（ｎ）＝γ＋ＬαＰ＾ｘ（ｎ），α，γ，Ｌ 为 常 数，为 了 避 免 输
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｎｔｉ－ｎｏｉｓｅ ｅａｒｍｕｆｆｓ；ａｃｔｉｖｅ ａｎｔｉ－ｎｏｉｓｅ；ｐａｓｓｉｖｅ ｎｏｉｓｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ；ａｄａｐｔｉｖｅ ｎｏｉｓｅ ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ； ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ｌｅａｓｔ ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ
０ 引 言
在 矿 井 通 信 中，相 对 狭 小 的 空 间 和 集 中 的 机 电 设备使得矿井中存在各种机械噪声。机械噪声会影 响 矿 工 之 间 的 交 流 ，降 低 工 作 效 率 ，同 时 由 于 沟 通 的 问题也很容易导 致 紧 急 事 故 的 发 生。 鉴 此，针 对 煤 矿井下的强噪声环 境，设 计 一 种 能 够 满 足 矿 工 之 间 有效通信的抗噪耳罩是亟待解决的问题。国外对于 有 源 抗 噪 耳 罩 的 技 术 研 究 起 步 较 早 ，起 点 较 高 ，并 且 取得了很好的降噪效果，如 Ｂｏｓｅ公司生产的基于三 腔技术 的 航 空 耳 罩，可 以 在 １１５ｄＢ 强 噪 声 环 境 下，
入 信 号 太 小 导 致 步 长 μ（ｎ）过 于 偏 大 的 情 况 ，增 加 常 数γ 进行校正，从而可以避免μ（ｎ）中的分母值太小
而导致μ（ｎ）过大；Ｐ＾ｘ（ｎ）为是在ｎ 时 刻 输 入 信 号ｘ（ｎ）
的估计，Ｐ＾ｘ（ｎ）一般可以通过滑动矩形 窗 的 方 法 求 得，
即Ｐ＾ｘ（ｎ）＝Ｌ１［ｘ（ｎ）Ｔ ｘ（ｎ）］，则 归 一 化 的 ＬＭＳ 算 法
将语音的清晰 度 从 ８０％ 提 高 到 ９５％。 市 场 上 销 售 的 专 业 型 耳 罩 一 般 是 密 闭 式 的 ，较 笨 重 ，适 用 于 特 定 场合，且价格比 较 昂 贵。 国 内 对 于 数 字 式 有 源 降 噪 的 研 究 起 步 较 晚 ，目 前 已 取 得 了 一 定 的 成 绩 。 但 是 ， 国内的有源抗噪耳 机 价 格 昂 贵，且 大 部 分 都 是 针 对 特定声学环境设 计 的，所 以 没 有 得 到 普 及。 数 字 式 有源耳罩在工程实践中存在稳定性差和处理非线性 宽带信 号 的 能 力 较 弱 的 缺 点 。 ［１］ 本 文 设 计 的 基 于 ＴＭＳ３２０ＶＣ５５０９ＤＳＰ 的有 源 抗 噪 耳 罩 采 用 改 进 型 的自适应算法和相 应 硬 件 电 路，实 现 了 在 强 噪 声 环 境下消除噪声的目的。
声经过 噪 声 传 输 路 径 后 形 成 的 信 号，误 差 信 号 为
ｅ（ｎ）。 由 图 １ 可 得
ｅ（ｎ）＝ｙ（ｎ）－ｄ（ｎ）
（１）
ｙ（ｎ）＝ｓ（ｎ）＋ｖ（ｎ）
（２）
ｅ（ｎ）＝ｓ（ｎ）＋ｖ（ｎ）－ｄ（ｎ）
（３）
均方误差即输出的均方值：
Ｅ［ｅ（ｎ）２］＝ Ｅ［（ｓ（ｎ）＋ｖ（ｎ）－ｄ（ｎ））２］＝
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｃｔｉｖｅ ａｎｔｉ－ｎｏｉｓｅ ｅａｒｍｕｆｆｓ ｉｎ ｈｅａｖｙ ｎｏｉｓｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ
ＳＵＮ Ｋｅ－ｗｅｉ， ＬＩ Ｊｉａｎ－ｈａｉ， ＹＡＮＧ Ｈａｉ－ｄｏｎｇ， ＳＯＮＧ Ｂｏ （Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ＇ａｎ ７１００３８，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｅｘｐｅｎｓｉｖｅ ａｎｄ ｉｎｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｔｏ ｗｅａｒ ｏｆ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ａｃｔｉｖｅ ａｎｔｉ－ｎｏｉｓｅ ｅａｒｍｕｆｆｓ，ａｎ ａｃｔｉｖｅ ａｎｔｉ－ｎｏｉｓｅ ｅａｒｍｕｆｆ ｉｎ ｈｅａｖｙ ｎｏｉｓｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｅａｒｍｕｆｆ ｔａｋｅｓ ＴＭＳ３２０ＶＣ５５０９ａｓ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ，ａｎｄ ａｄｏｐｔｓ ａｄａｐｔｉｖｅ ｎｏｉｓｅ ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ｌｅａｓｔ ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｔｏ ｅｎｈａｎｃｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ｎｏｉｓｅ ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｐａｓｓｉｖｅ ｎｏｉｓｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｅａｒｍｕｆｆ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｎｏｉｓｅ ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｈｅａｖｙ ｎｏｉｓｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ａｎｔｉ－ｎｏｉｓｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅａｒｍｕｆｆｓ ｉｓ ｕｐ ｔｏ ３０ｄＢ．
自适应主动降噪是在自适应滤波器的基础上设 计 的 ，原 理 如 图 １ 所 示 。
图 １ 自 适 应 主 动 降 噪 原 理
图１ 中，ＡＦ 即为自适应滤波器，自适应滤波 器 中采用的算法是 归 一 化 ＬＭＳ 算 法。 噪 声 抵 消 系 统 有２个输入信号：１ 个 原 始 输 入 信 号，１ 个 参 考 输 入 信号。原始信号为有用信号加噪声信号，即 ｘ（ｎ）＝ ｓ（ｎ）＋ｖ０ （ｎ），将 监 测 的 噪 声 信 号 作 为 参 考 噪 声 ｖ１（ｎ），ｘ（ｎ）经过扬声器后成为信号ｙ（ｎ），ｄ（ｎ）为 噪
差 最 小 的 情 况 下 接 近 ｄ（ｎ），从 而 使 得 误 差 信 号ｅ（ｎ）
最 大 程 度 地 接 近 有 用 输 入 信 号ｓ（ｎ），即
ｅ（ｎ）－ｓ（ｎ）＝ｖ（ｎ）－ｄ（ｎ）
（８）
通过上述的推 导 过 程 可 以 看 出，调 整 加 权 系 数
Ｗ 可使输出的ｖ（ｎ）最 大 限 度 地 接 近 ｄ（ｎ），可 使 输
· １０ ·
工矿自动化
２０１３ 年 第 ３９ 卷
的迭代公式为
Ｗ
（ｎ＋１）＝
Ｗ
（ｎ）－ γ
α ｅ（ｎ）ｘ（ｎ） ＋ＬＰ＾ｘ（ｎ）
（１０）
由 式 （１０）可 以 看 出，ｎ＋１ 时 刻 的 加 权 系 数
Ｗ （ｎ＋１）是通过ｎ 时刻 的 加 权 系 数 Ｗ （ｎ）和ｎ 时 刻
Ｅ［ｓ（ｎ）２］＋Ｅ［（ｖ（ｎ）－ｄ（ｎ））２］＋
２Ｅ［ｓ（ｎ）（ｖ（ｎ）－ｄ（ｎ））］
（４）
因 为ｓ（ｎ）和ｖ（ｎ），ｄ（ｎ）不 相 关 ，可 得
Ｅ［ｓ（ｎ）（ｖ（ｎ）－ｄ（ｎ））］＝ ０
（５）
式 （４）可 以 转 换 为
Ｅ［ｅ（ｎ）２］＝ Ｅ［ｓ（ｎ）２］＋Ｅ［（期 ：２０１３－０４－２２。 基 金 项 目 ：陕 西 省 自 然 科 学 基 础 研 究 资 助 项 目 （２００９ＪＭ８００１－４）；航 空 科 学 基 金 资 助 项 目 （２００９５５９６０１４）。 作者简介：孙科伟（１９８８－），男，陕西 扶 风 人，硕 士 研 究 生，研 究 方 向 为 强 噪 声 环 境 下 语 音 通 信 降 噪 技 术 和 军 事 航 空 通 信 导 航 技 术 ，Ｅ－ｍａｉｌ： ５２９０２５４３２＠ｑｑ．ｃｏｍ。
（６）
自适应滤波器通常调整其加权系数 Ｗ 来使得
Ｅ［ｅ（ｎ）２］最 小，又 因 为 有 用 信 号 不 在 自 适 应 的 通 道
内 ，自 适 应 滤 波 器 不 改 变 有 用 信 号 ，可 得
ｍｉｎ Ｅ［ｅ（ｎ）２］＝Ｅ［ｓ（ｎ）２］＋ｍｉｎ Ｅ［（ｖ（ｎ）－ｄ（ｎ））２］
（７）
最终该滤波 器 调 整 的 结 果 使 得 ｖ（ｎ）在 均 方 误
主动降噪技术的原理是当次级通道产生的噪声 信号与主通道的噪 声 信 号 刚 好 幅 度 相 同、相 位 相 反 时，噪声就可以消除 。 ［２］ 而在实际的应用系统 中，强 背景噪声的幅度和 频 率 是 随 时 变 化 的，不 同 时 刻 得 到 的 噪 声 信 号 完 全 不 相 关 ，针 对 上 述 特 点 ，要 想 使 消 除噪声的效果较好，就 必 须 使 反 向 噪 声 补 偿 信 号 具 有精确的实时跟踪 噪 声 信 号 频 率 和 幅 度 的 性 能，这 样才能达到系统的 设 计 要 求，如 果 补 偿 信 号 过 大 就 会 产 生 反 向 噪 声 ，过 小 则 达 不 到 系 统 降 噪 的 目 的 ，同 理相位变化也会 产 生 类 似 的 问 题。 由 此 可 见，耳 罩 设计的关键在于能否实时快速而又准确地跟踪噪声 特性，因 此，采 用 归 一 化 的 最 小 均 方 （Ｌｅａｓｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ，ＬＭＳ）算法结合 ＴＭＳ３２０ＶＣ５５０９ＤＳＰ 来实 现噪声的实时采集和消除。 １．２ 自 适 应 主 动 降 噪 算 法