一种用于教学演示的主动噪声控制系统
技术领域
本发明属于主动噪声控制领域，具体涉及一种集成了主动噪声控制算法，用于教学演示的主动噪声控制系统。
背景技术
主动噪声控制已经在各行各业得到广泛运用，如主动降噪耳机、车内降噪模块等等，从事主动降噪的科研及工程人员也越来越多。目前大多数学员主要通过书本或者科技论文的方式认知主动噪声控制技术，这是一种比较吃力的方式，因为主动噪声控制涉及到声学、控制理论、优化理论以及嵌入式等多门学科，属于典型的跨学科交叉领域，对于初学者来说难度较大。因此，如何能够使学员更加直观、系统、快速地了解主动噪声控制技术，包括其原理、过程和效果等，是教学中需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够使学员更加直观、系统、快速地了解主动噪声控制技术，弥补此方面教学演示设备缺失的用于教学演示的主动噪声控制系统。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种用于教学演示的主动噪声控制系统，包括：
声场装置，所述声场装置具有空腔，用于模拟声音传播环境；
初级声源，所述初级声源设置于所述空腔的一端，用于基于发声信号模拟发出原始噪音信号；
次级声源，所述次级声源设置于所述空腔中，用于基于控制信号模拟发出主动控制声音信号；
传声器，所述传声器设置于所述空腔中，用于采集所述原始噪音信号和所述主动控制声音信号叠加产生的叠加声音信号、将所述叠加声音信号转换为对应采样信号；
展示装置，所述展示装置设置于所述空腔外并与所述传声器相连接，用于将所述采样信号转换为展示信号并进行展示；
控制器，所述控制器设置于所述空腔外并分别与所述初级声源、所述次级声源、所述传声器相连接，其中集成主动噪声控制算法程序，用于输出所述发声信号、基于所述采样信号生成所述控制信号。
所述声场装置为一端封闭、另一端开口的圆柱管道声场，所述初级声源设置于所述圆柱管道声场的封闭端，所述次级声源设置于所述圆柱管道声场的中部，所述传声器设置于所述圆柱管道声场的开口端。
所述初级声源包括设置于所述空腔的一端的初级扬声器，所述初级扬声器通过导线与所述控制器相连接；所述次级声源包括设置于所述空腔中的次级扬声器，所述次级扬声器通过导线与所述控制器相连接。
所述初级扬声器、所述次级扬声器均为带背腔结构。
所述初级扬声器与所述声场装置的连接处、所述次级扬声器与所述声场装置的连接处均设置柔消声材料。
所述传声器包括与所述展示装置相连接的展示用传声器、与所述控制器相连接的控制用传声器。
所述展示装置包括与所述传声器相连接并用于展示声音的效果用耳机、与所述传声器相连接并用于展示波形的效果用上位机。
所述控制器包括：
采样模块，所述采样模块与所述传声器相连接，用于将所述采样信号转换为采样数字信号；
DSP芯片，所述DSP芯片运行所述主动噪声控制算法程序，用于输出所述发声信号、基于所述采样数字信号生成数字控制信号；
输出转换模块，所述输出转换模块与所述DSP芯片相连接，用于将所述数字控制信号转换为模拟控制信号；
功率放大模块，所述功率放大模块与所述输出转换模块相连接，用于对所述模拟控制信号进行功率放大而输出所述控制信号。
所述控制器还包括与所述DSP芯片相连接并用于连接外设装置的若干个外设接口。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明能够使学员直观、系统和快速地了解主动噪声控制的效果，原理和过程，在弥补教学演示设备在这一方面缺失的同时，更加深了学员对主动噪声控制的理性认识和研究热情。
附图说明
附图1为本发明的用于教学演示的主动噪声控制系统的原理图。
附图2为本发明的用于教学演示的主动噪声控制系统中部分结构的主视示意图。
附图3为本发明的用于教学演示的主动噪声控制系统中部分结构的俯视示意图。
附图4为本发明的用于教学演示的主动噪声控制系统中部分结构的侧视示意图。
附图5为本发明的用于教学演示的主动噪声控制系统中采用的主动噪声控制算法的原理图。
附图6为本发明的用于教学演示的主动噪声控制系统所连接的上位机的界面示意图。
附图7为本发明的用于教学演示的主动噪声控制系统的主动噪声控制效果图。
以上附图中：1、圆柱管道声场；2、初级声源；3、次级声源；4、控制器；5、控制用传声器；6、展示用传声器；7、效果用耳机；8、效果用上位机。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：如附图1至附图4所示，一种用于教学演示的主动噪声控制系统，包括声场装置、初级声源2、次级声源3、传声器、展示装置和控制器4。
声场装置用于模拟声音传播环境，其具有一传播声音的空腔。本实施例中，声场装置为轴向一端封闭、轴向另一端开口的圆柱管道声场1，其开口方向为声音主动传播方向。为了防止声源声波泄漏至圆柱管道声场1以外，影响演示效果，需要做好圆柱管道声场1的封闭。
初级声源2用于基于发声信号模拟发出原始噪音信号。初级声源2设置于空腔的一端，即初级声源2设置于圆柱管道声场1的封闭端。初级声源2包括设置于空腔的一端的初级扬声器，初级扬声器连接有引出至圆柱管道声场1以外的导线。
次级声源3用于基于控制信号模拟发出主动控制声音信号。次级声源3设置于空腔中，即次级声源3设置于圆柱管道声场1的中部。次级声源3包括设置于空腔中的次级扬声器，次级扬声器连接有引出至圆柱管道声场1以外的导线。
上述初级扬声器、次级扬声器均为带背腔结构，初级扬声器与声场装置/圆柱管道声场1的连接处、次级扬声器与声场装置/圆柱管道声场1的连接处均设置柔消声材料。
空腔中设置有检测点，传声器(麦克风)设置于空腔中并位于检测点处。传声器用于采集原始噪音信号和主动控制声音信号叠加产生的叠加声音信号、将叠加声音信号转换为对应采样信号。在本实施例中，传声器设置于圆柱管道声场1的开口端，且设置两个传声器，分别为与展示装置相连接的展示用传声器6和与控制器4相连接的控制用传声器5。展示用传声器6、控制用传声器5均连接有导线，其中控制用传声器5嵌设在声场装置/圆柱管道声场1的管壁上，展示用传声器6可以设置在空腔的开口处。
由于需在声场装置/圆柱管道声场1开孔并设置初级扬声器、次级扬声器和控制用传声器5各自所连接的导线，故在声场装置/圆柱管道声场1的管壁开孔处需使用热熔胶将其封闭。
展示装置设置于空腔外并通过导线与传声器(展示用传声器6)相连接，展示装置用于将采样信号转换为展示信号并进行展示。展示装置包括通过导线与展示用传声器6相连接的效果用耳机7、通过导线与展示用传声器6相连接的效果用上位机8。其中，效果用耳机7用于展示声音，效果用上位机8用于展示声音的波形。
控制器4设置于空腔外，并分别通过导线与初级声源2(初级扬声器)、次级声源3(次级扬声器)、控制用传声器5相连接。控制器4中集成主动噪声控制算法程序，其用于输出初级声源2所需的发声信号、基于展示用传声器6传来的采样信号生成次级扬声器所需的控制信号。
具体的，控制器4主要包括采样模块、DSP芯片(MCU)、输出转换模块和功率放大模块。采样模块与控制用传声器5相连接，用于将由控制仪传声器获得的采样信号进行A/D转换，转换为采样数字信号输出。DSP芯片中运行主动噪声控制算法程序，用于输出发声信号给初级声源2，还用于执行主动噪声控制算法程序从而基于采样数字信号生成数字控制信号。输出转换模块与DSP芯片相连接，用于将由DSP芯片获得的数字控制信号进行D/A转换，转换为模拟控制信号。功率放大模块与输出转换模块相连接，用于对模拟控制信号进行功率放大而输出控制信号给次级声源3。此外，控制器4还包括必要的电源模块，与其他各个组成部分相连接并为它们供电。控制器4还可以包括若干个外设接口，外设接口与DSP芯片相连接，并用于连接外设装置，如远程控制上位机等。
以上方案中，声场装置/圆柱管道声场1、初级声源2组成声场景模块，次级声源3、控制器4、控制用传声器5组成控制模块，展示用传声器6、效果用耳机7、效果用上位机8组成效果展示模块。
本用于教学演示的主动噪声控制系统作为一种教具，采用管道噪声有源控制，核心算法采用FXLMS，硬件平台采用DSP芯片模块，并集成AD转换，麦克风，扬声器和功率放大模块等，使用管道来模拟平面声场，管道一端的初级扬声器发出原始噪音信号，管壁上另外的次级扬声器发出解算后的声音信号来控制抵消噪声，在管道的另一端对抵消结果进行监控，效果将以听觉(耳机)和视觉(上位机图形界面)展示给学员。
当初级声源2产生的噪声频率小于管道截止频率时，将在管道内产生一维平面声场，用一维平面声场作为消声的对象有利于主动噪声控制系统原理的理解和控制效果的展现，而且管道噪声比较常见，广泛存在于社会生产生活，如汽车排气管，空调送、排风管等。本系统噪声声源频率的选择依据管道的截止频率，截止频率fC计算公式如下：
式(1)中，c0代表声音在空气中的传播速率，r表示圆柱管道声场1的半径，则可以根据以上原理设计出管道圆柱管道声场1的直径d。
在控制器4中，执行主动噪声控制算法程序(软件部分)，通过FXLMS算法实施主动噪声控制并输出相应的控制信号。软件部分主要完成两个任务：标定次级通道(次级扬声器到传声器(麦克风)的实际声通道)和主动噪声控制。
标定次级通道如附图5中虚线线路所示，DSP芯片控制次级扬声器发出白噪声作为次级回路和次级回路模型的激励，次级回路模型输出为：
其中，L为次级通道模型阶数，si为次级通道模型确定的传递函数。DSP芯片接收来自控制用传声器5的信号，转换成数字信号后经由LMS算法处理获得次级通道传递函数的参数：
si(n+1)＝si(n)+μeS(n)uS(n)(3)
其中，μ为算法更新的步长，此参数存储在DPS芯片的片上存储单元中以便后续使用。
主动噪声控制如附图5中实线线路所示，当主动噪声开始后，图5中的实线部分开始运行，DSP芯片发出初级声源2的窄带信号，并接收来自控制点处由控制用传声器5采集的声信号，经过FXLMS算法数字信号处理后发出次级声源3信号：
其中，M为滤波器结束，滤波-X信号为：
FXLMS滤波器权值更新系数计算如下：
W(n+1)＝W(n)-μe(n)Xf(n)(6)
基于上述原理，在主动消声效果展示时，该用于教学演示的主动噪声控制系统的操作过程主要如下：
1)连接声场装置/圆柱管道声场1(包括初级声源2、次级声源3)，控制器4和效果用上位机8等；
2)上电，打开效果用上位机8的演示界面；
3)开始演示：首先开始播放噪音，然后打开主动噪声控制开关播放主动控制声音，一段时间后关闭主动噪声控制开关，并关闭噪声；
4)通过效果用上位机8的图形界面观察上述演示过程，也可以使用效果用耳机7观察，分析采集到的数据。
通过上位机软件，如图6所示，不仅可以直接操作管道降噪系统的运行，还能直观的展现消噪前后的时域、频域效果。
按照以上方式完成主动消声管道和控制器4的设计后，实验室内实际的消声效果如图7所示。图7中曲线为消声前后对比，虚线前为原始噪声信号，虚线后为控制后的声音信号，其中横轴为时间，纵轴为传声器的返回值，在测试中，声音信号的幅值从1.3s前的0.053Pa逐步降低至1.4s之后的接近于0(含幅值0.0005Pa左右的噪声)。
鉴于目前教学演示用具在主动噪声控制领域的缺失，整个系统的设计并无参考性而言，本系统设计过程中涉及到了例如声电信号转换、干扰信号、环境噪声剔除、数字信号处理等技术难题，以及将结果形象化，效果最佳化等优化设计问题。本发明通过一套完整的主动消声系统生动形象的展示了主动噪声控制技术的关键所在，有助于初学者理解主动噪声控制的原理和能够达到的效果。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
