自适应有源噪声消除器研究设计

一、项目概述

1.1 引言

随着现代工业的发展,噪声污染已成为一个世界性的问题。长期以来,人们不断寻找噪声控制的有效方法。在传统噪声控制中,主要采用吸声材料、阻尼处理、结构消声等无源消声方法,这种方法虽然能够很好的消除高频噪声，但是对波长较长的低频噪声是不适用的，虽然低频噪声对生理的直接影响没有高频噪音那么明显，但是近来国内从事低频噪声研究的专家指出，低频噪音会引起头痛、失眠等神经官能症，更严重的影响了人们的健康，噪声污染的消除是一个急待解决的问题。

有没有一种能够既可以消除低频噪声又可以消除高频噪声的方法呢?经过查阅资料我们发现了一种全新的消噪理念--主动消噪：它通过采集噪声信号经移相，增益处理后释放与原声波振幅相同但相位相反的声波信号与原噪声相抵消，从而更有效的消除噪声，此方法不仅能消除高频噪声还能消除低频噪声，真正营造一个环保、舒适的环境，有利于人们更好的学习、工作和生活。

1.2 项目背景/选题动机

二十世纪二十年代,电子学的发展奠定了有源消声控制(ANC) 的基础,从而开辟了噪声控制的新领域。1933 年,德国的Paul Lueg 初步提出了ANC 的基本思想，即：在待控制的声场区域建立一个与待消除的声音强度相同、相位相反的声场(即次级声场———secondary sound field) ,利用波的干涉原理,人为造成声场的相消干涉,从而消除噪声。同时,Lueg 还指出了实现这一思想的可能性:"空气中的声速远小于电脉冲的速度,意味着当声波从它的检测点传到控制点时,在电子电路中有足够长的时间用于处理这个声信号和驱动控制单元,这段时间的富裕程度取决于噪声的类型、频率和系统的物理尺度"。70 年代以后,随着声学理论和控制理论的迅速发展,人们逐渐对有源消声控制的机理有了更深刻的理解。鉴于常见的噪声源大都具有强烈的时变特性,因此,在自适应理论日渐成熟后,人们开始探索自适应有源消声控制(AANC) 这一极具应用价值的新课题。AANC 以恰当的自适应算法自动调整次级声信号,确保次级声信号能有效地跟踪并抵消噪声信号,达到消除噪声目的。

虽然国内外也有一些人在研究这个课题，但是实际效果不甚理想，比如一些消噪耳机，但佩戴着耳机也会给生活带来一定的不便，戴的时间长了，人可能会感觉不舒服;在电路实现方面，我们选用AVR这一低功耗的芯片作为主控芯片，外加一些其他的辅助芯片元件。此设计与传统的以模拟信号处理实现反相，增益的电路相比功耗要低得多，与那些以单片机+DSP的电路相比要节省很多成本。

本系统示意图如下：

在某一区域内采集噪声信号，将其转换为电信号并送往处理电路，处理后能够通过喇叭放出与原噪声反相的噪声，并能够恰好在某一区域内噪声相互抵消，达到消除噪声的目的。此设备不仅适用于那些需要安静的场合，比如教室、图书馆、办公室、卧室、病房等;也同样适用于那些噪声很大，需要降低噪声的场合，比如大型工厂车间、嘈杂的菜市场、商场等。

本设计采用AVR高性能，低功耗单片机作为主控CPU，节能模式下电流在nA级别，节省能源，而且它的指令执行速度与数据吞吐量大，采用自适应算法--归一化最小均方算法，稳态误差小，收敛速度快，计算量相对其他算法较小。本系统相对传统的模拟电路消除噪声有着无可比拟的优点，内嵌的自适应算法进行自动校准，将误差控制在较小的范围之内，达到有效的消除噪声，营造一个环保，安静的环境。

二、需求分析

2.1 功能要求

通过收集噪声信号，经过处理后能够释放出与原噪声信号相位相反、幅度相同的噪声信号。当需要消噪的时候开启设备，由于系统本身对消除噪声的区域有一定的限制，所以采用多点布控的方法，在多个位置采集数据，让噪声消除区域最大化，白昼模式下，当声音超过50dB时，自动进行噪声消除;夜晚模式下，当声音超过30dB时，自动进行噪声消除。高标准模式下，当声音超过40dB时，自动进行噪声消除;在低标准模式下，当声音超过70dB时，自动进行噪声消除。

2.2 性能要求

1、系统各模块正常工作，稳定性较好，功耗较低在可容许范围之内;

2、在一定范围内，实现噪声的消除或降低;

3、通过按键实现模式的切换;

4、各模式能够实现相应的功能并达到相应的标准;

5、CPU计算性能强大，处理数据的速度快，减少延迟时间，保持原噪声和反相噪声同步。

6、实行多点布控是能够防止声音因为干涉而使空间内出现声音不均匀现象(一些区域声音强一些区域声音弱);

三、方案设计

3.1 系统功能实现原理

3.1.1技术特点：

任何系统都不可避免地受到噪声的影响，如何有效地消除和抑制噪声是多年来