通过操纵特征声学模态对音调噪声进行主动噪声消除的制作方法

本公开总体上涉及封闭空间中的主动噪声消除。更具体地，本公开涉及通过主动消除对机舱内部的多个不同模态特征的声学响应来消除飞机机舱内的音调噪声。

背景技术：

1、本节提供与本公开相关的背景信息，该背景信息不一定是现有技术。

2、在飞行期间，喷气发动机产生的振动通过附接结构机械地耦合到飞机机身。如果不加以控制，这些振动将使机舱充满低频噪声，该低频噪声在机舱的越靠近发动机附接点的区域中往往越大。

3、当前的主动噪声消除技术通常以个人噪声消除头戴式耳机或耳塞式耳机的形式出现。它们的工作原理是在非常靠近佩戴者耳朵的点处感测环境噪声，并且在耳朵处注入与噪声频率反相180度的抵消声音。当然，如果佩戴者摘下头戴式耳机或耳塞式耳机设备，则会立即丧失噪声消除效果。一些人建议在座椅头枕中并入噪声消除扬声器系统，但是这种系统的效果不如头戴式耳机或耳塞式耳机，因为乘员仅通过移动头部，就可能极大地改变噪声声音与抵消声音的比例，从而降低噪声消除效果。

4、对于乘客而言，要求佩戴噪声消除头戴式耳机或就坐时将头部适当定位在噪声消除头枕上可能会成为令人讨厌的负担，尤其是在长途飞行中或在睡觉期间变换到不同舒适位置时。

5、常规的主动噪声消除算法依赖于使误差麦克风位置处(例如，耳朵附近)的噪声最小化。虽然这可以很好地消除头戴式耳机内的噪声，但是在像飞机机舱这样的封闭空间中，消除误差麦克风位置处的噪声可能会放大其他位置处的噪声。这使得常规的主动噪声消除算法对于像飞机机舱这样的封闭空间中的全局噪声消除无效。

技术实现思路

1、所公开的系统不是将噪声消除系统放置在每个乘客的头部上或附近，而是从完全不同的视角来处理这个问题。所公开的系统被设计为降低机舱的受影响区域中的整体噪声水平。其通过利用多个不同谐振模态如何表现的知识来做到这一点。具体地，所公开的系统采用处理器，该处理器接收位于空间内的特定物理位置处的传感器输入，在这些位置处，每个单独的模态图案都表现出最大振幅响应。线性系统的动态响应可以表征为其谐振模态的叠加。每个谐振模态在整个系统上都具有特征空间图案(模态形状)。通过控制感兴趣的频率范围内的所有谐振模态的响应，动态系统的响应被全局地减小。

2、当每个谐振模态以其独特的特征图案来回振荡时，振动结构或声学空间的某些部分表现出基本上没有运动。这些部分被称为波节点(nodal point)。某些其他部分表现出最大的振动运动。这些部分被称为波腹点(anti-nodal point)。所公开的系统将传感器放置在感兴趣的频率范围内的每个主导谐振模态的波腹点处或附近。通过这种方式，向处理器提供关于所有相关谐振模态相对于彼此如何表现的重要实时信息。这种相对行为可能相当复杂。不同的谐振模态不处于锁步同步。因此，每个模态的波腹点可能不会同时达到最大运动。

3、该系统包括一系列扬声器，其被定位和定向，使得其在控制感兴趣的频率范围内的每个谐振模态的声学能量方面具有最佳效果。扬声器精确地产生声音，以针对至少一个谐振模态消除或减少由其他噪声源产生的声音。在某些情况下，两个或更多个模态可能被同一空间区域内的其他噪声源以高声压级激发。在这些情况下，处理器可以向单个扬声器馈送具有频率内容的音频信号，该频率内容将基本上消除与共享该空间区域的每个模态响应相对应的噪声。在其他情况下，可以定位和定向单个扬声器以消除单个模态的响应。

4、在所有情况下，处理器单独地向每个扬声器提供特定的音频信号，其振幅、频率和相位经过计算，以消除其他源通过该空间区域中的特定谐振模态激发的噪声。

5、根据一个方面，通过在机舱内的预定位置处部署多个误差麦克风以产生与机舱中的发动机噪声相关联的误差麦克风响应信号来执行所公开的用于减少具有至少一个发动机的飞机的机舱中的发动机噪声的方法。此外，从至少一个参考传感器获得输入，该至少一个参考传感器耦合到由飞机携带的至少一个发动机。使用处理器通过编码矩阵将误差麦克风响应信号编码为机舱中的编码模态响应。使用处理器应用自适应滤波器以确定消除机舱中的编码模态响应所需的多个模态信号。使用处理器通过解码矩阵将模态信号解码为扬声器输入信号。前述处理器可以由单独的处理器设备来实现，或者它们的功能可以由单个处理器来执行。可以使用数字信号处理器和诸如现场可编程门阵列器件的门阵列电路。然后将扬声器输入信号发送到多个扬声器，以减少机舱中的发动机噪声。

6、根据另一个方面，公开了一种用于减少飞机机舱中的发动机噪声的主动噪声消除系统和方法。飞机机舱具有限定多个不同谐振模态的几何结构，每个谐振模态具有至少一个波腹。

7、机械地耦合到飞机的发动机振动传感器响应于发动机振动产生发动机振动信号。多个误差传感器在整个机舱中定位在与多个不同谐振模态的至少一个波腹相关的第一组预定位置处。多个误差传感器产生多个时变声压级信号。

8、多个扬声器在整个机舱中定位在与多个不同谐振模态的至少一个波腹相关的第二组预定位置处。

9、转换处理器被编程为接收时变声压级信号，并且产生由声压级信号携带的信息的模态表示作为与机舱的多个不同谐振模态中的每个谐振模态相对应的模态信号的矩阵。主动噪声消除处理器被编程为对模态信号进行操作，以计算馈送到多个扬声器中的每个扬声器的单独的噪声消除解决方案信号。

10、尽管该系统是为了消除发动机音调噪声而开发的，但是其也可以适应于消除机舱中的其他噪声。

技术特征：

1.一种用于减少飞机机舱中的发动机噪声的主动噪声消除系统，包括：

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一组预定位置各自靠近所述多个不同谐振模态中的至少一个谐振模态的波腹。

3.根据权利要求1所述的系统，其中从由以下模态组成的组中选择多个不同谐振模态：

4.根据权利要求1所述的系统，其中每个模态具有不同的特征频率。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述主动噪声消除处理器被编程为执行滤波-x最小均方(fxlms)算法、滤波-x归一化最小均方算法、滤波-x符号-误差最小均方算法、滤波-x符号-数据最小均方算法、滤波-x符号-符号最小均方算法、滤波-x递归最小均方算法或这些算法的修改版本。

6.一种用于减少具有至少一个发动机的飞机的机舱中的发动机噪声的方法，包括：

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述自适应滤波器基于fxlms算法、滤波-x归一化最小均方算法、滤波-x符号-误差最小均方算法、滤波-x符号-数据最小均方算法、滤波-x符号-符号最小均方算法、滤波-x递归最小均方算法或这些算法的修改版本。

8.根据权利要求6所述的方法，其中所述扬声器输入信号被放大以产生足以在声学上基本消除所述机舱中的所述编码模态响应的声压级。

9.根据权利要求6所述的方法，其中所述多个误差麦克风部署在与由所述机舱的几何结构限定的多个不同谐振模态的至少一个波腹相对应的预定位置处。

10.一种减少飞机的机舱中的发动机噪声的方法，包括：

11.根据权利要求10所述的方法，其中通过以下方式对所述多个时变声压级信号进行编码：

12.根据权利要求10所述的方法，还包括校准所述多个扬声器中的每个扬声器对每个模态的贡献。

13.根据权利要求12所述的方法，其中通过以下方式执行校准：

14.根据权利要求13所述的方法，还包括：

技术总结为了减少飞机的机舱中的发动机噪声，在机舱内的预定位置处部署多个误差麦克风，以产生与机舱中的发动机噪声相关联的误差麦克风响应信号。从耦合到飞机发动机的传感器获得发动机振动输入。使用处理器通过编码矩阵将误差麦克风响应信号编码为机舱中的编码模态响应。使用处理器应用自适应滤波器以确定消除机舱中的编码模态响应所需的多个模态信号。使用处理器通过解码矩阵将模态信号解码为扬声器输入信号。然后将扬声器输入信号发送到多个扬声器以减少机舱中的发动机噪声。技术研发人员：王彤安,B·G·库克,斯科特·博安南,吉姆·乔丹受保护的技术使用者：湾流航空航天公司技术研发日：技术公布日：2024/1/15