基于数字编码实现频率可调的多功能单向智能隔声装置

本发明涉及到声音降噪，特别涉及单向隔声装置。

背景技术：

1、人们的生活环境中充满了各种噪声，如交通噪声、机械噪声、邻里噪声等，导致隔音一直是声学工程领域的重要课题。目前隔音器的结构复杂，并且结构不可重构，导致只可适应特定某种场景的隔声，环境适应性差，适用范围窄。除此之外，部分隔声设备在阻止声音的同时也隔绝了空气的流动，无法满足通风的需求。实际上，现实中的噪声频谱是非常复杂的，因为不同的声源具有不同的特征频率。

2、为了实现隔声，人们采想了很多办法，其中，复旦大学申请了“超薄超稀疏的全向性通风隔声屏障，授权公告号(cn217061423u)”的专利，并在2022.7.26日得以授权。该专利提出的隔声器结构由多个隔声单元组成，隔声单元的几何参数对应于待阻隔的声波的目标频率及带宽。该专利的全向性通风隔声屏障具有深亚波长结构尺寸、超轻超稀疏、高隔声率、高通风率、全向性隔声、可定制化隔声等优势。根据该专利提供的实施案例，隔声器的隔声频率仅为1000-1100hz，尽管调节隔声单元几何参数可以实现目标频率的改变，但是其几何结构不能任意调整，不具有智能隔声的特点。

3、此外西安建筑科技大学申请了“一种基于声学黑洞效应的隔声吸声结构，授权公告号(cn217467983u)”的专利，并在2022.9.20日得以授权。该专利通过在主体板身上开设同圆心的环形槽和半球形槽，在主体板身上形成声学黑洞效应，将由空气声波入射激发产生的结构内部弹性波聚集在声学黑洞结构最小厚度区域附件，并通过阻尼层及时吸收耗散聚集的能量，从而达到吸声与隔声同时的目的。

4、上述现有技术均只能够实现隔声，但是无法实现单向隔声，当需要隔离一方的声音而输入另一方的声音时，则无法适用。

5、另外，请参阅图1，现有隔声装置示意图：图1是隔声装置的剖面图，port1和port2为隔声装置的左右两端，左侧上面和右侧下面的两条线表示入射信号，左侧下面和右侧上面的两条线表示透射信号。中间是隔声装置部件。探测器位于位置xp，喇叭位于位置xs，探测器和喇叭相距d。现有隔声装置的工作过程：位置xs的压力源发出的压力等于g(ω)p(xp)，其中g(ω)是控制器增益，ω是信号频率，p(xp)是在位置xp处的探头测量的压力。进入系统的波要么衰减，如图1中的右侧上方图示，要么放大，如图1中的左侧下方图示，这取决于它们的入射方向。

6、现有隔声装置的工作原理如下：

7、亥姆霍兹共振方程：

8、

9、其中c是声速，p(x)是位于x处的声压，δx喇叭与探测器之间的距离。

10、系统对应的散射矩阵如下：

11、

12、s是散射矩阵，s11代表port1端的反射系数，s12代表port2端的透射系数，s21代表port1端的透射系数，s22代表port2端的反射系数，g＝g(ω)*δx是增益因子，ejk是相位变量。

13、现有的技术手段不能实现频率的自动可调，虽然可以通过调节系统的增益函数g(ω)，但是一个增益装置，只能实现一种单向隔声情况，不能适应复杂的环境。

14、综上，目前隔音器的结构复杂，并且结构不可重构，导致只可适应特定某种场景的隔声，环境适应性差，适用范围窄。除此之外，部分隔声设备在阻止声音的同时也隔绝了空气的流动，无法满足通风的需求。实际上，现实中的噪声频谱是非常复杂的，因为不同的声源具有不同的特征频率。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于如何实现能够不影响通风的前提下实现适应复杂环境的单向隔声。

2、本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：一种基于数字编码实现频率可调的多功能单向智能隔声装置，其特征在于：包括隔声装置本体、探测器d、第一控制芯片mc1、第二控制芯片mc2、喇叭s，探测器d、第一控制芯片mc1、第二控制芯片mc2、喇叭s均安装在隔声装置本体上，d与s的距离为d，探测器d的输出端连接第一控制芯片mc1和第二控制芯片mc2，第一控制芯片mc1的输出端连接到第二控制芯片mc2，第二控制芯片mc2的输出端连接到喇叭s，隔声装置本体的左右两端作为信号的入射端口，探测器d探测到入射信号时，同时传给第一控制芯片mc1和第二控制芯片mc2，第一控制芯片mc1做fft运算，经过fft运算得到入射信号的频率fs，频率fs传递给第二控制芯片mc2，第二控制芯片mc2将内部洛伦兹共振模型的共振频率fres改成fs，从而第二控制芯片mc2的卷积结果信号与原入射信号相位相反，干涉相消实现隔声。

3、作为优选的技术方案，探测器d与喇叭s安装在隔声装置本体上开设的孔内，第一控制芯片mc1、第二控制芯片mc2附着在隔声装置本体上。

4、作为优选的技术方案，所述第一控制芯片mc1经过fft运算得到入射信号的频率fs的过程如下：

5、给出一个频率为fs离散正弦信号x[n]，采样点数为n个，采样频率也为nkhz，根据采样定理知采样频率大于信号频率2倍，接下来进行快速傅里叶变换：

6、

7、得到具有n个复数的信号频谱x[k]，每一个复数值包含着一个特定频率的信息，先求出全部n个复数的绝对值|x[k]|，随后将|x[k]|归一化：得到信号频谱x[k]的各个频率分量的振幅，接下来，开始进行频率计算，傅里叶快速变换后的第x个复数值对应的实际频率为：x从0开始，这种情况下，

8、第0个点的频率f(0)＝0

9、第1个点的频率f(1)＝1

10、第2个点的频率f(2)＝2

11、只有0～n/2这一半的频率是有效的，至此，得到信号频谱信息中的振幅和其对应的频率分量，其中振幅最大处所对应的频率分量就是信号的实际频率fs。

12、作为优选的技术方案，洛伦兹共振的频域形式：g是共振强度，fres和γ是共振频率和线宽，θ′是相位旋转因子，根据洛伦兹共振模型的原理可知，当θ′＝0时，当入射信号的频率fs在共振频率fres附近时，卷积输出的信号相位与背景入射信号相反，根据干涉相消的原理可知，此时的透射信号较小，达到隔声目的。对于来自波导左端口的入射波pinl，正向散射波(定义沿入射方向传播的散射波为正向散射波)与入射波pinl相比有一个相位差同理来自右端口的入射波pinr，正向散射波与入射波pinr相比有一个相位差

13、作为优选的技术方案，隔声装置本体的左右两端的透射系数如下：

14、pinl是波导左边入射信号，poutr是波导右边透射信号，poutl是波导左边透射信号，pinr是右边波导的入射信号，ls，rs为左右两边的声源，

15、喇叭s的声音信号源：s(f)＝y(f)*d(f) (1)

16、探测器d的声压：d(f)＝pinle-iφ/2+pinreiφ/2+seiφ (2)

17、联立(1)，(2)可得：

18、poutr的压力场：

19、poutl的压力场：

20、当ls工作时：假设pinr＝0，则透射系数tr：

21、当rs工作时：假设pinl＝0，则透射率tl：

22、根据上述推导，得到对应的左边、右边透射系数tl，tr为：

23、

24、参考平面设置在探测器d和喇叭s之间的中心，空间相位φ＝kd，k＝2πf/c，c＝343m/s为空气中的声速。

25、作为优选的技术方案，用透射率t＝|t(f)|2来描述装置两端的透射性质，隔离因子if＝|10lgtr/tl|被引入用来描述装置的非互易程度，隔离因子越大，非互易程度越高，d和s之间的空间距离d的确定过程如下：

26、研究频段为750-1250hz，共振频率fres＝1khz，取在中间便于研究，共振频率波长将γ＝2π 10hz，g＝2π 30hz，赋一个常规数值；

27、当空间距离d＝0时tl(f)＝tr(f)，隔离因子if＝0，装置不具有非互易性，当d＝0.2λres至0.8λres时，在共振频率附近，其隔离因子有两个峰值，当d＝λres时，隔离因子较小，非互易程度较低；

28、从非互易程度和亚波长角度考虑，定义d＝0.2λres＝6.86cm。

29、作为优选的技术方案，不同的相位旋转因子θ对装置的t和if的影响判断过程如下：

30、当相位旋转因子θ′分别为-0.5π，0时，不同的相位旋转因子θ对装置的透射率有着较大的影响，它们呈现着完全不同的性质，只有当θ′＝0时if有一个峰值，是12.5db在共振频率点处，切合应用场景，即θ′＝0。

31、作为优选的技术方案，所述喇叭s和探测器d位置固定。

32、或者，所述喇叭s和探测器d位置能够互换，实现相反方向的隔声。

33、进一步的，所述喇叭s和探测器d位置能够通过电机带动旋转机构实现自动切换。

34、本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

35、1.智能隔声：通过给装置添加一个fft测频模块，使装置可以自动感知外界噪音频率，自适应隔声。

36、2.三种不同工作模式：通过改变探测器和喇叭的空间位置，会使装置工作在不同模式，具有不同的功能。