一种对人耳实时定位的有源降噪头枕及其降噪方法

本发明涉及噪声控制领域，提出了一种对人耳实时定位的有源降噪头枕及其降噪方法。

背景技术：

1、传统的被动噪声控制技术(如吸声、隔声等)受限于重量、体积等因素，对低频声的控制能力不足。有源噪声控制(active noise control)技术配置灵活，可较好地实现低频声控制。

2、作为一种简单有效的实现方式，有源降噪头枕在汽车、飞机、火车、船舶座舱内的应用受到了重点关注。考虑到控制鲁棒性，有源降噪头枕通常采用前馈式结构控制，由参考传感器拾取结构振动或声信号反馈给控制器，控制器对参考信号进行滤波，输出控制信号激励次级扬声器发声，次级扬声器产生的声场与初始噪声场相叠加，实现噪声抑制。从原理上来说，有源降噪头枕属于局部降噪系统，形成的“静区”范围有限。elliott等人证明在扩散声场中“10db静区”(降噪量≥10db的区域)的直径为声波波长的1/10(elliott s j,phillip j,et al.,active cancellation at a point in a pure tone diffuse soundfield.journal of sound and vibration,1988,120:183-189.)。elliott等人的进一步研究表明：使用200hz～1khz的白噪声作为初级声场且人头处于标定位置不移动时，有源噪声控制系统将人耳处300hz～1khz范围内的声压级降低了20db；当人头产生14cm的偏移时，若不使用人头定位，有源降噪系统在人耳处300hz～600hz范围内的降低量仅为10db；若使用光学相机进行人头定位，并根据定位结果估计人耳所处的区域，调整有源噪声控制系统参数，则可将人耳处300hz～1khz范围内的降噪量提升至20db左右，证明了人头定位系统具有拓宽降噪频带、提升降噪量的作用(elliott s j,jung w,cheer j,head trackingextends local active control of broadband sound to higherfrequencies.scientific reports,2018,8(1):5403.)。

3、常用的人耳定位方法有超声波法、光电法、图像法等。超声波法会遮挡使用者的视线且易受环境干扰；图像法(例如专利cn201810900592.0、cn202010401900.2、cn202010399370.2)往往需要大量数据的预训练，且会侵犯驾乘人员的隐私；光电法研究中，han等通过红外测距探头来对人头进行定位，得到了水平面内的人头二维坐标，并应用于列车有源降噪头枕中，该研究仅适用于列车的卧铺平面,需要用多个传感器包围人头，无法直接获取人耳的位置(han r,wu m,chen g,et al.combination of robust algorithmand head-tracking for a feedforward active headrest[j].applied sciences,2019,9,1760.)。chang等应用红外成像技术，对人头位置进行分类，研究了应用于飞机座舱的有源降噪头枕，使用的红外热成像传感器定位精度有限且容易受到其它热源影响，无法直接定位人耳的位置(cheng y c,chia t c,sen m k,et al.multi-functional active noisecontrol system on headrest of airplane seat[j].mechanical systems and signalprocessing,2022,167.)。综上所述，虽然上述方法都可实现人头或人耳位置的估计，但各自都存在一定的缺点，实际应用中还急需一种可简便应用于有源降噪头枕的高精度人耳定位方法。

技术实现思路

1、针对有源降噪头枕应用中人头发生移动时双耳处降噪量比标准位置处降噪量低的问题，本发明提出了一种对人耳实时定位的有源降噪头枕及其降噪方法。

2、为实现上述发明目的，根据本发明的一个方面，提出了一种对人耳实时定位的有源降噪头枕，该有源降噪头枕包括红外雷达传感器、有源降噪控制器、参考传感器和次级声源，其中，红外雷达传感器安装在头枕上，用于扫描人头轮廓；参考传感器安装在噪声源附近，用于将噪声信号转化为电信号；次级声源用于产生次级声场；所述红外雷达传感器、参考传感器和次级声源分别与有源降噪控制器连接，所述有源降噪控制器根据人耳定位结果选择控制参数来控制次级声源。

3、进一步地，所述红外雷达传感器为单个或者多个。

4、进一步地，所述红外雷达传感器为线型激光雷达。

5、根据本发明的另一个方面，提供了一种对人耳实时定位的有源降噪头枕的降噪方法，该方法包括如下步骤：

6、(1)利用红外雷达传感器实时获取人耳的空间坐标，对人耳进行定位；

7、(2)根据步骤(1)的人耳定位结果由有源降噪控制器调用预先获得的控制参数；

8、(3)有源降噪控制器控制次级声源产生次级声场，并与初级声场叠加。

9、进一步地，所述步骤(1)中，对人耳进行定位的具体步骤为：利用红外雷达传感器扫描得到人头轮廓，使用预先获得长短轴的长度的椭圆模型，基于最小二乘法或梯度下降法对扫描的轮廓进行拟合，并将拟合得到的椭圆的中心坐标作为人头的中心位置，然后进行轮廓检测；当在轮廓上检测出不规则突起时，认定其为人耳，当在轮廓上无法检测出不规则突起时，将椭圆的短轴端点认定为人耳。

10、进一步地，所述步骤(1)中，预先获得长短轴的长度的椭圆模型具体步骤为：在有源降噪头枕工作之前，先将人头置于头枕前方，使人头处于红外雷达传感器的扫描范围内；然后启动有源降噪头枕，得到一组轮廓样本，基于该样本使用尺寸无约束的椭圆进行拟合，得到椭圆的长短轴的长度。

11、进一步地，所述步骤(1)中，实时获取人耳的空间坐标的具体步骤为：获得由nl个测点组成的人头一侧轮廓后，以椭圆的中心坐标(xh,yh)为原点，以头枕正方向为0°基准线，构建极坐标系，轮廓上各点的坐标为其中1≤i≤nl，根据角度将轮廓划分为m个子集，每个子集包含一段轮廓，第k个子集表示为

12、

13、其中为每个子集覆盖的角度区间大小，为相邻两个子集之间的角度偏移，当时，相邻子集之间存在交叠，根据划分结果，计算各个子集的径向极差，第k个子集的径向极差为

14、dk＝max{pk}-min{pk}，

15、其中max{pk}和max{pk}分别表示子集pk中各点到原点(xh,yh)的最远距离和最短距离，则径向极差最大的子集即为包含人耳的子集，将其中距离原点最远的一点的坐标作为人耳的坐标。

16、进一步地，所述步骤(2)中，预先获得的控制参数的具体步骤为：保持人耳与红外雷达传感器在同一水平面内，改变人头的中心位置和水平旋转角，在双耳处布置误差传声器，使用wiener滤波或自适应滤波算法计算有源降噪的控制滤波器系数，并在有源降噪控制器中存储计算结果。

17、本发明基于红外雷达提出一种对人耳实时定位的有源降噪头枕，具有以下有益效果：

18、(1)红外雷达是一种基于红外光反射的雷达传感器，其具有扫描前方物体轮廓并测距的功能，是光电法的一种实施方案，相对现有的超声波法，其精度更高，受环境影响更小，无需在人头前方布置传感器，不会遮挡视线；

19、(2)相对于现有图像法，本发明的方法不会侵犯使用者的隐私，适用场景更广；

20、(3)相对于现有的基于红外测距传感器的光电法，本发明的空间采样率更高，信息量更大，这是因为现有的基于红外测距传感器的方法中，单个测距传感器仅能得到正前方物体上一个点的坐标；而单个红外雷达可以一次性扫描得到探测角度内多点的坐标，使用相同数量的传感器时，红外雷达系统能采样得到的空间点数远大于测距传感器系统；

21、(4)总之，本发明根据人耳定位结果调用预存的控制参数改善人头移动后的降噪效果，其算法运算量小，准确度高、受环境影响小、不侵犯隐私，对使用者头部在一定范围内移动可实现更好的主动降噪效果，可以提升有源降噪头枕的降噪量。