用于开放式流体管道的主动声音消除系统的制作方法

本发明涉及一种主动声音消除系统，一种包括这种主动声音消除系统的开放式流体管道，诸如空气管道，以及一种包括用于操作这种主动声音消除系统的指令的主动声音消除计算机程序。所述主动声音消除系统显著降低了噪声。

背景技术：

1、本发明涉及声音消除，并且具体地涉及噪声消除。噪声是一种通常不需要的声音形式。声音被认为是通过流体、气体、液体或固体等传输介质以声波形式传播的振动。人类和动物都能感知声音。声音是大脑对此类波的接收及其感知。只有频率介于约20hz与约20khz之间的声波(通常被称为音频范围)才能被人类感知。不同的动物物种有不同的听觉范围，例如狗能够感知介于10hz至35khz范围内的声音，而蝙蝠甚至可以感知介于100hz至100khz范围内的声音。

2、声音可以作为纵波通过空气、水或固体等介质传播。声源在周围介质中产生振动。当声源继续使介质振动时，振动以声速远离声源传播，从而形成声波。声压是给定介质中的平均局部压力与声波压力之间的差。尽管可以使用单位pa，但通常使用对数单位db。对于单位db，使用参考声压。标准ansi s1.1-1994中定义的常用参考声压在空气中为20μpa，而在水中为1μpa。对于本技术，所述参考值通常分别是水或空气的参考值。

3、如前所述，噪声是不需要的声音。对于人类和动物来说，它通常被感知为不愉快。噪声与所需要的声音无法直接区分，因为两者都与通过空气或水等介质的振动有关。然而，在当前情况下，例如当考虑管道时，任何声音都可能被认为是不需要的，因此被认为是噪声。噪声通常可以在一定频率范围内分布。声学噪声是声学领域中的任何声音，无论是故意的还是偶然的；在本案中主要是无意的。

4、由于暴露于噪声与多种负面健康结果相关联，因此目标是降低噪声，尤其在流体管道中。噪声与听力损失、高血压、缺血性心脏病、睡眠障碍、受伤、表现下降、烦恼、精神疾病以及对社会心理健康的影响相关联。因此，噪声暴露越来越被认为是公共卫生问题，特别是在职业环境中。

5、可以使用耳塞等，但它们在中频和高频时的声音降低有限。同样，可以使用与环境的被动声音隔离，诸如耳机，但这些功能在较低(低音)声音范围内效果最好，而在较高范围内主动声音降低方面受到限制。

6、可以依赖一些现有技术。us2021/092532a1叙述了一种耳道内助听器、一对所述助听器以及所述助听器的用途。这种助听器旨在改善听力或助听。它通常涉及能够变换声音的电声装置，从而降低噪声并且通常放大音频频谱的某些部分。此外，助听器等可以改善声音的方向感。us4044203a叙述了沿着管道传播穿过包含在管道中的流体的声波，该声波通过从沿着管道间隔开的声源阵列产生声波而衰减。每个源产生在相对方向上传播的两个波；与不需要的波在相同上方向行进的那些波一起提供对不需要的波产生破坏性干扰的合力，而在相对方向上行进的那些波一起提供可忽略不计的合力。源阵列可以响应于检测到不需要的波来操作。us5382134a叙述了一种用于飞机发动机主动噪声消除系统的噪声源，其中，噪声辐射元件的谐振频率被调谐以允许在宽频率范围内消除噪声。噪声辐射元件的谐振频率通过接触噪声辐射元件的多个力传递机构来调谐。每个力传递机构包括可膨胀元件和弹簧，所述弹簧与噪声辐射元件接触，使得元件的激励改变施加至噪声辐射元件的弹簧力。这些元件由控制器致动，该控制器接收与噪声辐射元件的位移成比例的信号和对应于发动机风扇的叶片通过频率的信号的输入。作为响应，控制器确定被发送至元件的控制信号并且导致被施加至噪声辐射元件的弹簧力改变。力传递机构可以被布置成在噪声辐射元件中产生弯曲或线性刚度变化。

7、本发明具体涉及一种改进的主动声音消除系统及其各个方面，该系统克服了上述缺点中的一个或多个，而不损害功能和优点。

技术实现思路

1、本发明在第一方面中涉及一种主动声音消除系统，该主动声音消除系统可以被视为多输入多输出系统，在第二方面中涉及一种包括这种主动声音消除系统的开放式流体管道，诸如空气管道，并且在第三方面中涉及一种包括用于操作这种主动声音消除系统的指令的主动声音消除计算机程序。所述主动声音消除系统显著降低了噪声。与例如耳机和耳塞相比，本发明的主动声音消除系统在整个频率范围内提供更好的声音降低(参见例如图6)。

2、用于开放式流体管道的本发明主动声音消除系统包括载体，所述载体包括：至少一个固定器，用于将所述载体固定至所述管道；ns x ms个音频传感器和na x ma个音频致动器的至少一个轴向阵列，其中，在布置在阵列中的传感器和/或致动器的此情况下，所述阵列通常是规则或不规则的二维图案(在在x方向和y方向上)，因此存在多个输入(传感器)和多个输出(致动器)，其中，传感器和致动器通常分布在空间中，例如遍及所述管道的纵向轴线，并且其中，对于传感器和致动器，术语“音频”可以包括超声域的至少一部分，其中，各自单独地，na,s 2并且ma,s 1，其中，ns个传感器和na个致动器平行于所述管道的轴线，具体地其中，na,s[3,210]，更具体地，na,s[4,28]，甚至更具体地，na,s[6,26]，诸如na,s[8,24]，并且其中，ma,s[2,26]，更具体地，ma,s[3,25]，甚至更具体地，ma,s[4,24]，诸如ma,s[6,8]，因此其中，大量传感器和致动器原则上是可能的，诸如取决于所述管道中的声音生成、所述管道的大小以及声压级，其中，所述致动器的功率或类似地压力级别可以适应于所述管道中的压力级别，因此设想更大和更小的致动器，其中，每个单独的致动器优选地沿着所述声音消除系统的水平轴线与至少一个单独的传感器相邻；至少一个声音消除控制器，其中，所述至少一个声音消除控制器被配置为从至少一个传感器阵列接收音频输入，被配置为处理所述音频输入，并且被配置为向所述至少一个致动器阵列提供输出，其中，所述输出激活所述致动器以降低10hz至100khz的频域中的声音，其中，所述至少一个声音消除控制器优选地是可适应的。所述水平轴线可以被认为是声音传播的主轴线。通常，传感器和致动器可以成对提供，诸如图2b所示，但也可以考虑传感器/致动器/传感器的三元组，等等。认为在100khz以上，大多数动物和人类都无法感知声音，因此不需要直接消除声音。本发明的声音消除提供了多功能性，例如考虑到以下方面：单个或多个阵列元件的可能配置、一系列可能的应用、管道系统的一系列可能的配置、在流体流动方向上的管道中的应用、或在静止流体中不存在流动的情况下，通常在各个点(诸如管道中的出口、入口、分支和任意点)处进行良好的控制。考虑到提供降低和大范围的频率降低方面的性能改进，具体地通过本发明系统的多输入多输出，以及考虑到鲁棒性，对流体性质的变化具有更大的容忍度，提供了对流体特性(例如密度和温度)变化的更大容忍度以及对系统组件和anc组件(管道组件和阵列)的位置的容忍度。在使用过去实践精心设计的示例125mm系统中，mimo解决方案可提供至少6dbspl改进，并且对于使用先前技术的未优化解决方案，更典型地提供10db甚至20db spl改进。下一步已经达到了22db，而现在已经达到了40db。与现有技术相比，发现这已经是对管道直径的10％的放置变化的敏感性，当管道和阵列元件与设计位置相比变化管道直径的50％至100％时，会产生潜在显著影响。目前的mimo方法将布局敏感性降低了至少2倍，更典型地5倍。间接的益处是降低实现噪声性能的成本和减小系统尺寸，例如可以在不增加噪声的情况下增加气流。效率、执行力、可观测性和可控性也得到提高。第一致动器的声音消除中的缺陷也可以由后续传感器观测到，并且至少部分地由后续致动器或反馈来校正以校正相同的致动器。尽管本发明主动声音消除系统特别适合在声学上开放的管道中使用，但它也适合在声学上半开放或部分开放的管道及其组合中使用。

3、关于管道，注意到以下非限制性陈述。管道可以具有分支并且通常可以具有多个开口和封闭端并且可以包括半封闭端。它们沿着管道长度可能是不规则的。它们可能具有不规则的横截面和截面之间不规则的3d过渡。管道可以是不规则3d形状之间的一系列过渡(如在耳道中)。开口远大于平均直径的圆锥形或喇叭形结构也被视为管道。噪声降低目标可以是最小化单个点的噪声，也可以是最小化跨体积分布的多个点的噪声。根据应用，噪声干扰可能是内部的或外部的。噪声干扰通常可能有多个来源(特别是如果干扰位于管道系统外部)。

4、示例涉及例如耳道，其中，干扰可能与外部声音有关。声音降低涉及端点(鼓膜)或近端点(与鼓膜相邻的耳道体积)降低，通常为了最有效的声音降低而优化和/或最大化。或者涉及通风管道，其中，来自风扇、阀门、气流声效应、气流振动效应的内部干扰。外部干扰可能来自通过终端点的耦合声音(例如：来自相邻房间的声音)。声音降低的目的是降低噪声。或者涉及排气或进气系统，其中，存在来自机械和气流的内部干扰。外部干扰来自孔口处的气流。孔口处的噪声最小化。

5、本发明人使用轴向阵列。通常，轴向遵循与所实现的噪声消除应用相关的声音传播方向。管道和声音都不被限制在直线上——声音将沿着管道传播。形成阵列的声音元件通常沿着此声音路径在空间上分离。所述声音元件本身可以位于以该轴向距离正交的平面上的任何位置。它们还可以与正交平面不同，以考虑该区域的管道几何形状、优化声音延迟或简化安装或固定。轴向路径可以是管道的一侧或中心轴线或与这些路径对准并且位于声音干扰源与噪声控制点或区域之间的任何其他路径。可以优化阵列中元件的灵敏度以覆盖特定的频率范围，从而克服实际的设计问题，诸如可观测性和可控性、系统非线性的不需要的放大、根据横截面积定制的装置放置。对于spl的db，低频单元往往较大，从而需要更大的体积，而高频单元较小，从而需要较小的体积；并且具有所需的模型精度。选择更多的高频致动器和更少的低频致动器以有效地覆盖广泛的频谱。

6、轴向位置处的(阵列的)每个声音感测元件可以由一个或多个麦克风(声压检测器)组成。这些麦克风可以用于提供高阶模式(特别是在管道中)的感测数据，以提供多个麦克风的平均值(以降低对高阶模式的灵敏度)并且检测声音的方向。它们还可以服务于特定的控制器相关目的，以确保因果关系或提供本地反馈。

7、可以在分布在正交或非正交平面上方的标称轴向位置处提供多个麦克风，从而提供跨平面的平均声压的选项，这对于降低系统对高阶声学模式的敏感度可能是有用的。

8、可以使用因果麦克风，它们也可以与致动器阵列元件相关联。因果麦克风与扬声器相关联，并且在轴向方向上放置在致动器前面，朝向声音干扰。理想情况下，所述麦克风尽可能靠近所述扬声器放置，同时仍确保传感器输入的变化可以直接导致致动器输出的变化。声音从麦克风传播至扬声器所需的时间比控制器对所述麦克风做出反应并且更改扬声器输出所需的时间要长。系统采样率占主导地位，其次是滤波器延迟。也可以使用致动器反馈麦克风。与致动器紧密耦合的本地传感器提供有用的反馈数据以使致动器输出线性化。示例可以是声学传感器、位置传感器、通量传感器、电容传感器等。也可以使用定向麦克风。它们可以用于实现上述麦克风中的通用麦克风、因果麦克风和本地反馈麦克风。对于声音方向，单个阵列元件可以由沿轴向(和正交平面)间隔开并且间隔与系统采样率相关的距离的至少两个麦克风组成。尽管轴向分离，但它们的组合功能是由它们的轴向位置和它们之间的轴向距离决定的。

9、在本发明中可以使用换能器。换能器可以是动圈、平衡电枢、压电效应、mems、静电、热声等。轴向位置处的致动器元件(通常)可以使用m个致动器的阵列来实现，例如就像在单个封装中包含3x2阵列的xmem一样。m个单元的阵列还可以被配置为横跨与轴向方向正交的平面或偏离正交平面，以考虑局部结构、固定和声学定相优化。

10、m个致动器阵列可能有助于正确地覆盖多个换能器的频率范围(低频、中频、高频)，并且有助于对抗高阶声学模式(特别是在hvac管道中)。

11、阵列中的不同位置处的致动器可以覆盖不同的频率。致动器元件可以包括实用的附加传感器(因果麦克风或本地反馈麦克风)。致动器可以是定向的或全向的。致动器的示例是全向球形致动器(压电球体)、带后部体积的定向动圈、带后部体积的mems以及不带后部体积的(石墨烯)热声器。

12、本发明的至少一个声音消除控制器可以包括计算机指令或算法。基本控制器实现方式的目的可能是确保反馈路径被足够准确地建模，以最小化反馈控制的要求。这可以通过开发与实际反馈路径相匹配的内部模型来实现。当内部模型与反馈路径完全匹配时，仅需要前馈控制即可实现高性能。在前馈模式中，控制本质上是稳定的，可以最小化控制工作量，从而减少控制动作和增加电池寿命，并且可以最小化计算资源。所述算法可以可选地被实现为具有计算优势的状态空间系统。所述算法中的矩阵平移和旋转最小化运行所述算法所需的计算能力。元件的阵列分布观测和后续控制操作。这克服了声学可观测性和可控性问题，在特定频率下提供非线性增益，并且克服了致动器尺寸限制和致动器声压级限制。有时可能需要校准，例如在设计过程中、在更改组件或放置(包括插入耳戴设备)之后，以跟踪环境影响并且跟踪组件和系统在整个生命周期内的漂移。校准过程可以被自适应过程取代。自适应过程可以用于优化性能，诸如其方式为更新反馈路径；优化的反馈路径将消除对反馈控制的需要，并且显著减少控制工作量，从而保持电池寿命；其方式为更新前向路径模型来提高性能；并且目的是考虑神经声学而提供另一个级别的个性化。

13、应当注意，术语“致动器”与“换能器”可以互换使用。认为换能器并不总是致动器，而致动器始终是换能器，因此这些术语不能完全互换。换能器被认为传输或转换能量，而致动器被配置为移动物体。同样，扬声器被认为是将电能转换为声能；它使空气振动但不移动空气。致动器还将电能转换为动能，并且将移动阀门。

14、在第二方面中，本发明涉及一种包括根据本发明的主动声音消除系统的开放式流体管道，其中，所述流体管道优选地为空气管道，具体地选自以下各项：通风管道；泵；加热装置；冷却装置；窗户；排气装置；船的电机；重型发动机的电机；内燃吸气式发动机，诸如内燃吸气式喷气发动机；喷气发动机，诸如涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、冲压发动机和脉冲喷射器；以及管线。所述开放管道至少没有完全阻塞，并且通常遍及所述管道的横截面大部分或完全开放，因此开放。流体可以基本上不受阻碍地通过。另一方面，从声学角度，未阻塞的末端可被认为在声学上不是开放的，因为虽然空气可以流动，但所述末端通常具有挡板或部分阻塞(有时用于限制/平衡流动，有时用于重新引导流动)。这些在声学上部分地具有阻塞性，因此可以被认为在声学上不完全开放。

15、在第三方面中，本发明涉及一种主动声音消除计算机程序，包括用于操作根据本发明的主动声音消除系统的指令，所述指令使计算机执行以下步骤：激活所述至少一个传感器；从所述至少一个传感器接收输入，所述输入包括声谱信息和声压信息；激活所述至少一个致动器，由此对于至少一个声音频率降低所述管道中的声压。

16、由此，本发明提供了一种针对一个或多个上述问题的解决方案。

17、在整个说明书中详细描述了本说明书的优点。对附图的参考不是限制性的，并且仅旨在指导本领域技术人员了解本发明的细节。