基于耳机的主动噪声控制算法研究

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主动噪声控制(Active noise control,ANC),亦称有源噪声控制,是一种通过电子电路激励声源实现对环境噪声抑制作用的技术。其相对于传统的被动隔声技术有着体积小、低频控制能力强等优势。主动噪声控制技术经历了从传统的模拟电路时代到高性能数字化时代的变革,相关的技术和应用有了一定程度的突破。常见的主动噪声控制应用场景主要有头靠、头枕、管道和耳机等,其中主动降噪耳机作为常用的消费电子类产品,具有较高的便携性,能够实现在任意日常环境中的局部噪声防控。  针对主动降噪耳机中的实际应用问题,本文研究了现有主动噪声控制算法存在的问题并提出解决方案,主要研究内容包括:  (1)研究并实现了应用于耳机的ANC前馈、反馈和混合控制固定系数数字滤波器设计方法,讨论了前馈控制模式存在的次级声反馈问题和反馈控制模式对耳机音频信号频率响应的损伤问题及解决方案。实现了基于滤波-x最小均方(Filtered-x least mean square,FxLMS)算法的前馈、反馈控制模式的自适应ANC算法,讨论了其相对于固定系数滤波器的优缺点。通过自主研发的实验平台对以上主动降噪耳机方案进行了实验测试,验证了各种方案的降噪性能。  (2)提出了权重滤波误差信号FxLMS算法。针对系统因果性不足时基于传统FxLMS算法的前馈自适应主动降噪耳机在宽带噪声环境下普遍存在的高频噪声抬升问题,所提算法在传统算法基础上引入了权重滤波器,通过增加误差信号高频部分权重起到着重抑制高频噪声抬升问题的作用。为保证耳机的低频降噪量,本文将固定系数混合控制器与该算法结合,实现了良好的降噪效果。通过实验将所提方案与多种已有方案进行对比,验证了其在多种噪声环境下良好的降噪性能。  (3)提出了一种无误差传声器的自适应主动降噪方法。针对传统主动降噪耳机中误差传声器引入的系统稳定性不足、耳机音频信号频率响应损伤、耳机硬件结构复杂等问题,该方法利用虚拟传声器技术估计人耳处噪声信号,搭载两个自适应滤波器,实现了与传统前馈、反馈混合控制自适应主动降噪耳机相似的降噪效果。通过实验验证了其良好的降噪性能以及对稳定性问题和频响损伤问题的改善。  本文对主动噪声控制算法在耳机中的应用问题进行了较为系统的介绍和研究,基于已有的研究工作提出了改进方案,对主动降噪耳机的设计与实现有一定的参考价值。
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