亚当厨师,Mathworks
主动噪声控制(ANC),也被称为主动噪声消除,试图用破坏性干扰消除不需要的声音。ANC系统使用自适应数字滤波来合成与不需要的信号振幅相同但相位相反的声波。本视频首先回顾了非国大的基本原则。然后展示如何使用Simulink万博1manbetx®设计和模拟ANC系统,使用过滤器X NLMS自适应滤波器取消管道模型内的噪声。最后,您将了解如何使用现实世界的管道管道和配备有超低延迟操作系统和超低延迟A / D和D / A转换器的Speedgoat实时音频机来实现ANC系统。视频显示如何使用自动C代码生成从仿真模型到实时原型。
探索这个视频中使用的例子:使用Simulink实时的自适应噪声控制万博1manbetx.
你是否曾经想过,耳机、汽车和暖通空调系统等主动噪声消除系统是如何被开发和原型化的?
让我向您展示使用Matlab,Simulink和Speedgoat实时目标机器的万博1manbetx原型。
使用一些简单的PVC管,该系统模拟了可能用于HVAC管道的噪声消除系统的类型。
让我们谈谈我们是如何开发这个系统的。
主动噪声消除的主体是当音频波以确切的逆求和时,所得到的波形为零。
那么,如何产生与原始噪声源完全相反的波形呢?
当然,这并不是微不足道的。然而,使用一些声学和信号处理的基本原理,我们可以设计一个系统,使我们非常满意的消除结果。
考虑我们PVC管模型的这张图。我们模型中的噪声源是PVC管一端的扬声器。噪音消除,或“抗噪音”的来源是另一个扬声器通过一个肘关节连接。
这是我们的动画与我们真实世界PVC管道模型的方式。
除了噪声和抗噪声源之外,我们的系统还使用两个测量麦克风。第一个测量麦克风是我们的“参考麦克风”。这将记录靠近其原点的噪声源。
第二个测量麦克风叫做“误差麦克风”。它被放置在PVC管的输出端。这个麦克风就在噪声消除将要发生的地方。
所以,如果“反噪声”信号只是噪声源的倒数,为什么我们不能逆变参考麦克风信号并播放扬声器?原因是噪声源将从其原点到管道的末端向下传播到路径。我们用“错误麦克风”测量管道末端的音频信号。当信号传播时,管道用作改变噪声声音的滤波器。噪声的传播路径从其原点到管末端的噪声称为“主路径”。
我们可以通过使用“自适应滤波器”算法来确定这个“主路径”滤波器的特性。这个滤波器将适应,直到它学会了提供这个滤波器的数字表示的滤波器权重。
我们用来更新滤波器权重的更新算法称为“归一化LMS”。
但是等等,抗噪扬声器也有自己的传播路径!我们还必须考虑到这条道路。从防噪扬声器到错误话筒的传播路径称为“次级路径”。在NLMS更新之前,我们在我们的系统中包含了对该次路径的估计。
那么,我们现在结束了吗?不!最后要考虑的路径是从抗噪声扬声器到噪声参考麦克风的反馈路径。我们需要从参考麦克风中减去抗噪声信号,否则我们会有一个连续的反馈循环,这将导致不正确的结果。
好了,现在我们准备好模拟了。使用Simulink,我们创建了真实PVC管系统和有源万博1manbetx噪声消除算法的仿真模型。
该模型允许我们使用快速原型环境来模拟现实系统。
例如,在该模型中,我们使用等效数字滤波器模拟主要和次要传播路径。此外,我们还用求和块模拟了噪声和抗噪声信号的声学求和。
现在,任何开发实时音频硬件系统的人都知道可能会有不便和技术困难,这些困难通常会妨碍关注算法。关于这种方法的伟大事项是,我们可以在没有硬件的情况下开始关闭,测试/调试算法,然后用真实世界等同物替换我们的算法的模拟部分一旦我们有信心运行。
此工作流通常称为基于模型的设计。
当我们在仿真中运行此模型时,我们可以实时侦听音频信号。
我们还可以在时间范围内查看信号如何随时间变化。黄色信号表示输入噪声信号,因此它保持不变。蓝色信号表示在错误麦克风处测得的信号。当我们运行模拟时,我们看到随着滤波器的适应,蓝色信号的振幅随着时间的推移而减小。
在这里,我们可以看到随着时间的推移,随着过滤器的自适应,过滤器的权重也在变化。
一旦我们确信我们的算法在模拟中起作用,下一步就是用实际的系统来代替模拟的声学环境。要做到这一点,我们需要一个工具,使我们能够以超低延迟将音频信号输入和输出Simulink模型。万博1manbetx
为了达到最佳的延迟性能,我们使用Simulink real和Speedgoat Real-Time目标机来部署该模型。万博1manbetx
本机提供超低延迟实时内核和超低延迟转换器,允许信号超出传统桌面或笔记本电脑的快速传递。
为什么我们关心延迟低?让我们回到我们的模型。系统必须录制参考麦克风,计算响应并在这些点之间进行声音旅行所需的时间播放响应并重新播放。在该示例中,参考麦克风与“Y”部分之间的距离为34cm。声音速度为343米/秒,因此我们的最大延迟是1毫秒。
SpeedGoat可以配备必要的A / D和D / A转换器,以使音频进出机器,延迟非常低。实际上,通过这种解决方案,总延迟是2个样本。如果我们使用8khz采样率,那是四分之一毫秒!
我们可以通过一些简单的修改使Si万博1manbetxmulink模型在Speedgoat硬件上运行。
我们将使用这些定制的Simulink块与从Speedgoat目标机进出的真实音频信号进行接口。这些模块允许我们指定音频信号的采样率和电压范围。万博1manbetx
我们还可以访问“目标范围”,它允许我们可视化连接到目标机器的监视器上的信号。
这里我们看到了模型的主动噪声控制部分,它适合在Speedgoat上运行。
由于我们使用了基于模型的设计方法,因此该模型非常类似于我们最初用于测试我们的算法的模拟模型。
我们已经移除了模拟声学滤波和声学求和的模块,因为它们不再需要了。我们现在直接与现实世界的信号进行交互。
我们在模型中添加的另一个功能是执行“二次路径估计”的块。这使我们能够用真实世界次级路径的实际测量值来代替模拟过程中使用的次级路径估计值。
该度量将在模型首次运行时进行。测量完成后,我们将切换到主动噪声消除。
我们为声反馈做同样的事情。
这是我们的模型在Speedgoat机器上实时运行。
我们从测量二次路径估计和声反馈的模型开始。这是通过防噪扬声器发送白噪声信号来实现的。
在这之后,我们开始制造噪音。产生的噪声源由模拟暖通空调风扇或电机振动的合成音调组成。或者,我们可以使用类似噪音类型的真实记录。
我们从关闭系统开始。我们可以在实时示波器上监控测量话筒信号。此外,我们还可以通过放置在测量麦克风旁边的分贝计查看噪声信号的水平。
现在,我们将在我们的模型上使用此仪表板开关启用主动噪声控制。
分贝计处的噪音水平开始降低。在几秒钟内,我们看到了非常显著的结果。噪音降低了20分贝!
我们希望此视频对我们的方法提供了一些有用的洞察力,以利用实时流音频快速原型设计有源噪声消除系统。
我们能够使用Simulink创建我们系统的现实模型,然后使用Simulink实时和SpeedGoat实时目标机器应用该模型万博1manbetx。
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