频率自适应有源吸声系统的制作方法

1.本发明涉及声学、电子及控制的技术领域，具体地，涉及频率自适应有源吸声系统。


背景技术：

2.吸声系统在生活中有着广泛的应用，常见的应用场景包括降低机械噪声污染、室内声场环境的优化以及耳机中的降噪等。
3.吸声系统一般分为无源和有源两种。无源吸声系统通常以调节材料和系统的形式来调节系统的机械阻抗，从而实现对声音的吸收。常用的做法是利用系统的固有频率，对声音实现衰减。这种方式所能提供的吸声能力有限，一旦材料与系统制作成形，机械阻抗与固有频率确定下来，吸声范围就较窄且固定住了。然而，现实中声音的频率是在变化的。为单一频率所设计的无源吸声系统，往往无法跟随这种变化，从而导致失效。同时，由于波长限制，传统无源吸声系统往往体积庞大，使用不便。
4.有源吸声系统一定意义上改善了无源吸声系统动态特性差、体积庞大的缺点。有源吸声系统通常需要外接传感器，通过对采集的声音进行计算分析，进行反相声波抵消。传感器的引入，使得有源吸声系统对于变频声波能有更优秀的动态响应。得益于mems和asic的发展，使得有源吸声系统可以做得很小。但是实时计算和响应，涉及到信号处理的算法、数字滤波、快速傅立叶变换等，计算复杂度、空间复杂度都很大，对处理器要求高。并且由于涉及到计算分析，有源吸声系统需要克服延迟的影响，使其系统十分复杂，鲁棒性不足。额外的传感器使其成本高昂，不适合于大面积使用。
5.针对上述中的相关技术，发明人认为吸声系统存在有较复杂的问题，因此，需要提出一种技术方案以改善上述技术问题。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种频率自适应有源吸声系统。
7.根据本发明提供的一种频率自适应有源吸声系统，包括程控可变负电容电路、压电片、信号调理电路、峰值检波电路、自动增益电路、采样电路和单片机；
8.所述程控可变负电容电路分别与单片机和压电片相连接，所述压电片与信号调理电路相连接，所述信号调理电路与峰值检波电路相连接，所述峰值检波电路与自动增益电路相连接，所述自动增益电路与采样电路相连接，所述采样电路与单片机相连接。
9.优选地，所述调节电路对压电片的作用实现的调节吸声特性；
10.所述厚铝板用于阻挡声音的透射。
11.优选地，所述压电片两端并上负电容电路时，负电容改变压电片的杨氏模量：
[0012][0013]
其中，y为杨氏模量，y0为压电片短路时的杨氏模量，k
31
为机电耦合系数，c为负电
容，c
s
为压电片内电容。负电容的引入改变了杨氏模量，改变了压电片的刚度，由于中心频率公式：
[0014][0015]
其中f0为中心频率，m为质量，k为刚度，因此刚度的变化改变了系统的中心频率。
[0016]
优选地，所述等效负电容的容值变化遵循如下调节规律：
[0017][0018]
其中r
fix
为放大器同向端固定电阻，r
adj
为放大器同向端的可调电阻，c0为放大器反向端固定电容。
[0019]
优选地，利用所述压电片两端的电压表征吸声系数的大小；压电片两端电压最大，吸声系数也最大。电压是通过反馈电路来调节。
[0020]
优选地，所述压电片接收声音信号并将声音信号转化为正弦信号进行峰值提取，得到信号幅值并输入到反馈网络中，得到控制量并输入到调节电路中，将电荷输入到压电片中。
[0021]
优选地，所述压电片与程控可变负电容电路并联构成整个系统的前端；
[0022]
所述压电片接收声压激励并产生电压，所述信号调理电路对电压进行整流和滤波，得到峰值信息；
[0023]
所述单片机通过调节数字电位器进行放大倍数的调节，并对数值进行缩放、补偿，计算出实际幅值；
[0024]
所述单片机对接收到的数据进行判断，发出控制指令，通过串口发送至程控可变负电容电路中的数字电位器，对负电容的容值进行调节。
[0025]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0026]
1.本发明采用半主动吸声的系统工作原理，比起传统的依靠材料及系统来被动吸声的系统而言，具有更优秀的动态特性和更宽的适用范围，具备了自适应的系统特性，可以跟随变化的目标频率。
[0027]
2.本发明通过模拟电路直接检测出信号特征，进行操控，计算量、空间量都很小，更加高效。
[0028]
3.本发明中对声波无需额外的检测装置，压电片同时起了传感器和执行器的功能，系统更加紧凑，具有自感知、耗能低的工作特性。
[0029]
4.本发明实现了程控可变负电容，用于动态改善压电材料特性。提出了负电容调控步距细分的想法，模拟了电阻箱的功能，从而实现大范围、小步距均可调，用以实现更精确的峰值寻优。
[0030]
5.本发明可以由数字式和模拟式两种方法实现，本文中给出了其中一种数字实现的例子。数字方法实现中将爬山算法运用在声学领域，用于主动声学吸声、降噪，降低系统惰性，提升了灵敏度，呈现出更优秀的动态特性。
附图说明
[0031]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0032]
图1为一种数字式实现的模块图。
[0033]
图2为本发明中运用的双层吸声单元及外加可变负电容电路。
[0034]
图3为仿真中得到的吸声系数与压电片两端电压关系图。
[0035]
图4为不同电容值下频率与吸声系数的关系图。
[0036]
图5为不同电容值对系统固有频率的影响示意图。
[0037]
图6为数字式实现方式对应的电路图。
[0038]
图7为数字式实现方式所运用的一种可行寻优算法流程图。
[0039]
图8为数字式实现方法系统时序示意图。
[0040]
其中：
[0041]
11、质子；12、压电片；13、基板；15、空气腔；17、厚铝板；19、调节电路；71、步距细分模块。
具体实施方式
[0042]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0043]
参照图1和图2，本发明提供一种频率自适应有源吸声系统，系统基于一种双层结构模型，上层为超材料系统，下层为一片厚铝板17，上下层中间有一层空气腔15，三部分共同构成了双层系统模型。超材料系统由三部分组成，包括一块基板13、一片压电片12和一个质子11。基板13的存在是为了支撑压电片12，又不会使压电片12受到固定约束，使得压电片12可以自由振动产生感应电荷。基板13边缘的边界条件为固定约束。压电片12作为功能材料用来调节吸声特性，它的上下表面分别贴有电极薄膜以便外接调节电路19。质子11的作用是调节整体系统的谐振频率。厚铝板17可以有效阻挡声音的透射，声音遇到厚铝板17会发生全反射，使得透射系数降为0。当入射声波从上空气域进入，打到超材料上一部分发生反射，一部分被超材料吸收，还有一部分进入空气腔15，进入空气腔15的声波无法透射出下层厚铝板17，并发生全反射，一部分耗散在空气腔15中，一部分反射到超材料层时被吸收，还有一部分透过超材料板反射回上空气域中。因此，第一次反射回上空气域的声波和二次反射回上空气域的声波共同构成了反射声波，超材料吸收的声波和在空气域中耗散掉的声波共同组成了被吸收的声波，而透射声波始终为0。
[0044]
该系统有一个固定的中心频率，在中心频率处可达到全吸收，但外界声音往往是变化的随机的声音，如何调节系统的中心频率使得该系统能够跟随外界的声音频率进而能够全吸收是本专利的核心点。当压电片12两端并上负电容电路时，负电容可以改变压电片12的杨氏模量：
[0045]
[0046]
其中，y为杨氏模量，y0为压电片12短路时的杨氏模量，k
31
为机电耦合系数，c为负电容，c
s
为压电片12内电容。因此负电容的引入改变了杨氏模量，进而改变了压电片12的刚度，由于中心频率公式：
[0047][0048]
其中f0为中心频率，m为质量，k为刚度，因此刚度的变化改变了系统的中心频率。
[0049]
当压电片12两端并联不同的负电容时，其两端的电压也会随之发生变化。在comsol中对双层系统模型与负电容电路进行串联仿真，设定发出的声音频率为500hz，对负电容进行扫描，得到如图3所示的仿真结果。图中横坐标为负电容，实线表示吸声系数曲线，虚线为压电片12两端电压曲线。可以看出，吸声系数与压电片12电压随着负电容变化同增减，峰值也在同一负电容值处取得，这一负电容的绝对值即为压电片12内电容的值。因此，我们可以用压电片12两端的电压指示吸声系数的大小，只要压电片12两端电压最大，此时的吸声系数也一定最大。我们将不好测得的吸声系数指标转化为检测压电片12电压指标，不仅利于做反馈调节，而且免去传感器的介入。
[0050]
如图4所示为白噪声下不同负电容时的仿真结果，可以看到并联不同的负电容时，共振峰的中心频率在不断移动。仿真模型的内电容约为87nf，对于绝对值小于压电片12内电容的负电容值
‑
80nf，如图中最右侧曲线所示，共振峰频率位于系统开路时中心频率的右侧。对于绝对值大于内电容的负电容值，都位于开路时中心频率的左侧。负电容绝对值越靠近内电容值，则移频幅度越大，图中
‑
88nf时的共振峰在最左端，随着负电容绝对值增加，中心频率越来越靠近开路时的中心频率，即移动幅度越来越小。还可以看出，由于负电容与杨氏模量是双曲线关系，越靠近内电容的地方对负电容值越敏感，负电容只改变1nf，中心频率就会移动较大的幅度。而远离内电容处改变较为平缓，改变较大的负电容值也只移动较少的频率。在极其靠近内电容的地方很容易造成电路的不稳定，因为双曲线靠近渐近线时趋于无穷大，电容极小的抖动会造成杨氏模量极大地变化，系统处于不稳定态，因此仿真
‑
87nf时无法看到共振峰。
[0051]
我们将移频大小与负电容大小做对应的散点图,如图5所示，每个点的横坐标为压电片12并联的负电容值，纵坐标为此时的中心频率与开路时中心频率的差值。做出散点图后可以明显看出是一对双曲线，该趋势与前述杨氏模量与负电容的关系类似，其渐近线为压电片12的内电容，在压电片12内电容附近频率变得对负电容非常敏感，这就是因为此时杨氏模量对负电容变得很敏感，使得刚度对负电容变得敏感，特征频率进而变得很敏感。
[0052]
负电容电路并在压电片12两端时，压电片12两端电压会随着负电容的不同而改变，而在单个频率处，吸声系数也会随着负电容的改变而变化，我们将两条曲线进行比较，得到了如图3所示的仿真结果。图3为500hz时吸声系数、压电片12两端电压与负电容的关系曲线，主y轴为吸声系数，图中为实线曲线，副y轴为压电片12两端电压，图中为虚线曲线。可以看出，两条曲线都为单峰曲线，且峰值点在同一负电容处取得，随着负电容的变化，吸声系数曲线和压电片12电压曲线同向变化。随着频率越来越靠近中心频率，峰的形状从又尖又窄的峰变为较为平滑、越来越宽的峰。当大于中心频率时，峰又开始收窄变尖。因此对于非中心频率的声音，我们可以从压电片12两端电压的大小观测吸声系数的大小，免去麦克
风等传感器件，直接用电参量表征声学参数，因此可以用反馈电路来调节非中心频率下的吸声。
[0053]
基于上述理论基础，本发明提出了频率自适应有源吸声系统，系统整体框图如图1所示。其中反馈网络可由数字电路实现，同时也可以使用模拟电路实现。
[0054]
数字式系统框图如图1所示。其中，压电片12同时作为吸声的执行机构与传感机构，与程控可变负电容并联，共同构成了整个系统的前端。压电片12收到声压激励，产生电压，通过一级信号调理电路，进行阻抗匹配，滤除直流分量，便于后级处理。之后通过一级检波电路，依次对信号进行整流、滤波，过滤出所需的峰值信息。本发明中，将声波信息提取的工作放在模拟部分做，降低了后续数字处理部分的复杂度。由于压电片12两端电压幅值动态变化很大，对于特定段的负电容值尤为敏感，因此增加了一级自动增益电路，充分利用数模转换芯片的量程的同时又不至于超量程，该自动增益电路由一同向放大电路构成，单片机通过调节数字电位器实现放大倍数的调节，同时在单片机内部中对数值进行缩放、补偿，计算出实际幅值。之后通过数模转换芯片，将缩放过的幅值转换为数字量，通过串行接口传给单片机进行后续的处理。单片机对接收到的数据进行判断，发出控制指令，通过串口发送给程控可变负电容电路中的数字电位器，实现负电容的容值调节。
[0055]
图6给出了本框图系统的一种实现电路。
[0056]
其中，等效负电容的容值变化遵循如下调节规律：
[0057][0058]
其中r
fix
为放大器同向端固定电阻，r
adj
为放大器同向端的可调电阻，c0为放大器反向端固定电容。从式中可以看出，r
adj
的调节步距越小，c
neg
的调节步距也越小。由于吸声系统共振峰仅在很小一段负电容调节范围中出现，因此，减小c
neg
的步距，有助于我们更精准地寻找共振峰，实现更有效的吸声。本发明中为了实现自动调控，所选用的电位器为数字式的，无法做到像普通的人工可调电阻那样连续调节，而是以一个固定的步距进行增减。为了避免因步距过大而漏掉峰值的情况出现，本发明提出了通过串并联可调电位器的方法来进行阻值细分，模拟了电阻箱的功能，从而实现大范围、小步距均可调，寻峰成功率更高。
[0059]
对于本发明中如何最大化电压幅值，可以运用一些典型的寻优算法。图7给出了一个实施例，即爬山算法。同时，类似模拟退火等寻优算法在本发明中也是适用的。
[0060]
图8是数字式实现方法的时序示意图。从图中可以看出，在声波频率改变的瞬间，因为与系统频率产生偏移，导致吸声系数骤降。通过本发明的反馈作用，能够立即感知到声波的变化，从而对负电容进行调控，快速地将吸声系数拉回到当前可达的最高值。
[0061]
本发明提供的频率自适应有源吸声系统采用半主动吸声的系统工作原理，比起传统的依靠材料及系统来被动吸声的系统而言，具有更优秀的动态特性和更宽的适用范围，具备了自适应的系统特性，可以跟随变化的目标频率；通过模拟电路直接检测出信号特征，进行操控，计算量、空间量都很小，更加高效；对声波无需额外的检测装置，压电片12同时起了传感器和执行器的功能，系统更加紧凑，具有自感知、耗能低的工作特性。
[0062]
本发明实现了程控可变负电容，用于动态改善压电材料特性。提出了负电容调控步距细分的想法，模拟了电阻箱的功能，从而实现大范围、小步距均可调，用以实现更精确的峰值寻优；由数字式和模拟式两种方法实现，本文中给出了其中一种数字实现的例子。数
字方法实现中将爬山算法运用在声学领域，用于主动声学吸声、降噪，降低系统惰性，提升了灵敏度，呈现出更优秀的动态特性。
[0063]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的系统；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的系统。
[0064]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。