主动降噪睡枕及其降噪方法

1.本发明属于枕头技术领域，涉及主动降噪睡枕，还涉及上述睡枕的降噪方法。


背景技术：

2.睡眠是人体一项重要的生理活动，是维系机体复原、身体健康的重要保障。高质量的睡眠使人的精神和体力得到恢复，提高人的生命质量和心理健康。根据中国睡眠研究会的数据，目前，中国成年人失眠率高达38.2％，过大的环境噪声，是造成失眠的一大元凶。噪音会让人易醒、多梦、睡眠质量低下等。
3.目前室内降噪的传统方法主要为加装隔音玻璃、隔音棉等这些被动降噪方法，这些方法对高频噪声阻隔效果较好，但对低频噪声抑制效果不显著。主动降噪方法是通过扬声器发出一个次级声场，该声场与原噪声振幅相等、相位相反，将其与原噪声叠加后声势能最小，进而达到降噪目的。使用于室内主动降噪方案主要有降噪耳机，但降噪耳机一般体积较大，长期佩戴可能导致听力受损，不适合在睡眠时佩戴使用，无法有效的减少睡眠时的噪声。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种主动降噪睡枕，解决了现有技术中存在的无法有效减少睡眠时的噪声问题。
5.本发明所采用的技术方案是，主动降噪睡枕，包括枕头本体，枕头本体外侧设置有多个初级麦克风，在多个初级麦克风对应设置有扬声器、误差麦克风，初级麦克风用于收集环境中的噪音信号和鼾声信号，扬声器用于发出与环境噪声相抵消的声音信号，误差麦克风用于收集没有被抵消的噪音信号；枕头本体中心处设置有处理器，枕头本体底部设置有电池组，电池组与初级麦克风、扬声器、误差麦克风、处理器连接。
6.本发明的特点还在于：
7.初级麦克风包括五个，枕头本体两侧、顶部及处理器两侧分别设置一个初级麦克风，误差麦克风、扬声器依次设置在初级麦克风一侧。
8.初级麦克风、误差麦克风、扬声器之间间隔至少为2cm。
9.本发明的另一目的是提供一种主动降噪睡枕的降噪方法。
10.本发明所采用的另一技术方案是，主动降噪睡枕的降噪方法，包括以下步骤：
11.步骤1、假设一个初级麦克风采集的噪音信号为
12.zi(n)＝[zi(n)，zi(n-1)，
…
，zi(n-l 1)]
t
(i＝1，2，
…
，5)，则5个初级麦克风采集的总噪声信号为：z(n)＝diag(z1(n)，z2(n)，
…
，z5(n))，5个扬声器输出为n(n)＝[n1(n)，n2(n)，
…
，n5(n)]
t
，且其满足n(n)＝m(n)z
t
(n)，m(n)为自适应滤波器权矢量矩阵；
[0013]
步骤2、假设初级麦克风的噪声传递至误差麦克风处的信号为h(n)＝[h1(n)，h2(n)，
…
，h5(n)]
t
，长度与z(n)一致，误差麦克风处的误差为a(n)＝h(n) q(n)n(n)，q(n)表示
扬声器的抵消声传递至误差麦克风处的过程，q
ij
(n)表示次级声通道；
[0014]
步骤3、根据步骤1、2可得误差函数为：
[0015]
a(n)＝h(n) q(n)z
t
(n)m(n)
[0016]
步骤4、总误差目标函数为构造函数根据最陡下降法可得主动降噪控制算法：m(n 1)＝m(n)-2μa
t
(n)b(n)，其中b
ij
(n)＝q
ij
(n)z(n)，i∈[1，5]，j∈[1，5]；μ是收敛因子b(n)为滤波信号矩阵；
[0017]
步骤5、对步骤4中次级声通道q
ij
(n)进行近似估计，并利用主动降噪控制算法进行降噪。
[0018]qij
(n)的估计方法为：
[0019]
假设第i个扬声器发出的随机噪声为ei(n)，第j个误差麦克风接收到的信号为l
ij
(n)，随机噪声的自适应滤波公式为：其中n
ij
(n)为滤波后的信号，和l
ij
(n)的误差为a
ij
(n)＝l
ij
(n)-n
ij
(n)，根据最陡下降法原理可得滤波器权重的递推公式为：q
ij
(n 1)＝q
ij
(n) 2σa
ij
(n)ei(n)，其中σ为收敛因子，当相邻时刻滤波器权重变化不大时，将q
ij
(n)为最佳次级声通道估计。
[0020]
本发明的有益效果是：本发明的主动降噪睡枕，用2组麦克风实现对环境噪声和鼾声的采集，使噪音信号的采集更全面更精确。本发明的主动降噪睡枕的降噪方法，采用主动降噪的自适应滤波算法把次级传递函数值考虑到算法里面，补偿次级通道带来的时延问题，增加了降噪深度，拓宽了降噪频宽，极大提升了降噪性能。
附图说明
[0021]
图1是本发明主动降噪睡枕的俯视图；
[0022]
图2是本发明主动降噪睡枕的侧视图。
[0023]
图中，1.初级麦克风，2.扬声器，3.误差麦克风，4.处理器，5.电池组，6.蓝牙模块，7.枕头本体。
具体实施方式
[0024]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0025]
主动降噪睡枕，如图1及图2所示，包括枕头本体7，枕头本体7外侧设置有多个初级麦克风1，在多个初级麦克风1对应设置有扬声器2、误差麦克风3，初级麦克风1用于收集环境中的噪音信号和鼾声信号，扬声器2用于发出与环境噪声相抵消的声音信号，误差麦克风
3用于收集没有被抵消的噪音信号；枕头本体7中心处设置有处理器4，用于处理麦克风收集到的噪音信号和误差信号，经过主动降噪的自适应滤波算法处理得到需要输出的声音信号；枕头本体7底部设置有电池组5，电池组5与初级麦克风1、扬声器2、误差麦克风3、处理器4连接。优选的，声音测量通过驻极体英飞凌公司生产的smm310麦克风阵列进行测量。输入信号为声音信号，输出信号经max4477构成的前置放大电路后进行电压值a/d采样。处理器的a/d采样频率可达20khz，可捕获到较宽范围的声音信号。放大元件采用maxim公司生产的max4477放大器，提供满摆幅输出，工作电压可低至2.7v。
[0026]
初级麦克风1包括五个，枕头本体7两侧(1a、1c)、顶部(1b)及处理器4两侧(1d、1e)分别设置一个初级麦克风1，误差麦克风3、扬声器2依次设置在初级麦克风1一侧。本实施例中，(1a、1b、1c)三个初级麦克风1分别离底部距离至少1cm，位于外沿中心处。处理器4两侧的初级麦克风1(1d、1e)，距枕头中心线14cm的位置，均用于收集鼾声信号。1d、1e对应的两个误差麦克风3(3d、3e)分布在对应的初级麦克风1的上方，用于采集原鼾声和次级噪声叠加后的误差噪声；对应的二个扬声器2(2d、2e)分布在对应误差麦克风上方，侧重于抵消鼾声的噪声。初级麦克风1、误差麦克风3、扬声器2之间至少间隔2cm，减少元器件之间的相互影响，保证采集噪声的精度。
[0027]
根据用枕及睡姿习惯与颈椎病关系文献的数据分析，建议睡枕仰卧为头后枕高度为6.54
±
0.63cm。本实施例中，侧卧时脸侧部颈枕高度为15.10
±
1.67cm。因此，主动降噪睡枕设计前侧高15cm，后侧高6cm；考虑到元器件的布局以及睡眠的舒适性，设计睡枕全长74cm，宽47cm，以符合各种睡姿的人群。睡枕外形采用s型设计，贴合颈部。枕头表面采用银纤维面料，该面料具有抗菌，抑污的功能，可以在很大程度保证睡枕使用时的洁净。参考robert对枕芯材料的研究，乳胶枕可以有效缓解颈椎疾病及改善睡眠质量，采用乳胶枕芯。
[0028]
还包括有蓝牙模块6，初级麦克风1还用于收集鼾声信号，蓝牙模块6与初级麦克风1连接，将采集的鼾声数据发送给手机app；打开手机蓝牙建立与主动降噪枕蓝牙模块的通信，协议模块将主动降噪枕蓝牙发送过来的鼾声分析信息解析为手机可以识别的信息，手机通过网络传输模块将数据转化为json格式后传递给云平台，云平台将数据处理后将数据返回给手机，数据展示模块将云平台返回的数据利用android中的sqlite组件，用文本，列表，折线图的方式显示出来，数据储存模块为使用者查询历史记录提供了支持。
[0029]
云平台采用mongodb架构储存手机传输的数据，mongodb架构有利于应用程序透明，实现了服务器资源的横向拓展，保证了系统的鲁棒性。用户只与路由服务器相连，与数据库的具体结构没有直接关联，只需向服务器发送请求。数据的查询由路由服务器从配置服务器中查找分片服务器中存储的信息。在这个结构中：分片服务器运行mongod进程，存储鼾声数据。每个分片中可以添加复制集，减少因为机器损坏，网络过载，恶意攻击等不可抗力出现的单点故障对整体系统的影响，增加了系统的稳定性和可靠性。配置服务器运行mongod实例，主要存储mongodb集群中的数据库元信息。路由服务器运行mongos进程，是整个mongodb集群的对外接口。
[0030]
云平台接收到手机传输的鼾声信息后，对鼾声时长，鼾声个数，鼾声响度，三个维度进行分析，利用logic模型，实现对睡眠呼吸暂停的智能分析。鼾声中断10s以上，判断为发生了一次睡眠呼吸暂停，根据一夜中发生的次数判断睡眠质量，每小时15次以内，判断为轻微，15-30次为中度，30次以上为重度。若为中度和重度，控制器会向使用者发出警告，并
建议其就医。如此避免了复杂的医学病理分析，更快的向用户报告睡眠质量。
[0031]
主动降噪睡枕的降噪方法，包括以下步骤：
[0032]
步骤1、假设一个初级麦克风1采集的噪音信号为zi(n)＝[zi(n)，zi(n-1)，
…
，zi(n-l 1)]
t
(i＝1，2，
…
，5)，则5个初级麦克风1采集的总噪声信号为：z(n)＝diag(z1(n)，z2(n)，
…
，z5(n))，5个扬声器2输出为n(n)＝[n1(n)，n2(n)，
…
，n5(n)]
t
，且其满足n(n)＝m(n)z
t
(n)，m(n)为自适应滤波器权矢量矩阵；
[0033]
步骤2、假设初级麦克风1的噪声传递至误差麦克风3处的信号为h(n)＝[h1(n)，h2(n)，
…
，h5(n)]
t
，长度与z(n)一致，误差麦克风3处的误差为a(n)＝h(n) q(n)n(n)，q(n)表示扬声器2的抵消声传递至误差麦克风3处的过程，q
ij
(n)表示次级声通道；
[0034]
步骤3、根据步骤1、2可得误差函数为：
[0035]
a(n)＝h(n) q(n)z
t
(n)m(n)
[0036]
步骤4、总误差目标函数为构造函数根据最陡下降法可得主动降噪控制算法：m(n 1)＝m(n)-2μa
t
(n)b(n)，其中b
ij
(n)＝q
ij
(n)z(n)，i∈[1，5]，j∈[1，5]；μ是收敛因子b(n)为滤波信号矩阵；
[0037]
步骤5、对步4中次级声通道q
ij
(n)进行近似估计，并利用主动降噪控制算法进行降噪。
[0038]qij
(n)的估计方法为：
[0039]
假设第i个扬声器发出的随机噪声为ei(n)，第j个误差麦克风3接收到的信号为l
ij
(n)，随机噪声的自适应滤波公式为：其中n
ij
(n)为滤波后的信号，和l
ij
(n)的误差为a
ij
(n)＝l
ij
(n)-n
ij
(n)，根据最陡下降法原理可得滤波器权重的递推公式为：q
ij
(n 1)＝q
ij
(n) 2σa
ij
(n)ei(n)，其中σ为收敛因子，当相邻时刻滤波器权重变化不大时，将q
ij
(n)为最佳次级声通道估计。
[0040]
通过以上方式，本发明的主动降噪睡枕，用2组麦克风实现对环境噪声和鼾声的采集，使噪音信号的采集更全面更精确。本发明的主动降噪睡枕的降噪方法，采用主动降噪的自适应滤波算法把次级传递函数值考虑到算法里面，补偿次级通道带来的时延问题，增加了降噪深度，拓宽了降噪频宽，极大提升了降噪性能。