Устройство для активного подавления шума Советский патент 1991 года по МПК G10K11/00 

Изобретение относится к электроакустической технике и может быть использовано для активного подавления звукового поля, создаваемого источниками шума.

Цель изобретения - расширение пространственной области активного подавления шума.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства; на фиг. 2 - структурная схема блока индикации минимума; на фиг. 3 - эпюры напряжений, поясняющие работу устройства.

В состав устройства входят блок управления фазовращателями (БУФВ), блок управления регулируемыми усилителями (БУРУ), устройство подстройки фазы (УПФ), устройство подстройки амплитуды (УПА), регулируемый фазовращатель (ФВ), регулируемый усилитель (РУ).

Устройство содержит микрофон 1, выход которого через усилитель 2 и фильтр 3 параллельно подключен к п каналам компенсации шума, каждый из которых состоит

из последовательно соединенных регулируемого фазовращателя 4, регулируемого усилителя 5, усилителя мощности 6 и излучателя ЗЕ ука 7, микрофон 8 ошибки компенсации, соединенный через последовательно подключенные усилитель 9, фильтр 10 и детектор 11 к первому входу блока 12 индикации минимума, второй вход которого соединен с выходом генератора 13 однопо- лярных импульсов, а выход - с входами 1

устройства УПФ1, УПФ2УПФП, 14-16 и

УПА1.УПА2УПАП, 17, 18, 19, входящих соответственно в блоки БУФН и БУРУ, и соединенных в пределах указанных блоков последовательно, так что информационный выход III каждого УПФ (УПА) соединен с информационным входом II последующего УПФ (УПА), информационный выход III устройства УПФп соединен через двухпозици- онный ключ с входом К триггера 20 выбора корректируемого параметра, у которого вход J соединен с информационным выходом III устройства УПАП 19, прямой выход Ё

О

4 Ю СП

ю

с информационным входом II устройства УПА1 17, а инверсный выход - через трех- входовуга схему ИЛИ 21 с информационными входом И устройства УПФ1 14 при этом выходы IV устройств УПФ1, УПФ2,.-.,УПФп и УПАч, УПА2,...УПАП соединены соответственно с управляющими входами регулируемых фазовращателей 4-1, 4-2, ..., 4-п и с управляющими входами регулируемых усилителей 5-1, 5-25-п, второй вход схемы

ИЛ И 21 соединен с вторым выходом двухпо- зиционного ключа, третий вход - с устройством внешнего запуска (не показано).

Каждое устройство подстройки фазы УПФ и амплитуды УПА выполнено по схеме содержащей последовательно соединенные схему И 22, первую двухвходовую схему ИЛИ 23, первый счетный триггер 24, управляемый ключ 25 и интегратор 26, а также второй счетный триггер 27, вторую двухвходовую схему ИЛИ 28, триггер типа JK 29. двухпороговый компаратор 30, одновибра- тор 31, причем первый вход схемы И 22 подключены к выходу блока 12 индикации минимума, второй вход этой схемы - к выходу JK-триггера 29, подключенного также к управляемому ключу 25, а выход этой схемы - к первому входу первой схемы ИЛИ 23 и входу второго счетного триггера 27, выход которого подключен к первому входу второй схемы ИЛИ 28, выход которой подключен к входу К JK-триггера 29, выход интегратора 26 через двухпороговый компаратор 30 и одновибратор31 подключен к установочному входу второго счетного триггера 27 и одновременно к вторым входам первой схемы ИЛИ 23 и второй схемы ИЛИ 28, вход J триггера 29 является информационным входом И, его выход - информационным выходом III, первый вход схемы И 22 - входом I, выход интегратора 26 - выходом IV устройств УПФ и УПА. Информационный выход 111 УПФ соединен с входом двухпозицион- ного ключа 32.

На фиг. 1 приведены также устройство 33 сигнализации работоспособности устройства для подавления шума, представляющие собой последовательно соединенные интегратор, накопительный конденсатор которого шунтирован управляемым ключом, приводимым в действие сигналами с . выхода блока 12, индикации минимума, и пороговый элемент, к выходу которого подключена лампа 34 сигнализации работоспособности, и телеметрический канал связи, осуществляемый с помощью передатчика 35 и приемника 36.

Блок 12 индикации минимума (фиг. 2) содержит два канала прохождения сигнала, каждый из которых состоит из последовательно соединенных устройств 37 и 38 выборки и хранения и управляемых ключей 39 и 40 соответственно, а также инвертор 41, схему ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 43 и компаратор 44, выход которого является выходом блока 12, при этом выход генератора 13 од- нополярных импульсов подключен к управляющему входу устройства 37 выборки и хранения и одновременно через инвертор

0 41 к управляющему входу устройства 38 выборки и хранения, входу одновибратора 42 и второму входу схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которой соединен с управляющими входами ключей 39 и 40, а первый вход

5 - с выходом одновибратора 42, входы устройств 37 и 38 выборки и хранения объединены и подключены к выходу детектора 11. Диаграмма в соответствующих точках схемы приведена на фиг. 26.

0 Алгоритм работы предусматривает сравнение величины сигнала с выхода детектора 11, взятого в предыдущий момент времени и хранимого в устройстве 37, с величиной такого же сигнала, выбираемого в

5 текущий момент времени с помощью устройства 38, причем превышение вторым сигналом первого приводит к срабатыванию компаратора 44 и появлению на его выходе сигнала в виде положительного им0 пульса.

Устройство работает следующим образом.

Исходное звуковое поле воспринимается микрофоном 1 и преобразуется в элект5 рический сигнал, который через усилитель 2 и фильтр 3 поступает одновременно на входы п каналов компенсации шума и проходит в каждом i-м канале с входа 4-i ФВ через ФВ, РУ5-1, усилитель мощности б-i на излу0 чатель звука 7-1. Излучатели звука 7-1, 7-2, ..., 7-п создают компенсирующее акустическое поле, которое взаимодействует с исходным звуковым полем, распространяющимся от микрофона 1 в область расположе5 ния микрофона 8 ошибки компенсации шума, в результате чего обеспечивается пространственная область активного подавления шума. Суммарное звуковое поле от сложения исходного и компенсирующего

0 звуковых полей воспринимается микрофоном 8 ошибки компенсации и преобразуется в электрический сигнал, который через усилитель 9, фильтр 10 и детектор 11 поступает на первый вход блока 12 индикации

5 минимума, второй вход которого соединен с выходом генератора 13 однополярных импульсов. Выход блока 12 индикации минимума, вырабатывающего сигналы достижения минимума с помощью каждого i-ro канала компенсации шума, соединен с входами 1 устройств УПФ1, УПФ2УПФП (14,

15,...16) и УПА1, УПА2УПАп (17,1819),

входящих соответственно в блоки БУФН и БУРУ и соединенных в пределах указанных блоков последовательно, так что сигнал с информационного выхода III каждого УПФ (УПА) поступает на информационный вход II последующего УПФ (УПА) с выхода IV устройств УПФ и УПА подается на управляющие входы устройств ФВ и РУ. При этом может быть выбрана произвольная пара устройств УЛФ и УПА для работы с каждой парой последовательно соединенных устройств ФА и РУ, входящей в канал компенсации шума.

Перед запуском устройства в работу в момент времени Т0 осуществляется начальная установка триггеров, входящих в УПФ и УПА, при этом счетный триггер 24 устанавливается в 1, счетный триггер 27 - в О, Л(-триггер29 -в О, выход триггера выбора корректируемого параметра 20 до момента времени То может быть установлен в произвольное состояние, непосредственно перед То устанавливается . Начальные напряжения ифв н, ирун. интеграторов 26 всех УПФ и УПА устанавливаются при запуске.

Импульс запуска Пуск от внешнего устройства приходит на третий вход схемы ИЛИ 21, выход которой соединен с входом J триггера 29 УПФь в результате чего триггер устанавливается в состояние 1, подавая разрешающий сигнал на схему совпадения И 22 и ключ 25, через который начинает поступать ток заряда интегратора 26, представляющего в простейшем случае интегрирующую цепочку RS-типа, с выхода триггера 24.

На фиг. За приведена диаграмма сигналов в соответствующих точках схемы УПФ1. Пороговые напряжения Uni и Un2, определяемые диапазоном возможного изменения выходного сигнала на выходе интегратора 26, устанавливаются для компаратора 30 до запуска устройства подавления шума. Выходное напряжение интегратора 26, увепи- чиваясь от значения , поступает на управляющий вход ФВ 4-1, вследствие чего изменяются фазовые соотношения в соответствующем канале компенсации шума. Если суммарное звуковое поле, воспринимаемое микрофоном 8 ошибки компенсации, уменьшается, то с выхода блока 13 индикации минимума сигнал на первый вход схемы И 22 не поступает, а если увеличивается, то блок 12 вырабатывает на своем выходе положительный импульс, который, проходя через схему И 22 и первую схему ИЛИ 23, заставляет сработать триггер 24 и установиться в состояние О. Происходит реверс

работы интегратора 26, и при уменьшении напряжения на его выходе до величины меньшей Uni срабатывает компаратор 30. Положительный перепад напряжения на его 5 выходе заставляет сработать одновибратор 31, вырабатывающий импульс для установки триггера 29 в О и для переключения триггера 24. Данный импульс проходит на вход К триггера 29 через второй вход схемы

0 ИЛИ 28 и одновременно на счетный вход триггера 24 через второй вход схемы ИЛИ 23. При этом триггер 24 вновь устанавливается в состояние 1. Импульс с выхода од- новибратора 31 поступает также на вход

5 управления R триггера 27, устанавливая его в О. Отрицательный перепад напряжения с выхода триггера 29 запускает УПФ2 по входу II, тем самым обеспечивая регулирование второго канала компенсации шума,

0 состоящего из последовательно соединенных ФВ 4-2, РУ 5-2, усилителя 6-2 мощности и излучателя 7-2 звука (указанная последовательность сигналов обозначена на фиг. За пунктирной линией).

5 Уменьшающееся выходное напряжение детектора 11, свидетельствующее об уменьшении величины суммарного звукового поля в области установки микрофона 8, проходит минимум, достижимый с помощью

0 первого канала компенсации шума и в близи которого(по фиг За)оказалось до запуска УПФ1 выходное напряжение детектора 11, и затем начинает увеличиваться При этом блок 12 индикации минимума вырабатывает

5 на своем выходе первый импульс, который проходит через схемы И 22 и ИЛИ 23 и заставляет сработать по своему заднему фронту триггер 27, устанавливающийся в 1, и триггер 24, устанавливающийся в О.

0 Интегратор 26 реверсируется, и напряжение на его выходе ифв1 начинаетуменьшать- ся. При этом ФВт 4-1 возвращает первый канал компенсации шума к уже пройденным фазовым соотношениям между его выходом

5 и входом В результате выходное напряжение детектора 11 вновь уменьшается, проходит минимум и начинает увеличиваться, приводя к формированию на выходе блока 12 индикации минимума второго импульса,

0 переключающего триггеры 24 и 27 в исходное состояние. Перепад напряжения с выхода триггера 27 проходит через схему ИЛИ 28 на К-вход триггера 29, устанавливая его в О. При этом схема И 22 закрывается по

5 второму входу, управляющий ключ 25 размыкается, переводя интегратор 26 в режим запоминания, а отрицательный фронте выхода триггера 29 запускает УПФ2 по входу II, как указывалось выше (последователь- ность сигналов приведена на фиг За).

Блоки БУФВ и БУРУработаютв режимеразде- ления во времени. Фазовая подстройка излучателей 7-1....7-П считается оконченной, когда на выходе триггера 29, входящего в УПФц, формируется отрицательный перепад напряжения, проходящий через двухпо- зиционный переключатель 32 на вход К триггера 20 выбора корректируемого параметра и устанавливающий его в состояние О. С выхода триггера 20, предварительно установленного в состояние 1, отрицательный перепад напряжения поступает на вход УПАч, входящий в БУРУ. Начинается амплитудная подстройка каналов компенса- ции шума, оканчивающаяся формированием отрицательного перепада напряжения на выходе триггера 29, входящего в УПАП, поступающего на вход J триггера 20. Триггер 20 устанавливается в состояние 1, а на его инверсном выходе формируется перепад напряжения, запускающий через схему ИЛИ 21 устройство УПФ1 по входу II. Начинается процесс фазовой подстройки каналов компенсации шума и т. д.

В позиции В двухпозиционного пере- ключателя 32 осуществляется только фазовая подстройка каналов компенсации шума. Эго необходимо в случае, когда объект, на котором закреплен микрофон 8 ошибки компенсации, быстро меняет свое положение в пространство. При этом обеспечивается необходимое быстродействие системы адаптивного регулирования при допустимой потере точности компенсации исходного звукового поля.

На фиг, 36 сплошной линией приведена диаграмма импульсов, соответствующая I- му циклу регулирования i-ro УПФ или УПА, когда выходное напряжение детектора 11 уменьшается, а минимум с помощью УПФ или УПА для данного канала компенсации не достигается. В результате напряжение детектора становится менее Urn, что приводит к срабатыванию компаратора 30 и одно- вибратора 31, устанавливающего триггер 27 в О, а также триггеры 24 и 29 через соответствующие схемы ИЛИ 23 и ИЛИ 28 - в состояния 1 и О соответственно.

Таким образом, цикл работы УПФ, а также УПА завершается переключением триггера 29 из состояния 1 в исходное состояние О, которое осуществляется вторым импульсом с выхода блока 12 индикации минимума либо при его отсутствии, импульсом с выхода одновибратора 31. Для обеспечения работоспособности системы адаптивного регулирования необходимо, чтобы при выполнении 1-го цикла работы каждым УПФ или УПА удовлетворялось следующее условие относительно минимального интервала времени tui появления первого импульса на выходе блока 12 индикации минимума (см. фиг. За):

tu1 t 1+ Т 2 Тр+ Г3.8- 11 - Г 3,12+ AT

При tKTp,

где т р - время распространения сигнала от блока излучателей 7-1, ... 7-п до микрофона 8 ошибки компенсации;

0тз, в-11 - время задержки распространения сигнала с выхода микрофона 8 до выхода детектора 11, имеющего усредняющий фильтр;

тз, 12 - время задержки появления сиг5 нала на выходе блока 12;

Ат- время на минимальное изменение фазовых соотношений в соответствующем канале компенсации шума, определяемое чувствительностью измерительного тракта,

0 составленного из микрофона 8 и блоков 9- 12,

Для увеличения точности и быстродействия системы адаптивного регулирования

5 необходимо увеличивать частоту генератора 13 однополярных импульсов и, следовательно, уменьшать длительность импульсов на выходе блока 12, что ограничивается быстродействием элементов, входящих в блок

0 12, а также УПФ и УПА,

Алгоритм работы каждого УПФ или УПА на i-м цикле оаботы определяется (Ы)-м циклом.

На фиг. Зв приведены характерные тра5 ектории регулирования в плоскости ифв (Upy) и ид, где UA - напряжение на выходе детектора 11. Если в (1-1)-м цикле работы напряжение 11Д уменьшается при увеличении напряжения ифв (Upy), которое, достиг0 нув верхнего порога срабатывания компаратора 30 вызвало срабатывание последнего и, следовательно, одно- вибратора 31 (см. фиг. 36, пунктирная линия), устанавливающего через схемы

5 ИЛИ 23 и ИЛИ 28 триггеры 24 и 29 в состояние О, что определяет в дальнейшем начальную точку Hi i-ro цикла работы, для которого заранее установлено новое значение верхнего порога срабатывания

0 Un2c, то траектория движения системы регулирования в плоскости сигналов ифв (Upy) и ид в i-м-цикле работы УПФ или УПА соответствует траектории II. Если же (1-1)-й цикл работы данного УПФ или УПА

5 завершается приходом второго импульса с выхода блока 12 индикации минимума, определяющего, например, ту же начальную точку Hi для i-ro цикла работы, то траектория системы регулирования в i-м цикле работы УПФ или УПА соответствует траектории I. На фиг. Зв указаны также соответствующие сигналы в точках измерения траекторий движения I и II (точки А, В и А .

в1).

Устройство 33 сигнализации работоспособности, на вход которого поступают импульсы с выхода блока 12 индикации минимума, информирует оператора о том, находится ли микрофон 8 ошибки компенсации в пределах пространственной области подавления шума или нет. Постоянная времени входящего в устройство сигнализации интегратора выбирается равной сумме постоянных времени интегратора 26 всех УПФ (или УПА), так что отсутствие импульсов с выхода блока 12 в течение цикла работы БУФВ (или БУРУ) приводит к загоранию лампы 34 сигнализации неработоспособности. При зтом под неработоспособностью подразумевается невозможность с помощью установленного в данном месте набора излучателей 7-17-п обеспечить

подавление шума в области, в которой оказался микрофон 8 ошибки компенсации. Устройство для подавления шума переходит в указанный выше режим пассивного регулирования фазы и амплитуды до возвращения микрофона 8 ошибки компенсации в пределы пространственной области активного подавления шума.

Формула изобретения 1. Устройство для активного подавления шума, содержащее последовательно соединенные микрофон, усилитель, фильтр и канал компенсации, состоящий из последовательно соединенных регулируемого фазовращателя, регулируемого усилителя, усилителя мощности и излучателя звука, а также блок индикации минимума, генератор импульсов и последовательно соединенные микрофон ошибки компенсации, усилитель, фильтр и детектор, отличающееся тем, что, с целью расширения пространственной области активного подавления шума, в устройство введены п дополнительных каналов компенсации, блок управления фазовращателями, содержащий п последовательно соединенных блоков подстройки фазы, блоки управления регулируемыми усилителями, содержащий п последовательно соединенных блоков подстройки амплитуды, триггер

выбора корректируемого параметра, двух- позицмонный ключ режима подавления шума и трехвходовая схема ИЛИ, причем первый блока индикации минимума со- 5 единен с выходом детектора, второй вход- с выходом генератора импульсов, выход блока индикации минимума подключен одновременно к первому входу каждого блока подстройки фазы и блока подстройки амп- 0 литуды, выход блока управления фазовращателямиподключенчерездвухпозиционный ключ к К-входу триггера выбора корректируемого параметра, инверсный выход которого подключен через схе- 5 му ИЛИ к второму входу первого блока подстройки фазы, выход блока управления регулируемыми усилителями подключен к входу 1 триггера выбора корректируемого параметра, прямой выход которого подклю0 чен к второму входу первого блока подстройки амплитуды, второй выход двухпозиционного ключа подключен к второму входу схемы ИЛИ, третий вход которой соединен с клеммой пуска, вторые

5 входы каждой пары блоков подстройки фазы и подстройки амплитуды подключег ны к входам управления соответствующих регулируемых фазовращателей и регулируемых усилителей каналов компенсации.

0 2. Устройство по п. 1,отличающееся тем, что каждый блок подстройки фазы и амплитуды содержит последовательно соединенные схему И, первую схему ИЛИ, первый счетный триггер, управляемый ключ

5 и интегратор, последовательно соединенные второй счетный триггер, вторую схему ИЛИ и третий триггер, а также двухпорого- вый компаратор и одновибратор, причем первый вход схемы И соединен с выходом

0 третьего триггера и с входом управляемого ключа, выход схемы И соединен с входом второго счетного триггера, выход интегратора через последовательно соединенные двухпороговый компаратор и одновибратор

5 подключен к установочному входу второго счетного триггера и к вторым входам первой и второй схем ИЛИ, при этом первым входом блока подстройки фазы и подстройки амплитуды является второй вход схемы И,

0 вторым входом - второй вход третьего триггера, выходом - выход интегратора, информационным выходом - выход третьего триггера.

L D«

О)

.Ј.

Ю СЛ

Ю

/7yCX

К блокам уг.раЬления ФВ и РУ

д ггш-гита - U-1tjljUJL n Вш

Вых. ком

42 У/ Время перехода процессов ус-За выборки и хрвм. 38

Изобретение относится к электроакустике и может быть использовано для активного подавления звукового поля, создаваемого источниками шума. Целью изобретения является расширение пространственной области активного подавления шума. Введены дополнительные каналы компенсации, излучатели которых образуют распределенный источник компенсирующего акустического сигнала. При перемещении объекта с закрепленным микрофоном блоки подстройки фазы и амплитуды последовательно обеспечивают выбор параметров фа- зовращателей и усилителей каналов компенсации из условия обеспечения минимума сигнала микрофона. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Вых.комп. (Вых.12) 4

п . I

тн ип,