一种船用主动听力防护型耳罩及其防护方法

1.本发明属于听力防护耳罩技术领域，具体地涉及一种船用主动听力防护型耳罩及其防护方法。


背景技术：

2.舰艇航行过程中辐射噪声和舱室环境噪声，对自身隐蔽性和艇员健康影响至关重要，各国海军十分重视舰艇减振降噪工作。考虑隐蔽航行需求，我国舰艇已在噪声振源和传递路径方面取得较好效果，相关技术已渐趋成熟。随着人性化需求发展和遂行任务不断增加，舱室噪声对艇员身心健康和工作效能影响日益凸显，各级越来越重视此类噪声治理工作。
3.研究发现：若潜艇舱室封闭环境噪声降低5％，艇员综合战斗力将提高25％。而且环境噪声与人体生理和心理安全行为存在直接关系，噪声容易使人产生疲劳、注意力下降、反应速度降低等问题，进而影响装备操纵安全性和故障检修效率，甚至诱发装备操纵事故。
4.为解决上述舰船局域空间环境噪声控制问题，可通过入耳式耳塞、头戴式耳罩实现听力防护。但传统无源防护器材通过外壳或内部吸声材料衰减环境噪声，对高频环境噪声控制效果十分明显，但对1khz以下低频噪声控制效果不够理想。随着技术发展，有源噪声控制已经受到广泛关注。该方式利用声波干涉相消原理，在局域空间产生与原始噪声相位相反、幅度和频率相当的次级噪声，并与原始噪声抵消进而抑制噪声传递，可有效弥补传统耳罩低频噪声控制效果不佳的困境，为船用防护耳罩样机研制提供了条件。例如，有学者开展有源耳罩声学器件选型、结构设计研究，为有源耳罩设计提供研究思路。也有学者以坦克噪声对驾乘人员身体伤害为目标，设计降低坦克舱室噪声头盔，可获得8-10db降噪效果。还有学者系统分析有源耳罩市场定位与应用前景，并开展前馈结构理论和试验研究。这些研究较好地解决局域空间噪声特性分析和耳罩结构设计等问题，为有源噪声控制技术应用奠定了研究基础。然而，舰艇机械设备功率大，工作所致舱室噪声污染严重，如何在强噪声、低信噪比、中低频段噪声等恶劣环境下实现船员主动听力防护能力，仍有诸多工作亟待开展。
5.现有专利《一种具备语音增强功能的主动隔音耳罩“201911142904.7”》，公开了“在被动隔音耳罩将大部分高频噪声隔离的基础上，通过主动降噪技术将低频噪声在人耳附近进行抑制，同时通过在耳罩外布放麦克风阵列结合阵列语音增强算法提取语音信号耦合到主动降噪系统中并输入耳罩腔体，实现更有效的听力保护的同时，提升佩戴者之间的语音可懂度，保证正常的语音交流”的技术方法，但是该方法是滤波之后增强，增强的效果差，不能将接受的信号进一步的进行反馈进行过滤，进而导致并不能很好的实现语音信号的有效降噪和防护。


技术实现要素：

6.针对上述存在的在问题，本发明提出一种船用主动听力防护型耳罩及其防护方法，针对传统耳塞式或头戴式耳罩听力防护效果不佳的现实问题，构建主动听力防护耳罩
样机模型，并考虑耳罩声学器件内部影响因素，对前馈式、反馈式和复合式有源噪声控制策略进行改进和验证。在此基础上，搭建声学试验平台，开展主动听力防护耳罩试验研究，为后期深入研究船用主动听力防护耳罩提供参考和借鉴。
7.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
8.一种船用主动听力防护型耳罩，包括耳弓，所述耳弓的两端设置有耳罩，所述耳罩内设置有扬声器，所述扬声器的外侧设置有参考传声器，所述扬声器的内侧设置有误差传声器。
9.一种船用主动听力防护型耳罩防护方法，包括：
10.步骤1：建立基于船用主动听力防护型耳罩的前馈型主动防护策略结构，然后进一步将前馈型主动防护策略结构改进为改进型前馈型主动防护策略结构；
11.步骤2：建立基于船用主动听力防护型耳罩的反馈型主动防护策略结构；
12.步骤3：将步骤1和步骤2的防护策略结构结合，建立复合型主动防护策略结构。
13.优选的，所述步骤1的前馈型主动防护策略结构具体为：
14.e(n)＝d(n)+y(n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0015][0016][0017]
w(n+1)＝w(n)-μe(n)x
′
(n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0018]
其中，p(n)、s(n)、分别为主通道、次级通道和次级通道估计值，x(n)、x
′
(n)、d(n)、u(n)、y(n)、e(n)、μ分别为外界噪声、时延参考信号、主通道响应、控制器输出信号、扬声器输出次级声源、残余噪声及步长因子，p(n)为外部噪声x(n)与误差传声器之间物理路径，s(n)为扬声器与误差传声器之间物理路径，x(n)为n时刻外界噪声x(n)的序列，w(n)为滤波器，u(n)为u(n)组成m
×
1阶矢量序列，x
′
(n)为x(n)经次级通道估计值后的参考信号，该算法需通过离线或在线方式获得次级通道估计值并将其作用于x(n)来补偿次级通道影响，滤波信号x
′
(n)再作用于前馈型结构，获得控制信号u(n)和输出信号y(n)并利用误差传声器获得误差残余量e(n)，并由lms算法调整滤波系数w(n)。
[0019]
优选的，所述步骤1的改进型前馈型主动防护策略结构具体为：
[0020]
受扬声器扰动后外界噪声演变为xc(n)：
[0021][0022]
其中，为n时刻内部反馈通道输出，定义q(n)为内部反馈通道，q(n)用m阶有限脉冲响应滤波器代替，则q(n)系数如下：
[0023]
q(n)＝[q0(n) q1(n) ...q
m-1
(n)]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0024]
由扬声器传递至参考传声器的信号表示为：
[0025]
[0026]
式中，u(n)是由当前及过去时刻滤波器w(n)输出所构成的m
×
1阶矢量：
[0027]
u(n)＝[u(n)u(n-1)...u(n-m+1)]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0028]
则当前激励信号表示为：
[0029][0030]
其中，xc(n)、w(n)分别是滤波器在n时刻叠加信号采样序列、参考延时采样序列和滤波器权值矢量：
[0031][0032]
式中，滤波器w(n)输出u(n)表示为：
[0033][0034]
联立式(9)及(11)有：
[0035]
u(n)＝w
t
(n)xc(n)＝w
t
(n)(x(n)+q(n)
t
u(n))(12)
[0036]
整理后引入内部反馈通道后的控制器输出为：
[0037][0038]
由此，反馈通道使滤波器w(n)修正为当反馈通道传递函数q(n)＝0时，w
′
(n)将退化为无内部反馈的滤波自适应控制算法结构，具体如步骤1所示的前馈型主动防护策略结构。
[0039]
优选的，所述步骤2建立基于船用主动听力防护型耳罩的反馈型主动防护策略结构具体为：
[0040]
船用主动听力防护型耳罩的反馈型主动防护策略结构中d(n)、e(n)、u(n)、y(n)与前馈控制含义相同，为通过残余噪声信号和控制信号数字合成的参考信号，d
′
(n)是参考信号经滤波后所得信号；
[0041]
反馈型主动防护策略结构中参数物理含义与前馈型主动防护策略结构和改进型前馈型主动防护策略结构相同，反馈型主动防护策略结构残差信号e(n)仍为d(n)和次级通道s(z)输出y(n)之和：
[0042]
e(n)＝d(n)+y(n)(14)
[0043]
滤波器w(n)输出u(n)用卷积运算表示为：
[0044][0045]
其中，w(n)分别是滤波器在n时刻参考延时采样序列和滤波器权值矢量：
[0046][0047]
w(n)＝[w0(n) w1(n)...w
n-1
(n)]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0048]
当次级通道s(n)也用m阶有限脉冲响应滤波器代替时，则s(z)的权值系数如下：
[0049]
s(n)＝[s0(n) s1(n) ...s
m-1
(n)]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0050]
式中，si(n)为n时刻s(n)第i个脉冲响应系数，则次级通道s(n)输出y(n)为：
[0051][0052]
式中，u(n)是滤波器w(n)输出u(n)所组成m
×
1阶矢量序列：
[0053]
u(n)＝[u(n) u(n-1)... u(n-m+1)]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)
[0054]
联立式(15)，次级通道输出y(n)为：
[0055][0056]
式中，是残差信号经过估计次级通道滤波后参考信号，具体如下：
[0057][0058]
其中有：
[0059][0060][0061]
若次级通道辨识精度达到设定值，则也就是说将还原出系统响应信号d(n)；若系统主通道线性度良好，则d(n)能完整反映出外界激励信号x(n)频谱信息；此时，反馈控制仍定义被观测点残差信号最小，即目标函数为：
[0062]
j(n)＝e[e2(n)](25)
[0063]
详细推导过程将不再赘述，与改进型前馈型主动防护策略结构要求相同，则反馈控制自适应更新法则表述为：
[0064]
w(n+1)＝w(n)-μe(n)d
′
(n)(26)
[0065]
式中，μ为反馈控制迭代步长。
[0066]
优选的，所述步骤2反馈型主动防护策略结构的算法步骤为：
[0067]
s1：获取振动残差e(n)；
[0068]
s2：依据式(15)计算滤波器输出信号u(n)；
[0069]
s3：依据式(19)计算次级通道输出信号y(n)；
[0070]
s4：依据式(23)计算估计次级通道滤波后信号d
′
(n)；
[0071]
s5：依据式(26)更新滤波器w(n)。
[0072]
优选的，所述步骤3的复合型主动防护策略结构中的参数与改进型前馈型主动防护策略结构和反馈型主动防护策略结构相同，复合型主动防护策略结构的残余误差用式(27)表述：
[0073]
e(n)＝[p(n)+s(n)w1(n)]x(n)(27)
[0074]
定义w1(n)为前馈控制滤波器，定义w2(n)为反馈控制滤波器，lms1为前馈滤波器的自适应算法，lms2为反馈滤波器的自适应算法；
[0075]
当前馈滤波器达到最优值w1(n)＝-p(n)/s(n)时，残余误差e(n)将为零，那么，在反馈环节中复合型主动防护策略结构输入输出关系为：
[0076][0077]
其中，则公式(28)改写为：
[0078][0079]
当次级通道辨识精度达到设定值，则此时，复合型主动防护策略结构的传递函数表述为：
[0080][0081]
对于式(30)所示复合型主动防护策略结构的传递函数，只有h(n)
→
0时任何输入才能使其输出趋近于0，则反馈控制最优滤波器设置为w2(n)＝-1/s(n)。
[0082]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0083]
1.本发明考虑耳罩内部扬声器对参考传声器信号采集的影响，应用内部反馈通道还原出外界噪声，可增强外界噪声信噪比，能提升主动防护耳罩中有源控制技术鲁棒性和降噪效率；
[0084]
2.本发明应用参考传声器和误差传声器，通过重构前馈型和反馈型主动防护策略结构，提出一种复合型主动防护策略结构，拓宽了有源噪声控制频段，提升了主动防护耳罩的防护效果和降噪效果；
[0085]
3.本发明所述船用主动防护型耳罩，左耳和右耳独立进行控制，前馈控制和反馈控制模块分别独立运行，相互之间不受影响，一侧耳罩控制单元或控制模块出现故障，不影响其它部分运行效果，提高了控制系统运行可靠性和稳定性。
附图说明
[0086]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
[0087]
在附图中：
[0088]
图1本发明的方法流程图；
[0089]
图2某型船体内部结构示意图；
[0090]
图3船员所用听力防护耳罩结构；
[0091]
图4船用主动听力防护型耳罩工作原理图；
[0092]
图5船用主动听力防护型耳罩结构图；
[0093]
图6前馈型主动防护策略结构；
[0094]
图7改进型前馈型主动防护策略结构；
[0095]
图8反馈型主动防护策略结构；
[0096]
图9复合型主动防护策略结构；
[0097]
图10水泵振动噪声实验台；
[0098]
图11声学控制实验台；
[0099]
图12自由场传声器环境噪声一致性测试(时域、频域)；
[0100]
图13自由场传声器环境噪声一致性测试(1/3倍频程)；
[0101]
图14人工头压力场传声器噪声一致性测试(时域、频域)；
[0102]
图15人工头压力场传声器噪声一致性测试(1/3倍频程)；
[0103]
图16耳罩通道辨识激励白噪声；
[0104]
图17耳罩次级通道辨识结果；
[0105]
图18耳罩内部反馈通道辨识结果；
[0106]
图19前馈控制主动防护试验效果(a声级)；
[0107]
图20反馈控制主动防护试验效果(a声级)；
[0108]
图21复合控制主动防护试验效果(a声级)；
[0109]
其中，1.耳弓，2.耳罩，3.扬声器，4.参考传声器，5.误差传声器。
具体实施方式
[0110]
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0111]
实施例：
[0112]
参照附图1-21所示，以某型船体结构为例(图2所示)，其中有驾驶舱室、居住舱室、甲板区域和轮机舱室等区域。在发动机工作条件下，会产生严重环境噪声，其轮机舱室噪声高达100db以上，且以中低频段噪声为主，传统耳无源听力防护装置效果有限，舱室环境噪声严重影响船员身心健康和工作安全。
[0113]
轮机舱室船员所用的传统头戴式隔声耳罩如图3所示，包括耳弓、耳罩等部件，通过隔声材料和耳弓实现防护效果。在材料确定条件下，若想获得较好隔声效果，就需较大耳弓夹持力。这种无源式耳罩低频噪声隔离效果有限，使用者长时间佩戴容易引起耳部不适，一定程度上影响了使用舒适感。
[0114]
与之相比，船用主动防护耳罩通过有源控制技术获得较好隔声效果，可以更加注重夹持力和舒适性的平衡设计。
[0115]
船用主动听力防护型耳罩原理如图4、结构如图5所示，包括耳弓1，所述耳弓1的两端设置有耳罩2，所述耳罩2内设置有扬声器3，所述扬声器3的外侧设置有参考传声器4，所述扬声器3的内侧设置有误差传声器5，还设置有控制器，且在两个耳罩2外壳上开有透声咪孔，参考传声器、误差传声器分别用于采集环境噪声和评价防护效果。
[0116]
一种船用主动听力防护型耳罩的防护放法，包括：
[0117]
步骤1：建立基于船用主动听力防护型耳罩的改进型前馈型主动防护策略结构；widrow和hoff提出最小均方误差(leastmeansquare，lms)后，以可快速产生次级噪声衰减原始噪声为优势。然而，耳罩结构电声器件使实际环境噪声和入耳噪声间存在延时，一定程度上影响该算法稳定性及实用效果。为此，burgess提出fxlms(filtered-x least mean square)算法，在参考信号送入lms模块前增加次级通道估计滤波，用于补偿实际路径信号
延迟，该算法能显著提升有源噪声控制能力，其结构和原理如图6和式(1)-(4)所示。具体为：
[0118]
e(n)＝d(n)+y(n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0119][0120][0121]
w(n+1)＝w(n)-μe(n)x
′
(n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0122]
其中，p(n)、s(n)、分别为主通道、次级通道和次级通道估计值，x(n)、x
′
(n)、d(n)、u(n)、y(n)、e(n)、μ分别为外界噪声、时延参考信号、主通道响应、控制器输出信号、扬声器输出次级声源、残余噪声及步长因子，p(n)为外部噪声x(n)与误差传声器之间物理路径，s(n)为扬声器与误差传声器之间物理路径，x(n)为n时刻外界噪声x(n)的序列，w(n)为滤波器，u(n)为u(n)组成m
×
1阶矢量序列，x
′
(n)为x(n)经次级通道估计值后的参考信号，该算法需通过离线或在线方式获得次级通道估计值并将其作用于x(n)来补偿次级通道影响，滤波信号x
′
(n)再作用于前馈型结构，获得控制信号u(n)和输出信号y(n)并利用误差传声器获得误差残余量e(n)，并由lms算法调整滤波系数w(n)。最终实现环境噪声消除，该算法具有响应迅速、动态性能好等优点。此外，若图6中s(z)次级通道和次级通道估计值均趋近于1，此时前馈型主动防护策略将退化为lms算法，可用于主通道等物理通道系统辨识。
[0123]
该算法具有响应迅速、动态性能好等优点。然而，因耳罩结构腔体结构狭小，扬声器产生的次级声波也会对参考传声器产生干扰，使环境噪声x(n)发生变化，这将导致参考信号不稳定而影响算法收敛速度和效果。
[0124]
此时，考虑耳罩内部声学反馈对参考信号影响，则图6可改写为图7所示结构。
[0125]
如下：
[0126]
受扬声器扰动后外界噪声演变为xc(n)：
[0127][0128]
其中，为n时刻内部反馈通道输出，定义q(n)为内部反馈通道，q(n)用m阶有限脉冲响应滤波器代替，则q(n)系数如下：
[0129]
q(n)＝[q0(n) q1(n) ...q
m-1
(n)]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0130]
由扬声器传递至参考传声器的信号表示为：
[0131][0132]
式中，u(n)是由当前及过去时刻滤波器w(n)输出所构成的m
×
1阶矢量：
[0133]
u(n)＝[u(n)u(n-1)...u(n-m+1)]
t
(8)
[0134]
则当前激励信号表示为：
[0135][0136]
其中，xc(n)、w(n)分别是滤波器在n时刻叠加信号采样序列、参考延时采样序列和滤波器权值矢量：
[0137][0138]
式中，滤波器w(n)输出u(n)表示为：
[0139][0140]
联立式(9)及(11)有：
[0141]
u(n)＝w
t
(n)xc(n)＝w
t
(n)(x(n)+q(n)
t
u(n))(12)
[0142]
整理后引入内部反馈通道后的控制器输出为：
[0143][0144]
由此，反馈通道使滤波器w(n)修正为当反馈通道传递函数q(n)＝0时，w
′
(n)将退化为无内部反馈的滤波自适应控制算法结构，具体如步骤1所示的前馈型主动防护策略结构。该修正可使滤波自适应控制算法具有一定内部反馈能力，从而提高系统鲁棒性，该改进将使控制策略有较快的收敛速度和有较好的稳态控制效果。
[0145]
步骤2：建立基于船用主动听力防护型耳罩的反馈型主动防护策略结构；
[0146]
图7所示为改进型前馈型主动防护策略，需通过参考传声器采集外界环境噪声，若该传声器故障控制系统可能失效、甚至发散或损坏电气元件。此时，还可通过耳罩误差传声器实现主动听力防护，反馈型主动防护策略结构除参考信号获取方式与图7不同外，其它流程均与之相同，反馈主动防护策略如图8所示。其中，d(n)、e(n)、u(n)、y(n)与步骤1改进型前馈型主动防护策略结构中参数的含义相同，为通过残余噪声信号和控制信号数字合成的参考信号，d
′
(n)是参考信号经滤波后所得信号。反馈型主动防护策略结构残差信号e(n)仍为d(n)和次级通道s(z)输出y(n)之和：
[0147]
e(n)＝d(n)+y(n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0148]
滤波器w(n)输出u(n)用卷积运算表示为：
[0149][0150]
其中，w(n)分别是滤波器在n时刻参考延时采样序列和滤波器权值矢量：
[0151][0152]
w(n)＝[w0(n) w1(n)...w
n-1
(n)]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0153]
当次级通道s(n)也用m阶有限脉冲响应滤波器代替时，则s(z)的权值系数如下：
[0154]
s(n)＝[s0(n) s1(n) ...s
m-1
(n)]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0155]
式中，si(n)为n时刻s(n)第i个脉冲响应系数，则次级通道s(n)输出y(n)为：
[0156][0157]
式中，u(n)是滤波器w(n)输出u(n)所组成m
×
1阶矢量序列：
[0158]
u(n)＝[u(n) u(n-1)... u(n-m+1)]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)
[0159]
联立式(15)，次级通道输出y(n)为：
[0160][0161]
式中，是残差信号经过估计次级通道滤波后参考信号，具体如下：
[0162][0163]
其中有：
[0164][0165][0166]
若次级通道辨识精度达到设定值，则也就是说将还原出系统响应信号d(n)；若系统主通道线性度良好，则d(n)能完整反映出外界激励信号x(n)频谱信息；此时，反馈控制仍定义被观测点残差信号最小，即目标函数为：
[0167]
j(n)＝e[e2(n)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(25)
[0168]
详细推导过程将不再赘述，与改进型前馈型主动防护策略结构要求相同，则反馈控制自适应更新法则表述为：
[0169]
w(n+1)＝w(n)-μe(n)d
′
(n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(26)
[0170]
式中，μ为反馈控制迭代步长，其值对稳态控制精度有较大影响。
[0171]
所述步骤2反馈型主动防护策略结构的算法步骤为：
[0172]
s1：获取振动残差e(n)；
[0173]
s2：依据式(15)计算滤波器输出信号u(n)；
[0174]
s3：依据式(19)计算次级通道输出信号y(n)；
[0175]
s4：依据式(23)计算估计次级通道滤波后信号d
′
(n)；
[0176]
s5：依据式(26)更新滤波器w(n)。
[0177]
步骤3：将步骤1和步骤2的防护策略结构结合，如图9所示，建立复合型主动防护策略结构。
[0178]
所述步骤3的复合型主动防护策略结构中的参数与改进型前馈型主动防护策略结构和反馈型主动防护策略结构相同，复合型主动防护策略结构的残余误差用式(27)表述：
[0179]
e(n)＝[p(n)+s(n)w1(n)]x(n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(27)
[0180]
定义w1(n)为前馈控制滤波器，定义w2(n)为反馈控制滤波器，lms1为前馈滤波器的自适应算法，lms2为反馈滤波器的自适应算法；
[0181]
当前馈滤波器达到最优值w1(n)＝-p(n)/s(n)时，残余误差e(n)将为零，那么，在反馈环节中复合型主动防护策略结构输入输出关系为：
[0182][0183]
其中，则公式(28)改写为：
[0184][0185]
当次级通道辨识精度达到设定值，则此时，复合型主动防护策略结构的传递函数表述为：
[0186][0187]
对于式(30)所示复合型主动防护策略结构的传递函数，只有h(n)
→
0时任何输入才能使其输出趋近于0，则反馈控制最优滤波器设置为w2(n)＝-1/s(n)。综合来看，前馈控制和反馈控制控制器更新及自适应算法运算两者互不相关，可以独立运算而不受影响，能够获得更好控制效果，同时还不影响系统的稳定性。
[0188]
主动防护试验研究
[0189]
1.试验系统搭建
[0190]
为验证所建样机模型和控制策略，用某离心水泵噪声模拟舱室噪声，搭建防护耳罩实验平台，并开展主动防护试验研究。试验系统包括水泵振动噪声实验台和声学控制实验台，分别如图10和图11所示。其中，水泵为7.5kw立式离心泵，工作时产生较强环境噪声。声学控制验证包括音响、控制器、防护耳罩样机、声学人工头、信号调理器及测试系统等，惠威h5音响用于播放白噪声实施系统辨识，控制器为自制dsp控制器，测试人工头为杭州兆华公司通用人工头，信号调理器为icp型传声信号转换使用，测试系统为北京东方所inv3062型采集仪及dasp分析软件。
[0191]
2.环境噪声测试
[0192]
如图10所示，在距水泵0.5m处布放自由场传声器(三个)和人工头压力场传声器(两个)，测量离心泵工作噪声，用于模拟舱室环境。在离心泵额定工况下(2950r/min)，采样频率50khz，五个传声器所测信号分别如图12-15和表1所示。
[0193]
表1环境噪声传声器一致性分析
[0194][0195]
由图12-15和表1可知，三个环境噪声传声器所测水泵噪声信号较为一致，其有效值分别为1.97、1.99、2.05，对应a声级为98.65、99.07、99.26，总体差别相对较小，传声器一致性较好。此外，从人工头采集数据来看，其左耳和右耳有效值为2.18179、1.86793，对应a声级为100.85、99.51，左耳声压相对较大，主要是原因是左耳距离水泵较近所致。
[0196]
总体而言，上述传声器和人工头所测水泵噪声一致性较好，均可作为环境噪声信
号用于评估听力防护装置性能。此外，离心泵为典型旋转机械，工作噪声较为规律，1khz内线谱噪声强度大，处于无源耳罩防护短板区域，可以用于验证主动听力防护耳罩隔声效果。此外，该离心泵在20-20khz频段内，离心泵暴露声级高达118.63db，严重超过人体可接受范围，需要佩戴主动防护设备进行听力防护。
[0197]
3.耳罩系统辨识试验
[0198]
为验证主动听力防护策略，需对耳罩次级通道进行辨识。考虑耳罩结构稳定，可用离线建模方式获取次级通道和内部反馈通道，便于开展算法验证工作。其中，以图11中人工头左耳为研究对象，系统辨识白噪声激励如图16所示，步长因子为0.2，采样频率为10khz，次级通道和内部反馈通道均用32阶fir滤波器表示。考虑传声器信号调理后含直流偏移量，需对adc信号进行隔直处理，并设置adc增益为0.4，使adc与dac处于合理范围内有利于提高辨识精度。此外，白噪声dac输出时还需进行限幅(
±
1.0v)，防止输出过大损坏音箱，辨识效果如图17-图19所示。
[0199]
在白噪声激励条件下，次级通道和内部反馈通道抽头系数如图17-18所示。由图可知，两者分别为1阶和2阶时延系统，且均在32阶后趋于收敛，这说明可用32阶fir滤波器表述次级通道和内部反馈通道。此外，由于耳罩扬声器距离误差传声器较近，故其延时较短，距离前馈传声器较远，故其延时相对较大，这也与实际情况一致。
[0200]
4.耳罩听力防护试验
[0201]
在获得较为准确的次级通道和内部反馈通道后，将图17和图18所示抽头系数装载至图7-图9模型，即可开展主动防护试验研究。实验过程中，水泵用于产生环境噪声，测试人工头左耳为被控对象和评价依据。三种策略w(n)滤波器均为512阶，采样频率10khz，试验时间50s。其工作时序为：前馈控制在t＝25s时刻启动，步长因子分别取0.06、0.08；反馈控制在t＝25s时刻启动，步长因子分别取0.1、0.5；复合控制分别在t＝26s/t＝33s和t＝15s/t＝23s时启动，步长因子取0.06/0.1和0.08/0.1，控制效果如图19至图21和表2所示。
[0202]
表2三种主动防护策略控制效果对比
[0203][0204]
由图19至图21和表2可知，耳罩样机无源防护可获得10.32dba控制效果，能在一定程度上降低环境噪声。从频域上来看，无源隔声效果主要在1khz以上频段，且频率越高隔声效果越好，这说明无源隔声与耳罩本身特性密切相关。与之相比，三种主动防护能获得更好隔声效果。其中，前馈控制在步长0.06、0.08时，可获得24.37dba、27.61dba隔声效果；反馈控制在步长0.1、0.5时，可获得27.37dba、29.83dba隔声效果；而复合控制在步长0.06/0.1和0.08/0.1时，可获得28.43dba、30.30dba隔声效果，而在步长因子0.06/0.5和0.08/0.5时系统均处于发散失控状态。
[0205]
这说明无论是前馈、反馈或复合控制，在系统稳定条件下，隔声效果随步长增加而提升，且复合控制效果相对更好。从频域上来看，主动防护耳罩控制频段集中在1khz以内，这说明有源控制能有效消除线谱噪声，使整个频段噪声得到有效控制。此外，三种控制方式
开启后在稳定阶段，4khz以上频段有源隔声效果有所恶化，主要是受次级通道频响特性和运算速度影响，但其幅值能量较小，不影响耳罩主动防护控制效果。
[0206]
综上所述：
[0207]
本发明针对某船用耳罩听力防护效果不佳的现实问题，构建了一种主动听力防护耳罩样机极其防护方法，并考虑耳罩扬声器对环境噪声影响，应用前馈型、反馈型及复合型主动听力防护策略开展了试验研究，可以得出如下结论：
[0208]
(1)某型离心泵噪声严重超过工作人员可承受范围，传统防护耳罩隔声效果仅为10.32db，效果相对有限，不能有效满足船员听力防护需求。
[0209]
(2)无论是前馈控制或反馈控制，在系统稳定条件下，随着步长因子增加控制效果相对更好。
[0210]
(3)主动听力防护可有效控制中低频线谱噪声，获得30.30db降噪效果，有效提升防护能力。
[0211]
(4)复合主动防护策略具有更好稳态精度，能有效解决无源耳罩防护能力不足的困境，可为后期防护耳罩样机应用提供技术支撑。
[0212]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：
1.一种船用主动听力防护型耳罩，包括耳弓(1)，所述耳弓(1)的两端设置有耳罩(2)，其特征在于：所述耳罩(2)内设置有扬声器(3)，所述扬声器(3)的外侧设置有参考传声器(4)，所述扬声器(3)的内侧设置有误差传声器(5)。2.一种船用主动听力防护型耳罩防护方法，其特征在于：包括：步骤1：建立基于船用主动听力防护型耳罩的前馈型主动防护策略结构，然后进一步将前馈型主动防护策略结构改进为改进型前馈型主动防护策略结构；步骤2：建立基于船用主动听力防护型耳罩的反馈型主动防护策略结构；步骤3：将步骤1和步骤2的防护策略结构结合，建立复合型主动防护策略结构。3.根据权利要求2所述的一种船用主动听力防护型耳罩防护方法，其特征在于：所述步骤1的前馈型主动防护策略结构具体为：e(n)＝d(n)+y(n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)(1)w(n+1)＝w(n)-μe(n)x
′
(n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中，p(n)、s(n)、分别为主通道、次级通道和次级通道估计值，x(n)、x
′
(n)、d(n)、u(n)、y(n)、e(n)、μ分别为外界噪声、时延参考信号、主通道响应、控制器输出信号、扬声器输出次级声源、残余噪声及步长因子，p(n)为外部噪声x(n)与误差传声器之间物理路径，s(n)为扬声器与误差传声器之间物理路径，x(n)为n时刻外界噪声x(n)的序列，w(n)为滤波器，u(n)为u(n)组成m
×
1阶矢量序列，x
′
(n)为x(n)经次级通道估计值后的参考信号，该算法需通过离线或在线方式获得次级通道估计值并将其作用于x(n)来补偿次级通道影响，滤波信号x
′
(n)再作用于前馈型结构，获得控制信号u(n)和输出信号y(n)并利用误差传声器获得误差残余量e(n)，并由lms算法调整滤波系数w(n)。4.根据权利要求3所述的一种船用主动听力防护型耳罩防护方法，其特征在于：所述步骤1的改进型前馈型主动防护策略结构具体为：受扬声器扰动后外界噪声演变为x
c
(n)：其中，为n时刻内部反馈通道输出，定义q(n)为内部反馈通道，q(n)用m阶有限脉冲响应滤波器代替，则q(n)系数如下：q(n)＝[q0(n) q1(n) ...q
m-1
(n)]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)由扬声器传递至参考传声器的信号表示为：式中，u(n)是由当前及过去时刻滤波器w(n)输出所构成的m
×
1阶矢量：u(n)＝[u(n) u(n-1) ... u(n-m+1)]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
则当前激励信号表示为：其中，x
c
(n)、w(n)分别是滤波器在n时刻叠加信号采样序列、参考延时采样序列和滤波器权值矢量：式中，滤波器w(n)输出u(n)表示为：联立式(9)及(11)有：u(n)＝w
t
(n)x
c
(n)＝w
t
(n)(x(n)+q(n)
t
u(n))
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)整理后引入内部反馈通道后的控制器输出为：由此，反馈通道使滤波器w(n)修正为当反馈通道传递函数q(n)＝0时，w
′
(n)将退化为无内部反馈的滤波自适应控制算法结构，具体如步骤1所示的前馈型主动防护策略结构。5.根据权利要求4所述的一种船用主动听力防护型耳罩防护方法，其特征在于：所述步骤2建立基于船用主动听力防护型耳罩的反馈型主动防护策略结构具体为：船用主动听力防护型耳罩的反馈型主动防护策略结构中d(n)、e(n)、u(n)、y(n)与前馈控制含义相同，为通过残余噪声信号和控制信号数字合成的参考信号，d
′
(n)是参考信号经滤波后所得信号；反馈型主动防护策略结构中参数物理含义与前馈型主动防护策略结构和改进型前馈型主动防护策略结构相同，反馈型主动防护策略结构残差信号e(n)仍为d(n)和次级通道s(z)输出y(n)之和：e(n)＝d(n)+y(n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)将滤波器w(n)输出u(n)用卷积运算表示为：其中，w(n)分别是滤波器在n时刻参考延时采样序列和滤波器权值矢量：w(n)＝[w0(n)w1(n)...w
n-1
(n)]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
当次级通道s(n)也用m阶有限脉冲响应滤波器代替时，则s(z)的权值系数如下：s(n)＝[s0(n) s1(n) ...s
m-1
(n)]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)式中，s
i
(n)为n时刻s(n)第i个脉冲响应系数，则次级通道s(n)输出y(n)为：式中，u(n)是滤波器w(n)输出u(n)所组成m
×
1阶矢量序列：u(n)＝[u(n) u(n-1) ... u(n-m+1)]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)联立式(15)，次级通道输出y(n)为：式中，是残差信号经过估计次级通道滤波后参考信号，具体如下：其中有：其中有：若次级通道辨识精度达到设定值，则也就是说将还原出系统响应信号d(n)；若系统主通道线性度良好，则d(n)能完整反映出外界激励信号x(n)频谱信息；此时，反馈控制仍定义被观测点残差信号最小，即目标函数为：j(n)＝e[e2(n)] (25)详细推导过程将不再赘述，与改进型前馈型主动防护策略结构要求相同，则反馈控制自适应更新法则表述为：w(n+1)＝w(n)-μe(n)d
′
(n) (26)式中，μ为反馈控制迭代步长。6.根据权利要求5所述的一种船用主动听力防护型耳罩防护方法，其特征在于：所述步骤2反馈型主动防护策略结构的算法步骤为：s1：获取振动残差e(n)；s2：依据式(15)计算滤波器输出信号u(n)；s3：依据式(19)计算次级通道输出信号y(n)；s4：依据式(23)计算估计次级通道滤波后信号d
′
(n)；s5：依据式(26)更新滤波器w(n)。7.根据权利要求6所述的一种船用主动听力防护型耳罩防护方法，其特征在于：所述步骤3的复合型主动防护策略结构中的参数与改进型前馈型主动防护策略结构和反馈型主动防护策略结构相同，复合型主动防护策略结构的残余误差用式(27)表述：e(n)＝[p(n)+s(n)w1(n)]x(n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(27)定义w1(n)为前馈控制滤波器，定义w2(n)为反馈控制滤波器，lms1为前馈滤波器的自适
应算法，lms2为反馈滤波器的自适应算法；当前馈滤波器达到最优值w1(n)＝-p(n)/s(n)时，残余误差e(n)将为零，那么，在反馈环节中复合型主动防护策略结构输入输出关系为：其中，则公式(28)改写为：当次级通道辨识精度达到设定值，则此时，复合型主动防护策略结构的传递函数表述为：对于式(30)所示复合型主动防护策略结构的传递函数，只有h(n)
→
0时任何输入才能使其输出趋近于0，则反馈控制最优滤波器设置为w2(n)＝-1/s(n)。

技术总结
本发明属于听力防护耳罩技术领域，具体地涉及一种船用主动听力防护型耳罩及其防护方法。耳罩包括耳弓，耳弓的两端设置有耳罩，耳罩上设置有扬声器，扬声器的外侧设置有参考传声器，扬声器的内侧设置有误差传声器。防护方法为：步骤1：建立基于船用主动听力防护型耳罩的改进型前馈型主动防护策略结构，将前馈型主动防护策略结构改进为改进型前馈型主动防护策略结构；步骤2：建立基于船用主动听力防护型耳罩的反馈型主动防护策略结构；步骤3：步骤1和步骤2结合，建立复合型主动防护策略结构。本发明能提升主动防护耳罩中有源控制技术鲁棒性和降噪效率，拓宽了有源噪声控制频段，提升了防护效果和降噪效果，以及控制系统运行可靠性和稳定性。和稳定性。和稳定性。


技术研发人员：杨理华 孙俊忠 刘丽滨 张骁 艾夏禹
受保护的技术使用者：中国人民解放军海军潜艇学院
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/7/20