一种用于有源噪声控制系统具有故障检测功能的次级声源及故障检测方法
阅读说明：本技术 一种用于有源噪声控制系统具有故障检测功能的次级声源及故障检测方法 (Secondary sound source with fault detection function for active noise control system and fault detection method ) 是由 代海 王洋 玉昊昕 王金林 宁晓峰 行晓亮 袁梦囝 于 2021-08-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于有源噪声控制系统具有故障检测功能的次级声源及故障检测方法,次级声源包括喇叭单体、电压采集模块、声采集模块以及微处理器,所述电压采集模块连接喇叭单体,所述微处理器分别连接电压采集模块、声采集模块以及有源噪声控制系统的有源噪声控制器。本发明使用了可靠性高的硅麦传声器,具有成本低、性能成本低、性能稳定的优点,误报率与漏报率非常低；故障检测的声采集模块置于次级声源箱体的内部,不受外界噪声的干扰,能够检测到次级声源较低声压的输出,同时保证了准确度；在有源噪声控制系统正常工作的同时,可实时了解到次级声源的状态,对于系统而言,次级声源部件具有独立的故障检测和故障上报功能。(The invention discloses a secondary sound source with a fault detection function for an active noise control system and a fault detection method. The invention uses the silicon microphone with high reliability, has the advantages of low cost, low performance cost and stable performance, and has very low false alarm rate and missing report rate; the sound acquisition module for fault detection is arranged in the secondary sound source box body, is not interfered by external noise, can detect the output of lower sound pressure of the secondary sound source, and simultaneously ensures the accuracy; when the active noise control system works normally, the state of the secondary sound source can be known in real time, and for the system, the secondary sound source part has independent fault detection and fault reporting functions.)
技术领域
本发明涉及有源噪声控制系统技术领域，更具体地说是一种用于有源噪声控制系统具有故障检测功能的次级声源及故障检测方法。
背景技术
在有源噪声控制系统中，次级声源作为重要的电声器件之一，它的作用是播放次级噪声数据，与初级噪声产生声干涉，可以达到降噪的效果。在降噪系统运行过程中，由于各种原因次级声源会发生故障，如不能够及时发现，会导致播放出来的次级噪声数据发生意想不到的变化，甚至起到“反作用”，导致初级声场噪声增加，引起系统失稳。然而，在次级声源使用过程中，使用环境比较嘈杂，无法通过人工辨别哪个次级声源发生故障。次级声源的好坏直接影响有源降噪设备的降噪性能。
对于次级声源的故障检测，目前采用的是在使用设备初始化时，对其进行故障检测，这仅仅可以判断出在使用之前，该次级声源是否故障，这种故障检测方法无法在设备使用时实时检测次级声源发生的故障。部分系统采用阻抗法进行的次级声源故障检测要求次级声场必须是白噪声或者扫频信号，然而实际降噪系统在工作时，多针对的是低频、窄带噪声，因此采用阻抗法进行的故障检测，存在一定的局限性。
本发明使用的是经典的传声器检测方法，依据有源噪声控制逻辑，判断次级声源的是否有效，以传声器接收到的信号为判断依据。传声器使用可靠性非常高的硅麦传声器，具有成本低，性能稳定的优点。
发明内容
一种用于有源噪声控制系统具有故障检测功能的次级声源及故障检测方法主要的目的是在有源降噪设备正常工作的情况下，对次级声源能够实时检测其是否发生故障。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于有源噪声控制系统具有故障检测功能的次级声源，包括喇叭单体、电压采集模块、声采集模块以及微处理器，所述电压采集模块连接喇叭单体，所述微处理器分别连接电压采集模块、声采集模块以及有源噪声控制系统的有源噪声控制器。所述电压采集模块连接有源噪声控制器。
所述声采集模块为硅麦传声器。
一种用于有源噪声控制系统的故障检测方法如下：
给次级声源成品设定检测阈值T0和T1；有源噪声控制系统在工作状态下，会给次级声源次级信号，使次级声源中喇叭单体发声，电压采集模块采集工作状态下的电压U，硅麦传声器会采集当前状态下的声信号V，然后提供给微处理器，让其进行数据计算与分析，包括对信号进行FFT处理、计算频率点的振幅A与相位P，以及计算当前状态下的振幅与相位差值的绝对值|TA|与|TP|，然后与设定的阈值作比较，根据比较结果来判断次级声源的状态，最后微处理器把故障检测结果反馈给有源噪声控制器。
一种用于有源噪声控制系统的故障检测方法，具体为：
S1.采集电压信号U和声信号V；
S2.对电压信号与声信号进行FFT处理；
S3.计算某频率点n用an+bni表示的振幅A与相位P：
P＝atan2(bn,an) (2)
其中，atan2(y,x)是表示X-Y平面上所对应的(x,y)坐标的角度,它的值域范围是(-π,π)；
S4.计算当前状态下某频率点电压信号和声信号的振幅与相位值差值的绝对值，记为|TA|与|TP|；
S5.次级声源是否故障判定
当公式(3)与(4)同时成立时，判定次级声源故障，否则次级声源没有发生故障。
|TA|≤T0 (3)
|Tp|≤T1 (4)。
本发明的技术效果和优点：
1.故障检测的声采集模块置于次级声源箱体的内部，不受外界噪声的干扰，能够检测到次级声源较低声压的输出，同时保证了准确度；
2.使用了可靠性高的硅麦传声器，具有成本低、性能成本低、性能稳定的优点，误报率与漏报率非常低；
3.在有源噪声控制系统正常工作的同时，可实时了解到次级声源的状态，对于系统而言，次级声源部件具有独立的故障检测和故障上报功能。
附图说明
图1为本发明故障检测功能模块原理图；
图2为次级声源组成结构图；
图3为次级声源故障检测方法流程图；
图4为FFT取模曲线图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
一种用于有源噪声控制系统具有故障检测功能的次级声源及故障检测方法主要的目的是在有源降噪设备正常工作的情况下，对次级声源能够实时检测其是否发生故障。
用于有源噪声控制系统具有故障检测功能的次级声源原理模块主要包括有源噪声控制器、次级声源，如图1所示。在次级声源中包含喇叭单体Speaker、电压采集模块(AD采集)、硅麦传声器MIC以及微处理器MCU，如图2所示。
实施例二
一种用于有源噪声控制系统的故障检测方法，步骤如下：
首先，给次级声源成品设定检测阈值T0和T1。有源噪声控制系统在工作状态下，会给次级声源次级信号，使次级声源中喇叭单体发声，电压采集模块就会采集工作状态下的电压U，硅麦传声器会采集当前状态下的声信号V，然后提供给微处理模块，让其进行数据计算与分析，包括对信号进行FFT处理、计算频率点的振幅A与相位P，以及计算当前状态下的振幅与相位差值的绝对值|TA|与|TP|，然后与设定的阈值作比较，根据比较结果来判断次级声源的状态，最后微处理模块把故障检测结果反馈给有源噪声控制器。
次级声源的故障检测方法流程如图3所示：
1.采集电压信号U和声信号V；
2.对电压信号与声信号进行FFT处理；
3.计算某频率点n用an+bni表示的振幅A与相位P：
P＝atan2(bn,an) (2)
其中，atan2(y,x)是表示X-Y平面上所对应的(x,y)坐标的角度,它的值域范围是(-π,π)；
4.计算当前状态下某频率点电压信号和声信号的振幅与相位值差值的绝对值，记为|TA|与|TP|；
5.次级声源是否故障判定
当公式(3)与(4)同时成立时，判定次级声源故障，否则次级声源没有发生故障。
|TA|≤T0 (3)
|Tp|≤T1 (4)。
实施例三
举例说明：
假设某一型号合格成品次级声源设定的阈值T0为3dB,T1为在有源噪声控制系统工作中，给次级声源输出次级信号，次级信号为窄带信号。
1.电压采集模块采集工作状态下的u和硅麦传声器采集声信号v；
2.对电压信号与声信号进行FFT处理；
3.取频率点n为107Hz，电信号复数为U107Hz＝761.56+1547.64i，声信号复数为V107Hz＝241.21+2054.47i，通过(1)和(2)公式，计算出振幅A与相位P：
A1＝20*log10(sqrt(761.562+1547.642))＝64.74dB；
P1＝atan2(1547.64,761.56)*180°/π＝63.80°；
A0＝20*log10(sqrt(241.212+2054.472))＝66.31dB；
P0＝atan2(2054.47,241.21)*180°/π＝83.30°。
4.计算当前状态下的电压信号和声信号的振幅与相位值差值的绝对值：
如图4所示，可以找到在该频率点上声信号的振幅值为A0＝66.31dB；电信号的振幅值为A1＝64.74dB，即TA＝|A0-A1|＝|66.31-64.74|dB＝1.57dB。
5.次级声源是否故障判定：
计算得到TA＝1.57dB＜T0＝3dB，则判定次级声源正常，通过微处理模块反馈给有源噪声控制器当前情况下次级声源的故障检测结果。
实施例四
本发明不仅适用于有源噪声控制系统，还可以用于可靠性要求高的扬声器(喇叭)箱体中。本发明可以对扬声器的单体性能进行实时检测，也可以用于有源音箱，例如汽车的扬声器、高铁电车的扬声器等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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