一种使用压电加速传感器降低环境噪音的方法

技术领域

本发明属于电子技术领域,具体涉及一种使用电子产品中的压电加速传感器来降低环境噪音的方法。

背景技术

当人们在嘈杂的环境中使用手机、Pad、电子阅读器等电子产品时，希望能通过耳机、音箱等扩音设备来降低环境噪音。目前市面上的降噪耳机，降噪方法分为被动降噪和主动降噪。被动降噪耳机是普通的隔音，利用硅胶塞等在耳洞内形成封闭空间，阻挡外部噪声传入，这种方法的特点是容易滤去高频噪声，而对低频噪声过滤效果不佳。主动降噪耳机的原理则是利用耳机所附带的麦克风接收周围的噪声，传到芯片，控制扬声器发出一个与噪声等振幅、反相位的声音，从而与原噪声相互抵消。这种方法在过滤低频噪声时效果非常好。音箱等扩音设备的主动降噪技术，也是赖于设备中的麦克风以及降噪芯片实现的。但电子产品的配套耳机、蓝牙音箱等扩音设备不一定都配备了降噪用的麦克风和专用芯片。如果音频输出到不附带麦克风及专用芯片的耳机或其他扩音设备时，则无法提供降噪功能。并且，在使用电子设备的麦克风提供降噪功能时，需要在电子设备的操作系统中获得授权，在应用关闭后，相应的功能授权就终止，导致使用程序繁琐。

然而，大多数的电子产品如手机、Pad、电子阅读器等都装配有加速传感器，应用于消费电子产品的加速传感器普遍为三轴压电加速传感器。加速传感器属于基础硬件，可以更方便的调用。发明人基于现有电子产品的自身特点，研发出了一种利于电子产品中附带的压电加速传感器来达到降低环境噪音的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用电子产品自身具备的压电加速传感器来实现降低环境噪音的方法，克服了耳机、音箱等扩音设备不具备麦克风和专用芯片时无法提供降噪功能的缺陷。本发明无须对已包含压电式加速传感器的原电子产品的内部结构做任何改变，且无须再添加任何辅助硬件。

为达到上述目的，本发明一种使用压电加速传感器降低环境噪音的方法，包括如下三个步骤：

S1：环境噪音数据收集

环境噪音产生的震动，由电子产品自身附带的压电加速传感器接收，在压电加速传感器的三个轴上产生电压信号； 压电加速传感器输出的模拟信号，由电子产品单片机上的模数转换器ADC读取并转换为数字信号输出，得出在三个轴上的加速度值Gx, Gy, Gz；

S2：噪音数据分析，得出噪声音频信号G

根据压电加速传感器X、Y、Z轴的信号，利用算法软件，进行音频信号重建，得出噪声音频信号G；

噪声音频信号G的计算方法如下： G = f(Gx, Gy, Gz)，

其中Gx、Gy、 Gz分别代表在压电加速传感器X、Y、Z轴三个方向上获得正值或者负值的加速度值，

噪声音频信号G，按照以下流程合成：

S2.1:以X轴数值为基准,判断Y轴数值和Z轴数值是否同向；

如果X轴数值为正值，同时读取的Y轴、Z轴数值也为正值，为声波同向；反之，则为声波不同向；

S2.2:如果声波不同向，将Y、Z轴数值调整为正值；

S2.3:将X、Y、Z轴正值数值求合，得出噪声音频信号G；

.以以上流程按照时间间隔进行循环取得G数值，对连续信号按一定的时间间隔取样。奈奎斯特取样定理认为，只要取样频率大于等于信号中所包含的最高频率的两倍，则可以根据其取样完全恢复出原始信号，这相当于当信号是最高频率时，每一周期至少要采取两个点。这样连续的G数值就形成了音频声波。

S3：通过抑制噪音算法，模拟出噪声等振幅、反相位的音频信号Gf，通过扩音器发出，从而抵消环境噪音，达到抑制噪音的效果；

反相位信号Gf，可以通过噪声音频信号G实现，公式为：Gf = - G。

本发明有益效果：

1、本发明降噪不依赖于耳机等扩音设备中的麦克风以及降噪芯片。

2、充分利用消费电子（如手机、Pad、电子阅读器等）设备中已经包含的加速传感器，就可以实现降噪效果。

3、可以通过软件算法的优化进行不断调整优化。

附图说明

图1为本发明流程示意图；

图2为本发明得到噪声音频信号G示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种使用压电加速传感器降低环境噪音的方法，包括如下三个步骤：

S1：环境噪音数据收集

环境噪音经由压电加速传感器感知的震动，在压电加速传感器的三个轴产生电压信号，压电加速传感器输出的模拟信号（电压），由模块上的模数转换器ADC读取并转换为数字信号输出，得出在三个轴上的加速度值Gx, Gy, Gz；

以下我们以H48C三轴加速传感器进行说明：H48C连接到单片机上只需要直接选择任意三个脚连接即可，与单片机连接的引脚可以任意选择，H48C三轴加速度传感器能测量在三个轴（X、Y、Z）方向上的±3g的加速度值，模块板载一个自动负载调节器，为H48C提供3.3V的电源，H48C输出的模拟信号（电压）由模块上的MCP3204（四通道，12-bit）读取并转换为数字信号输出。

通过MEMS技术，和内置的补偿H48C加速度传感器通过MCP3204模数转换器实现同步输出，要获取指定轴的加速度值，实际上是读取指定轴的电压再通过下面的公式计算出加速度Gx/Gy/Gz值，公式如下：

Gx/Gy/Gz = ((axis – vRef) / 4095) x (3.3 / 0.3663)

在这个公式中axis和 vRef表示通过AD转化得到的计数值，4095是一个12-bitADC的最大计数输出，3.3是H48C提供给内部的电压，0.3663是加速度1g的时候H48C输出的电压。我们可以把公式简化成如下表达式：

Gx/Gy/Gz = (axis – vRef) x 0.0022

按照以上简化公式，Gx/Gy/Gz的软件程序流程如下：

1.设定X、Y和Z轴的标志参数axisnum，并设定初始值，即0代表X轴，1代表为Y轴，2代表Z轴；

2.以axisnum参数读取计数值，即读取X或Y或Z轴上的计数值，并赋值为axis与vRef参数，计算(axis – vRef) x 0.0022得出Gx/Gy/Gz值。

：噪音数据分析，得出噪声音频信号G

根据压电加速传感器X、Y、Z轴的信号，利用算法软件，进行音频信号重建，得出噪声音频信号G；

噪声音频信号G的计算方法如下：G = f(Gx, Gy, Gz)，

其中Gx、Gy、 Gz分别代表在压电加速传感器X、Y、Z轴三个方向上获得正值或者负值的加速度值，

噪声音频信号G，如图2所示，按照以下流程合成：

S2.1:以X轴数值为基准,判断Y轴数值和Z轴数值是否同向；

如果X轴数值为正值，同时读取的Y轴、Z轴数值也为正值，为声波同向；反之，则为声波不同向；

S2.2:如果声波不同向，将Y、Z轴数值调整为正值；

S2.3:将X、Y、Z轴正值数值求合，得出噪声音频信号G；

.以以上流程按照时间间隔进行循环取得G数值，对连续信号按一定的时间间隔取样。

奈奎斯特取样定理认为，只要取样频率大于等于信号中所包含的最高频率的两倍，则可以根据其取样完全恢复出原始信号，这相当于当信号是最高频率时，每一周期至少要采取两个点。这样连续的G数值就形成了音频声波。

：通过抑制噪音算法，模拟出噪声等振幅、反相位的音频信号Gf，通过扩音器发出，从而抵消环境噪音，达到抑制噪音的效果；

反相位信号Gf，可以通过直接改变合成后数值G实现，公式为：Gf = - G。

本发明提供的一种利用电子产品自身具备的压电加速传感器来实现降低环境噪音的方法，克服了耳机、音箱等扩音设备不具备麦克风和专用芯片时无法提供降噪功能的缺陷。本发明无须对已包含压电式加速传感器的原电子产品的内部结构做任何改变，且无须再添加任何辅助硬件，并且可以通过软件算法的优化进行不断调整优化。