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1、第15卷第1期北京机械工业学院学报Vol.15No.12000年3月JournalofBeijingInstituteofMachineryMar.20003一维噪声的有源控制张奇志周雅莉贾永乐(北京机械工业学院自动化系)摘要:传统的无源吸振技术难以解决低频噪声控制问题,有源噪声控制(ANC)是解决低频噪声控制问题的有效方法。有源噪声控制(ANC)通过引入可以控制的次级声源使其和主噪声源干涉相消而达到降噪的目的。介绍了常用的几种有源噪声控制(ANC)算法,对常用ANC算法的性能进行了分析,并结合仿真结果对常用的ANC算法进行了评价。最后对算法的选择提出了建议,并对ANC的未来发
2、展进行了展望。关键词:有源噪声控制;仿真;管道噪声中图分类号:TB53TP273.2文献标识码:A文章编号:1008-1658(2000)01-0006-070引言一维噪声广泛存在于通风机和空调等管道之中,传统方法采用无源控制技术,即采用吸声和隔声等方法达到降低噪声的目的。然而,对于低频噪声来说该技术就不再适用,因为此时无源控制技术需要大尺寸和大重量的元器件。有源噪声控制(activenoisecontrol,ANC)技术近年来得到了广泛重视,主要原因是它特别适合低频噪声(500Hz以下)的控制。有源噪声控制[1]使用传声器和电驱动的扬声器产生消声效果。其思想首先由Lueg于1
3、936年提出,其原理如图1所示,假设管道噪声为正弦波,传声器在上游A处测得噪声信号,经延迟和反相由扬声器B发出抗噪声信号。两个信号叠加,在理想情况下噪声降为零。然而这种技术当时并没有得到实际应用,主要原因是噪声和环境都是时变的。真正实用的图1噪声有源控制原理图[2]有源噪声控制系统是80年代Burgess提出的,采用自适应滤波技术实现有源噪声控制。80年代后期,随着功能强大的数字信号处理器(DSP)的出现和自适应数字信号处理算法的发展,尤其是高性能低成本的DSP(如TMS320[3]系列)的出现使有源噪声控制成为一项实用的技术。有源噪声控制(ANC)的关键是以最小二乘法(lea
4、stmeansquare,LMS)为基础的各种自适[4]应滤波算法,如采用有限脉冲响应(finiteimpulseresponse,FIR)滤波器的Filter-X算法、采[5]用无限脉冲响应(infiniteimpulseresponse,IIR)滤波器的Filter-U和Filter-V算法等。在应用时必须根据问题的实际情况对这些算法进行取舍。本文对常用的ANC算法进行了分3北京市教委资助科技项目[项目编号:99KJ44]收稿日期:1999-08-27第一作者:男36岁副教授北京100085第1期张奇志等:一维噪声的有源控制7析,并结合仿真结果对常用的ANC算法进行了评价。
5、最后对算法的选择提出了建议,并对ANC的未来发展进行了展望。1有源噪声控制(ANC)的基本原理下面以一维管道宽带噪声控制系统(见图2)为例,介绍有源噪声控制(ANC)的基本原理。x(n)是在气流上游的传声器测得的参考输入信号,ANC产生一个与参考输入信号x(n)等值反相的输出信号y(n),由y(n)驱动扬声器产生抗图2宽带管道噪声有源控制系统噪声信号以减弱管道中的噪声。称噪声源为主声源,扬声器为次级声源。宽带噪声有源控制的基本原理是,参考输入信号x(n)和扬声器输出信号y(n)之间存在时间延迟,ANC可以在合适的时间发出抗噪声信号。理想情况下,两个信号叠加的结果是噪声被降为零。
6、其中输入传声器和扬声器之间的距离L决定了延迟的时间,在实际应用时必须仔细考虑自适应所需的运算时间、延迟时间和距离L的关系。有源噪声控制从结构上可分为两类,一类是需要参考输入信号x(n)的前向控制算法;另一类是不需要参考输入信号x(n)的反馈控制算法。目前几乎所有的有源噪声控制(ANC)系[6]统均采用前向控制技术。宽带噪声前向控制系统的方块图如图3所示,其中P(z)为参考输入传声器和输出扬声器之间声学路径的传递函数(见图2),W(z)为自适应滤波器。ANC用自适应滤波器W(z)估图3宽带ANC前馈系统结构图计未知声学路径的传递函数P(z)。误差e(n)的z变换为:E(z)=D(
7、z)+Y(z)=X(z)[P(z)+W(z)](1)当自适应滤波器W(z)收敛到E(z)=0时,式(1)变为:W(z)=-P(z)(2)式(2)说明y(n)=-d(n)(3)因此,滤波器输出y(n)与主噪声d(n)具有相同的幅值,180度的相位差。由叠加原理知y(n)和d(n)组合的结果是误差e(n)=0。最小二乘法如下①输入参考信号x(n)和误差信号e(n)N-1②计算抗噪声信号y(n)y(n)=∑wi(n)x(n-i)(4)i=0wi(n)是n时刻滤波器W(z)的第i个系数,N是滤波器W
