管道寬窄帶混合主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)的若干關(guān)鍵算法研究.pdf

1、環(huán)境噪聲對(duì)人們的工作和生活帶來嚴(yán)重影響，傳統(tǒng)的被動(dòng)噪聲控制方法往往體積龐大，成本昂貴，難以安裝，而且很難控制低頻噪聲。管道主動(dòng)噪聲控制（Active Noise Control，ANC）將目標(biāo)噪聲源以管道罩住，這樣噪聲在管道中傳播就可以近似為一維平面波，再利用聲波的相消干涉原理，通過電聲裝置在管道下游產(chǎn)生與原始噪聲幅值相同相位相反的次級(jí)噪聲（反噪聲）并與原始噪聲相疊加，就可以達(dá)到抑制噪聲的目的。該技術(shù)成本低且在低頻噪聲抑制方面效果顯著，

2、因此成為近年來噪聲控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
　　寬帶ANC系統(tǒng)和窄帶ANC系統(tǒng)將環(huán)境噪聲分成寬帶和窄帶來處理，是主動(dòng)噪聲控制領(lǐng)域的兩個(gè)重要方向（寬帶：能量集中在一定頻段上；窄帶：能量集中在單個(gè)或者有限多個(gè)頻率上）。實(shí)際管道中目標(biāo)噪聲顯示出寬窄帶混合的特性，新興的混合控制結(jié)構(gòu)致力于寬窄帶混合噪聲的控制，由寬帶ANC子系統(tǒng)（BANC）、窄帶ANC子系統(tǒng)（NANC）、正弦噪聲抑制子系統(tǒng)（Sinusoidal Noise cancellati

3、on，SNC）三部分組成，其中作為其控制核心的SNC子系統(tǒng)要求具有較高的追蹤能力和估計(jì)精度，才能有效協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)工作。目標(biāo)噪聲的幅值、頻率分量、相位、聲速是非平穩(wěn)（Nonstationary）的，因此需要自適應(yīng)的算法，對(duì)于其參數(shù)的跳變需要算法在保證收斂和穩(wěn)態(tài)性能同時(shí)具有較高的追蹤能力。頻率失調(diào)（Frequency Mismatch，F(xiàn)M）是測(cè)量參考信號(hào)的頻率偏差，嚴(yán)重影響系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能；當(dāng)目標(biāo)噪聲非平穩(wěn)時(shí)，頻率偏差量也會(huì)受到影響，而傳統(tǒng)補(bǔ)

4、償算法保證了穩(wěn)態(tài)性能的同時(shí)犧牲了收斂速度。本文針對(duì)上述關(guān)鍵技術(shù)難題開展基于自適應(yīng)濾波算法的高性能主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)研究。
　　首先，基于梯度下降法的思想構(gòu)建自適應(yīng)變步長的傅里葉分析器，改善SNC子系統(tǒng)的控制能力。將代價(jià)函數(shù)中引入關(guān)于步長的平衡項(xiàng)，得到的步長更新公式克服了傳統(tǒng)算法必須限定步長范圍來保持系統(tǒng)穩(wěn)定的弊病，不僅應(yīng)用方便而且可以進(jìn)行完全數(shù)學(xué)解析。另外，對(duì)新算法進(jìn)行透徹的數(shù)學(xué)分析：將步長序列前移近似，降低了誤差和步長的相關(guān)性，解

5、決了描述系統(tǒng)性能的差分方程組無法求解的問題，進(jìn)而完成了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模；求解出系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與參數(shù)間的關(guān)系式，為參數(shù)選取和實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和依據(jù)。仿真驗(yàn)證了算法性能的優(yōu)越性和數(shù)學(xué)分析的準(zhǔn)確性。
　　其次，提出一種窄帶ANC主控制器的自適應(yīng)變步長濾波-X最小均方算法（VSS-FXLMS），改善系統(tǒng)的追蹤性能、收斂速度和穩(wěn)態(tài)誤差。對(duì)新系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能分析，給出影響系統(tǒng)性能關(guān)鍵的參數(shù)和選取條件。另外，提出一種改進(jìn)FM補(bǔ)償方法，將補(bǔ)償算法的代價(jià)

6、函數(shù)中引入加權(quán)因子，并用數(shù)學(xué)歸納法求出修正項(xiàng)，提升系統(tǒng)的追蹤和收斂能力；仿真結(jié)果顯示改進(jìn)的補(bǔ)償系統(tǒng)與VSS-FXLMS主控制器相結(jié)合，在特征參數(shù)非平穩(wěn)，甚至FM偏移量發(fā)生跳變時(shí)仍然保持較高的追蹤能力。
　　再次，針對(duì)應(yīng)用寬帶ANC系統(tǒng)處理窄帶信號(hào)過程進(jìn)行性能分析：從數(shù)學(xué)角度給出控制濾波器長度、二倍頻率個(gè)數(shù)、初級(jí)通道長度三者的關(guān)系對(duì)系統(tǒng)收斂性能的影響；分析出用寬帶系統(tǒng)處理含窄帶分量噪聲的使用條件。另外，提出一種可以應(yīng)用于寬帶ANC主

7、控制器的VSS-FXLMS方法：去掉參考輸入項(xiàng)，增加誤差平方項(xiàng)，降低輸入自相關(guān)矩陣能量對(duì)步長穩(wěn)定性的影響，使寬帶ANC系統(tǒng)在非平穩(wěn)噪聲下的追蹤能力提高。將變步長的研究成果分別應(yīng)用于寬窄帶混合主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)（Hybrid ANC，HANC）的三個(gè)子系統(tǒng)中，提出一種綜合性能較高的復(fù)合變步長寬窄帶混合主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)（Multiple Variable Step-size based Hybrid ANC，MVSS-HANC）。