有源噪声控制概述

引言

噪声问题影响着人们的日常生活,特别是在高噪声环境下,人的生理和心理健康都会受到损害。传统的噪声控制手段为被动噪声控制,也称无源噪声控制,例如吸声、隔声等。被动的方法对于中高频噪声比较有效。另外一种噪声控制的方法为主动噪声控制,也称有源噪声控制,通过波的干涉原理进行噪声信号抵消。有源噪声控制主要针对低频噪声。

1.有源噪声控制系统

有源噪声控制概述_第1张图片
如图1所示的有源噪声控制系统。初级扬声器产生初级声场,人为产生的用于抵消的噪声称为次级噪声。产生次级噪声的是次级声源。利用参考麦克风(传声器)拾取参考信号,误差麦克风拾取误差信号。控制器通过参考信号和误差信号不断地调整控制器参数,从而改变自适应控制器的输出,以产生抵消信号。如果系统只存在一个次级声源和一个误差传感器,则系统为单通道系统;如果包含两个以上的次级源和误差传感器,则系统称为多通道系统。控制器的硬件一般分为模拟和数字两种。与自适应信号处理相比,有源噪声控制系统多出了次级通路,即由控制器输出到误差传感器输入之间的传递函数。由于次级通路的存在,一些在自适应信号处理中发生的现象在这里又发生了改变。

2. 前馈与反馈

如图1中所示的系统,需要有参考麦克风拾取参考信号,该系统为前馈系统。在某些情况下,不方便获得参考信号时,可以采用反馈系统,不需要参考信号。相对于反馈系统来说,前馈系统稳定性好,容易实现。

有源噪声控制概述_第2张图片
一个自适应的反馈系统如图2所示,仅需要一个误差传感器和一个次级声源,控制器的构造也比较简单。如果次级通路的频率响应平坦,且无附加相移,则可以在无限宽的频率范围内设置控制器的增益。然而通常,反馈控制器在某些关键频率或较窄的频率范围内使得传递函数满足稳定性和因果性的要求,而无法在较宽的频带范围内满足这些要求。

3.次级通路建模

如上文所示,次级通路建模是区别自适应信号处理和自适应有源控制的内容。要完成有源噪声控制,就必须得到次级通路的传递函数,可以说,次级通路传递函数的获取是实现有源控制算法的前提(当然,也有一些算法不需要提前获取次级通路的传递函数)。次级通路包含三个部分:声传递通路、传感作动装置(扬声器、传声器)和电子线路。自适应建模原理与自适应滤波原理相同,分为离线建模和在线建模两种。如果次级通路基本保持不变,则可以使用离线建模;如果次级通路变化很大,则最好采用在线建模。
通常离线建模的方法为附加白噪声法。先使次级声源发出随机噪声,改噪声信号作为建模滤波器的输入,误差传感器接收到的信号作为建模滤波器的期望信号。根据LMS算法可以获得FIR横向滤波器作为次级通路的建模滤波器。

4.有源噪声控制应用

有源护耳器是应用有源控制技术最为成功的案例,主要原因在于降噪空间狭小,需要的次级声源个数小(通常一只耳罩只配备一个扬声器),目前采用的模拟式控制器的构造简单、成本低廉;对于飞机舱室,虽然要求的降噪空间大,但由于螺旋桨飞机舱内噪声属于低频线谱噪声(主要包括的螺旋桨噪声基波和头几阶谐波),舱内声场本质上是由低阶声模态主导的驻波声场,仅需有限个数的次级声源就可以实现全空间降噪。与有源护耳器相比,飞机舱内噪声有源控制系统属于多通道系统,控制器的软件和硬件要复杂得多,系统的自身成本和维护成本要高得多,但与飞机的总体造价相比,这种系统的成本就在可以承受的范围内了。轿车车厢内的有源噪声控制,其降噪空间、技术难度、系统的复杂度和可接受的成本均介于前两者之间,这使得人们在选择是否要采用有源控制技术上陷于两难,因而市场上安装有源控制系统的汽车并不多。

5.结语

有源噪声控制的生命力在于工程应用,这也推进着控制算法的改进与发展。以上内容来自陈克安《有源噪声控制》(国防工业出版社,第2版)。如果您想了解更多关于有源噪声控制的内容,请参考主动噪声控制

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