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

1、環(huán)境噪聲對人們的工作和生活帶來嚴重影響，傳統(tǒng)的被動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。管道主動噪聲控制（Active Noise Control，ANC）將目標噪聲源以管道罩住，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噪聲（反噪聲）并與原始噪聲相疊加，就可以達到抑制噪聲的目的。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。
　　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，是主動噪聲控制領(lǐng)域的兩個重要方向（寬帶：能量集中在一定頻段上；窄帶：能量集中在單個或者有限多個頻率上）。實際管道中目標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精度，才能有效協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)工作。目標噪聲的幅值、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)性能同時具有較高的追蹤能力。頻率失調(diào)（Frequency Mismatch，F(xiàn)M）是測量參考信號的頻率偏差，嚴重影響系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能；當目標噪聲非平穩(wěn)時，頻率偏差量也會受到影響，而傳統(tǒng)補

4、償算法保證了穩(wěn)態(tài)性能的同時犧牲了收斂速度。本文針對上述關(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。將代價函數(shù)中引入關(guān)于步長的平衡項，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)用方便而且可以進行完全數(shù)學解析。另外，對新算法進行透徹的數(shù)學分析：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，進而完成了系統(tǒng)動態(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)選取和實際應(yīng)用提供理論指導和依據(jù)。仿真驗證了算法性能的優(yōu)越性和數(shù)學分析的準確性。
　　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。對新系統(tǒng)進行動態(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FM補償方法，將補償算法的代價

6、函數(shù)中引入加權(quán)因子，并用數(shù)學歸納法求出修正項，提升系統(tǒng)的追蹤和收斂能力；仿真結(jié)果顯示改進的補償系統(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)生跳變時仍然保持較高的追蹤能力。
　　再次，針對應(yīng)用寬帶ANC系統(tǒng)處理窄帶信號過程進行性能分析：從數(shù)學角度給出控制濾波器長度、二倍頻率個數(shù)、初級通道長度三者的關(guān)系對系統(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，增加誤差平方項，降低輸入自相關(guān)矩陣能量對步長穩(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噪聲控制系統(tǒng)（Hybrid ANC，HANC）的三個子系統(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噪聲控制系統(tǒng)（Multiple Variable Step-size based Hybrid ANC，MVSS-HANC）。