管道宽窄带混合主动噪声控制系统的若干关键算法研究

发布时间：2019-03-27 12:16

【摘要】：环境噪声对人们的工作和生活带来严重影响，传统的被动噪声控制方法往往体积庞大，，成本昂贵，难以安装，而且很难控制低频噪声。管道主动噪声控制（ActiveNoiseControl，ANC）将目标噪声源以管道罩住，这样噪声在管道中传播就可以近似为一维平面波，再利用声波的相消干涉原理，通过电声装置在管道下游产生与原始噪声幅值相同相位相反的次级噪声（反噪声）并与原始噪声相叠加，就可以达到抑制噪声的目的。该技术成本低且在低频噪声抑制方面效果显著，因此成为近年来噪声控制领域的研究热点。宽带ANC系统和窄带ANC系统将环境噪声分成宽带和窄带来处理，是主动噪声控制领域的两个重要方向（宽带：能量集中在一定频段上；窄带：能量集中在单个或者有限多个频率上）。实际管道中目标噪声显示出宽窄带混合的特性，新兴的混合控制结构致力于宽窄带混合噪声的控制，由宽带ANC子系统（BANC）、窄带ANC子系统（NANC）、正弦噪声抑制子系统（SinusoidalNoisecancellation，SNC）三部分组成，其中作为其控制核心的SNC子系统要求具有较高的追踪能力和估计精度，才能有效协调各子系统工作。目标噪声的幅值、频率分量、相位、声速是非平稳（Nonstationary）的，因此需要自适应的算法，对于其参数的跳变需要算法在保证收敛和稳态性能同时具有较高的追踪能力。频率失调（FrequencyMismatch，FM）是测量参考信号的频率偏差，严重影响系统稳态性能；当目标噪声非平稳时，频率偏差量也会受到影响，而传统补偿算法保证了稳态性能的同时牺牲了收敛速度。本文针对上述关键技术难题开展基于自适应滤波算法的高性能主动噪声控制系统研究。首先，基于梯度下降法的思想构建自适应变步长的傅里叶分析器，改善SNC子系统的控制能力。将代价函数中引入关于步长的平衡项，得到的步长更新公式克服了传统算法必须限定步长范围来保持系统稳定的弊病，不仅应用方便而且可以进行完全数学解析。另外，对新算法进行透彻的数学分析：将步长序列前移近似，降低了误差和步长的相关性，解决了描述系统性能的差分方程组无法求解的问题，进而完成了系统动态建模；求解出系统稳态与参数间的关系式，为参数选取和实际应用提供理论指导和依据。仿真验证了算法性能的优越性和数学分析的准确性。其次，提出一种窄带ANC主控制器的自适应变步长滤波-X最小均方算法（VSS-FXLMS），改善系统的追踪性能、收敛速度和稳态误差。对新系统进行动态性能分析，给出影响系统性能关键的参数和选取条件。另外，提出一种改进FM补偿方法，将补偿算法的代价函数中引入加权因子，并用数学归纳法求出修正项，提升系统的追踪和收敛能力；仿真结果显示改进的补偿系统与VSS-FXLMS主控制器相结合，在特征参数非平稳，甚至FM偏移量发生跳变时仍然保持较高的追踪能力。再次，针对应用宽带ANC系统处理窄带信号过程进行性能分析：从数学角度给出控制滤波器长度、二倍频率个数、初级通道长度三者的关系对系统收敛性能的影响；分析出用宽带系统处理含窄带分量噪声的使用条件。另外，提出一种可以应用于宽带ANC主控制器的VSS-FXLMS方法：去掉参考输入项，增加误差平方项，降低输入自相关矩阵能量对步长稳定性的影响，使宽带ANC系统在非平稳噪声下的追踪能力提高。将变步长的研究成果分别应用于宽窄带混合主动噪声控制系统（HybridANC，HANC）的三个子系统中，提出一种综合性能较高的复合变步长宽窄带混合主动噪声控制系统（MultipleVariableStep-sizebasedHybridANC，MVSS-HANC）。最后，通过实验和仿真实验验证本文算法性能。设计管道平台实验系统，验证VSS-FXLMS算法的窄带ANC系统在目标噪声特征参数跳变和频率失调存在时的单频和双频噪声控制实验，结果表明系统能够很好的跟踪非平稳和频率失调现象；基于Kuo提出的IIR型真实管道次级通道数据，针对实际工厂噪声进行主动噪声控制仿真实验，分别验证了变步长窄带ANC系统和复合变步长宽窄带混合ANC系统的综合性能。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TB535

【参考文献】