舱室有源噪声控制系统中初级声场对降噪效果的影响

舱室有源噪声控制系统中初级声场对降

噪效果的影响

摘要：在舱室中使用有源噪声控制系统时，初级声场的特性与降噪效果有直接的关系，本文对舱室中使用不同噪声特性的初级声场进行有源噪声控制测试与分析。结果表明，初级声场频域组成方式及频率大小对控制效果有直接影响，对低频噪声的控制效果好，初级声场的噪声越高，降噪效果越好。

关键词：有源噪声控制；降噪效果；初级声场；空间降噪

1引言

随着现代社会的发展和人们生活水平的提高，噪声控制问题日益引起人们的重视，尤其在飞机、汽车、舰船等封闭空间的噪声控制问题。舱室的噪声过大会影响驾驶员正常驾驶和降低了乘坐者的舒适度，因此对舱室内噪声进行控制具有重要意义。

噪声控制分为有源噪声控制和无源噪声控制[1]。对于舱室内的低频噪声，传统的被动噪声控制，例如吸声处理、隔声处理以及使用消声器等，由于体积庞大，对低频噪声降噪效果不好，无法在舱室内的降噪上良好应用。有源噪声控制(Active Noise Control，简称ANC)所占空间小，对低频噪声有明显的消除，因而在降噪中有很好的应用前景。ANC在商业上应用已很广泛，如有源耳罩、有源管道消声、变压器消声等。

2有源噪声控制理论

2.1原理

有源噪声控制系统包括两部分：控制器和电声器件部分（包括参考传感器、次级声源和误差传声器）。控制器可以实现多通道、自适应控制，它包括信号处理器及其外围电路。电声部分主要包括次级源（电声器件、扬声器）、参考传感器和误差传声器。目前大多数控制系统均采用数字式、自适应控制方式。这种方式可以适应复杂的声场环境，具有更广泛的实用领域。

2.2 滤波-XLMS算法

滤波-XLMS算法[2]是LMS算法在ANC有源噪声控制领域的推广，在滤波-XLMS 算法中，应用横向结构的FIR滤波器[3]作为自适应滤波器，次级通路模型是空间中次级通路的估计，通常也采用FIR滤波器建模得到。通过参考传感器拾取的参考信号通过次级通路模型产生滤波信号，参考信号通过自适应滤波器w 产生次级信号y驱动次级声源产生次级声场，次级声场通过空间中的次级通路

后与初级声场叠加，通过误差传声器拾取叠加后的声场得到误差信号。误差信号作为系统的反馈输入LMS算法进行迭代运算，以不断调整自适应滤波器，从而使收敛。

滤波-XLMS算法在LMS算法基础上引入滤波-X（filtered-X）信号，由它组成的列矢量称为滤波-X信号矢量，有

(1)

滤波-X信号与参考信号矢量关系是

(2)

于是，误差传声器接收到的信号可以表示为

(3)

使用最陡下降法原理递推滤波器权系数，获得权矢量迭代公式，有

(4)

其中即为滤波-X信号。

3实验及分析

3.1实验环境

试验在舱室模型内进行，模型长5.6m，宽2.4m，高2.75m，水平放置在空旷的厂房地面。舱内噪声控制区域长3.85m，宽1.85m，高1.35m。为了更贴近实际

噪声特性，使用6个大功率扬声器放置在外两侧，使用计算机播放录制的真实噪声，经8通道声卡输出到调音台，再输出给每个扬声器对应的功率放大器。最后功放驱动每个扬声器模拟噪声场。

3.2实验设计

将调音台的一组输出信号直接连接控制器作为参考信号。控制器有DSP仿真器接口、传感器和扬声器相连的输入输出信号接口。采用27V直流电源给控制器供电。DSP控制器根据输入的参考信号、误差信号，以滤波-XLMS算法自动调整自适应滤波器的各权系数，然后通过带有功放的D/A输出端输出后激励安装在顶部的扬声器。为更好的检测控制效果和进行控制前后的数据对比，在舱内水平布置若干传感器，测得信号接入两台B&K 3560型数据采集系统前端，然后通过PULSE数据分析软件观察整个控制过程以及控制前后的声压大小变化，并记录相应的数据[4]。

将舱室模型顶部的扬声器和误差传声器进行标号，以舱尾上方为坐标原点建立三维坐标系，每次实验只在软件中修改扬声器和误差传声器的编号映射即可实现不同的误差传声器扬声器布局和数量。

3.3结果及分析

实验采用包含100Hz和350Hz的噪声进行控制对比，在模型舱内，各使用12个传声器和次级源组成多通道有源噪声控制系统，试验中传声器和次级源位置不变。使用PULSE 3560 记录实验数据，并使用MATLAB对实验数据处理，控制前后两个频率的降噪量如图1和图2所示。两图中●表示扬声器即次级声源的坐标位置，×表示误差传声器的坐标位置。

图1 100Hz的降噪效果云图

图2 350Hz的降噪效果云图

从图1和图2可以看出，频率越高，初级声场分布越复杂，高低声压分布成

更小的块状分布，由此导致声压级较低的区域被次级源影响而导致降噪效果减弱。低频的100Hz噪声控制效果明显好于350Hz，有源噪声控制对低频噪声有更好的

控制效果。其次在布放次级声源的地方降噪效果明显低于布放误差传声器位置的

降噪效果。分析认为这是由于自适应有源噪声控制是以误差传声器接收到的误差

信号作为误差计算目标进行自适应迭代。因此可理解为系统自适应的目标是为了

让误差传声器的周围产生更好的降噪效果。

4结论

在舱室中多通道有源控制系统具有良好的收敛特性和降噪效果。初级噪声频

率大小对控制效果有直接的影响，有源噪声控制对低频噪声的降噪效果优于高频

噪声。在实际需要的降噪区域内必须布放一定数量的传声器和次级源。降噪目标

区域应该放置误差传声器，避免布放次级声源。

参考文献

[1] 陈克安.有源噪声控制[M]. 北京：国防工业出版社，2003 .

[2] 陈克安, 马远良. 自适应有源消声与滤波-X LMS算法及实现[J]. 应

用声学, 1993, 7(3):26-30