基于Matlab的主动降噪实验

SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY

实验三主动降噪实验

指导老师：王旭永

小组成员：吴淑标5110209352

汤剑宏5110209355 朱安林5110209344

目录

一、实验目的 (1)

二、实验原理 (1)

三、实验仪器 (4)

四、实验步骤 (5)

五、实验过程 (6)

六、程序代码及解释 (9)

七、实验数据观察及解释 (14)

八、误差分析 (15)

九、实验感想 (16)

一、实验目的

1. 了解噪声的基本概念；

2. 了解工程中处理噪声的常规方法；

3. 掌握主动降噪的基本原理与方法；

4. 通过实验模拟主动降噪，分析降噪效果。

二、实验原理

主动降噪（主动噪声控制），又称为有源噪声控制。早在1933年就由德国物理学家Paul Lueg提出了。其主要依据了声波的干涉原理，来消除噪声。主动降噪的基本原理图如图1所示：

图1 主动降噪的原理

简单的说就是用传感器检测噪声信号，通过控制系统反馈给次声源，由次生源发出与原噪声信号频率相同、幅值大小相同、相位相反的声信号，根据声波叠加原理，达到一种降噪的效果。其逻辑程序框图如图2所示：

图2 主动降噪逻辑框图

主动降噪，习惯上可以进行如下分类：

1）有源声控制和有源力控制；

2）单通道有源控制和多通道有源控制；

3）非自适应有源控制和自适应有源控制。

对于有源噪声控制系统而言，也可以这样分类：

1）模拟系统和数字系统；

2）前馈控制系统和反馈控制系统；

3）单通道系统和多通道系统。

主动降噪的实现：

以单通道有源噪声控制系统为例，这里也分非自适应有源噪声控制系统和自适应有源噪声控制系统。

1）自适应有源噪声控制系统：

该系统一般由初级声源、自适应控制器、次级声源和误差传感器组成。其特点是控制器带反馈，并具有自适应控制算法，控制器多为数字控制器。这种系统适用的范围宽，相对灵活，但其结构复杂，实现难度加大，成本增加。本系统原理图如图3所示：

图3 自适应有源噪声控制系统

本实验主要采用此种控制方式。

2）非自适应有源噪声控制系统：

该系统一般由初级声源、控制器、次级声源和传感器组成。其特点是控制器不带反馈，可以是模拟控制器，也可以是数字控制器。这种系统适用的范围有限。影响主动降噪性能的主要因素：

1）初级声源的类型与特征：

此时，最适合的噪声源是集中参数噪声源，最好是点噪声源。这样，可以使用尽可能少的次级声源获得最大降噪量。

2）次级声源的位置：

一般为获得全局空间噪声能量的降低，在进行次级声源的布置时，应该遵循从空间和时间上完全能够复制初级声场的原则，使得次级声源称为初级声源的“镜像”。

3）传感器（误差传感器）的位置与个数：

对于有源降噪而言，所使用的传感器（误差传感器）位置与个数是至关重要的。因为其位置是否合适，直接影响到获取初级声源的质量；其个数多少关系到降噪效果。

4）参考信号与质量：

参考信号能够获得并质量好，就可以构造性能良好的前馈控制器，因为前馈控制器相对于反馈控制器而言，结构简单，性能易于稳定。

5）自适应算法与控制器硬件：

对于宽带噪声的降噪而言，好的自适应算法将扮演重要的角色。它不仅关系着控制器的复杂程度、系统稳定性。因此，一个好的自适应算法应该兼顾收敛性、鲁棒性和计算量三个方面。控制器硬件设置应该以能够实时地、准确地完成自适应算法为目标。

三、实验仪器

本实验用到的实验设备比较简单：笔记本电脑（图4）、扬声器即音箱（图5）、传感器即麦克风（图6）；所使用的编程软件是Matlab，方案简单易行。

图4 笔记本电脑图5 扬声器

图6 传感器

四、实验步骤

1）完成各仪器能否正常工作的检验，保证实验正常进行；

2）按计划搭建实验平台，如图7所示；

图7 实验整体平台

3）打开Matlab软件，将编好的程序烧录其中，准备开始实验；

4）选择相对安静的空间，运行程序，程序会自动会输出8张图，分别包括降噪前、后的波形图和幅值频谱图；

5）待程序运行完毕，观察最后一次降噪的幅值频谱图，和原噪声进行比较是否达到了降噪的效果，如不满足需要进行调试，再次重复实验；

6）满足要求后，结束程序，拆除实验平台，整理实验设备；

7）整理相关实验图片和数据，进行数据分析；

8）分析实验误差，得出结论并撰写实验报告。

五、实验过程

实验平台搭建过程：

1）选择相对安静的空间环境，将平整的桌面当做实验平台；

2）将这对音箱间隔合适的距离对放，并且使发声源在一条直线上，连接电脑USB 接口加耳机接口，将其中一个声道当做噪声源，另一个声道做次生源；（本实验并没有选择添加声道）

3）把麦克风的接收点放置在上述直线上的任意一点，保持稳定位置不变，连接电脑的USB接口，作为声音传感器。

正式实验过程：

1）选择噪声频率1100Hz，声源持续时间为120s，次生源除了相位值与原噪声不同，其余一致，检测控制时间为3s一个循环，目的就是不断改变相位，一切准备就绪，运行程序；

2）第一步为检测程序，结果会识别出原噪声的频率以及相应的幅值，会首先输出两幅图，分别是原噪声信号波形图和幅值频谱图，如图8所示：

3）第二步为降噪第一阶段，次生源会发出和原噪声一致的声信号，以pi/3为精度，不断移动次生源的相位，直到筛选出目标相位（相邻两点叠加后信号的幅值小于原噪声的幅值），此时跳出该循环，并输出另外两幅图，即第一步降噪的信号波形图和幅值频谱图，如图9所示：

4）第三步为降噪第二阶段，目标函数进入第二个循环，以pi/12为精度，不断移动次生源的相位，直到筛选出目标相位（叠加后信号的幅值降低50%），此时跳出该循环，并输出两幅图，即第二步降噪的信号波形图和幅值频谱图，如图10所示： 图8 检测原噪声程序输出结果

图9 第一步降噪程序输出结果