一種快速穩(wěn)定收斂的完全并行窄帶主動(dòng)噪聲控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及快速穩(wěn)定收斂的完全并行窄帶主動(dòng)噪聲控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在實(shí)際的生產(chǎn)生活中，存在著大量的有害噪聲，例如，工廠中大型的切割機(jī)產(chǎn)生的 噪聲，會(huì)對(duì)操作工人造成很大的危害，通過有效的措施來降低或消除這些噪聲信號(hào)具有重 要意義。自20世紀(jì)70年代初，主動(dòng)噪聲控制(ANC)系統(tǒng)被應(yīng)用于降低這些有害噪聲。ANC是基 于聲音的相消干涉原理，通過揚(yáng)聲器產(chǎn)生與初級(jí)噪聲頻率相同、幅值相近、相位相反的次級(jí) 噪聲信號(hào)，從而有效地降低或消除初級(jí)噪聲。
[0003] 由發(fā)動(dòng)機(jī)、切割機(jī)、排風(fēng)扇等旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生以低頻為主的有害噪聲，其具有周期性 或近周期性，由于窄帶主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)中，通常利用非聲學(xué)傳感器(如加速度計(jì))獲取這 類諧波噪聲信號(hào)頻率，進(jìn)而通過信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生參考信號(hào)，從而避免聲反饋問題，因此在消 除這類低頻噪聲方面，傳統(tǒng)的窄帶主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)得到了廣泛地研究與應(yīng)用。
[0004] 針對(duì)多頻率窄帶噪聲信號(hào)，傳統(tǒng)窄帶主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)是將多個(gè)二階自適應(yīng)濾波 器并行連接組成多通道結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了各窄帶噪聲分量被并行獨(dú)立處理，而各頻率通道的主 控制器系數(shù)卻仍由系統(tǒng)的整體殘余誤差進(jìn)行更新，導(dǎo)致各通道控制器之間相互影響，系統(tǒng) 的收斂速度低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有各頻率通道的主控制器系數(shù)卻仍由系統(tǒng)的整體殘 余誤差進(jìn)行更新，導(dǎo)致各通道控制器之間相互影響，系統(tǒng)的收斂速度低的問題，而提出了一 種快速穩(wěn)定收斂的完全并行窄帶主動(dòng)噪聲控制方法。
[0006] 上述的發(fā)明目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0007] 步驟一、建立具有正弦特性的初級(jí)噪聲信號(hào)p(n);
[0008] 步驟二、合成與步驟一中的初級(jí)噪聲信號(hào)P(n)幅值相等、相位相反的次級(jí)噪聲信 號(hào)y(n);
[0009] 步驟三、當(dāng)步驟一中的初級(jí)噪聲信號(hào)p(n)和步驟二中的次級(jí)噪聲信號(hào)y(n)相消以 后，通過麥克風(fēng)測(cè)得系統(tǒng)總體殘余誤差信號(hào)e(n);
[0010] 步驟四、根據(jù)步驟三中測(cè)得的系統(tǒng)總體殘余誤差信號(hào)e(n)，得出殘余誤差分離子 系統(tǒng)分離出的第i個(gè)頻率通道的殘余誤差信號(hào) ei(n)。
[con]發(fā)明效果
[0012]采用本發(fā)明的一種快速穩(wěn)定收斂的完全并行窄帶主動(dòng)噪聲控制方法，本發(fā)明的系 統(tǒng)中，包含殘余誤差分離子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了將系統(tǒng)總體殘余誤差按照頻率自適應(yīng)分離，使得每 個(gè)通道控制器的更新均來自其自身頻率對(duì)應(yīng)的殘余誤差，而不再受其他頻率殘余誤差的影 響，構(gòu)成了輸入頻率信號(hào)和殘余誤差頻率信號(hào)一一對(duì)應(yīng)的完全并行結(jié)構(gòu)的窄帶主動(dòng)噪聲控 制系統(tǒng)，在保證穩(wěn)態(tài)性能情況下，提高了系統(tǒng)的收斂速度，解決了現(xiàn)有窄帶主動(dòng)噪聲控制系 統(tǒng)中，各窄帶噪聲分量被并行獨(dú)立處理，而各控制器系數(shù)卻仍由系統(tǒng)的整體殘余誤差進(jìn)行 更新，導(dǎo)致各通道控制器之間相互影響，系統(tǒng)的收斂速度低的問題，使系統(tǒng)的收斂速度提高 了近1倍。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明流程圖；
[0014]圖2為傳統(tǒng)并行窄帶主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)圖，C〇S(coin)為余弦信號(hào)，sin(co in)為正 弦信號(hào)，·\ (?2)為余弦參考輸入，' (w)為正弦參考輸入，4 (η)為第i個(gè)余弦分量的系數(shù)， 為第i個(gè)正弦分量的系數(shù)，Σ為全部求和，yi(n)為第i路輸出，yi(n)為第1路輸出，y q (η)為第q路輸出，y (η)為總輸出，+為相加 ，S (z)為次級(jí)通道，yP (η)為經(jīng)過初級(jí)通道的輸出， Ρ(η)為初級(jí)通道，e(n)為整體殘余誤差，-為相減，辦2)為次級(jí)通道的估計(jì)，為經(jīng)過濾 波的余弦參考輸入，七(》)為經(jīng)過濾波的正弦參考輸入，F(xiàn)XLMS為濾波X通道的最小均方算 法；
[0015] 圖3為殘余誤差分離子系統(tǒng)圖，ei(n)為分離后的輸出，?Μ(?)為分離子系統(tǒng)的第i 個(gè)余弦分量的系數(shù)，為分離子系統(tǒng)的第i個(gè)正弦分量的系數(shù)，LMS為最小均方算法；
[0016] 圖4為帶殘余誤差分離子系統(tǒng)的完全并行的窄帶主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，
[0017] 圖5為完全并行的窄帶主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)收斂過程對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0018] 一:結(jié)合圖1、圖2、圖3、圖4和圖5說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的一 種快速穩(wěn)定收斂的完全并行窄帶主動(dòng)噪聲控制方法，具體是按照以下步驟制備的：
[0019] 步驟一、建立具有正弦特性的初級(jí)噪聲信號(hào)p(n);
[0020] 步驟二、合成與步驟一中的初級(jí)噪聲信號(hào)p(n)幅值相等、相位相反的次級(jí)噪聲信 號(hào)y(n);
[0021] 步驟三、當(dāng)步驟一中的初級(jí)噪聲信號(hào)p(n)和步驟二中的次級(jí)噪聲信號(hào)y(n)相消以 后，通過麥克風(fēng)測(cè)得系統(tǒng)總體殘余誤差信號(hào)e(n);
[0022] 步驟四、根據(jù)步驟三中測(cè)得的系統(tǒng)總體殘余誤差信號(hào)e(n)，得出殘余誤差分離子 系統(tǒng)分離出的第i個(gè)頻率通道的殘余誤差信號(hào) ei(n)。
【具體實(shí)施方式】 [0023] 二：本實(shí)施方式與一不同的是:所述p(n)初值為0，e (η)初值為0，ei(n)初值為0，其余所有變量的初值均賦值0。
[0024] 其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0025] 【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是:所述步驟一中建 立具有正弦特性的初級(jí)噪聲信號(hào)p(n)，具體過程為：
[0027]其中，on為第i個(gè)頻率，i為頻率個(gè)數(shù)，i取值范圍為1 < i <q;q為頻率個(gè)數(shù)，q的取 值范圍為正整數(shù)；彳《，乂丨^為初級(jí)噪聲信號(hào)P(n)的離散傅里葉系數(shù)(DFC)，ai為第i個(gè)余弦分 量的系數(shù)，h為第i個(gè)正弦分量的系數(shù)，vP(n)為均值為零、方差為 <的高斯白噪聲，n為算法 迭代運(yùn)行的點(diǎn)，η代表迭代運(yùn)算的時(shí)間點(diǎn)個(gè)數(shù)，取值為大于等于1的任意正整數(shù)；g為表示 方差數(shù)值大小。
[0028] 其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
【具體實(shí)施方式】 [0029] 四：本實(shí)施方式與一至三之一不同的是:所述步驟二 中合成與步驟一中的初級(jí)噪聲信號(hào)P(n)幅值相等、相位相反的次級(jí)噪聲信號(hào)y(n)，具體過 程為：
[0030] 首先，通過加速度計(jì)非聲學(xué)傳感器獲得初級(jí)噪聲信號(hào)的第i個(gè)頻率c〇i(i = l，2··· q)，
[0031] 然后，初級(jí)噪聲信號(hào)p(n)的第i個(gè)頻率ω ,(1 = 1,2…q)經(jīng)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正余弦 參考信號(hào)，其中，&,..(?)為正弦參考信號(hào)，'(?)為余弦參考信號(hào)，T為周期；
[0032] 通過次級(jí)噪聲信號(hào)y(n)合成子系統(tǒng)的離散傅里葉系數(shù)說(/7)i,.(π)匕,，調(diào)整正余弦 參考信號(hào)(/2)]的幅值與相位，合成與初級(jí)噪聲信號(hào)P(n)幅值相等、相位相反的 次級(jí)噪聲信號(hào)y(n)，利用聲波的相消干涉原理(聲波在傳輸過程中具有相互干涉作用，兩個(gè) 頻率相同、振動(dòng)方向相同且步調(diào)一致的聲源發(fā)出的聲波相互疊加時(shí)就會(huì)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，如 果它們的相位相同，兩波疊加后幅度增加聲壓加強(qiáng)；反之，它們的相位相反，兩波疊加后幅 度減小聲壓減弱，如果兩波幅度一樣，將完全抵消)消除初級(jí)噪聲信號(hào)P(n)。
[0033] 其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至三之一相同。
[0034] 【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至四之一不同的是:所述次級(jí)噪 聲信號(hào)y(n)通過下式給出：
[0036] 式中，xa (?) = cos(-)、氣依)二Sin(ft^)，說為次級(jí)噪聲信號(hào)y(n)合 成子系統(tǒng)的離散傅里葉系數(shù)，4(?)為第i個(gè)頻率的第η個(gè)時(shí)間點(diǎn)的余弦分量的系數(shù)，$(?)為 第i個(gè)頻率的第η個(gè)時(shí)間點(diǎn)的正弦分量的系數(shù)，q為頻率個(gè)數(shù)，q取值范圍為正整數(shù)，yi(n)為 第i路輸出信號(hào)，取值范圍為與目標(biāo)待抵消的噪聲有關(guān)。
[0037] 其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至四之一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0038] 六:本實(shí)施方式與一至五之一不同的是:所述次級(jí)噪 聲信號(hào)y(n)合成子系統(tǒng)的離散傅里葉系數(shù)具體過程為：
[0039] 殘余誤差分離子系統(tǒng)采用最小均方算法(Filter-X Least Mean Square，F(xiàn)XLMS) 接收經(jīng)過次級(jí)通道過濾后的參考信號(hào)，以及步驟四中殘余誤差分離子系統(tǒng) 分離出的第i個(gè)頻率通道的殘余誤差信號(hào)ei(n);再通過最小均方算法模塊更新次級(jí)噪聲信 號(hào)y(n)合成子系統(tǒng)的離散傅里葉系數(shù)故(〃),&/〇匕,.所述離散傅里葉系數(shù)的更新公式為：
[0042] 式中，μL為次級(jí)噪聲信號(hào)合成子系統(tǒng)1的步長(zhǎng)；
[0043] 正弦參考信號(hào)'(?)和余弦參考信號(hào)' ㈨經(jīng)過次級(jí)通道估計(jì)分ζ)濾波得到濾波參 考信號(hào)：
[0046] 式中，為次級(jí)通道模型負(fù)ζ)的系數(shù)，論_4為次級(jí)通道模型階數(shù)，m為次級(jí)通 道的序號(hào)，取值范圍為〇到麻-1，\ (?)和氣(《:)為一對(duì)正交的參考輸入信號(hào)，4,.?和弋(《) 為經(jīng)過次級(jí)通道過濾后的參考信號(hào)對(duì)，i為第m個(gè)次級(jí)通道的系數(shù)。
[0047] 其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至四之一相同。
[0048] 【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至六之一不同的是:所述步驟三 中當(dāng)步驟一中的初級(jí)噪聲信號(hào)P(n)和步驟二中產(chǎn)生的次級(jí)噪聲信號(hào)y(n)相消以后，通過麥 克風(fēng)測(cè)得系統(tǒng)總體殘余誤差信號(hào)e(n);具體過程為：
r η Μ-\
[0050]其中，為次級(jí)通道s(z)的系數(shù)，M_1Ss( z)的階數(shù)，Μ為正整數(shù);yp(n)為y(n) 經(jīng)過初級(jí)通道后的輸出信號(hào)，y(n)經(jīng)過初級(jí)通道為y(n)經(jīng)過空氣傳播，經(jīng)過電子設(shè)備;PS primary的英文縮寫，j為第j個(gè)濾波器循環(huán)變量，n的取值范圍為1 < n < N，N為大于等于1的 任意正整數(shù)，j的取值范圍為次級(jí)通道的長(zhǎng)度從0到Μ-1，~為第j個(gè)次級(jí)通道系數(shù)。
[0051 ]其它步驟及參數(shù)與【具