李志良 蘇佳 高麗慧 李星

摘 要： 隨著工業(yè)的發(fā)展以及人們生活水平的不斷提高，噪聲污染是也逐漸引起了人們的關(guān)注。針對(duì)局部空間主動(dòng)降噪問題展開研究。模擬高鐵臥鋪床搭建一個(gè)主動(dòng)頭靠降噪實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)中，初級(jí)噪聲是在高鐵車廂內(nèi)部錄制的。實(shí)驗(yàn)一方面表明主動(dòng)頭靠系統(tǒng)的確可以對(duì)局部空間內(nèi)的噪聲進(jìn)行控制，另一方面也表明了次級(jí)源數(shù)量的增加會(huì)產(chǎn)生更好的降噪效果。

關(guān)鍵詞： 高鐵；主動(dòng)頭靠；初級(jí)噪聲；次級(jí)源

主動(dòng)噪聲控制（Active Noise Control，ANC），其基本原理是利用聲波的相關(guān)干涉相消原理[1]。也就是通過人為產(chǎn)生一個(gè)與初級(jí)噪聲幅度相等、相位相反的次級(jí)噪聲，使之與初級(jí)噪聲相互抵消從而達(dá)到降噪的目的。

與傳統(tǒng)的被動(dòng)噪聲控制相比，主動(dòng)降噪有以下優(yōu)點(diǎn)：一是在低頻段的噪聲有很好的降噪效果[2]；二是降噪設(shè)備體積小，特別適合局部空間的降噪；三是可以根據(jù)不同場(chǎng)合的噪聲特性來設(shè)計(jì)專門的主動(dòng)降噪設(shè)備。

在主動(dòng)噪聲控制中，相對(duì)于全局主動(dòng)噪聲控制，局部主動(dòng)噪聲控制在實(shí)際中應(yīng)用更加廣泛。到目前為止，在局部主動(dòng)降噪中已有消聲床及消聲椅等應(yīng)用[3]。主動(dòng)噪聲控制與被動(dòng)降噪材料相結(jié)合可以達(dá)到全頻段的降噪效果，這種組合降噪方式成為近幾年來的研究重點(diǎn)[4]。

目前，雖然自適應(yīng)主動(dòng)控制降噪算法具有靈活性高和能夠跟蹤噪聲特性變化的優(yōu)點(diǎn)，但是因其對(duì)硬件要求較高，成本較大，而且在實(shí)際應(yīng)用中穩(wěn)定性問題還需要解決[5]。因此，實(shí)驗(yàn)中采用的控制方案是：通過離線辨識(shí)的方法來設(shè)計(jì)主控制器中濾波器的系數(shù)，使用固定系數(shù)的濾波器來實(shí)施控制。

1 主動(dòng)控制算法

在高鐵車廂內(nèi)部錄制的噪聲基本上是統(tǒng)計(jì)平穩(wěn)的，所以實(shí)驗(yàn)中使用的主動(dòng)控制算法是前饋維納濾波算法，其基本原理圖如圖1所示。其中x（n）為參考信號(hào)，是參考傳聲器在初級(jí)聲場(chǎng)中采集到的噪聲信號(hào)；w（n）為主控制器的傳遞函數(shù)；p（n）、hs（n）分別為初/次級(jí)通路的傳遞函數(shù)；y（n）為參考信號(hào)經(jīng)過控制器處理得到的次級(jí)信號(hào)；d（n）為參考信號(hào)通過初級(jí)通路的傳播得到的期望信號(hào)；e（n）為誤差傳感器接收到的誤差信號(hào)。

在硬件方面，實(shí)驗(yàn)中的控制器使用穩(wěn)定性較高且易于實(shí)現(xiàn)的橫向結(jié)構(gòu)FIR濾波器。

在實(shí)驗(yàn)中，可以通過優(yōu)化控制器，使誤差信號(hào)e（n）的均方誤差達(dá)到最小值，從而達(dá)到對(duì)初級(jí)噪聲的主動(dòng)控制。因此，實(shí)驗(yàn)中的目標(biāo)函數(shù)就可以寫成：

由圖1可知誤差信號(hào)可以表示為：

作為初級(jí)噪聲的高鐵車廂內(nèi)部噪聲，其統(tǒng)計(jì)特性基本滿足平穩(wěn)，所以J（n）可以看作是濾波器的權(quán)系數(shù)矢量的二次型函數(shù)。因?yàn)榫仃嘡是正定對(duì)稱的，因此，式（8）中J（n）存在一個(gè)唯一的最小值，求出的權(quán)系數(shù)矢量正好對(duì)應(yīng)最佳濾波器系數(shù)的維納解[6]：

在實(shí)驗(yàn)的過程當(dāng)中，主要是利用式（9），根據(jù)參考信號(hào)和期望信號(hào)，通過MATLAB離線計(jì)算出濾波器的系數(shù)，并且通過上位機(jī)將系數(shù)導(dǎo)入到控制器中。在實(shí)驗(yàn)中，只要次級(jí)聲源以及誤差傳聲器，兩者的數(shù)量沒有發(fā)生變化，濾波器的系數(shù)就是固定的，因此稱之為固定濾波器系數(shù)的控制方案。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

為了避免其它噪聲以及初級(jí)噪聲反射的干擾，因此本實(shí)驗(yàn)是選擇在半消實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。在實(shí)驗(yàn)中，初級(jí)聲源播放在高鐵上錄制的700Hz以下的低頻寬帶噪聲。誤差傳感器用來模擬人耳聽到的噪聲，因此把兩個(gè)傳感器固定在人工頭雙耳處。次級(jí)聲源使用四個(gè)惠威S3W-SE信號(hào)的音箱。實(shí)驗(yàn)使用這四個(gè)音箱，進(jìn)行四通道主動(dòng)控制。在實(shí)驗(yàn)的過程中，還要對(duì)人頭的擺放做出調(diào)整，讓人頭左轉(zhuǎn)30°、60°、90°，右轉(zhuǎn)30°、60°、90°。

人頭平躺時(shí)雙通道控制降噪效果如圖2所示。圖2中的圖（a）和圖（b）分別為左耳（R1）和右耳（R2）處的控制效果圖。在圖3中，橫坐標(biāo)表示的是頻率，單位（Hz）；縱坐標(biāo)表示的是誤差傳聲器接收到聲音信號(hào)的相對(duì)值，單位是分貝（dB）；d1、d2分別為沒有主動(dòng)控制噪聲時(shí)左右耳處誤差傳聲器接收到的噪聲，即左右耳處的期望信號(hào)；e1、e2分別為進(jìn)行主動(dòng)控制噪聲后左右耳處誤差傳聲器接收到的殘余噪聲，即左右耳處的誤差信號(hào)。雙通道主動(dòng)噪聲控制中的人頭的各個(gè)擺放角度噪聲控制的具體降噪量如表1所示。

從圖2可以看出頭靠系統(tǒng)主要是對(duì)700Hz以下的噪聲有控制效果，高于這個(gè)700Hz時(shí)，基本沒有控制效果，甚至是使噪聲增加了。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

通過對(duì)上表數(shù)據(jù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)主動(dòng)頭靠系統(tǒng)對(duì)噪聲有了一個(gè)明顯的降噪效果，并且平躺時(shí)的降噪效果最好。一方面說明了實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的局部主動(dòng)噪聲控制模型及算法的確可以達(dá)到一個(gè)較好的降噪效果，同時(shí)也說明了在主動(dòng)噪聲控制中，次級(jí)通路的改變也會(huì)對(duì)降噪效果產(chǎn)生一定的影響，降噪量的改變還與聲波的傳輸特性有關(guān)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳克安.有源噪聲控制[M].北京：國防工業(yè)出版社，2014.

[2]S. M Kuo，D.R Morgan. Active noise control：a tutorial review[J].Proceedings of the IEEE，1999，87（6）：943-973.

[3]Paul S.Booij， Arthur P. Berkhoff. Application of virtual sensors in three-dimensional broadband active noise control and the effects on the quiet zones [J].International Institute of Acoustics & Vibration，2011，52（1）：421-435.

[4]Sen M Kuo，Dennis Morgan.Active Noise Control Systems：Algorithms and DSP Implementations [M].John Wiley & Sons，Inc，1996.

[5]Annea Barkefors， Mikael Sternad， Lars-Johan Brann..mark. Design and analysis of linear quadratic gaussian feedforward controllers for active noise control [J].IEEE Transactions on Audio， Speech and Language Processing，2014，22（12），1777-1791.

[6]Simon Haykin.自適應(yīng)濾波器原理（第5版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2016.