崔懷峰

（寧波工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,浙江 寧波 315211）

0 引言

由于噪聲控制在消費(fèi)電子產(chǎn)品、機(jī)動(dòng)車(chē)等各種領(lǐng)域中的重要性，研究人員越來(lái)越關(guān)注開(kāi)發(fā)用于衰減來(lái)自系統(tǒng)的不期望的噪聲信號(hào)以形成靜音區(qū)技術(shù)。傳統(tǒng)的噪聲控制方法使用被動(dòng)技術(shù)，如通過(guò)外殼和消音器等來(lái)降噪，即被動(dòng)噪聲控制。被動(dòng)噪聲控制對(duì)高頻噪聲抑制效果明顯，但對(duì)低頻噪聲卻束手無(wú)策。為了克服上述問(wèn)題，主動(dòng)（有源）噪聲控制（Active Noise Control,ANC）引起科研人員的極大興趣。[1]

ANC已經(jīng)應(yīng)用在很多領(lǐng)域，其發(fā)展的最終目標(biāo)為智能控制，目前有關(guān)主動(dòng)噪聲智能控制在實(shí)踐中的應(yīng)用少有報(bào)道。主動(dòng)噪聲智能控制算法主要集中在遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯等方面。[2]但這些研究主要是關(guān)于控制算法方面的，而某種控制算法往往難以衰減各種不同情形下的噪聲信號(hào)，因此需要采用合理的智能控制系統(tǒng)。多智能體系統(tǒng)在各種科學(xué)和工程問(wèn)題中應(yīng)用非常廣泛且強(qiáng)大。[3]RAEISY等[4]提出了基于信用分配方法的多智能體主動(dòng)噪聲控制技術(shù)。崔懷峰等[5]集成多智能體技術(shù)和自適應(yīng)FxLMS（Filtered-x Least Mean Square,x濾波最小均方）控制算法形成前饋主動(dòng)控制系統(tǒng)。

目前將多智能體應(yīng)用于ANC的探索還處于仿真研究階段，為了進(jìn)一步驗(yàn)證其在ANC應(yīng)用中的可行性，本文主要在多智能體的主動(dòng)噪聲控制理論研究成果[5]的基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)研究。首先搭建試驗(yàn)平臺(tái)，然后在基于Matlab/Simulink的平臺(tái)上設(shè)計(jì)仿真及試驗(yàn)程序，并以dSPACE控制器為核心實(shí)現(xiàn)基于雙智能體系統(tǒng)的主動(dòng)噪聲智能控制。干擾為雙頻簡(jiǎn)諧激勵(lì)，并針對(duì)該雙頻噪聲設(shè)計(jì)了兩個(gè)控制器智能體（Controller Agent,CA）。

1 雙智能體的主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)

基于雙智能體的主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)如圖1所示，即針對(duì)一封閉空腔內(nèi)噪聲執(zhí)行主動(dòng)噪聲控制。初、次級(jí)激勵(lì)源均采用PZT壓電陶瓷。雙智能體控制器的軟件編程通過(guò)Matlab中的Simulink實(shí)現(xiàn)。

圖1 雙智能體的主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)

圖1中雙智能體控制器框圖如圖2所示。封閉空腔頂部為一塊鋁板（主動(dòng)板a)，其對(duì)腔內(nèi)初級(jí)噪聲起主導(dǎo)作用，其中板a的第6階[(2,3)]和第8階模態(tài)[(1,4)]對(duì)腔內(nèi)初級(jí)聲場(chǎng)的貢獻(xiàn)較大，[4]因此不妨設(shè)計(jì)CA6和CA8兩個(gè)智能體，分別控制腔內(nèi)由板的第6階和第8階模態(tài)所產(chǎn)生的噪聲。盡管針對(duì)的雙頻噪聲采用其它的方法也可以控制，但這里需要說(shuō)明的是本文重點(diǎn)在于將多智能體應(yīng)用于主動(dòng)噪聲控制試驗(yàn)，如果能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)智能體的控制，則多個(gè)智能體控制的方法完全相同，即多智能體能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜噪聲場(chǎng)的控制。兩個(gè)智能體接收來(lái)自?xún)蓚€(gè)麥克風(fēng)的聲壓信號(hào)，其中CA6提取第6階模態(tài)頻率的聲壓，CA8提取第8階模態(tài)頻率聲壓。如果CA6和（或）CA8接收到的聲壓大于預(yù)設(shè)的聲壓閾值，則它（們）會(huì)向上層組織（協(xié)調(diào)對(duì)象）發(fā)送激活請(qǐng)求信號(hào)。協(xié)調(diào)對(duì)象通過(guò)比較第6階和第8階模態(tài)頻率聲壓大小來(lái)決定向CA6和CA8發(fā)送響應(yīng)信號(hào)1（表示激活）或0（表示禁止激活）。CA6或CA8接收到上層組織的激活指令后將輸出控制電壓y6或y8，并經(jīng)協(xié)調(diào)對(duì)象輸出后作用在PZT1或PZT2致動(dòng)器上，從而抑制板a的振動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)腔內(nèi)噪聲的控制。

圖2 雙智能體控制器框圖

雙智能體即智能體CA6和CA8除了激活請(qǐng)求函數(shù)中提取的模態(tài)頻率聲壓信號(hào)不同之外，其余結(jié)構(gòu)完全相同，因此不同智能體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)均可表示為圖3，這也是系統(tǒng)具有強(qiáng)可擴(kuò)展性的原因。智能體內(nèi)部由多個(gè)功能模塊（函數(shù)）組成，其中計(jì)算功能模塊主要通過(guò)FxLMS算法實(shí)現(xiàn)；激活請(qǐng)求模塊用于對(duì)是否控制目標(biāo)噪聲進(jìn)行預(yù)判斷；操作狀態(tài)模塊為一狀態(tài)機(jī)，可實(shí)現(xiàn)激活和禁止之間的轉(zhuǎn)換。權(quán)重為有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器系數(shù)，由上層組織發(fā)送至計(jì)算功能模塊。同時(shí)，上層組織通過(guò)操作狀態(tài)模塊向狀態(tài)更新模塊、初始化模塊和終止模塊發(fā)送控制指令1或0，以激活或禁止智能體的運(yùn)行。

圖3 智能體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物照片如圖4所示，試驗(yàn)平臺(tái)主要包括四個(gè)部分：試驗(yàn)對(duì)象、初級(jí)激勵(lì)通道、傳感器通道和控制通道。試驗(yàn)基本原理為：初級(jí)激勵(lì)通道對(duì)試驗(yàn)對(duì)象施加激勵(lì)，模擬外界干擾，產(chǎn)生腔內(nèi)初級(jí)耦合噪聲場(chǎng)；傳感器通道采集腔內(nèi)聲壓信號(hào)并輸入給系統(tǒng)控制器；控制器則對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行處理并通過(guò)控制器通道將優(yōu)化控制電壓信號(hào)輸出至致動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)腔內(nèi)噪聲的抑制。

圖4 試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物照片

2.1 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)對(duì)象是由四塊高密度板和兩塊型號(hào)為6061的鋁板（頂部和右側(cè)）組成的矩形封閉腔體，其長(zhǎng)、寬、高分別為0.868、1.15、1.0 m。高密度板和鋁板以及鋁板和鋁板之間均采用橡膠墊片，以盡量接近簡(jiǎn)支撐的狀況，并用玻璃膠密封，以減少聲泄露。鋁板和高密度板厚度分別為0.006 m和0.018 m。鋁板和空氣的性能參數(shù)見(jiàn)表1。在頂部的鋁板（板a）上布置PZT壓電陶瓷貼片，以形成初、次級(jí)激勵(lì)源；同時(shí)，在腔內(nèi)布置麥克風(fēng)傳聲器，用于實(shí)時(shí)采集腔內(nèi)聲壓信號(hào)。

表1 鋁板和空氣的性能參數(shù)

2.2 初級(jí)激勵(lì)通道

初級(jí)激勵(lì)通道包括初級(jí)激勵(lì)源（PZT激振器）和功率放大器。PZT激振器（PZT壓電陶瓷貼片）型號(hào)采用P5系列，其參數(shù)見(jiàn)表2。PZT激振器布置在鋁板a上，其中心位置坐標(biāo)為(0.3,0.4)m，見(jiàn)圖5。PZT激振器使鋁板a產(chǎn)生振動(dòng)，從而向封閉空腔內(nèi)輻射噪聲以形成初級(jí)噪聲場(chǎng)。雙通道功率放大器PZD350為美國(guó)TREK,INC公司生產(chǎn)。

圖5 PZT貼片和加速度傳感器在板a上的布放位置

表2 PZT壓電陶瓷參數(shù)

2.3 傳感器通道

傳感器通道包括麥克風(fēng)、前置放大器、信號(hào)調(diào)理儀、電壓抬升電路以及加速度傳感器。麥克風(fēng)類(lèi)型為動(dòng)圈式麥克風(fēng)，型號(hào)為PC308，靈敏度為-42 dB，信噪比大于58 dB。麥克風(fēng)布置于封閉空腔內(nèi)兩個(gè)拐角，其坐標(biāo)分別為(0.78,0.15,0.15)和(0.78,1.00,0.15)，其單位為m，其中X、Y、Z坐標(biāo)軸方向分別為矩形腔的長(zhǎng)、寬、高方向，具體位置布放示意圖見(jiàn)圖6。前置放大器JX-AM01B增益為0～45 dB。四通道信號(hào)調(diào)理儀AZ804-A具有低通濾波、電荷電壓放大以及模擬積分等功能。其中，聲傳感器（麥克風(fēng)）通道主要利用信號(hào)調(diào)理儀中的低通濾波功能。另外，加速度傳感器CA-YD-152A主要用于錘擊法模態(tài)試驗(yàn)以獲取板a的固有頻率，其與次級(jí)PZT致動(dòng)器并列布置在板a上，見(jiàn)圖5。

圖6 腔內(nèi)麥克風(fēng)布放位置

另外，試驗(yàn)平臺(tái)采用dSPACE自帶的DS1005A/D處理板接收傳感器信號(hào)，該板只能接收0～10 V正信號(hào)輸入，而所有傳感器輸入的信號(hào)均為交流信號(hào)，因此采用LM358P運(yùn)算芯片制作了電壓抬升電路。電壓抬升電路原理圖見(jiàn)圖7。

圖7 電壓抬升電路原理圖

2.4 控制通道

控制通道包括功率放大器、控制器和次級(jí)激勵(lì)源（PZT致動(dòng)器）。功率放大器HFPA-42主要用于壓電陶瓷（晶體）振動(dòng)試驗(yàn)?？刂破鞑捎玫聡?guó)dSPACE公司生產(chǎn)的dSPACE系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)與MATLAB/Simulink的無(wú)縫連接，用于控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和測(cè)試。PZT致動(dòng)器采用的壓電陶瓷型號(hào)及參數(shù)等與PZT激振器相同。試驗(yàn)采用PZT1和PZT2兩個(gè)致動(dòng)器，其布放位置見(jiàn)圖5?？刂破鬏敵隹刂齐妷盒盘?hào)并經(jīng)過(guò)HFPA-42功率放大器傳遞到PZT致動(dòng)器，PZT致動(dòng)器在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生逆壓電效應(yīng)，產(chǎn)生應(yīng)變，從而控制板a的振動(dòng)，以抑制結(jié)構(gòu)聲輻射并實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)噪聲降低的目的。

3 試驗(yàn)

試驗(yàn)在汽車(chē)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，并選擇在晚上以減少外界干擾。在主動(dòng)噪聲控制試驗(yàn)之前，先驗(yàn)證理論模型（初級(jí)聲場(chǎng)建模）的正確性。采用錘擊法模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試板a的固有頻率并與相關(guān)文獻(xiàn)[5]中的理論值進(jìn)行比較，見(jiàn)表3。從表中可以發(fā)現(xiàn)在30 Hz～200 Hz頻段內(nèi)，板a固有頻率的理論值與試驗(yàn)值比較接近，相對(duì)誤差均低于5%，由此驗(yàn)證了相關(guān)文獻(xiàn)[5]中初級(jí)聲場(chǎng)理論模型的正確性。

表3 板a固有頻率的理論計(jì)算值與試驗(yàn)測(cè)試值的對(duì)比

控制系統(tǒng)采用基于雙智能體的振動(dòng)噪聲主動(dòng)控制，包括兩個(gè)控制器智能體（CA6和CA8），控制框架見(jiàn)圖2。兩個(gè)智能體CA6和CA8分別控制板a的第6和第8階模態(tài)所主導(dǎo)的噪聲。初級(jí)激勵(lì)采用PZT激振器，用以激起板a的振動(dòng)，從而形成腔內(nèi)初級(jí)噪聲場(chǎng)。初級(jí)激勵(lì)為雙頻簡(jiǎn)諧激勵(lì)，激勵(lì)頻率為試驗(yàn)測(cè)得的板a的第6和第8階模態(tài)頻率，即176 Hz和194 Hz（見(jiàn)表3），幅值均為0.05，由此形成腔內(nèi)板a的第6和第8階模態(tài)所主導(dǎo)的噪聲。PZT1和PZT2致動(dòng)器分別布置在板a的(2,3)和(1,4)模態(tài)振幅的最大處，見(jiàn)圖5。PZT致動(dòng)器用于控制板a的振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)噪聲的降低。系統(tǒng)的采樣頻率為2000 Hz，信號(hào)長(zhǎng)度為10 s。

控制系統(tǒng)中的誤差傳感器為麥克風(fēng)，將同時(shí)接收兩個(gè)致動(dòng)器控制板a所產(chǎn)生的聲輻射，即需要考慮智能體之間的耦合影響，其表現(xiàn)為PZT1和PZT2致動(dòng)器分別到誤差麥克風(fēng)1和誤差麥克風(fēng)2之間的次級(jí)傳遞函數(shù)。次級(jí)通道傳遞函數(shù)為16階FIR模型，其系數(shù)是先根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得時(shí)域信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換，再利用Matlab中invfreqz函數(shù)得到。初級(jí)激勵(lì)信號(hào)為正弦信號(hào)，將其幅值抬升為正值后通過(guò)dSPACE輸出到初級(jí)PZT激振器。同時(shí)，該正弦信號(hào)作為參考信號(hào)參與控制運(yùn)算。次級(jí)控制信號(hào)經(jīng)過(guò)智能體控制器調(diào)整后由dSPACE輸出到PZT致動(dòng)器。

圖8和9為CA6控制前后噪聲頻譜。由圖8(a)可知，麥克風(fēng)1處在頻率176 Hz上的聲壓pf6=52 dB；由圖9(a)可知，麥克風(fēng)2處在頻率194 Hz上的聲壓pf8=47 dB（pfi由兩個(gè)麥克風(fēng)中的較大聲壓得到）。激活請(qǐng)求函數(shù)為

T為閾值，不妨設(shè)為40 dB。因?yàn)閜f6≥T，pf8≥T，故CA6和CA8均發(fā)送激活請(qǐng)求信號(hào)。響應(yīng)信號(hào)為

式中，fmax為腔內(nèi)最大聲壓所對(duì)應(yīng)的頻率，fi為第6階或第8階模態(tài)頻率，α主要用于確定最大聲壓所對(duì)應(yīng)的板a模態(tài)，不妨取10。因?yàn)閨fmax-fi|min=|fmax-f6|=0≤α，故CA6啟動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)，CA8禁止。由圖8(b)可知，控制后麥克風(fēng)1處在頻率176 Hz上的聲壓約為48 dB，與圖8(a)相比該頻率處聲壓降低了4 dB。由圖9(b)可知，控制后麥克風(fēng)2處在頻率194 Hz上的聲壓約為46 dB，與圖9(a)相比該頻率處降噪量小于1 dB，幾乎沒(méi)有降噪。

圖8 CA6控制前后麥克風(fēng)1處聲壓:(a)控制前;(b)控制后

圖9 CA6控制前后麥克風(fēng)2處聲壓:(a)控制前;(b)控制后

因?yàn)镃A6已經(jīng)激活，故只有CA8繼續(xù)發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)，由于沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)，協(xié)調(diào)體直接同意其激活。因此CA6和CA8實(shí)施共同控制，兩個(gè)CA控制后的腔內(nèi)噪聲頻域波形見(jiàn)圖10。由圖10(a)可見(jiàn)，麥克風(fēng)1處最大聲壓約為35 dB，相比控制前麥克風(fēng)1處的最大聲壓（圖8(a)）實(shí)現(xiàn)了17 dB的降噪量；由圖10(b)可見(jiàn)，麥克風(fēng)2處最大聲壓約為38 dB，相比控制前麥克風(fēng)2處的最大聲壓（圖9(a)）實(shí)現(xiàn)了9 dB的降噪量。因此實(shí)現(xiàn)了控制目標(biāo)，系統(tǒng)開(kāi)始平穩(wěn)運(yùn)行。

圖10 CA6和CA8共同控制后腔內(nèi)聲壓:(a)麥克風(fēng)1處聲壓;(b)麥克風(fēng)2處聲壓

4 結(jié)論

針對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)模態(tài)（頻率）的噪聲設(shè)計(jì)了兩個(gè)智能體，并將其應(yīng)用到主動(dòng)噪聲控制中。研究了主動(dòng)噪聲智能控制試驗(yàn)，并獲得了以下結(jié)論：

（1）基于雙智能體的主動(dòng)噪聲控制取得了在兩個(gè)誤差麥克風(fēng)處有平均23.5 dB的降噪量，通過(guò)試驗(yàn)證明了相關(guān)文獻(xiàn)[5]中的主動(dòng)噪聲智能控制方法的有效性；

（2）智能體的模塊化設(shè)計(jì)表明該方法可以添加更多的智能體以實(shí)現(xiàn)多頻或?qū)拵г肼暱刂啤?/p>