车厢内自适应多通道有源噪声控制系统设计及实现

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3.0 陈辉 2024-11-19 18 4 1.53MB 52 页 15积分

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中文摘要

汽车噪声已经成为一种重要的环境污染源，对其在降噪方面进行的研究开发

具有重要的学术和商业价值。基于自适应滤波器理论的主动噪声控制系统(ANC)是

在80 年代发展起来的，本文在回顾了主动噪声发展历史的基础上，研究了多通道

有源噪声控制模型，对相应的次级通道进了辨识，搭建了有源噪声控制的软、硬

件实验系统，并对典型的滤波-X LMS 算法和滤波-U LMS 算法进行了仿真和实验。

首先在自适应滤波原理的基础上，对多通道有源噪声控制的滤波-X LMS 和

滤波-U LMS 算法进行了研究和仿真，基于 Matlab/Simulink 的系统仿真证实了算

法的有效性。对次级声通道的离线和在线建模进行了研究和设计。用解析法获得了

双通道次级声源和误差传感器的最佳布放位置，并在实验中得到了验证。

其次利用语音采集电路，功放电路，数据采集卡和 PC 机搭建了有源噪声控

制的硬件系统。并且在 Visual C++6.0 平台上设计和实现了有源噪声试验的控制软

件。

最后在有限空间内进行了噪声控制试验。用离线自适应建模方法得到了系统

的次级声通道模型；采用单通道、多通道滤波-X LMS 算法和滤波-U LMS 算法对

低频噪声信号进行有源噪声控制试验；然后利用该有源噪声控制系统对公交车车

厢内环境噪声进行降噪控制。结果表明，应用滤波-X LMS 算法和滤波-U LMS 算

法，本试验系统可以对低频噪声进行有效的控制。

关键词：有源噪声控制滤波-X LMS 多通道系统系统辨识

ABSTRACT

The noise of the motorcar has become an important part of environmental

pollution, the control of it has become exigent for our daily life, and the study of its

cancellation is with great academical and commercial value. Active noise control, based

on the adaptive filter theory, has been rapidly developed since 1980s. In retrospect to the

development of active noise control, multi-channels algorithm and structure for active

noise control are studied. A testing system for active noise control including both the

software and the hardware is built. And the most popular algorithms of filtered-X LMS

and filtered-U LMS are simulated and tested.

Firstly, both Multi-channels filtered-X LMS and filtered-U LMS for active noise

control are simulated. The system simulation based on Matlab/Simulink confirms the

availability of the two algorithms. The online and offline adaptive modeling methods for

secondary noise path are studied and designed as well. In the double-channels

experiments, the best locations of the secondary sound sources and error sensors are

gained through analytic method.

Secondly, a hardware system for active noise control .is built using sound-

collecting circuit board, power magnification circuit board, data-acquisition card and

personal computer. A software system corresponding to the active algorithms is

designed on the platform of Visual C++6.0.

Finally, the noise control tests are processed in a limited space. The module for

secondary noise channel is obtained by offline adaptive method. Using both single-

channel and multi-channel structure to control the given noise signals is tested including

filtered-X LMS and filtered-U LMS algorithms. Then the control of noise of car

driving, using the designed active noise control system, is proposed.

The results show that by using either filtered-X LMS or filtered-U LMS, the test

system designed can produce an expected result for low frequency noise.

Key Word ：Active Noise Control ，Filtered-X LMS ，Multi-channels

System，System Identification

目  录
中文
摘要...................................................................................................................................1
ABSTRACT......................................................................................................................1
目  录.................................................................................................................................1
第一章 绪  论....................................................................................................................1
§1.1 引言....................................................................................................................1
§1.2 有源噪声控制的提出及其发展历程................................................................1
§1.3 自适应有源噪声控制........................................................................................3
§1.4 自适应有源噪声控制系统概述........................................................................4
§1.4.1 有源噪声控制系统..................................................................................4
§1.4.2 决定控制效果的各种因素......................................................................4
§1.5 有源噪声控制的应用及现状............................................................................5
§1.6 本文研究的主要内容........................................................................................6
第二章 多通道自适应有源噪声控制算法及仿真结果..................................................7
§2.1 多通道滤波-X LMS 算法与滤波-U LMS 算法................................................7
§2.2 自适应算法仿真模型的建立.....................................................................9
§2.3 多通道滤波-X LMS 算法与滤波-ULMS 算法仿真.......................................10
§2.4 仿真结果分析..................................................................................................12
第三章 次级声通道建模................................................................................................14
§3.1 次级声道建模的概述......................................................................................14
§3.2 次级声通道辨识的实验设计..........................................................................16
§3.2.1 输入信号的选择....................................................................................16
§3.2.2 采样周期的选择....................................................................................17
§3.2.3 实验数据采集长度的选择....................................................................17
§3.3 线性系统的经典辨识方法..............................................................................18
§3.3.1 用M序列辨识系统的脉冲响应...........................................................18
§3.3.1.1  M 序列的性质....................................................................................18
§3.3.1.2  用M序列辨识系统的脉冲响应的递推算法...................................19
§3.3.1.3  用M序列辨识系统的脉冲响应的步骤...........................................20
§3.3.1.4 序列参数的确定.................................................................................21
§3.3.2 误差通道的脉冲响应的辨识结果........................................................21
§3.4 用神经网络来辨识系统..................................................................................22
§3.4.1 CMAC 模型结构神经网络原理...........................................................23
§3.4.1.1 CMAC 神经网络原理........................................................................24
§3.4.1.2 CMAC 工作原理................................................................................25

§3.4.1.3 CMAC 的学习算法............................................................................26
§3.4.2 CMAC 网络的仿真...............................................................................27
§3.4.3 CMAC 网络的优缺点...........................................................................27
第四章 有源噪声控制试验系统软、硬件设计............................................................28
§4.1 控制系统的总体方案......................................................................................28
§4.2 有源噪声控制试验系统硬件设计..................................................................28
§4.3 有源噪声控制试验系统软件设计..................................................................29
§4.3.1 试验过程的控制....................................................................................30
§4.3.2 双通道滤波 X-LMS 的实现..................................................................31
第五章 有源噪声控制应用试验结果与分析................................................................34
§5.1 单通道有源噪声控制试验..............................................................................34
§5.2 多通道有源噪声控制试验..............................................................................35
§5.2.1 次级声源最优布放................................................................................35
§5.2.2 次级声源和误差传感器布放参数的确定............................................37
§5.2.3 多通道有源噪声控制试验（正弦信号加白噪声声源）....................39
§5.2.4 多通道有源噪声控制试验（车厢内噪声源）....................................44
§5.4 试验结果分析..................................................................................................47
第六章 结论与展望........................................................................................................49
参考文献.........................................................................................................................51

第一章绪论

§1.1 引言

汽车的诞生已过百年，其各方面的性能随着科学技术的迅猛发展而得到了极

大的提高。但是，随着人们生活水平的提高，人们对汽车的综合性能指标又不断

提出更高的要求，如人们对汽车行驶的舒适性，尤其对汽车的振动和噪声特性提

出了很高的要求。汽车噪声已经成为一种重要的环境污染源，不仅污染车内成员

的乘坐环境，而且会对汽车运行范围的周围环境造成严重的污染，影响人们的正

常工作，学习和生活。国内外都曾经出现过因为汽车的噪声问题而影响某种车型

的市场销售案例，也经常发生消费者就汽车的振动和噪声问题的投诉。为此，世

界各国都制定了严格的汽车噪声控制标准和法规，各大汽车生产厂家也都投入了

大量的人力和物力进行汽车振动和噪声发生机理与控制方法的研究，并取得了丰

硕的成果。这在目前汽车保有量不断增长和人们环境保护意识日益增强的背景下

是必然的趋势。但是由于汽车噪声发生的机理非常复杂，传播又具有固体传播和

空气传播两种途径，因此，车内噪声和车外噪声的控制仍然有很多深入细致的工

作需要开展[1]。

噪声控制可以从噪声源、噪声传播途径和噪声接受这三方面入手[2-5]。传统的噪

声控制技术主要以研究噪声的声学控制方法为主，主要技术途径包括吸声处理、

隔声处理、使用消声器、振动的隔离、阻尼减振等等，这些噪声控制方法的机理在

于，通过噪声声波与声学材料或声学结构的相互作用消耗声能，从而达到降低噪

声的目的，这些属于无源或被动式的控制方法，可称为“无源”噪声控制(passive

noise control)。一般说来，无源噪声控制方法对控制中高频噪声较为有效，而对低

频噪声的控制效果不大。为此，需要采用一项新的技术——有源噪声控制（active

noise control，又称有源消声）技术。

传统噪声控制的主要方法包括吸声处理，隔声处理和使用消声器。传统的方

法对发展有源噪声控制技术有很好的启发作用。在某些情况下，有源方法和无源

方法还可以结合起来，形成复合式的噪声控制方法。

§1.2 有源噪声控制的发展历程

传统噪声控制方法总体上分为阻性和抗性两种。前者对中，高频噪声的效果好

后者虽然可以较好的控制低频噪声，但它的频段较窄，且所需设备一般较为笨重

体积庞大，应用范围受到限制。为了降低低频噪声，有源噪声控制技术给出了一

车厢内自适应多通道有源噪声控制系统设计及实现

种新的解决方法[6，7]。

1933 年和 1936 年，德国物理学家Paul Lueg（1898-1979），分别向德国和美

国的专利局提出专利申请并被受理，专利的名称为“消除声音振荡的过程”

（Process of Silencing Sound Oscillations）[8,9].在这项专利中，Lueg 利用了人们熟

知的声学现象：两列频率相同，相位差固定的声波，叠加后会产生相加性或相消

性干涉，从而使声能得到增强或减弱。因此Lueg 设想，可以利用声波的相消性干

涉来消除噪声。现在人们一般都认为，Lueg 的这项专利是有源噪声控制发展史上

的起点[10]。但是受到当时电子技术水平的限制，Lueg 的设想当时难以成为现实，

以至于在他的专利提出 20 年内学术界没有任何响应。

1953 年H. Olson 发表一篇名为“电子扬声器”的文章，再一次体现了有源消

声的思想。Olson 的电子吸声器包括一个装有吸声材料的空腔，一个传声器，一个

放大器和一个扬声器。这个吸声器有两个基本的用途：吸收传声器位置处的声波

做为“声压降低器”。可以通过调节扬声器锥面的运动幅度使传声器总的声压起伏

接近零。Olson 电子吸声器制造“静区”的方法，其原理与 Lueg 专利是相似的。可

以说这是有源消声概念的又一次应用。

在Olson 研究电子吸声器的同时，通用电气公司的W.B Conver 尝试了利用有

源方法控制变压器辐射噪声。由于变压器发出的噪声具有线谱频率成份，具有明

显的周期性，因此很适合使用有源噪声控制技术。但其仅在偏离轴线小于30。

的空

间范围内有一定的降噪量，在其它位置则有增无减。由于这个原因，该方案在

1956 年被放弃了，代之为无源噪声控制方法。不过，因为变压器噪声以低频为主，

且具有明显的周期性，这对发挥有源噪声控制技术非常有利，促使后来的人们不

断加以研究。

由于缺乏实现有源控制的手段，经过 50 年代的一段工作之后，有源控制的研

究变得销声匿迹。Kido 在1975 年和 Chaplin 在1978 年首先将数字技术应用于该领

域，由于数字信号处理技术和装置的大量应用及迅速发展，使实用型有源控制系

统的实现成为可能。

70 年代中期发展起来的自适应有源噪声控制(Adaptive Active Noise Control，

简称 AANC)方法，用数字信号处理和自适应控制理论，针对各类噪声的特殊条件

和专门的控制要求，根据被控制声场的性质，控制器能自动地调节次级声信号的

幅值和相位，跟踪噪声源及环境参数的变化，从而确保次级噪声有效地抵消初级

噪声，提高了降噪效果。

九十年代以来，有源噪声控制的研究重点转向三维空间消声。在系统实现上，

运用数字信号处理技术的自适应控制系统结构及相应的自适应算法，用于扩展消

声区域和消声带宽。S.J.Elliott、P.A.Nelson、S.M.Kuo、D.R.Morgan 等人在自适应噪

声控制方面作了大量的研究，对自适应有源噪声控制(AANC)结构和算法进行了

详细研究，提出了多种控制结构及算法。

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摘要：

中文摘要汽车噪声已经成为一种重要的环境污染源，对其在降噪方面进行的研究开发具有重要的学术和商业价值。基于自适应滤波器理论的主动噪声控制系统(ANC)是在80年代发展起来的，本文在回顾了主动噪声发展历史的基础上，研究了多通道有源噪声控制模型，对相应的次级通道进了辨识，搭建了有源噪声控制的软、硬件实验系统，并对典型的滤波-XLMS算法和滤波-ULMS算法进行了仿真和实验。首先在自适应滤波原理的基础上，对多通道有源噪声控制的滤波-XLMS和滤波-ULMS算法进行了研究和仿真，基于Matlab/Simulink的系统仿真证实了算法的有效性。对次级声通道的离线和在线建模进行了研究和设计。用解析法获得了双...

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