密闭空间内的有源降噪系统研究

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噪声污染在日常生活中无处不在,却容易被人们忽视。噪声中的低频成分具有波长长、频率低的特点不易被人发觉,却会使人产生眩晕、呕吐等临床反应,同时,低频噪声的振动激励会使生产设备的精度下降,使产品的质量难以保证。传统的降噪方法是在噪声传播过程中使用吸声材料建立屏障来隔绝噪声,但这种方法对低频噪声收效甚微。采用有源噪声控制(Active Noise Control,ANC)可以弥补传统方法的缺点,它是一种基于数字信号处理技术的新型降噪方法,针对低频段噪声信号具有良好的降噪效果。有源降噪系统以其噪声自适应能力,安装便捷,适用于不同环境等优点成为如今噪声控制的主要研究方向。在降噪系统运行时,电声器件负责噪声信号的采集和播放,采放信号的失真程度直接影响了系统的降噪量。因此,研究电声器件频率响应特性对噪声控制的影响具有重要意义。本文以密闭环境的噪声场作为研究对象,在研究声学理论的基础上,结合声波的干涉原理对有源噪声控制的可行性进行验证。对最小均方(Least Mean Square,LMS)算法进行了研究,考虑到实际环境中的噪声时延问题,将抵消路径引入LMS算法中并推广为Fx LMS算法。通过离线建模的方法对抵消路径的系统特性进行辨识,解决了声时延问题造成的信号衰减与相位失调。针对混频白噪声信号进行噪声控制实验,分析Fx LMS算法的降噪性能。为了研究ANC系统仿真时电声器件的频率响应特性对次级通路建模的影响,提出了一种新的次级通路模型分析方法。使用有限脉冲响应(Finite Impulse Response,FIR)滤波器对电声器件的频率响应曲线进行建模,并以Fx LMS算法为例,研究扬声器与传声器的频率响应对系统降噪效果的影响。仿真结果表明,电声器件陡峭的频率响应曲线会对输入信号幅值造成衰减,产生幅值失配的现象,使控制系统的实际降噪量远小于理想电声器件模型,并通过不同情况下的降噪效果分析了电声器件对系统降噪量的影响。针对电声器件的频率响应对系统降噪量的影响,将一种基于最小相位分解的逆滤波算法与Fx LMS算法相结合,对降噪系统的结构进行了改进。使用逆滤波算法对单声道系统的频率响应曲线进行建模,将得到的逆滤波器与原系统级联后可以降低曲线的波动程度,达到平坦的输出。仿真结果表明,结合逆滤波算法的控制系统对噪声信号具有更好的降噪效果。同时,通过对逆滤波器进行降阶数处理,可以在阶数更低的情况下达到相同的补偿效果。
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