管道窄带主动噪声控制系统若干关键技术研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jiaojiao2008zwj
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主动噪声控制(Active Noise Control,ANC)技术是利用声波的相消干涉原理,通过电声装置产生与源噪声幅值相同、相位相反的抵消噪声,在消声区与源噪声叠加相消,从而达到抑制噪声的目的,该技术对中低频噪声具有很好的控制效果。由发动机、切割机、排风扇等各种旋转或者具有往复运动的机械产生的低频噪声,其能量集中于有限的频率,是典型、常见的窄带噪声,而随着社会经济的大力发展,该类设备大量的使用,由此产生的噪声危害日益严重。在ANC领域,相比其它控制系统,窄带ANC系统在抑制上述低频窄带噪声方面具有更加突出的性能,是近些年ANC领域的重要研究内容。  窄带ANC系统以非声学传感器(如转速计)实时获得的目标噪声信号的频率为参考输入,针对多频目标噪声信号方便开展并行自适应控制,因此噪声抑制的效率更高。然而,窄带ANC系统的性能改善往往受到以下几个问题的制约:系统总体残余噪声(包含测量噪声和所有频率通道产生的残余噪声)用于所有频率通道的控制滤波器系数的更新,导致各频率通道间相互干扰,影响了系统的收敛速度和稳态性能;系统的参考输入信号通常来源于非声学传感器,虽然避免了声反馈的干扰,却不可避免带来频率失调问题;在测量噪声具有较大的能量时,可能影响窄带ANC系统的稳定性,亟需研究一种具有抗测量噪声干扰,同时能够较好地平衡收敛性、追踪速度、稳态误差等性能指标的自适应算法。本文将针对上述关键技术难题开展基于自适应滤波算法的窄带ANC系统研究。  首先,针对窄带ANC系统的残余误差信号开展研究。构建具有残余误差分离器的窄带ANC系统,通过设定无交叉项的代价函数推导出基于最小均方(Least Mean Square,LMS)误差分离器的窄带ANC系统更新公式;对系统进行动态性能分析,找出影响系统性能的关键因素,并通过引入泄漏因子有效的保证了系统稳定收敛;理论分析和仿真验证了基于泄漏LMS误差分离器的窄带ANC系统的性能,不仅可有效地将各频率通道对应的残余误差信号分离,降低各频率通道间的相互干扰,还可降低测量噪声对系统消噪效果的影响,从而提高系统收敛速度和稳定性。  其次,针对窄带ANC系统中的频率失调问题进行研究。通过探讨频率失调存在对系统性能的影响,在噪声信号频率失调量较大或出现非平稳时,传统频率失调补偿系统将无法正常工作的问题,提出一种基于IIR陷波器应对频率失调的窄带ANC系统新结构。引入可变极半径及平滑梯度(Plain Gradient,PG)算法构建IIR陷波器,利用声学传感器为IIR陷波器提供输入,以非声学传感器完成初值校正,从而完成参考信号的准确提取,通过一阶FIR滤波器实现幅值和相位的调节,在保证合理的稳态误差情况下,与传统的频率失调补偿系统相比,新系统能够应对较大的频率失调,提高了窄带ANC系统在实际应用中的稳定性。  再次,提出一种高效稳定的变步长滤波-X最小均方算法,该方法通过残余误差能量加权累加比来控制步长更新,既有效防止由于测量噪声能量较大时导致的系统发散,又保证了步长对误差变化的快速追踪能力;利用统计理论对算法进行全面的数学分析,建立描述系统动态特性的差分方程组和稳态性能的表达式,给出关键参数对系统性能的影响机理,通过仿真验证理论分析的有效性;进一步将该变步长算法引入窄带ANC系统主控制器中,在不牺牲系统收敛速度、稳态误差等性能的前提下,增强系统抗测量噪声干扰的能力。  最后,通过管道平台实验验证本文研究成果。设计管道平台实验系统,通过单频频率失调噪声实验,验证本文提出的基于IIR陷波器的窄带ANC系统新结构应对频率失调的能力;通过双频噪声实验,验证误差分离方法的有效性。基于Kuo提出的IIR型真实管道次级通道数据,针对实际工厂噪声进行主动噪声控制实验,验证本文提出的变步长算法的性能。
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