有源噪声控制中自适应算法研究及在局部空间降噪的应用

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噪声对人类生活的影响越来越大,已成为全世界都关注的环境污染问题之一。中低频噪声是对人影响较大的一类噪声,长期接触这类噪声会令人的生理及心理极为不适。降噪技术是解决噪声问题的重要手段,目前主要的降噪方法包括采用特定材料结构的被动降噪和利用信号处理的有源噪声控制。被动降噪方法对低频噪声常常束手无策,有源噪声控制成为了解决中低频噪声的有效途径,是目前噪声处理方面的研究热点。有源噪声控制一般包括初级通道和次级通道,这两部分一般都会用到自适应最小均方误差(Least Mean Square,LMS)算法,算法中阶数与步长的影响较大。在硬件资源允许的阶数范围内,次级通道辨识算法的阶数过小会出现严重的建模误差,阶数过大会增加计算量且易出现失调等问题;步长则同时影响着初、次级通道算法的收敛及稳态等性能,因此步长、阶数的研究对提升有源噪声控制降噪效果具有重要价值。目前关于步长或阶数调整的算法研究还不够深入,一些算法缺乏系统的理论分析,实用性较差。此外,有源噪声控制的应用主要集中在管道等场景,针对三维空间的研究还不多。本文针对有源噪声控制中自适应LMS算法的阶数、步长调整开展了深入的研究,并将研究成果应用在局部三维空间降噪中。首先,论文研究与分析了有源噪声控制的基础结构及算法,将初、次级通道中自适应LMS算法的收敛及稳态等性能与阶数、步长建立了精确关系。系统的研究分析了表征自适应LMS算法收敛性能、稳态性能、计算量与鲁棒性的相关表达式,同时研究一些典型的变阶数算法和变步长算法,并分析存在的不足,为有源噪声控制中自适应LMS算法在阶数或步长调整方面的研究提供理论指导与依据。其次,对自适应LMS算法中阶数的调整进行深入研究,针对分数变阶数算法的阶数更新因子、误差宽度及阶数大的波动等问题,提出三种改进的算法。具体对于阶数更新因子等问题,提出迭代阶数更新因子的改进分数变阶数算法,该算法能去除系统误差的影响,避免建模不足等问题;针对误差宽度等问题,提出变误差宽度的改进分数变阶数算法,并提供算法暂态稳态性能及参数选择分析,该算法能合理的调整误差宽度,能在不影响收敛性能的前提下,限制阶数大的波动。这两种算法均提升了低噪环境下变阶数算法的收敛及稳态等性能,适用于弱干扰低噪环境下的次级通道辨识中。还将误差宽度与阶数更新因子,进行合理统一的分析与结合,同时也添加动态选择限定函数比例的方法,提出了混合自适应参数的分数变阶数算法,该算法优化了阶数的过估计问题,提升了高噪环境中变阶数算法的性能。再次,对自适应LMS算法中步长的调整进行深入研究,针对目前变步长算法缺乏性能分析及实用性的问题,提出一种迭代变步长算法。该算法基于理论分析,通过基础公式推演获得了调整步长的合理表达式。并提供了算法暂态及稳态性能的理论及实验分析,结果验证了理论分析的正确与算法性能的优良,其适用于有源噪声控制的初级通道算法中。还对变步长算法与变阶数算法进行合理的统一分析与结合,提出同步调整步长与阶数的混合算法,理论分析及实验结果共同表明,该算法能够同时获得合理的阶数与步长,进一步提升了算法的稳态等性能。最后,对局部三维空间有源噪声控制进行实验研究。合理搭建大封闭空间下局部三维空间实验平台,根据实验场景特性对提出的算法进行了合理选取,应用在有源噪声控制的初级通道及离线次级通道辨识中,利用多种噪声进行有源噪声消除实验,通过绘制降噪前后的各类图表对降噪效果进行比较。实验结果与理论分析结果相一致,次级通道部分,提出的算法能在硬件资源及次级通道辨识所允许的阶数及误差范围内,获得适当的阶数值并合理的调整步长,既较准确的估计了次级通道,又在保证算法跟踪收敛性能的前提下,降低了计算量及失调的概率。在初级通道算法中,通过应用提出的改进算法,针对各类噪声均获得了良好的降噪效果。本文研究内容提升了有源噪声控制算法的性能,并为实际中的应用提供了经验,对有源噪声控制算法及局部三维空间噪声控制的发展具有重要意义。
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