太空舱主动降噪算法研究与仿真设计

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噪声作为太空舱重要环境因素之一,直接影响宇航员长期在轨的安全和健康。超过暴露限值的噪声严重影响乘组人员的听力和语音通话,进而造成工作效率降低,工作能力下降。因此,通过降低舱内噪声提升舱内生活舒适度,对于保证乘员身心健康有着十分重要的意义。依赖材料、结构等手段耗散噪声能量的被动降噪技术,对高频噪声的抑制效果十分明显。而对于危害更大的低频噪声,受空间和波长等因素影响,被动降噪技术效果甚微。因此,本文提出运用主动降噪技术降低噪声,以期控制低频噪声暴露,提升舱内环境舒适度。在传统自适应主动降噪算法的基础上,提出了一种基于小波变换的滤波最小均方误差方法(Filtered X Least Mean Square,FXLMS)。该方法通过对噪声信号的小波分解与重构,采用最小均方误差自适应算法不断地对前级信号进行更新求解,实现实时降噪。论文主要工作如下:首先,从声波干涉原理出发,对主动降噪理论进行了研究,推导出了密闭空间声场的数学表达式。对主动噪声控制系统的主次级声源位置做了优化,对传统的更新算法进行了改进,降低了算法的复杂度,改善了系统的稳定性。其次,提出对主动降噪系统中的次级声源进行辨识,通过对对次级声源的迭代更新,达到实时降噪的目的。再次,考虑到太空舱主动降噪实验开展成本高昂、周期性长,本文结合密闭空间声场特点,建立简化模型模拟舱内噪声环境,并采用声学仿真软件Virtual.Lab对舱内声场进行仿真分析。在简化模型基础上,提出基于小波变换的FXLMS方法,对噪声信号进行小波分解,分离出噪声中的高低频信号成分,然后通过FXLMS算法滤除掉高频信号,实现对低频信号的控制。最后,搭建了太空舱主动降噪实验环境,对本文提出方法进行了测试与验证。测试结果表明对于100Hz、200Hz、300Hz和500Hz等低频频段的噪声信号,声压级平均降低15%,验证了算法的有效性。
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