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有源噪声控制

/active noise control/
条目作者陈克安

陈克安

最后更新 2022-12-23
浏览 181
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利用人为产生的噪声声波,与不需要的噪声(初级声波)声波发生相消性干涉,从而降低初级噪声声级的一种声波污染治理技术。

英文名称
active noise control
所属学科
环境科学

该技术最早源于德国发明家P.洛伊(Paul Lueg)1933年提交给美国政府的专利“消除声音震荡的过程(process of silencing sound oscillation)”。与传统的噪声控制技术相比,有源噪声控制技术具有低频降噪能力强,相应的降噪系统重量轻、体积小等优点。

一个将要被控制的噪声源称为初级声源,所产生的噪声声波为初级声波。人为产生的、用于抵消初级声波的“反”噪声声波为次级声波,产生该声波的作动器称为次级作动器。如果该作动器为声源,则称为次级声源;如果为力源,则称为次级力源。有源噪声控制基本原理(图1)。

图1 有源噪声控制示意图图1 有源噪声控制示意图

采用有源控制思想构建的降噪系统称为有源噪声控制系统。一般说来,系统中的控制器能够依据监测信号(又称误差信号)不断地调整控制器参数,从而实时改变控制器输出,进而调节次级作动器的输出幅度和相位,则此系统为自适应有源噪声控制系统(图2)。自适应有源噪声控制系统由传感-作动和控制器两部分组成。传感-作动部分中的传感器包括参考传感器和误差传感器(如果它们为传声器,则称为参考传声器和误差传声器),参考传感器有多种形式,如传声器、加速度计、转速传感器等,它采集声信号或振动信号作为前馈控制器的参考信号;误差传感器采集误差信号,它是一种监测信号,也是控制器的输入,用于调节控制器参数从而改变其输出。控制器又分为硬件和软件两部分,其中软件以实现有源控制算法为目的,而硬件为软件提供实现其功能的物理平台。控制器硬件分为模拟和数字两种,模拟控制器一般只适合完成单通道、非自适应有源控制,而数字控制器的功能要强得多,可以实现多通道自适应有源控制。如果有源控制系统只包含一个次级源和一个误差传感器,则该系统为单通道系统;如果包含两个以上的次级源和误差传感器,则该系统为多通道系统。

图2 自适应有源控制系统示意图图2 自适应有源控制系统示意图

在有源噪声控制的系统实现中,如果能够用参考传感器获取参考信号用于计算抵消次级声波的次级信号,则该系统为自适应有源前馈控制系统(图3),单通道系统的基本构成。图中分别在离散域表示的参考信号、次级信号和误差信号,为次级通路传递函数。

图3 自适应有源前馈控制系统示意图图3 自适应有源前馈控制系统示意图

图3中初级噪声源发出声波,参考传感器拾取参考信号作为控制器的输入(参考信号也可以是与初级噪声相关的其他形式的信号,如振动信号、转速信号等),控制器根据算法规则计算出次级信号,输出后经功率放大器驱动次级声源。初级声源和次级声源产生的声波分别形成初级声场和次级声场,在误差传声器同时接收到初级声场和次级声场的声压(或其他声学参量),两者叠加后形成误差信号。误差信号反馈至控制器中,自适应算法根据预先设定的控制目标调整控制器权系数从而改变次级信号强度(包括幅度和相位)。这样的过程持续不断地进行下去,直至满足控制目标,系统达到稳定状态,从而实现误差传感器处和更大空间范围的噪声降低。

如果无法获得参考信号,则前馈控制器就无法使用,只能采用反馈控制,其控制器成为反馈控制器,整个有源噪声控制系统的构成示意图(图4),其中分别为次级信号和误差信号。

图4 有源反馈控制系统示意图图4 有源反馈控制系统示意图

设计一个有源噪声控制系统,其主要任务分为次级源和误差传感器布放和控制器设计两部分,前者是指确定次级源和误差传感器的个数及安装位置,后者指确定有源控制算法及实现形式。次级源和误差传感器布放与初级声场形式和降噪目标直接相关。有源噪声控制涉及的初级声场通常有自由声场和封闭空间声场两种形式,后者又分为低频条件下的驻波声场和高频条件下的扩散声场。降噪目标由降噪量和降噪空间范围两者组成。自适应有源控制器的基准结构和算法为横向结构的FIR滤波器和滤波-x LMS(filtered-x LMS; FxLMS)算法,它们具有实现简单、运算量小的优点。此外,还有多达数十种的控制器结构与算法,主要从以下3个方面入手:①改进自适应算法,目的在于加快收敛速度、降低运算量、降低稳态误差,分为两大类:基于FxLMS的改进算法和基于非LMS的算法。②改进滤波器结构,表现为非横向FIR滤波器(如IIR滤波器,格型滤波器)、特殊的时域实现方式(如间歇式、局部迭代算法)、非时域实现方式等。③用于特殊问题的自适应算法和滤波器结构,用于解决以下问题:时变次级通路建模、多通道算法实现、反馈问题(次级声反馈和反馈系统)、特定初级噪声(窄带或线谱噪声、脉冲噪声)、系统中的非线性、误差信号重塑(如声品质控制、声场控制中涉及的若干问题)等。

有源噪声控制系统的实现包括研制和选用次级声源、误差传感器和参考传感器等电声器件,以及研制和测试有源控制器。

成熟度最高、已获得实际用的有源噪声控制技术有3种,分别是有源护耳器、螺旋桨飞机舱内噪声有源控制和轿车车厢内噪声有源控制。有源护耳器分为3种类型:有源耳罩、有源受话器和有源头靠,它们已实现商业化应用。螺旋桨飞机舱内噪声有源控制技术已发展成熟,已有数千架装有源控制系统的军用和民用飞机投入运营。至于轿车车厢内噪声有源控制,主要由于成本的限制,仅有极少数品牌的高端轿车安装此类系统,市场对该系统的接受程度仍然较低。此外,还有一类趋于成熟的有源噪声控制技术,该类技术存在原理可行,但仍有一系列与应用有关的关键问题尚未解决,管道有源消声器、变压器噪声有源控制和声场主动控制是其中的典型代表。

  • NELSON P A, ELLIOTT S J.Active Control of Sound.London:Academic Press,1992.
  • ELLIOTT S J.Signal Processing for Active Control.London:Academic Press,2001.

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