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    2017-11-09 18:18:10
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  • 有源噪声控制概述

    千次阅读 2019-06-17 20:32:34
    主要介绍了有源噪声控制系统的组成及现阶段的应用情况

    引言

    噪声问题影响着人们的日常生活,特别是在高噪声环境下,人的生理和心理健康都会受到损害。传统的噪声控制手段为被动噪声控制,也称无源噪声控制,例如吸声、隔声等。被动的方法对于中高频噪声比较有效。另外一种噪声控制的方法为主动噪声控制,也称有源噪声控制,通过波的干涉原理进行噪声信号抵消。有源噪声控制主要针对低频噪声。

    1.有源噪声控制系统

    在这里插入图片描述
    如图1所示的有源噪声控制系统。初级扬声器产生初级声场,人为产生的用于抵消的噪声称为次级噪声。产生次级噪声的是次级声源。利用参考麦克风(传声器)拾取参考信号,误差麦克风拾取误差信号。控制器通过参考信号和误差信号不断地调整控制器参数,从而改变自适应控制器的输出,以产生抵消信号。如果系统只存在一个次级声源和一个误差传感器,则系统为单通道系统;如果包含两个以上的次级源和误差传感器,则系统称为多通道系统。控制器的硬件一般分为模拟和数字两种。与自适应信号处理相比,有源噪声控制系统多出了次级通路,即由控制器输出到误差传感器输入之间的传递函数。由于次级通路的存在,一些在自适应信号处理中发生的现象在这里又发生了改变。

    2. 前馈与反馈

    如图1中所示的系统,需要有参考麦克风拾取参考信号,该系统为前馈系统。在某些情况下,不方便获得参考信号时,可以采用反馈系统,不需要参考信号。相对于反馈系统来说,前馈系统稳定性好,容易实现。

    在这里插入图片描述
    一个自适应的反馈系统如图2所示,仅需要一个误差传感器和一个次级声源,控制器的构造也比较简单。如果次级通路的频率响应平坦,且无附加相移,则可以在无限宽的频率范围内设置控制器的增益。然而通常,反馈控制器在某些关键频率或较窄的频率范围内使得传递函数满足稳定性和因果性的要求,而无法在较宽的频带范围内满足这些要求。

    3.次级通路建模

    如上文所示,次级通路建模是区别自适应信号处理和自适应有源控制的内容。要完成有源噪声控制,就必须得到次级通路的传递函数,可以说,次级通路传递函数的获取是实现有源控制算法的前提(当然,也有一些算法不需要提前获取次级通路的传递函数)。次级通路包含三个部分:声传递通路、传感作动装置(扬声器、传声器)和电子线路。自适应建模原理与自适应滤波原理相同,分为离线建模和在线建模两种。如果次级通路基本保持不变,则可以使用离线建模;如果次级通路变化很大,则最好采用在线建模。
    通常离线建模的方法为附加白噪声法。先使次级声源发出随机噪声,改噪声信号作为建模滤波器的输入,误差传感器接收到的信号作为建模滤波器的期望信号。根据LMS算法可以获得FIR横向滤波器作为次级通路的建模滤波器。

    4.有源噪声控制应用

    有源护耳器是应用有源控制技术最为成功的案例,主要原因在于降噪空间狭小,需要的次级声源个数小(通常一只耳罩只配备一个扬声器),目前采用的模拟式控制器的构造简单、成本低廉;对于飞机舱室,虽然要求的降噪空间大,但由于螺旋桨飞机舱内噪声属于低频线谱噪声(主要包括的螺旋桨噪声基波和头几阶谐波),舱内声场本质上是由低阶声模态主导的驻波声场,仅需有限个数的次级声源就可以实现全空间降噪。与有源护耳器相比,飞机舱内噪声有源控制系统属于多通道系统,控制器的软件和硬件要复杂得多,系统的自身成本和维护成本要高得多,但与飞机的总体造价相比,这种系统的成本就在可以承受的范围内了。轿车车厢内的有源噪声控制,其降噪空间、技术难度、系统的复杂度和可接受的成本均介于前两者之间,这使得人们在选择是否要采用有源控制技术上陷于两难,因而市场上安装有源控制系统的汽车并不多。

    5.结语

    有源噪声控制的生命力在于工程应用,这也推进着控制算法的改进与发展。以上内容来自陈克安《有源噪声控制》(国防工业出版社,第2版)。如果您想了解更多关于有源噪声控制的内容,请参考主动噪声控制

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  • 噪声控制

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    2006-09-20 15:49:42

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      采用工程技术措施控制噪声源的声输出,控制噪声的传播和接收,以得到人们所要求的声学环境。
      同水体污染、大气污染和固体废物污染不同,噪声污染是一种物理性污染,它的特点是局部性和没有后效的。噪声在环境中只是造成空气物理性质的暂时变化,噪声源的声输出停止之后,污染立即消失,不留下任何残余物质。噪声的防治主要是控制声源和声的传播途径,以及对接收者进行保护。
      解决噪声污染问题的一般程序是首先进行现场噪声调查,测量现场的噪声级和噪声频谱,然后根据有关的环境标准确定现场容许的噪声级,并根据现场实测的数值和容许的噪声级之差确定降噪量,进而制定技术上可行、经济上合理的控制方案。
      声源控制 运转的机械设备和运输工具等是主要的噪声源,控制它们的噪声有两条途径:一是改进结构,提高其中部件的加工精度和装配质量,采用合理的操作方法等,以降低声源的噪声发射功率。二是利用声的吸收、反射、干涉等特性,采用吸声、隔声、减振、隔振等技术,以及安装消声器等,以控制声源的噪声辐射。
      采用各种噪声控制方法,可以收到不同的降噪效果。如将机械传动部分的普通齿轮改为有弹性轴套的齿轮,可降低噪声15~20分贝;把铆接改成焊接,把锻打改成摩擦压力加工等,一般可减低噪声30~40分贝。
      传声途径的控制 主要措施有:①声在传播中的能量是随着距离的增加而衰减的,因此使噪声源远离需要安静的地方,可以达到降噪的目的。②声的辐射一般有指向性,处在与声源距离相同而方向不同的地方,接收到的声强度也就不同。不过多数声源以低频辐射噪声时,指向性很差;随着频率的增加,指向性就增强。因此,控制噪声的传播方向(包括改变声源的发射方向)是降低噪声尤其是高频噪声的有效措施。③建立隔声屏障,或利用天然屏障(土坡、山丘),以及利用其他隔声材料和隔声结构来阻挡噪声的传播。④应用吸声材料和吸声结构,将传播中的噪声声能转变为热能等。⑤在城市建设中,采用合理的城市防噪声规划。此外,对于固体振动产生的噪声采取隔振措施,以减弱噪声的传播。
      接收者的防护 为了防止噪声对人的危害,可采取下述防护措施:①佩戴护耳器,如耳塞、耳罩、防声盔等。②减少在噪声环境中的暴露时间。③根据听力检测结果,适当调整在噪声环境中的工作人员。人的听觉灵敏度是有差别的。如在85分贝的噪声环境中工作,有人会耳聋,有人则不会。可以每年或几年进行一次听力检测,把听力显著降低的人调离噪声环境。
      控制措施的选择 合理的控制噪声的措施是根据噪声控制费用、噪声容许标准、劳动生产效率等有关因素进行综合分析确定的。在一个车间,如果噪声源是一台或少数几台机器,而车间里工人较多,一般可采用隔声罩、降噪效果为10~30分贝;如果车间里工人少,经济有效的方法是用护耳器,降噪效果为20~40分贝;如果车间里噪声源多而分散,工人又多,一般可采取吸声降噪措施,降噪效果为3~15分贝;如果工人不多,可用护耳器,或者设置供工人操作用的隔声间。机器振动产生噪声辐射,一般采取减振或隔振措施,降噪效果为5~25分贝。如机械运转使厂房的地面或墙壁振动而产生噪声辐射,可采用隔振机座或阻尼措施。

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  • 有源噪声控制发展简介

    千次阅读 2020-03-29 10:22:52
    主动降噪技术是由Lueg在1933年提出的,希望通过一种方法将看不见摸不到的噪声消除掉,由于噪声是源源不断的产生,并且其最大的特点就是具有不规律性,所以需要设计一个系统对周围环境的变化和造成噪声的声源进行实时...

    主动降噪的发展简史

    ANC(Active Noise Control)

    主动降噪技术是由Lueg在1933年提出的,希望通过一种方法将看不见摸不到的噪声消除掉,由于噪声是源源不断的产生,并且其最大的特点就是具有不规律性,所以需要设计一个系统对周围环境的变化和造成噪声的声源进行实时的追踪,然后通过自动调整参数将噪声反相通过扬声系统播放,根据杨氏干涉原理可以在某点对噪声进行干涉,即两列声波频率相同但到达某点的相位相反,从而达到降噪的效果。主动降噪就是人为的在某个固定的区域产生次级声波来对初级声波进行控制,当两列声波相遇时进行干涉,干涉的结果影响到降噪的最终效果,理论上幅值相同频率相反的两列声波进行叠加时能量就会消除。
    目前,由于计算机技术和数字处理芯片性能获得了极大的提升,主动降噪算法得到了快速的提升,使得应用场景更加广泛,解决了之前实时性不好,降噪性能有限的问题,并大幅度的提高了能够降噪的带宽范围。主动降噪相比于传统的降噪技术来说有很大的优点,首先是主动性,根据不同的使用场景可以进行不同频段的降噪,更加具有目的性和针对性。其次是对于频率较低的噪声的消除作用十分明显。再次整个系统的体积相对小,重量轻,相较于传统降噪方法,主动降噪系统对于使用的场景和场合没有太多的限制。
    在这里插入图片描述

    发展历史

    主动降噪中使用的降噪算法基础理论是自适应滤波器,通过找到最优的权重参数来设计最优的自适应滤波器。受到早年计算机发展的限制,针对主动降噪都是使用模拟电子技术,由于模拟技术可变性较小,功能较为单一,电路复杂等不足等限制,主动降噪一直被认为是一种不可能完成的任务。1957年,由Howells提出的Adapt noise cancellation系统来消除信号的噪声。1965年, 最小均方根误差算法被使用于主动降噪的系统中,很多的学者和专家已经对于LMS算法的收敛能力和跟踪能力进行了广泛的评估与研究,有两个主要的参数会使得整个降噪系统的参数发生变化并且产生额外的均方误差。通常所使用的算法是最速梯度下降法,由于LMS算法使用的是固定步长来逐步靠近整个系统的最优系数,这样使得系统处理速度较慢,达到最优解的时间较长,不能及时的对噪声进行处理分析,所以只对频率比较低的噪声有必然的效果。对此,对于这个症结研究者提出了很多分支,比如VssLMS,FxLMS,NLMS等算法来解决LMS算法中间出现的一些问题。
    VssLMS是针对最小均方误差算法不足所推出的一种改进算法,通过对最小均方误差中的步长参数进行优化调整。根据所接收到的噪声和期望的残差大小,当残差越大的时候加大收敛步长,使得更快速的接近维纳解,当残差较小的时候,通过调小收敛步长,来避免超调的情况。这样相较于传统的最小均方误差能够更快的达到目标收敛值。在变步长滤波算法中,一开始会设置一个较大的步长值来快速收敛,到接近收敛的阶段会设置较小的步长来防止超调量的产生,这样能够迅速地跟踪目标信号,处理了传统算法中运算速度慢的问题。
    FxLMS同样也是对最小均方误差算法的一种改进算法,在扬声器和误差传感器组成的次级通道中引入一个模拟的次级通道模型,输入参考信号X(n)处理得到X’(n)信号,再使用X’(n)信号与误差信号进行对比,通过更新权值来修正LMS算法的权值,这样无论目标是频带多小多大都可以于实际的状况来进行调整从而顺应环境,且整个算法只有乘加运算对于嵌入式系统十分友好。通过与固定权重系数的最小均方误差算法进行比较,FxLMS在处理低频噪声方面具有非常显著的优势。
    NLMS也是一种最小均方误差的延伸方法,与普通的最小均方算法的区别也在于步长,NLMS中的收敛最优步长是一个时变的变量。输入信号按自身能量归一化,通常NLMS适用于回声消减,能够提升在噪声中语音信号的信噪比。
    当前研究的热点主要是集中在车内降噪、主动式耳机降噪、NVH降噪、工厂降噪等方向,对于主动降噪算法不断地进行改良,选取更合理的结构使得整个系统更加简单易用。国内主要的研究机构主要有南京大学声学研究所,由中科院声学所建立的会听声学在国内的消费电子领域、军工领域也有所建树。国外的技术相对成熟,例如Bose,Sony,Sennheiser等国际知名大厂,都有大量的成熟产品。

    挑战与机遇

    对于一个实际的应用场合,主动降噪系统能否取得一个良好的效果是受到几个因素的影响。第一,噪声的类型从控制的角度看,如果是单一的频率,系统更容易进行建模和控制,如果噪声的带宽较宽,那么系统的复杂程度就会更高,需要处理的速度就需要更快,控制系统不容易抵达最优化的稳定形态。第二,从噪声的个数来讲,如果噪声源较多且环境较为复杂,需要在空间上进行模拟就困难许多,次级声道的模拟需要和实际情况越相似越好以达到理论上的控制效果。第三,获得的参考信号的质量,当获得了纯净没有噪声污染的参考信号时就可以构建一个理论完美的前馈控制器。第四,硬件系统的计算速度和采样速度决定了整个系统运行的快慢,整个系统需要满足实时性、准确性的要求。经过长期的研究,人们认识到从根本上解决噪声,从噪声产生的根源和原理上进行分析来进行主动降噪的研究是一个积极主动的发展方向。
    由于国外对于技术保护的十分到位,目前拥有主动降噪专利技术的只有BOSE、AMS、CSR、Sony等巨头公司,但都只是销售降噪模组和芯片,对于技术保密程度非常之高,后来者都有较大的差距。另一方面,由于主动降噪需要使用自带的扬声器播放降噪信号,势必会对音质造成影响,系统的超调也会消除部分本不该消除的信号,导致声音的解析度不够好,对于追求音质的人来说,降噪技术还有待进一步的发展。
    对于未来的降噪技术,因为近年来计算机性能的突飞猛进,以及5G技术的推广,建立在云端的环境模型可以减轻本地的模型运算,可使用主流的机器学习的方法构建合理的模型且可以达到实时性的要求,通过预测可能会产生的有规律的噪声提前进行处理,再通过主动自适应系统匹配各类的应用场景。针对不同频率段的噪声利用不同的主动降噪算法,通过订制专属的调试,也可对特殊的场合建立精确的模型,系统将朝着小型化,智能化,节能化,低成本的方向进行发展,总之随着计算机和通信技术的时时的进步,带给主动降噪技术的机遇会越来越多,降噪的效果会越来越好,使用的场景也会越来越广泛,降噪产品将能够以更加亲民的价格来给人们带来便利。

    结论

    在主动降噪算法中,LMS算法是常见主动降噪系统的根本,由于其复杂度相对较小,实时性较好,容易使用硬件实现效果。但是由于最小均方误差算法本身固有的一些参数,使得其在日常的使用中存在一些困难。通过降噪算法的改进,出现了许多针对主动降噪进行优化的改进算法,使得主动降噪的应用场合更为广泛。主动降噪通过与传统的被动降噪的优点相结合消除高频和低频的大部分噪声,人们将会在未来逐渐摆脱噪声对于人们生产和生活的影响。

    Copyright © 2020 by RichardYang. All rights reserved.
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空空如也

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噪声的控制方法