空间自适应有源降噪方法

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1995.05.011 第17卷第5期 北京科技大学学报 Vol.17 No.5 195年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct195 空间自适应有源降噪方法 钟延炯乐恺安军社 北京科技大学自动控制研究所，北京100083 摘要根据电力机车噪声的特点，建立了基于LMS算法的自适应有源降噪系统，设计了室内脉 冲响应测量系统，然后在此基础上对降噪系统进行数字仿真和实际声学实验·在仿真中，降噪量 可达到40dB,实际声学实验中，机车降噪量可达到15dB. 关健词自适应滤波，脉冲响应/有源降噪，相关辨识 中图分类号TB533.2 Adaptive Active Noise Control in Space Zhong Yanjong Yue Kai An Junshe Institute of Automation Control,USTB,Beijing 100083.PRC ABSTRACT An adaptive active noise control system based on LMS algorithm is set up.A measure system of impulse response in the room is designed according to the character of the noise in the motor driver cabin.In the adaptive active noise con- trol system,the noise attenuation of the digital simulation is 40dB and the noise attenuation of the actual acoustic experiment is about 15 dB. KEY WORDS adaptive filter,impulse response/active noise control,correlation identification 管道有源降噪是属于一维空间内的问题2，现在，各方面的研究都已日趋完善和成 熟.相比而言，三维空间的有源降噪问题要复杂得多.目前人们的研究还主要集中在理论的 探索和方法的设计上，而在实际应用和工程实现方面，做的工作还很少·本文对电力机车驾 驶室的局部空间区域的噪声，进行了面向实际应用的自适应有源降噪方法的研究· 1 空间自适应有源降噪系统 空间自适应有源降噪系统的框图如图1所示·图中，S是空间的一个噪声源，m,是信号 传声器，Y,~Y是自适应滤波器的输出（滤波器是基于LMS算法的横向结构FR), S,~S是L个用作次级声源的扬声器，m1~mm是m个置于待消声区域的误差传声器· 系统的工作原理是：首先由m,拾取到源噪声信号S(S=[sn),sn一1)，，sn-N+I), 1994-12-01收稿 第一作者男57岁教授

第 17 卷 第 5 期 北 京 科 技 大 学 学 报 1望巧 年 10月 oJ um a l o f U n i v e sr iyt o f S Q e n ce a n d eT hc n o of g y eB ij l n g V川 . 17 N 6 . 5 《人土 1望巧 空 间 自适应有源 降噪方法 钟延炯 乐 恺 安 军社 北京科技大学 自动控制研究所 , 北京 1〕 】粥 3 摘要 根据电力机车噪声的特点 , 建立了 基于 L M S 算法 的 自适应有源降噪系统 , 设计 了 室 内脉 冲 响应测量系统 , 然后在此基础上 对降噪系统进行数字仿真和 实际 声学 实验 . 在仿真 中 , 降噪量 可 达到 40 dB , 实际 声学实验中 , 机车降噪量可 达到 巧 dB . 关键 词 自适应滤波 , 脉冲响应 /有源 降噪 , 相关辨识 中图分类号 T B 53 .2 A d a P t ive 八￡ tive N b is e C o nt or l i n S aP ce hZ on g aY nj on g uY e 肋1 A n uJ ns h e I n s t i t u t e o f A u t o am t i o n C o n t or l , U S T B , B e i j i n g 10 0 0 8 3 , P R C A B S T R A C T A n a d a P t i v e a c t i v e n o i s e co n t r o l s y s t e m b a s e d o n L M S a l g o r it h m 1 5 s e t u P . A me a s u r e s y s t e m o f im P u l s e res P o n s e i n t h e or o m 1 5 d es i g n e d a co dr i n g t o t h e c h a r a c t e r o f t h e n o i s e i n t h e om t o r d r i v e r ca b i n . I n t h e a d a P t i v e a ct i v e n o i s e co n - t r o l s y s t e m , t h e n o i s e a t t e n u a t i o n o f t h e d i g it a l s im u l a t i o n 1 5 4 0 d B a n d t h e n o i s e a t t e n u a t i o n o f t h e a e t u a l a co u s t i c e x P e r ime n t 1 5 a b o u t 1 5 d B . K E Y W O R D S a d a P t i v e if l t e r , im P u l s e esr P o n s e / a e t i v e n o i s e co n t or l , co r r e l a t i o n id e n t iif e a t i o n 管道 有源 降 噪是 属于 一 维空 间 内的问题汇’ , 2 , 4 1 , 现在 , 各方 面 的研 究 都 已 日趋 完 善 和 成 熟 . 相 比而言 , 三维 空 间的有 源 降噪 问题要 复杂 得多 . 目前 人们 的研究 还主要集 中在理 论的 探索和方 法 的设计上 , 而 在实 际应 用和 工程 实现 方面 , 做 的工作 还很少 . 本文 对电力机 车驾 驶室 的局 部空 间区 域 的噪 声 , 进行 了 面向实 际应 用 的 自适应 有源 降噪方 法 的研究 . 1 空 间 自适应 有源降 噪系统 空 间 自适 应有 源 降噪 系统 的框 图如 图 1 所示 . 图 中 , S 是空 间 的一 个噪 声源 , 。 . 是信号 传 声 器 , y , 一 砚 是 自适 应 滤波 器 的输 出 (滤 波 器 是 基 于 L M S 算 法 的 横 向结 构 F IR 13] ) , S : 一 S : 是 L 个 用作 次级 声源 的扬 声器 , m Z , 一 m 、 是 m 个置于 待消 声 区域 的误 差 传 声 器 . 系 统的工 作原 理 是 : 首 先 由 m , 拾 取 到 源 噪 声信 号 S ( S = 【 s ()n , s( 。 一 l) , … , s (n 一 N + 1) 1 , 1卯4 一 12 一 0 1 收 稿 第一作者 男 57 岁 教 授 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1995. 05. 011

·456* 北京科技大学学报 1995年No.5 将信号S输人滤波器，经过作用后，其输出驱动S,~S,产生次级声，次级声场与源噪声场叠 加后得到误差信号，由误差传声器拾取后传送回计算机，计算机根据使误差信号的均方和为 最小的原则，调整滤波器的权系数以控制次级噪声，不断重复下去，最终达到在待消声区 域，误差信号的均方和为最小的目的 系统的算法推导过程山如下所述： Y,=WTS(i=1,2,…,L) e,=s(n)×h,(n)+∑Y:×hnn) i-1 W+)=W-μ·V p-rEea, ow 所以权系数的更新公式为： r"ew-2g.ea8, s(n)×hu(n) s(n-1)×hi(n) Su= Ls(n-N+1)×h m1q号厂 mi a e i 图1空间自适应有源降噪系统 2室内脉冲响应的测量 声音从一个声源点传播到接收点处的传声器的过程是一个动态的声学传播过程，称反映 这个过程的量为SM脉冲响应，SM脉冲响应在自适应有源消声系统中是一个很重要的物理 参数·本文采用伪随机相关法，设计了一套室内脉冲响应测量系统，这种方法与传统的脉冲 响应测量方法相比较，具有简单易行，测量快速准确以及强抗干扰性等优点，适合于实际应用

· 4 56 . 北 京 科 技 大 学 学 报 19 9 5 年 N o . 5 将信号 S 输人 滤 波器 , 经 过作用后 , 其输 出驱动 S , 一 又产生次级 声 , 次级声场与源噪声场叠 加后 得到 误差 信号 , 由误 差传声 器拾取 后传送 回 计算 机 , 计算机 根 据使误 差 信号 的均方 和为 最小 的原 则 , 调 整滤 波 器 的权系 数 以控 制 次 级 噪 声 . 不 断重 复下 去 , 最 终 达 到 在 待消 声 区 域 , 误差 信号 的均方 和 为最小 的 目的 . 系 统的算 法 推 导过 程 〔 ’ 】如下 所述 : Y ` = W了S ( i = l , 2 , … , 无) “ , 一 “ ( n ) x “ , ( n ) + 落 , Y“ ” 】`了 ( n ) 叫 ` + ` , = 叫 人 , 一 拜 · v 所 以 权系 数的更 新公 式 为: ” 【万 . “ :` ” ” 日w , w : “ + ” = w : “ ’ 一 2 。艺 e , ( n ) S ` , S ` , = s ( n ) x h , , , ( n ) s ( n 一 l ) x h l `了 ( n ) s ( n 一 N + l ) x h l : , 豆` 爪 男川 / O S ’ ” 引 _ - . , : 气二 , 川 点: 用 加 d 一 ` 卜 l 众 端嘴 . 朴 F ` 图 1 空间自适应有 源降噪系统 2 室 内脉冲响应 的测 量 声音 从一 个声 源 点传播 到接 收 点处的传 声器 的过程 是一 个动 态 的声学传 播过 程 , 称反 映 这个过程 的量 为 S M 脉 冲响应 . SM 脉冲 响应在 自适应有 源消 声 系统 中是一个 很 重 要 的物 理 参数 . 本 文采 用伪 随机相 关法 , 设 计 了一套 室 内脉 冲 响应 测量 系统 , 这种方 法 与传 统的脉冲 响应 测量方法相 比较 , 具有 简单易行 , 测量快速准确 以及强抗干扰性等优点 , 适合于实际应用

Vol,17 No.5 钟延炯：空间自适应有源降噪方法 .457. 在体积为6.0m×5.8m×3.0m的房间中建立了SM脉冲响应测量系统.在系统中，首先 由计算机产生符合要求的伪随机序列数据，驱动扬声器产生声源，由传声器拾取被测点处的 响应信号，输入给计算机，经过互相关计算后得到SM脉冲响应， 系统中根据以下原因： (1)由系统辩识原理：当系统的频宽小于伪随机信号的频宽3~10倍时，伪随机信号 可看作是白噪声， (2)所建立的SM脉冲响应测量系统的系统频宽低于500Hz (3)伪随机信号的频宽（△f)为：△∫=0.4336其中人是时钟频率. (4)一般房间的混响时间为1~2s. 选取=8.33kHz,伪随机码的长度为(2°-1)，重复发15组，这样，1个伪随机序列 的周期为15×(2-1)×10-/8.33/10-3=1.8s,从而符合房间中混响时间的要求. 图2为实际测得的一个SM脉冲响应， 2.4m 图2SM脉冲响应 3 仿真和声学试验结果 在仿真系统中，有2个次级声源和2个误差传声器，它们是对称放置的.系统的输人， 即源噪声，是在电力机车驾驶室实际测得的噪声，仿真中使用的SM脉冲响应是在实验室内 实际测得的，这里自适应滤波器的权系数个数为N=6.衰减因子取为μ=0.001. 图3是仿真系统中，噪声衰减的功率密度谱，其降噪量可达到40dB左右，从图中可以 看出，在0~250Hz的频域范围内，降噪量很大，也就是说、系统的低频降噪效果好， 4声学实验 在实验室内建立了单输人单输出(SSO)自适应有源降噪系统.系统中含有1个次级声 源和1个误差传声器.同时，1个扬声器(S1)发出500Hz的噪声做为待消的源噪声，另1

V 心1 . 17 N 0 . 5 钟延炯 : 空 间 自适应 有源 降噪方法 · 4 57 · 在体积为 6. 0 m x 5. 8 m x 3 . O m 的房 间中建 立 了 S M 脉 冲响应 测量 系 统 . 在 系统 中 , 首先 由计算机 产 生符合要求 的伪随机 序列 数据 , 驱 动扬 声器 产生 声源 , 由传声器 拾取 被测点 处的 响应 信号 , 输 人 给计算机 , 经过 互相 关计算 后得 到 SM 脉 冲响应 . 系统 中根 据 以 下 原 因 : ( l) 由系 统辩识原 理 : 当系 统 的频 宽小 于 伪 随机信 号 的频宽 3 一 10 倍 时 , 伪 随 机 信 号 可 看作 是 白噪声 . ( 2) 所建立 的 SM 脉 冲 响应测量 系 统 的系统 频宽 低于 s o H 乙 (3 ) 伪随机 信号 的频宽 (叮 ) 为 : △f = .0 4 3 夫 , 其中 天是 时 钟频率 . (4) 一般 房 间的混 响时 间为 1 一 25 . 选取 夫二 .8 3 kH z , 伪随机码 的 长度 为 (2 ’ ” 一 l) , 重 复发 巧 组 , 这 样 , 1 个 伪随机 序列 的周 期为 15 x (2 10 一 l) x 10 一勺.8 3 3 / 1-0 ’ = l 名 s , 从而符合房间 中混 响 时间 的要求 . 图 2 为实 际测得 的一 个 S M 脉冲 响应 . 已图 2 S M 脉冲响应 3 仿真和声学试验结果 在仿真 系统 中 , 有 2 个次 级声 源和 2 个误 差传声器 , 它 们 是 对 称 放 置 的 . 系 统 的输 人 , 即源噪 声 , 是在 电力 机 车驾 驶室 实 际测得 的 噪声 . 仿真 中使用 的 S M 脉 冲响应 是在 实验室 内 实际 测得 的 . 这 里 自适 应滤波 器 的权 系数 个数 为 N = 6 , 衰减 因 子 取 为 料二 .0 0 1 . 图 3 是仿 真 系统 中 , 噪声 衰减 的功 率密 度谱 , 其 降 噪量可 达到 40 d B 左 右 , 从图 中 可 以 看 出 , 在 0 一 2 50 H z 的频 域 范 围 内 , 降 噪量很 大 , 也就 是说 , 系统 的低 频 降噪效果 好 . 4 声学实验 在 实验室 内建 立 了单输 人单 输 出 (5 15 0 ) 自适 应有 源 降噪系 统 . 系统 中含有 1 个 次级 声 源 和 l 个误差传声器 . 同时 , 1 个 扬声 器 ( 5 1) 发 出 5 0 扭 的噪 声做 为待 消 的源 噪声 , 另 1

…458· 北京科技大学学报 1995年No.5 个扬声器(S2)由计算机控制产生次级噪声.信号传声器放置在源噪声附近，误差传声器距 源噪声(S1)102cm,距次级噪声(S2)64cm 20 10 10 30 40 AM AMMA 30 100150200250300350 40 500 频率/Hz 图3噪声衰减仿真的功率密度谱 在实验中，采用采自机车驾驶室内的轴流风机噪声作为一次噪声源，采样周期为0.1. 试验结果示于图4.噪声衰减AL值达到15dB.曲线1,2,3分别为运行初始阶段的不同信 号，曲线1'，2,3为相应各信号在系统运行稳定和最好阶段时的记录.曲线1和'采 自置于噪声源处的传声器，曲线2和2'来自误差传声器，曲线3和3是由计算机产生的 次级噪声信号，实验中自适应滤波器权系数向量维数N为12，衰减因子为0.001. wew wywi 图4轴流风机噪声衰减图 4结论 (1)在数字仿真中，对机车噪声的降噪量可达到40dB左右，证明了所建立的自适应有 源降噪系统的正确性和有效性， (下转493页)

· 4 58 . 北 京 科 技 大 学 学 报 19 9 5年 N o . 5 个扬 声 器 ( 5 2) 由计算机控 制产 生 次级 噪声 . 信号 传声 器放 置在 源噪 声附 近 , 误 差传声器距 源 噪声 (sl ) 102 a 刀 , 距 次级 噪 声 (s 2) 64 cm . 一 20 一 30 加100 一 ù旧毖t qP 一 40 频率 I H z 图 3 噪声衰减仿真 的功率密度谱 在 实验 中 , 采用采 自机 车驾驶室 内的轴流风机 噪声 作为 一次 噪声源 , 采样 周期 为 0 . 1 此 . 试验 结果 示 于 图 4 . 噪 声衰减 A L 值达 到 巧 d B . 曲线 1 , 2 , 3 分别为运 行初 始阶段 的不 同信 号 , 曲线 1 ` , ’2 , ’3 为相 应各信 号 在 系 统运 行 稳 定 和 最 好 阶 段 时 的 记 录 . 曲 线 1 和 1 ’ 采 自置 于噪 声 源处的传声器 , 曲线 2 和 2’ 来 自误 差 传声 器 , 曲 线 3 和 ’3 是 由计 算 机 产 生 的 次级噪声 信号 , 实验 中 自适应 滤 波器权 系数 向量 维数 N 为 12 , 衰减 因子 为 .0 0 1 . _ , , n 。 酒 _ 网 图 4 轴流风机噪声 衰减 图 4 结论 ( l) 在 数字 仿真 中 , 对 机车 噪声 的降 噪量可 达到 40 d B 左 右 , 证 明了 所建 立 的 自适 应 有 源 降噪系 统的正 确性 和有 效性 . (下 转 4 9 3 页 )

Vol.17 No.5 朱腾等：罗丹明6G的极谱行为 .493. Cd2+、Hg+、P+和Rb+与碘化钾和罗丹明类碱性染料缔合物吸附波的研究将有指导作用. 3结论 本文提出痕量锑的测定方法，线性范围在锑浓度为0.5~2000ng/ml.检出限为0.33ng/ml. 它是目前测定锑最灵敏的方法之一· 参考文献 1刘珍青，黎桃希.5-Br-PADAP光度法测定空气毛发尿样中微量锑.工业卫生与职业.1984.10(I片 38-41 2徐有宣，李南强.锑（Ⅲ）一桑色素极谱络合吸附波的研究，北京大学学报（自然科学版），192， 282):197~200 3刘绍朴，刘忠芳.碘化钾和罗丹明碱性染料缔合物光度法测定锑.分析化学，1982,108)：464~467 4张月霞，闫美占，桑色素及其与铟（Ⅲ）共存时的电极反应过程·分析化学，1991,19④)：386~388 5焦奎，高小霞.偶氮硝羧及钕-偶氮硝羧络合物吸附性质的研究.中国科学B辑，1986，上：34~35 6 Anson F.黄慰曾编译，电化学和电分析化学.北京：北京大学出版社，1983.75~76 7唐有棋.结晶化学.北京：高等教育出版社，1958.285~286 8 JoMoHOCOB C A.3Be3KHH M K.K Bolpocy 08 3xcTpaKuoo CroooGHoCTH TpiapHiMeTaHoBbX Kpacrenei.KAX,1969.24(7):1115 (上接458页) (2)在实际声学系统中，对机车噪声的降噪量可达到15dB,证明了降噪系统的实际可 行性· (3)用伪随机相关法测量声学系统的脉冲响应，具有测量时间短，结果准确以及抗背景 噪声能力强等优点，在数字仿真和声学实验中都采用了实际测量的脉冲响应，均达到很好的 效果· 参考文献 1刘春跃，自适应空间有源消声系统及其算法，噪声与振动控制，1989(3)：35~38 2 Ross C F.An Adaptive Digital Filter Broad Band Active Sound Control.JSV,1982,80(3):381~388 3 Rource A.Self-adaptive Broad Band Active Sound Control System.JSV,1985,10(3):429~441 4 Leventhall H G.Applications for Active Attenuation.Inter-noise,1990,90:1233~1238

V 6 1 . 7 N 1 o . 朱腾等 5 罗 丹 明 以〕 的 极谱行为 : 4 3 9 C d Z + 、 g H , + 、 dP , + 和 R b , 十 与 碘化钾 和 罗丹 明类碱 性 染料缔合物 吸附波 的研究 将有指导作用 . 3 结论 本文提出痕量锑的测定方法 , 线性范 围在锑浓度 为 0 . 5 一 2 o o ng 问 . 检 出限为 0 3 3 n g阿 . 它 是 目前 测定 锑最 灵敏 的方 法 之一 . 参 考 文 献 刘珍青 , 黎桃希 . 5 一 Br 一 P A D A P 光度法测定空 气毛 发尿样 中微量锑 . 工业 卫生 与 职 业 , 1984 , 1叩:) 38 一 4 1 徐有宣 , 李南强 . 锑 (班 ) 一桑 色素 极谱络 合 吸附 波的研 究 . 北 京大 学学 报 ( 自然 科 学 版) , 1卯2 , 圳2) : 197 一 2(幻 刘绍 朴 , 刘忠芳 . 碘化钾和 罗 丹明 碱性染料缔合物光度法测 定 锑 . 分析化学 , 198 2 , 1伏8) : 月翻 一 46 7 张月 霞 , 闰美 占 . 桑色素及其与 锢 ( 1 ) 共存时的 电极反 应过程 . 分析化学 , 1卯 1 , 19( 4l 386 一 38 焦奎 , 高小霞 . 偶氮硝梭及铰 一 偶 氮硝梭络 合物 吸 附性质 的研究 . 中国科学 B 辑 , 1986 , :l 抖 一 35 A I` o n F . 黄慰 曾编译 . 电化 学和 电分析化学 . 北京 : 北京大学 出版社 , 198 3 . 75 一 76 唐有棋 . 结晶 化学 . 北京 : 高等教育出版社 , 1958 . 28 5 一 286 几O M旧妇 oc 佣 C A, 3 s e 3 K明 M K . K OB I卿 X y o占 3 K叮 P a K u城” . 叉〕盛 C l鱿〕 co 反谈兄 T H T P班 P ” 月入记 Ta Ho a 、 ix K P a c H n , 祀盛 . 东 AX , 196 9 , 24 (乃: 川 5 ( 上接 4 5 8 页 ) ( 2) 在 实 际声学 系统 中 , 对机 车噪 声的 降噪 量可 达到 巧 d B , 证 明 了降 噪系 统 的实 际 可 行性 . ( 3) 用伪 随机相 关法 测量 声学 系统 的脉冲 响 应 , 具 有测 量 时间短 , 结果准确 以 及抗 背景 噪声 能力 强等 优 点 . 在 数 字仿真 和 声学 实验 中都 采用 了实 际测量 的脉冲 响应 , 均 达到很好的 效果 . 参 考 文 献 刘春跃 . 自适应空 间有源 消声 系统 及其算法 . 噪声 与振 动控制 , 1989 (3) : 35 一 38 R 拙 C F . A x l A d a Pt l ve 肠ig atl F ilte r B or ad R 川d A tC i ve oS nU d 伪 n 往D I . SJ V , 1982 , 狱3) : 38 1 一 388 R o ~ A . 女If 一 a da p it ve B or ad B泊n d A c t i记 os t l n d 助 n it D I S” t e m . SJ V , 198 5 , l仪:3) 4 29 一 4 1 l ￡记n t玩1 H G . AP p il ca iot ns of r A tC i* A tt e n au iot n . nI ter 一 on 配 , 19明〕 , 如: 1 23 3 一 12 38