舱室有源噪声控制系统中电声器件对降噪效果的影响

舱室有源噪声控制系统中电声器件对降噪效果的影响

代海

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摘　要：有源噪声控制(Active Noise Control，ANC)系统中，次级声源和误差传声器是其核心组成部件，是对降噪效果有直接影响的电声器件。本文对有源噪声控制系统中不同数量和位置的误差传声器和次级声源的降噪效果进行了测试与分析。结果表明，次级声源和误差传声器的布放应结合背景声场特性，数量越多对空间的噪声控制效果越好。

关键词：有源噪声控制；误差传声器；次级声源；空间降噪；电声器件

1引言

传统的噪声控制技术主要以研究噪声的声学控制方法为主，主要技术手段包括吸声处理、隔声处理、使用消声器、振动隔离、阻尼减震等。这些技术手段的机理是通过噪声声波和声学材料或声学结构的相互作用消耗声能，从而达到降低噪声的目的，属于无源噪声控制（Passive Noise Control，PNC）技术。一般来说，无源噪声控制对中高频噪声较为有效，而对低频噪声效果不大。因此近年来，有源噪声控制[1]（Active Noise Control，ANC）技术发展十分迅速。

ANC是根据声波的相消性干涉原理[2]，通过抵消声源（次级声源）产生与被抵消声源（初级声源）的声波幅度相等、相位相反的辐射声波，使其相互抵消，从而达到降低噪声的目的。该技术相对于传统的PNC技术而言，低频降噪效果明显，它能够在没有其它任何声学措施的情况下仍然能产生降噪效果。目前，几乎所有的ANC系统均采用自适应控制方式[3]，也就是依据误差传感器输出的监测信号经控制器自动调节次级声源强度达到预期的控制目标。从ANC技术的使用的空间范围来看，有管道噪声控制、局部小空间噪声控制、舱室噪声控制和自由空间噪声控制几类。

2系统原理

2.1系统组成

ANC系统包括两部分：有源控制器和电声器件部分。有源控制器可以实现多通道、自适应控制，它包括信号处理器及其外围电路。电声部分主要包括次级源（电声器件、扬声器）、参考传感器和误差传声器。目前大多数控制系统均采用数字式、自适应控制方式。这种方式可以适应复杂的声场环境，具有更广泛的实用领域。

2.2  系统工作原理

ANC系统的工作过程如下：噪声源发出初始信号，噪声源附近的参考传声器接收到初始信号后并拾取，作为算法控制器的参考输入x(n)，算法控制器在内部算法控制下输出信号y(n)，即次级信号，再经过功率放大器驱动次级声源。初级声源产生的声波形成初级声场，次级声源产生的声场形成了次级声场，误差传感器接收到初级声场和次级声场的信号，信号叠加后形成误差信号e(n)。再将误差信号 e(n)输入到有源控制器中，自适应算法根据预先设定的控制目标调整控制器的权系数，从而改变 y(n)的幅度和相位，使得误差信号 e(n)越来越小。这样的控制过程周而复始，一直到满足误差信号 e(n)最小，即误差信号 e(n)的声压级最小。

ANC成功提出并应用后，人们将其应用到各种实践中，通过分析自适应算法的一些性能来改善系统，使其更加适应于实践应用。关于谐波激励下的自适应有源控制一直是人们研究的重点之一。在有源噪声控制技术中，滤波-x LMS（FxLMS）算法因实现简单、运算量小，是最常用的ANC算法，并在工程领域取得了一定应用。

3实验及结果分析

3.1实验环境

试验在舱室模型内进行，模型长5.6m，宽2.4m，高2.75m，水平放置在空旷的厂房地面。为了更贴近实际噪声特性，使用6个大功率扬声器放置在外两侧，使用计算机播放录制的真实噪声，经8通道声卡输出到调音台，再输出给每个扬声器对应的功率放大器。最后功放驱动每个扬声器模拟噪声场。

将舱内控制区域建立三维坐标系，以尾部(舱室右上角)为原点，测量区域在X、Y、Z轴上分布，前后方向为Y轴，测量时传感器高度固定，即Z=0.95m，是人坐姿时人耳位置。需测量面积较大，B&K3560采集前端可承受传感器数量有限，因此在舱室内地面上标记均匀的X、Y坐标，每次测量完成后在Y轴方向均匀移动支架，支架与X轴方向保持平行。同组实验测量前后的系统设置和初级声场不变，以保证测量的准确性。

3.2 结果分析

分别采用4和12通道误差传声器和次级源，初级声场采用100Hz的噪声。实验结束后，使用MATLAB分析软件处理记录的数据，得到控制前后的降噪量如图1和图2所示，其中×表示传声器，实心·表示扬声器，右侧色表颜色值对应左侧声压级大小，单位dB。图中以舱室坐标画出降噪效果图，颜色越深表示降噪量越大。

图1 4通道系统降噪量云图

图2 12通道系统降噪量云图

由图1和图2对比可得，在误差传声器和次级源增多的情况下，降噪效果明显增强，其次误差传声器和次级源的数量对控制效果有直接影响，数量越多控制效果和控制面积越大。

在图中模型的舱室头部位置，即图中坐标y在200cm-350cm区域的降噪效果在通道数增多的情况下依旧表现一般，此区域没有布置任何误差传声器和次级源，实验证明，在背景声场完全一致的情况下，误差传声器和次级源的位置布放，对控制效果也有明显的影响。需要降噪的区域必须布置误差传声器和次级源。

其次由图2可知，布放次级声源的地方降噪效果明显低于布放误差传声器位置的降噪效果。这是由于ANC系统是以误差传声器接收到的误差信号作为误差计算目标进行自适应迭代。因此可理解为系统自适应的目标是为了让误差传声器的周围产生更好的降噪效果。

4总结

在舱室内使用ANC系统具有良好的收敛特性和降噪效果。在实际需要的降噪区域内必须布放一定数量的误差传声器和次级源，布放的紧密程度直接影响控制效果，同区域下布放数量越多降噪效果越好。同频域下，初级声源的声压级越高，降噪量越大，降噪效果越明显。

参考文献

[1] 宫赤坤, 仇立选, 单世宝. 多通道自适应有源噪声控制研究. 噪声与振动控制, 2008, 33(1): 33-35.

[2] 陈克安, 马远良. 自适应有源消声与滤波-X LMS算法及实现[J]. 应用声学, 1993, 7(3):26-30

[3] 孙利峰. 多通道有源噪声控制快速算法及实现. 西北工业大学硕士学位论文, 2007.