实际通风管道噪声主动控制系统及其实现

　　噪声作为主要的环境污染之一,它的危害性越来越受到人们的重视,对潜艇而言,由于工作、生活条件的特殊性,住舱通风管道噪声严重困扰着艇员,影响战斗力的发挥.管道噪声成为潜艇亟待解决的问题之一.减少噪声的传统方法是无源消声,又称被动噪声控制(passive noise control),如隔声、吸声、抗式消声等.这种方法对高频噪声效果明显,但对低频噪声不易取得好的效果.有源消声又称主动噪声控制(active noise control, ANC)是利用声波的相干原理,控制附加声源(次级声源),使其产生与噪声幅值相同、相位相反的声波,二列波相干,达到消声的目的.主动噪声控制能有效地控制低频噪声,而且设备小,更新方便.对于通风管道,噪声主动控制的方法还具有不产生流量损失的优点.

　　管道噪声主动控制的研究已进行了许多年,但应用于实际通风管道的例子并不多见,文献[1]列出了世界上1000个噪声主动控制实际应用实例,其中部分是通风管道的例子.在国内对管道噪声主动控制的研究主要是理论和实验验证方面,应用于实际通风管道的系统鲜见报道.在噪声环境中,噪声声波的幅值、相位都会随时发生变化,因而要求主动噪声控制器必须是自适应和实时的,自适应滤波技术和数字信号处理(DSP)芯片在噪声主动控制中获得广泛应用.

　　由于自适应控制算法的计算量较大,用普通的单片机(如MCS-51、96系列等)难以实现实时控制,数字信号处理(DSP)芯片成为必然的选择.本文采用反馈FXLMS自适应算法,用TI公司的TMS320C30芯片作为控制器,并用TI公司的AD7874和AD7245分别作为模数和数模转换器,组成实时的噪声主动控制系统,应用于实际的通风管路噪声主动控制,效果良好.

　　1　反馈FXLMS自适应控制算法

　　1.1　反馈ANC系统组成

　　在自适应噪声主动控制中有两种结构:一种是前馈ANC系统,如图1(a)所示为单通道前馈ANC系统,由一个参考信号传感器、一个误差信号传感器、一个扬声器(次级声源)和自适应控制器组成;另一种是反馈ANC系统,如图1(b)所示为单通道反馈ANC系统,由一个误差传感器、一个扬声器(次级声源)和自适应控制器组成.对单通道ANC而言,前馈ANC系统需要二个传感器(参考和误差传感器),反馈ANC系统仅需要一个传感器(误差传感器),而且在控制器设计时不需考虑声反馈问题[2],还可减小设备的尺寸.

　　1.2　反馈ANC FXLMS自适应算法

　　在噪声主动控制中经常使用的自适应算法是一种叫做filtered-XLMS的算法,最早是在前馈自适应主动控制中提出的[3,4],由于其较为简单,计算量较小便于实时控制,使得FXLMS算法在ANC中得到了广泛的应用.图2为反馈ANC FXLMS自适应算法结构框图.其中d(n) (z变换为D(z))为噪声信号;e(n)(z变换为E(z))为误差传感器信号;y(n)(z变换为Y(z))为控制器输出信号;d∧(n)(z变换为D∧(z))为控制器重构噪声d(n)信号;x(n)(z变换为X(z))相当于FXLMS算法中的参考信号,等于d∧(n);x*(n)(z变换为X*(z))为x(n)经S∧(z)滤波后信号;S(z)噪声抵消通道传递函数;S∧(z)为S(z)的自适应估计;w(n)(z变换为W(z))为自适应滤波器冲激响应,自适应权值调整算法为LMS算法,控制目标是使均方误差(MSE)最小.