基于虚拟传感器有源噪声控制系统及实时实现

    1 引言

    传统的有源噪声控制系统利用声波叠加原理，通过次级声源产生一组与初级声波幅度相同相位相反的声波，在误差传感器附近形成一块静区。这种思想在某些场合并不适用，如发动机排气口附近、有腐蚀性气体的环境，不适合布放误差传感器，因此不能实现有效降噪；再如有源头靠系统，为在人头附近获得一个静区，误差传感器应靠近人头，这就造成了使用上的不便。为此，Elliott 和 Garcia 等在头靠系统中引入了虚拟传感器技术[1-3]，基本思想是：以原误差传感器位置为虚拟传感器位置，物理传感器移至离人头较远的位置，控制声源可在虚拟传感器周围产生静区， 而虚拟传感器并不会与人头相冲突。 上述研究中， 基于声场的空间相关性，假设物理传感器与虚拟传感器的初级声压相等，并根据预先测得的次级通道传递函数来预测虚拟传感器处的声压[4]。

    但这一假设在二者距离变远时不再成立， 从而造成噪声控制效果下降[5]。 在 Rafaely 等人的有源头靠系统中，用反馈控制器结构，研究了 100~400 Hz 宽带噪声的控制效果， 在虚拟传感器附近获得了 9.5 dB 的总体降噪量，而采用实际的物理传感器，则可以获得 19 dB的控制效果。 产生这一差别的重要原因在于虚拟传感器距离物理传感器较远，二者声压不再相等。针对这种情况，Roure 和 Albarrazin[6]提出了所谓远程传声器技术。该技术实际上是虚拟传感器技术的一种扩展， 利用从物理传感器到虚拟传感器之间的传递函数， 对虚拟传感器处的初级噪声进行估计， 进而获得该处的误差信号。该技术以增加算法的复杂度为代价，获得了更为精确的虚拟传感器声压信号，因而降噪效果得到提高。

    2 虚拟传感器模型

    为不引起混淆并与以前的研究对应[2-3]，在不使用虚拟传感器技术时，物理传感器称为误差传感器使用虚拟传感器技术时才称为物理传感器。 文献[6]中的远程传声器技术统称为虚拟传感器技术。

    虚拟传感器技术的噪声控制系统模型[7]如图 1 所示。 其中 ep（n）， y（n）分别为物理传感器处误差信号和次级声源的输出信号；Hp，Hv分别为次级源到物理传感器、次级源到虚拟传感器间的传递函数 Hp（z），Hv（z）的p（z），Hv（z）的时域模型；yp（n），y（n）分别是次级声源 y（n）通过H軗p，Hv后的信号；Hpv是从物理传感器到虚拟传感器之间的传递函数 Hpv（z）的时域模型；dp（n）是物理传感器处初级噪声信号的估计值；ev（n）是虚拟传感器处误差信号估计值。

    根据图 1 结构，物理传感器处的初级噪声信号的声压信号d軌p（n）可表示为