基于DSP的自适应管道有源消声器设计与实现

　　减少噪声最根本的方法是消除噪声源,但由于受技术和条件的限制,做到这一点往往比较困难,因而只能从噪声的传播途径上入手。传统方法是无源消声,又称噪声被动控制(passive noise control),如隔声、吸声、抗式消声等,它们一般体积较大,对低频噪声不易获得好的效果;有源消声,又称噪声主动控制(ANC,active noise control)是利用声波干涉原理,利用附加声源,产生一个与噪声幅值相同,相位相反的声波,两列声波在空间相叠加,达到消声目的。由于有源消声可对低频噪声取得较好的效果,而且体积小、重量轻,使得ANC极具广阔的市场前景,国内外对ANC技术进行了广泛的研究,在国外有源消声耳罩已成为商业化的产品。尽管管道消声研究得较早,由于管道和噪声的复杂性,实际应用的管道ANC系统并不多见[1],在国内还未见报道。本设计针对实际的风机、管道系统,以TI公司的数字信号处理(DSP)芯片TMS320C30为核心,以TI公司的AD7874和AD7245分别为A/D和D/A转换器及其他辅助芯片和电路构建ANC控制器,控制算法应用自适应Filter-U递归LMS算法,对风机、管道系统进行ANC实验,结果证实系统的设计是成功的。

　　1　管道有源消声的结构设计

　　管道有源消声的方法对低频(声波导管的截止频率以下)噪声可以取得较好的降噪效果,而对高频管道噪声较难取得好的降噪效果;无源消声的方法恰恰相反,对高频较容易取得好的降噪效果,对低频噪声取得好的降噪效果较为困难。实际的管道噪声往往含有低频和高频的成分,理想的办法是同时使用无源和有源消声方法。图1为设计的管道有源消声器结构,系统由参考信号传感器(传声器)、误差信号传感器(传声器)、管道(钢管)、扬声器和控制器组成,消声器与被消声管道采用法兰连接。消声器管内壁所附吸声材料可有效消减高频噪声,有源消声主要对低频噪声起作用。控制器根据参考信号和误差信号,对控制器的参数进行调整,控制器的控制目标为误差信号均方最小。

　　2　控制器的设计

　　由于实际噪声和环境参数的时变性,如噪声频率和幅值的变化、环境温度及管道中气体流量流速的变化等,为获得好的消声效果,自适应控制算法应用得最为广泛。自适应算法一般都有较大的计算量,普通单片机(如MCS-51、96系列等)难以实现实时控制,数字信号处理芯片成为必然的选择。TMS320C30为TI公司TMS320系列DSP芯片的一种,也是在国内应用较为成熟的,该芯片可实现每秒3 300万次浮点运算,而且有适合自适应运算的循环寻址方式[2],可以实时实现一般的自适应控制算法。图2为控制器组成框图。

　　其中AD7874为TI公司12位A/D转换器,每片A/D有4路模拟输入,总采样率为100 kS/s;AD7425为TI公司12位电压型D/A转换器,电压建立时间为10μs。抗混滤波器和重构滤波器为同参数模拟低通滤波器,截止频率为1 000 Hz。