空间自适应有源噪声控制技术

　　随着社会工业化的迅速发展,噪声污染状况日益严重。而传统的无源降噪措施都存在着对低频噪声无能为力的缺点,因此,对低频噪声控制技术研究的迫切性日益突出。噪声的有源控制方法便是在这种要求下应运而生的。

　　有源噪声控制ANC (Active Noise Control)是指人为地、有目的地产生次级声信号去控制原有噪声的概念和方法[1]。这一基本思想最早是由德国人P1Lueg以专利[2]的形式提出的,以管道声场为例,其基本原理如图1所示。在管道上游布置的前置传声器拾取噪声信号,经电信号处理馈给管道下游的次级声源,调整次级声源的输出使得在下游与原噪声信号相位相反而实现/静区0的目的。整个控制过程的依据是电信号处理速度远远大于声传播的速度,电信号处理过程可以实现十分精确的反相位声压的控制。上述分析思想基本上是正确的,但忽略了实际应用过程中的一个重要技术问题:次级声源在向下游声辐射的同时也向上游传播,被上游传声器所接收,这样就形成了声-电-声的闭合回路,引起消声系统出现/自激现象0,即声反馈(Acoustic Feedback)过程,它的存在一度制约着ANC技术的发展[3]。

　　1953年,美国RCA研究所的Olsen运用古典控制理论,又重新提出ANC控制的基本原理[4],他创造性地将声反馈过程同控制系统中的反馈过程有机地结合起来,给出了一种与P1Lueg控制思想完全不同的反馈控制结构。Olsen的ANC装置是在对声场信息未知的情况下(即无需前置传声器)来实现有源消声控制过程,他运用负反馈控制方法设计了有源消声装置(如图2所示)。

　　时至今日,有源噪声控制大都沿用以上两种基本思想,相应地分为:前馈控制与反馈控制。采用反馈控制结构,无需获得待抵消噪声的先验知识,并且将声反馈环节作为整个ANC系统的一部分加以控制,从而更符合实际声场状况。

　　1 系统结构与方案设计

　　近几年发展起来的自适应有源消声AANC(Adaptive Active Noise Cancellation)方法,控制器能够自动地调节次级声信号,跟踪噪声源及环境参数的变化,从而确保次级声信号有效地抵消噪声信号,提高了消声效果。所以现今的三维空间有源消声几乎全部采用自适应有源消声技术。模型参考自适应系统(MRAS)是一类比较成熟和完善的自适应系统,具有响应速度快,控制规律丰富等许多优点。图3采用模型参考自适应系统,设计反馈控制结构(FBCS)的AANC装置。

　　从本质上来说, ANC是一个典型的状态观测问题,所以应采用模型参考自适应状态观测器结构(图4)来实现消声。其中广义误差e是“电子”控制子系统中的电信号误差,被控对象是空间噪声源,人为给出一个可调模型,通过调节模型的参数,使得模型输出接近被控对象,即实现原噪声的“镜像”。