【導(dǎo)讀】所有的聲音均是由一系列不同頻率的聲信號混合而成，如果可以人為地生成一種聲音，其頻率與所要消除的噪聲完全一樣，只是相位與之相反就可以將這噪聲完全抵消掉。主動噪聲控制(ANC) 就是在設(shè)備中加入了對噪聲分析的電路，并通過控制器快速運(yùn)算分析，產(chǎn)生可以抵消外界噪聲的人為聲信號，通過揚(yáng)聲器將相反相位的信號播放后抵消目標(biāo)噪聲。
0 引言
所有的聲音均是由一系列不同頻率的聲信號混合而成，如果可以人為地生成一種聲音，其頻率與所要消除的噪聲完全一樣，只是相位與之相反就可以將這噪聲完全抵消掉。主動噪聲控制(ANC) 就是在設(shè)備中加入了對噪聲分析的電路，并通過控制器快速運(yùn)算分析，產(chǎn)生可以抵消外界噪聲的人為聲信號，通過揚(yáng)聲器將相反相位的信號播放后抵消目標(biāo)噪聲。ANC 可用于多種應(yīng)用，包括個人聽力設(shè)備[1-2]，管道和室內(nèi)聲學(xué)增強(qiáng)，發(fā)動機(jī)排氣噪聲抑制以及改善車輛外殼風(fēng)噪，飛機(jī)艙和振動機(jī)器中的聲學(xué)[3-4]。隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，大部分工業(yè)設(shè)備的功率越來越大，轉(zhuǎn)速越來越快，噪聲危害也日益突出。噪聲不僅影響產(chǎn)品質(zhì)量、操作精度、縮短產(chǎn)品壽命、危及安全性，且污染環(huán)境、影響人生健康。因此，掌握噪聲控制技術(shù)是工業(yè)發(fā)展面臨的重大課題。
在實(shí)際研究應(yīng)用中，濾波x 最小均方算法(filteredx LMS, FxLMS)[5] 結(jié)構(gòu)簡單、算法穩(wěn)定，所以FxLMS算法在ANC 控制器中使用最為廣泛；還有改進(jìn)而成的歸一化LMS[6]，其穩(wěn)態(tài)誤差可以降低到很小，但是收斂速度會受到很大影響；基于Sigmoid 函數(shù)的SVSLMS[7]算法也被廣泛應(yīng)用，其收斂速度較快但是穩(wěn)態(tài)誤差又達(dá)不到要求。此類變步長控制算法[8-11] 的主要問題在于算法中收斂步長多數(shù)是反饋誤差信號的函數(shù)。經(jīng)濾波器迭代計算后，該信號收斂不為零，會致使系統(tǒng)出現(xiàn)非零失調(diào)問題，則容易導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的誤差仍然較大，且不再收斂。因此通過構(gòu)建前饋信號的相關(guān)函數(shù)為參考的變步長主動噪聲控制系統(tǒng)，來提高低頻噪聲降噪效果成為了可行的方向。
在自由場中，單通道主動噪聲控制系統(tǒng)產(chǎn)生的“消音區(qū)”的直徑約為控制聲波波長的1/10[12]，也就是說常規(guī)單通道主動控制系統(tǒng)的有效范圍只有直徑二三十厘米，這對于實(shí)際應(yīng)用來說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此大區(qū)域噪聲主動控制需要使用多通道控制算法來實(shí)現(xiàn)[13-17]，為此本文提出一種基于可變步長的多通道主動控制算法，并利用仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性。
1 控制算法
1.1 可變步長
當(dāng)采用定收斂步長時，系統(tǒng)的收斂精度和收斂時間呈現(xiàn)出對立的情況，即收斂步長設(shè)置較小時，收斂精度更高，但是收斂時間卻大大延長；反之，收斂步長設(shè)置較大時，收斂時間減小，但是收斂精度大為降低。因此，
為了消除定收斂步長FxLMS 的局限性，考慮采用可變收斂步長FxLMS 算法。
基于Sigmiod 函數(shù)的可變收斂步長算法(SVSLMS) 中
由式(1) 知，可變收斂步長μ(n) 是e(n) 的Sigmiod函數(shù)。初始收斂時，誤差較大則收斂因子取值也較大；隨著誤差的逐漸變小，則收斂因子取值也隨之變小。從而同時滿足了自適應(yīng)濾波的準(zhǔn)則：較快的收斂速度、跟蹤速度以及較小的穩(wěn)態(tài)誤差。但此式計算時較為繁瑣，同時誤差e(n) 在0 附近的穩(wěn)定性不夠理想，易引起非零失調(diào)。歸一化LMS 算法中可變步長用參考輸入信號的功率值進(jìn)行歸一化處理，從而得到與參考輸入信號功率有關(guān)的可變收斂步長μ。可變收斂因子函數(shù)表示為：
由于x(n) 的歐式平方范數(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，且參考輸入信號只取當(dāng)前瞬時值，x(n) 的歐式平方范數(shù)即等于x(n) 的絕對值平方，即改進(jìn)為：
其中，|x(n)|2 是第n 次迭代中的瞬時參考輸入信號的平方值。由式(1)、式(3) 可知，將可變收斂因子的計算中由原求解輸入向量的自相關(guān)矩陣的運(yùn)算，變換為標(biāo)量的平方值運(yùn)算，可提高收斂性，故令：
為改善非零失調(diào)的問題，將可變步長的輸入信號改為系統(tǒng)參考信號的變化量，可得
1.2 多通道可變步長
MIMO 濾波-x LMS 算法是應(yīng)用最為廣泛的噪聲控制算法，系統(tǒng)框圖如圖1 所示。設(shè)系統(tǒng)中有I 個參考傳感器，J 個次級揚(yáng)聲器，K 個誤差傳感器。IJ 個自適應(yīng)濾波器采用橫向?yàn)V波器，其長度為L，濾波器權(quán)系數(shù)采用矢量形式統(tǒng)一表示為W(z)。Hp(z) 代表IK 個初級通路的傳遞函數(shù)，Hs(z) 代表JK 個次級通路的傳遞函數(shù)，Hs`(z) 是次級通路傳遞函數(shù)的估計值。初級通路和次級通路等效為FIR 濾波器，假設(shè)其長度分別為Lp 和Ls。
設(shè)xi(n) 為第i 個參考傳感器在第n 時刻的輸入信號，稱為第i 個參考信號，即為xi(n)=[xi(n), xi(n-1),…,xi(n-L+1)]T；yj(n) 為第j 個控制器在第n 時刻的輸出信號， 表示為y(n) = [y1(n), y2(n),…, yJ(n)]T；dk(n) 為第k 個誤差傳感器處第n 時刻的期望信號，表示為d(n) = [d1(n), d2(n),…, dK(n)]T；ek(n) 為該處第n 時刻的誤差項(xiàng)信號表示為e(n) = [e1(n), e2(n),…, eK(n)]T。
則第j 個揚(yáng)聲器的輸出信號即為sj(n) = yj(n)×Hs(n)。誤差信號矢量可寫成
式中：Hs(n) 為K×J 階次級通路脈沖響應(yīng)矩陣，第(k，j)元素為hskj(n)；r(n) 為J×KLs 階濾波 -x 信號矩陣，其(j，k) 元素為
設(shè)多通道自適應(yīng)主動控制系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)為
與常用FxLMS 算法類似，利用最陡下降法原理，可以推導(dǎo)出控制器權(quán)系數(shù)迭代公式為
w(n +1) = w(n)−2μr(n)e(n) （10）
整個算法表達(dá)式總結(jié)如式(11)~(13) 所示
第k 個誤差傳感器接收到的信號為
第i 個參考傳感器至第j 個控制器的權(quán)系數(shù)迭代公式
式中
其中μ 為收斂步長，可由式(5) 得到。則此算法命名為可變步長多通道濾波x 最小均方算法(VM-FxLMS)。
2 仿真實(shí)驗(yàn)
2.1 單通道算法性能
在MATLAB 中建立ANC 系統(tǒng)模型，信號模擬排風(fēng)扇噪聲。風(fēng)扇噪聲由旋轉(zhuǎn)噪聲和絮流噪聲組成，旋轉(zhuǎn)噪聲用正弦信號代表，頻率為500 Hz 左右，絮流噪聲用白噪聲代表，截至頻率為4 kHz。在系統(tǒng)中加入低通濾波器，將高于4 kHz 的噪聲濾除。
下面將分別使用FxLMS 算法、歸一化NLMS 算法、SVSLMS 算法和本文提出的單VM-FxLMS 算法針對此模擬噪聲進(jìn)行測試對比。三種算法初始收斂步長μ 均設(shè)為0.01。仿真測試結(jié)果如圖2 所示。
初始收斂狀態(tài)時，從圖2 a) 和b) 可看出，可變步長算法的收斂速度比定步長算法有著明顯優(yōu)勢。本文提出的單VM-FxLMS 算法的收斂速度很快，且在其他算法趨于穩(wěn)定時本算法還能夠進(jìn)一步收斂。在穩(wěn)態(tài)階段，從圖2 c) 中可看出，單VM-FxLMS 算法穩(wěn)態(tài)誤差最低，且平穩(wěn)無明顯波動。從此仿真結(jié)果可看出，本文所提出的算法優(yōu)于傳統(tǒng)的定步長FxLMS 算法和一些其他的變步長算法。
2.2 多通道區(qū)域降噪實(shí)現(xiàn)
在MATLAB 中模擬4 m×4 m 大小的區(qū)域，在區(qū)域內(nèi)設(shè)置多個噪聲源，噪聲成分同2.1 節(jié)所設(shè)噪聲源且增加更多的干擾。初始收斂步長μ 均設(shè)為0.01，多通道ANC 系統(tǒng)設(shè)置為16 通道。在此區(qū)域降噪前和降噪后的噪聲仿真圖如圖3 所示。
如圖3 a) 所示，此區(qū)域中平均噪聲約為50 dB，最高點(diǎn)噪聲約為60 dB。降噪后的仿真圖如圖3 b) 所示，除個別點(diǎn)之外，整個區(qū)域的噪聲有非常明顯的降低，平均剩余噪聲約為25 dB。降噪后相比于降噪前，噪聲降低了約25 dB，個別區(qū)域是有噪聲升高的現(xiàn)象。此仿真實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的多通道ANC 系統(tǒng)對區(qū)域降噪具有非常好的控制些效果。
3 結(jié)語
本文提出的基于可變步長的多通道噪聲主動控制方法以參考信號的變化量作為可變步長函數(shù)的輸入信號，能夠改善算法非零失調(diào)的狀況，對比于其他常用的控制算法，在收斂速度與收斂效果上有明顯優(yōu)勢。然后將可變步長算法擴(kuò)展至多通道主動控制算法，對于大區(qū)域的噪聲控制的仿真當(dāng)中，多通道ANC 系統(tǒng)表現(xiàn)出了非常好的降噪效果。同時，多通道ANC 系統(tǒng)的計算量是一個需要進(jìn)一步研究的重點(diǎn)，這也是未來研究工作的重點(diǎn)。
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