可變步長的多通道主動噪聲控製算法分析
發布時間:2021-04-19 責任編輯:lina
【導讀】所suo有you的de聲sheng音yin均jun是shi由you一yi係xi列lie不bu同tong頻pin率lv的de聲sheng信xin號hao混hun合he而er成cheng,如ru果guo可ke以yi人ren為wei地di生sheng成cheng一yi種zhong聲sheng音yin,其qi頻pin率lv與yu所suo要yao消xiao除chu的de噪zao聲sheng完wan全quan一yi樣yang,隻zhi是shi相xiang位wei與yu之zhi相xiang反fan就jiu可ke以yi將jiang這zhe噪zao聲sheng完wan全quan抵di消xiao掉diao。主zhu動dong噪zao聲sheng控kong製zhi(ANC) 就(jiu)是(shi)在(zai)設(she)備(bei)中(zhong)加(jia)入(ru)了(le)對(dui)噪(zao)聲(sheng)分(fen)析(xi)的(de)電(dian)路(lu),並(bing)通(tong)過(guo)控(kong)製(zhi)器(qi)快(kuai)速(su)運(yun)算(suan)分(fen)析(xi),產(chan)生(sheng)可(ke)以(yi)抵(di)消(xiao)外(wai)界(jie)噪(zao)聲(sheng)的(de)人(ren)為(wei)聲(sheng)信(xin)號(hao),通(tong)過(guo)揚(yang)聲(sheng)器(qi)將(jiang)相(xiang)反(fan)相(xiang)位(wei)的(de)信(xin)號(hao)播(bo)放(fang)後(hou)抵(di)消(xiao)目(mu)標(biao)噪(zao)聲(sheng)。
0 引言
所suo有you的de聲sheng音yin均jun是shi由you一yi係xi列lie不bu同tong頻pin率lv的de聲sheng信xin號hao混hun合he而er成cheng,如ru果guo可ke以yi人ren為wei地di生sheng成cheng一yi種zhong聲sheng音yin,其qi頻pin率lv與yu所suo要yao消xiao除chu的de噪zao聲sheng完wan全quan一yi樣yang,隻zhi是shi相xiang位wei與yu之zhi相xiang反fan就jiu可ke以yi將jiang這zhe噪zao聲sheng完wan全quan抵di消xiao掉diao。主zhu動dong噪zao聲sheng控kong製zhi(ANC) 就(jiu)是(shi)在(zai)設(she)備(bei)中(zhong)加(jia)入(ru)了(le)對(dui)噪(zao)聲(sheng)分(fen)析(xi)的(de)電(dian)路(lu),並(bing)通(tong)過(guo)控(kong)製(zhi)器(qi)快(kuai)速(su)運(yun)算(suan)分(fen)析(xi),產(chan)生(sheng)可(ke)以(yi)抵(di)消(xiao)外(wai)界(jie)噪(zao)聲(sheng)的(de)人(ren)為(wei)聲(sheng)信(xin)號(hao),通(tong)過(guo)揚(yang)聲(sheng)器(qi)將(jiang)相(xiang)反(fan)相(xiang)位(wei)的(de)信(xin)號(hao)播(bo)放(fang)後(hou)抵(di)消(xiao)目(mu)標(biao)噪(zao)聲(sheng)。ANC 可用於多種應用,包括個人聽力設備[1-2],管道和室內聲學增強,發動機排氣噪聲抑製以及改善車輛外殼風噪,飛機艙和振動機器中的聲學[3-4]。隨著現代工業的飛速發展,大部分工業設備的功率越來越大,轉速越來越快,噪聲危害也日益突出。噪聲不僅影響產品質量、操作精度、縮短產品壽命、危及安全性,且汙染環境、影響人生健康。因此,掌握噪聲控製技術是工業發展麵臨的重大課題。
在實際研究應用中,濾波x 最小均方算法(filteredx LMS, FxLMS)[5] 結構簡單、算法穩定,所以FxLMS算法在ANC 控製器中使用最為廣泛;還有改進而成的歸一化LMS[6],其穩態誤差可以降低到很小,但是收斂速度會受到很大影響;基於Sigmoid 函數的SVSLMS[7]算法也被廣泛應用,其收斂速度較快但是穩態誤差又達不到要求。此類變步長控製算法[8-11] dezhuyaowentizaiyusuanfazhongshoulianbuchangduoshushifankuiwuchaxinhaodehanshu。jinglvboqidiedaijisuanhou,gaixinhaoshoulianbuweiling,huizhishixitongchuxianfeilingshitiaowenti,zerongyidaozhixitongjinruwentaihoudewucharengranjiaoda,qiebuzaishoulian。yincitongguogoujianqiankuixinhaodexiangguanhanshuweicankaodebianbuchangzhudongzaoshengkongzhixitong,laitigaodipinzaoshengjiangzaoxiaoguochengweilekexingdefangxiang。
在自由場中,單通道主動噪聲控製係統產生的“消音區”的直徑約為控製聲波波長的1/10[12],yejiushishuochangguidantongdaozhudongkongzhixitongdeyouxiaofanweizhiyouzhijingersanshilimi,zheduiyushijiyingyonglaishuoshiyuanyuanbugoude。yincidaquyuzaoshengzhudongkongzhixuyaoshiyongduotongdaokongzhisuanfalaishixian[13-17],為此本文提出一種基於可變步長的多通道主動控製算法,並利用仿真實驗驗證其可行性。
1 控製算法
1.1 可變步長
當dang采cai用yong定ding收shou斂lian步bu長chang時shi,係xi統tong的de收shou斂lian精jing度du和he收shou斂lian時shi間jian呈cheng現xian出chu對dui立li的de情qing況kuang,即ji收shou斂lian步bu長chang設she置zhi較jiao小xiao時shi,收shou斂lian精jing度du更geng高gao,但dan是shi收shou斂lian時shi間jian卻que大da大da延yan長chang;反之,收斂步長設置較大時,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。
基於Sigmiod 函數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。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濾波的準則:較快的收斂速度、跟蹤速度以及較小的穩態誤差。但此式計算時較為繁瑣,同時誤差e(n) 在0 附近的穩定性不夠理想,易引起非零失調。歸一化LMS 算法中可變步長用參考輸入信號的功率值進行歸一化處理,從而得到與參考輸入信號功率有關的可變收斂步長μ。可變收斂因子函數表示為:
由於x(n) 的歐式平方範數的硬件實現較為複雜,且參考輸入信號隻取當前瞬時值,x(n) 的歐式平方範數即等於x(n) 的絕對值平方,即改進為:
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矩陣的運算,變換為標量的平方值運算,可提高收斂性,故令:
為改善非零失調的問題,將可變步長的輸入信號改為係統參考信號的變化量,可得
1.2 多通道可變步長
MIMO 濾波-x LMS 算法是應用最為廣泛的噪聲控製算法,係統框圖如圖1 所示。設係統中有I 個參考傳感器,J 個次級揚聲器,K 個誤差傳感器。IJ 個自適應濾波器采用橫向濾波器,其長度為L,濾波器權係數采用矢量形式統一表示為W(z)。Hp(z) 代表IK 個初級通路的傳遞函數,Hs(z) 代表JK 個次級通路的傳遞函數,Hs`(z) 是次級通路傳遞函數的估計值。初級通路和次級通路等效為FIR 濾波器,假設其長度分別為Lp 和Ls。
設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 個控製器在第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 時刻的誤差項信號表示為e(n) = [e1(n), e2(n),…, eK(n)]T。


則第j 個揚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 階次級通路脈衝響應矩陣,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
設多通道自適應主動控製係統的目標函數為

與常用FxLMS 算法類似,利用最陡下降法原理,可以推導出控製器權係數迭代公式為
w(n +1) = w(n)−2μr(n)e(n) (10)
整個算法表達式總結如式(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 個控製器的權係數迭代公式

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 仿真實驗
2.1 單通道算法性能
在MATLAB 中建立ANC 係統模型,信號模擬排風扇噪聲。風扇噪聲由旋轉噪聲和絮流噪聲組成,旋轉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。在係統中加入低通濾波器,將高於4 kHz 的噪聲濾除。
下麵將分別使用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行測試對比。三種算法初始收斂步長μ 均設為0.01。仿真測試結果如圖2 所示。



初始收斂狀態時,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,且在其他算法趨於穩定時本算法還能夠進一步收斂。在穩態階段,從圖2 c) 中可看出,單VM-FxLMS 算法穩態誤差最低,且平穩無明顯波動。從此仿真結果可看出,本文所提出的算法優於傳統的定步長FxLMS 算法和一些其他的變步長算法。
2.2 多通道區域降噪實現
在MATLAB 中模擬4 m×4 m 大小的區域,在區域內設置多個噪聲源,噪聲成分同2.1 節所設噪聲源且增加更多的幹擾。初始收斂步長μ 均設為0.01,多通道ANC 係統設置為16 通道。在此區域降噪前和降噪後的噪聲仿真圖如圖3 所示。

如圖3 a) 所示,此區域中平均噪聲約為50 dB,最高點噪聲約為60 dB。降噪後的仿真圖如圖3 b) 所示,除個別點之外,整個區域的噪聲有非常明顯的降低,平均剩餘噪聲約為25 dB。降噪後相比於降噪前,噪聲降低了約25 dB,個別區域是有噪聲升高的現象。此仿真實驗表明,本文提出的多通道ANC 係統對區域降噪具有非常好的控製些效果。
3 結語
benwentichudejiyukebianbuchangdeduotongdaozaoshengzhudongkongzhifangfayicankaoxinhaodebianhualiangzuoweikebianbuchanghanshudeshuruxinhao,nenggougaishansuanfafeilingshitiaodezhuangkuang,duibiyuqitachangyongdekongzhisuanfa,zaishouliansuduyushoulianxiaoguoshangyoumingxianyoushi。ranhoujiangkebianbuchangsuanfakuozhanzhiduotongdaozhudongkongzhisuanfa,duiyudaquyudezaoshengkongzhidefangzhendangzhong,duotongdaoANC 係統表現出了非常好的降噪效果。同時,多通道ANC 係統的計算量是一個需要進一步研究的重點,這也是未來研究工作的重點。
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