车厢内自适应多通道有源噪声控制系统设计及实现

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3.0 陈辉 2024-11-19 6 4 1.53MB 52 页 15积分
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中文摘要
汽车噪声已经成为一种重要的环境污染源,对其在降噪方面进行的研究开
具有重要的学术和商业价值。基于自适应滤波器理论的主动噪声控制系统(ANC)
80 年代发展起来的,本文在回顾了主动噪声发展历史的基础上,研究了多通道
有源噪声控制模型,对相应的次级通道进了辨识,搭建了有源噪声控制的软、
件实验系统,并对典型的滤波-X LMS 算法和滤波-U LMS 算法进行了仿真和实验。
-X LMS
-U LMS 算法进行了研究和仿真,基于 Matlab/Simulink 的系统仿真证实了算
法的有效性。对次级声通道的离线和在线建模进行了研究和设计。用解析法获得了
双通道次级声源和误差传感器的最佳布放位置,并在实验中得到了验证。
其次利用语音采集电路,功放电路,数据采集卡和 PC 机搭建了有源噪声控
制的硬件系统。并且在 Visual C++6.0 台上设计和实现了有源噪声试验的控制软
件。
最后在有限空内进行了噪声控制试验。用离线自适应建模方法得到了系统
的次级声通道模型;采用单通道、多通道滤波-X LMS 算法和滤波-U LMS 算法对
低频噪声信号进行有源噪声控制试验;然后利用该有源噪声控制系统公交车车
厢内环境噪声进行降噪控制。结果表明,应用滤波-X LMS 算法和滤波-U LMS
法,本试验系统可以对低频噪声进行有效的控制。
关键词:有源噪声控制 滤波-X LMS 多通道系统 系统辨识
ABSTRACT
The noise of the motorcar has become an important part of environmental
pollution, the control of it has become exigent for our daily life, and the study of its
cancellation is with great academical and commercial value. Active noise control, based
on the adaptive filter theory, has been rapidly developed since 1980s. In retrospect to the
development of active noise control, multi-channels algorithm and structure for active
noise control are studied. A testing system for active noise control including both the
software and the hardware is built. And the most popular algorithms of filtered-X LMS
and filtered-U LMS are simulated and tested.
Firstly, both Multi-channels filtered-X LMS and filtered-U LMS for active noise
control are simulated. The system simulation based on Matlab/Simulink confirms the
availability of the two algorithms. The online and offline adaptive modeling methods for
secondary noise path are studied and designed as well. In the double-channels
experiments, the best locations of the secondary sound sources and error sensors are
gained through analytic method.
Secondly, a hardware system for active noise control .is built using sound-
collecting circuit board, power magnification circuit board, data-acquisition card and
personal computer. A software system corresponding to the active algorithms is
designed on the platform of Visual C++6.0.
Finally, the noise control tests are processed in a limited space. The module for
secondary noise channel is obtained by offline adaptive method. Using both single-
channel and multi-channel structure to control the given noise signals is tested including
filtered-X LMS and filtered-U LMS algorithms. Then the control of noise of car
driving, using the designed active noise control system, is proposed.
The results show that by using either filtered-X LMS or filtered-U LMS, the test
system designed can produce an expected result for low frequency noise.
Key Word Active Noise Control Filtered-X LMS Multi-channels
SystemSystem Identification
中文
摘要...................................................................................................................................1
ABSTRACT......................................................................................................................1
.................................................................................................................................1
第一章 ....................................................................................................................1
§1.1 引言....................................................................................................................1
§1.2 有源噪声控制的提出及其发展历程................................................................1
§1.3 自适应有源噪声控制........................................................................................3
§1.4 自适应有源噪声控制系统概述........................................................................4
§1.4.1 有源噪声控制系统..................................................................................4
§1.4.2 决定控制效果的各种因素......................................................................4
§1.5 有源噪声控制的应用及现状............................................................................5
§1.6 本文研究的主要内容........................................................................................6
第二章 多通道自适应有源噪声控制算法及仿真结果..................................................7
§2.1 多通道滤波-X LMS 算法与滤波-U LMS 算法................................................7
§2.2 自适应算法仿真模型的建立.....................................................................9
§2.3 多通道滤波-X LMS 算法与滤波-ULMS 算法仿真.......................................10
§2.4 仿真结果分析..................................................................................................12
第三章 次级声通道建模................................................................................................14
§3.1 次级声道建模的概述......................................................................................14
§3.2 次级声通道辨识的实验设计..........................................................................16
§3.2.1 输入信号的选择....................................................................................16
§3.2.2 采样周期的选择....................................................................................17
§3.2.3 实验数据采集长度的选择....................................................................17
§3.3 线性系统的经典辨识方法..............................................................................18
§3.3.1 M序列辨识系统的脉冲响应...........................................................18
§3.3.1.1 M 序列的性质....................................................................................18
§3.3.1.2 M序列辨识系统的脉冲响应的递推算法...................................19
§3.3.1.3 M序列辨识系统的脉冲响应的步骤...........................................20
§3.3.1.4 序列参数的确定.................................................................................21
§3.3.2 误差通道的脉冲响应的辨识结果........................................................21
§3.4 用神经网络来辨识系统..................................................................................22
§3.4.1 CMAC 模型结构神经网络原理...........................................................23
§3.4.1.1 CMAC 神经网络原理........................................................................24
§3.4.1.2 CMAC 工作原理................................................................................25
§3.4.1.3 CMAC 的学习算法............................................................................26
§3.4.2 CMAC 网络的仿真...............................................................................27
§3.4.3 CMAC 网络的优缺点...........................................................................27
第四章 有源噪声控制试验系统软、硬件设计............................................................28
§4.1 控制系统的总体方案......................................................................................28
§4.2 有源噪声控制试验系统硬件设计..................................................................28
§4.3 有源噪声控制试验系统软件设计..................................................................29
§4.3.1 试验过程的控制....................................................................................30
§4.3.2 双通道滤波 X-LMS 的实现..................................................................31
第五章 有源噪声控制应用试验结果与分析................................................................34
§5.1 单通道有源噪声控制试验..............................................................................34
§5.2 多通道有源噪声控制试验..............................................................................35
§5.2.1 次级声源最优布放................................................................................35
§5.2.2 次级声源和误差传感器布放参数的确定............................................37
§5.2.3 多通道有源噪声控制试验(正弦信号加白噪声声源)....................39
§5.2.4 多通道有源噪声控制试验(车厢内噪声源)....................................44
§5.4 试验结果分析..................................................................................................47
第六章 结论与展望........................................................................................................49
参考文献.........................................................................................................................51
第一章 绪论
第一章
§1.1 引言
汽车的诞生已过百年,其各方面的性能随着科学技术的迅猛发展而得到了
大的提高。但是,随着人们的提高,人们对汽车的指标又不
提出高的人们汽车适性其对汽车动和噪声
出了高的汽车噪声已经成为一种重要的环境污染源染车内成
乘坐环境,而对汽环境重的污染
工作,学习和外都出现过因为汽车的噪声问题车型
市场销售发生费者车的和噪投诉。为
国都制定汽车噪声控制各大汽车产厂家也都投
人力物力进行汽车和噪声发生机理与控制方法的研究,得了
的成果。在目不断护意益增景下
然的趋势。但汽车噪声发生的机非常复杂,传播又具有
播两途径,因车内噪声和车声的控制然有
要开展[1]
噪声控制可以噪声源、噪声传播途径和噪声接受这三方面入[2-5]传统的噪
声控制技术主要以研究噪声的声学控制方法为主,主要技术途径包括
理、使声器、动的离、阻尼减振等等这些噪声控制方法的机理在
于,通过噪声声波与声料或学结构的消耗声能降低
声的目的,些属或被控制方法,可“无声控制(passive
noise control)般说来,源噪声控制方法对控制中高频噪声为有效,而对低
频噪声的控制效果大。为要采用一项新的技术——有源噪声控制(active
noise control又称有源声)技术。
传统噪声控制的主要方括吸使器。传统的方
法对发展有源噪声控制技术发作用。些情况下有源方法
方法可以结起来,复合式的噪声控制方法。
§1.2 有源噪声控制的发展历程
传统噪声控制方法总体上分为性和种。前者对中,高频噪声的效果
者虽然可的控制低频噪声,较窄般较
积庞大,应用围受到限制。为了降低低频噪声,有源噪声控制技出了
1
车厢内自适应多通道有源噪声控制系统设计及实现
的解决方法[67]
1933 年和 1936 年,德国物理学Paul Lueg1898-1979),分别向德国
的过程
Process of Silencing Sound Oscillations[8,9].Lueg
的声学现列频相位定的声波加后会产生相加性
干涉使声能得到增强或减弱。因Lueg ,可以利用声波的相
消除噪声。现人们般都认Lueg 这项专利是有源噪声控制发展史上
的起点[10]。但是当时技术平的限制,Lueg 的设当时难以成为现实,
于在利提出 20 年内学术界没任何响应。
1953 H. Olson 发表篇名子扬的文章,次体现了有源
声的思想Olson 的电子吸声器包括个装材料的空,一传声器,一
放大器和器。这个器有本的吸收传声器位的声
降低器可以通过调节扬声器面的使传声器总的声
接近零Olson 子吸声器制造“静区”的方法,其原理与 Lueg 利是相的。
说这是有源声概一次应用。
Olson 研究电子吸声器的,通用电W.B Conver 试了利用有
源方法控声。变压发出的噪声具有线具有
的周期性,因此很合使用有源噪声控制技术。但其线30
的空
内有一定的降噪,在其增无减原因,该方案在
1956 了,代噪声控制方法过,因为变压器噪声以低频为主
且具有明的周期性对发有源噪声控制技术非常有利促使后来人们
加以研究。
于缺实现有源控制的手段,经过 50 年代的一工作后,有源控制的研
匿迹Kido 1975 年和 Chaplin 1978 年首先技术应用于该
于数信号理技术和置的用及发展使用型有源控制
统的实现成为可能。
70 代中自适(Adaptive Active Noise Control
简称 AANC)方法,用数信号理和自适应控制理论,对各噪声的特殊条
专门的控制要控制性质,控制器能自地调级声信号
值和相位噪声源及环境参数级噪声有地抵消初
噪声,提高了降噪效果。
九十年代以来,有源噪声控制的研究重点声。在系统实现上
用数信号理技术的自适应控制系统结构及相应的自适应算法,用
区域带宽S.J.ElliottP.A.NelsonS.M.KuoD.R.Morgan 等人在自适应噪
(AANC)
详细研究,提出了多种控制结构及算法。
2
摘要:

中文摘要汽车噪声已经成为一种重要的环境污染源,对其在降噪方面进行的研究开发具有重要的学术和商业价值。基于自适应滤波器理论的主动噪声控制系统(ANC)是在80年代发展起来的,本文在回顾了主动噪声发展历史的基础上,研究了多通道有源噪声控制模型,对相应的次级通道进了辨识,搭建了有源噪声控制的软、硬件实验系统,并对典型的滤波-XLMS算法和滤波-ULMS算法进行了仿真和实验。首先在自适应滤波原理的基础上,对多通道有源噪声控制的滤波-XLMS和滤波-ULMS算法进行了研究和仿真,基于Matlab/Simulink的系统仿真证实了算法的有效性。对次级声通道的离线和在线建模进行了研究和设计。用解析法获得了双...

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