一种快速稳定收敛的完全并行窄带主动噪声控制方法

技术领域

本发明涉及快速稳定收敛的完全并行窄带主动噪声控制方法。

背景技术

在实际的生产生活中，存在着大量的有害噪声，例如，工厂中大型的切割机产生的噪声，会对操作工人造成很大的危害，通过有效的措施来降低或消除这些噪声信号具有重要意义。自20世纪70年代初，主动噪声控制(ANC)系统被应用于降低这些有害噪声。ANC是基于声音的相消干涉原理，通过扬声器产生与初级噪声频率相同、幅值相近、相位相反的次级噪声信号，从而有效地降低或消除初级噪声。

由发动机、切割机、排风扇等旋转机械产生以低频为主的有害噪声，其具有周期性或近周期性，由于窄带主动噪声控制系统中，通常利用非声学传感器(如加速度计)获取这类谐波噪声信号频率，进而通过信号发生器产生参考信号，从而避免声反馈问题，因此在消除这类低频噪声方面，传统的窄带主动噪声控制系统得到了广泛地研究与应用。

针对多频率窄带噪声信号，传统窄带主动噪声控制系统是将多个二阶自适应滤波器并行连接组成多通道结构，实现了各窄带噪声分量被并行独立处理，而各频率通道的主控制器系数却仍由系统的整体残余误差进行更新，导致各通道控制器之间相互影响，系统的收敛速度低。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有各频率通道的主控制器系数却仍由系统的整体残余误差进行更新，导致各通道控制器之间相互影响，系统的收敛速度低的问题，而提出了一种快速稳定收敛的完全并行窄带主动噪声控制方法。

上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：

步骤一、建立具有正弦特性的初级噪声信号p(n)；

步骤二、合成与步骤一中的初级噪声信号p(n)幅值相等、相位相反的次级噪声信号y(n)；

步骤三、当步骤一中的初级噪声信号p(n)和步骤二中的次级噪声信号y(n)相消以后，通过麦克风测得系统总体残余误差信号e(n)；

步骤四、根据步骤三中测得的系统总体残余误差信号e(n)，得出残余误差分离子系统分离出的第i个频率通道的残余误差信号e_i(n)。

发明效果

采用本发明的一种快速稳定收敛的完全并行窄带主动噪声控制方法，本发明的系统中，包含残余误差分离子系统，实现了将系统总体残余误差按照频率自适应分离，使得每个通道控制器的更新均来自其自身频率对应的残余误差，而不再受其他频率残余误差的影响，构成了输入频率信号和残余误差频率信号一一对应的完全并行结构的窄带主动噪声控制系统，在保证稳态性能情况下，提高了系统的收敛速度，解决了现有窄带主动噪声控制系统中，各窄带噪声分量被并行独立处理，而各控制器系数却仍由系统的整体残余误差进行更新，导致各通道控制器之间相互影响，系统的收敛速度低的问题，使系统的收敛速度提高了近1倍。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为传统并行窄带主动噪声控制系统图，cos(ω_in)为余弦信号，sin(ω_in)为正弦信号，为余弦参考输入，为正弦参考输入，为第i个余弦分量的系数，为第i个正弦分量的系数，∑为全部求和，y_i(n)为第i路输出，y₁(n)为第1路输出，y_q(n)为第q路输出，y(n)为总输出，+为相加，S(z)为次级通道，y_p(n)为经过初级通道的输出，p(n)为初级通道，e(n)为整体残余误差，-为相减，为次级通道的估计，为经过滤波的余弦参考输入，为经过滤波的正弦参考输入，FXLMS为滤波X通道的最小均方算法；

图3为残余误差分离子系统图，e_i(n)为分离后的输出，为分离子系统的第i个余弦分量的系数，为分离子系统的第i个正弦分量的系数，LMS为最小均方算法；

图4为带残余误差分离子系统的完全并行的窄带主动噪声控制系统结构图，

图5为完全并行的窄带主动噪声控制系统与传统系统收敛过程对比图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2、图3、图4和图5说明本实施方式，本实施方式的一种快速稳定收敛的完全并行窄带主动噪声控制方法，具体是按照以下步骤制备的：

步骤一、建立具有正弦特性的初级噪声信号p(n)；

步骤二、合成与步骤一中的初级噪声信号p(n)幅值相等、相位相反的次级噪声信号y(n)；

步骤三、当步骤一中的初级噪声信号p(n)和步骤二中的次级噪声信号y(n)相消以后，通过麦克风测得系统总体残余误差信号e(n)；

步骤四、根据步骤三中测得的系统总体残余误差信号e(n)，得出残余误差分离子系统分离出的第i个频率通道的残余误差信号e_i(n)。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述p(n)初值为0，e(n)初值为0，e_i(n)初值为0，其余所有变量的初值均赋值0。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤一中建立具有正弦特性的初级噪声信号p(n)，具体过程为：

$>p\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{q}{\Sigma }}[a_{i}cos\left({\omega }_{i}n\right)+b_{i}sin\left({\omega }_{i}n\right)]+v_p\left(n\right)$>

其中，ω_i为第i个频率，i为频率个数，i取值范围为1≤i≤q；q为频率个数，q的取值范围为正整数；为初级噪声信号p(n)的离散傅里叶系数(DFC)，a_i为第i个余弦分量的系数，b_i为第i个正弦分量的系数，v_p(n)为均值为零、方差为的高斯白噪声，n为算法迭代运行的点，n代表迭代运算的时间点个数，取值为大于等于1的任意正整数；为表示方差数值大小。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤二中合成与步骤一中的初级噪声信号p(n)幅值相等、相位相反的次级噪声信号y(n)，具体过程为：

首先，通过加速度计非声学传感器获得初级噪声信号的第i个频率ω_i(i＝1,2…q)，

然后，初级噪声信号p(n)的第i个频率ω_i(i＝1,2…q)经信号发生器产生正余弦参考信号其中，为正弦参考信号，为余弦参考信号，T为周期；

通过次级噪声信号y(n)合成子系统的离散傅里叶系数调整正余弦参考信号的幅值与相位，合成与初级噪声信号p(n)幅值相等、相位相反的次级噪声信号y(n)，利用声波的相消干涉原理(声波在传输过程中具有相互干涉作用，两个频率相同、振动方向相同且步调一致的声源发出的声波相互叠加时就会出现干涉现象，如果它们的相位相同，两波叠加后幅度增加声压加强；反之，它们的相位相反，两波叠加后幅度减小声压减弱，如果两波幅度一样，将完全抵消)消除初级噪声信号p(n)。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述次级噪声信号y(n)通过下式给出：

$>\left(\begin{array}{c}y\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{q}{\Sigma }}{y}_i\left(n\right)\\ =\underset{i=1}{\overset{q}{\Sigma }}{\hat{a}}_i\left(n\right)x_{a_i}\left(n\right)+{\hat{b}}_i\left(n\right)x_{b_i}\left(n\right)\end{array}\right)$>

式中，$>x_{a_i}\left(n\right)=cos\left({\omega }_{i}n\right),x_{b_i}\left(n\right)=sin\left({\omega }_{i}n\right),{\{{\hat{a}}_i\left(n\right),{\hat{b}}_i\left(n\right)\}}_{i=1}^q$>为次级噪声信号y(n)合成子系统的离散傅里叶系数，为第i个频率的第n个时间点的余弦分量的系数，为第i个频率的第n个时间点的正弦分量的系数，q为频率个数，q取值范围为正整数，y_i(n)为第i路输出信号，取值范围为与目标待抵消的噪声有关。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述次级噪声信号y(n)合成子系统的离散傅里叶系数具体过程为：

残余误差分离子系统采用最小均方算法(Filter-XLeastMeanSquare,FXLMS)接收经过次级通道过滤后的参考信号以及步骤四中残余误差分离子系统分离出的第i个频率通道的残余误差信号e_i(n)；再通过最小均方算法模块更新次级噪声信号y(n)合成子系统的离散傅里叶系数所述离散傅里叶系数的更新公式为：

$>{\hat{a}}_i(n+1)={\hat{a}}_i\left(n\right)+{\mu }_i{e}_i\left(n\right){\hat{x}}_{a_i}\left(n\right);$>

$>{\hat{b}}_i(n+1)={\hat{b}}_i\left(n\right)+{\mu }_i{e}_i\left(n\right){\hat{x}}_{b_i}\left(n\right);$>

式中，μ_i为次级噪声信号合成子系统1的步长；

正弦参考信号和余弦参考信号经过次级通道估计滤波得到滤波参考信号：

$>{\hat{x}}_{a_i}\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{\hat{M}-1}{\Sigma }}{\hat{s}}_m{x}_{a_i}(n-m);$>

$>{\hat{x}}_{b_i}\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{\hat{M}-1}{\Sigma }}{\hat{s}}_m{x}_{b_i}(n-m);$>

式中，为次级通道模型的系数，为次级通道模型阶数，m为次级通道的序号，取值范围为0到和为一对正交的参考输入信号，和为经过次级通道过滤后的参考信号对，为第m个次级通道的系数。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述步骤三中当步骤一中的初级噪声信号p(n)和步骤二中产生的次级噪声信号y(n)相消以后，通过麦克风测得系统总体残余误差信号e(n)；具体过程为：

$>\left(\begin{array}{c}e\left(n\right)=p\left(n\right)-y_p\left(n\right)\\ =p\left(n\right)-\underset{j=0}{\overset{M-1}{\Sigma }}{s}_{j}y(n-j)\end{array}\right)$>

其中，为次级通道S(z)的系数，M-1为S(z)的阶数，M为正整数；y_p(n)为y(n)经过初级通道后的输出信号，y(n)经过初级通道为y(n)经过空气传播，经过电子设备；P为primary的英文缩写，j为第j个滤波器循环变量，n的取值范围为1≤n≤N，N为大于等于1的任意正整数，j的取值范围为次级通道的长度从0到M-1，s_j为第j个次级通道系数。

其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述步骤四中根据步骤三中测得的系统总体残余误差信号e(n)，得出残余误差分离子系统2分离出的第i个频率通道的残余误差信号e_i(n)，具体过程为：

步骤三中测得的系统总体残余误差信号e(n)中含有q个频率分量，利用正余弦参考信号通过残余误差分离子系统2的离散傅里叶系数来调整幅值与相位，从而将每个频率的残余误差从系统总体残余误差e(n)中分离出来，为次级噪声信号y(n)合成子系统的离散傅里叶系数的更新提供残余误差分离子系统2分离出的第i个频率通道的残余误差信号e_i(n)，其通过下式计算得到：

$>e_i\left(n\right)={\hat{a}}_{e,i}\left(n\right)x_{a_i}\left(n\right)+{\hat{b}}_{e,i}\left(n\right)x_{b_i}\left(n\right)$>

其中，为误差分离器输出子系统的第i个余弦傅立叶系数分量，为误差分离器输出子系统的第i个正弦傅立叶系数分量，为正弦参考信号，为余弦参考信号。

其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述将残余误差信号e_i(n)带入步骤二，得出步骤四，直至循环运行完N次，N为大于等于1的任意正整数，N为人为设置。

其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：所述残余误差分离子系统2的离散傅里叶系数来调整幅值与相位，具体过程为：

由泄漏最小均方算法(LeakyLeastMeanSquare，LLMS)模块进行实时调整计算的(即在代价函数中引入泄漏因子α，其代价函数具体为$>J_e\left(n\right)=\frac{1}{2}{e}^2\left(n\right)+\frac{1}{2}\underset{j=1}{\overset{q}{\Sigma }}{\alpha }_j[{\hat{a}}_{e_j}^2\left(n\right)+{\hat{b}}_{e_j}^2\left(n\right)]),$>具体更新公式为：

$>{\hat{a}}_{e,i}(n+1)=(1-{\mu }_e{\alpha }_i){\hat{a}}_{e,i}\left(n\right)+{\mu }_{e}e\left(n\right)x_{a_i}\left(n\right)x_{a_i}\left(n\right)=\xi {\hat{a}}_{e,i}\left(n\right)+{\mu }_{e}e\left(n\right)x_{a_i}\left(n\right);$>

$>{\hat{b}}_{e,i}(n+1)=(1-{\mu }_e{\alpha }_i){\hat{b}}_{e,i}\left(n\right)+{\mu }_{e}e\left(n\right)x_{b_i}\left(n\right)=\xi {\hat{b}}_{e,i}\left(n\right)+{\mu }_{e}e\left(n\right)x_{b_i}\left(n\right);$>

式中，e(n)为整体残余误差，为正弦参考信号，为余弦参考信号，α_i为泄漏因子，μ_e为残余误差分离子系统的步长，ξ＝1-μ_eα_i，其取值范围为(0,1)，ξ为系统泄漏系数。

其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。

实施例1

为了考察本系统的性能，我们与传统的窄带主动噪声控制系统进行仿真对比，这里仅给出具有代表性的仿真结果，如下图所示，给出了当泄漏因子α＝0.12时，两个系统的均方残余误差仿真对比曲线(绿色线代表传统的窄带主动噪声控制系统，红色线代表本系统)。在保证相同的稳态误差的前提下，可以发现本系统在500点处收敛，而传统系统在1000点以后收敛，新系统较传统系统的收敛速度提升了近1倍。