基于自適應(yīng)濾波及模態(tài)分析的有源噪聲控制方法研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步,噪聲污染日益嚴(yán)重,危害人們的身心健康,引起機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)的聲疲勞,并降低武器裝備的作戰(zhàn)性能和聲隱身性能。因此噪聲控制在民用和軍事領(lǐng)域中都具有十分重要的意義。有源噪聲控制技術(shù)是控制低頻噪聲的有效方法,根據(jù)噪聲控制機(jī)理可分為聲源控制、傳播途徑控制和接受者保護(hù)三類,研究內(nèi)容和手段具有多樣性。論文從接受者保護(hù)和聲源控制的角度出發(fā),針對(duì)基于自適應(yīng)濾波技術(shù)的前饋有源噪聲控制方法和基于模態(tài)分析的結(jié)構(gòu)聲輻射控制方法中存在的一些

2、主要問題開展研究工作。論文所做主要工作概況如下:
　　1.在自適應(yīng)前饋有源控制技術(shù)中,非因果成分會(huì)降低噪聲控制性能,為了使系統(tǒng)盡量滿足因果約束,提出一種參考信號(hào)的拾取方法。該方法將參考傳聲器放置在噪聲源來波方向上,并通過距離調(diào)整來增大參考傳聲器和誤差傳聲器的時(shí)間延遲,用于抵消串?dāng)_和反射等因素引起的非因果成分,從而提高噪聲控制性能。在此方法中,為了檢測(cè)寬帶噪聲源的來波方向,提出了一種基于KR積的內(nèi)插聚焦估計(jì)算法。該算法將各頻率點(diǎn)的協(xié)

3、方差矩陣進(jìn)行KR積擴(kuò)展后,借助最小二乘內(nèi)插聚焦矩陣,構(gòu)造無噪聲聚焦后的各頻率數(shù)據(jù)組合矩陣,進(jìn)而采用MUSIC方法實(shí)現(xiàn)過定和欠定兩種情況下的來波方向估計(jì)。最后,將噪聲源的定位結(jié)果用于指導(dǎo)參考傳聲器的布放,通過比較傳聲器布放位置及數(shù)目調(diào)整前后的噪聲控制效果,驗(yàn)證參考信號(hào)拾取方法的有效性。
　　2.在寬帶噪聲的自適應(yīng)前饋有源控制技術(shù)中,無延遲子帶自適應(yīng)濾波方法由于能避免信號(hào)通道的延遲且收斂速度快,成為寬帶噪聲控制中的主要方法。但該方法的

4、控制效果會(huì)受到分析濾波器組的群延遲和帶內(nèi)混疊誤差的影響,因此分析濾波組的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵?，F(xiàn)有的分析濾波器組是調(diào)制線性相位原型低通濾波器得到的,它不能保證濾波器組的低群延遲和小旁瓣效應(yīng),致使噪聲控制效果不明顯。為此,提出迭代二階錐規(guī)劃方法設(shè)計(jì)分析濾波器組。將帶內(nèi)混疊誤差和群延遲構(gòu)造為關(guān)于原型濾波器權(quán)系數(shù)的二次函數(shù),進(jìn)而通過迭代二階錐優(yōu)化得到原型濾波器權(quán)系數(shù),最后利用均勻DFT調(diào)制為分析濾波器組。與同階線性相位分析濾波器組相比,該濾波器組具有更

5、低的群延遲和更小的帶內(nèi)混疊誤差。在此基礎(chǔ)上,采用部分子帶權(quán)系數(shù)更新的歸一化最小均方誤差算法,構(gòu)建了頻域無延遲噪聲控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)的噪聲控制效果明顯,不僅能有效降低殘余噪聲功率譜,提高噪聲衰減量,而且還具有收斂速度快和計(jì)算復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn)。
　　3.在窄帶噪聲的自適應(yīng)前饋有源控制技術(shù)中,從理論上分析了頻率偏差造成自適應(yīng)濾波器權(quán)系數(shù)的均值偏移不能收斂到零矢量,是導(dǎo)致控制性能惡化的根本原因。因此為了提高噪聲控制效果,必須對(duì)干

6、擾信號(hào)的頻率進(jìn)行精確估計(jì)。為此,提出了一種用于實(shí)值信號(hào)的快速子空間跟蹤-ESPRIT類頻率估計(jì)方法。該方法的信號(hào)子空間維數(shù)與信號(hào)頻率的個(gè)數(shù)相等,從而避免了傳統(tǒng)方法用于實(shí)值頻率估計(jì)時(shí),信號(hào)子空間的維數(shù)為頻率個(gè)數(shù)2倍的問題。仿真結(jié)果表明算法的精度高,滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。最后,結(jié)合不需要次級(jí)通道估計(jì)的FXLMS算法,在DSP平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了彈性薄板的基頻和諧波分量的振動(dòng)控制,從而降低了封閉聲腔中的結(jié)構(gòu)聲輻射的聲壓級(jí)。
　　4.在基于模態(tài)分析

7、的彈性結(jié)構(gòu)聲輻射的控制技術(shù)中,根據(jù)輸入輸出測(cè)量數(shù)據(jù)建立精確受控系統(tǒng)模型是實(shí)施該類控制方法的前提。目前,主要采用子空間辨識(shí)方法來建立系統(tǒng)狀態(tài)方程,但該方法計(jì)算量大,難以得到有效應(yīng)用。為此,利用廣義能觀矩陣的列空間與觀測(cè)矢量相關(guān)矩陣的信號(hào)子空間一致的特征,提出了一種在線子空間辨識(shí)方法用于系統(tǒng)狀態(tài)方程的建立。該方法包含了兩個(gè)遞推過程:一是利用矩陣求逆變換計(jì)算觀測(cè)矢量;二是基于多級(jí)分解冪迭代子空間跟蹤算法估計(jì)廣義能觀矩陣,以保證按指數(shù)全局收斂到

8、主子空間。仿真結(jié)果表明該方法能提高辨識(shí)精度,不僅減小廣義能觀矩陣估計(jì)值與真實(shí)值的夾角,還能降低辨識(shí)得到的輸出數(shù)據(jù)與真實(shí)值之間的均方根誤差。最后,利用有限元和聲學(xué)分析軟件,構(gòu)建了一種基于振動(dòng)控制的封閉空間降噪系統(tǒng)模擬環(huán)境。采用所提的在線子空間辨識(shí)法建立了壓電結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模型,結(jié)合線性二次最優(yōu)控制方法產(chǎn)生壓電陶瓷作動(dòng)器次級(jí)電壓。通過控制與聲模態(tài)耦合大的結(jié)構(gòu)模態(tài),有效降低了艙室結(jié)構(gòu)聲輻射的聲壓級(jí),驗(yàn)證了在線子空間辨識(shí)方法應(yīng)用在結(jié)構(gòu)聲輻射控制中的有