一种用于多频时变窄带振动噪声的主动控制系统的制作方法

本发明属于振动噪声的主动控制系统，具体涉及一种用于多频时变窄带振动噪声的主动控制系统。

背景技术：

与传统被动控制方法相比，主动噪声与振动控制(activenoiseandvibrationcontrol，anvc)技术具有低频性能好、控制器改进空间大、成本低等优点，适合用于控制低频谐波信号及宽频率范围内的音频噪声，是传统被动方法不可或缺的有利补充。

低频谐波噪声信号往往是由旋转设备或具有往复运动的动力装置产生，这类低频谐波目标信号具有周期或者近似周期特性，用于控制低频谐波目标信号的窄带主动控制系统，参考信号通常利用非声学传感器(如转速计)获取，这样可以避免次级源可能给参考信号传感器(若采用声学传感器)带来的反馈。

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由于实际条件限制，难以安装参考传感器，或者由于长时间工作、参考传感器老化等原因，致使所获取的参考信号不准确，导致低频谐波目标信号窄带主动系统不能有效抑制目标噪声，系统控制失败。

技术实现要素：

本发明提供一种多频时变窄带振动噪声的主动控制系统，针对无参考传感器、难以获取精确参考信号的情形，能够在目标信号与背景噪声的信噪比较低的恶劣情况下，有效抑制目标噪声。

本发明所提供的一种多频时变窄带振动噪声的主动控制系统，包括n个频率/相位调节子系统和n个对应的控制信号生成子系统，4≤n≤10，为动力装置产生的噪声中需要抑制的谐波信号数目，其特征在于：

a、每个频率/相位调节子系统分别均包括频率模块、相位调节模块、正弦信号发生模块、相位延迟模块和第一、第二滤波模块；

第i个频率/相位调节子系统计算更新得到第i个频率通道的参考信号正弦分量和参考信号余弦分量并将它们滤波后传送给第i个控制信号生成子系统；i＝1、…、n；

a1、所述频率模块实时计算调整频率ωi(t)：

其中，μ3,i为第i个频率的第三调整步长，

系统残余噪声e(t)通过声学传感器或振动传感器实时获得，

第一权值第二权值由控制信号生成子系统的权值模块产生；

滤波后参考信号正弦分量滤波后参考信号余弦分量分别由第一、第二滤波模块产生；

a2、所述相位调节模块输入调整频率ωi(t)，输出相位φi(t)：

式中，为第四步长系数，表示a对时间t的微分；

a3、所述正弦信号发生模块输入相位φi(t)，生成参考信号正弦分量分别输出到相位延迟模块和第一滤波模块；

a4、所述相位延迟模块输入参考信号正弦分量滞后90°输出参考信号余弦分量送到第二滤波模块；

a5、所述第一、第二滤波模块分别对参考信号正弦分量和参考信号余弦分量进行滤波，得到滤波后参考信号正弦分量滤波后参考信号余弦分量传送给第i个控制信号生成子系统，同时送往所述频率模块；

式中，为在该信号对应频率ωi处的次级通道频响估计函数，*表示卷积运算，和分别表示的实部值与虚部值，j表示复数的虚数单位；具体计算为：

b、每个控制信号生成子系统分别均包括权值模块和控制信号模块；

b1、第i个控制信号生成子系统中，权值模块根据滤波后参考信号正弦分量滤波后参考信号余弦分量以及系统残余噪声e(t)，生成控制滤波器的第一权值和第二权值

式中，μ1,i、μ2,i分别为需要抑制的第i个谐波信号频率的第一调整步长和第二调整步长，0＜μ1,i≤1/2、0＜μ2,i≤1/2，1≤i≤n；

所述第一权值和第二权值送往控制信号模块，同时送往第i个频率/相位调节子系统的频率模块；

b2、控制信号模块将第i个频率/相位调整子系统产生的参考信号的正弦分量和余弦分量进行合成，产生抑制噪声信号所需的第i个频率的次级源控制信号ui(t)：

c、由各个频率成分的次级源控制信号组成控制信号

式中，q表示目标振动噪声的谐波数目，与频率/相位调节子系统的数量n相同。

所述的多频时变窄带振动噪声的主动控制系统，其特征在于：

所述第一、第二滤波模块中，所述对应频率ωi处的次级通道频响估计函数其实部值与虚部值通过下述步骤计算获得：

(1)给定调整频率ωi(t)初值，并保持其大小不变，ωi(t)初值为振动噪声源频率的±15％；

例如，振动噪声源频率为50-60hz之间，则可令ωi(t)初值＝45hz；

(2)计算虚部值步骤：

记起始时间为ti,1，从ti,1到ti,k时刻，保持调整频率ωi(t)初值大小不变，ti,k≤ti,1+1秒,fs＜k＜10×fs，其中，采样频率fshz，1000<fs<200000；

因此，参考信号的正弦分量和余弦分量分别为

令为一个0.01～100之间的常数,则控制信号：

由各个频率成分的次级源控制信号ui(t)组成控制信号驱动功放、扬声器、数/模转换器等部件后，监测传感器(声学传感器或振动传感器)探测到从ti,1到ti,k时刻系统残余噪声e(t)，t＝ti,1，ti,2，...ti,k...ti,k；

其中，带通滤波器hi(z)：

ρi、qi分别为陷波半径系数和带通频率相关系数，0.8＜ρi＜1，qi＝-2cosωi(t)；z表示延迟算子，其上标n表示延迟n个时刻，e(ti,k-n)＝e(ti,k)·z^-n；例如，e(ti,k-1)＝e(ti,k)·z^-1,而e(ti,k-2)＝e(ti,k)·z^-2；

(3)计算实部值步骤：

从ti,k+1到ti,2k时刻，保持调整频率ωi(t)初值大小不变，因此，参考信号的正弦分量和余弦分量分别为

令为一个0.01～100之间的常数，则控制信号：

由各个频率成分的次级源控制信号ui(t)组成控制信号驱动功放、扬声器、数/模转换器等部件后，监测传感器探测到从ti,k+1到ti,2k时刻系统残余噪声e(t)，t＝ti,k+1，ti,k+2，...ti,k...ti,2k；

(4)从ti,2k+1到ti,4k时刻，将(2)、(3)中的代入a1频率模块、a2相位调节模块、a3正弦信号发生模块、a4相位延迟模块、a5第一、第二滤波模块以及b1权值模块、b2控制信号模块的运算过程：

由各个频率成分的次级源控制信号ui(t)组成控制信号驱动功放、扬声器、数/模转换器等部件后，在监测传感器探测到从ti,2k+1到ti,4k时刻，残余误差信号为ei(t)；

(6)判断是否1＜δ＜1.1，是则将步骤(4)所得到的ωi(t)作为调整频率ωi(t)初值，转步骤(2)，继续重新计算和否则转步骤(4)，继续下一时间段的控制信号运算过程，然后继续判断是否

是则将最新得到的ωi(t)作为调整频率ωi(t)初值，转步骤(2)，继续重新计算和否则转步骤(4)，继续下一时间段的控制信号运算过程，然后再以此类推继续判断。

所述计算虚部值步骤和计算实部值步骤中，按照公式ei(t)＝hi(z)e(t)，ei(t)的具体计算可以为：

所述的多频时变窄带振动噪声的主动控制系统，其特征在于：

所述频率模块中，第三调整步长μ3,i＝μ3/dm(ωi)；

所述权值模块中，

第一调整步长μ1,i＝μ1/dm(ωi)，

第二调整步长μ2,i＝μ2/dm(ωi)：

式中，μ1、μ2、μ3分别为第一、第二、第三步长系数，0≤μi＝1,2,3≤1，dm(ωi)为次级通道频响估计函数在被抑制的谐波信号频率ωi处的响应幅值均方值，

本发明根据动力装置噪声信号的多频谐波各个分量强度和，来决定控制信号值，各个频率/相位调节子系统的收敛性能、鲁棒性能得到进一步协同，能够以较低的计算量同时调节控制频率，减少控制频率与实际的振动噪声频率之间的偏差，从而达到自适应跟踪目标噪声频率的效果，实现频率相位幅值同时跟踪补偿，可实现在无参考传感器情况下，仍然能够有效抑制目标噪声，能够将系统残余噪声能量降至理论期望水平，进而提高系统性能，贴近实用，相比现有cn201410093634、cn201510262289专利，对多频时变谐波进行控制时，计算量小，调整简单方便，控制快速。

附图说明

图1为本发明结构示意图；图中，表示积分运算符号，表示乘法运算，sin表示正弦运算；

图2(a)为频率模块示意图；

图2(b)为相位生成模块示意图；

图2(c)为正弦信号发生模块示意图；

图2(d)为相位延迟模块示意图；

图2(e)为滤波模块示意图；

图3(a)为权值模块示意图；

图3(b)为控制信号模块示意图；

图4为本发明的工作环境示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明包括n个频率/相位调节子系统和n个对应的控制信号生成子系统，4≤n≤10，为动力装置产生的噪声中需要抑制的谐波信号数目；a、每个频率/相位调节子系统分别均包括频率模块、相位调节模块、正弦信号发生模块、相位延迟模块和第一、第二滤波模块；b、每个控制信号生成子系统分别均包括权值模块和控制信号模块。

如图2(a)所示，所述频率模块实时计算调整频率ωi(t)：

其中，μ3,i为第i个频率的第三调整步长，

系统残余噪声e(t)通过声学传感器或振动传感器实时获得，

第一权值第二权值由控制信号生成子系统的权值模块产生；

滤波后参考信号正弦分量滤波后参考信号余弦分量分别由第一、第二滤波模块产生。

如图2(b)所示，所述相位调节模块输入调整频率ωi(t)，输出相位φi(t)：

式中，为第四步长系数，表示a对时间t的微分；

如图2(c)所示，所述正弦信号发生模块输入相位φi(t)，生成参考信号正弦分量分别输出到相位延迟模块和第一滤波模块；

如图2(d)所示，所述相位延迟模块输入参考信号正弦分量滞后90°输出参考信号余弦分量送到第二滤波模块；

图2(e)为第一、第二滤波模块示意图，所述第一、第二滤波模块分别对参考信号正弦分量和参考信号余弦分量进行滤波，得到滤波后参考信号正弦分量滤波后参考信号余弦分量传送给第i个控制信号生成子系统，同时送往所述频率模块；

其中，为在该信号对应频率ωi处的次级通道频响估计函数，和分别表示的实部值与虚部值，j表示复数的虚数单位；

如图3(a)所示，权值模块根据滤波后参考信号正弦分量滤波后参考信号余弦分量以及系统残余噪声e(t)，生成控制滤波器的第一权值和第二权值

式中，μ1,i、μ2,i分别为需要抑制的第i个谐波信号频率的第一调整步长和第二调整步长，0＜μ1,i≤1/2、0＜μ2,i≤1/2，1≤i≤n；

所述第一权值和第二权值送往控制信号模块，同时送往第i个频率/相位调节子系统的频率模块；

如图3(b)所示，控制信号模块将第i个频率/相位调整子系统产生的参考信号的正弦分量和余弦分量进行合成，产生抑制噪声信号所需的第i个频率的次级源控制信号ui(t)：

由各个频率成分的次级源控制信号组成控制信号

式中，q表示目标振动噪声的谐波数目，与频率/相位调节子系统的数量n相同。

如图4所示，动力装置系统产生的噪声源信号，经过空间路径传递后(需要消除噪声d(t)(监测传感器位置处)，与控制扬声器产生的信号y(t)叠加，在监测传感器(声学传感器或振动传感器)探测到系统残余噪声e(t)(即d(t)-y(t)，主动控制系统通过监测系统残余噪声e(t)，进行运算，输出对应的控制信号u(t)。空间路径的输出d(t)是待被抑制的噪声信号。s(θ)表示从功放、扬声器、数/模转换器等到监测传感器(声学传感器或振动传感器)处的传递函数，其为理想的模型函数，实际上无法获得，因此本发明中利用其估计模型次级通道频响估计函数进行计算。