模拟反馈有源抗噪声系统中控制声源和控制电路的参数优化方法技术方案

本发明专利技术公开了模拟反馈ＡＮＣ系统中控制声源和控制电路的参数优化方法。由误差传声器拾取噪声信号，通过控制器滤波，反相，放大，输入次级扬声器，发出控制声与噪声信号相互作用，通过优化次级通道传递函数，即次级扬声器到误差传声器的传递函数，决定控制器电路参数，选择次级扬声器的谐振频率在欲控制噪声中心频率附近：确定欲控制噪声的中心频率，在１０００Ｈｚ以下；测量次级扬声器到误差传声器的传递函数，取１０００Ｈｚ以下频段；判断传递函数最大值是否在中心频率±５０Ｈｚ范围内，越接近中心频率噪声抑制效果越好，否则换次级扬声器并重复以上步骤。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种模拟反馈ANC系统中控制声源和控制电路的参数优化算法。
技术介绍
随着现代工业的发展，噪声污染已成为一个世界性的问题，二十世纪二十年代，电子学的发展奠定了有源噪声控制(ANC)的基础，开辟了噪声控制的新领域。有源噪声控制ANC(active noise control)，涉及信号处理、自动控制、声学、振动、电子、计算机等众多学科，1933年，德国的PaulLueg初步提出了ANC的基本思想，即在待控制的声场区域建立一个与待消除的声音强度相同、相位相反的声场，即次级声场，利用的干涉原理，人为造成声场的相消干涉，从而消除噪声。在模拟反馈ANC系统中，优化次级通道传递函数可以通过改变控制声源本身频响来完成，也可以通过改变控制声源到误差传声器的声传播路径来完成。对于已系统地优化了控制源和误差传感器位置的有源控制系统，次级通道传递函数的进一步优化可通过设计合适的控制声源来完成。已有的研究一般假设控制源是理想的频率响应平直的扬声器，本专利将优化控制声源的频率响应特性使其在所要求频段有更好的降噪性能。对于模拟控制电路传递函数优化已有大量研究。一般思路就是先构造一个和系统降噪性能有关的代价函数，然后通过优化代价函数得到模拟控制电路的传递函数。本专利将通过经典控制理论中的补偿滤波器原理，以电路中的电阻、电容值直接作为控制器的参数进行优化，以保证所设计控制器的物理可实现性。为获得最优化的参数，提出使用差分演化算法，该算法在其它领域被证明对大多数测试情况有较好的收敛特性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种模拟反馈ANC系统中控制声源和控制电路的参数优化方法。本专利技术方法目的是提出选择谐振频率在要控制噪声中心频率附近的次级扬声器能获得更好的噪声抑制性能；以电路中的电阻、电容值直接作为控制器的参数，构造代价函数，通过差分演化算法进行优化，得到物理可实现的控制器参数最优值。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的一种模拟反馈式有源抗噪声系统控制声源和控制电路的参数优化方法，用误差传声器拾取噪声信号，通过控制器滤波，反相，放大，输入次级扬声器，发出控制声与噪声信号相互作用，达到噪声抑制的目的；通过优化次级通道传递函数，即次级扬声器到误差传声器的传递函数，决定控制器电路参数，其特征是选择次级扬声器的谐振频率在欲控制噪声中心频率附近确定欲控制噪声的中心频率，在1000Hz以下；测量次级扬声器到误差传声器的传递函数，取1000Hz以下频段；判断传递函数最大值是否在中心频率±50Hz范围内，越接近中心频率噪声抑制效果越好，否则更换次级扬声器并重复以上步骤。优化控制器电路参数时根据实际要求提出代价函数，使用差分演化算法优化选择任意具有滤波，反向，放大功能的电路系统，并确定其参数；根据欲抑制的噪声频带范围，系统稳定的要求，“水床效应”导致噪声放大的限制，电路参数物理可实现性要求，设计上述参数的代价函数；用差分演化算法优化上述代价函数，可得全局最优的控制器电路参数。考虑通道间相互影响A.将多通道误差传声器信号，噪声干扰信号，闭环响应(包括次级通道传递函数和控制器频响)表示成矩阵形式；B.用差分演化算法优化上述代价函数，可得全局最优的控制器电路参数。本专利技术的特点是选择谐振频率在要控制噪声中心频率附近的次级扬声器能获得更好的噪声抑制性能；以电路中的电阻、电容值直接作为控制器的参数，构造代价函数，通过差分演化算法进行优化，得到物理可实现的控制器参数最优值。四附图说明图1是反馈控制的有源噪声控制系统原理框图。图2是二阶控制电路。图3是多通道反馈控制系统方框示意图。图4是一阶控制电路。图5是噪声控制效果图(数值模拟)，噪声控制效果图(数值模拟)(a)采用共振频率在150Hz的次级扬声器；(b)采用共振频率在250Hz的次级扬声器图6是噪声控制效果图(实验)，a)采用共振频率在150Hz的次级扬声器；b)采用共振频率在250Hz的次级扬声器图7简化的双通道反馈式有源噪声控制系统示意图。图8是单通道系统噪声衰减量曲线(数值模拟)。图9是单通道系统噪声衰减量曲线(实验)。图10(a)和图10(b)是两路系统控制器参数单通道/多通道优化噪声衰减量曲线比较其中图(a)通道1；图10(b)通道2，其中，虚线为单通道优化结果，实线为多通道优化结果。图11(a)和图11(b)是采用单通道优化的两路系统同时工作时测得的干扰抑制结果。图11(a)是误差传声器1处；图11(b)误差传声器2处采用多通道优化的两路系统同时工作测得的干扰抑制结果图12(a)和图12(b)是采用多通道优化的两路系统同时工作时测得的干扰抑制结果。图12(a)误差传声器1处；图12(b)误差传声器2处五具体实施方式下面通过实施例对本专利技术进行详细说明原理部分图1为相应的模拟反馈式有源噪声控制系统的原理框图。其中G(s)表示反馈控制电路的传递函数，K表示放大器增益，C(s)表示次级通道传递函数(包括延时因子e-jωτ，τ为时延)，u(t)表示次级扬声器发出的控制声信号，d(t)表示外部噪声信号(即控制前误差传声器处的噪声信号)，e(t)为在误差传声器处外部噪声和控制声叠加得到输出信号(即控制后误差传声器处的噪声信号)。从图1知控制后误差传声器处噪声信号为E(s)=D(s)1-KG(s)C(s)]]>假设外部噪声信号的功率谱密度为Sdd(ω)，由上式可知控制后误差传声器处噪声信号功率谱密度为See(ω)=Sdd(ω)|1-KG(jω)C(jω)|2]]>定义控制后噪声衰减量ΔL(ω)=-10log10See(ω)Sdd(ω)=20log10|KG(jω)C(jω)|]]>为了最小化See(ω)，须要优化开环响应KG(jω)C(jω)，在满足系统稳定条件，电路参数物理可实现条件基础上，使See(ω)在要抑制噪声频段内足够小，同时在其它频段范围控制See(ω)的增幅。主要采取如下措施1、优化次级扬声器频响即选择谐振频率在要控制噪声频率附近的扬声器作为次级扬声器。从理论分析可知，当扬声器工作在谐振频率附近时，能发出较大能量的声音。在反馈式有源噪声控制系统中，次级扬声器发出与主级噪声能量相当相位相反的次级噪声与之相互作用，达到噪声控制的目的。所以，当选用谐振频率在要控制噪声频率附近的次级扬声器能有效增加误差传感器处的噪声衰减量。2、优化控制器频响G(jω)放大倍数K由前式可得灵敏度方程S(jω)=E(jω)D(jω)=11-KC(jω)G(jω)]]>C(jω)是次级通道传递函数，K是放大倍数，G(jω)是控制器传递函数，这理选用二阶控制电路来说明。图2是其电路图，可由G1，G2，G3，a，b，r六个参数确定G(jω)=-rω2+jω{r[2(G1+G3)+G2]-aG2-2bG3}+[rG2(G1+G3)-bG本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模拟反馈式有源抗噪声系统控制声源和控制电路的参数优化方法，用误差传声器拾取噪声信号，通过控制器滤波，反相，放大，输入次级扬声器，发出控制声与噪声信号相互作用，达到噪声抑制的目的；通过优化次级通道传递函数，即次级扬声器到误差传声器的传递函数，决定控制器电路参数，其特征是选择次级扬声器的谐振频率在欲控制噪声中心频率附近：Ａ．确定欲控制噪声的中心频率，在１０００Ｈｚ以下；Ｂ．测量次级扬声器到误差传声器的传递函数，取１０００Ｈｚ以下频段；Ｃ．判断传递函数最大值是否在中心频率±５０Ｈｚ范围内，越接近中心频率噪声抑制效果越好，否则更换次级扬声器并重复以上步骤。

【技术特征摘要】
1.一种模拟反馈式有源抗噪声系统控制声源和控制电路的参数优化方法，用误差传声器拾取噪声信号，通过控制器滤波，反相，放大，输入次级扬声器，发出控制声与噪声信号相互作用，达到噪声抑制的目的；通过优化次级通道传递函数，即次级扬声器到误差传声器的传递函数，决定控制器电路参数，其特征是选择次级扬声器的谐振频率在欲控制噪声中心频率附近A.确定欲控制噪声的中心频率，在1000Hz以下；B.测量次级扬声器到误差传声器的传递函数，取1000Hz以下频段；C.判断传递函数最大值是否在中心频率±50Hz范围内，越接近中心频率噪声抑制效果越好，否则更换次级扬声器并重复以上步骤。2.根据权利要求1所述模拟反馈有源抗噪声系统中控制声源和控制电路的的方法，其特征是优化控制器电路参数时根据实际要求提出代价函数，使用差分演化算法优化A.选择任意具有滤波，反向，放大功能的电路系统，并确定其参数；B.根据欲抑制的噪声频带范围，系统稳定的要求，“水床效应”导致噪声放大的限制，电路参数物理可实现性要求，设计上述参数的代价函数；C.用差分演化算法优化上述代价函数，可得全局最优的控制器电路参数。3.根据权利要求1所述的模拟反馈有源抗噪声系统中控制声源和控制电路的的方法，其特征是控制后误差传声器处噪声信号为E(s)=D(s)1-KG(s)C(s)]]>其中G(s)表示反馈控制电路的传递函数，K表示放大器增益，C(s)表示次级通道传递函数(包括延时因子e-jωτ，τ为时延)，D(s)表示外部噪声信号(即控制前误差传声器处的噪声信号)，E(s)为在误差传声器处外部噪声和控制声叠加得到输出信号(即控制后误差传声器处的噪声信号)；并由此可定义灵敏度方程S(jω)=E(jω)D(jω)=11-KC(jω)G(jω)]]>假设外部噪声信号的功率谱密度为Sdd(ω)，由上式可知控制后误差传声器处噪声信号功率谱密度为See(ω)=Sdd(ω)|-1KG(jω)C(jω)|2]]>定义控制后噪声衰减量ΔL(ω)=-10log10See(ω)Sdd(ω)=20log10|KG(jω)C(jω)|]]>为了最小化See(ω)，须要优化开环响应KG(jω)C(jω)，在满足系统稳定条件，电路参数物理可实现条件基础上，使See(ω)在要抑制噪声频段内足够小，同时在其它频段范围控制See(ω)的增幅；首先是优化次级通道传递函数C(jω)，即次级扬声器到误差传声器的传递函数，选择次级扬声器的谐振频率在欲控制噪声中心频率附近优化控制器电路传递函数G(jω)和放大器增益K，根据实际要求提出合适的代价函数，使用差分演化算法优化，主过以下步骤实现A.选择任意具有滤波，反向，放大功能的电路系统，确定其参数x＝[x1...xn]T，可由具体的电路元件表示，如电阻、电容、电感，放大倍数等；B.根据以下四个方面的内容规定上述参数的代价函数...

【专利技术属性】
技术研发人员：祖峰磊，吴鸣，邱小军，李宁荣，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]