室内降噪

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file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml2436\wps1.png      室内消噪系统的研究


摘  要：随着社会的飞速发展，人们生活水平不断提高，人们的各种生命活动下直接或者间接的产生了大量影响人们正常生活的噪声。本文主要研究的是室内风扇噪声对人们正常生活的影响以及怎样降低和消除室内风扇的噪声。提出一种多通道前馈主动噪声控制系统设计方案，并在此基础上，采集真实的风扇噪声信 号，利用MATLAB对多通道Filtered X-Least Mean Square(FX-LMS)算法进行了仿真和分析；实验结果验证了该方案的有效性。


关键词：室内噪声；主动噪声控制；Filtered X-Least Mean Square(FX-LMS)算法

Research on indoor noise elimination system

Abstract：With the rapid development of society, people's living standards are constantly improving, and people's various life activities directly or indirectly produce a lot of noise that affects people's normal life. This paper mainly studies the influence of indoor fan noise on people's normal life and how to reduce and eliminate the noise of indoor fan. In this paper, a multi-channel feedforward active noise control system design scheme, and on this basis, the collecting real fan noise Number, using MATLAB to multi-channel Filtered X-ray further Mean Square (FX - LMS) algorithm for the simulation and analysis; Experimental results verify the effectiveness of the proposed scheme.


Key Words:Indoor noise; Active noise control; Filtered X-Least Mean Square(FX-LMS) algorithm









1.绪论


1．1 研究背景
噪声即噪音，是一类引起人烦躁、或音量过强而危害人体健康的声音。 噪声通常是指那些难听的，令人厌烦的声音。噪音的波形是杂乱无章的。从环境保护的角度看，凡是影响人们正常学习，工作和休息的声音凡是人们在某些场合“不需要的声音”，都统称为噪声。如机器的轰鸣声，各种交通工具的马达声、鸣笛声，人的嘈杂声及各种突发的声响等，均称为噪声。噪声污染属于感觉公害，它与人们的主观意愿有关，与人们的生活状态有关，因而它具有与其他公害不同的特点。
居室内噪声来源于室内和室外两部分,主要有以下几个方面:
交通运输噪声:交通运输产生的噪声占城市噪声的75%严重影响城市居民生活。
工业机械噪声:各种工业器械产生的撞击、摩擦、喷射以及振动的声响。
城市建筑噪声:道路建设、基础设施建设以及各种建筑物建设改造或者百姓家庭的装修都属于城市建筑噪声。
社会生活和公共场所噪声:如公共场所的人群聚会声、喇叭声或者嘈杂声等。
家用电器噪声:如冰箱工作时发出的声音。
其他噪声:如隔壁房间的吵闹声、高层住宅楼上和楼下的管道声、水流声等。
室内消噪，是人类提高生活质量，加强环境保护的一个重要环节。为了人们有一个舒适安静的生活环境室内生活环境的噪声消除已经迫在眉睫。
1.2国内外室内消噪的发展状况
我国室内噪声污染的研究起步较晚，20世纪70年代以前我国噪声研究侧重于工业噪声的污染，研究领域主要集中在消声、吸声、隔声等方面。70年代,中国科学院声学研究所等单位对全国70多个城市环境噪声进行了调查,并在此基础上提出了一些评价指标和噪声环境标准。但这一时期我国室内噪声的研究仍然停留在普查阶段，噪声研究尚处在试点范围，改革开放以来，我国室内噪声污染的研究进入了快速发展时期。
    2. 研究意义和研究内容
2.1研究意义

随着国民总体意识和素质的提高，对于噪音防止的要求越来越高，越来越多的个人和机构从观念上改变，开始希望改善袭击生活环境和工作环境，渴望从生活噪音和公共噪音中解放，提高自己的生活质量，对自己的身体健康负责。

人

的一生有三分之一的时间在睡眠中度过，

近几年在防水、室内污染等方面的问题明显增加，其中针对噪音的投诉居首，噪音污染对人们的生活易造成无处不在的困扰。

采用先进的技术措施解决噪声污染对临街住宅的危害具有十分重要的意义和价值。可以满足临街居民对住宅舒适度的要求，尽量减少临街居民关注的临街住宅的噪声污染问题，还会有利的控制噪声污染，使临街居民能够生活安宁幸福，这不仅有利于提高居民的居住水平和生活质量，采用先进的技术解决噪声污染，对促进社会经济的快速发展有着深远的意义。

2.2研究内容
由于现代人们工作和生活时间基本都在室内，而风扇、空调等设备 产生的低频噪声传播距离远，衰减慢，大部分都会被人体接收， 因此室内环境质量对人们的身体健康具有更加直接的影响。同时 传统的被动噪声控制方法对低频段噪声控制效果不佳，而主动噪 声控制(Active Noise Control,ANC) [1] 技术的出现很好地解决了这个 问题，该方法对低频段噪声控制效果比较好，而且系统设计起来 简单、方便。自从主动噪声控制系统研究以来，就受到了人们的 广泛关注，主动噪声控制方法已经普及到了日常生活领域和工业 领域等。针对房间内风扇产生的大量低频噪声，同时为了扩大抵 消范围，获得足够的降噪量，本文设计了一种多通道前馈主动 噪声控制系统，采集了真实的风扇噪声信号，以MATLAB为实 验平台进行多通道FX-LMS算法的仿真。仿真结果表明，该控 制系统对低频段噪声具有较好的降噪效果。
3.风扇噪声分析
风扇的作用在于产生足够的压力使需要的气体能够通过[2,3] 。 风扇的结构有很多种，但是大体上风扇噪声的组成成分有以下两 种，风扇噪声一般是由旋转噪声和絮流噪声两部分组成[2,3] 。其中 主要噪声成分为旋转噪声。 旋转噪声是窄带噪声，源自于叶片的周期性运动从而引起 空气压力脉冲而激发的噪声[2,3] 。这一部分噪声主要是低频离散 噪声，其频率可由(1)式计算：
                          file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml2436\wps2.png                     （1）
其中，Z为风扇的叶片数；n为风扇的转速 (r/min)；k为不 同的谐波次数，k=1,2,3……。 絮流噪声的成因是叶片与空气相互作用产生涡流，涡流分 裂相互挤压碰撞，从而形成一种不稳定的流动噪声[2,3] 。絮流噪 声属于宽带噪声，其峰值频率由(2)式计算：
file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml2436\wps3.png                          （2）
4. 多通道主动噪声控制系统
当噪声场位于一定范围内的时候，若使用一个扬声器和误差传感器去抵消原始噪声则不能获得很好的降噪效果，这时需要考虑设计带有多个参考传感器、多个次级扬声器和多个误差传感器的多通道ANC系统。从控制器的构成来看，多通道与单通道系统并没有本质区别，构成多通道自适应算法的原理与单通道算法是一样的[4] 。带有J个参考传感器、K个次级扬声器和M 个误差传感器的多通道主动噪声控制系统如图1所示。

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图1 多通道前馈主动噪声控制系统示意图
初级噪声通过J个参考传感器形成参考信号矢量xj (n)，xj (n)， j=1,2,……J；自适应控制器采用多通道FX-LMS算法计算得到K个次级信号yk(n)，k=1,2,……K，经过功率放大器放大后驱动次级扬声器；M个误差传感器分别放置在期望的位置拾取残余误差信号后反馈到自适应控制器，从而控制自适应滤波器权系数的更新，这样的更新过程一直进行到系统达到稳定状态。在多通道主动噪声控制系统中，声场的总声势能Ep约等于各个次级声源输出信号的平方和[5]。因此，多通道主动噪声控制系统应使得代价函数达到最小值，该代价函数如(3)式所示。
file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml2436\wps6.png            file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml2436\wps7.png                       （3）
其中，ρ为声介质的密度，c为声音在该介质中的传播速度，pm为声场中第m个次声源造成的声压，M为次级声源个数。由于该函数是一个二次函数，在多通道主动噪声控制系统中就可以应用梯度下降法进行计算[6] 。
5. 多通道FX-LMS算法
在主动噪声控制领域，算法及控制器结构一直是前沿热门课题[6] 。本设
考虑到系统成本、可靠性、技术成熟度等，故采用目前最流行的基于横向滤波器的多通道FX-LMS算法[7] 。 将图1所示的多通道前馈主动噪声控制系统示意图等效为图 2所示的简单框图。

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图2 多通道前馈主动噪声控制系统简化框图

其中，P表示从噪声源到M个误差传感器的M×J个初级通道传递函数Pmj(z)，S表示从K个次级声源到M个误差传感器的M×K 个次级通道传递函数Smk(z)，W表示K×J个自适应滤波器。 在这个基本的多通道前馈主动噪声控制系统中，自适应滤波器W有J个参考输入信号xj(n)，xj(n)是信号矢量x(n)的元素；每个控制器由Wkj(z)表示；输出到次级声源的次级信号为：
                         file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml2436\wps9.pngk=1,2,...K;       （4）
其中xj (n)≡[xj (n) xj (n-1)…xj (n-L+1)]T ，j=1,2,…,J是参考信号矢量。 自适应滤波器的代价函数由(5)式所示的误差信号的平方和来估计： (5)
                         file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml2436\wps10.png              （5）
与单通道前馈主动噪声控制的FX-LMS算法相比，由(6)式来更新每个自适应滤波器的权值向量：
    file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml2436\wps11.png，k=1,2,...K; j=1,2,...J (6)
    其中file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml2436\wps12.png，k=1,2,…K，m=1,2，…,M，j=1,2,…J是滤波后的参考信号矢量。
6. 室内风扇噪声主动降噪系统的设计
针对室内风扇产生的噪声采用多通道前馈主动噪声控制系统来实现降噪，示意图如图3所示。为了将图中所希望区域内的噪声抵消掉形成静区，本设计选用一个参考传感器采集风扇噪声的主要信息，两个扬声器通过扇形排列可以抵消更大范围内的噪声能量形成无声区，两个误差传感器分别用来拾取残余噪声信号并反馈到DSP中通过多通道FX-LMS算法来更新自适应滤波器的权值。
系统信号流程如下：在风扇附近放一个参考传感器用来采集噪声信号；参考传感器将信号转化为电信号后需送至前置放大电路中进行信号的放大，放大后信号通过抗混叠滤波器滤除一些无用的高频分量以防采样后产生频谱混叠，然后通过AD转换模块将模拟信号转化为数字信号后送至DSP处理器中进行自 适应噪声抵消处理；处理后的信号通过DA转换模块、平滑滤波器和功率放大器以驱动扬声器发出与风扇噪声幅度相同、相位 相反的噪声；误差传感器放在所需静区拾取残余误差信号，通过前置放大、抗混叠滤波和AD转换后送至DSP处理器进行滤波器权值的更新，自动调节系统参数，跟随实际情景变化，最大幅度降低噪声。

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图3 室内风扇噪声主动降噪系统示意图

统以TI公司的TMS320VC5509 DSP芯片作为核心处理器，其最高主频为200MHz，自带McBSP接口，支持SPI模式，能够产生串行时钟信号，控制数据传输，满足系统实时性要求。
7. 系统仿真分析
下面给出多通道主动噪声控制系统FX-LMS算法的仿真， 根据图3的设计方案，系统有1个参考传感器，2个次级扬声器 和2个误差传感器，噪声信号是用话筒采集的风扇噪声，主频为100Hz。图4是该风扇噪声的时域和频域图，由图可知抵消前100Hz处有很大的分量。仿真中假定初级通道传递函数为：
P(z)=0.02+0.1z -1- 0.5z -2+z -3+0.05z -4-0.25z -5+0.1z -6
次级通道传递函数分别为：
S11(z)=0.1+0.3z -1 +0.5z -2 +0.3z -3 +0.1z -4
S12(z)=-0.07-0.05z -1-0.02z -2+0.1z -3+0.06z -4
S21(z)=0.11-0.06z -1-0.05z -2+0.01z -3-0.28z -4
S22(z)=-0.1+0.3z -1+0.45z -2-0.31z -3+0.1z -4
其中，S11(z)为第1个次级扬声器到第1个误差传感器的传递函数，S12(z)为第2个次级扬声器到第1个误差传感器的传递函数， S21(z)为第1个次级扬声器到第2个误差传感器的传递函数，S22(z)为第2个次级扬声器到第2个误差传感器的传递函数，自适应滤波器阶数为15阶，自适应步长为0.1，仿真结果如图5～图8所示。 从图5和图7的频谱中可以得知多通道FX-LMS算法具有较好的降噪效果，抵消后风扇噪声在100Hz处的分量明显降低； 从图6和图8可知，理论情况下多通道主动噪声控制系统在误差 传感器1、2处的降噪量分别达到40dB和30dB

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图4 降噪前信号时域和频谱图

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图5 误差传感器1处残余噪声

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图6 误差传感器1处功率谱

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图7 误差传感器2处残余噪声

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图8 误差传感器2处功率谱

结论

针对实际的室内风扇噪声，以尽可能大范围的降低噪声为主，尽可能的解决人们因为噪声所受的困扰，让人们有一个安静的生活和休息的环境，所以本文设计了多通道前馈主动噪声控制系统，通过仿真得知该系统具有较好的降噪效果，可以较好的消除室内风扇所产生的噪声。因此该系统是可以用于实际住房和房间内的噪声抵消，不仅仅局限于风扇所产生的噪声，举一反三其他的家用电器或者别的室内噪声源同样可以用该系统来消除噪声。联系实际生活我们可以很直观的发现本次试验设计是非常有用的只要今后加以改进和完善一定会受到大众的欢迎，因为人们不管是在工作和休息当中都需要一个安静的环境。下一步的工作将致力于在获得足够降噪量的 同时，从硬件上实现该系统的设计方案，将多通道主动噪声控 制推向实际工程。
在本次毕业设计还算比较成功的，但是在过程中还是有一些让人不满意的地方，比如程序设计比较简单，没有能够对室内噪声有更多的研究，然而现实生活中各种各样精密高效的消噪设备对噪声消除之彻底不经让我们感叹在科学技术上追求的永无止境！可以想象伟大的科学技术给我们的生活，工作，娱乐等等各个方面带来了多少的好处，同时也丰富了我们的生活为我们的生活增添了非常多的色彩，就在我们周围到处都是发达的科技。而这些仅仅是我们知道的少之又少的科学知识，还有多的数不胜数的科学知识有待我们发掘。所以我们不仅是要学习校园里我们能学到的科学知识，马上步入社会的我们更要去努力的学习科学知识才不会被这个社会淘汰。此次毕业设计的过程中不仅巩固了我们专业里所学的知识，同时还锻炼了我们的社会观察力、培养了我们的耐心以及不畏艰难的意志力，在各种问题被解决的过程中其实也是非常有成就感，也让我学会了遇到问题先冷静思考自己独立解决问题，实在不行再去请教老师或者同学，这样才不断的能锻炼自己的能力，思维的活跃也能让我们更好的接收老师和同学的建议。
总而言之，此次毕业设计让我从中学到了很多，不仅仅是专业知识，也对自己思维动手能力有了进一步的提升。




参考文献


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[7]蔺诚毅,吴亚锋,陈耿.无人机螺桨噪声主动控制实验[J].科 学技术与工程,2014,9:265-268.



附录A ×××




附录B ×××





致  谢


在完成毕业论文撰写的过程中，首先我得感谢我的指导老师刘老师和梁老师对我的帮助。万事开头难在最开始写论文的时候我就遇到了一些难题，比如：一开始就抱着消极的态度，对待论文的态度不认真敷衍了事，幸好两位老师对我及时的批评才让我端正了态度，把身心投入到撰写毕业论文当中去。还有就是在编写毕业设计的过程中遇到了很多程序和仿真的难题，两位老师都用他们的专业知识耐心的指导我，为我解决了一个有一个的难题，在这里非常感谢两位老师。
在论文的的修改过程中，同样也遇到了很多的麻烦特别是论文重复率的问题自己改来改去重复率总是降不下来，这里还是要感谢两位老师的帮助，每次去找老师他们都会以自己多年的经验和不厌其烦的耐心来指导我怎么样去修改。同时我的同学跟朋友也给了我极大的帮助，我们相互之间讨论程序的编写问题，仿真波形的问题和论文编写格式 重复率问题。在这里同样也要感谢我的同学跟朋友。
最后还要感谢我最爱的家人，大学四年来没有我家人的辛勤付出我不可能走进大学的校园，不可能认识这些可爱的同学跟朋友们，也不可能认识这些敬爱的老师们。在此除了感谢，只能用自己以后的努力跟实际行动来报答我的家人。
时光荏苒，大学四年匆匆而过，期间有苦有甜，有欢笑也有泪水，有汗水也有收获。收获了太多太多，收获了友谊，收获了知识，收获社会上的经验同时也体会到了社会的残酷。二十出头的我们马上就要步入社会了，希望我们都能前程似锦，祝老师们桃李满天下！