有源降噪技术的应用与系统实现.pdf

1、收 稿 日 期 ：1999 -12 -27修 订 日 期 ：2000 -03 -20作 者 简 介 ： 张 珂 （1969 ） ， 男 ， 浙 江 杭 州 人 ， 助 理 工 程 师 ， 主 要 从 事 有 源 降 噪 技 术 、 高 速 数 字 信 号 处 理 技 术 的 研 究 与 产 品 开 发 。有 源 降 噪 技 术 的 应 用 与 系 统 实 现张 珂 ， 俞 国 华（ 中 国 计 量 学 院 机 电 总 厂 ， 浙 江 杭 州310012）摘 要 ： 叙 述 了 有 源 降 噪 技 术 作 为 一 项 噪 声 控 制 领 域 内 的 新 技 术 ， 在 社 会 各 方 面 广 阔

2、 的 发 展 和 应 用 前 景 ， 给 出 了 一个 实 用 结 构 和 实 验 结 果 ， 为 有 源 降 噪 的 工 程 化 做 了 有 益 的 尝 试 。关 键 词 ： 有 源 降 噪 ； 单 片 机 控 制中 图 分 类 号 ：TB535；TP368 .1文 献 标 识 码 ：B文 章 编 号 ：1001 -4551（2000）03 -0027 -03The Application and the Systematic realizationof the Technology of the reduction of Noise with SourceZHAN Kei，YU uo-hu

3、a（The machinery Electric factory of China institute of metrology，Hangzhou 310012）Abstract：The article describes the development and thefuture of the application of the technology of the source -noise -reduction . The article provides a practical structure andtheresult of its experi ment . It a benef

4、itingattempt intheresearchof source -noise -reduction engineering.Key words：source -noise -reduction；single -chip- microcompupter1引 言有 源 噪 声 控 制Active Noise Control， 简 称 为ANC， 是 指 使用 人 为 地 、 有 目 的 地 产 生 的 次 级 声 信 号 去 控 制 原 有 噪 声 的 概念 和 方 法 ， 它 利 用 两 个 声 波 相 消 性 干 涉 或 声 辐 射 控 制 的 原理 ， 通 过 抵 消 声 源 （ 常

5、 称 为 次 级 声 源 ） 产 生 与 被 抵 消 声 源 （ 常称 为 初 级 声 源 ） 的 声 波 大 小 相 等 、 位 相 相 反 的 声 波 辐 射 ， 二 者作 用 结 果 ， 相 互 抵 消 ， 从 而 达 到 降 低 噪 声 的 目 的 ， 在 常 规 噪 声控 制 工 程 中 ， 常 采 用 吸 声 材 料 或 隔 声 构 件 等 的 声 学 处 理 方法 ， 又 叫 无 源 法 ， 这 一 方 法 降 低 中 高 频 噪 声 较 为 有 效 ， 而 对 于低 频 噪 声 ， 由 于 无 源 材 料 的 声 衰 减 性 能 随 频 率 降 低 而 变 差 ，要 取 得 与

6、 中 高 频 同 样 的 降 噪 效 果 ， 就 要 增 加 材 料 的 厚 度 或 容重 。 从 而 使 实 际 治 理 趋 于 “ 庞 大 ” 化 ， 有 时 甚 至 难 以 实 现 。 而有 源 法 在 低 频 是 较 易 实 现 的 ， 理 论 上 消 声 量 可 达 到 很 高 ， 而且 体 积 小 ， 便 于 设 计 和 控 制 。 随 着 现 代 工 业 化 的 发 展 ， 低 频噪 声 愈 来 愈 普 遍 ， 对 人 类 的 正 常 工 作 和 生 活 有 及 其 不 利 的 影响 ， 这 样 ， 有 源 噪 声 控 制 必 将 受 到 人 们 重 视 ， 并 将 有 力 地

7、发展 。有 源 噪 声 控 制 的 应 用 是 及 其 广 泛 的 。 一 是 在 工 业 上 的应 用 ， 比 如 有 很 多 大 型 机 器 ， 如 大 型 柴 油 机 ， 大 型 中 央 空 调 和轴 流 风 扇 ， 这 些 机 器 在 工 作 时 都 会 产 生 大 量 低 频 噪 声 ， 降 低这 些 噪 声 传 统 方 法 是 难 以 实 现 的 ， 而 采 用 有 源 控 制 技 术 就 可以 较 好 地 控 制 这 些 噪 声 ， 甚 至 可 以 达 到 几 十 分 贝 的 降 噪 效果 。有 源 噪 声 控 制 技 术 在 建 筑 学 中 也 有 十 分 重 要 的 应 用

8、。采 用 有 源 控 制 技 术 ， 可 以 有 效 抑 制 建 筑 物 外 部 或 内 部 产 生 的噪 声 ， 降 噪 声 可 达 到5!15dB， 从 而 对 人 们 正 常 的 工 作 、 学 习和 生 活 产 生 极 大 意 义 。 此 外 有 源 噪 声 控 制 技 术 还 可 应 用 于个 人 防 护 和 语 言 通 讯 领 域 ， 如 有 源 护 耳 器 ， 形 面 一 般 的 佩 戴式 耳 机 ， 带 有 香 烟 盒 大 小 的 控 制 器 ， 可 有 效 抑 制 外 界 的 噪 声 ，同 时 又 不 影 响 正 常 的 语 言 交 流 ， 是 一 个 很 好 的 个 人 劳

9、 保 产品 ， 再 如 有 源 降 噪 送 话 器 ， 受 话 器 ， 可 抑 制 噪 声 ， 提 高 语 言 通讯 清 晰 度 ， 可 广 泛 应 用 于 民 用 或 军 用 领 域 。2原 理 及 实 现2.1有 源 降 噪 的 原 理有 源 降 噪 的 基 本 思 想 最 初 是 在 本 世 纪30年 代 ， 由 一 位德 国 人P.lueg首 先 提 出 ， 他 当 时 研 制 出 了 “ 电 子 消 声 器 ” ， 并获 得 了 专 利 。 有 源 降 噪 主 要 是 基 于 声 场 的 空 间 和 时 间 相 干性 。 根 据 声 场 的 线 性 叠 加 原 理 ， 频 率 相 同

10、 且 同 向 传 播 的 两 列声 波 ， 会 在 空 间 中 产 生 相 加 或 者 抵 消 的 干 涉 现 象 ， 根 据 两 列声 波 的 相 位 和 幅 值 关 ， 干 涉 的 结 果 会 导 致 能 量 的 增 加 或 减少 。设 入 射 声 波 （ 初 级 声 源 ） 可 以 写 为 ：P!= Acos（“-ko） （1）则 有 平 均 入 射 声 能 密 度 为 ：E!=P!22!2c=A24!2c（2）现 在 人 为 地 加 上 个 满 足 上 述 相 干 条 件 的 声 波 （ 次 级 声72机 电 工 程2000年 第17卷 第3期Mechanical & Electric

11、al Engineering Magazine Vol .17 No.3 2000源 ）PS=BAcos（A-ko +O） （3）则 叠 加 后 总 的 声 场 平 均 能 量 密 度 为 ：EPc=PP+ PS）22P2c=A24P2c（1 +2BcosO+B2） （4）于 是 空 间 中 任 一 点 在 次 级 声 源 作 用 前 与 后 的 声 级 差 为!LP=10lgEPEPS-10lg（1 +2BcosO+B2） （5）从 式 （5） 可 见 ， 当B接 近1（ 振 幅 相 同 ） ，O接 近K（ 相 位 相反 ） 时 ，!LP的 值 将 较 大 ， 即 可 以 在 一 定 范 围

12、 的 空 间 域 得 到很 大 的 声 衰 减 ， 例 如 当B=0 .95，O=170 时 ，!LP =15dB， 即有15dB的 降 噪 量 ， 这 就 是 有 源 降 噪 的 理 论 依 据 。 图1是 有源 降 噪 控 的 示 意 图 。图1有 源 降 噪 示 意 图它 的 工 作 原 理 是 这 样 的 ， 在 初 源 附 近 设 置 的 采 样 传 声 器采 得 的 初 源 信 号 经 过 一 幅 度 ， 相 位 调 整 电 路 和 反 相 、 放 大 电路 最 终 得 到 抵 消 声 波 （ 次 源 ） ， 在 需 降 噪 区 域 设 置 有 一 误 差 传声 器 ， 将 抵 消

13、 后 的 空 间 剩 余 噪 声 采 集 后 ， 经 过 信 号 处 理 （ 由 单片 机 完 成 ） 产 生 一 控 制 信 号 ， 实 时 控 制 幅 度 、 相 位 调 整 电 路 ，使 抵 消 效 果 最 佳 。2.2单 片 机 控 制 原 理在 有 源 降 噪 控 制 过 程 中 ， 由 于 系 统 中 各 部 件 性 能 随 外 界条 件 的 变 化 而 变 化 ， 因 此 我 们 采 用 了 单 片 机 技 术 ， 使 之 具 有初 步 的 自 适 应 能 力 ， 即 单 片 机 不 断 地 对 参 数 进 行 动 态 调 整 ，维 持 最 佳 降 噪 状 态 。 在 本 系 统

14、 中 使 用PID算 法 来 决 定 参 数的 变 化 速 度 ， 用 逻 辑 判 断 来 确 定 参 数 的 变 化 方 向 。PID算 法的 数 字 化 增 量 表 达 式 为 ：!P（7）=P（7）-P（7 -1）= KPe（7）-e（7 -1） + Kie（7）+ Kde（7）-2e（7 -1）+e（7 -2） （6）式 中KP 比 例 系 数Ki 积 分 系 数Kd 微 分 系 数7 -1 7 -1次 采 样 值P（7） 控 制 量!P（7） 控 制 量 变 化 步 长设 定 被 控 对 象 为 稳 态 噪 声 ， 故 选 用PI调 节 器 ，Kd=0。由 式 （6） 可 见 ， 误

15、 差 越 大 ， 则 调 节 步 长 越 大 。 为 了 减 少 运 算量 ， 加 快 调 节 速 度 ， 对 式 （6） 采 取 分 级 控 制 方 法 ， 控 制 曲 线 分为 四 个 区 域 ， 单 片 机 通 过 判 断 误 差 所 处 的 区 域 ， 得 到 对 应 的控 制 量 。2.3实 现有 源 降 噪 控 制 器 的 实 验 框 图 ， 如 图2所 示 ， 系 统 中 数 控放 大 器 、 数 控 移 相 器 和 单 片 控 制 器 是 系 统 的 基 本 单 元 。数 控 放 大 器 由 运 算 放 大 器 和 模 拟 开 关 组 成 ， 图3是 它 的电 路 原 理 图

16、， 运 算 放 大 器 完 成 放 大 作 用 ， 模 拟 开 关 用 来 切 换放 大 器 的 反 馈 电 阻 ， 从 而 达 到 改 变 增 益 的 目 的 ， 电 路 增 益 可在1!256倍 范 围 内 由 数 字 设 定 。图2有 源 降 噪 控 制 器 电 路 框 图图3数 控 放 大数 控 移 相 器 主 要 由 固 定 延 迟 线 ， 可 调 延 迟 线 和 模 拟 开 关组 成 ， 固 定 延 迟 线 是 一 个 具 有0 .5 精 度 的 等 波 纹 误 差 线 性 相位 滤 波 器 。 可 调 延 迟 线 是 一 个 贝 塞 尔 型 全 通 网 络 ， 通 过 模 拟开

17、关 切 换 滤 波 电 阻 ， 使 得 延 迟 （ 相 位 ） 可 变 ， 如 图4示 。图4可 调 延 迟 线单 片 控 制 器 的 核 心 是8031CPU， 见 图5， 它 的 工 作 过 程我 们 是 这 样 考 虑 的 ： 放 大 后 的 误 差 信 号 首 先 送 入AD转 换器 数 字 化 ， 然 后 送 入8031CPU， 经 过 运 算 及 逻 辑 判 断 ， 产 生 一数 字 控 制 量 ， 控 制 模 拟 开 关 ， 进 而 控 制 放 大 器 的 增 益 和 相 移电 路 的 相 移 改 变 量 ， 以 达 到 最 佳 降 噪 效 果 。 由 于 需 同 时 控 制幅

18、度 和 相 移 两 个 参 数 ， 故 采 用 先 相 移 调 节 ， 后 幅 度 调 节 ， 然 后又 相 移 调 节 的 循 环 方 法 。 在 控 制 过 程 中 采 用 分 级 控 制的 方 法 ， 以 加 快 运 算 速 度 ， 达 到 实 时 、 动 态 调 整 的 目 的 。图5单 片 机 控 制 器2.4实 验 结 果利 用 图2所 示 的 实 验 装 置 在 消 声 室 （3m 5m） 内 进 行 了实 验 ， 在 次 级 源 正 前 方1 .5m外 的 空 间 区 域 ， 测 得 单 频 平 均 降噪 幅 度 达25dB，13倍 频 程 降 噪 幅 度 平 均 为13dB，

19、 实 验 结果 ， 如 表1示 。 （ 下 转 第102页 ）82Mechanical & Electrical Engineering Magazine Vol .17 No.3 2000机 电 工 程2000年 第17卷 第3期从 系 统 集 成 的 角 度 解 决 整 体 规 划 。（4） 充 分 利 用 现 有 资 源 即 要 从 技 术 上 、 经 济 上 、 节 省 投资 等 益 处 ， 以 及 改 造 、 转 移 等 所 付 出 的 代 价 及 长 远 影 响 方 面进 行 分 析 ， 决 定 留 舍 。（5） 企 业 经 营 过 程 重 构 。然 而 ， 由 于CI MS工 程

20、 量 太 大 ， 企 业 的 财 力 有 限 ， 开 发 周期 较 长 ， 故 在CI MS实 施 中 只 能 分 步 进 行 ， 特 别 是 针 对 我 国企 业 在CI MS开 发 过 程 中 始 终 存 在 着 基 础 薄 弱 ， 不 能 适 应CI MS的 发 展 需 要 ， 必 须 实 行 以 严 格 的 培 训 为 先 导 的 分 步 实施 策 略 。3 .3效 益 驱 动 、 重 点 突 破 的 策 略衡 量 一 个 企 业CI MS成 功 与 否 ， 它 产 生 的 经 济 效 益 和 社会 效 益 是 关 键 性 指 标 之 一 ， 因 此CI MS的 开 发 与 应 用 必

21、 须 结合 企 业 的 需 求 分 析 ， 抓 住 重 点 ， 把 和 企 业 效 益 关 系 最 密 切 的 、企 业 最 急 需 、 最 容 易 产 生 效 益 的 部 分 先 开 发 应 用 ， 从 而 尽 快获 得 效 益 。 切 记CI MS是 应 用 工 程 ， 不 是 学 术 研 究 ， 必 须 以解 决 实 际 问 题 为 目 的 ， 采 用 成 熟 技 术 真 正 解 决 实 际 问 题 。 如采 用 邯 郸 的 企 业 内 部 成 本 倒 推 法 的 管 理 机 制 入 手 ， 或 采 用 亚星 的 降 低 物 质 采 购 成 本 ， 逐 步 实 现 零 库 存 的 物 质

22、 管 理 作 为 切入 点 等 ， 围 绕T（ 时 间 ） 、G（ 质 量 ） 、C（ 成 本 ） 、S（ 服 务 ） 四 个 方 面内 容 ， 选 准 突 破 口 ， 实 现 重 点 突 破 。3 .4既 求 实 又 创 新 、 引 入 新 技 术 策 略CI MS的 开 发 与 应 用 ， 首 先 一 定 要 “ 实 ” ， 要 重 效 益 ， 要 遵循 上 述 三 个 策 略 。 但 又 不 能 守 旧 ， 创 新 是 增 强 企 业 竞 争 力 的重 要 手 段 。CI MS的 发 展 必 然 伴 随 新 技 术 的 出 现 ， 如 敏 捷 制造 （AM） ， 虚 拟 公 司 等90年

23、 代 提 出 的 全 新 的 制 造 技 术 概 念 。美 国 政 府 将 敏 捷 制 造 作 为 “21世 纪 企 业 战 略 ” ， 而 敏 捷 制 造 是通 过 虚 拟 公 司 来 实 现 的 。 又 如 ， 为 了 使CI MS具 有 更 好 的 决策 支 持 系 统 ， 依 靠 传 统 的 数 据 库 技 术 已 很 难 满 足 要 求 ， 适 时地 引 入90年 代 兴 起 的 数 据 仓 库 技 术 （DW） 、 联 机 分 析 处 理 技术 （OLAP） 、 数 据 挖 据 技 术 （DM） ， 以 充 分 利 用 现 有 的 数 据 资源 ， 提 取 管 理 决 策 所 需

24、的 信 息 。 因 此 ， 实 施CI MS的 过 程 中适 时 地 引 入 新 的 观 念 ， 实 现 知 识 和 技 术 创 新 ， 才 会 赋 予CI MS新 的 生 命 力 ， 才 能 使 企 业 赢 得 更 大 的 商 机 ， 进 而 赢 得 竞 争 。4小 结企 业CI MS的 开 发 与 应 用 是 一 项 艰 巨 的 漫 长 的 工 作 ， 每一 个 阶 段 都 必 须 严 格 地 进 行 系 统 分 析 ， 系 统 设 计 ， 采 用 不 同的 、 切 实 可 行 的 实 施 策 略 ， 才 能 最 终 使 企 业 通 过CI MS的 开发 ， 成 为 一 个 开 放 的 、

25、 自 我 完 善 和 可 持 续 发 展 的 系 统 ， 提 高 企业 的 生 存 能 力 。参 考 文 献1 熊 铁 生.计 算 机 集 成 制 造 生 产 系 统 的 基 础 工 作 与 规 划J.化 工 自 动 化 及 仪 表.1998，25（1） ：23 -28 .2 韩 坚 ， 崔 亚 军.企 业 信 息 集 成 和 经 营 过 程 重 构 J.工 程设 计CAD及 自 动 化.1997（1） ：6 -9 .3 薛 劲 松 ， 宋 宏 等.CI MS的 总 体 设 计 M.北 京 ： 机 械 工业 出 版 社 ，1997 .4，2 -3 .4 陆 大 雄.钢 铁 工 业CI MS的

26、现 状 问 题 及 前 景 J.工 程 设计CAD及 自 动 化 ，1997（2） ：49 -52 .（ 上 接 第28页 ）表1有 源 消 声 器 对 不 同 频 带 噪 声 的 消 声 效 果中 心 频 率 （hz）消 声 指 数dB单 频13Oct50 10 963 14 1280 23 16100 24 17125 28 16160 30 17200 35 16250 34 14315 32 14400 28 11500 16 6在 实 验 中 我 们 发 现 中 心 频 率50hz和63hz两 个 点 降 噪效 果 不 是 很 好 ， 我 们 认 为 这 是 由 于 电 声 器 件

27、的 非 理 想 性 所 引起 的 ， 实 验 采 用 的 扬 声 器 是 一 个5英 寸 橡 皮 边 单 元 ， 装 在 一个 封 闭 箱 内 ， 该 扬 声 器 箱 在 低 频 段 的 衰 减 和 失 真 必 然 较 大 ，且 存 在 不 少 谐 振 峰 ， 导 致50hz和60hz两 个 频 率 点 降 噪 效 果不 好 ， 另 外 传 声 器 的 非 线 性 也 是 一 个 重 要 原 因 ， 而 单 片 机 只能 进 行 线 性 相 位 ， 线 性 增 益 补 偿 ， 这 有 待 于 今 后 电 声 器 件 性能 的 提 高 及 进 一 步 的 理 论 研 究 。 另 外 在 频 率

28、为500hz以 上时 降 噪 效 果 将 大 幅 下 降 ， 甚 至 会 引 起 啸 叫 ， 经 分 析 一 方 面 是系 统 的 相 位 、 增 益 调 节 细 度 不 够 ， 另 一 方 面 跟 单 片 机 的 执 行速 度 有 关 ， 频 率 越 高 ， 要 求 单 片 机 执 行 速 度 越 快 。3结 束 语该 控 制 器 在 有 源 降 噪 试 验 中 取 得 了 一 定 的 效 果 ， 在 单 频情 况 下 平 均 降 噪 可 达25dB， 但 由 于 本 系 统 是 一 个 单 输 入!单 输 出 系 统 ， 其 降 噪 效 果 有 一 定 的 局 限 性 ， 这 一 点 可

29、采 用 多输 入 多 输 出 系 统 来 改 变 。 另 外 要 着 重 提 高 电 声 器 件 的 性能 ， 减 少 它 们 的 非 线 性 ， 尤 其 是 扬 声 器 箱 ， 在 箱 体 的 设 计 上 要花 一 点 功 夫 ， 以 减 少 低 频 段 的 衰 减 和 失 真 度 。用 单 片 机 充 当 有 源 噪 声 控 制 ， 具 有 成 本 低 ， 电 路 简 单 等一 系 列 优 点 ， 但 它 在 降 噪 效 果 上 也 有 很 大 的 局 限 性 ， 这 跟 它的 执 行 速 度 慢 有 关 。 今 后 的 方 向 是 采 用 数 字 信 号 处 理 （DSP）技 术 ， 但

30、 也 存 在 着 成 本 高 ， 电 路 复 杂 等 缺 点 。参 考 文 献1 杨 楠 等.单 指 向 性 声 源 的 空 间 有 源 消 声 J.应 用 声 学 ，1992，11（5） ：14!192 沙 家 正 等.国 内 外 军 用 有 源 消 噪 声 技 术 及 器 件 情 报 研究 J.电 声 技 术 ，1991，12!193 吕 广 庆.空 间 声 场 有 源 声 吸 收 中 的 多 极 源 结 构.声 学学 报 ，1990，15（3） ：202!2074 贺 加 添.有 源 消 声 耳 机 的 发 展 J.噪 声 与 振 动 控 制 ，1995，6!95 美 阿 瑟 B 威 廉

31、 斯.电 子 滤 波 器 设 计 手 册 M.北 京 ：电 子 工 业 出 版 社 ，1986，234!2686 王 幸 之 等. 80518098单 片 机 原 理 及 接 口 设 计 M.北京 ： 兵 器 工 业 出 版 社 ，1998 .201Mechanical & Electrical Engineering Magazine Vol .17 No.3 2000机 电 工 程2000年 第17卷 第2期有源降噪技术的应用与系统实现作者： 张珂， 俞国华， ZHANG Kei， YU Guo-hua作者单位： 中国计量学院机电总厂,浙江,杭州,310012刊名： 机电工程英文刊名： M

32、ECHANICAL & ELECTRICAL ENGINEERING MAGAZINE年，卷(期)： 2000,17(3)参考文献(6条)1.杨楠 单指向性声源的空间有源消声 1992(05)2.沙家正 国内外军用有源消噪声技术及器件情报研究 19913.吕广庆 空间声场有源声吸收中的多极源结构 1990(03)4.贺加添 有源消声耳机的发展期刊论文-噪声与振动控制 19955.阿瑟B威廉斯 电子滤波器设计手册 19866.王幸之 8051/8098单片机原理及接口设计 1998本文读者也读过(6条)1. 传声器阵列原理与应用期刊论文-电声技术2009,33(11)2. 赵硕.典天书.吴玺宏.

33、迟惠生 一种改进的基于双麦克风阵列的自适应零限波束形成语音增强方法会议论文-3. 李丽.姚仲敏.吴丹.LI Li.YAO Zhong-min.WU Dan 移动通信中回声消除算法的研究期刊论文-测控技术2010,29(4)4. 蔡春芳 HIFU技术中聚焦超声换能器的研究期刊论文-大众科技2010(10)5. 王勇.嵇正毓.WANG Yong.JI Zheng-yu 变压器噪声对居民室内噪声影响分析和控制期刊论文-环境监控与预警2009,1(2)6. 王扇珍.宋辉.刘加.WANG Shanzhen.SONG Hui.LIU Jia 基于一阶差分传声器阵列频域LMS语音增强算法期刊论文-电声技术2010,34(8)引用本文格式：张珂.俞国华.ZHANG Kei.YU Guo-hua 有源降噪技术的应用与系统实现期刊论文-机电工程2000(3)