一種消除渦漿飛機(jī)艙內(nèi)低頻窄帶噪聲的有源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：本文針對(duì)渦槳飛機(jī)艙內(nèi)的低頻窄帶噪聲，設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)有源噪聲控制系統(tǒng)。選用TI公司的TMS320VC5509 DSP芯片和AIC23B音頻芯片構(gòu)成核心控制器，采用最常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)自適應(yīng)算法——FxLMS算法計(jì)算次級(jí)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于頻率在500Hz以下的低頻窄帶噪聲，能夠取得平均約9dB的降噪量。

關(guān)鍵詞：低頻噪聲；DSP；FxLMS

中圖分類號(hào)：TN912 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

由于支線客機(jī)、支線運(yùn)輸機(jī)、民用直升機(jī)、農(nóng)用飛機(jī)的巨大市場(chǎng)以及國(guó)家相關(guān)政策的扶持，使渦槳飛機(jī)的發(fā)展前景非常廣闊。然而，隨著渦槳飛機(jī)性能的日益提高，與之相矛盾的飛行器噪聲會(huì)隨著它的速度、載重量的提高、發(fā)動(dòng)機(jī)功率的增大等諸多因素日益突出。渦漿飛機(jī)的艙內(nèi)噪聲會(huì)嚴(yán)重影響乘客的語(yǔ)言交流、睡眠休息，甚至身心健康，還會(huì)影響機(jī)組人員的工作狀態(tài)及與地面人員之間的通信，可見(jiàn)渦漿飛機(jī)艙內(nèi)噪聲危害巨大。為了獲得可以接受的噪聲級(jí)水平，通常采用無(wú)源噪聲控制方法，比如填充大量的吸聲材料或安裝動(dòng)力吸振器，但這些傳統(tǒng)方法只對(duì)降低中高頻噪聲有效，且改進(jìn)余地越來(lái)越小，關(guān)鍵是對(duì)集中了較大能量的低頻噪聲不但不起作用，反而會(huì)增加飛機(jī)重量。一種有效的解決辦法就是采用有源噪聲控制技術(shù)，這種技術(shù)既能降低低頻噪聲又不至于增重過(guò)大。

1 渦漿飛機(jī)艙內(nèi)低頻噪聲分析

螺旋槳噪聲是渦槳飛機(jī)艙內(nèi)噪聲的主要來(lái)源，典型頻譜是在寬帶噪聲背景下疊加的一系列窄帶噪聲。槳葉上的隨機(jī)脈沖載荷產(chǎn)生寬帶噪聲，周期性載荷產(chǎn)生窄帶噪聲。窄帶噪聲的頻率分別為槳葉通過(guò)頻率和它的各次諧波頻率，且能量集中在500Hz以下的低頻區(qū)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)工程師總是力求最優(yōu)的螺旋槳性能，以提高飛機(jī)性能，但這導(dǎo)致渦漿飛機(jī)的低頻窄帶噪聲進(jìn)一步增加。圖1給出了渦槳飛機(jī)中的典型低頻窄帶噪聲，可以看出噪聲能量主要集中在0～500Hz。

2 有源噪聲控制系統(tǒng)原理

前饋式有源噪聲控制系統(tǒng)可以獲取參考信號(hào)，系統(tǒng)的降噪量、穩(wěn)定性明顯優(yōu)于反饋式。系統(tǒng)原理如圖2所示，噪聲源產(chǎn)生原始噪聲，參考傳感器監(jiān)聽(tīng)后發(fā)出參考信號(hào)，并輸入到自適應(yīng)控制器。控制器根據(jù)自適應(yīng)算法，計(jì)算出次級(jí)信號(hào)并由次級(jí)聲源發(fā)出次級(jí)聲，次級(jí)聲與原始噪聲相互抵消。同時(shí)，誤差傳感器采集抵消后的誤差信號(hào)并送回控制器，控制器不斷調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)進(jìn)而改變次級(jí)聲的振幅和相位，以減小抵消誤差，直至滿足預(yù)設(shè)目標(biāo)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件采用TI公司生產(chǎn)的TMS320VC5509 DSP芯片和AIC23B音頻芯片作為控制核心。其中，AIC23B芯片內(nèi)部集成了放大電路、抗混疊濾波電路、平滑濾波電路以及ADC和DAC，可以在8kHz～96kHz的頻率范圍內(nèi)提供16bit、20bit、24bit和32bit的采樣，ADC和DAC的輸出信噪比分別可以達(dá)到90dB和100dB。本系統(tǒng)針對(duì)的是渦槳飛機(jī)艙內(nèi)的低頻窄帶噪聲，頻率在500Hz以下，為保證不失真，采樣頻率設(shè)置為4kHz，轉(zhuǎn)換位數(shù)設(shè)置為16bit，AIC23B與DSP的連接如圖3所示。

4 系統(tǒng)算法與次級(jí)通路辨識(shí)方法

4.1 FxLMS算法

系統(tǒng)自適應(yīng)算法選擇主要從4個(gè)方面考慮，分別是任務(wù)特征、收斂速度、運(yùn)算量、系統(tǒng)誤差。為了便于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，本文采用最常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)自適應(yīng)算法——FxLMS算法，用以計(jì)算次級(jí)信號(hào)，這種算法處理低頻窄帶噪聲的綜合效果較好。算法權(quán)矢量迭代公式：

W（n+1）=W（n）-2μe （n）r（n） （1）

r（n） =x（n）×hs （n） （2）

μ是收斂系數(shù)，用于控制收斂速度和系統(tǒng)穩(wěn)定性；e （n）是誤差信號(hào)；r（n） 是濾波-x信號(hào)，x（n）是參考信號(hào)，hs （n）是次級(jí)通路傳遞函數(shù)的脈沖響應(yīng)?？梢钥闯?，參考信號(hào)和誤差信號(hào)一起控制FxLMS算法的權(quán)矢量更新。

4.2 次級(jí)通路辨識(shí)方法

FxLMS算法的權(quán)矢量迭代公式中包含一項(xiàng)濾波-x信號(hào)矢量，它是參考信號(hào)矢量和次級(jí)通路脈沖響應(yīng)的卷積，因此，必須先獲取次級(jí)通路的傳遞函數(shù)。由于次級(jí)通路特性在整個(gè)噪聲控制過(guò)程中保持不變，因此，次級(jí)通路辨識(shí)可以離線建模。這里采用附加隨機(jī)噪聲法：由DSP內(nèi)部產(chǎn)生隨機(jī)白噪聲作為次級(jí)通路的激勵(lì)，然后執(zhí)行次級(jí)通路的迭代，權(quán)矢量更新采用LMS算法，待次級(jí)通路濾波器穩(wěn)定后，將次級(jí)通路濾波器權(quán)系數(shù)固定不變，代入FxLMS算法進(jìn)行自適應(yīng)有源噪聲控制過(guò)程。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括主程序、次級(jí)通路辨識(shí)程序、有源噪聲控制程序3部分。主程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)初始化和中斷子程序控制，如圖4所示。

進(jìn)入中斷后，先調(diào)用次級(jí)通路辨識(shí)程序，進(jìn)行次級(jí)通路濾波器的迭代。當(dāng)次級(jí)通路濾波器進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，將其權(quán)系數(shù)固定不變代入FxLMS算法，之后的中斷均進(jìn)入有源噪聲控制程序，進(jìn)行FxLMS濾波器權(quán)系數(shù)的迭代，并產(chǎn)生次級(jí)信號(hào)。次級(jí)通路辨識(shí)程序和有源噪聲控制程序分別如圖5和圖6所示。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

系統(tǒng)利用虛擬信號(hào)分析儀產(chǎn)生與渦槳飛機(jī)艙內(nèi)噪聲特性近似的低頻窄帶噪聲，頻率設(shè)定在500Hz以下。為了便于分析和避免聲反饋問(wèn)題，將參考信號(hào)輸入端、誤差信號(hào)輸入端、次級(jí)信號(hào)輸出端以線連方式與虛擬信號(hào)分析儀直接相連。通過(guò)反復(fù)調(diào)整，確定次級(jí)通路辨識(shí)濾波器的階數(shù)為32，步長(zhǎng)為0.015，自適應(yīng)控制器濾波器的階數(shù)為64，步長(zhǎng)為0.003。圖7是系統(tǒng)降噪結(jié)果，平均取得約9dB降噪量。

結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)渦槳飛機(jī)艙室中的低頻窄帶噪聲，設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)有源噪聲控制系統(tǒng)。選用TI公司的TMS320VC5509 DSP芯片和AIC23B音頻芯片構(gòu)成核心控制器，采用最常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)自適應(yīng)算法——FxLMS算法計(jì)算次級(jí)信號(hào)，另外，采用附加隨機(jī)噪聲法實(shí)現(xiàn)次級(jí)通路辨識(shí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于頻率在500Hz以下的低頻窄帶噪聲，能夠取得平均約9dB的降噪量。

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