柴油發(fā)電機(jī)組排氣噪聲控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

黃東升，鄧冠森，江若薇，林銳

（廈門理工學(xué)院 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門 361024）

隨著我國(guó)社會(huì)的快速發(fā)展，噪聲污染開始逐步成為環(huán)境污染核心之一，噪聲污染不僅會(huì)影響人們的正常生活，嚴(yán)重者會(huì)對(duì)人們的身心健康造成嚴(yán)重影響。傳統(tǒng)的降噪技術(shù)主要是通過降低噪聲的能量來降低噪聲，如：吸聲、隔聲處理、使用消聲器或利用阻尼減振等，這都屬于被動(dòng)降噪。當(dāng)今，現(xiàn)代降噪技術(shù)采用通過采集噪聲信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行處理，利用單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)來推動(dòng)揚(yáng)聲器產(chǎn)生與噪聲信號(hào)幅值相同、相位相反的聲音來抵消噪聲信號(hào)，實(shí)現(xiàn)降噪。本文所闡述的降噪系統(tǒng)通過對(duì)普通發(fā)電機(jī)組行靜音改造，并構(gòu)建主動(dòng)降噪系統(tǒng)來進(jìn)一步降低噪音。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

主動(dòng)降噪系統(tǒng)可分為前饋主動(dòng)降噪系統(tǒng)、反饋主動(dòng)降噪系統(tǒng)和多通道主動(dòng)降噪系統(tǒng)。本系統(tǒng)使用魯棒性較好的前饋主動(dòng)降噪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以DSP TMS320F2812為主控芯片，結(jié)合相關(guān)外設(shè)和音頻處理模塊等構(gòu)建該控制系統(tǒng)。其主動(dòng)降噪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示

圖1 主動(dòng)降噪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，發(fā)電機(jī)組發(fā)出的周期性排氣噪聲作為初級(jí)聲源，將非聲學(xué)傳感器采集的同步信號(hào)按一定線性關(guān)系轉(zhuǎn)化為頻率值傳入DSP控制器作為輸入之一，另外，通過麥克風(fēng)傳感器檢測(cè)DSP控制器經(jīng)音頻處理模塊和揚(yáng)聲器發(fā)出的次級(jí)聲源與初級(jí)聲源的誤差反饋到DSP控制器作為輸入之一，當(dāng)誤差趨于0，說明設(shè)計(jì)的降噪系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)降噪產(chǎn)生“靜區(qū)”。其中，DSP控制器采用DSP TMS320F2812，結(jié)合自適應(yīng)濾波算法，不斷更新權(quán)值參數(shù)以產(chǎn)生與初級(jí)噪聲相對(duì)應(yīng)的次級(jí)噪聲。音頻處理模塊用于采集殘余誤差噪聲和輸出次級(jí)噪聲，采用TI的音頻處理芯片TLV320AIC23B構(gòu)建電路，如圖2所示。

圖2 音頻處理模塊

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 主動(dòng)降噪FXLMS算法

如圖3所示為主動(dòng)降噪FXLMS算法，由于噪聲信號(hào)會(huì)隨時(shí)間變化而變化，因此系統(tǒng)的控制器需要根據(jù)某種優(yōu)化準(zhǔn)則（主動(dòng)降噪算法）來對(duì)時(shí)變的噪聲信號(hào)進(jìn)行跟蹤，通過自適應(yīng)濾波器（控制器）Wn(z)產(chǎn)生次級(jí)噪聲y(n)，經(jīng)過S(z)次級(jí)通道后與P(n)初級(jí)噪聲進(jìn)行抵消，使誤差噪聲信號(hào)e(n)趨于0。其中，次級(jí)通道為由AIC23B構(gòu)成的音頻處理模塊、麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器等實(shí)際管道中的物理器件構(gòu)成的通道。

圖3 主動(dòng)降噪FXLMS算法

2.2 次級(jí)通道離線辨識(shí)

次級(jí)通道辨識(shí)可以在線辨識(shí)也可以離線辨識(shí)，但考慮到在線辨識(shí)影響主降噪系統(tǒng)，并且實(shí)際管道系統(tǒng)中，次級(jí)通道幾乎不隨時(shí)間變化，因此采用離線辨識(shí)方法，如圖4所示。

圖4 次級(jí)通道離線辨識(shí)

次級(jí)通道辨識(shí)實(shí)質(zhì)就是為了獲取次級(jí)通道S(z)，通過LMS算法的不斷迭代更新，使得白噪聲ν(n)來

2.3 降噪程序流程及公式

整個(gè)主動(dòng)降噪系統(tǒng)工作分為兩步。第一步是先進(jìn)行次級(jí)通道離線辨識(shí)，將訓(xùn)練結(jié)果保存，第二步是進(jìn)行主動(dòng)降噪FXLMS算法，系統(tǒng)工作流程圖如圖5所示。

圖5 主動(dòng)降噪系統(tǒng)工作流程圖

系統(tǒng)工作具體過程為:⑴ 計(jì)算參考信號(hào)：

⑵ 計(jì)算濾波-X參考信號(hào)：

⑷ 麥克風(fēng)檢測(cè)誤差噪聲信號(hào)e(n)。

⑸ 使用FXLMS算法更新自適應(yīng)濾波器權(quán)值：

3 系統(tǒng)仿真與分析

3.1 次級(jí)通道MATLAB計(jì)算機(jī)仿真

基于LMS算法的次級(jí)（單）通道辨識(shí)仿真參數(shù)設(shè)置：實(shí)驗(yàn)采樣點(diǎn)數(shù)為1000；參考輸入信號(hào)采用白噪聲；未知系統(tǒng)的自適應(yīng)濾波器Sh為FIR濾波器，階數(shù)為15階；

系統(tǒng)初級(jí)通道參數(shù)設(shè)置為Pw=[0.01 0.25 0.5 1 0.5 0.25 0.01]；

次級(jí)通道參數(shù)設(shè)置為Sw=Pw★0.25；

通過設(shè)置不同的步長(zhǎng)因子u為0.02、0.06、0.12觀察其對(duì)辨識(shí)結(jié)果的影響，仿真結(jié)果如圖6所示，(a) 、(b) 、(c)分別對(duì)應(yīng)u=0.02，u=0.06，u=0.12。

從圖6仿真結(jié)果來看，若步長(zhǎng)因子較小，雖然收斂速度較慢，但可以識(shí)別出次級(jí)通道，如圖6中(a)所示；提高步長(zhǎng)因子，收斂速度有所提升，也可以識(shí)別出次級(jí)通道，如圖6中(b)所示；但若布長(zhǎng)因子太大，則無法收斂，并且無法識(shí)別出次級(jí)通道，系統(tǒng)失調(diào)，如圖6中(c)所示； 因此，在平衡系統(tǒng)穩(wěn)定性和收斂速度間，本次仿真則中選擇u=0.06。

圖6 不同步長(zhǎng)因子的辨識(shí)結(jié)果

3.2 基于FX-LMS算法的ANC系統(tǒng)MATLAB仿真

以上述次級(jí)通道辨識(shí)結(jié)果代入到FX-LMS算法，進(jìn)行降噪系統(tǒng)的仿真。仿真參數(shù)設(shè)置與上訴一致，步長(zhǎng)因子取u=0.06，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 ANC系統(tǒng)仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出，Noice residue（殘余噪聲）逐漸趨于0，并且從控制器產(chǎn)生的噪聲信號(hào)和殘余噪聲的差值曲線，即Control signal來看，其與噪聲信號(hào)幾乎重合，也說明殘余噪聲趨于0，說明FXLMS算法對(duì)輸入的高斯白噪聲有較好的降噪效果。

4 總結(jié)

工廠里發(fā)電機(jī)的排氣噪聲一方面會(huì)導(dǎo)致機(jī)器設(shè)備的聲疲勞，減少其使用壽命，另一方面還會(huì)逐步影響工人的身心健康，引發(fā)工作事故。本系統(tǒng)通過靜音油箱結(jié)合管道主動(dòng)降噪的方法能有效降低發(fā)電機(jī)噪聲污染，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。