產(chǎn)教融合視角下窄帶主動(dòng)噪聲控制技術(shù)研究

馬亞平 張相勝

[摘 要] 以產(chǎn)教融合為視角，構(gòu)建“雙主體一紐帶”校企合作模式，以高校和企業(yè)為雙主體、以校企合作平臺(tái)為紐帶，結(jié)合企業(yè)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行降噪需求分析，從噪聲控制系統(tǒng)的方案選擇與設(shè)計(jì)、不同控制結(jié)構(gòu)對(duì)比等方面分析高校層面技術(shù)狀況，深入開展產(chǎn)教融合視角下窄帶主動(dòng)噪聲控制關(guān)鍵技術(shù)分析與討論。結(jié)合企業(yè)主體需求，依托高校結(jié)合具體降噪對(duì)象，充分分析窄帶主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)高校與企業(yè)的雙主體產(chǎn)教融合，促進(jìn)高?？蒲谐晒虍a(chǎn)業(yè)生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化。

[關(guān)鍵詞] 產(chǎn)教融合;校企合作;主動(dòng)噪聲控制;降噪

[基金項(xiàng)目] 2019年度江蘇省高等教育教改立項(xiàng)研究課題“智能時(shí)代自動(dòng)化新工科人才培養(yǎng)模式研究”（2019JSJG075）;2019年度教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“智能制造下的機(jī)器視覺、電氣控制及PLC實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)研究”（201902280003）

[作者簡(jiǎn)介] 馬亞平（1986—），男，河南虞城人，工學(xué)博士，江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院自動(dòng)化系講師，主要從事自適應(yīng)信號(hào)處理算法研究;張相勝（1977—），男，山東煙臺(tái)人，工學(xué)博士，江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院自動(dòng)化系副教授，主要從事工業(yè)過程的優(yōu)化、建模與控制研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2021）42-0037-04? ? [收稿日期] 2021-05-24

一、產(chǎn)教融合背景

隨著2017年國(guó)務(wù)院辦公廳《關(guān)于深化產(chǎn)教融合的若干意見》的出臺(tái)，指出高等院校要高屋建瓴地跳出教育看教育、跳出知識(shí)看知識(shí)、跳出學(xué)?？磳W(xué)校，并根據(jù)學(xué)校、學(xué)科、學(xué)生的實(shí)際情況，利用更先進(jìn)的教育理念和技術(shù)手段，建設(shè)一流高校、一流學(xué)科[1]。2020年1月教育部辦公廳發(fā)布《教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目管理辦法》，要求深化產(chǎn)教融合、產(chǎn)學(xué)合作、協(xié)同育人，為校企合作的進(jìn)一步落實(shí)提供政策支持。在此背景下，開展產(chǎn)教融合模式背景下的窄帶主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)與應(yīng)用研究的教育教學(xué)方法改革顯得尤其重要。

二、產(chǎn)教融合模式的構(gòu)建

本研究的立意是針對(duì)產(chǎn)教融合、校企合作的時(shí)代背景和現(xiàn)狀，構(gòu)建產(chǎn)教融合的教學(xué)模式，探索在新工科背景下以科研項(xiàng)目為載體的教育教學(xué)方法，加強(qiáng)科研項(xiàng)目學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，講授專業(yè)有關(guān)的前沿知識(shí)和技術(shù)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，同時(shí)要求高校教師不斷更新知識(shí)，提升教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量[2]。本研究構(gòu)建的“雙主體一紐帶”產(chǎn)教融合、校企合作模式如圖1所示。

圖1中，構(gòu)建的產(chǎn)教融合、校企合作模式的主要由三部分構(gòu)成，分別是：雙主體（高校、企業(yè)）和一紐帶（校企合作平臺(tái)）。三部分互相合作，各司其職。企業(yè)層面主要以項(xiàng)目需求牽引為引導(dǎo)，通過創(chuàng)新技術(shù)解決瓶頸問題，研制出具有生產(chǎn)力的產(chǎn)品，并進(jìn)行逐步推廣應(yīng)用。高校層面主要從項(xiàng)目論證的角度，優(yōu)化學(xué)科體系建設(shè)，明確學(xué)科發(fā)展方向;加強(qiáng)應(yīng)用型師資隊(duì)伍建設(shè)，健全相應(yīng)的支持機(jī)制，鼓勵(lì)開展科學(xué)研究與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的有機(jī)結(jié)合。三部分相互協(xié)作，互相促進(jìn)。高校能夠有效地為校企合作平臺(tái)提供技術(shù)支持和智力資源，而校企合作平臺(tái)可為學(xué)校主體提供豐富的設(shè)備資源，提供有效的人才培訓(xùn)資源，促進(jìn)學(xué)科的健全發(fā)展，優(yōu)化師資隊(duì)伍結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)高質(zhì)量人才。企業(yè)根據(jù)市場(chǎng)需求提出相應(yīng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)設(shè)想，反饋給校企合作平臺(tái)，開展合作研究，解決實(shí)際中應(yīng)用需求。

結(jié)合上述產(chǎn)業(yè)和教育的大融合背景，本研究將在自身從事的專業(yè)領(lǐng)域，即主動(dòng)噪聲控制理論與應(yīng)用方面，開展產(chǎn)教融合、校企合作的模式探索與設(shè)計(jì)，把實(shí)驗(yàn)室取得的理論研究成果與實(shí)際應(yīng)用需求有機(jī)結(jié)合，促進(jìn)高校科研成果向產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化。

三、企業(yè)層面降噪需求現(xiàn)狀分析

鑒于工業(yè)噪聲污染帶來聽力健康惡化、生產(chǎn)安全隱患等諸多不利影響，研究有效的噪聲抑制技術(shù)正在凸顯出其重要性和迫切性。傳統(tǒng)的被動(dòng)噪聲控制技術(shù)受控制裝置的體積、成本等因素的制約，導(dǎo)致對(duì)低頻噪聲的抑制性能不足。與之相比，主動(dòng)噪聲控制技術(shù)利用聲波的相消干涉原理，通過電聲裝置產(chǎn)生與原始噪聲幅值相同相位相反的次級(jí)噪聲（反噪聲），實(shí)現(xiàn)次級(jí)噪聲與原始噪聲疊加，具有良好的低頻噪聲抑制性能。該技術(shù)具有體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，適用于控制低頻諧波噪聲和音頻范圍內(nèi)的噪聲，是對(duì)傳統(tǒng)的被動(dòng)噪聲控制技術(shù)的有利補(bǔ)充，成為噪聲控制領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向[3]。

現(xiàn)今由于主動(dòng)降噪存在著成本相對(duì)較高、技術(shù)方案有局限性的問題，在一定程度上制約其在風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等旋轉(zhuǎn)設(shè)備中的應(yīng)用。

企業(yè)可以為高校提供完善的案例教學(xué)資源和實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)，促進(jìn)理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐應(yīng)用的有機(jī)結(jié)合，不僅調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，還提高了教師的工作效率。通過校企合作平臺(tái)，企業(yè)層面可以直接把技術(shù)方案設(shè)計(jì)中可能遇到的問題，提出有效的解決方案，促進(jìn)項(xiàng)目的順利完成。

四、高校層面降噪研究現(xiàn)狀

高校層面關(guān)于主動(dòng)噪聲控制技術(shù)已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，通過校企合作平臺(tái)，加強(qiáng)技術(shù)交流溝通，學(xué)校研究能力可為企業(yè)提供可靠的技術(shù)支持。實(shí)際工作環(huán)境中存在大量由切割機(jī)、風(fēng)扇、發(fā)動(dòng)機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生的周期性有害噪聲，其窄帶分量占主導(dǎo)成分，是常見的窄帶噪聲。窄帶主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)通過測(cè)量頻率作為參考信號(hào)，便于開展控制，對(duì)噪聲抑制更高效;通過設(shè)計(jì)出高效系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制算法，更容易實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用于實(shí)際。窄帶主動(dòng)噪聲控制屬于主動(dòng)噪聲控制研究領(lǐng)域的重要分支，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從控制結(jié)構(gòu)和算法角度，沿著改善系統(tǒng)在穩(wěn)定性、收斂速度、追蹤能力、計(jì)算量等方面，做了大量研究工作，取得了諸多成果。

下面主要結(jié)合實(shí)際降噪需求，包括應(yīng)用場(chǎng)景和噪聲來源特點(diǎn)等，給出不同的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要分為以下三種典型結(jié)構(gòu)：前饋型;反饋型;前反饋混合型[3]。

（一）前饋型窄帶主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)

本研究主要結(jié)合管道應(yīng)用場(chǎng)合，開展主動(dòng)降噪理論和實(shí)驗(yàn)研究。由切割機(jī)、風(fēng)扇、發(fā)動(dòng)機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生的周期性的窄帶噪聲，可以通過非聲學(xué)傳感器（如轉(zhuǎn)速計(jì)等）獲得，進(jìn)而獲得目標(biāo)噪聲的主要頻率分離。典型的前饋型窄帶主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，非聲學(xué)傳感器可能存在老化、磨損等問題導(dǎo)致參考信號(hào)頻率與實(shí)際頻率不一致，即頻率失調(diào)。解決頻率失調(diào)問題的方法通常有兩種，一種是設(shè)計(jì)有效的頻率失調(diào)補(bǔ)償算法，獲得準(zhǔn)確的參考信號(hào)，該方法將在關(guān)鍵技術(shù)問題中進(jìn)一步探討;另一種是采用反饋型控制結(jié)構(gòu)，將在下部分詳述。

（二）反饋型窄帶主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)

復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)參考傳感器的安裝提出了更嚴(yán)格的空間和成本要求，為解決這一問題，可采用反饋型主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即回避了頻率失調(diào)問題，又節(jié)省了系統(tǒng)硬件成本，便于按照應(yīng)用。典型的反饋型窄帶主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。參考信號(hào)x（n）由次級(jí)聲源y（n）經(jīng)過參考信號(hào)估計(jì)通道■（z）過參考信號(hào)和殘余噪聲e（n）疊加合成得到。

（三）前反饋混合型窄帶主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)

當(dāng)目標(biāo)噪聲的來源更為復(fù)雜時(shí)，即目標(biāo)噪聲不僅包含了與參考信號(hào)有關(guān)的頻率成分，還包含了與參考信號(hào)無關(guān)的頻率分量，此時(shí)分別采用上述兩種前饋型和反饋型主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)進(jìn)行降噪，其降噪性能會(huì)大大降低，為此需要設(shè)計(jì)更為高效的主動(dòng)噪聲控制結(jié)構(gòu)。圖4給出了一種典型的前反饋混合型窄帶主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能夠良好地應(yīng)對(duì)上述復(fù)雜的窄帶噪聲。

五、產(chǎn)教融合視角下關(guān)鍵技術(shù)

結(jié)合企業(yè)主體需求，依托校企合作平臺(tái)，學(xué)校主體針對(duì)實(shí)際應(yīng)用開展控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究，突破制約實(shí)際應(yīng)用的瓶頸問題。一方面充分實(shí)現(xiàn)從理論層面到應(yīng)用層面的過渡，培養(yǎng)有利于學(xué)校培養(yǎng)具備理論創(chuàng)新能力和實(shí)踐應(yīng)用能力的綜合型人才;另一方面加強(qiáng)校企互動(dòng)，促成科研成果落地，為企業(yè)創(chuàng)造效益。下面主要探討窄帶主動(dòng)噪聲控制的五個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。

（一）頻率失調(diào)

前饋型窄帶主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)采用非聲學(xué)傳感器獲取參考信號(hào)時(shí)，會(huì)帶來由自身老化、溫漂、延時(shí)等產(chǎn)生的頻率不匹配問題。解決該問題的關(guān)鍵在于如何設(shè)計(jì)有效的頻率通道補(bǔ)償結(jié)構(gòu)來快速追蹤真實(shí)頻率成分，提升參考信號(hào)獲取的準(zhǔn)確性，進(jìn)而提升前饋型窄帶主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)的降噪能力。

（二）聲反饋

主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)若采用聲學(xué)傳感器獲取參考信號(hào)，可避免頻率失調(diào)的問題，但同時(shí)引入聲反饋。因此，開發(fā)高性能的含有聲反饋的窄帶前饋型主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)，具有重要實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)的聲反饋通道辨識(shí)技術(shù)往往采用長(zhǎng)度較大的預(yù)測(cè)濾波器來降低參考噪聲對(duì)聲反饋通道在線辨識(shí)精度的影響，而且通常采用與聲反饋通道估計(jì)和預(yù)測(cè)濾波器有關(guān)的信號(hào)進(jìn)行輔助噪聲的幅值調(diào)整，具有局部最優(yōu)、計(jì)算成本高的缺點(diǎn)。

（三）次級(jí)通道辨識(shí)

實(shí)際工況下次級(jí)通道往往具有復(fù)雜時(shí)變性，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)技術(shù)往往采用自適應(yīng)線性增強(qiáng)器或預(yù)測(cè)濾波器來降低殘余噪聲中聲音分量對(duì)次級(jí)通道辨識(shí)環(huán)節(jié)的輸入，以改善控制器與次級(jí)通道在線辨識(shí)環(huán)節(jié)之間的獨(dú)立性，但其對(duì)殘余誤差的分離性能較差，且計(jì)算成本較高、運(yùn)行效率低，難以保證控制器與次級(jí)通道在線辨識(shí)環(huán)節(jié)之間的獨(dú)立性。通過設(shè)計(jì)高效的次級(jí)通道在線辨識(shí)環(huán)節(jié)與控制器的解耦結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提升次級(jí)通道在線辨識(shí)精度和速度，有助于簡(jiǎn)化系統(tǒng)的用戶參數(shù)設(shè)置和調(diào)試過程。

（四）控制算法優(yōu)化

控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，研究相應(yīng)的控制算法成為提升控制器以及主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和收斂性的關(guān)鍵。目前自適應(yīng)變步長(zhǎng)算法的研究具有分散性的特點(diǎn)，尚未對(duì)不同算法的計(jì)算量、收斂性、穩(wěn)定性等綜合性能進(jìn)行系統(tǒng)地對(duì)比，涉及的步長(zhǎng)優(yōu)化及參數(shù)選取策略的研究也較少，其主要原因是尚未分析出用戶參數(shù)、加性噪聲等因素對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能性的影響原因，直接導(dǎo)致用戶參數(shù)選取復(fù)雜，不利于自適應(yīng)變步長(zhǎng)算法的實(shí)際應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用層面，亟待開發(fā)自適應(yīng)變步長(zhǎng)算法優(yōu)化策略及參數(shù)選取方法，提升整體系統(tǒng)噪聲抑制性能。

（五）實(shí)際噪聲特性分析及控制平臺(tái)設(shè)計(jì)

切割機(jī)噪聲包括機(jī)械噪聲、電磁噪聲和旋轉(zhuǎn)噪聲等，其中旋轉(zhuǎn)噪聲是由切割刀片在旋轉(zhuǎn)時(shí)與空氣和切割樣品之間產(chǎn)生摩擦引起的，其頻譜具有離散的特點(diǎn)。以切割機(jī)噪聲降噪為例，探討控制平臺(tái)設(shè)計(jì)方案。切割機(jī)噪聲主要包含窄帶噪聲分量和寬帶噪聲分量，其中窄帶噪聲分量與切割機(jī)的轉(zhuǎn)速和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有密切關(guān)系，而寬帶噪聲分量主要是切割工件時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)聲。通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)以及聲場(chǎng)建模分析，確定揚(yáng)聲器、傳感器和控制器的最佳安裝位置，進(jìn)而以切割機(jī)為例實(shí)現(xiàn)實(shí)際工況下窄帶主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)。

六、結(jié)語

本研究以產(chǎn)教融合為視角，構(gòu)建“雙主體一紐帶”的校企合作模式，從企業(yè)層面主動(dòng)降噪需求現(xiàn)狀分析、高校層面主動(dòng)降噪研究現(xiàn)狀和主動(dòng)降噪關(guān)鍵技術(shù)分析等方面，深入闡述高校與企業(yè)合作的重要價(jià)值，有助于全面促進(jìn)產(chǎn)教融合，培養(yǎng)高質(zhì)量的科研人才，最終實(shí)現(xiàn)科研成果轉(zhuǎn)化。

參考文獻(xiàn)

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[3]SEN M. KUO， DENNIS R. MORGAN. Active Noise Control： A Tutorial Review[J].Proceedings of the IEEE，1999，87（6）：943-973.

Narrowband Active Noise Control Techniques from the Perspective of

Industry-education Integration

MA Ya-ping， ZHANG Xiang-sheng

（School of Internet of Things Engineering， Jiangnan University， Wuxi， Jiangsu 214122， China）

Abstract： From the perspective of industry-education integration， the school-enterprise cooperation model of “double agents and one link” is constructed， with universities and enterprises as the double agents and the school-enterprise cooperation platform as the link. Based on the analysis of the demand for noise reduction， the technical situation is analyzed from the aspects of the scheme design of the noise control system and different control structures， and the key technologies of narrowband active noise control are analyzed in view of industry-education integration. Combined with specific noise reduction objects， the practical application value of the narrowband ANC system is analyzed to realize the industry-education integration and promote the transformation of scientific achievements into industrial productivity.

Key words： industry-education integration; school-enterprise cooperation; active noise control; noise reduction