基于阻抗特性的ANC系統(tǒng)次級聲源故障檢測方法

代海,陳克安,王洋,玉昊昕

(1.西北工業(yè)大學 航海學院,陜西 西安 710072;2.陜西烽火通信集團有限公司,陜西 寶雞 721006;3.西安石油大學 計算機學院,陜西 西安 710065)

有源噪聲控制(active noise control,ANC)是一種有別于傳統(tǒng)降噪方法的新型降噪措施,它通過人為引入的次級聲源,使其輻射聲波與原始噪聲產(chǎn)生相消性干涉而降噪[1]。自適應(yīng)控制是ANC系統(tǒng)的主要實現(xiàn)方式,它通過控制器中的自適應(yīng)算法自動調(diào)節(jié)次級聲源強度，使降噪效果達到最佳[2]。ANC系統(tǒng)具有質(zhì)量輕、布置靈活、頻帶針對性強等優(yōu)點,目前已步入工程應(yīng)用階段[3-4]。在該系統(tǒng)中,次級聲源如發(fā)生故障會使得輸出的次級噪聲異常,進而導致降噪效果變差甚至引起系統(tǒng)失穩(wěn)[5]。由于ANC系統(tǒng)使用環(huán)境中通常存在復雜的干擾聲,很難通過人工辨別或自動檢測的方式判斷其工作狀態(tài)以及是否發(fā)生故障。

次級聲源是有源噪聲控制系統(tǒng)中重要的換能器件,往往由特制的低頻揚聲器組成。雖然由揚聲器組成的音響系統(tǒng)廣泛用于汽車、飛機、音樂廳等,但絕大多數(shù)情況下人們只關(guān)注揚聲器自身的聲學性能,針對揚聲器故障檢測的研究多限于實驗室或生產(chǎn)環(huán)境下[6],其主要方法一般都是基于人的聽覺檢測進行的[7]。

近10年來,國內(nèi)外對揚聲器的故障檢測研究較多,周靜雷等[8]通過檢測電信號和聲信號判斷揚聲器是否存在異常音,是一種典型的在線揚聲器故障檢測方法。Valk[9]設(shè)計了一種反饋控制器,提高了低音揚聲器的聲學總諧波失真和低頻帶寬性能。Venturi等[10]提出一種RLS-NLMS混合自適應(yīng)算法,實現(xiàn)了揚聲器中音調(diào)噪聲故障的診斷。同年,李云紅等[11]通過對異音功率譜和掩蔽閾值的比較,實現(xiàn)了揚聲器的異音故障檢測。Serban等[12]提出一種基于直接輻射場的實驗系統(tǒng)來檢測揚聲器直接散熱器的退化故障。Philip[13]對揚聲器的缺陷和不規(guī)則行為進行識別,研究出一種揚聲器故障檢測的系統(tǒng)識別方法。

ANC系統(tǒng)的復雜性和自適應(yīng)性要求系統(tǒng)中的次級聲源應(yīng)具有較好的聲學性能和高可靠性。這使得對次級聲源在工作中的實時故障檢測研究顯得格外重要?，F(xiàn)有的揚聲器故障檢測方法多針對實驗室環(huán)境下的產(chǎn)品質(zhì)量檢測或測試,而少數(shù)的在線揚聲器故障檢測方法計算復雜,對硬件性能要求高,且無法滿足有源噪聲控制中次級聲源輸出特性,會增加額外的干擾而影響降噪效果。

本文基于現(xiàn)有的揚聲器故障檢測研究成果,提出一種專門用于次級聲源故障檢測的方法,目的是在ANC系統(tǒng)工作時,能夠?qū)崟r檢測次級聲源是否發(fā)生故障。通過采集次級聲源的輸入電壓和輸出電流,對實測的阻抗曲線進行移動平滑濾波處理,從而得到次級聲源的阻抗曲線,對其指標值進行處理分析,判斷是否發(fā)生故障。該方法可以在不影響設(shè)備正常工作的情況下,不借助其他的電聲器件和檢測儀器,仍準確實時地判斷出次級聲源的工作狀態(tài)。

1 故障檢測原理

1.1 系統(tǒng)原理

次級聲源的電學參數(shù)主要由電阻抗及其派生特性參數(shù)組成,包括額定阻抗、共振頻率和總品質(zhì)因數(shù)等。由于次級聲源中音圈的阻抗會隨著激勵信號頻率的不同而呈現(xiàn)不同的幅值,阻抗模值與頻率的關(guān)系曲線為阻抗曲線(如圖1所示)。在阻抗曲線上可以得到上述電學參數(shù)值,如次級聲源的總品質(zhì)因數(shù)Q和共振頻率f0。

圖1 次級聲源阻抗曲線模型

總品質(zhì)因數(shù)Q是反映次級聲源低頻特性的一個重要參數(shù),它是在次級聲源共振頻率處聲阻抗中慣性抗部分與純阻部分的比,計算方法為

(1)

式中,f1和f2是在阻抗曲線中截取(|Zmax|-3)dB處即|Zf1|和|Zf2|所對應(yīng)的頻率值。r0是f0處次級聲源的最大阻抗與次級聲源音圈直流電阻RDC之間的比值。f0是阻抗曲線第一個極大值對應(yīng)的頻率值。f0的計算公式為

(2)

(3)

從(3)式中可以看出,共振頻率f0的大小是由折環(huán)與定心支片順性Cms、紙盆質(zhì)量MS和音圈質(zhì)量MV所決定。通過對無故障次級聲源f0和Q值進行測量,設(shè)定f0和Q值的允許偏差范圍,如超過f0和Q設(shè)置的偏差閾值,就可知是次級聲源的某些特征參數(shù)發(fā)生了變化，從而導致f0和Q值出現(xiàn)異常,據(jù)此判斷次級聲源的工作狀態(tài)。

依據(jù)上述原理,本文次級聲源故障檢測系統(tǒng)微處理可以是DSP、FPGA和STM32單片機等數(shù)字信號處理器。電壓和電流采集模塊通過AD采集將喇叭單元的輸入電壓和輸出電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入至微處理器,作為故障檢測的計算數(shù)據(jù)源。由于AD采集的信號中存在直流偏置,首先進行均值濾波去除直流偏置,然后對采集到的電壓和電流進行快速傅里葉變換,將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號,從而計算得到次級聲源的阻抗曲線。再通過移動平均濾波器對阻抗數(shù)據(jù)進行去噪實現(xiàn)平滑處理。然后使用去噪后的阻抗數(shù)據(jù)得到次級聲源工作時的特征參數(shù)。最后根據(jù)特征參數(shù)變化判斷次級聲源的工作狀態(tài)。

1.2 故障類型

次級聲源故障分為2種：

在生產(chǎn)過程中由于加工操作不當或材料質(zhì)量問題導致的故障,包括:①碰圈:發(fā)聲時音圈與導磁柱出現(xiàn)碰撞的情況;②漏氣:音圈與防塵帽、紙盆與音圈、紙盆與折環(huán)之間連接處開膠,在開膠處會產(chǎn)生異常音。

在次級聲源日常使用過程中出現(xiàn)的故障,包括:①紙盆破損:紙盆受潮、老化或功率過大導致紙盆破損;②折環(huán)破裂:折環(huán)長時間工作會出現(xiàn)老化,失去彈性破裂;③音圈損壞:大功率下工作,音圈燒斷、燒毀;④定心支片破損:支片受潮、老化或異物導致支片破裂或受損。

根據(jù)ANC系統(tǒng)工作過程中次級聲源的故障類型分析,典型的次級聲源故障有折環(huán)開裂和定心支片破損2種。

1.3 檢測方法

揚聲器的電聲轉(zhuǎn)換實際上等效于一個非線性非平穩(wěn)系統(tǒng),傳統(tǒng)的傅里葉變換只能處理平穩(wěn)信號。傅里葉分析是頻域分析的基本工具,為了達到時域的局部化,在信號傅里葉變換前進行漢寧窗函數(shù)處理。本文采用 STFT的方法得到揚聲器響應(yīng)的時頻特性。STFT是利用一個適當寬度的窗函數(shù),把信號劃分成許多小段,對每一小段進行傅里葉分析,得到其局部頻譜。STFT能反映頻率分量隨時間的變化規(guī)律,獲得比較好的信號時頻特征。

設(shè)系統(tǒng)的采樣率為Fs,采樣周期為T,則一個采樣周期內(nèi)的采樣點數(shù)N為

N=Fs×T

(4)

一個采樣周期內(nèi)的電壓和電流可分別表示為:

(5)

(6)

由于采集電路中存在直流,需要去除直流偏置,第n個采樣點去除直流偏置的電壓和電流分別為:

分別對電壓和電流的N個采樣點數(shù)據(jù)進行漢寧窗函數(shù)處理后，再使用STFT方法得到揚聲器響應(yīng)的時頻特性。電壓U和電流I的頻域表示為U(f)和I(f)。設(shè)H為電壓U和電流I在頻域中的傳遞函數(shù),則有I(f)=H(f)U(f),傳遞函數(shù)H的估計為

(9)

電阻抗R(f)計算式為

(10)

即

(11)

對R(f)取絕對值并求對數(shù)幅度Z(f)，如(12)式所示

Z(f)=20lg|R(f)|

(12)

即

(13)

式中,Z(f)長度為N/2，可表示為

Z(f)=(z1,z2,zn,…,zN/2)T

(14)

由于次級聲源電聲響應(yīng)中存在干擾音等其他信號,得到的阻抗曲線并不平滑,因此需要使用移動平均濾波器對阻抗數(shù)據(jù)進行平滑處理。移動平滑濾波器基于統(tǒng)計規(guī)律,將連續(xù)的采樣數(shù)據(jù)看成一個長度固定的隊列,按照給定的移動窗寬將相鄰點的數(shù)據(jù)依一定方向連續(xù)移動進行平均。設(shè)移動窗寬為5,輸入信號為x(n),則經(jīng)過移動平滑濾波器處理后的輸出信號y(n)計算公式為:

(15)

系統(tǒng)的采樣率為Fs,一個采樣周期內(nèi)的采樣點數(shù)為N,通過傅里葉分析后得到的頻譜頻率分辨率Δf為

(16)

如圖1所示,可得阻抗曲線Z(f)的最大幅度Zmax值為

Zmax=max{z1,z2,zn,…,zN/2}

(17)

設(shè)n0是Z(f)的最大值Zmax對應(yīng)的隊列序號,則次級聲源的最低共振頻率f0為阻抗曲線幅度最大值Zmax對應(yīng)的頻率值,即有

f0=n0×Δf

(18)

對于阻抗曲線離線序列Z(f)必然存在序號為n1對應(yīng)阻抗幅度為Zn1,且滿足(19)式條件的離散點

(19)

同理,對于阻抗曲線離線序列Zf(f)必然存在序號為n2對應(yīng)阻抗幅度為Zn2,且滿足(20)式條件的離散點

(20)

Zn1和Zn2即為要求的Zf1和Zf2,則對應(yīng)f1和f2的值為

(21)

式中,r0是f0處次級聲源的最大阻抗與次級聲源音圈直流電阻RDC之間的比值,計算方法為

(22)

至此,根據(jù)(1)式即可求得在次級聲源在工作時的實時特征參數(shù)值Q。使用實時測得的f0和Q值與標準值的偏差比例作為故障判定依據(jù),分別記為Δf0和ΔQ,即

(23)

(24)

式中,Tf0和TQ分別為Δf0和ΔQ異常的判定閾值。

2 仿真及實驗結(jié)果分析

2.1 仿真模型

工程應(yīng)用中次級聲源多選用低頻性能較好且穩(wěn)定的揚聲器,因此仿真中更關(guān)注次級聲源的低頻性能變化引起的性能故障。針對無故障次級聲源的阻抗特性頻響曲線,對其工作時發(fā)生故障引起的阻抗特性參數(shù)f0和Q值變化進行計算機仿真。

由(10)式可知,次級聲源的阻抗值由其兩端電壓U和內(nèi)部電流I決定。轉(zhuǎn)化為離散信號系統(tǒng)在頻域進行分析時,其阻抗可視為電壓U和電流I在頻域中的傳遞函數(shù),也可視為電流I是電壓U經(jīng)過一個特殊濾波器后的輸出。因此次級聲源故障可以理解為電壓U和電流I信號之間的傳遞函數(shù)發(fā)生變化,即濾波器系數(shù)發(fā)生變化。

通常次級聲源的工作狀態(tài)發(fā)生改變時,其阻抗特性參數(shù)f0和Q值會同時發(fā)生變化。圖2為模擬的正常無故障和4種不同損壞程度次級聲源的濾波器系數(shù)曲線,曲線f-Q-1、f-Q-2、f-Q-3和f-Q-4分別表示次級聲源損壞程度由小變大時的濾波器系數(shù)。

根據(jù)圖2所示的濾波器系數(shù)曲線可以得到次級聲源幅頻特性曲線,如圖3所示。為便于對比,圖2～3中同時給出了正常次級聲源的濾波器系數(shù)和幅頻特性曲線。

由圖3的幅頻特性曲線可知,當次級聲源發(fā)生故障時,其特征值參數(shù)f0發(fā)生偏移,并伴隨特征值參數(shù)Zmax的變化,特征值參數(shù)Q值也隨之發(fā)生改變。

根據(jù)ANC系統(tǒng)中次級聲源的使用場景,噪聲控制目標通常為低頻的線譜噪聲,如渦槳飛機、汽車發(fā)動機和變壓器噪聲等,或類似粉紅噪聲的寬頻帶噪聲,如汽車行駛中的風噪、噴氣式飛機和空調(diào)管道噪聲等。故仿真中分別采用飛機聲、粉紅噪聲、掃頻信號和單譜線4種典型噪聲信號來激勵次級聲源,以研究其在不同激勵信號下的阻抗特性曲線差異。由于實際硬件電路中存在一定的底噪,因此對單譜線噪聲加入了信噪比約-35 dB的粉紅噪聲,用以模擬實際電路中次級聲源輸出的背景噪聲。飛機聲是由多根譜線組成的某型渦槳飛機艙內(nèi)的實測噪聲,其噪聲頻譜如圖4所示。

圖2 不同損壞程度次級聲源的濾波器系數(shù)曲線 圖3 不同損壞程度次級聲源的幅頻特性曲線 圖4 渦槳飛機噪聲頻譜

2.2 數(shù)值分析

分別使用飛機聲、粉紅噪聲、掃頻信號和單線譜4種噪聲信號激勵正常狀態(tài)下的次級聲源,計算得到的阻抗曲線如圖5所示。由圖可知其4條阻抗曲線接近重合,特征值參數(shù)f0值未發(fā)生顯著變化。粉紅噪聲和單線譜噪聲激勵得到的阻抗曲線在f0處的阻抗值幾乎一致,與飛機聲和掃頻信號激勵得到的阻抗曲線存在細微差異。

圖5 正常狀態(tài)不同噪聲的阻抗曲線

使用飛機聲激勵不同狀態(tài)的次級聲源,不同損壞程度其特征值參數(shù)值發(fā)生顯著變化,考慮到在計算特征值Q時由于阻抗曲線并不光滑,存在一定的偏差,故將其經(jīng)過一個移動平滑濾波器,移動窗寬設(shè)為5,從而達到曲線平滑的目的,由此得到更準確的特征值Q。經(jīng)過移動平滑濾波后的阻抗曲線如圖6所示。由圖6得到其特征值參數(shù)(見表1)。由表1可知當次級聲源的損壞程度越大時,其特征值參數(shù)f0和Q值的偏差也越大。

圖6 飛機聲激勵不同狀態(tài)次級聲源阻抗曲線

表1 飛機噪聲激勵不同損壞程度的次級聲源仿真數(shù)據(jù)

使用粉紅噪聲、掃頻和單線譜激勵下的不同損壞程度次級聲源阻抗特征值參數(shù)見表2～4。由表2和表4對比可知,由于2種噪聲都包含了粉紅噪聲成分,阻抗曲線特征值比較接近。

表2 粉紅噪聲激勵不同損壞程度的次級聲源仿真數(shù)據(jù)

表3 掃頻激勵不同損壞程度的次級聲源仿真數(shù)據(jù)

由表1～4可知,不同損壞程度的次級聲源,使用不同噪聲信號激勵得到的阻抗特征參數(shù)變化規(guī)律一致,損壞程度越大,其特征值參數(shù)Δf0和ΔQ的偏差越大。而作為故障檢測使用的特征值參數(shù)Δf0和ΔQ可以使用粉紅噪聲、線譜噪聲或掃頻信號中的任意一種來激勵次級聲源得到。

表4 單線譜激勵不同損壞程度的次級聲源仿真數(shù)據(jù)

2.3 實驗驗證

故障檢測所需的數(shù)據(jù)包括工作時喇叭單元兩端的實時輸入電壓U和輸出電流I。實驗選擇同一型號同一批次的次級聲源,其中直流阻抗值RDC為4 Ω。為模擬降噪時有源控制器給次級聲源的輸出,次級聲源輸入噪聲類型分別為粉紅噪聲、單線譜和飛機噪聲。測試次級聲源的故障有折環(huán)開裂和定心支片破損2種。

分別使用3種噪聲測試正常和故障的次級聲源,對實驗數(shù)據(jù)處理得到次級聲源阻抗曲線,得到判斷次級聲源故障狀態(tài)所需的計算數(shù)據(jù),代入(1)式和(23)式,可得不同狀態(tài)的次級聲源特征值參數(shù)，見表5～7。由表5～7可知,與正常的次級聲源相比,當次級聲源出現(xiàn)不同的故障時,其特征值參數(shù)發(fā)生了明顯變化。次級聲源的損壞程度越大,特征值參數(shù)變化也越大,因此由次級聲源的特征值參數(shù)變化程度,即可判斷次級聲源的故障狀態(tài)。

表5 飛機噪聲激勵不同狀態(tài)的次級聲源特征值參數(shù)

表6 粉紅噪聲激勵不同狀態(tài)的次級聲源特征值參數(shù)

表7 單線譜噪聲激勵不同狀態(tài)的次級聲源特征值參數(shù)

2.4 故障檢測閾值及誤報率分析

本文通過數(shù)值分析論證了使用阻抗曲線特征值參數(shù)變化來判斷次級聲源故障的可行性,同時進行了實驗驗證。為研究故障檢測閾值與故障檢測誤報率的關(guān)系,本文選用的次級聲源樣本數(shù)N為100,其中正常無故障的次級聲源樣本數(shù)N1為50,不同程度損壞的故障次級聲源樣本數(shù)為50。損壞的次級聲源包括折環(huán)開裂、定心支片破損和異物壓迫等故障,其損壞和故障程度大小均不相同,通過聽音辨別,部分輕微故障的次級聲源與無故障的次級聲源差異并不明顯。實驗得到的Δf0和ΔQ變化值如圖7所示,其中實心點表示正常無故障的次級聲源,空心點表示存在不同程度損壞的故障次級聲源。

設(shè)根據(jù)設(shè)置的閾值Tf0和TQ測得的故障次級聲源數(shù)量為Ne,則誤報率η計算方法為

(25)

圖7 測試樣本Δf0和ΔQ分布圖

由(25)式可得到不同Tf0和TQ閾值故障檢測誤報率(見表8)。其中誤報率η大于0表示故障數(shù)多報,誤報率η小于0表示故障數(shù)少報,即故障檢測閾值過大。

表8 不同Tf0和TQ閾值故障檢測誤報率η分析表

由表8可知,閾值Tf0如果設(shè)置小于10%會導致部分正常的次級聲源被誤判為發(fā)生了故障。閾值TQ如果設(shè)置小于10%,也會導致部分正常的次級聲源被誤判為發(fā)生了故障,設(shè)置大于11%時又存在少報,即部分故障的次級聲源被認為并沒有發(fā)生故障。因此,本次實驗選用的次級聲源最佳的Tf0閾值為10%～11%皆可,而TQ閾值最佳為10%。

對100個次級聲源樣本的測試結(jié)果進行分析,并結(jié)合樣本Δf0和ΔQ值的變化,由圖7可知,A區(qū)域的無故障次級聲源,部分在經(jīng)過一定的工作時間后,其特征值參數(shù)f0和Q也會發(fā)生一定變化,從而接近故障狀態(tài),這是由次級聲源的工作原理和特性決定的,自身工作發(fā)熱或環(huán)境溫度和濕度等變化都會導致次級聲源的定心支片等部件發(fā)生性能改變。這也可作為判定次級聲源產(chǎn)品質(zhì)量性能的一個參考依據(jù)。B區(qū)域的故障多為次級聲源的紙盆受到壓迫,振動減弱,影響了對外的聲輻射性能。C區(qū)域的故障為紙盆發(fā)生了破裂,同時定心支片也受到了一定的損傷。D區(qū)域的故障為定心支片和紙盆受損嚴重,通過聽音明顯感受到聲音大小和頻率成分的變化,伴隨有明顯的“破音”。

3 結(jié) 論

為解決ANC系統(tǒng)中次級聲源實時故障檢測問題,本文對次級聲源故障檢測系統(tǒng)原理、故障類型和檢測方法進行理論分析,給出了一種故障檢測方法,通過數(shù)值仿真和實驗驗證,得到如下結(jié)論:①通過次級聲源的電壓和電流信號,根據(jù)其阻抗曲線,獲得特征值參數(shù),根據(jù)參數(shù)的變化可以準確判斷出次級聲源工作狀態(tài)下的實時故障情況;②該方法對次級聲源故障檢測無需針對不同的ANC使用場景測定標準值;③故障檢測的閾值可以根據(jù)經(jīng)驗值和降噪性能的要求來確定,即次級聲源的故障判定準則,可以理解為次級聲源性能的變化程度;④次級聲源工作時的阻抗曲線特征值變化可反映其性能穩(wěn)定性及同批次產(chǎn)品性能的一致性。