鄒侃平，伍川輝

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

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基于DSP的動(dòng)車(chē)組車(chē)內(nèi)噪聲主動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄒侃平，伍川輝

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

隨著高速鐵路大規(guī)模開(kāi)通，運(yùn)行時(shí)噪聲隨著速度提高而增大，嚴(yán)重影響所在環(huán)境下人員的舒適性，因此有必要設(shè)計(jì)一種基于DSP的噪聲主動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由DSP部分和音頻部分組成：DSP部分以TMS320VC5509A為核心，擴(kuò)展了SDRAM存儲(chǔ)模塊以和電源供電模塊；音頻部分以TLV320AIC23B為核心搭建語(yǔ)音輸入輸出模塊。DSP和AIC23B采用I2C二線制主從式通信，DSP把AIC23B采集到的聲音信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)算再返回AIC23B輸出。同時(shí)通過(guò)上位機(jī)觀察，降噪后聲音幅值比降噪前幅值明顯下降。實(shí)驗(yàn)證明：基于DSP的噪聲主動(dòng)控制系統(tǒng)能有效降低動(dòng)車(chē)組車(chē)內(nèi)噪聲，在寬頻降噪有待改善。

動(dòng)車(chē)組；車(chē)內(nèi)噪聲；主動(dòng)控制；DSP；AIC23B

近年來(lái)隨著高速鐵路的大面積建設(shè)，國(guó)內(nèi)形成了規(guī)模化的鐵路網(wǎng)絡(luò)。高速列車(chē)運(yùn)營(yíng)時(shí)速?gòu)?00 km/h提高到350 km/h，噪聲越來(lái)越大。列車(chē)上乘客尤其處于司機(jī)室的人員長(zhǎng)期暴露在噪聲中，會(huì)引起疲勞、耳鳴、頭暈等情況[1]。噪聲同樣會(huì)影響鐵路沿線居民的身心健康，附近的建筑受空氣振動(dòng)影響也會(huì)加速老化，對(duì)安全造成隱患，目前鐵路沿線安裝大量的聲屏障[2]降低噪聲傳播范圍。研究表明，列車(chē)噪聲與速度密切相關(guān)：在低速區(qū)，牽引噪聲和輪軌噪聲占有重要部分；在中速區(qū)輪軌噪聲占有重要比例，牽引噪聲占有比例下降；在高速區(qū)，氣動(dòng)噪聲[3-4]占有比例逐漸上升，且和速度呈三次方關(guān)系，上升迅速。在當(dāng)前高速列車(chē)降噪方案中，主要為被動(dòng)降噪方式，即優(yōu)化列車(chē)車(chē)頭形狀、改善車(chē)體材料、改進(jìn)主要噪聲源部件結(jié)構(gòu)、增加橡膠彈簧隔振器等[5]。這些降噪方法屬于被動(dòng)降噪方式，需要進(jìn)行噪聲監(jiān)測(cè)、建模仿真、實(shí)際應(yīng)用，工作量很大，于是希望在不改變列車(chē)結(jié)構(gòu)的前提下，在傳播路徑中進(jìn)行降噪，本文提出一種使用DSP電子技術(shù)主動(dòng)降噪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1 降噪系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1933年德國(guó)物理學(xué)家Paul Leug最先提出主動(dòng)降噪方法[6]，根據(jù)波的干涉原理，用一列聲波和和原有的噪聲聲波發(fā)生干涉相消，其中兩列聲波的幅值、頻率相同，同時(shí)相位差180°。主動(dòng)噪聲技術(shù)分為前饋消噪和反饋消噪[7-8]。實(shí)際應(yīng)用中，噪聲的參考輸入往往是無(wú)法獲得或者參考信號(hào)的信噪比太低，嚴(yán)重影響了前饋結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用價(jià)值。反饋降噪[9]效果與次級(jí)通達(dá)有非常大的關(guān)系，這種系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常復(fù)雜，影響了它的發(fā)展。于是結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)引入自適應(yīng)控制系統(tǒng)。方案如圖1所示。

圖1 主動(dòng)降噪控制系統(tǒng)Fig.1 ANC system

初級(jí)傳感器采集噪聲源作為輸入信號(hào)，誤差傳感器采集目標(biāo)場(chǎng)區(qū)噪聲作為殘余信號(hào)，通過(guò)自適應(yīng)濾波算法調(diào)節(jié)濾波器系數(shù)，不斷調(diào)整輸出信號(hào)即次級(jí)聲源，使得殘余信號(hào)盡可能降低，達(dá)到主動(dòng)降噪效果。

2 自適應(yīng)濾波

實(shí)際應(yīng)用中，次級(jí)聲源的聲波會(huì)向初級(jí)傳感器傳播，這就不可避免產(chǎn)生聲反饋問(wèn)題，同時(shí)，電路運(yùn)算時(shí)間和聲波傳播速度也嚴(yán)重影響消噪質(zhì)量。目前采用較多的是最小均方誤差(LMS)算法[10]的濾波器。

令X(n)為濾波器的輸入信號(hào)，Wi(n)為濾波器的權(quán)值系數(shù)，d(n)為濾波器的期望信號(hào)，e(n)為濾波器的估計(jì)信號(hào)誤差。l=0,1…,L-1,L為濾波器的階數(shù)。

自適應(yīng)濾波器的目的是，以迭代方式逐步調(diào)整濾波器系數(shù)Wi(n)，使誤差信號(hào)e(n)的幅度不斷減少。

定義濾波器輸入信號(hào)向量為

X(n)=[x(n),x(n-1),…,x(n-l+1)]T

(1)

濾波器系數(shù)矢量為

W(n)=[w0(n),w1(n),…wL-1(n)]T

(2)

濾波器輸出為

(3)

誤差信號(hào)為

e(n)=d(n)-y(n)=d(n)-WT(n)X(n)

(4)

定義性能函數(shù)

ξ(n)=e2(n)=E(d2(n)-2d(n)y(n)+y2(n))

(5)

當(dāng)濾波器系數(shù)固定之后，性能函數(shù)為:

ξ(n)=ξ=[d2(n)]-2WTp+WTRW

(6)

R=E[X(n)XT(n)]是輸入信號(hào)相關(guān)矩陣；p=E[d(n)X(n)]是期望信號(hào)與輸入信號(hào)的互相關(guān)矢量。

當(dāng)矢量p和矩陣R已知時(shí)，可以求出W(n)。對(duì)W(n)求導(dǎo)，并令R是非奇異的，可以得到目標(biāo)函數(shù)的最佳濾波權(quán)值系數(shù)

W0=R-1p

(7)

根據(jù)維納濾波原理，期望響應(yīng)信號(hào)與輸出信號(hào)之間的差值均方是濾波器權(quán)值的二次方程函數(shù)，因此均方誤差與自適應(yīng)濾波器權(quán)值的關(guān)系是一個(gè)凹形的拋物體的曲面，該曲面的極小點(diǎn)為最佳維納值。

采用最速下降法求解。在最速下降法中，下一時(shí)刻權(quán)值向量W(n)應(yīng)該等于現(xiàn)時(shí)刻權(quán)值向量W(n)加上一個(gè)負(fù)的誤差梯度-(n)的比例項(xiàng)，此時(shí)可以表示為:

W(n+1)=W(n)-μ(n)。

(8)

式中:μ是一個(gè)對(duì)收斂速度與系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行調(diào)節(jié)的常數(shù)，被稱為收斂因子。

對(duì)梯度進(jìn)行近似計(jì)算，直接取e2(n)作為E[e2(n)]的估計(jì)值。

(9)

[e(n)=[d(n)-wT(n)x(n)]=-x(n)

(10)

(11)

可以得到濾波器系數(shù)更新公式

W(n+1)=W(n)+2μe(n)X(n)

(12)

采用遞推算法的自適應(yīng)濾波器，其參數(shù)將從一次迭代到另一次迭代進(jìn)行更新，濾波器的參數(shù)變成與初級(jí)聲源和誤差信號(hào)有關(guān)。因此使用自適應(yīng)濾波器，依靠遞推算法進(jìn)行運(yùn)算，這使得它有可能在無(wú)法獲得有關(guān)信號(hào)特征完整的情況下，完成濾波功能。

3 硬件設(shè)計(jì)

本方案采用TMS320VC5509A型DSP芯片[10]作為主控芯片，通過(guò)I2C和SPI控制方式連接兩片TLV320AIC23B語(yǔ)音芯片，對(duì)兩個(gè)噪聲源分別進(jìn)行降噪處理。AIC23B語(yǔ)音芯片具有A/D和D/A轉(zhuǎn)換功能，A/D口用于連接拾音器采集兩路聲音信號(hào)，D/A用于輸出處理后的次級(jí)聲源。選擇TPS73HD301芯片作為電源部分，輸入5 V直流輸出3.3 V和1.6 V供各個(gè)芯片使用。采集的原始數(shù)據(jù)由DSP傳輸保存到HY57V641620型同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(SDRAM)中，通過(guò)JTAG口可以上位機(jī)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控DSP運(yùn)行狀況。如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框圖Fig.2 Overall system block diagram

兩路音頻信號(hào)通過(guò)二合一AUX音頻線從LINE IN接口輸入AIC23B芯片中，分別保存在寄存器低16位和高16位中，實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲源和目標(biāo)場(chǎng)區(qū)的采集和A/D轉(zhuǎn)換。然后音頻數(shù)據(jù)可以通過(guò)McBSP口無(wú)縫連接輸入DSP5509A芯片。

AIC23B與C5509A的接口有2種類型：一個(gè)是控制接口，通過(guò)該接口對(duì)AIC23B的控制寄存器編程，來(lái)設(shè)置AIC23B的工作參數(shù)；另一個(gè)是數(shù)據(jù)接口，用于傳輸AIC23B的A/D和D/A數(shù)據(jù)。當(dāng)芯片引腳MODE為高電平時(shí)，AIC23B處于SPI三線制控制模式；當(dāng)芯片引腳MODE為低電平時(shí)，AIC23B處于I2C二線制控制模式。由于C5509A本身自帶I2C模塊，所以控制接口選擇I2C模式，其中DSP作為主設(shè)備，AIC23B作為從設(shè)備，選通方式CS引腳為低電平。接口引腳連接如圖3所示。C5509A芯片的多通道緩沖串口McBSP與TLV320AIC23B的DSP模式相兼容，無(wú)需電平轉(zhuǎn)換，所以數(shù)據(jù)口選擇DSP模式。接口引腳連接如圖4所示。

雙通道降噪處理需要兩片AIC23B，理論上DSPC5509A有3個(gè)McBSP接口可以分別連接3片AIC23B，通過(guò)I2C輪詢方式進(jìn)行分時(shí)復(fù)用傳輸數(shù)據(jù)。這樣就會(huì)丟失部分?jǐn)?shù)據(jù)，導(dǎo)致實(shí)時(shí)降噪效果不佳，于是本系統(tǒng)采用兩種控制方式分別控制AIC23B達(dá)到同時(shí)降噪的效果。第一片AIC23B數(shù)據(jù)接口和McBSP0接口相連，使用I2C方式進(jìn)行控制。第二片AIC23B數(shù)據(jù)接口和McBSP1接口相連，控制接口和McBSP2接口相連，設(shè)定McBSP2引腳按SPI模式輸出。如圖5所示。

圖3 I2C控制接口Fig.3 I2C control interface

圖4 數(shù)據(jù)接口Fig.4 Data interface

圖5 SPI控制接口Fig.5 SPI Control Interface

TPS73HD301雙電壓調(diào)節(jié)器是TI公司生產(chǎn)主要給DSP提供電源輸入的芯片。雙輸出電壓為分體式電源應(yīng)用，同時(shí)可以輸出3.3 V電壓電源和1.2～9.75 V的可調(diào)電壓電源。輸出電壓與外接電阻關(guān)系式為V0=1.182(1+R1/R2)，R1和R2為外接電阻，一般R2取固定值210 K，而R1的取值根據(jù)所需輸出電源電壓值來(lái)調(diào)整取75 K。模塊原理如圖6所示。

圖6 電源模塊原理圖Fig.6 Power Modules Schematic

HY57V641620是韓國(guó)海力士公司生產(chǎn)的一款64 Mb的同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SDRAM)，電平與LVTTL兼容[9]。本設(shè)計(jì)選擇A0到A11為外部地址管腳，DQ0到DQ15為數(shù)據(jù)輸入輸出線，CS為片選控制管腳，WE為輸入控制管腳，RAS行地址選通管腳，CAS為列地址選通管腳。當(dāng)McBSP緩沖串口接收來(lái)自AIC23B音頻數(shù)據(jù)時(shí)，把DSP片上RAM之前采集的原始數(shù)據(jù)保存在片外存儲(chǔ)器中，用于試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)全部數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如圖 7所示

圖7 EMIF與SDRAM連接圖Fig.7 EMIF connection with SDRAM

4 軟件設(shè)計(jì)

JTAG接口電路與IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)給出掃描邏輯電路一致，用于仿真和測(cè)試。通過(guò)JTAG口仿真器和上位機(jī)通信，在上位機(jī)中運(yùn)行CCS3.0(Code Composer Studio)軟件，觀察運(yùn)算過(guò)程。對(duì)DSP設(shè)置144 Hz工作頻率和AIC23B設(shè)置為8 K 32 bit采樣率，左右聲道分別線性輸入16bit長(zhǎng)度數(shù)據(jù)存入高位地址和低位地址。芯片節(jié)電模式為部分工作狀態(tài)，麥克風(fēng)輸入關(guān)閉，對(duì)各個(gè)寄存器初始化，I2C模塊初始化，McBSP2輸出SPI控制時(shí)序。由C5509A自帶的通用定時(shí)器設(shè)置，AIC23B為從模式，通過(guò)分頻實(shí)現(xiàn)AIC23B的采樣頻率。濾波器長(zhǎng)度設(shè)定200階，收斂速度設(shè)定μ=0.002，次級(jí)通道辨識(shí)次數(shù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。主程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖Fig.8 Main program flow chart

子程序?qū)儆谕瓿蒁SP對(duì)AIC23B采集來(lái)的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。次級(jí)通道辨識(shí)子程序在主動(dòng)降噪程序開(kāi)始前，通過(guò)發(fā)出白噪聲預(yù)先調(diào)節(jié)濾波器系數(shù)，對(duì)系統(tǒng)實(shí)際所處的環(huán)境進(jìn)行一次預(yù)估，并把調(diào)節(jié)好的濾波系數(shù)發(fā)送到主動(dòng)降噪的濾波器中。系統(tǒng)根據(jù)初級(jí)聲源和目標(biāo)場(chǎng)區(qū)誤差信號(hào)計(jì)算輸出次級(jí)聲源，然后更新濾波器系數(shù)。

5 試驗(yàn)結(jié)果

在列車(chē)以200 km/h運(yùn)行時(shí)，車(chē)廂前端安裝初級(jí)聲源傳感器和次級(jí)聲源音箱，座椅人耳高度安裝誤差傳感器，車(chē)廂前端聲源處發(fā)出頻率為500 Hz響度為100 dB的正弦噪聲通過(guò)第一片AIC23B進(jìn)行降噪如圖9所示，

圖9 初級(jí)聲源Fig.9 Primary sound source

從圖10可以觀察到次級(jí)聲源輸出信號(hào)通過(guò)自適應(yīng)調(diào)節(jié)很快穩(wěn)定。降噪后初級(jí)聲源響度略大于降噪前聲源，這是由于次級(jí)聲源音響單向指向性不夠優(yōu)秀，在整個(gè)聲場(chǎng)中擴(kuò)散，向初級(jí)聲源處傳播，造成聲反饋現(xiàn)象。次級(jí)聲源和初級(jí)聲源沒(méi)有嚴(yán)格按照相位差180°，這是因?yàn)槟繕?biāo)場(chǎng)區(qū)和初級(jí)聲源相對(duì)位置沒(méi)有按照半波長(zhǎng)整數(shù)倍放置。在目標(biāo)場(chǎng)區(qū)降噪后下降22 dB，如圖11所示。

對(duì)500～600 Hz響度為80 dB掃頻噪聲通過(guò)第二片AIC23B進(jìn)行降噪試驗(yàn)，觀察目標(biāo)場(chǎng)區(qū)幅頻特性，降噪后各頻率幅值下降10 dB左右，如圖12所示。

圖10 初級(jí)聲源和次級(jí)聲源Fig.10 Primary source and secondary source

圖11 降噪前后誤差信號(hào)Fig.11 Error signal before and after

圖12 掃頻降噪Fig.12 Frequency sweep Noise

6 結(jié)論

1)基于DSP的動(dòng)車(chē)組車(chē)內(nèi)噪聲主動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和降噪。

2)在動(dòng)車(chē)組平穩(wěn)運(yùn)行下，對(duì)單一頻率噪聲有良好效果，對(duì)掃頻變化的聲源也有具有降噪作用。

3)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活可以根據(jù)實(shí)際聲源和目標(biāo)場(chǎng)相對(duì)位置改變，運(yùn)行穩(wěn)定功耗低，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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Interior noise of EMU active control system based on DSP

ZOU Kanping，WU Chuanhui

(School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031，China)

Due to the massive use of high-speed railway, running noise increases with speed, seriously affecting the comfort of the staff exposed to the operational environment. A DSP-based active noise control system was designed. The system consisted of the DSP part and the audio part. The DSP part took TMS320VC5509A as a core, expanding SDRAM memory modules and power supply modules. The audio part takes TLV320AIC23B as a core, building voice input and output modules. DSP used I2C for communication with AIC23B, which was two-wire and master-slave way. DSP calculated the input from AIC23B and returned the output, while observing the effect in real time via the PC. The noise amplitude decreased obviously after using the system. Experimental results show that the DSP-based active noise control system can effectively reduce interior noise of EMU. Broadband noise reduction needs to be improved.

EMU; interior noise; active noise control; DSP; AIC23B

2016-01-11

“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2009BAG12A01)

伍川輝(1961-)，男，四川成都人，副教授，從事機(jī)車(chē)車(chē)輛振動(dòng)信號(hào)分析研究，E-mail: chwu126@126.com

TP216+.2

A

1672-7029(2016)11-2256-06