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        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)

        2018-06-02 10:32:04陳智
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2018年8期

        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)的巨大市場以及國家相關(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)聽后發(fā)出參考信號(hào),并輸入到自適應(yīng)控制器??刂破鞲鶕?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,步長為0.015,自適應(yīng)控制器濾波器的階數(shù)為64,步長為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

        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。

        參考文獻(xiàn)

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