(西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院，陜西 西安 710129)

電梯是一種以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的垂直升降裝置，裝有箱狀吊艙(轎廂),被用于多層建筑乘人或載運(yùn)貨物。隨著當(dāng)今超高層建筑越來(lái)越多，高速電梯(速度超過(guò)2 m/s)[1]的應(yīng)用也愈加廣泛，隨之而來(lái)的問(wèn)題是轎廂內(nèi)的噪聲變得更加嚴(yán)重。

針對(duì)電梯轎廂的噪聲問(wèn)題，傳統(tǒng)上主要采用諸如增加隔音材料、吸音材料或者改變轎廂結(jié)構(gòu)、增加整流罩等被動(dòng)方法來(lái)達(dá)到降低噪聲的目的[2]。但被動(dòng)降噪方法主要針對(duì)的是1000 Hz以上的中高頻噪聲，而高速電梯轎廂中的主要噪聲頻率通常都在500 Hz以下，這類噪聲會(huì)使乘坐人員感官不適，甚至影響其正常交談。故此，有效降低高速電梯轎廂中的低頻噪聲，提高乘坐電梯的舒適性，一直是業(yè)界的一項(xiàng)重要課題[3]。

主動(dòng)噪聲控制(Active Noise Control,ANC)是一種消減低頻噪聲的新技術(shù)。它通過(guò)對(duì)原噪聲特性的感知，利用自適應(yīng)控制算法產(chǎn)生一個(gè)新的抵消聲音，使兩種聲音在空間干涉，進(jìn)而達(dá)到在一定的區(qū)域內(nèi)來(lái)降低原有噪聲強(qiáng)度的目的。在這一過(guò)程中，要求所產(chǎn)生的抵消聲音能實(shí)時(shí)跟蹤原噪聲的特性變化，并與原噪聲保持頻率相同、幅值相等而相位相反。隨著數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor，DSP)的快速發(fā)展，這一實(shí)時(shí)過(guò)程可以通過(guò)DSP系統(tǒng)加以實(shí)現(xiàn)。

據(jù)此，本文設(shè)計(jì)了一種基于DSP的3入1出主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境將其應(yīng)用于電梯轎廂噪聲的控制，獲得了較好的降噪效果。

1 主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)及原理

1.1 主動(dòng)噪聲控制原理

ANC的組成框圖如圖1所示。

ANC系統(tǒng)是一個(gè)由傳感器、自適應(yīng)控制器、揚(yáng)聲器以及傳聲器等部件組成的可以自適應(yīng)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)

的控制系統(tǒng)。其控制過(guò)程如下：傳感器采集原始聲場(chǎng)信號(hào)，經(jīng)由自適應(yīng)濾波器計(jì)算后由次級(jí)聲源發(fā)出抵消信號(hào)，原始聲與抵消聲相互干涉，其結(jié)果由誤差傳聲器感受并用于調(diào)整更新濾波器參數(shù)，繼而生成新的抵消信號(hào)[4]。

1.2 主動(dòng)噪聲控制算法原理

ANC的核心是自適應(yīng)算法以及自適應(yīng)濾波器。本文采用的是目前普遍流行的基于橫向?yàn)V波器的Filter-X類算法，算法原理框圖如圖2所示。

圖2 FxLMS算法原理

假設(shè)一個(gè)多通道系統(tǒng)具有L個(gè)誤差傳聲器，M個(gè)次級(jí)聲源，則所需要的次級(jí)通道個(gè)數(shù)為L(zhǎng)×M。

(1)

然后利用L個(gè)誤差傳感器得到的誤差信號(hào)

e(n)=d(n)-s(n)[wT(n)r(n)]

(2)

濾波器權(quán)值更新

w(n+1)=w(n)-2μr(n)e(n)

(3)

最后產(chǎn)生M個(gè)控制信號(hào)

y(n)=wT(n)x(n)

(4)

1.3 DSP主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)

基于上述的算法原理，本文采用以微處理器(DSP)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的ANC系統(tǒng)，其主要優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)既能對(duì)不同參數(shù)進(jìn)行即時(shí)調(diào)整，維持最佳的消聲狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)功能，同時(shí)也能做到小型化、可靠化，適用于不同的環(huán)境[6]。

本文所設(shè)計(jì)的多通道DSP主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)如圖3所示。

該系統(tǒng)為一3入1出控制系統(tǒng)。主要由DSP、調(diào)理電路、傳聲器、功放以及揚(yáng)聲器組成。

圖3 多通道DSP主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)

(1) 數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。

DSP為該主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)的核心，主要完成信號(hào)的采集、自適應(yīng)濾波計(jì)算、次級(jí)通道建模和D/A輸出等功能。本系統(tǒng)選擇了以TMS320F28335數(shù)字信號(hào)處理器為基礎(chǔ)的研旭28335工業(yè)旗艦板。該型DSP應(yīng)用板具有精度高、運(yùn)算速度快、功耗小、外設(shè)集成度高、儲(chǔ)存量大等特點(diǎn)。

① 通道數(shù)：該DSP板內(nèi)部集成有雙采樣保持器的16路ADC通道，既可以工作在兩個(gè)獨(dú)立的8通道模塊，也可以級(jí)聯(lián)成16通道模塊，同時(shí)外掛了4通道DAC轉(zhuǎn)換模塊，其通道數(shù)可滿足本文系統(tǒng)的4路輸入(3路誤差和1路參考)及1路輸出的要求。

② 采樣率：該DSP板上的ADC最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為80 ns，也即單通道采樣率可達(dá)12.5 kHz。而本文控制目標(biāo)主要針對(duì)的是頻率為500 Hz以下的噪聲信號(hào)，根據(jù)采樣定律其采樣頻率大于1000 Hz即可滿足控制要求。本系統(tǒng)設(shè)置的實(shí)際采樣頻率為2000 Hz。

③ 運(yùn)算精度：該DSP板采用32位字長(zhǎng)。系統(tǒng)的控制精度主要受制于輸入信號(hào)的精度，故在保證系統(tǒng)運(yùn)算速度的前提下，考慮前端誤差傳聲器及其調(diào)理電路的精度一般均小于0.001，本系統(tǒng)選擇字長(zhǎng)為12位AD/DA，其輸入量程0～3 V，輸出范圍-5～+5 V。

④ 運(yùn)算速度：該DSP芯片的主頻達(dá)到150 MHz，具有浮點(diǎn)運(yùn)算內(nèi)核，這對(duì)于含有大量小數(shù)運(yùn)算的FxLMS算法可以有效減少其計(jì)算時(shí)間，滿足主動(dòng)噪聲控制過(guò)程的運(yùn)算速度需求。本系統(tǒng)的采樣間隔為1/2000=0.0005 s，而實(shí)測(cè)的運(yùn)算周期小于0.0004 s，滿足控制過(guò)程的實(shí)時(shí)性要求。

(2) 誤差傳聲器。

本系統(tǒng)選用的是駐極體電容傳聲器來(lái)采集誤差信號(hào)，這類傳聲器體積小、靈敏度高、頻帶寬、噪聲低、失真小、抗性強(qiáng)，適用于較為苛刻的環(huán)境。

(3) 調(diào)理電路板。

調(diào)理電路板主要分為兩個(gè)部分：對(duì)輸入信號(hào)的放大和抗混疊濾波，對(duì)輸出信號(hào)的重構(gòu)濾波。因?yàn)閺膫髀暺靼l(fā)出的信號(hào)僅有幾個(gè)毫伏大小，所以設(shè)計(jì)了3路放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。同時(shí)還在每路信號(hào)后面設(shè)置了截止頻率為300 Hz的4階切比雪夫抗混疊濾波器以消除采集中的信號(hào)交叉混疊現(xiàn)象。而D/A端輸出的信號(hào)通常是階梯狀，因此還設(shè)置了1路截止頻率為400 Hz的4階切比雪夫有源重構(gòu)濾波器。

(4) 功放及揚(yáng)聲器。

主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)采用的揚(yáng)聲器主要特點(diǎn)有：低頻好，功率響應(yīng)特性高；重量輕，體積小。因此本系統(tǒng)選用的是飛樂(lè)6.54 in，60 W高保真動(dòng)圈式揚(yáng)聲器。同時(shí)還選用了LM3886作為功放芯片設(shè)計(jì)了功放電路以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。揚(yáng)聲器裝于木質(zhì)音響內(nèi)。

2 電梯噪聲控制實(shí)驗(yàn)

2.1 高速電梯噪聲分析

高速電梯的噪音來(lái)源主要有兩個(gè)部分。

① 氣動(dòng)噪聲。當(dāng)電梯在封閉井道里高速反復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí),氣體被急劇壓縮，這時(shí)縫隙處的氣體由于流動(dòng)面積的急劇減少，與轎廂運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度則突然增加，產(chǎn)生很大的風(fēng)阻噪聲[7]。

② 機(jī)械噪聲。電梯運(yùn)行過(guò)程中轎廂與導(dǎo)軌的摩擦，鋼絲繩與轎廂壁振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。

本文所錄用的噪聲來(lái)自于某電梯公司運(yùn)行于試驗(yàn)塔中的樣梯轎廂，該試驗(yàn)塔高120 m，錄音時(shí)電梯以4 m/s速度勻速運(yùn)行。測(cè)量點(diǎn)位于轎廂中心位置，距地面1.7 m高，錄音設(shè)備為一高保真錄音筆，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量，選取其中受外界干擾最小的一組錄音作為實(shí)驗(yàn)噪聲信號(hào)。

圖4為電梯轎廂中錄制噪聲信號(hào)的時(shí)、頻域圖形，由圖中可以看出，電梯轎廂噪聲是一寬帶噪聲，其主要噪聲頻率都分布在0～400 Hz頻帶范圍內(nèi)。

2.2 單頻正弦噪聲系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)是在長(zhǎng)200 cm，寬175 cm，高300 cm的封閉模擬電梯環(huán)境中進(jìn)行的。3個(gè)誤差傳聲器分別放置在兩側(cè)和背部壁面的中心處，而源聲源和抵消聲源則放置在頂部壁面的中心處。模擬環(huán)境如圖5所示。

根據(jù)對(duì)高速電梯轎廂中的噪聲進(jìn)行分析，首先選取其頻譜中能量相對(duì)集中的130 Hz作為單頻降噪實(shí)驗(yàn)信號(hào)，用以驗(yàn)證該系統(tǒng)的可用性。

圖5 模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境圖

圖6為130 Hz單頻噪聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。從頻域圖可以看出對(duì)主頻點(diǎn)的降噪量可以達(dá)到40 dB以上，而對(duì)其他頻段同樣有明顯的降噪效果。通過(guò)聲級(jí)計(jì)的讀數(shù)可以得出平均降噪量達(dá)到20 dB。

圖6 正弦噪聲控制實(shí)驗(yàn)

圖7為加入白噪聲的正弦噪聲信號(hào)實(shí)驗(yàn)圖，信噪比為10 dB。從圖7可以看出該系統(tǒng)對(duì)加入白噪聲的單頻正弦噪聲同樣具有良好的降噪效果，平均降噪量達(dá)到12 dB。

圖7 加入白噪聲的正弦噪聲控制實(shí)驗(yàn)

通過(guò)對(duì)單頻正弦噪聲信號(hào)和加入白噪聲的單頻正弦噪聲信號(hào)的控制試驗(yàn)和降噪效果證明了本文系統(tǒng)的可用性。

2.3 錄制電梯噪聲控制實(shí)驗(yàn)

在正弦噪聲控制試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)一實(shí)際電梯轎廂內(nèi)錄制的信號(hào)，并經(jīng)由揚(yáng)聲器放出的噪聲進(jìn)行了控制實(shí)驗(yàn)。圖8為試驗(yàn)結(jié)果圖，從時(shí)域圖中可以看出原噪聲信號(hào)的幅值有一定程度的下降。而在頻域圖中，由于電梯噪聲的頻譜更為復(fù)雜，降噪效果相比正弦信號(hào)的噪聲控制實(shí)驗(yàn)有所降低，但是在0～200 Hz頻段有明顯的降噪效果，其中主頻段最大降噪量可達(dá)10 dB以上。

圖8 電梯噪聲實(shí)驗(yàn)圖

下一步將利用該系統(tǒng)在實(shí)際的電梯轎廂上開(kāi)展噪聲主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)。

3 結(jié)論

本文針對(duì)高速電梯運(yùn)動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的轎廂噪聲，設(shè)計(jì)一個(gè)基于DSP的3入1出主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)，并在模擬電梯環(huán)境中，分別對(duì)130 Hz正弦噪聲，加入白噪聲的正弦噪聲以及實(shí)際錄制的電梯噪聲進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，取得了較為滿意的成果，為今后在實(shí)際電梯運(yùn)行環(huán)境中的噪聲主動(dòng)控制奠定了基礎(chǔ)。