主动降噪技术应用于柜式空调室内机的研究

陈承义， 于维佳， 秦臻， 梁韬

(1.柳州铁道职业技术学院， 广西　柳州　545616；2.广西艺术学院， 广西　南宁　530022；3.柳东新区管理委员会， 广西　柳州　545005)



主动降噪技术应用于柜式空调室内机的研究

陈承义1， 于维佳1， 秦臻2， 梁韬3

(1.柳州铁道职业技术学院， 广西柳州545616；2.广西艺术学院， 广西南宁530022；3.柳东新区管理委员会， 广西柳州545005)

为提高生活品质，减少室内噪声污染，以主动降噪技术的原理为出发点，针对柜式空调室内机运行时的噪声特点，提出了一种基于LMS自适应算法的前馈式主动降噪技术方案。根据提出的系统模型，从理论上分析了主动降噪技术系统的时滞与空间安置问题，为今后将主动降噪技术应用于家居声环境治理提供参考。

主动降噪技术；空调；LMS自适应算法

随着人民群众生活水平的提高，对生活品质的要求越来越高，其中也包括对室内声环境的要求。在长时间运行的家用电器中，柜式空调室内机运行时噪声污染是较为显著的，最高时接近70 dB[1]，静音逐渐成为评价一款柜式空调品质的重要指标。如果能够进一步控制柜式空调室内机的噪声，那么将对品牌塑造产生有益的影响，能极大地提升其产品竞争力，满足人们对家居环境的需求。

1　主动降噪技术

1.1主动降噪技术原理

噪声控制技术可分为被动降噪技术和主动降噪技术(ANC, Active Noise Control)两大类[2]，其中被动降噪技术在工程上操作简单，能够有效抑制高频噪声，但却难以控制低频噪声，而且一般来说需要消耗空间、增大产品体积；主动降噪技术实现方法复杂，但能够有效地抑制低频噪声。

主动降噪技术多用于封闭空间的噪声消除工程当中，适用于家庭居室使用。主动降噪技术是基于两个声波干涉相消原理，次级声源依靠控制算法生成声波，该声波与噪声声波幅度相等但相位相反，二者在一定的空间内相叠加，次级噪声就会抵消原有噪声[3]。

1.2主动降噪技术系统实现方式

目前，主动降噪技术系统从结构上可分为前馈式、反馈式、多通道主动降噪技术三类。多通道主动降噪技术系统用于多个噪声源分离的场景当中；反馈式主动降噪技术只拾取干涉之后的声波(误差信号)，这类主动降噪技术系统的输出只与自适应滤波器的输出以及误差信号有关；前馈式主动降噪技术拾取目标源噪声信号，同时对误差信号进行采集，实时性能较好，适用于噪声源频率范围较窄的场合。

1.3前馈式主动降噪技术系统原理

前馈式主动降噪技术系统通常使用一个或多个初始麦克风来拾取原有噪声作为初级噪声参考信号，并通过在远端设置的误差麦克风收集叠加后的噪声作为反馈信号，由控制器根据参考信号与反馈信号的特征进行计算并产生相应的次级噪声波形，再通过一个或多个扬声器再现该次级噪声作为抗噪声源，通过次级噪声波形与原始噪声干涉相消，达到降低到达用户耳朵噪声的幅度的目的，如图1所示。

图1　前馈式主动降噪原理示意图

图2　基于LMS算法的主动降噪技术系统框图

主动降噪技术系统的实现关键在于如何设计控制器。目前的研究表明，主动降噪技术控制器主要采用滤波法，尤其是采用自适应滤波器进行前馈式主动降噪[4]。其优点是硬件结构简单，低频响应优良，时滞较小[5]。

自适应滤波器包括自适应控制器和横向滤波器，自适应算法根据误差采集传感器的反馈信号来自动调节横向滤波器的参数，使横向滤波器能够对环境噪声的改变自动进行实时的跟踪。最小均方误差算法(LMS)是在主动降噪技术自适应控制器中比较常见的算法，LMS具有运算简单、收敛速度快的特点[6]，适用于低成本的主动降噪技术方案当中。基于LMS的前馈式主动降噪技术系统框图如图2所示。

初始化：x(0)=w(0)=[00…00]T

对于k≥0，有：

e(k)=d(k)-x(n)T·w(n)

(1)

w(n+1)=w(n)+2μe(n)x(n)

(2)

其中μ是收敛因子，以下条件即为LMS算法收敛的充要条件：

(3)

对横向滤波器有：

(4)

设自适应滤波器在n时刻的输出为y(n)，则该时刻误差传感器的误差信号e(n)可以表示为：

e(n)=d(n)-y′(n)=d(n)-s(n)y(n)

(5)

2　柜式空调室内机的主动降噪方案

2.1柜式空调室内机的噪声特点

柜式空调室内机的噪声主要来源于离心风机，其中旋转和气动噪声占主要成分，频率特征单一，且为低频成分占主要部分[7]。事实上，大多数情况下人们较敏感的室内空调噪声其频率集中在100 Hz至500 Hz之间。

目前对上述噪声的控制采取了设置吸声装置、增加隔声材料等被动降噪措施。但由于空调机的结构与功能较特殊，当采用被动降噪技术会产生空气调节效率下降、电机散热不良、产品体积笨重等问题；而且被动降噪技术难以消除低频噪声，较长的波长能够轻易穿透空调外壳的隔音材料。因此开展将主动降噪技术应用于柜式空调室内机的研究是具有积极意义的。

2.2主动降噪技术系统方案

图3　空调机主动降噪系统方案示意图

应用于柜式空调室内机的主动降噪技术系统方案示意图如图3所示。该方案采用前馈式主动降噪技术方案，初始传感器(MIC1)设置在风机的出口处，采集源噪声信号；同时在空调机外壳设置误差传感器(MIC2)对干涉相消后的声波进行采集作为误差信号。源噪声信号与误差信号作为自适应控制器的输入，其输出数字量经过数字模拟转换器(DAC)转换为模拟量，最后通过功率放大器(PA)送至扬声器回放成声波，次级声源与噪声源进行声波的干涉，从而降低人们听到的噪声音量。

2.3主动降噪技术系统的时滞与空间安置问题

在实际应用中，噪声源和次级声源在空间内合成后能不能得到预期的降噪还必须考虑二者之间的距离。在工程中二者不可能安装在同一点上，这样就会出现某一区域声场被抵消达到了降噪效果，但其余区域声场不能削弱噪声的情况；甚至会出现峰值同相叠加，这样会导致噪声反而被强化，起到反作用。

此外，主动降噪技术控制过程中，在对信息进行计算处理后，输出的次级声源与噪声源之间不可避免地存在一定的延时，二者的相位并不可能完全匹配。这样一来，两种声波在空间中干涉作用时，就会无法达到降低噪声的目的，甚至引起更大的噪声。

以上两种情况要求必须考虑实际需求来对主动降噪技术系统的时滞与安置位置做匹配，在必要的情况下，应该人为地调整系统输出时滞系数来获得期望的降噪效果。

例如在实验中，设置噪声源频率为340 Hz，并将次级噪声扬声器安装在距离噪声源1.7 cm(扬声器本身厚度)处，根据声音在空气中传播速度易知声波传递这段距离需要0.05 ms的时间，这是主动降噪技术系统需要匹配的目标时滞。

采用TI公司的16位ADC芯片ADS8370进行目标频率信号的采集，该芯片采样频率为600k SPS(Sample Per Second，即每秒采样次数)，可以用来完成标准采样率为44.1 kHz的音频采样，理论上完成每次转换所需时间为0.023 ms左右，设处理器完成滤波、计算所必需的时间大概为0.01 ms，共须花费0.033 ms的时间开销，为了与上述的0.05 ms相匹配，还应该在输出次级噪声波形的时候人为加入0.017 ms的匹配时滞。当然，以上例子是较为理想的情况，实际工程当中将会面临更为复杂的情况，例如噪声源频率变化、共鸣腔体的影响等实际问题。

3　仿真分析

实验采用MATLAB的Simulink仿真工具对前馈式主动降噪技术系统进行仿真，控制算法采用LMS，仿真模型如图4所示。

设置横向滤波器长度为32，采样频率为2 000 Hz，假设次级噪声通路的传递函数估计值与实际值相等，收敛系数μ=0.001。

分别采用两种噪声声源信号来模拟空调发出的低频噪声作为初级噪声声源，对误差信号e(n)进行观测的结果如图5所示。其中图a噪声源为300 Hz的单频噪声和50 Hz正弦信号调制后的信号，图b噪声源为600 Hz的单频噪声和10 Hz正弦信号调制后的信号，初始噪声幅值为1。

图4　主动降噪技术系统仿真模型

从结果中可知，本文设计的前馈式主动降噪技术系统应用于带宽较窄的噪声源可获得比较优良的降噪效果，但是随着噪声带宽的增加，降噪质量下降。在2.1中已经分析过，柜式空调室内机属于窄带噪声源，应用该主动降噪技术系统能够取得较好的降噪效果。

4　结论

主动降噪技术是近年来较热门的一项研究，本文从主动降噪技术原理入手，从理论上分析了柜式空调室内机应用该技术的可行性，并给出了主动降噪技术系统应用方案；接着提出了工程实施上应注意的主动降噪技术系统时滞与空间安置问题，对时滞匹配问题进行了详细说明，这也是许多主动降噪技术技术应用研究中容易忽视的问题；最后对系统进行仿真并分析了仿真结果，证明本文提出的主动降噪技术系统能满足柜式空调室内机运行中的降噪需求。

将主动降噪技术应用于柜式空调室内机的研究目前还比较少，如果主动降噪技术能够作为被动降噪技术的补充广泛应用于家居环境治理当中，将会对减少噪声污染、提高人民群众的生活质量起到积极的意义。

[1]罗梦莹. 主动噪声控制研究[D]. 重庆:重庆大学, 2013.

[2]陈克安. 有源噪声控制[M]. 北京:国防工业出版社, 2003.

[3]贺启环. 环境噪声控制工程 [M]. 北京:清华大学出版社, 2011：9-35.

[4]赛吉尔呼. 基于智能算法的汽车主动降噪系统研究与设计[D]. 上海: 东华大学, 2015.

[5]CH汉森, SD斯奈德,等. 振动和噪声的主动控制[M]. 北京: 科学出版社, 2002.

[6]B Widrow, S D Stearns. Adaptive Signal Processing[M]. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1985.

[7]李晓阳. 家用空调器噪音识别分析及控制关键技术研究[D]. 安徽: 合肥工业大学, 2015.

[Abstract]In order to improve people’s life quality and reduce indoor noise pollution, based on the principle of active noise control (ANC), according to the characteristics of air conditioner noise during operation, a feedforward ANC scheme based on LMS adaptive algorithm is proposed. According to the proposed system model, the time delay and spatial arrangement of the ANC system are analyzed theoretically, which provides a valuable reference for the application of ANC technology in home sound environmental management in the future.

[Key words]active noise control; air conditioner; LMS adaptive algorithm

[责任编辑刘景平]

Research on Application of Active Noise Control for Indoor Air Conditioner

CHEN Cheng-yi1， YU Wei-jia1， QIN Zhen2， LIANG Tao3

( 1.Liuzhou Railway Vocational and Technical College, Liuzhou, Guangxi 545616, China;2.Guangxi Arts Institute, Nanning, Guangxi 530022, China;3.Liu Dong New District Management Committee, Liuzhou, Guangxi 545005, China)

TM925.12

A

1672-9021(2016)02-0083-05

陈承义(1959-)，男，广西柳州人，柳州铁道职业技术学院讲师，主要研究方向：电气自动化技术。

2015-11-25