室内风扇噪声主动降噪系统设计及仿真研究

陕西科技大学电气与信息工程学院 杨 青 马令坤 李慧贞

室内风扇噪声主动降噪系统设计及仿真研究

陕西科技大学电气与信息工程学院 杨 青 马令坤 李慧贞

风扇噪声在日常生活和工业生产中都是较为普遍的一种噪声源，平时室内的风扇噪声会严重影响人们的正常生活和休息。针对室内风扇产生的大量低频噪声，本文提出一种多通道前馈主动噪声控制系统设计方案，并在此基础上，采集真实的风扇噪声信号，利用MATLAB对多通道Filtered X-Least Mean Square(FX-LMS)算法进行了仿真和分析；实验结果验证了该方案的有效性。

主动噪声控制；多通道；Filtered X-Least Mean Square(FX-LMS)算法

0 引言

现代城市中环境噪声主要包括工业噪声和室内噪声，与工业噪声相比，办公室、居室等室内噪声并没有引起足够的重视。由于现代人们工作和生活时间基本都在室内，而风扇、空调等设备产生的低频噪声传播距离远，衰减慢，大部分都会被人体接收，因此室内环境质量对人们的身体健康具有更加直接的影响。同时传统的被动噪声控制方法对低频段噪声控制效果不佳，而主动噪声控制(Active Noise Control,ANC)[1]技术的出现很好地解决了这个问题，该方法对低频段噪声控制效果比较好，而且系统设计起来简单、方便。自从主动噪声控制系统研究以来，就受到了人们的广泛关注，主动噪声控制方法已经普及到了日常生活领域和工业领域等。针对房间内风扇产生的大量低频噪声，同时为了扩大抵消范围，获得足够的降噪量，本文设计了一种多通道前馈主动噪声控制系统，采集了真实的风扇噪声信号，以MATLAB为实验平台进行多通道FX-LMS算法的仿真。仿真结果表明，该控制系统对低频段噪声具有较好的降噪效果。

1 风扇噪声分析

风扇的作用在于产生足够的压力使需要的气体能够通过[2,3]。风扇的结构有很多种，但是大体上风扇噪声的组成成分有以下两种，风扇噪声一般是由旋转噪声和絮流噪声两部分组成[2,3]。其中主要噪声成分为旋转噪声。

旋转噪声是窄带噪声，源自于叶片的周期性运动从而引起空气压力脉冲而激发的噪声[2,3]。这一部分噪声主要是低频离散噪声，其频率可由(1)式计算：

其中，Z为风扇的叶片数；n为风扇的转速 (r/min)；k为不同的谐波次数，k=1,2,3……。

絮流噪声的成因是叶片与空气相互作用产生涡流，涡流分裂相互挤压碰撞，从而形成一种不稳定的流动噪声[2,3]。絮流噪声属于宽带噪声，其峰值频率由(2)式计算：

其中，h为常数，大致在0.15～0.22之间；V为风扇圆周线速度(m/s)；d为叶片在气流入射方向上的厚度(m)。

2 多通道主动噪声控制系统

当噪声场位于一定范围内的时候，若使用一个扬声器和误差传感器去抵消原始噪声则不能获得很好的降噪效果，这时需考虑设计带有多个参考传感器、多个次级扬声器和多个误差传感器的多通道ANC系统。从控制器的构成来看，多通道与单通道系统并没有本质区别，构成多通道自适应算法的原理与单通道算法是一样的[4]。带有J个参考传感器、K个次级扬声器和M个误差传感器的多通道主动噪声控制系统如图1所示。

图1 多通道前馈主动噪声控制系统示意图

初级噪声通过J个参考传感器形成参考信号矢量xj(n)，xj(n)，j=1,2,……J；自适应控制器采用多通道FX-LMS算法计算得到K个次级信号yk(n)，k=1,2,……K，经过功率放大器放大后驱动次级扬声器；M个误差传感器分别放置在期望的位置拾取残余误差信号后反馈到自适应控制器，从而控制自适应滤波器权系数的更新，这样的更新过程一直进行到系统达到稳定状态。

在多通道主动噪声控制系统中，声场的总声势能Ep约等于各个次级声源输出信号的平方和[5]。因此，多通道主动噪声控制系统应使得代价函数达到最小值，该代价函数如(3)式所示。

其中，ρ为声介质的密度，c为声音在该介质中的传播速度，pm为声场中第m个次声源造成的声压，M为次级声源个数。由于该函数是一个二次函数，在多通道主动噪声控制系统中就可以应用梯度下降法进行计算[6]。

3 多通道FX-LMS算法

在主动噪声控制领域，算法及控制器结构一直是前沿热门课题[6]。本设计考虑到系统成本、可靠性、技术成熟度等，故采用目前最流行的基于横向滤波器的多通道FX-LMS算法[7]。

将图1所示的多通道前馈主动噪声控制系统示意图等效为图2所示的简单框图。

图2 多通道前馈主动噪声控制系统简化框图

其中，P表示从噪声源到M个误差传感器的M×J个初级通道传递函数Pmj(z)，S表示从K个次级声源到M个误差传感器的M×K个次级通道传递函数Smk(z)，W表示K×J个自适应滤波器。

在这个基本的多通道前馈主动噪声控制系统中，自适应滤波器W有J个参考输入信号xj(n)，xj(n)是信号矢量x(n)的元素；每个控制器由Wkj(z)表示；输出到次级声源的次级信号为：

其中xj(n)≡[xj(n) xj(n-1)…xj(n-L+1)]T，j=1,2,…,J是参考信号矢量。

自适应滤波器的代价函数由(5)式所示的误差信号的平方和来估计：

与单通道前馈主动噪声控制的FX-LMS算法相比，由(6)式来更新每个自适应滤波器的权值向量：

4 室内风扇噪声主动降噪系统的设计

针对室内风扇产生的噪声采用多通道前馈主动噪声控制系统来实现降噪，示意图如图3所示。为了将图中所希望区域内的噪声抵消掉形成静区，本设计选用一个参考传感器采集风扇噪声的主要信息，两个扬声器通过扇形排列可以抵消更大范围内的噪声能量形成无声区，两个误差传感器分别用来拾取残余噪声信号并反馈到DSP中通过多通道FX-LMS算法来更新自适应滤波器的权值。

系统信号流程如下：在风扇附近放一个参考传感器用来采集噪声信号；参考传感器将信号转化为电信号后需送至前置放大电路中进行信号的放大，放大后信号通过抗混叠滤波器滤除一些无用的高频分量以防采样后产生频谱混叠，然后通过AD转换模块将模拟信号转化为数字信号后送至DSP处理器中进行自适应噪声抵消处理；处理后的信号通过DA转换模块、平滑滤波器和功率放大器以驱动扬声器发出与风扇噪声幅度相同、相位相反的噪声；误差传感器放在所需静区拾取残余误差信号，通过前置放大、抗混叠滤波和AD转换后送至DSP处理器进行滤波器权值的更新，自动调节系统参数，跟随实际情景变化，最大幅度降低噪声。

图3 室内风扇噪声主动降噪系统示意图

系统以TI公司的TMS320VC5509 DSP芯片作为核心处理器，其最高主频为200MHz，自带McBSP接口，支持SPI模式，能够产生串行时钟信号，控制数据传输，满足系统实时性要求。

5 系统仿真分析

下面给出多通道主动噪声控制系统FX-LMS算法的仿真，根据图3的设计方案，系统有1个参考传感器，2个次级扬声器和2个误差传感器，噪声信号是用话筒采集的风扇噪声，主频为100Hz。图4是该风扇噪声的时域和频域图，由图可知抵消前100Hz处有很大的分量。

仿真中假定初级通道传递函数为：

次级通道传递函数分别为：

其中，S11(z)为第1个次级扬声器到第1个误差传感器的传递函数，S12(z)为第2个次级扬声器到第1个误差传感器的传递函数，S21(z)为第1个次级扬声器到第2个误差传感器的传递函数，S22(z)为第2个次级扬声器到第2个误差传感器的传递函数，自适应滤波器阶数为15阶，自适应步长为0.1，仿真结果如图5～图8所示。

从图5和图7的频谱中可以得知多通道FX-LMS算法具有较好的降噪效果，抵消后风扇噪声在100Hz处的分量明显降低；从图6和图8可知，理论情况下多通道主动噪声控制系统在误差传感器1、2处的降噪量分别达到40dB和30dB。

图4 降噪前信号时域和频谱图

图5 误差传感器1处残余噪声

图6 误差传感器1处功率谱

图7 误差传感器2处残余噪声

图8 误差传感器2处功率谱

6 小结

针对实际的室内风扇噪声，以尽可能大范围的降低噪声为主，所以本文设计了多通道前馈主动噪声控制系统，通过仿真得知该系统具有较好的降噪效果，因此该系统可以用于实际房间内的噪声抵消。下一步的工作将致力于在获得足够降噪量的同时，从硬件上实现该系统的设计方案，将多通道主动噪声控制推向实际工程。

[1]陈克安．有源噪声控制[M]．北京:国防工业出版社,2003:1-3．

[2]甘若冰．主动噪声控制算法与应用研究[D]．哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013．

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[7]蔺诚毅,吴亚锋,陈耿．无人机螺桨噪声主动控制实验[J]．科学技术与工程,2014,9:265-268．

Design and Simulation of Indoor Fan Noise Active Noise Reduction System

Yang Qing，Ma Lingkun，Li Huizhen
（College of Electrical and Information Engineering，Shaanxi University of Science and Technology，Xi'an 710021 China）

Fan noise is a common noise source in daily life and industrial production，the indoor fan noise will seriously affect people's normal life and rest.this paper proposes a multi-channel feedforward active noise control system design scheme for a large number of low frequency noise generated in the indoor fan，collects the fan noise，simulates and analyses the single channel and multi-channel FX-LMS algorithm using MATLAB on this basis.Through the calculation，it is known that the multi-channel system has a better effect on the fan noise.

active noise control；multi-channel；Filtered-X LMS(FX-LMS)algorithm

杨青（1993—），女，甘肃平凉人，硕士研究生，主要研究方向：自适应信号处理。

马令坤（1967—），男，陕西咸阳人，教授，主要研究方向：自适应信号处理、阵列信号处理。

李慧贞（1977—），女，陕西咸阳人，讲师，主要研究方向：EDA技术，通信技术。

项目名称：陕西省教育厅专项科研基金项目（16JK1100）。