? ? ? ? 主動(dòng)噪聲控制（active noise control，簡(jiǎn)稱ANC），或稱有源噪聲控制，是相對(duì)于被動(dòng)噪聲控制，目前研究較多的噪聲控制手段。在研究主動(dòng)噪聲控制中關(guān)鍵的噪聲控制算法自適應(yīng)濾波算法之前，首先介紹基礎(chǔ)內(nèi)容，以下是ANC的原理介紹和ANC系統(tǒng)相關(guān)介紹。

1 ANC原理

? ? ? ?被動(dòng)的噪聲控制主要通過(guò)物理材料充當(dāng)障礙物，在噪聲源與聲音接收者之間的傳播路徑之間阻斷聲波的傳播或吸收聲波，該方式針對(duì)中高頻段噪聲有較好的控制能力，對(duì)于低頻噪聲效果較差。有源噪聲控制能夠有效地控制低頻噪聲的干擾，其利用聲波相消性干涉的原理，系統(tǒng)跟蹤被控制噪聲源信號(hào)，經(jīng)過(guò)自適應(yīng)濾波算法，產(chǎn)生并發(fā)出一個(gè)與被控制噪聲幅值相同、相位相反的聲波信號(hào)，兩者疊加，抵消為零，示意圖如圖1。

圖1 聲波相消干涉

? ? ? ? 通常，我們稱需要被控制的噪聲源為初級(jí)噪聲 ，在附近放置傳感器，拾取聲信號(hào)或其他信號(hào)形式作為輸入噪聲的參考信號(hào)，輸入到控制器中。控制器控制作動(dòng)器，發(fā)出的反噪聲信號(hào)，成為次級(jí)噪聲，兩個(gè)聲信號(hào)在空間中傳輸疊加，用誤差傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)兩者之間的誤差，產(chǎn)生誤差信號(hào)并反饋給控制器，控制濾波器參數(shù)調(diào)整，次級(jí)噪聲隨之改變，兩者疊加誤差信號(hào)越來(lái)越小，最終在監(jiān)測(cè)點(diǎn)處初級(jí)噪聲被抵消，這就是自適應(yīng)的有源噪聲控制系統(tǒng)運(yùn)行流程，示意圖如圖2所示。

圖2 有源控制系統(tǒng)示意圖

2 ANC中聲學(xué)基礎(chǔ)

? ? ? ? 在有源噪聲控制系統(tǒng)研究的過(guò)程中，十分有必要掌握聲學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，根據(jù)聲音的傳播規(guī)則和相關(guān)聲參量，構(gòu)建ANC系統(tǒng)中的聲學(xué)相關(guān)參數(shù)和傳遞路徑。初級(jí)噪聲源所及的物理空間構(gòu)成了初級(jí)聲場(chǎng)，通過(guò)系統(tǒng)控制產(chǎn)生的次級(jí)噪聲構(gòu)成了次級(jí)聲場(chǎng)，初級(jí)聲場(chǎng)和次級(jí)聲場(chǎng)相互作用，就是ANC技術(shù)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

? ? ? ? 在聲場(chǎng)中，噪聲源起振，并帶動(dòng)周圍介質(zhì)產(chǎn)生振動(dòng)，聲源的振動(dòng)就以聲波的形式往外傳播出去。聲波的主要特征包括聲壓、周期、頻率、波長(zhǎng)、聲速等，由于聲壓易于測(cè)量，常用來(lái)描述聲波特性，在有源噪聲控制系統(tǒng)中也監(jiān)測(cè)聲壓的變化衡量系統(tǒng)的降噪性能。

? ? ? ? 波陣面是指聲音傳播中相位相同的各介質(zhì)點(diǎn)相連成的面，根據(jù)其不同，對(duì)聲波分成平面、球面和柱面聲波的類型。平面聲波的波陣面是垂直于傳播方向上的平面，所形成的聲場(chǎng)是一維聲場(chǎng)。在理想均勻流體介質(zhì)中，小振幅平面聲波一維波動(dòng)方程表示以下形式。

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式中：為聲壓，是空間位置和時(shí)間的函數(shù)，是聲速。對(duì)于無(wú)限介質(zhì)，且不存在聲波反射等的條件下，平面聲波波動(dòng)方程的解用下式表示。

式中：所代表的聲源是一個(gè)穩(wěn)定的簡(jiǎn)諧聲源，為聲壓振幅，是波數(shù)，為角頻率。

? ? ? ? 球面聲波是從一個(gè)表面同步脹縮的點(diǎn)聲源發(fā)出的聲波，其波陣面為以聲源點(diǎn)為中心的同心球面。它與平面聲波的不同在于聲壓振幅隨著傳播距離的增加而減小。根據(jù)三維聲場(chǎng)中的球坐標(biāo)系聲波波動(dòng)方程，推得球面聲波在無(wú)限均勻介質(zhì)，且不存在障礙物和反射條件下的聲壓表達(dá)式。

式中：為常數(shù)，聲波在空間某位置處聲壓振幅要受到與聲源之間距離的影響。

? ? ? ?對(duì)于柱面聲波可以將其理解為一個(gè)線聲源，其波陣面為同軸圓柱面。柱面聲波在理想介質(zhì)無(wú)邊界的空間中傳播，其聲壓振幅隨著空間位置的改變而改變，特點(diǎn)是與聲源之間的傳播距離的平方根成反比。

? ? ? ?上文所涉及到的聲壓表達(dá)式是在自由聲場(chǎng)條件下才可以滿足的，自由聲場(chǎng)是指沒(méi)有邊界和障礙的聲場(chǎng)，聲波的傳播不會(huì)受到空間的約束，是一種理想化的條件。而現(xiàn)實(shí)生活中往往是有界聲場(chǎng)，存在邊界和障礙，聲波在傳播過(guò)程中會(huì)被反射等等，聲波傳播現(xiàn)象復(fù)雜，分析研究難度高，因此本文建立在自由聲場(chǎng)，且傳播媒介為均勻理想介質(zhì)等理想環(huán)境的基礎(chǔ)上，以聲壓為主要表述噪聲控制性能的參數(shù)，開(kāi)展對(duì)于有源噪聲控制結(jié)構(gòu)及算法的研究。

3 ANC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 前饋型系統(tǒng)

? ? ? ?有源噪聲控制系統(tǒng)按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大致分為三類，前饋型、反饋型和混合型。三者代表不同的控制方式，適用于不同的應(yīng)用環(huán)境下。前饋型ANC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖3，主要包括參考傳感器（得到參考信號(hào)用來(lái)控制次級(jí)噪聲的產(chǎn)生）、刺次級(jí)揚(yáng)聲器（產(chǎn)生用來(lái)抵消刺激噪聲的初級(jí)聲信號(hào)）、誤差傳感器（檢測(cè)系統(tǒng)的殘余噪聲）和自適應(yīng)控制器（調(diào)整次級(jí)聲信號(hào)）。誤差傳感器得到的誤差信號(hào)一方面用來(lái)監(jiān)測(cè)降噪性能，一方面用來(lái)調(diào)整控制濾波器的權(quán)系數(shù)，通過(guò)不斷的更新迭代，使次級(jí)噪聲逐步抵消初級(jí)噪聲干擾。前饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用時(shí)方便布置，獲取初級(jí)噪聲，從而穩(wěn)定性好，適用于對(duì)初級(jí)噪聲獲取要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)景。

圖3? 前饋ANC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

? ? ? ? 在ANC系統(tǒng)中，初級(jí)噪聲和參考傳感器之間存在的聲傳播通路為參考通路，初級(jí)噪聲和誤差傳感器之間存在初級(jí)通路，次級(jí)噪聲和誤差傳感器之間存在次級(jí)通路，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的模擬仿真，三條通路相當(dāng)于系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，其單位脈沖響應(yīng)分別記為、和，通路的存在使聲信號(hào)在傳輸中有一定的聲時(shí)延、衰減，在有源噪聲控制的實(shí)現(xiàn)上不得不將通路的影響考慮進(jìn)來(lái)。

3.2 反饋型系統(tǒng)

? ? ? ? 反饋型ANC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，與前饋型ANC系統(tǒng)的區(qū)別在于沒(méi)有參考傳感器，不直接獲取初級(jí)噪聲信號(hào)，其思路為用次級(jí)噪聲y(n)和誤差信號(hào)e(n)估計(jì)初級(jí)噪聲大小。其特點(diǎn)在于減少了次級(jí)揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音信號(hào)傳入?yún)⒖紓鞲衅鲝亩a(chǎn)生的傳感器誤差，但這種系統(tǒng)容易發(fā)生正反饋現(xiàn)象，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。較適用于周期性強(qiáng)，帶寬較窄的噪聲信號(hào)控制。

圖4 反饋型ANC系統(tǒng)

? ? ? ? ? 除此之外，還有混合型ANC系統(tǒng)，是指既包含前饋控制器又包括反饋控制器，混合搭配，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且在實(shí)際場(chǎng)景中應(yīng)用難度大，穩(wěn)定性較差。

4 ANC中突出問(wèn)題

? ? ? ? 在研究有源噪聲控制中自適應(yīng)算法時(shí)，往往需要把系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化考慮，著重算法的設(shè)計(jì)和性能，但實(shí)際的噪聲控制系統(tǒng)內(nèi)部存在一些突出問(wèn)題，主要有：次級(jí)噪聲和誤差傳感器之間存在物理通路，稱為次級(jí)通路，如果不能辨識(shí)出通路的參數(shù)將影響ANC算法的穩(wěn)定性；多通道系統(tǒng)增大算法復(fù)雜度，需要在單通道算法的基礎(chǔ)上做調(diào)整；次級(jí)聲源傳輸?shù)絽⒖紓鞲衅鳟a(chǎn)生反饋信號(hào)；基礎(chǔ)自適應(yīng)算法無(wú)法解決特殊的初級(jí)噪聲等等。如果不解決以上問(wèn)題，在現(xiàn)有的控制結(jié)構(gòu)和算法基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的控制效果和穩(wěn)定性都會(huì)受到影響。