【摘要】：環(huán)境噪聲對人們的工作和生活帶來嚴重影響，傳統(tǒng)的被動噪聲控制方法往往體積龐大，，成本昂貴，難以安裝，而且很難控制低頻噪聲。管道主動噪聲控制（ActiveNoiseControl，ANC）將目標噪聲源以管道罩住，這樣噪聲在管道中傳播就可以近似為一維平面波，再利用聲波的相消干涉原理，通過電聲裝置在管道下游產(chǎn)生與原始噪聲幅值相同相位相反的次級噪聲（反噪聲）并與原始噪聲相疊加，就可以達到抑制噪聲的目的。該技術成本低且在低頻噪聲抑制方面效果顯著，因此成為近年來噪聲控制領域的研究熱點。 寬帶ANC系統(tǒng)和窄帶ANC系統(tǒng)將環(huán)境噪聲分成寬帶和窄帶來處理，是主動噪聲控制領域的兩個重要方向（寬帶：能量集中在一定頻段上；窄帶：能量集中在單個或者有限多個頻率上）。實際管道中目標噪聲顯示出寬窄帶混合的特性，新興的混合控制結構致力于寬窄帶混合噪聲的控制，由寬帶ANC子系統(tǒng)（BANC）、窄帶ANC子系統(tǒng)（NANC）、正弦噪聲抑制子系統(tǒng)（SinusoidalNoisecancellation，SNC）三部分組成，其中作為其控制核心的SNC子系統(tǒng)要求具有較高的追蹤能力和估計精度，才能有效協(xié)調各子系統(tǒng)工作。目標噪聲的幅值、頻率分量、相位、聲速是非平穩(wěn)（Nonstationary）的，因此需要自適應的算法，對于其參數(shù)的跳變需要算法在保證收斂和穩(wěn)態(tài)性能同時具有較高的追蹤能力。頻率失調（FrequencyMismatch，F(xiàn)M）是測量參考信號的頻率偏差，嚴重影響系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能；當目標噪聲非平穩(wěn)時，頻率偏差量也會受到影響，而傳統(tǒng)補償算法保證了穩(wěn)態(tài)性能的同時犧牲了收斂速度。本文針對上述關鍵技術難題開展基于自適應濾波算法的高性能主動噪聲控制系統(tǒng)研究。 首先，基于梯度下降法的思想構建自適應變步長的傅里葉分析器，改善SNC子系統(tǒng)的控制能力。將代價函數(shù)中引入關于步長的平衡項，得到的步長更新公式克服了傳統(tǒng)算法必須限定步長范圍來保持系統(tǒng)穩(wěn)定的弊病，不僅應用方便而且可以進行完全數(shù)學解析。另外，對新算法進行透徹的數(shù)學分析：將步長序列前移近似，降低了誤差和步長的相關性，解決了描述系統(tǒng)性能的差分方程組無法求解的問題，進而完成了系統(tǒng)動態(tài)建模；求解出系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與參數(shù)間的關系式，為參數(shù)選取和實際應用提供理論指導和依據(jù)。仿真驗證了算法性能的優(yōu)越性和數(shù)學分析的準確性。 其次，提出一種窄帶ANC主控制器的自適應變步長濾波-X最小均方算法（VSS-FXLMS），改善系統(tǒng)的追蹤性能、收斂速度和穩(wěn)態(tài)誤差。對新系統(tǒng)進行動態(tài)性能分析，給出影響系統(tǒng)性能關鍵的參數(shù)和選取條件。另外，提出一種改進FM補償方法，將補償算法的代價函數(shù)中引入加權因子，并用數(shù)學歸納法求出修正項，提升系統(tǒng)的追蹤和收斂能力；仿真結果顯示改進的補償系統(tǒng)與VSS-FXLMS主控制器相結合，在特征參數(shù)非平穩(wěn)，甚至FM偏移量發(fā)生跳變時仍然保持較高的追蹤能力。 再次，針對應用寬帶ANC系統(tǒng)處理窄帶信號過程進行性能分析：從數(shù)學角度給出控制濾波器長度、二倍頻率個數(shù)、初級通道長度三者的關系對系統(tǒng)收斂性能的影響；分析出用寬帶系統(tǒng)處理含窄帶分量噪聲的使用條件。另外，提出一種可以應用于寬帶ANC主控制器的VSS-FXLMS方法：去掉參考輸入項，增加誤差平方項，降低輸入自相關矩陣能量對步長穩(wěn)定性的影響，使寬帶ANC系統(tǒng)在非平穩(wěn)噪聲下的追蹤能力提高。將變步長的研究成果分別應用于寬窄帶混合主動噪聲控制系統(tǒng)（HybridANC，HANC）的三個子系統(tǒng)中，提出一種綜合性能較高的復合變步長寬窄帶混合主動噪聲控制系統(tǒng)（MultipleVariableStep-sizebasedHybridANC，MVSS-HANC）。 最后，通過實驗和仿真實驗驗證本文算法性能。設計管道平臺實驗系統(tǒng)，驗證VSS-FXLMS算法的窄帶ANC系統(tǒng)在目標噪聲特征參數(shù)跳變和頻率失調存在時的單頻和雙頻噪聲控制實驗，結果表明系統(tǒng)能夠很好的跟蹤非平穩(wěn)和頻率失調現(xiàn)象；基于Kuo提出的IIR型真實管道次級通道數(shù)據(jù)，針對實際工廠噪聲進行主動噪聲控制仿真實驗，分別驗證了變步長窄帶ANC系統(tǒng)和復合變步長寬窄帶混合ANC系統(tǒng)的綜合性能。
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【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TB535

【參考文獻】

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本文編號：2448169