基于自适应滤波及模态分析的有源噪声控制方法研究

摘要

随着经济的发展和社会的进步,噪声污染日益严重,危害人们的身心健康,引起机械设备结构的声疲劳,并降低武器装备的作战性能和声隐身性能。因此噪声控制在民用和军事领域中都具有十分重要的意义。有源噪声控制技术是控制低频噪声的有效方法,根据噪声控制机理可分为声源控制、传播途径控制和接受者保护三类,研究内容和手段具有多样性。论文从接受者保护和声源控制的角度出发,针对基于自适应滤波技术的前馈有源噪声控制方法和基于模态分析的结构声辐射控制方法中存在的一些主要问题开展研究工作。论文所做主要工作概况如下:
　　1.在自适应前馈有源控制技术中,非因果成分会降低噪声控制性能,为了使系统尽量满足因果约束,提出一种参考信号的拾取方法。该方法将参考传声器放置在噪声源来波方向上,并通过距离调整来增大参考传声器和误差传声器的时间延迟,用于抵消串扰和反射等因素引起的非因果成分,从而提高噪声控制性能。在此方法中,为了检测宽带噪声源的来波方向,提出了一种基于KR积的内插聚焦估计算法。该算法将各频率点的协方差矩阵进行KR积扩展后,借助最小二乘内插聚焦矩阵,构造无噪声聚焦后的各频率数据组合矩阵,进而采用MUSIC方法实现过定和欠定两种情况下的来波方向估计。最后,将噪声源的定位结果用于指导参考传声器的布放,通过比较传声器布放位置及数目调整前后的噪声控制效果,验证参考信号拾取方法的有效性。
　　2.在宽带噪声的自适应前馈有源控制技术中,无延迟子带自适应滤波方法由于能避免信号通道的延迟且收敛速度快,成为宽带噪声控制中的主要方法。但该方法的控制效果会受到分析滤波器组的群延迟和带内混叠误差的影响,因此分析滤波组的设计是关键。现有的分析滤波器组是调制线性相位原型低通滤波器得到的,它不能保证滤波器组的低群延迟和小旁瓣效应,致使噪声控制效果不明显。为此,提出迭代二阶锥规划方法设计分析滤波器组。将带内混叠误差和群延迟构造为关于原型滤波器权系数的二次函数,进而通过迭代二阶锥优化得到原型滤波器权系数,最后利用均匀DFT调制为分析滤波器组。与同阶线性相位分析滤波器组相比,该滤波器组具有更低的群延迟和更小的带内混叠误差。在此基础上,采用部分子带权系数更新的归一化最小均方误差算法,构建了频域无延迟噪声控制系统。实验结果表明,该系统的噪声控制效果明显,不仅能有效降低残余噪声功率谱,提高噪声衰减量,而且还具有收敛速度快和计算复杂度低等优点。
　　3.在窄带噪声的自适应前馈有源控制技术中,从理论上分析了频率偏差造成自适应滤波器权系数的均值偏移不能收敛到零矢量,是导致控制性能恶化的根本原因。因此为了提高噪声控制效果,必须对干扰信号的频率进行精确估计。为此,提出了一种用于实值信号的快速子空间跟踪-ESPRIT类频率估计方法。该方法的信号子空间维数与信号频率的个数相等,从而避免了传统方法用于实值频率估计时,信号子空间的维数为频率个数2倍的问题。仿真结果表明算法的精度高,满足实际应用的要求。最后,结合不需要次级通道估计的FXLMS算法,在DSP平台上实现了弹性薄板的基频和谐波分量的振动控制,从而降低了封闭声腔中的结构声辐射的声压级。
　　4.在基于模态分析的弹性结构声辐射的控制技术中,根据输入输出测量数据建立精确受控系统模型是实施该类控制方法的前提。目前,主要采用子空间辨识方法来建立系统状态方程,但该方法计算量大,难以得到有效应用。为此,利用广义能观矩阵的列空间与观测矢量相关矩阵的信号子空间一致的特征,提出了一种在线子空间辨识方法用于系统状态方程的建立。该方法包含了两个递推过程:一是利用矩阵求逆变换计算观测矢量;二是基于多级分解幂迭代子空间跟踪算法估计广义能观矩阵,以保证按指数全局收敛到主子空间。仿真结果表明该方法能提高辨识精度,不仅减小广义能观矩阵估计值与真实值的夹角,还能降低辨识得到的输出数据与真实值之间的均方根误差。最后,利用有限元和声学分析软件,构建了一种基于振动控制的封闭空间降噪系统模拟环境。采用所提的在线子空间辨识法建立了压电结构系统模型,结合线性二次最优控制方法产生压电陶瓷作动器次级电压。通过控制与声模态耦合大的结构模态,有效降低了舱室结构声辐射的声压级,验证了在线子空间辨识方法应用在结构声辐射控制中的有效性。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 自适应滤波前馈有源噪声控制方法的国内外研究现状

1.3 基于模态分析的结构声辐射控制方法的国内外研究现状

1.4 本文的主要工作

第二章 前馈有源噪声控制系统中的参考信号拾取方法

2.1 引言

2.2 前馈有源噪声控制系统

2.3 不同场景下参考传声器的布放对前馈系统控制性能的影响

2.4 宽带噪声源定位方法

2.5 仿真实验与分析

2.6 本章小结

第三章 频域无延迟子带前馈有源宽带噪声控制方法

3.1 引言

3.2 频域无延迟子带有源噪声控制系统模型（频域DSANC）

3.3 均匀DFT调制分析滤波器组的设计

3.4 仿真实验与分析

3.5 本章小结

第四章 自适应有源结构声辐射控制系统的设计与实现

4.1 引言

4.2 频率偏差下的自适应前馈有源控制系统的性能分析

4.3 快速子空间跟踪的ESPRIT类频率估计方法

4.4 不需要次级通道估计的自适应前馈有源控制系统的实现

4.5 本章小结

第五章 基于模态分析的结构声辐射系统的辨识与控制方法

5.1 引言

5.2 压电结构耦合系统模型

5.3 依据广义能观矩阵求系统矩阵

5.4 观测矢量的递推方法

5.5 多级分解幂迭代快速子空间跟踪算法

5.6 实验处理与分析

5.7 结构声辐射控制的仿真研究

5.8 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 后续工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间的研究成果