主動(dòng)降噪技術(shù)應(yīng)用于柜式空調(diào)室內(nèi)機(jī)的研究

陳承義， 于維佳， 秦臻， 梁韜

(1.柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣西　柳州　545616；2.廣西藝術(shù)學(xué)院， 廣西　南寧　530022；3.柳東新區(qū)管理委員會(huì)， 廣西　柳州　545005)

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主動(dòng)降噪技術(shù)應(yīng)用于柜式空調(diào)室內(nèi)機(jī)的研究

陳承義1， 于維佳1， 秦臻2， 梁韜3

(1.柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣西柳州545616；2.廣西藝術(shù)學(xué)院， 廣西南寧530022；3.柳東新區(qū)管理委員會(huì)， 廣西柳州545005)

為提高生活品質(zhì)，減少室內(nèi)噪聲污染，以主動(dòng)降噪技術(shù)的原理為出發(fā)點(diǎn)，針對(duì)柜式空調(diào)室內(nèi)機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪聲特點(diǎn)，提出了一種基于LMS自適應(yīng)算法的前饋式主動(dòng)降噪技術(shù)方案。根據(jù)提出的系統(tǒng)模型，從理論上分析了主動(dòng)降噪技術(shù)系統(tǒng)的時(shí)滯與空間安置問題，為今后將主動(dòng)降噪技術(shù)應(yīng)用于家居聲環(huán)境治理提供參考。

主動(dòng)降噪技術(shù)；空調(diào)；LMS自適應(yīng)算法

隨著人民群眾生活水平的提高，對(duì)生活品質(zhì)的要求越來越高，其中也包括對(duì)室內(nèi)聲環(huán)境的要求。在長時(shí)間運(yùn)行的家用電器中，柜式空調(diào)室內(nèi)機(jī)運(yùn)行時(shí)噪聲污染是較為顯著的，最高時(shí)接近70 dB[1]，靜音逐漸成為評(píng)價(jià)一款柜式空調(diào)品質(zhì)的重要指標(biāo)。如果能夠進(jìn)一步控制柜式空調(diào)室內(nèi)機(jī)的噪聲，那么將對(duì)品牌塑造產(chǎn)生有益的影響，能極大地提升其產(chǎn)品競爭力，滿足人們對(duì)家居環(huán)境的需求。

1　主動(dòng)降噪技術(shù)

1.1主動(dòng)降噪技術(shù)原理

噪聲控制技術(shù)可分為被動(dòng)降噪技術(shù)和主動(dòng)降噪技術(shù)(ANC, Active Noise Control)兩大類[2]，其中被動(dòng)降噪技術(shù)在工程上操作簡單，能夠有效抑制高頻噪聲，但卻難以控制低頻噪聲，而且一般來說需要消耗空間、增大產(chǎn)品體積；主動(dòng)降噪技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法復(fù)雜，但能夠有效地抑制低頻噪聲。

主動(dòng)降噪技術(shù)多用于封閉空間的噪聲消除工程當(dāng)中，適用于家庭居室使用。主動(dòng)降噪技術(shù)是基于兩個(gè)聲波干涉相消原理，次級(jí)聲源依靠控制算法生成聲波，該聲波與噪聲聲波幅度相等但相位相反，二者在一定的空間內(nèi)相疊加，次級(jí)噪聲就會(huì)抵消原有噪聲[3]。

1.2主動(dòng)降噪技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式

目前，主動(dòng)降噪技術(shù)系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可分為前饋式、反饋式、多通道主動(dòng)降噪技術(shù)三類。多通道主動(dòng)降噪技術(shù)系統(tǒng)用于多個(gè)噪聲源分離的場景當(dāng)中；反饋式主動(dòng)降噪技術(shù)只拾取干涉之后的聲波(誤差信號(hào))，這類主動(dòng)降噪技術(shù)系統(tǒng)的輸出只與自適應(yīng)濾波器的輸出以及誤差信號(hào)有關(guān)；前饋式主動(dòng)降噪技術(shù)拾取目標(biāo)源噪聲信號(hào)，同時(shí)對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行采集，實(shí)時(shí)性能較好，適用于噪聲源頻率范圍較窄的場合。

1.3前饋式主動(dòng)降噪技術(shù)系統(tǒng)原理

前饋式主動(dòng)降噪技術(shù)系統(tǒng)通常使用一個(gè)或多個(gè)初始麥克風(fēng)來拾取原有噪聲作為初級(jí)噪聲參考信號(hào)，并通過在遠(yuǎn)端設(shè)置的誤差麥克風(fēng)收集疊加后的噪聲作為反饋信號(hào)，由控制器根據(jù)參考信號(hào)與反饋信號(hào)的特征進(jìn)行計(jì)算并產(chǎn)生相應(yīng)的次級(jí)噪聲波形，再通過一個(gè)或多個(gè)揚(yáng)聲器再現(xiàn)該次級(jí)噪聲作為抗噪聲源，通過次級(jí)噪聲波形與原始噪聲干涉相消，達(dá)到降低到達(dá)用戶耳朵噪聲的幅度的目的，如圖1所示。

圖1　前饋式主動(dòng)降噪原理示意圖

圖2　基于LMS算法的主動(dòng)降噪技術(shù)系統(tǒng)框圖

主動(dòng)降噪技術(shù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵在于如何設(shè)計(jì)控制器。目前的研究表明，主動(dòng)降噪技術(shù)控制器主要采用濾波法，尤其是采用自適應(yīng)濾波器進(jìn)行前饋式主動(dòng)降噪[4]。其優(yōu)點(diǎn)是硬件結(jié)構(gòu)簡單，低頻響應(yīng)優(yōu)良，時(shí)滯較小[5]。

自適應(yīng)濾波器包括自適應(yīng)控制器和橫向?yàn)V波器，自適應(yīng)算法根據(jù)誤差采集傳感器的反饋信號(hào)來自動(dòng)調(diào)節(jié)橫向?yàn)V波器的參數(shù)，使橫向?yàn)V波器能夠?qū)Νh(huán)境噪聲的改變自動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤。最小均方誤差算法(LMS)是在主動(dòng)降噪技術(shù)自適應(yīng)控制器中比較常見的算法，LMS具有運(yùn)算簡單、收斂速度快的特點(diǎn)[6]，適用于低成本的主動(dòng)降噪技術(shù)方案當(dāng)中?；贚MS的前饋式主動(dòng)降噪技術(shù)系統(tǒng)框圖如圖2所示。

初始化：x(0)=w(0)=[00…00]T

對(duì)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是收斂因子，以下條件即為LMS算法收斂的充要條件：

(3)

對(duì)橫向?yàn)V波器有：

(4)

設(shè)自適應(yīng)濾波器在n時(shí)刻的輸出為y(n)，則該時(shí)刻誤差傳感器的誤差信號(hào)e(n)可以表示為：

e(n)=d(n)-y′(n)=d(n)-s(n)y(n)

(5)

2　柜式空調(diào)室內(nèi)機(jī)的主動(dòng)降噪方案

2.1柜式空調(diào)室內(nèi)機(jī)的噪聲特點(diǎn)

柜式空調(diào)室內(nèi)機(jī)的噪聲主要來源于離心風(fēng)機(jī)，其中旋轉(zhuǎn)和氣動(dòng)噪聲占主要成分，頻率特征單一，且為低頻成分占主要部分[7]。事實(shí)上，大多數(shù)情況下人們較敏感的室內(nèi)空調(diào)噪聲其頻率集中在100 Hz至500 Hz之間。

目前對(duì)上述噪聲的控制采取了設(shè)置吸聲裝置、增加隔聲材料等被動(dòng)降噪措施。但由于空調(diào)機(jī)的結(jié)構(gòu)與功能較特殊，當(dāng)采用被動(dòng)降噪技術(shù)會(huì)產(chǎn)生空氣調(diào)節(jié)效率下降、電機(jī)散熱不良、產(chǎn)品體積笨重等問題；而且被動(dòng)降噪技術(shù)難以消除低頻噪聲，較長的波長能夠輕易穿透空調(diào)外殼的隔音材料。因此開展將主動(dòng)降噪技術(shù)應(yīng)用于柜式空調(diào)室內(nèi)機(jī)的研究是具有積極意義的。

2.2主動(dòng)降噪技術(shù)系統(tǒng)方案

圖3　空調(diào)機(jī)主動(dòng)降噪系統(tǒng)方案示意圖

應(yīng)用于柜式空調(diào)室內(nèi)機(jī)的主動(dòng)降噪技術(shù)系統(tǒng)方案示意圖如圖3所示。該方案采用前饋式主動(dòng)降噪技術(shù)方案，初始傳感器(MIC1)設(shè)置在風(fēng)機(jī)的出口處，采集源噪聲信號(hào)；同時(shí)在空調(diào)機(jī)外殼設(shè)置誤差傳感器(MIC2)對(duì)干涉相消后的聲波進(jìn)行采集作為誤差信號(hào)。源噪聲信號(hào)與誤差信號(hào)作為自適應(yīng)控制器的輸入，其輸出數(shù)字量經(jīng)過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)轉(zhuǎn)換為模擬量，最后通過功率放大器(PA)送至揚(yáng)聲器回放成聲波，次級(jí)聲源與噪聲源進(jìn)行聲波的干涉，從而降低人們聽到的噪聲音量。

2.3主動(dòng)降噪技術(shù)系統(tǒng)的時(shí)滯與空間安置問題

在實(shí)際應(yīng)用中，噪聲源和次級(jí)聲源在空間內(nèi)合成后能不能得到預(yù)期的降噪還必須考慮二者之間的距離。在工程中二者不可能安裝在同一點(diǎn)上，這樣就會(huì)出現(xiàn)某一區(qū)域聲場被抵消達(dá)到了降噪效果，但其余區(qū)域聲場不能削弱噪聲的情況；甚至?xí)霈F(xiàn)峰值同相疊加，這樣會(huì)導(dǎo)致噪聲反而被強(qiáng)化，起到反作用。

此外，主動(dòng)降噪技術(shù)控制過程中，在對(duì)信息進(jìn)行計(jì)算處理后，輸出的次級(jí)聲源與噪聲源之間不可避免地存在一定的延時(shí)，二者的相位并不可能完全匹配。這樣一來，兩種聲波在空間中干涉作用時(shí)，就會(huì)無法達(dá)到降低噪聲的目的，甚至引起更大的噪聲。

以上兩種情況要求必須考慮實(shí)際需求來對(duì)主動(dòng)降噪技術(shù)系統(tǒng)的時(shí)滯與安置位置做匹配，在必要的情況下，應(yīng)該人為地調(diào)整系統(tǒng)輸出時(shí)滯系數(shù)來獲得期望的降噪效果。

例如在實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置噪聲源頻率為340 Hz，并將次級(jí)噪聲揚(yáng)聲器安裝在距離噪聲源1.7 cm(揚(yáng)聲器本身厚度)處，根據(jù)聲音在空氣中傳播速度易知聲波傳遞這段距離需要0.05 ms的時(shí)間，這是主動(dòng)降噪技術(shù)系統(tǒng)需要匹配的目標(biāo)時(shí)滯。

采用TI公司的16位ADC芯片ADS8370進(jìn)行目標(biāo)頻率信號(hào)的采集，該芯片采樣頻率為600k SPS(Sample Per Second，即每秒采樣次數(shù))，可以用來完成標(biāo)準(zhǔn)采樣率為44.1 kHz的音頻采樣，理論上完成每次轉(zhuǎn)換所需時(shí)間為0.023 ms左右，設(shè)處理器完成濾波、計(jì)算所必需的時(shí)間大概為0.01 ms，共須花費(fèi)0.033 ms的時(shí)間開銷，為了與上述的0.05 ms相匹配，還應(yīng)該在輸出次級(jí)噪聲波形的時(shí)候人為加入0.017 ms的匹配時(shí)滯。當(dāng)然，以上例子是較為理想的情況，實(shí)際工程當(dāng)中將會(huì)面臨更為復(fù)雜的情況，例如噪聲源頻率變化、共鳴腔體的影響等實(shí)際問題。

3　仿真分析

實(shí)驗(yàn)采用MATLAB的Simulink仿真工具對(duì)前饋式主動(dòng)降噪技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，控制算法采用LMS，仿真模型如圖4所示。

設(shè)置橫向?yàn)V波器長度為32，采樣頻率為2 000 Hz，假設(shè)次級(jí)噪聲通路的傳遞函數(shù)估計(jì)值與實(shí)際值相等，收斂系數(shù)μ=0.001。

分別采用兩種噪聲聲源信號(hào)來模擬空調(diào)發(fā)出的低頻噪聲作為初級(jí)噪聲聲源，對(duì)誤差信號(hào)e(n)進(jìn)行觀測的結(jié)果如圖5所示。其中圖a噪聲源為300 Hz的單頻噪聲和50 Hz正弦信號(hào)調(diào)制后的信號(hào)，圖b噪聲源為600 Hz的單頻噪聲和10 Hz正弦信號(hào)調(diào)制后的信號(hào)，初始噪聲幅值為1。

圖4　主動(dòng)降噪技術(shù)系統(tǒng)仿真模型

從結(jié)果中可知，本文設(shè)計(jì)的前饋式主動(dòng)降噪技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用于帶寬較窄的噪聲源可獲得比較優(yōu)良的降噪效果，但是隨著噪聲帶寬的增加，降噪質(zhì)量下降。在2.1中已經(jīng)分析過，柜式空調(diào)室內(nèi)機(jī)屬于窄帶噪聲源，應(yīng)用該主動(dòng)降噪技術(shù)系統(tǒng)能夠取得較好的降噪效果。

4　結(jié)論

主動(dòng)降噪技術(shù)是近年來較熱門的一項(xiàng)研究，本文從主動(dòng)降噪技術(shù)原理入手，從理論上分析了柜式空調(diào)室內(nèi)機(jī)應(yīng)用該技術(shù)的可行性，并給出了主動(dòng)降噪技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用方案；接著提出了工程實(shí)施上應(yīng)注意的主動(dòng)降噪技術(shù)系統(tǒng)時(shí)滯與空間安置問題，對(duì)時(shí)滯匹配問題進(jìn)行了詳細(xì)說明，這也是許多主動(dòng)降噪技術(shù)技術(shù)應(yīng)用研究中容易忽視的問題；最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真并分析了仿真結(jié)果，證明本文提出的主動(dòng)降噪技術(shù)系統(tǒng)能滿足柜式空調(diào)室內(nèi)機(jī)運(yùn)行中的降噪需求。

將主動(dòng)降噪技術(shù)應(yīng)用于柜式空調(diào)室內(nèi)機(jī)的研究目前還比較少，如果主動(dòng)降噪技術(shù)能夠作為被動(dòng)降噪技術(shù)的補(bǔ)充廣泛應(yīng)用于家居環(huán)境治理當(dāng)中，將會(huì)對(duì)減少噪聲污染、提高人民群眾的生活質(zhì)量起到積極的意義。

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[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

[責(zé)任編輯劉景平]

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

陳承義(1959-)，男，廣西柳州人，柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，主要研究方向：電氣自動(dòng)化技術(shù)。

2015-11-25