一種消除渦漿飛機艙內低頻窄帶噪聲的有源控制系統設計

摘 要：本文針對渦槳飛機艙內的低頻窄帶噪聲，設計了一種自適應有源噪聲控制系統。選用TI公司的TMS320VC5509 DSP芯片和AIC23B音頻芯片構成核心控制器，采用最常見的標準自適應算法——FxLMS算法計算次級信號。實驗結果表明，對于頻率在500Hz以下的低頻窄帶噪聲，能夠取得平均約9dB的降噪量。

關鍵詞：低頻噪聲；DSP；FxLMS

中圖分類號：TN912 文獻標志碼：A

由于支線客機、支線運輸機、民用直升機、農用飛機的巨大市場以及國家相關政策的扶持，使渦槳飛機的發展前景非常廣闊。然而，隨著渦槳飛機性能的日益提高，與之相矛盾的飛行器噪聲會隨著它的速度、載重量的提高、發動機功率的增大等諸多因素日益突出。渦漿飛機的艙內噪聲會嚴重影響乘客的語言交流、睡眠休息，甚至身心健康，還會影響機組人員的工作狀態及與地面人員之間的通信，可見渦漿飛機艙內噪聲危害巨大。為了獲得可以接受的噪聲級水平，通常采用無源噪聲控制方法，比如填充大量的吸聲材料或安裝動力吸振器，但這些傳統方法只對降低中高頻噪聲有效，且改進余地越來越小，關鍵是對集中了較大能量的低頻噪聲不但不起作用，反而會增加飛機重量。一種有效的解決辦法就是采用有源噪聲控制技術，這種技術既能降低低頻噪聲又不至于增重過大。

1 渦漿飛機艙內低頻噪聲分析

螺旋槳噪聲是渦槳飛機艙內噪聲的主要來源，典型頻譜是在寬帶噪聲背景下疊加的一系列窄帶噪聲。槳葉上的隨機脈沖載荷產生寬帶噪聲，周期性載荷產生窄帶噪聲。窄帶噪聲的頻率分別為槳葉通過頻率和它的各次諧波頻率，且能量集中在500Hz以下的低頻區。由于發動機設計工程師總是力求最優的螺旋槳性能，以提高飛機性能，但這導致渦漿飛機的低頻窄帶噪聲進一步增加。圖1給出了渦槳飛機中的典型低頻窄帶噪聲，可以看出噪聲能量主要集中在0～500Hz。

2 有源噪聲控制系統原理

前饋式有源噪聲控制系統可以獲取參考信號，系統的降噪量、穩定性明顯優于反饋式。系統原理如圖2所示，噪聲源產生原始噪聲，參考傳感器監聽后發出參考信號，并輸入到自適應控制器。控制器根據自適應算法，計算出次級信號并由次級聲源發出次級聲，次級聲與原始噪聲相互抵消。同時，誤差傳感器采集抵消后的誤差信號并送回控制器，控制器不斷調節傳遞函數進而改變次級聲的振幅和相位，以減小抵消誤差，直至滿足預設目標。

3 系統硬件設計

系統硬件采用TI公司生產的TMS320VC5509 DSP芯片和AIC23B音頻芯片作為控制核心。其中，AIC23B芯片內部集成了放大電路、抗混疊濾波電路、平滑濾波電路以及ADC和DAC，可以在8kHz～96kHz的頻率范圍內提供16bit、20bit、24bit和32bit的采樣，ADC和DAC的輸出信噪比分別可以達到90dB和100dB。本系統針對的是渦槳飛機艙內的低頻窄帶噪聲，頻率在500Hz以下，為保證不失真，采樣頻率設置為4kHz，轉換位數設置為16bit，AIC23B與DSP的連接如圖3所示。

4 系統算法與次級通路辨識方法

4.1 FxLMS算法

系統自適應算法選擇主要從4個方面考慮，分別是任務特征、收斂速度、運算量、系統誤差。為了便于系統實現，本文采用最常見的標準自適應算法——FxLMS算法，用以計算次級信號，這種算法處理低頻窄帶噪聲的綜合效果較好。算法權矢量迭代公式：

W（n+1）=W（n）-2μe （n）r（n） （1）

r（n） =x（n）×hs （n） （2）

μ是收斂系數，用于控制收斂速度和系統穩定性；e （n）是誤差信號；r（n） 是濾波-x信號，x（n）是參考信號，hs （n）是次級通路傳遞函數的脈沖響應。可以看出，參考信號和誤差信號一起控制FxLMS算法的權矢量更新。

4.2 次級通路辨識方法

FxLMS算法的權矢量迭代公式中包含一項濾波-x信號矢量，它是參考信號矢量和次級通路脈沖響應的卷積，因此，必須先獲取次級通路的傳遞函數。由于次級通路特性在整個噪聲控制過程中保持不變，因此，次級通路辨識可以離線建模。這里采用附加隨機噪聲法：由DSP內部產生隨機白噪聲作為次級通路的激勵，然后執行次級通路的迭代，權矢量更新采用LMS算法，待次級通路濾波器穩定后，將次級通路濾波器權系數固定不變，代入FxLMS算法進行自適應有源噪聲控制過程。

5 系統軟件設計

系統軟件包括主程序、次級通路辨識程序、有源噪聲控制程序3部分。主程序實現系統初始化和中斷子程序控制，如圖4所示。

進入中斷后，先調用次級通路辨識程序，進行次級通路濾波器的迭代。當次級通路濾波器進入穩定狀態后，將其權系數固定不變代入FxLMS算法，之后的中斷均進入有源噪聲控制程序，進行FxLMS濾波器權系數的迭代，并產生次級信號。次級通路辨識程序和有源噪聲控制程序分別如圖5和圖6所示。

6 實驗結果分析

系統利用虛擬信號分析儀產生與渦槳飛機艙內噪聲特性近似的低頻窄帶噪聲，頻率設定在500Hz以下。為了便于分析和避免聲反饋問題，將參考信號輸入端、誤差信號輸入端、次級信號輸出端以線連方式與虛擬信號分析儀直接相連。通過反復調整，確定次級通路辨識濾波器的階數為32，步長為0.015，自適應控制器濾波器的階數為64，步長為0.003。圖7是系統降噪結果，平均取得約9dB降噪量。

結語

本文針對渦槳飛機艙室中的低頻窄帶噪聲，設計了一種自適應有源噪聲控制系統。選用TI公司的TMS320VC5509 DSP芯片和AIC23B音頻芯片構成核心控制器，采用最常見的標準自適應算法——FxLMS算法計算次級信號，另外，采用附加隨機噪聲法實現次級通路辨識。實驗結果表明，對于頻率在500Hz以下的低頻窄帶噪聲，能夠取得平均約9dB的降噪量。

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