電梯轎廂噪聲主動控制系統與實驗

(西北工業大學 動力與能源學院，陜西 西安 710129)

電梯是一種以電動機為動力的垂直升降裝置，裝有箱狀吊艙(轎廂),被用于多層建筑乘人或載運貨物。隨著當今超高層建筑越來越多，高速電梯(速度超過2 m/s)[1]的應用也愈加廣泛，隨之而來的問題是轎廂內的噪聲變得更加嚴重。

針對電梯轎廂的噪聲問題，傳統上主要采用諸如增加隔音材料、吸音材料或者改變轎廂結構、增加整流罩等被動方法來達到降低噪聲的目的[2]。但被動降噪方法主要針對的是1000 Hz以上的中高頻噪聲，而高速電梯轎廂中的主要噪聲頻率通常都在500 Hz以下，這類噪聲會使乘坐人員感官不適，甚至影響其正常交談。故此，有效降低高速電梯轎廂中的低頻噪聲，提高乘坐電梯的舒適性，一直是業界的一項重要課題[3]。

主動噪聲控制(Active Noise Control,ANC)是一種消減低頻噪聲的新技術。它通過對原噪聲特性的感知，利用自適應控制算法產生一個新的抵消聲音，使兩種聲音在空間干涉，進而達到在一定的區域內來降低原有噪聲強度的目的。在這一過程中，要求所產生的抵消聲音能實時跟蹤原噪聲的特性變化，并與原噪聲保持頻率相同、幅值相等而相位相反。隨著數字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)的快速發展，這一實時過程可以通過DSP系統加以實現。

據此，本文設計了一種基于DSP的3入1出主動噪聲控制系統，并在實驗室環境將其應用于電梯轎廂噪聲的控制，獲得了較好的降噪效果。

1 主動噪聲控制系統及原理

1.1 主動噪聲控制原理

ANC的組成框圖如圖1所示。

ANC系統是一個由傳感器、自適應控制器、揚聲器以及傳聲器等部件組成的可以自適應調節輸出信號

的控制系統。其控制過程如下：傳感器采集原始聲場信號，經由自適應濾波器計算后由次級聲源發出抵消信號，原始聲與抵消聲相互干涉，其結果由誤差傳聲器感受并用于調整更新濾波器參數，繼而生成新的抵消信號[4]。

1.2 主動噪聲控制算法原理

ANC的核心是自適應算法以及自適應濾波器。本文采用的是目前普遍流行的基于橫向濾波器的Filter-X類算法，算法原理框圖如圖2所示。

圖2 FxLMS算法原理

假設一個多通道系統具有L個誤差傳聲器，M個次級聲源，則所需要的次級通道個數為L×M。

(1)

然后利用L個誤差傳感器得到的誤差信號

e(n)=d(n)-s(n)[wT(n)r(n)]

(2)

濾波器權值更新

w(n+1)=w(n)-2μr(n)e(n)

(3)

最后產生M個控制信號

y(n)=wT(n)x(n)

(4)

1.3 DSP主動噪聲控制系統

基于上述的算法原理，本文采用以微處理器(DSP)為基礎設計的ANC系統，其主要優點在于系統既能對不同參數進行即時調整，維持最佳的消聲狀態，實現自適應功能，同時也能做到小型化、可靠化，適用于不同的環境[6]。

本文所設計的多通道DSP主動噪聲控制系統如圖3所示。

該系統為一3入1出控制系統。主要由DSP、調理電路、傳聲器、功放以及揚聲器組成。

圖3 多通道DSP主動噪聲控制系統

(1) 數字信號處理器(DSP)。

DSP為該主動噪聲控制系統的核心，主要完成信號的采集、自適應濾波計算、次級通道建模和D/A輸出等功能。本系統選擇了以TMS320F28335數字信號處理器為基礎的研旭28335工業旗艦板。該型DSP應用板具有精度高、運算速度快、功耗小、外設集成度高、儲存量大等特點。

① 通道數：該DSP板內部集成有雙采樣保持器的16路ADC通道，既可以工作在兩個獨立的8通道模塊，也可以級聯成16通道模塊，同時外掛了4通道DAC轉換模塊，其通道數可滿足本文系統的4路輸入(3路誤差和1路參考)及1路輸出的要求。

② 采樣率：該DSP板上的ADC最小轉換時間為80 ns，也即單通道采樣率可達12.5 kHz。而本文控制目標主要針對的是頻率為500 Hz以下的噪聲信號，根據采樣定律其采樣頻率大于1000 Hz即可滿足控制要求。本系統設置的實際采樣頻率為2000 Hz。

③ 運算精度：該DSP板采用32位字長。系統的控制精度主要受制于輸入信號的精度，故在保證系統運算速度的前提下，考慮前端誤差傳聲器及其調理電路的精度一般均小于0.001，本系統選擇字長為12位AD/DA，其輸入量程0～3 V，輸出范圍-5～+5 V。

④ 運算速度：該DSP芯片的主頻達到150 MHz，具有浮點運算內核，這對于含有大量小數運算的FxLMS算法可以有效減少其計算時間，滿足主動噪聲控制過程的運算速度需求。本系統的采樣間隔為1/2000=0.0005 s，而實測的運算周期小于0.0004 s，滿足控制過程的實時性要求。

(2) 誤差傳聲器。

本系統選用的是駐極體電容傳聲器來采集誤差信號，這類傳聲器體積小、靈敏度高、頻帶寬、噪聲低、失真小、抗性強，適用于較為苛刻的環境。

(3) 調理電路板。

調理電路板主要分為兩個部分：對輸入信號的放大和抗混疊濾波，對輸出信號的重構濾波。因為從傳聲器發出的信號僅有幾個毫伏大小，所以設計了3路放大電路對信號進行放大。同時還在每路信號后面設置了截止頻率為300 Hz的4階切比雪夫抗混疊濾波器以消除采集中的信號交叉混疊現象。而D/A端輸出的信號通常是階梯狀，因此還設置了1路截止頻率為400 Hz的4階切比雪夫有源重構濾波器。

(4) 功放及揚聲器。

主動噪聲控制系統采用的揚聲器主要特點有：低頻好，功率響應特性高；重量輕，體積小。因此本系統選用的是飛樂6.54 in，60 W高保真動圈式揚聲器。同時還選用了LM3886作為功放芯片設計了功放電路以驅動揚聲器。揚聲器裝于木質音響內。

2 電梯噪聲控制實驗

2.1 高速電梯噪聲分析

高速電梯的噪音來源主要有兩個部分。

① 氣動噪聲。當電梯在封閉井道里高速反復運動時,氣體被急劇壓縮，這時縫隙處的氣體由于流動面積的急劇減少，與轎廂運動的相對速度則突然增加，產生很大的風阻噪聲[7]。

② 機械噪聲。電梯運行過程中轎廂與導軌的摩擦，鋼絲繩與轎廂壁振動產生的噪聲。

本文所錄用的噪聲來自于某電梯公司運行于試驗塔中的樣梯轎廂，該試驗塔高120 m，錄音時電梯以4 m/s速度勻速運行。測量點位于轎廂中心位置，距地面1.7 m高，錄音設備為一高保真錄音筆，經過多次測量，選取其中受外界干擾最小的一組錄音作為實驗噪聲信號。

圖4為電梯轎廂中錄制噪聲信號的時、頻域圖形，由圖中可以看出，電梯轎廂噪聲是一寬帶噪聲，其主要噪聲頻率都分布在0～400 Hz頻帶范圍內。

2.2 單頻正弦噪聲系統實驗

實驗是在長200 cm，寬175 cm，高300 cm的封閉模擬電梯環境中進行的。3個誤差傳聲器分別放置在兩側和背部壁面的中心處，而源聲源和抵消聲源則放置在頂部壁面的中心處。模擬環境如圖5所示。

根據對高速電梯轎廂中的噪聲進行分析，首先選取其頻譜中能量相對集中的130 Hz作為單頻降噪實驗信號，用以驗證該系統的可用性。

圖5 模擬實驗環境圖

圖6為130 Hz單頻噪聲實驗結果圖。從頻域圖可以看出對主頻點的降噪量可以達到40 dB以上，而對其他頻段同樣有明顯的降噪效果。通過聲級計的讀數可以得出平均降噪量達到20 dB。

圖6 正弦噪聲控制實驗

圖7為加入白噪聲的正弦噪聲信號實驗圖，信噪比為10 dB。從圖7可以看出該系統對加入白噪聲的單頻正弦噪聲同樣具有良好的降噪效果，平均降噪量達到12 dB。

圖7 加入白噪聲的正弦噪聲控制實驗

通過對單頻正弦噪聲信號和加入白噪聲的單頻正弦噪聲信號的控制試驗和降噪效果證明了本文系統的可用性。

2.3 錄制電梯噪聲控制實驗

在正弦噪聲控制試驗的基礎上，針對一實際電梯轎廂內錄制的信號，并經由揚聲器放出的噪聲進行了控制實驗。圖8為試驗結果圖，從時域圖中可以看出原噪聲信號的幅值有一定程度的下降。而在頻域圖中，由于電梯噪聲的頻譜更為復雜，降噪效果相比正弦信號的噪聲控制實驗有所降低，但是在0～200 Hz頻段有明顯的降噪效果，其中主頻段最大降噪量可達10 dB以上。

圖8 電梯噪聲實驗圖

下一步將利用該系統在實際的電梯轎廂上開展噪聲主動控制實驗。

3 結論

本文針對高速電梯運動過程產生的轎廂噪聲，設計一個基于DSP的3入1出主動噪聲控制系統，并在模擬電梯環境中，分別對130 Hz正弦噪聲，加入白噪聲的正弦噪聲以及實際錄制的電梯噪聲進行了實驗，取得了較為滿意的成果，為今后在實際電梯運行環境中的噪聲主動控制奠定了基礎。