基于阻抗特性的ANC系統次級聲源故障檢測方法

代海,陳克安,王洋,玉昊昕

(1.西北工業大學 航海學院,陜西 西安 710072;2.陜西烽火通信集團有限公司,陜西 寶雞 721006;3.西安石油大學 計算機學院,陜西 西安 710065)

有源噪聲控制(active noise control,ANC)是一種有別于傳統降噪方法的新型降噪措施,它通過人為引入的次級聲源,使其輻射聲波與原始噪聲產生相消性干涉而降噪[1]。自適應控制是ANC系統的主要實現方式,它通過控制器中的自適應算法自動調節次級聲源強度，使降噪效果達到最佳[2]。ANC系統具有質量輕、布置靈活、頻帶針對性強等優點,目前已步入工程應用階段[3-4]。在該系統中,次級聲源如發生故障會使得輸出的次級噪聲異常,進而導致降噪效果變差甚至引起系統失穩[5]。由于ANC系統使用環境中通常存在復雜的干擾聲,很難通過人工辨別或自動檢測的方式判斷其工作狀態以及是否發生故障。

次級聲源是有源噪聲控制系統中重要的換能器件,往往由特制的低頻揚聲器組成。雖然由揚聲器組成的音響系統廣泛用于汽車、飛機、音樂廳等,但絕大多數情況下人們只關注揚聲器自身的聲學性能,針對揚聲器故障檢測的研究多限于實驗室或生產環境下[6],其主要方法一般都是基于人的聽覺檢測進行的[7]。

近10年來,國內外對揚聲器的故障檢測研究較多,周靜雷等[8]通過檢測電信號和聲信號判斷揚聲器是否存在異常音,是一種典型的在線揚聲器故障檢測方法。Valk[9]設計了一種反饋控制器,提高了低音揚聲器的聲學總諧波失真和低頻帶寬性能。Venturi等[10]提出一種RLS-NLMS混合自適應算法,實現了揚聲器中音調噪聲故障的診斷。同年,李云紅等[11]通過對異音功率譜和掩蔽閾值的比較,實現了揚聲器的異音故障檢測。Serban等[12]提出一種基于直接輻射場的實驗系統來檢測揚聲器直接散熱器的退化故障。Philip[13]對揚聲器的缺陷和不規則行為進行識別,研究出一種揚聲器故障檢測的系統識別方法。

ANC系統的復雜性和自適應性要求系統中的次級聲源應具有較好的聲學性能和高可靠性。這使得對次級聲源在工作中的實時故障檢測研究顯得格外重要。現有的揚聲器故障檢測方法多針對實驗室環境下的產品質量檢測或測試,而少數的在線揚聲器故障檢測方法計算復雜,對硬件性能要求高,且無法滿足有源噪聲控制中次級聲源輸出特性,會增加額外的干擾而影響降噪效果。

本文基于現有的揚聲器故障檢測研究成果,提出一種專門用于次級聲源故障檢測的方法,目的是在ANC系統工作時,能夠實時檢測次級聲源是否發生故障。通過采集次級聲源的輸入電壓和輸出電流,對實測的阻抗曲線進行移動平滑濾波處理,從而得到次級聲源的阻抗曲線,對其指標值進行處理分析,判斷是否發生故障。該方法可以在不影響設備正常工作的情況下,不借助其他的電聲器件和檢測儀器,仍準確實時地判斷出次級聲源的工作狀態。

1 故障檢測原理

1.1 系統原理

次級聲源的電學參數主要由電阻抗及其派生特性參數組成,包括額定阻抗、共振頻率和總品質因數等。由于次級聲源中音圈的阻抗會隨著激勵信號頻率的不同而呈現不同的幅值,阻抗模值與頻率的關系曲線為阻抗曲線(如圖1所示)。在阻抗曲線上可以得到上述電學參數值,如次級聲源的總品質因數Q和共振頻率f0。

圖1 次級聲源阻抗曲線模型

總品質因數Q是反映次級聲源低頻特性的一個重要參數,它是在次級聲源共振頻率處聲阻抗中慣性抗部分與純阻部分的比,計算方法為

(1)

式中,f1和f2是在阻抗曲線中截取(|Zmax|-3)dB處即|Zf1|和|Zf2|所對應的頻率值。r0是f0處次級聲源的最大阻抗與次級聲源音圈直流電阻RDC之間的比值。f0是阻抗曲線第一個極大值對應的頻率值。f0的計算公式為

(2)

(3)

從(3)式中可以看出,共振頻率f0的大小是由折環與定心支片順性Cms、紙盆質量MS和音圈質量MV所決定。通過對無故障次級聲源f0和Q值進行測量,設定f0和Q值的允許偏差范圍,如超過f0和Q設置的偏差閾值,就可知是次級聲源的某些特征參數發生了變化，從而導致f0和Q值出現異常,據此判斷次級聲源的工作狀態。

依據上述原理,本文次級聲源故障檢測系統微處理可以是DSP、FPGA和STM32單片機等數字信號處理器。電壓和電流采集模塊通過AD采集將喇叭單元的輸入電壓和輸出電流轉換為數字信號輸入至微處理器,作為故障檢測的計算數據源。由于AD采集的信號中存在直流偏置,首先進行均值濾波去除直流偏置,然后對采集到的電壓和電流進行快速傅里葉變換,將時域信號轉換為頻域信號,從而計算得到次級聲源的阻抗曲線。再通過移動平均濾波器對阻抗數據進行去噪實現平滑處理。然后使用去噪后的阻抗數據得到次級聲源工作時的特征參數。最后根據特征參數變化判斷次級聲源的工作狀態。

1.2 故障類型

次級聲源故障分為2種：

在生產過程中由于加工操作不當或材料質量問題導致的故障,包括:①碰圈:發聲時音圈與導磁柱出現碰撞的情況;②漏氣:音圈與防塵帽、紙盆與音圈、紙盆與折環之間連接處開膠,在開膠處會產生異常音。

在次級聲源日常使用過程中出現的故障,包括:①紙盆破損:紙盆受潮、老化或功率過大導致紙盆破損;②折環破裂:折環長時間工作會出現老化,失去彈性破裂;③音圈損壞:大功率下工作,音圈燒斷、燒毀;④定心支片破損:支片受潮、老化或異物導致支片破裂或受損。

根據ANC系統工作過程中次級聲源的故障類型分析,典型的次級聲源故障有折環開裂和定心支片破損2種。

1.3 檢測方法

揚聲器的電聲轉換實際上等效于一個非線性非平穩系統,傳統的傅里葉變換只能處理平穩信號。傅里葉分析是頻域分析的基本工具,為了達到時域的局部化,在信號傅里葉變換前進行漢寧窗函數處理。本文采用 STFT的方法得到揚聲器響應的時頻特性。STFT是利用一個適當寬度的窗函數,把信號劃分成許多小段,對每一小段進行傅里葉分析,得到其局部頻譜。STFT能反映頻率分量隨時間的變化規律,獲得比較好的信號時頻特征。

設系統的采樣率為Fs,采樣周期為T,則一個采樣周期內的采樣點數N為

N=Fs×T

(4)

一個采樣周期內的電壓和電流可分別表示為:

(5)

(6)

由于采集電路中存在直流,需要去除直流偏置,第n個采樣點去除直流偏置的電壓和電流分別為:

分別對電壓和電流的N個采樣點數據進行漢寧窗函數處理后，再使用STFT方法得到揚聲器響應的時頻特性。電壓U和電流I的頻域表示為U(f)和I(f)。設H為電壓U和電流I在頻域中的傳遞函數,則有I(f)=H(f)U(f),傳遞函數H的估計為

(9)

電阻抗R(f)計算式為

(10)

即

(11)

對R(f)取絕對值并求對數幅度Z(f)，如(12)式所示

Z(f)=20lg|R(f)|

(12)

即

(13)

式中,Z(f)長度為N/2，可表示為

Z(f)=(z1,z2,zn,…,zN/2)T

(14)

由于次級聲源電聲響應中存在干擾音等其他信號,得到的阻抗曲線并不平滑,因此需要使用移動平均濾波器對阻抗數據進行平滑處理。移動平滑濾波器基于統計規律,將連續的采樣數據看成一個長度固定的隊列,按照給定的移動窗寬將相鄰點的數據依一定方向連續移動進行平均。設移動窗寬為5,輸入信號為x(n),則經過移動平滑濾波器處理后的輸出信號y(n)計算公式為:

(15)

系統的采樣率為Fs,一個采樣周期內的采樣點數為N,通過傅里葉分析后得到的頻譜頻率分辨率Δf為

(16)

如圖1所示,可得阻抗曲線Z(f)的最大幅度Zmax值為

Zmax=max{z1,z2,zn,…,zN/2}

(17)

設n0是Z(f)的最大值Zmax對應的隊列序號,則次級聲源的最低共振頻率f0為阻抗曲線幅度最大值Zmax對應的頻率值,即有

f0=n0×Δf

(18)

對于阻抗曲線離線序列Z(f)必然存在序號為n1對應阻抗幅度為Zn1,且滿足(19)式條件的離散點

(19)

同理,對于阻抗曲線離線序列Zf(f)必然存在序號為n2對應阻抗幅度為Zn2,且滿足(20)式條件的離散點

(20)

Zn1和Zn2即為要求的Zf1和Zf2,則對應f1和f2的值為

(21)

式中,r0是f0處次級聲源的最大阻抗與次級聲源音圈直流電阻RDC之間的比值,計算方法為

(22)

至此,根據(1)式即可求得在次級聲源在工作時的實時特征參數值Q。使用實時測得的f0和Q值與標準值的偏差比例作為故障判定依據,分別記為Δf0和ΔQ,即

(23)

(24)

式中,Tf0和TQ分別為Δf0和ΔQ異常的判定閾值。

2 仿真及實驗結果分析

2.1 仿真模型

工程應用中次級聲源多選用低頻性能較好且穩定的揚聲器,因此仿真中更關注次級聲源的低頻性能變化引起的性能故障。針對無故障次級聲源的阻抗特性頻響曲線,對其工作時發生故障引起的阻抗特性參數f0和Q值變化進行計算機仿真。

由(10)式可知,次級聲源的阻抗值由其兩端電壓U和內部電流I決定。轉化為離散信號系統在頻域進行分析時,其阻抗可視為電壓U和電流I在頻域中的傳遞函數,也可視為電流I是電壓U經過一個特殊濾波器后的輸出。因此次級聲源故障可以理解為電壓U和電流I信號之間的傳遞函數發生變化,即濾波器系數發生變化。

通常次級聲源的工作狀態發生改變時,其阻抗特性參數f0和Q值會同時發生變化。圖2為模擬的正常無故障和4種不同損壞程度次級聲源的濾波器系數曲線,曲線f-Q-1、f-Q-2、f-Q-3和f-Q-4分別表示次級聲源損壞程度由小變大時的濾波器系數。

根據圖2所示的濾波器系數曲線可以得到次級聲源幅頻特性曲線,如圖3所示。為便于對比,圖2～3中同時給出了正常次級聲源的濾波器系數和幅頻特性曲線。

由圖3的幅頻特性曲線可知,當次級聲源發生故障時,其特征值參數f0發生偏移,并伴隨特征值參數Zmax的變化,特征值參數Q值也隨之發生改變。

根據ANC系統中次級聲源的使用場景,噪聲控制目標通常為低頻的線譜噪聲,如渦槳飛機、汽車發動機和變壓器噪聲等,或類似粉紅噪聲的寬頻帶噪聲,如汽車行駛中的風噪、噴氣式飛機和空調管道噪聲等。故仿真中分別采用飛機聲、粉紅噪聲、掃頻信號和單譜線4種典型噪聲信號來激勵次級聲源,以研究其在不同激勵信號下的阻抗特性曲線差異。由于實際硬件電路中存在一定的底噪,因此對單譜線噪聲加入了信噪比約-35 dB的粉紅噪聲,用以模擬實際電路中次級聲源輸出的背景噪聲。飛機聲是由多根譜線組成的某型渦槳飛機艙內的實測噪聲,其噪聲頻譜如圖4所示。

圖2 不同損壞程度次級聲源的濾波器系數曲線 圖3 不同損壞程度次級聲源的幅頻特性曲線 圖4 渦槳飛機噪聲頻譜

2.2 數值分析

分別使用飛機聲、粉紅噪聲、掃頻信號和單線譜4種噪聲信號激勵正常狀態下的次級聲源,計算得到的阻抗曲線如圖5所示。由圖可知其4條阻抗曲線接近重合,特征值參數f0值未發生顯著變化。粉紅噪聲和單線譜噪聲激勵得到的阻抗曲線在f0處的阻抗值幾乎一致,與飛機聲和掃頻信號激勵得到的阻抗曲線存在細微差異。

圖5 正常狀態不同噪聲的阻抗曲線

使用飛機聲激勵不同狀態的次級聲源,不同損壞程度其特征值參數值發生顯著變化,考慮到在計算特征值Q時由于阻抗曲線并不光滑,存在一定的偏差,故將其經過一個移動平滑濾波器,移動窗寬設為5,從而達到曲線平滑的目的,由此得到更準確的特征值Q。經過移動平滑濾波后的阻抗曲線如圖6所示。由圖6得到其特征值參數(見表1)。由表1可知當次級聲源的損壞程度越大時,其特征值參數f0和Q值的偏差也越大。

圖6 飛機聲激勵不同狀態次級聲源阻抗曲線

表1 飛機噪聲激勵不同損壞程度的次級聲源仿真數據

使用粉紅噪聲、掃頻和單線譜激勵下的不同損壞程度次級聲源阻抗特征值參數見表2～4。由表2和表4對比可知,由于2種噪聲都包含了粉紅噪聲成分,阻抗曲線特征值比較接近。

表2 粉紅噪聲激勵不同損壞程度的次級聲源仿真數據

表3 掃頻激勵不同損壞程度的次級聲源仿真數據

由表1～4可知,不同損壞程度的次級聲源,使用不同噪聲信號激勵得到的阻抗特征參數變化規律一致,損壞程度越大,其特征值參數Δf0和ΔQ的偏差越大。而作為故障檢測使用的特征值參數Δf0和ΔQ可以使用粉紅噪聲、線譜噪聲或掃頻信號中的任意一種來激勵次級聲源得到。

表4 單線譜激勵不同損壞程度的次級聲源仿真數據

2.3 實驗驗證

故障檢測所需的數據包括工作時喇叭單元兩端的實時輸入電壓U和輸出電流I。實驗選擇同一型號同一批次的次級聲源,其中直流阻抗值RDC為4 Ω。為模擬降噪時有源控制器給次級聲源的輸出,次級聲源輸入噪聲類型分別為粉紅噪聲、單線譜和飛機噪聲。測試次級聲源的故障有折環開裂和定心支片破損2種。

分別使用3種噪聲測試正常和故障的次級聲源,對實驗數據處理得到次級聲源阻抗曲線,得到判斷次級聲源故障狀態所需的計算數據,代入(1)式和(23)式,可得不同狀態的次級聲源特征值參數，見表5～7。由表5～7可知,與正常的次級聲源相比,當次級聲源出現不同的故障時,其特征值參數發生了明顯變化。次級聲源的損壞程度越大,特征值參數變化也越大,因此由次級聲源的特征值參數變化程度,即可判斷次級聲源的故障狀態。

表5 飛機噪聲激勵不同狀態的次級聲源特征值參數

表6 粉紅噪聲激勵不同狀態的次級聲源特征值參數

表7 單線譜噪聲激勵不同狀態的次級聲源特征值參數

2.4 故障檢測閾值及誤報率分析

本文通過數值分析論證了使用阻抗曲線特征值參數變化來判斷次級聲源故障的可行性,同時進行了實驗驗證。為研究故障檢測閾值與故障檢測誤報率的關系,本文選用的次級聲源樣本數N為100,其中正常無故障的次級聲源樣本數N1為50,不同程度損壞的故障次級聲源樣本數為50。損壞的次級聲源包括折環開裂、定心支片破損和異物壓迫等故障,其損壞和故障程度大小均不相同,通過聽音辨別,部分輕微故障的次級聲源與無故障的次級聲源差異并不明顯。實驗得到的Δf0和ΔQ變化值如圖7所示,其中實心點表示正常無故障的次級聲源,空心點表示存在不同程度損壞的故障次級聲源。

設根據設置的閾值Tf0和TQ測得的故障次級聲源數量為Ne,則誤報率η計算方法為

(25)

圖7 測試樣本Δf0和ΔQ分布圖

由(25)式可得到不同Tf0和TQ閾值故障檢測誤報率(見表8)。其中誤報率η大于0表示故障數多報,誤報率η小于0表示故障數少報,即故障檢測閾值過大。

表8 不同Tf0和TQ閾值故障檢測誤報率η分析表

由表8可知,閾值Tf0如果設置小于10%會導致部分正常的次級聲源被誤判為發生了故障。閾值TQ如果設置小于10%,也會導致部分正常的次級聲源被誤判為發生了故障,設置大于11%時又存在少報,即部分故障的次級聲源被認為并沒有發生故障。因此,本次實驗選用的次級聲源最佳的Tf0閾值為10%～11%皆可,而TQ閾值最佳為10%。

對100個次級聲源樣本的測試結果進行分析,并結合樣本Δf0和ΔQ值的變化,由圖7可知,A區域的無故障次級聲源,部分在經過一定的工作時間后,其特征值參數f0和Q也會發生一定變化,從而接近故障狀態,這是由次級聲源的工作原理和特性決定的,自身工作發熱或環境溫度和濕度等變化都會導致次級聲源的定心支片等部件發生性能改變。這也可作為判定次級聲源產品質量性能的一個參考依據。B區域的故障多為次級聲源的紙盆受到壓迫,振動減弱,影響了對外的聲輻射性能。C區域的故障為紙盆發生了破裂,同時定心支片也受到了一定的損傷。D區域的故障為定心支片和紙盆受損嚴重,通過聽音明顯感受到聲音大小和頻率成分的變化,伴隨有明顯的“破音”。

3 結 論

為解決ANC系統中次級聲源實時故障檢測問題,本文對次級聲源故障檢測系統原理、故障類型和檢測方法進行理論分析,給出了一種故障檢測方法,通過數值仿真和實驗驗證,得到如下結論:①通過次級聲源的電壓和電流信號,根據其阻抗曲線,獲得特征值參數,根據參數的變化可以準確判斷出次級聲源工作狀態下的實時故障情況;②該方法對次級聲源故障檢測無需針對不同的ANC使用場景測定標準值;③故障檢測的閾值可以根據經驗值和降噪性能的要求來確定,即次級聲源的故障判定準則,可以理解為次級聲源性能的變化程度;④次級聲源工作時的阻抗曲線特征值變化可反映其性能穩定性及同批次產品性能的一致性。