目前,随着各国汽车消费者对汽车的燃油经济性和乘坐舒适性能关注度的不断攀升,汽车NVH(Noise Vibration&Harshness)性能的改进成为了国内外汽车制造商争相提高市场占有率的主要手段。发动机噪声通常为车内噪声主要成分,且呈现出与发动机转速有直接关系的低频特性,对车内声学环境造成很大的负面影响。而传统的被动降噪措施对于车内低频噪声的控制存在较明显的不足,诸如隔声、吸声等措施仅仅对中高频率段的噪声有较好的防护作用。本文针对车内二阶阶次噪声,设计了基于发动机转速信号的前馈噪声主动控制系统,对采用滤波-X最小均方(Filtered X Least Mean Square,fxlms)算法的车内噪声主动控制系统进行了仿真和试验研究。主要内容如下:1、对车内噪声和发动机噪声进行了分析,得出车内低频噪声当中,发动机噪声为除道路噪声外车内噪声的主要成分。并且车内噪声主频率与发动机转速存在的特定关系,为后文提出一种基于发动机转速信号来构造发动机噪声参考信号的方法提供理论基础,进而针对性地对车内发动机二阶阶次噪声进行主动降噪。并对最小均方(Least Mean Square,LMS)算法、单通道fxlms算法和多通道fxlms算法进行了理论研究。2、对基于发动机转速的车内噪声主动控制系统进行了设计开发。在合理地选取了系统硬件基础上,搭建了基于实车的单通道和多通道噪声主动控制系统实验模型。提出了一种通过发动机转速信号构造发动机噪声参考信号的方法。对fxlms算法当中对参考信号滤波的次级路径模型进行了离线辨识。3、采用录取的实车车内的发动机噪声和辨识的次级路径模型在MATLAB环境下了进行仿真。针对不同滤波器长度、收敛步长的选取以及不同转速信号输入的控制系统进行了仿真对比研究。由仿真结果分析了合理选择滤波器长度和收敛步长的必要性,验证了采用发动机转速信号构造发动机参考信号的方法是可行的。此外,搭建了多通道噪声主动控制系统仿真模型,并进行了仿真。4、分别在不同试验工况下进行了单通道和多通道的主动降噪试验。采用LMS ***的数据处理模块对试验数据进行了处理分析。试验结果表明:设计的单通道噪声主动控制系统平均具有8dB10dB的降噪效果;多通道噪声主动控制系统在汽车固定转速情况下,汽车前排平均有15dB左右的降噪量;快加速工况下,多通道系统在前排平均取得6dB的降噪量。
随着社会的不断发展,城市内的噪音问题也越来越大。在城市生活中有很多的噪声:工厂内机器的运行声音、马路上机动车的引擎声音和喇叭声音、街道上外放的音乐噪声等。这些噪音不仅会催生人很多不好的情绪,如愤怒、暴躁、焦急等,而且会造成听者失眠,以至于对工作和学习都有非常消极的影响。因此为了解决噪音问题,噪声控制技术受到重视并且快速的发展了起来。噪声控制技术可分为两种:被动噪声控制技术和主动噪声控制技术,这两种噪声控制技术在市场上均具有由其降噪原理而开发出的降噪产品。最先出现的是被动降噪技术,因为其不仅设计成本低又原理简单,而且拥有较大的降噪空间,然而虽然被动降噪技术具有较好的控制效果,但其降噪频率只针对高频噪声,表现出的缺点是针对非高频噪声具有较差的降噪效果。由于被动降噪技术的局限性,主动降噪技术的研究和探索开始受到重视,主动降噪技术不仅可以克服被动降噪的降噪弊端,而且表现出了更好的降噪性能。主动降噪技术可以理解为利用声波叠加原理,产生声波用来抵消空间中产生的噪声,该声波与噪声幅值相同、相位相反。主动降噪还可分为前馈降噪以及反馈降噪,两者结构完全相同仅系统输入不同,前者输入是初级噪音而后者为残余噪音。前馈降噪系统非常稳定但易受外部环境影响,而反馈降噪不受外部环境干扰却不够稳定,无法做到大的降噪带宽。复合式降噪可看作前馈与反馈的结合,它同时具有两者的优点。控制自适应滤波器实时更新权重fxlms(filtered-x least mean square)算法是主动降噪系统的核心,此算法的性能会直接影响到主动降噪系统的降噪表现。LMS(Least Mean Square)算法拥有实现起来比较容易、稳定良好的性能、广泛的应用范围这几种优点。LMS算法的原理可以理解为把经过权值更新的权值作为输入,然后通过算法的运算,最后使得输出的误差信号达到此运算序列的最小,之后再根据此误差值来重新更新下一组的权值,如此反复不断使得误差值最小化。在设计的实际应用中,通过误差麦克风来收集残余噪音来作为LMS算法的系统误差输入信号,通过算法来实时修改滤波器的权系数,最终实现残余噪音最小化这个目的,然而在面对实际的应用场景时,系统扬声器发出的声音信号传入到误差麦克风生成的的次级声道,这会对算法的性能产生极大的影响,严重时会造成系统发散。fxlms算法就是一种将次级声道考虑进去的自适应算法,此算法的做法是利用一个FIR(Finite Impulse Response)滤波器来模拟次级声道,加强了系统在面对次级声道时的降噪效果。本文主要完成以下工作:1.通过对fxlms算法的学习,结合算法要实现的功能,在matlab中共编写了三种子模块:Delay延迟模块、Filter滤波模块和LMS权重更新模块。通过在顶层模块中对这三种子模块进行结合来完成4种操作:滤波、次级声道模拟、计算梯度、权重更新。根据这四种操作绘制算法结构框图来实现需要完成的功能。最终通过软件仿真完成工作:(1)通过采集的噪音输入,利用软件搭建仿真模型,验证了编写的顶层模块完成的主动降噪的降噪性能。(2)在matlab中模拟初级声道。(3)通过comsol搭建头戴式耳机模型,最后得到头戴耳机的耳道内实际声音的传递函数,根据此传递函数在matlab中完成次级声道离线建模。2.根据验证的matlab模型进行硬件设计,利用matlab模型中已经定义的子模块,使用硬件语言在modelsim上完成相对应的硬件的子模块的定义,将硬件的子模块设计例化在顶层模块来设计一款适用于头戴式耳机的主动降噪芯片。该芯片实现了基于次级声道离线建模的fxlms算法的复合降噪,并创新性地设计了资源复用算法,在芯片上设计了一个ANC(Active Noise Cancellation)系统,使其在一次滤波周期内先后完成前馈降噪和反馈降噪,从而在实现复合降噪的同时做到综合后的芯片拥有低功耗、低面积的优点。经过仿真验证,本设计的ANC芯片对于各种噪音都具有一定的鲁棒性,具有较大的降噪深度以及降噪带宽。3.在完成主动降噪的硬件设计后,首先在modelsim平台完成了对硬件模型的验证,之后又通过将硬件验证得到的的数字输出结果上传到matlab得到了软件的仿真波形,验证其设计的正确性。将硬件的代码上传到综合工具上,生成芯片的门级综合网表和综合报告。本文设计的综合实现基于Global Foundry的0.18um工艺,运行在48MHZ时钟下,芯片功耗为19.0782m W,面积为667039um2,setup、hold time均满足要求。设计在完成之后经过多轮的仿真测试及后端综合。
随着工业技术的不断进步和发展,生活噪声与工业噪声对人们的影响逐渐加大。长期处于噪声的环境中会对人们的身体和精神健康产生巨大的负面影响。如何有效的降低噪声污染成为了人们迫切需要解决的难题。传统的被动降噪方法,对中低频噪声的消除作用不大,要想获得更好的降噪效果需要增加噪声吸收系统的体积。主动噪声控制方法作为一种新的降噪手段,针对中低频噪声有非常好的降噪效果,并且具有体积小,适用范围广等优点,引起了众多研究人员对主动噪声控制领域的兴趣。本文致力于降低新风系统管道(Heating,Ventilation and Air Conditioning,HVAC)中由风机所产生的中低频噪声,故以管道声场为主要研究对象,针对传统主动噪声控制方法中由于步长固定导致的稳定性与收敛速度始终处于矛盾状态的问题,提出了一种基于反正切函数的变步长最小均方误差算法,设计并完成了一款基于ARM平台的主动噪声控制器,通过仿真与实验对噪声控制系统的降噪效果进行了测试。首先,论文介绍了主动噪声控制方法的基本原理,通过研究维纳(Wiener)滤波器和误差平面的搜索方法,引出了以有限长单位冲击响应(FIR)滤波器结构为基础的最小均方误差(LMS)算法的原理,并对LMS算法中自适应参数的更新过程进行了推导。然后,根据以上基础介绍了滤波x最小均方误差算法(fxlms)算法的自适应迭代流程和次路径建模方法。文中研究了导致自适应滤波算法稳定性变差和收敛速度变慢的原因,通过对经典的可变步长最小均方误差(VSS-LMS)算法进行公式推导,分析了对算法收敛速度和降噪性能的原因。由此,提出了一种使用反正切函数的最小均方误差算法。随后,针对管道噪声中的噪声源进行研究,分析了由轴流风机所产生噪声的频率特性并使用Matlab软件进行建模。还对管道对声波传递特性进行了研究,并使用Comsol-Multiphysics软件进行有限元分析。其次,文中设计了一个以STM32F746处理器为核心的自适应主动噪声控制硬件平台并实现与PC机的实时通信与数据分析功能。设计包括参考麦克风和误差麦克风的类型选择与电路设计,主控制板的类型选择与电路设计,功率放大器的类型选择与设计。并最终实现主动噪声控制算法在硬件平台上的运行。最后,论文将主动噪声控制系统的硬软件与改进算法相结合,进行了功能和算法的验证。文中在电脑端使用Matlab对实验数据进行了记录与分析,与其他的VSS-LMS算法的降噪性能与收敛速度进行了对比。通过将论文提出的改进方法与其他四种主动噪声控制算法进行对比,说明改进算法对于收敛速度和降噪效果具有明显的改善,并以此为依据对目前取得的成果和调试过程中存在的问题进行了分析与总结。
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