摘要：介紹了有源噪聲控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)和算法，以自適應(yīng)有源噪聲前饋控制系統(tǒng)為研究核心，選用TMS320VC5509 DSP作為控制器，給出了系統(tǒng)的硬件解決方案，并用C語言編程在硬件系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了基于FX-LMS算法的有源噪聲實(shí)時(shí)控制。對800 Hz單頻噪聲的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)可降低噪聲幅度9 dB。
關(guān)鍵詞：有源噪聲控制；自適應(yīng)濾波；FX-LMS算法；前饋控制系統(tǒng)

0 引言
噪聲污染給人們的生產(chǎn)和生活帶來諸多不便，噪聲控制的迫切性日益突出。傳統(tǒng)控制噪聲污染的方法主要采用無源控制技術(shù)(Passive Noise Control)，即采用吸聲、隔聲等聲學(xué)方法降噪。然而由于吸聲、隔聲材料的聲衰性能隨頻率的降低而變差，無源降噪機(jī)制對中、高頻段噪聲較為有效，而對低頻噪聲效果不大。
有源噪聲控制(Active Noise Control，ANC)是噪聲控制領(lǐng)域近年發(fā)展起來的新技術(shù)，它彌補(bǔ)了傳統(tǒng)無源方法在控制低頻噪聲上的不足，特別適合低頻噪聲的控制。其降噪機(jī)理為次級(jí)聲源產(chǎn)生一個(gè)與初級(jí)聲源噪聲頻率相同、幅度相等、相位相反的反噪聲，二者疊加后相互抵消，從而達(dá)到降噪目的。由于實(shí)際環(huán)境中的噪聲源(初級(jí)聲源)特性以及聲空間的物理參數(shù)(如溫度、氣流速度等)經(jīng)常隨時(shí)間發(fā)生變化，若要實(shí)現(xiàn)較好的降噪效果，有源噪聲控制器的傳遞函數(shù)必須是時(shí)變的，也就是要求控制器是自適應(yīng)的。DSP的快速發(fā)展使得這一要求成為可能。
在研究中以美國TI公司的TMS320VC5509(以下簡稱VC5509)DSP芯片為核心，采用FX-LMS(Filtered-X LMS)算法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了單通道前饋結(jié)構(gòu)有源噪聲控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)對低頻噪聲有良好的降噪效果。

1 系統(tǒng)模型和算法
1．1 系統(tǒng)模型
前饋結(jié)構(gòu)有源噪聲控制系統(tǒng)以初級(jí)傳感器采集的噪聲參考信號(hào)和誤差傳感器采集的誤差信號(hào)作為控制器的輸入，通過自適應(yīng)控制器自我調(diào)整參數(shù)，控制次級(jí)聲源發(fā)出的反噪聲的幅度與相位，去抵消初級(jí)噪聲，其系統(tǒng)模型如圖1所示。

如果不考慮次級(jí)聲源向初級(jí)傳感器的聲反饋，則圖1系統(tǒng)模型圖可等效為圖2所示的系統(tǒng)原理框圖。

圖2中，hr(n)為參考通道的傳遞函數(shù)，hs(n)為次級(jí)通路的傳遞函數(shù)，hp(n)為初級(jí)通道的傳遞函數(shù)，p(n)為擬抵消的噪聲源，d(n)為誤差傳感器接收到的噪聲信號(hào)，W(z)為自適應(yīng)濾波器，x(n)為輸入濾波器的參考噪聲信號(hào)，y(n)為濾波器的輸出反信號(hào)，s(n)為次級(jí)傳感器接收到的反噪聲信號(hào)，e(n)為噪聲抵消后所得到的殘余誤差信號(hào)。自適應(yīng)算法根據(jù)參考信號(hào)x(n)和誤差信號(hào)e(n)自動(dòng)調(diào)節(jié)濾波器的權(quán)系數(shù)，從而調(diào)整次級(jí)聲源輸出信號(hào)強(qiáng)度，以滿足某種目標(biāo)準(zhǔn)則。
1．2 有源消噪算法
綜合考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性、運(yùn)算量和收斂速度，研究中采用FX-LMS算法。由圖2所示原理框圖可推出該算法的運(yùn)算全過程如下：

式中：L為自適應(yīng)濾波器的階數(shù)；uw為自適應(yīng)濾波器的步長因子。