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第32卷第6期ol.32,No.62013年11月Applied Acoustics参量阵扬声器在管道噪声控制中的研究武帅兵吴鸣杨军(中国科学院声学研究所噪声与振动重点实验室、通信声学实验室北京10010)摘要为了解决管道有源噪声控制中声反馈造成的系统复杂度和计算量的增加，文中引入参量阵扬声器作为次级声源，利用其强指向性减小控制系统的声反馈。为了验证该方法可行性，本文分别在直管和L管中，对600Hz单频噪声和频率范围为500Hz~1000比的窄带噪声进行了管道有源噪声控制，同时测量了参量阵扬声器的管内声场和降噪范围。结果表明，参量阵扬声器声反馈小，在没有声反馈补偿的条件下对单频噪声的降噪效果基本达到了声反馈补偿条件下普通扬声器的降噪效果，对窄带噪声的降噪效果稍差。此外，通过测量管道声场和降噪量，确定了参量阵扬声器的降噪区域为误差传感器下游整个管道，降噪面积为管道整个截面。这说明参量阵扬声器作为次级声源降低了系统的复杂度和算法的计算量，并取得了较好的降噪效果。关健阔管道有源噪声控制，参量阵扬声器，声反馈中图分类号：0429文献标识码：A文章编号：1000-310X(2013)06-0439-07An investigation of parametric array loudspeakers in active noise control of a ductWU Shuaibing WU Ming YANG JunChinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)Abstract To solve the problem that the acoustic feedback raise the complexity of the system andcomputation of algorithms in active noise control (ANC)of ducts,the parametric array loudspeakers wereintroduced as the secondary source in this paper.The high directivity sound beam reduced the acousticfeedback of parametric array loudspeakers.To verify the method,experiments of parametric arrayloudspeakers in ANC of straight and L-type ducts have been conducted for 600 Hz single-tone noise and 500Hz-1000 Hz narrow-band noise.The experimental results show that the parametric array speakers have asmaller acoustic feedback.Without feedback compensation,the noise reduction of single-tone noise iscomparable with loudspeakers,whereas the attenuation amount of the narrow-band noise is less.Furthermore,by measuring sound field of the duct and noise attenuation,the reduction regions were identified to be theentire downstream from error microphone,and the reduction areas were the entire transverse sections of the2013-03-11收稿：2013-05-20定稿◆国家自然科学基金资助项目(11004217,11074279,11174317)作者筒介：武帅兵1984)，男，河南许吕人，博士研究生，研究方向：信号与信总处理。通讯作者：杨军，E-mail:junyang.ioa@gail.com海网4402013年11月duct.The experiments demonstrate that the performance of noise cancellation is remarkable and thecomplexity of the system and computation of algorithms has been reduced,when the parametric arrayloudspeakers were used as the secondary source.Key wordsActive noise control,Parametric array loudspeakers,Acoustic feedback1引言对声反馈减小幅度有限。对于利用次级源指向性减小声反馈，1972年管道有源噪声控制相对于被动噪声控制，具有体积小，成本低的优点，因此得到了广泛的应用。次级声源，通过对两个扬声器做一定的相位延时减对于管道有源噪声控制的前馈系统，次级声源输出小声反馈，但是整个系统需要完全两套硬件，增加的声波不仅向管道下游传播抵消噪声，同时向管道系统体积且代价较高。1981年沙家正等人[例进行了上游辐射被参考传声器采集，干扰参考信号，这个改进，在第二个扬声器前加入延时网络，用于节省现象被称为声反馈。次级声源到参考传声器的路径硬件，但是此延时网络只能用硬件来实现，对于单被称为声反馈路径。频噪声延时准确，但是对全频带噪声不够理想。此声反馈轻则降低有源噪声控制的效果，严重时外，1973年Swinbanks9设计了多极系统，此系统则导致控制系统发散，降低控制系统的稳定性，因次级声源一般需要两个以上的环形声源，每个环形此有效地解决声反馈对管道有源噪声控制意义重声源有包含四只扬声器。这样安排来得到较好的指大。减小声反馈的研究主要有声反馈的抵消网络、向性，从而消除声反馈，不过可以看出该系统过于传声器位置优化和次级声源指向性等。复杂，不利于推广使用。声反馈抵消网络与电话系统的回声抵消技术)参量阵扬声器利用两个频率的原波在介质的类似。通过电子网络来模拟次级声源的声反馈网非线性作用产生差频声，相比于普通扬声器，参量络，从参考传声器信号中减掉声反馈网络的输出，阵扬声器在低频和高频均具有更强的指向性1，且得到初级声源参考。一般情况下，可以通过离线的不存在旁瓣。根据这一特点，参量阵扬声器作为次方法对反馈通道进行建模，这样可以减少算法的级声源在自由场的噪声控制研究受到了国内外学复杂度，不过其性能则会因为声反馈通道的变化受者的关注。2005年Brooks等人1通过理论分析和到影响。因此一些学者B开始研究在线的声反馈抵实验相结合的方法探讨了参量阵扬声器用于局部消网络的解决方案，这虽然能够解决反馈通道变化声场控制的可行性。虽然可以作为次级声源进行有带来的影响，但是系统中存在至少两个自适应滤波○源噪声控制，但由于参量阵原理上的局限，对低频器，因此系统也变得复杂。且两个自适应滤波器系噪声的控制较为困难。参量阵扬声器的谐波失真较数更新时存在相互干扰，特别是在反馈通道变化较高，这不利于声场的控制，需要在预处理算法上有大的时候，一定程度上会影响到系统稳定性。此外，所改进。2006年该研究小组Kidner等人1又研究在线声反馈不可避免的会引入新的噪声，这也是在了参量阵扬声器和虚拟传声器技术相结合的有源线声反馈抵消网络的缺陷之一。噪声控制系统，但仅限于理论探讨。虽然参量阵扬对于利用优化传声器位置减小声反馈方面，声器存在一些缺陷，但是研究学者一直希望利用其1988年Hamada提出了一个简单的方法，将误差优点在声场控制中得到应用。2010年日本东京都大传声器布放到参考传声器关于次级声源对称的位学的Tanaka等人1到利用波束偏转技术使参量阵扬置，这样反馈信号可以通过两个传声器信号的减法声器能够在不同的方向上进行单频声场的控制，并去除。但是对于与噪声源强相关性的反馈信号，此取得了较好的效果。但是由于参量阵扬声器的原波方法处理结果不理想。1993年Ku0提出另外一种也具有较强的指向性，因此波束偏转后目标方向上位置优化减小声反馈的方法，在他的文章中设计了的声压相比偏转前会有所降低，因此在2011年该与主管道夹角45°的旁支管放置次级声源，通过斜研究小组1采用了弧形的参量阵扬声器，通过反射入射的方式减小了对参考传声器的影响，这种方法的方法，产生与初级噪声源相同的声场进行了全局第32卷第6期武帅兵等：参量阵扬声器在管道噪声控制中的研究441的声场控制，取得了较好的效果。P()F()(4)参量阵扬声器在自由场的有源噪声控制已经S()-P()F()取得了一定进展，然而利用强指向性的参量阵扬声H()可以表征系统的稳定性，当开环增益大于1，器进行管道有源噪声控制目前还无人研究。本文将相位滞后180时，系统将失稳。以参量阵扬声器作为次级声源进行管道有源噪声为了保证系统的稳定性，一般在控制器中加入控制，以其声反馈小的优点降低控制算法计算量。反馈抵消滤波器户()抵消声反馈F(),或者减小反馈通道响应F(),保证系统稳定。2自适应控制算法3噪声控制实验FxLMS(Filtered-x least mean square)算法作为有源噪声控制的经典算法一直被广泛使用，同样本3.1相关参数及实验平台文也采用此算法作为噪声控制算法，其算法框见图为了达到实时控制的要求，噪声控制实验以TI1。其中W(z)为自适应滤波器，P(e)为初级通道，公司的DSP芯片TMS320C6713为主控单元，S()和S(z)为次级通道及其估计，F(z)和F(z)分ADS8365和DAC8544分别作为模数转换器和数模别为反馈通道及其估计，x(n),y(m),dm)和e(m)转换器。TMS320C6713芯片的最大处理能力可以分别为参考信号，控制信号，初级噪声和误差信号，达到2400MIPS,数据转换芯片ADS8365和x()和y(m)分别为滤波参考信号和误差传声器控DAC8544可以实现10MHz数据转换速度和16bits制信号。的转换精度，能够满足噪声控制的速度和精度的要求。根据控制噪声的频率，兼顾处理器的运算量，d系统采样率设计为16kHz。FxLMS算法能够根据噪声源和声学环境参数的变化自动调整滤波器系数。自适应滤波器的长度选为20阶。本实验的目的是比较两种声源最终的降噪效果，所以自适应滤波器系数W(m)权值更新步长设置的足够小。se本文分别采用了直管和L管两种结构的管道进x(m)行有源噪声控制实验。直管比较通用，但参量阵扬LMS声器位于管中会影响管道的正常使用.L管应用有一图1带反馈抵消网络的FxLMS算法框图定局限，但在实际应用中也存在，例如通风管道，图1中，z域中的误差信号为管道拐弯处就是L型。在L管中，将参量阵扬声器放置与侧壁上既可以发挥其优势，又不影响管道使用。E(=P(X(+S(W()X()(1)直管和L管的实验装置见图2和图3，图2中1-W(z)F(z)管道采用的是内腔边长10cm,壁厚1cm,长度为那么假设自适应收敛，系统稳定，可以求出控制器4m的方形波导管。设波导管轴向为x方向，噪声的权系数的传递函数为源位于波导管一端，此端设为x0,参考传声器位于=0.45m处。次级声源放置于=1.55m处，为W(z)=-(2)S()-P(F()了确保误差传声器与次级声源的距离大于参量正扬声器的积累长度1)，误差传声器放置于x=3.55m另外，从图1中可以推出反馈环节的开环传递处（距管道噪声出口0.45m)。为了减小外部因素函数为对实验的影响，x=4m的端口处放置了吸声材料。3)参量阵扬声器的发射单元为7cm×7cm的方形murata换能器阵列，参量阵扬声器位于管道内，见当自适应收敛后，其开环传递函数变为图2(b)。为了降低谐波失真，参量阵扬声器的调制