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[導讀]摘 要: 在分析噪聲危害的基礎上,針對履帶車輛艙室內各頻率噪聲大約為100 dB~120 dB的低頻特點,闡述了有源噪聲控制的原理、意義及發(fā)展現狀。針對有源噪聲控制中信號處理的實時性要求,將高速實時信號處理器DSP應用

摘  要: 在分析噪聲危害的基礎上,針對履帶車輛艙室內各頻率噪聲大約為100 dB~120 dB的低頻特點,闡述了有源噪聲控制的原理、意義及發(fā)展現狀。針對有源噪聲控制中信號處理的實時性要求,將高速實時信號處理器DSP應用于有源降噪系統(tǒng)中,在此基礎上完成了有源噪聲控制的單極子兩源系統(tǒng)的硬件設計。實驗結果表明,降噪效果在100 Hz~400 Hz頻段上平均降噪量達到10 dB。

在科技迅猛發(fā)展的今天,人們在享受現代科技給人類帶來的種種便利之時,也面臨著日益嚴重的污染問題,在這些污染中,噪聲是直接危害人們身心健康的污染源之一。在工業(yè)生產、公共交通、宇航、通訊等人類生活的各方面均存在噪聲污染,在某些場合則十分惡劣。調研發(fā)現履帶車輛艙室內各頻率噪聲大約為100 dB~120 dB,對乘員的聽力、健康、通話、操作極為不利。因此,降低車輛艙室內的噪聲,將會明顯改善操作人員的健康狀況和提高戰(zhàn)斗力。本文針對坦克艙室內的噪聲進行了有源降噪系統(tǒng)的研究。

1 有源降噪的原理

任何一個聲學系統(tǒng)包括聲源、傳播途徑和受者3個環(huán)節(jié),控制噪聲應從這三方面進行。傳統(tǒng)的無源噪聲控制在中高頻取得了較好的降噪效果,但對于低頻噪聲,因無源材料的聲衰減特性隨頻率的降低而變差,要取得良好的降噪效果,就要增加材料的體積和重量,會使工程實施趨于龐大化,甚至難于實現。隨著高速數字信號處理技術的發(fā)展,體積小、便于設計和控制的有源噪聲控制方法,能在低頻段實現較好的降噪效果[1]。

有源噪聲控制是根據2個聲波相消性干涉或聲波輻射抑制的原理,通過人為地制造1個控制聲源(次級聲源),使其發(fā)出的聲音與原來的噪聲源(初級聲源)輻射噪聲大小相等、相位相反,使兩者作用結果互相抵消,從而達到降噪的目的[2]。依據此降噪原理,提出了由1個初級聲源和1個次級聲源所組成單極子兩源系統(tǒng)的降噪模型。其示意圖如圖1所示。

圖中,P為初級聲源,MIC1為噪聲傳感器,用于采集對象P的信息。S為輸出控制的揚聲器及次級聲源,MIC2為誤差傳感器,采集誤差信息。設P產生的源聲場為:

2 有源降噪系統(tǒng)的硬件設計

為實現此系統(tǒng),其硬件設計框圖如圖2所示。

圖1中的傳聲器MIC1、MIC2拾取的噪聲信號和誤差信號,經過三極管放大后,進行防折疊濾波處理以及模-數轉換,將數字信號直接送入DSP和主機中,對實驗數據進行分析,將得到的控制信號進行數-模轉換,經平滑濾波、放大后驅動圖1中的揚聲器S,使控制信號和噪聲信號相疊加,完成有源降噪的過程。

2.1 ADSP-2111信號處理器

系統(tǒng)中數字信號處理器選用AD公司的16位定點的ADSP-2111芯片,其核心結構如圖3所示,特點如下:

(1)ADSP-2111芯片采用哈佛結構,片內有6條總線(1條程序總線、2條數據總線、2條地址總線和1條DMA總線),這種分離的程序總線和數據總線,可允許同時獲取指令字(來自程序存儲器)和操作數(來自數據存儲器),而互不干擾。這樣可以在1個周期內同時準備好指令和數據,對于數字信號處理中的許多運算,要比一般的單片機速度快得多,這對于實時性要求非常高的噪聲控制來說,是非常必要的。

(2)ADSP-2111采用流水線操作,以減少指令的執(zhí)行時間。執(zhí)行一條指令要通過取指令、譯碼、取操作數和執(zhí)行幾個階段,流水線操作使4條不同的指令處于激活狀態(tài),這極大地提高了運算速度,體現了DSP的優(yōu)越性能。同時,其內部含有硬件乘法/累加器,從硬件上實現了乘法器和累加器的并行工作,可在單指令周期內完成1次乘法并將運行乘積求和的運算。

(3)ADSP-2111是帶有主機接口HIP(HoST Interface Port)的芯片,能較方便地與PC機接口。HIP為并行I/O口,允許ADSP-2111做主機存儲器映像的外設,其操作速度與ADSP-2111的總線速度相似,主機對DSP程序的加載及與DSP之間的數據通信均通過HIP接口來完成。

2.2 ADSP-2111芯片的外圍電路

(1)濾波器的設計

由于存在聲反饋,檢測傳聲器采用電容式的單指向性傳聲器MIC1和MIC2來拾取噪聲信號和誤差信號,信號經過三極管放大后,進行濾波處理。在A/D 變換前,需要設置1個模擬濾波器(即圖2中的防折疊濾波器)進行預濾波以限制信號帶寬,去掉高于1/2抽樣頻率以上的高頻分量,防止頻譜混疊現象的發(fā)生。本系統(tǒng)中的噪聲為低頻噪聲,所以防折疊濾波器為低通濾波器;在D/A變換后,常接1個模擬低通濾波器(即圖2中的平滑濾波器)來抑制高頻分量,使階梯狀波形變成平滑的模擬信號輸出。本系統(tǒng)中的防折疊濾波器和平滑濾波器均選用開關電容濾波器ICMF-10,內藏2個二階濾波器,通過外部提供的時鐘脈沖及外接電阻,即可實現高通、低通、帶通、帶阻和全通等濾波器的功能,通用性較強,本系統(tǒng)應用其低通特性。

(2)數-模轉換的設計

采用AD1848音頻接口芯片。它具有雙路高性能的ADC和DAC,均由ADSP-2111直接控制,采樣頻率分布于5.5 kHz~48 kHz之間,可以滿足有源降噪系統(tǒng)的要求。功率放大器采用低頻功率放大器TA7240AP,產生的控制信號驅動揚聲器,完成有源降噪的過程。

3 有源降噪系統(tǒng)的實驗研究

3.1 LMS 算法簡介

在有源降噪系統(tǒng)中,要求控制系統(tǒng)具有快速跟蹤能力,即控制速度應能跟上噪聲的變化,且有滿足應用要求的降噪量,所以控制算法要求具有自適應的特點,要求其收斂速度快、穩(wěn)定性好;同時計算量小,便于實現。本系統(tǒng)采用LMS(Least Mean Square)自適應算法,以滿足系統(tǒng)要求。LMS算法的迭代公式為:

3.2 有源降噪系統(tǒng)的實驗研究

利用ADSP-2111高速實時信號處理器,采用自適應的LMS算法,對頻率為100 Hz~490 Hz的噪聲進行降噪實驗,初級傳感器位于噪聲源正前方0.05 m處,誤差傳聲器位于次級聲源正前方0.50 m處,取得的降噪效果如圖5所示,最大降噪量達到20 dB,這對于無源降噪來說是不可能達到的。

本文提出的由1個初級聲源和1個次級聲源組成的單極子兩源系統(tǒng)是基本的降噪模型,對于多極子系統(tǒng)可以認為是由一系列單極子兩源子系統(tǒng)組成的,因此,對于單極子兩源系統(tǒng)的研究有重要意義。將高速實時信號處理器DSP應用于有源降噪系統(tǒng)中,使降噪系統(tǒng)的實時性得到了進一步的提升;將有源降噪引入車輛艙室內的噪聲控制,取得了無源降噪無法實現的降噪效果。

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