CN101702093A - 一种振动结构辐射噪声的有源控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动结构辐射噪声的有源控制系统及控制方法，该控制系统设置在振动结构上，K个压电传感器获取使振动结构产生振动并辐射噪声的K个外扰力参考信号，输入到自适应前馈控制器，在算法的作用下产生N个控制力信号，再输入到N个压电作动装置，在振动结构中产生新的振动加速度分布，根据次级通道抵消K个外扰力，根据初级通道产生声辐射模态幅值，误差传感器获取振动结构振动时辐射噪声能力最强的前N阶辐射模态幅值误差信号后输入自适应前馈控制器，通过滤波器权系数迭代系统校正横向滤波器权系数从而改变控制力信号。本发明在中低频时能取得较好的控制效果，结构简单，易于实现有源控制系统的小型化。

Description

一种振动结构辐射噪声的有源控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种振动结构辐射噪声的有源控制，尤其涉及一种不需要用麦克风和扬声器等声学传感器对振动结构辐射噪声进行有源控制系统及有源控制方法。

背景技术

目前，噪声已成为社会普遍关心的三大污染源之一，噪声控制技术主要以无源噪声控制为主，具体方法包括隔声处理、吸声处理、振动隔离、阻尼减振等。它的主要特点是不需要外部能源、技术简单、造价低、性能可靠，对控制高频噪声能取得令人满意的效果。然而其缺陷是：对中低频噪声的控制频段很窄，控制效果不佳，并且消声设备庞大、笨重、维修不方便。因此，针对中低频噪声，采用噪声有源控制效果较好，根据有源控制系统中次级源的不同，传统的噪声有源控制方法可分为有源噪声控制方法和振动主动控制方法。其中，有源噪声控制方法是通过控制次级声源在消声区域产生与初级声场大小相等、相位相反的次级声场，使得次级声场与初级声场相互抵消，达到降低噪声的目的，从理论上说有源噪声控制方法在低频范围内可以达到很高的降噪量，但有源噪声控制方法需要外置的麦克风和扬声器等声学传感器，不仅容易造成系统的不稳定，降低了系统的可靠性，而且系统较为庞大复杂，占用空间，难以实现控制系统的小型化。振动主动控制方法则通过在振动结构表面布置作动器来降低结构的振动以减少结构的声辐射，其优点是用结构作动器代替了扬声器，结构紧凑，易于实施，但由于振动主动控制系统中仅考虑了结构的振动特性，而未充分考虑结构的声辐射特性，虽然能有效地控制结构振动，但对振动的控制并不能保证声辐射的有效降低，因此传统的振动主动控制方法在实际应用中受到了一定的限制。

发明内容

本发明的目的是为克服上述传统的有源噪声控制方法和振动主动控制方法的不足，提出了一种结合了结构的振动和声辐射两种特性的有源控制方法，可有效地控制结构振动，从而保证声辐射的有效降低。

本发明的另一目的是提供一种可实现上述有源控制方法的系统，结构简单、易于控制，

本发明控制系统采用的技术方案是：该控制系统设置在振动结构上，包括K个压电传感器、N个压电作动装置、自适应前馈控制器和误差传感器，K个压电传感器设置在K个外扰力的作用点处，自适应前馈控制器连接于K个压电传感器输出，自适应前馈控制器的输出连接N个压电作动装置，N个压电作动装置设置于振动结构上，误差传感器设置在振动结构上测量K个外扰力和N个控制力；所述自适应前馈控制器包括前置电路系统、横向滤波器、后置电路系统、参考通道和滤波器权系数迭代系统，前置电路系统输出分别外接横向滤波器和参考通道，横向滤波器输出依次连接后置电路系统、次级通道和误差传感器，滤波器权系数迭代系统输入分别连接参考通道和误差传感器、输出连接横向滤波器；K个外扰力输入初级通道，初级通道输出连接误差传感器。

本发明控制方法采用的技术方案是按如下步骤：

1)K个压电传感器获取使振动结构产生振动并辐射噪声的K个外扰力参考信号；

2)将所得的K个外扰力参考信号输入到自适应前馈控制器，该自适应前馈控制器在算法的作用下产生N个控制力信号；

3)N个控制力信号输入到N个压电作动装置；N个压电作动装置在振动结构中产生新的振动加速度分布，根据次级通道抵消K个外扰力，根据初级通道产生声辐射模态幅值；

4)误差传感器获取振动结构振动时辐射噪声能力最强的前N阶辐射模态幅值误差信号后输入自适应前馈控制器；

5)通过滤波器权系数迭代系统校正横向滤波器权系数从而改变控制力信号；

6)不断重复步骤1)～5)直至振动结构辐射噪声被抑制至目标范围内

本发明的有益效果是：

1.与传统的无源噪声控制系统相比较，本发明的有源噪声控制系统在中低频时能取得较好的控制效果。

2.由于仅需要抵消振动结构辐射噪声能力最强的前N阶辐射模态的噪声，因此有源控制系统结构简单，便于控制系统的实施。

3.有源控制系统的设计基于振动结构以及声辐射模型，通过在振动结构上施加次级力源，改变振动结构的振动加速度分布，使得振动结构原来能强辐射噪声的加速度分布变为弱辐射噪声的加速度分布，以实现不需要用麦克风和扬声器等声学传感器对结构辐射噪声进行有效控制，使得有源控制系统结构紧凑，占用空间小，易于实现有源控制系统的小型化。

附图说明

图1是本发明有源控制系统的结构示意图。

图2是图1中自适应前馈控制器2的外围电路示意图。

图3是图2中横向滤波器7的结构框图。

图4是图1的控制原理模型框图。

图中：1.振动结构；2.自适应前馈控制器；3.压电传感器；4.压电作动装置；5.初级通道；6.前置电路系统；7.横向滤波器；8.后置电路系统；9.参考通道；10.滤波器权系数迭代系统；11.次级通道；12.误差传感器。

具体实施方式

如图1，本发明的有源控制系统安装在振动结构1上，包括K个压电传感器3、自适应前馈控制器2、N个压电作动装置4、误差传感器12。其中f^p(k)为作用在振动结构1上的K个外扰力，外扰力引起振动结构1的振动，进而辐射噪声，K个压电传感器3安装在K个外扰力f^p(k)的作用点处，K个压电传感器3用于测量作用于振动结构1上的使得结构产生振动并辐射噪声的K个外扰力f^p(k)的参考信号。自适应前馈控制器2连接于K个压电传感器3的输出端。将来自K个压电传感器3的经放大的K个外扰力f^p(k)参考信号输入到自适应前馈控制器2。自适应前馈控制器2的输出连接N个压电作动装置4，自适应前馈控制器2产生N个控制力f^c(k)信号经放大后输入到N个压电作动装置4，N个压电作动装置4设置于振动结构1上，N个压电作动装置4在振动结构1上产生新的加速度分布，使得振动结构1原来能强辐射噪声的加速度分布变为弱辐射噪声的加速度分布，从而抵消K个外扰力f^p(k)产生的前N阶声辐射模态幅值，达到减少结构辐射噪声的目的。误差传感器12是基于噪声源和声辐射模型设计设置在振动结构1上，用于测量在K个外扰力f^p(k)和N个控制力f^c(k)共同作用下，振动结构1振动时辐射噪声能力最强的前N阶辐射模态幅值误差信号e(k)。

如图2，自适应前馈控制器2包括前置电路系统6、横向滤波器7、后置电路系统8、参考通道9和滤波器权系数迭代系统10。其中前置电路系统6由A/D转换器和前置放大器组成，后置电路系统8由D/A转换器和功率放大器组成。前置电路系统6的输出分为两路，一路是经过横向滤波器7后输入到与横向滤波器7连接的后置电路系统8，另一路是通过参考通道9后输入到与参考通道9连接的滤波器权系数迭代系统10，滤波器权系数迭代系统10的输出连接横向滤波器7。K个外扰力f^p(k)参考信号输入到前置电路系统6后由A/D转换器把模拟信号转换为数字信号，再经前置放大器放大后输入到横向滤波器7。滤波器权系数迭代系统10基于参考通道9输入的滤波参考信号和误差传感器12输入的误差信号，采用FXLMS(即滤波-X最小均方)算法实时更新滤波器权系数，处理后得到控制力信号。

如图2和3所示，经预处理的K个外扰力f^p(k)参考信号输入到横向滤波器7后，横向滤波器7基于滤波器权系数迭代系统10的实时滤波器权系数w(z)处理得到N个控制力f^c(k)信号，其中：

$f_n^c\left(k\right)=\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{n,i}\left(k\right)f^p(k-i)$

本发明的控制方法可通过离散域传递函数来描述信号之间的动态关系。如图4，前置电路系统6输出分别外接横向滤波器7和参考通道9，横向滤波器7输出依次连接后置电路系统8、次级通道11和误差传感器12，滤波器权系数迭代系统10输入分别连接参考通道9和误差传感器12、输出连接横向滤波器7。初级通道5的输入连接K个外扰力f^p(k)，输出连接误差传感器12，初级通道5代表K×N个初级通道的传递函数，表示输入的K个外扰力f^p(k)与噪声源辐射噪声能力最强的前N阶辐射模态幅值y^p(k)之间的动态关系。

K个压电传感器3获取使振动结构1产生振动并辐射噪声的K个外扰力f^p(k)参考信号，将所得的K个外扰力f^p(k)参考信号输入到自适应前馈控制器2，该自适应前馈控制器2在FXLMS算法的作用下产生N个控制力信号，这N个控制力f^c(k)信号输入到N个压电作动装置4，N个压电作动装置4在自适应前馈控制器2产生的N个控制力f^c(k)信号的驱动下，在振动结构1上根据次级通道11来抵消K个外扰力，根据初级通道5产生新的辐射模态幅值y^c(k)，可抵消K个外扰力产生的前N阶辐射模态幅值y^p(k)。也即通过在振动结构1中产生新的振动加速度分布，使得振动结构1原来能强辐射噪声的振动加速度分布变为弱辐射噪声的加速度分布，从而使得噪声源辐射的噪声得到有效降低。误差传感器12获取振动结构1振动时辐射噪声能力最强的前N阶辐射模态幅值误差信号后输入自适应前馈控制器2。K个外扰力f^p(k)参考信号在输入横向滤波器7的同时，也输入到参考通道9，以得到滤波的参考信号y^r(k)并输入到滤波器权系数迭代系统10。参考通道9表示K个外扰力f^p(k)参考信号和辐射模态幅值y^r(k)参考信号之间的动态关系，用于在内部估算自适应前馈控制器2产生的控制力作用下的辐射模态幅值，从而将H_c(z)次级通道11的影响带进滤波器权系数的更新。滤波器权系数迭代系统10基于输入的滤波参考信号y^r(k)和误差信号e(k)，根据预先设定的控制目标(前N阶辐射模态幅值为零)，利用FXLMS算法不断地实时更新横向滤波器7的权系数：

w(k+1)＝w(k)-2μe(k)y^r(k)

式中：μ为收敛系数。可通过滤波器权系数迭代系统10校正横向滤波器权系数从而改变控制力信号，滤波器权系数迭代系统10通过对相应的用于产生控制信号的滤波器权系数进行精调，并输入到横向滤波器7，可以有利于横向滤波器7更精确地产生下一控制力信号，以使振动结构1在自适应前馈控制器2的输出信号作用下和期望信号之间的误差信号e(k)最小化，这样的过程不断重复进行，直至振动结构1辐射噪声被抑制至目标范围内。次级通道11代表N×N个次级通道的传递函数，表示控制力f^c(k)信号和激发的振动结构1的辐射噪声能力最强的前N阶辐射模态幅值y^c(k)之间的动态关系，用于在压电作动装置4作用下，在振动结构1上激发新的辐射模态幅值y^c(k)，来抵消K个扰动力产生的前N阶辐射模态幅值y^p(k)。误差传感器12是基于噪声源和声辐射模型设计布置在振动结构1上，用于测量在K个外扰力f^p(k)和N个控制力f^c(k)共同作用下，振动结构1振动时辐射噪声能力最强的前N阶辐射模态幅值误差信号e(k)：

e(k)＝y^p(k)+y^c(k)

N阶辐射模态幅值误差信号e(k)用于评价噪声有源控制系统的效果，包含了实际未完全抵消的残余辐射模态幅值；同时该误差信号输入到自适应前馈控制器2中作为反馈信号来不断在线调整滤波器权系数。

Claims (4)

1.一种振动结构辐射噪声的有源控制系统，其特征是：该控制系统设置在振动结构(1)上，包括K个压电传感器(3)、N个压电作动装置(4)、自适应前馈控制器(2)和误差传感器(12)，K个压电传感器(3)设置在K个外扰力的作用点处，自适应前馈控制器(2)连接于K个压电传感器(3)输出，自适应前馈控制器(2)的输出连接N个压电作动装置(4)，N个压电作动装置(4)设置于振动结构(1)上，误差传感器(12)设置在振动结构(1)上测量K个外扰力和N个控制力；所述自适应前馈控制器(2)包括前置电路系统(6)、横向滤波器(7)、后置电路系统(8)、参考通道(9)和滤波器权系数迭代系统(10)，前置电路系统(6)输出分别外接横向滤波器(7)和参考通道(9)，横向滤波器(7)输出依次连接后置电路系统(8)、次级通道(11)和误差传感器(12)，滤波器权系数迭代系统(10)输入分别连接参考通道(9)和误差传感器(12)、输出连接横向滤波器(7)；K个外扰力输入初级通道(5)，初级通道(5)输出连接误差传感器(12)。

2.根据权利要求1所述的一种振动结构辐射噪声的有源控制系统，其特征是：所述前置电路系统(6)由A/D转换器和前置放大器组成，后置电路系统(8)由D/A转换器和功率放大器组成。

3.一种振动结构辐射噪声的有源控制方法，其特征是按如下步骤：

1)K个压电传感器(3)获取使振动结构(1)产生振动并辐射噪声的K个外扰力参考信号；

2)将所得的K个外扰力参考信号输入到自适应前馈控制器(2)，该自适应前馈控制器(2)在算法的作用下产生N个控制力信号；

3)N个控制力信号输入到N个压电作动装置(4)；N个压电作动装置(4)在振动结构(1)中产生新的振动加速度分布，根据次级通道(11)抵消K个外扰力，根据初级通道(5)产生声辐射模态幅值；

4)误差传感器(12)获取振动结构(1)振动时辐射噪声能力最强的前N阶辐射模态幅值误差信号后输入自适应前馈控制器(2)；

5)通过滤波器权系数迭代系统(10)校正横向滤波器权系数从而改变控制力信号；

6)不断重复步骤1)～5)直至振动结构(1)辐射噪声被抑制至目标范围内。

4.根据权利要求3所述的一种振动结构辐射噪声的有源控制方法，其特征是：步骤2)中将K个外扰力参考信号输入到前置电路系统(6)后由A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，再经前置放大器放大后输入到横向滤波器(7)；滤波器权系数迭代系统(10)基于参考通道(9)输入的滤波参考信号和误差传感器(12)输入的误差信号，采用FXLMS算法实时更新滤波器权系数，处理后得到控制力信号。

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