CN111307276A - 一种封闭空间主动降噪电动实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种封闭空间主动降噪电动实验装置，包括：封闭箱体；初级声源，其可拆卸固定在所述封闭箱体侧壁上；次级声源，其可拆卸设置在所述封闭箱体侧壁，并位于所述初级声源顶部；滚珠丝杆模组，其可拆卸设置在所述封闭箱体底部；麦克风，其可滑动连接所述滚珠丝杆模组，并能够沿所述滚珠丝杆模组滑动，本发明开发了一种封闭空间主动降噪电动实验装置，具有封闭式箱体，能够制造封闭式声场环境，采用滚珠丝杠模组推动麦克风在封闭箱体内移动，能够提高操作的简易性。本发明还提供了一种封闭空间主动降噪电动实验装置的控制方法，能够精准控制麦克风所在位置，减小降噪误差，能够最大限度减小实验误差。

Description

一种封闭空间主动降噪电动实验装置

技术领域

本发明涉及主动降噪装置技术领域，尤其涉及封闭空间主动降噪电动实验装置。

背景技术

随着主动降噪(Active noise control,ANC)技术的不断发展，其应用由原本的一维空间扩展到三维空间，而封闭三维空间又是普遍研究的场景，例如汽车，飞机，空调设备，等等。而三维空间的主动降噪比一维空间要复杂的多，尤其是封闭空间，声场环境更为复杂，因而在具体应用之前初期的试验显得格外重要。

主动噪声控制是利用声波的干涉相消原理，产生一列与噪声幅值相同相位相反的声波与噪声进行叠加抵消。按照物理结构的分类，控制系统主要有两种，前馈控制系统与反馈控制系统。前馈系统在噪声源处利用麦克风或非声学传感器获取参考信号，通过自适应滤波器的调节通过扬声器输出次级信号，使得该信号在经过次级通道后，于目标降噪位置(误差麦克风所在位置)与噪声通过初级通道得到的初级信号进行叠加抵消。而反馈控制系统则不需要参考信号的引入，只要通过反馈误差麦克风测得的误差信号来估计参考信号。另一方面，根据目标降噪区域的个数，主动降噪控制系统可以分为单通道控制系统和多通道控制系统，多通道控制系统的降噪范围比单通道控制系统要广，其使用的误差麦克风的个数也更多。主动降噪效果与多方面因素有关，系统控制结构和通道数就是其中的一部分，此外，主动噪声控制的核心是自适应滤波算法也是决定降噪效果的关键因素。自适应滤波算法可以根据环境的变化自适应地调整滤波器系数以达到目标函数下的最优解。其中，FxLMS(Filter-x LeastMean Square)算法以其计算量小、稳定性高、易于通过硬件实现等特点而广泛应用于主动噪声控制领域。但采用固定步长的FxLMS算法仍存在一些不足，如收敛速度与稳态误差不可兼顾的缺陷，以及对非平稳输入信号的跟踪能力差的问题，而变步长FxLMS算法能够改善这个问题，因而成为许多学者研究的对象。除此之外，还有许多基于FxLMS算法的改进算法或衍生算法，如：NFB-FxLMS(Normalized frequency-domainblockFxLMS)算法、Th-FxLMS(Thresholding-based FxLMS)算法、FxlogLMS(Filtered-xlogarithmic errorLMS)算法等等。

另外，封闭空间的声场环境与半封闭空间相比又更为复杂，因此，设计一种用于封闭空间的主动降噪试验装置对于主动降噪系统和算法的开发研究具有一定价值和意义。同时，电动化已经成为设计制造一个发展趋势，因此，与电动控制结合是非常必要的，它能够提高操作的简易性。

发明内容

本发明开发了一种封闭空间主动降噪电动实验装置，具有封闭式箱体，能够制造封闭式声场环境，采用滚珠丝杠模组推动麦克风在封闭箱体内移动，能够提高操作的简易性。

本发明还提供了一种封闭空间主动降噪电动实验装置的控制方法，能够精准控制麦克风所在位置，减小降噪误差，能够最大限度减小实验误差。

本发明提供的技术方案为：

一种封闭空间主动降噪电动实验装置，包括：

封闭箱体；

初级声源，其可拆卸固定在所述封闭箱体侧壁上；

次级声源，其可拆卸设置在所述封闭箱体侧壁，并位于所述初级声源顶部；

滚珠丝杆模组，其可拆卸设置在所述封闭箱体底部；

麦克风，其可滑动连接所述滚珠丝杆模组，并能够沿所述滚珠丝杆模组滑动。

优选的是，所述封闭箱体包括：

底板；

第一侧板，其一端支撑在所述底板一侧；

第二侧板，其一端支撑在所述底板另一侧；

上盖板，其一端连接所述第一侧板另一端，另一端连接所述第二侧板另一端；

所述底板、第一侧板、第二侧板和上盖板形成两侧开口的容置空间；

后盖板，其设置在所述容置空间的一侧；

前盖板，其设置在所述容置空间的另一侧；

所述前盖板、后盖板和所述容置空间形成封闭式中空腔体。

优选的是所述上盖板和所述前盖板为亚克力透明材质制成。

优选的是所述底板、第一侧板、第二侧板和所述后盖板为铝合金板。

优选的是，所述铝合金板厚度为2mm。

优选的是，所述滚珠丝杆模组包括：

第一滚珠丝杆机构，其可拆卸设置在所述封闭箱体的底板上；

第五滚珠丝杆机构，其可拆卸设置在所述封闭箱体的底板上，并与所述第一滚珠丝杆机构平行，且与所述后盖板和所述前盖板垂直；

第二滚珠丝杆机构，其套设在所述第一滚珠丝杆机构和所述第五滚珠丝杆机构顶部，并能够沿所述第一滚珠丝杆机构和所述第五滚珠丝杆机构滑动，能够靠近或远离所述前盖板；

第三滚珠丝杆机构，其套设在所述第一滚珠丝杆机构和所述第五滚珠丝杆机构顶部，并能够沿所述第一滚珠丝杆机构和所述第五滚珠丝杆机构滑动，与所述第二滚珠丝杆机构平行；

第四滚珠丝杆机构，其可拆卸设置在所述封闭箱体的底板上，并与所述第一侧板和所述第二侧板垂直。

优选的是，所述滚珠丝杆机构均包括：

底座；

滚珠丝杠副，其可旋转支撑在所述底座上；

滑动座，其与所述滚珠丝杠副螺纹配合；

其中，所述滚珠丝杠副转动，能够带动所述滚珠丝杠副的长度方向滑动。

优选的是，还包括电动推杆，其一端支撑在所述滑动座上，另一端连接所述麦克风。

优选的是，所述麦克风和所述电动推杆之间具有支撑杆。

一种封闭空间主动降噪电动实验装置的控制方法，包括：

步骤一、设定麦克风位置，进行声通道辨识；

步骤二、选取主动降噪系统类型，并选取噪声类型；

步骤三、设定算法种类及参数；

步骤四、进行主动降噪，并查看降噪结果；

步骤五、通过触屏显示器按键改变算法类型及参数，并再次进行主动降噪，直到达到预期的总体降噪量；

其中，步骤一中所述麦克风位置由滚珠丝杆模组的电机控制，所述电机转速为：

其中，v₁为电机转速，η为传动效率，L为丝杠长度量，R为丝杠固有间距，T为转动时间，S为丝杠有效长度，x_c为螺距，n为丝杠螺纹数量，ω为有效传动系数。

本发明所述的有益效果

1、本发明开发了一种封闭空间主动降噪电动实验装置，具有封闭式箱体，能够制造封闭式声场环境，采用滚珠丝杠模组推动麦克风在封闭箱体内移动，能够提高操作的简易性。

2、本发明的封闭箱体的框架采用铝合金材质制成，且上盖和侧盖采用透明材质，方便拆卸，保证了连接的稳定性与可靠性。

3、本发明提供的滚珠丝杠模组，麦克风的位置可调，实现电动遥控操作，能够精准控制麦克风位置。

4、本发明还提供了一种封闭空间主动降噪电动实验装置的控制方法，能够精准控制麦克风所在位置，减小降噪误差，能够最大限度减小实验误差。

附图说明

图1为本发明所述的空间主动降噪试验装置总体结构示意图。

图2为本发明所述的空间主动降噪试验装置后侧结构示意图。

图3为本发明所述的封闭箱体前上方结构示意图。

图4为本发明所述的封闭箱体前下方结构示意图。

图5为本发明所述的封闭箱体内部布置结构示意图。

图6为本发明所述的封闭空间主动降噪试验方法的流程框图。

图7为本发明所述的系统类型与仪器使用数量的关系图。

图8为合成的模拟汽车在发动机1000r/min转速下稳态工况的噪声信号。

图9为合成的模拟汽车在发动机3000r/min转速下稳态工况的噪声信号。

图10为合成的模拟汽车在发动机5000r/min转速下稳态工况的噪声信号。

图11为模拟汽车在发动机1000r/min转速下噪声信号两种算法降噪结果的时域幅值对比曲线。

图12为模拟汽车在发动机3000r/min转速下噪声信号两种算法降噪结果的时域幅值对比曲线。

图13为模拟汽车在发动机5000r/min转速下噪声信号两种算法降噪结果的时域幅值对比曲线。

图14为模拟汽车在发动机1000r/min转速下噪声信号两种算法降噪结果的频域声压级对比曲线。

图15为模拟汽车在发动机3000r/min转速下噪声信号两种算法降噪结果的频域声压级对比曲线。

图16为模拟汽车在发动机5000r/min转速下噪声信号两种算法降噪结果的频域声压级对比曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1-2所示，本发明提供的封闭空间主动降噪电动试验装置包括：封闭箱体110、初级声源和次级声源160、滚珠丝杆机构模组130、电动推杆140和麦克风171。

如图3-4所示，封闭箱体110为长方体结构，箱体的长宽高为棱长为60cm×60cm×80cm的立方体腔体，封闭箱体110包括：底板111、第一侧板112、第二侧板113、上盖板114、后盖板115和前盖板116。

其中，第一侧板112一端支撑在底板111一侧；第二侧板113一端支撑在底板111另一侧；上盖板114一端连接第一侧板112另一端，另一端连接第二侧板113另一端，位于第一侧板112和第二侧板113之间；其中，底板111、第一侧板112、第二侧板113和上盖板114形成两侧开口的方形容置空间；后盖板115设置在容置空间的一侧；前盖板116设置在容置空间的另一侧；前盖板116、后盖板115和容置空间形成封闭式中空腔体。

作为一种优选，上盖板114和前盖板116为透明亚克力材质制成。底板111、第一侧板112、第二侧板113和后盖板115为铝合金板采用2mm厚的铝合金板组成，箱体后盖板115壁面上开设有3个直径为98mm圆形通孔以及12个规格为国标M6的螺纹孔，用于对初级声源及次级声源160的固定，封闭箱体110的下侧底板111的四周边缘带有截面为梯形的凸台。触屏显示器150和按键集成一体，安装于封闭箱体上盖板114，封闭箱体的两侧装有手把120。

滚珠丝杆机构模组130由第一滚珠丝杆机构131，第二滚珠丝杆机构132，第三滚珠丝杆机构133，第四滚珠丝杆机构134和第五滚珠丝杆机构135组成。第一滚珠丝杆机构131和第五滚珠丝杆机构135平行放置于箱体底面，且垂直于箱体后侧壁面，第二滚珠丝杆机构132和第三滚珠丝杆机构133底座两端分别放置于第一滚珠丝杆机构131和第五滚珠丝杆机构135上，并且滚珠丝杆机构平行。第三滚珠丝杆机构135靠近后侧壁面，并与壁面平行。电动推杆140分别与第二滚珠丝杆机构132、第三滚珠丝杆机构133和第四滚珠丝杆机构134固连。电动推杆140分别与多个支撑杆170固连。支撑杆170顶端与麦克风170固连，靠近箱体内后侧的麦克风可作为参考麦克风，其余的可作为误差麦克风。总控制器包含信号生成器、ANC控制器、滚珠丝杆机构和电动推杆控制器，可实现目标降噪信号的发声、主动噪声控制，以及对滚珠丝杆机构的水平运动、电动推杆的垂直运动的控制。电源系用于为信号生成器、ANC控制器、滚珠丝杆机构和电动推杆控制器以及触屏显示器150和按键供电；

如图5所示，滚珠丝杆机构模组130由5个电动滚珠丝杆机构组成，每个丝杆机构的总长为472mm，行程为230mm。滚珠丝杆模组130包括：第一滚珠丝杆机构131可拆卸设置在封闭箱体的底板111上；第五滚珠丝杆机构135，其可拆卸设置在封闭箱体的底板111上，并与第一滚珠丝杆机构131平行，且与后盖板115和前盖板116的壁面垂直；第二滚珠丝杆机构132套设在第一滚珠丝杆机构131和第五滚珠丝杆机构135顶部，并能够沿第一滚珠丝杆机构132和第五滚珠丝杆机构135滑动，能够靠近或远离前盖板116；第三滚珠丝杆机构133套设在第一滚珠丝杆机构131和第五滚珠丝杆机构135顶部，并能够沿第一滚珠丝杆机构131和第五滚珠丝杆机构135滑动，与第二滚珠丝杆机构132平行；第四滚珠丝杆机构134可拆卸设置在封闭箱体的底板111上，并与第一侧板112和第二侧板113的壁面垂直。

滚珠丝杆机构均包括：底座；滚珠丝杠副，其可旋转支撑在底座上；滑动座，其与滚珠丝杠副螺纹配合，滚珠丝杠副转动，能够驱动滑动座沿滚珠丝杠副长度方向滑动。

在另一实施例中，电动推杆140的数量为3个，行程为15cm，电动推杆的底座分别过3M DP460胶水与第二滚珠丝杆机构132、第三滚珠丝杆机构133和第四滚珠丝杆机构134的平台通黏接。

每个电动推杆140上装有支撑杆170，支撑杆170上装有麦克风171，均通过螺栓连接，其中，靠近后侧壁面的麦克风作为参考麦克风，其余的作为误差麦克风。麦克风通过滚珠丝杆机构实现水平运动，通过电动推杆实现垂直运动。初级声源和次级声源160均采用电动式扬声器，其中初级声源数量为1个，次级声源数量为2个，均安装固定在箱体后侧外部，两者与总控制器相连。

总控制器200包含信号生成器、ANC控制器、滚珠丝杆机构和电动推杆控制器，可实现目标降噪信号的发声、主动噪声控制，以及对滚珠丝杆机构的水平运动、电动推杆的垂直运动的控制。电源系统采用12V的恒压电源，用于为信号生成器、ANC控制器、滚珠丝杆机构和电动推杆控制器以及触屏显示器和按键供电。

在进行封闭三维空间主动降噪的具体试验或演示时，装置试验的方法如图7所示，其中参考麦克风、误差麦克风的扬声器的数量根据系统的类型确定，如图8-10所示。本实施例采用单通道前馈型主动降噪系统，选取用程序合成的模拟汽车在发动机为1000r/min、3000r/min、5000r/min三种转速下稳态工况的三种信号作为目标噪声，如图11-13所示，对于每种信号的预期总体降噪量为25dB，分别应用FxLMS算法和变步长FxLMS算法来进行主动降噪。封闭三维空间主动降噪试验步骤如下：

一种封闭空间主动降噪电动实验装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、打开总控制器总开关，通过触屏显示器及按键来操控滚珠丝杆机构模组以及电动推杆，从而调整参考麦克风与误差麦克风在的空间位置；进行次级通道辨识，次级通道为作为次级声源的扬声器至误差麦克风之间的通道，辨识的传递函数供降噪系统使用；

步骤二、选择单通道前馈型主动降噪系统，即选用一个参考麦克风，一个误差麦克风采和一个次级声源。

其中，麦克风距离由滚珠丝杆模组的电机控制，其计算公式为：

其中，v₁为电机转速，η为传动效率，L为丝杠长度量，R为丝杠固有间距，T为转动时间，S为丝杠有效长度，x_c为螺距，n为丝杠螺纹数量，ω为有效传动系数。

步骤三、通过触屏显示器及按键选取提前导入的用程序合成的模拟汽车在发动机1000r/min的转速下的稳态工况的信号；

步骤四、通过触屏显示器及按键选定FxLMS算法并设定算法参数；

步骤五、通过触屏显示器及按键选择并进行主动降噪；

步骤六、通过触屏显示器及按键查看降噪结果，结果包括时域幅值对比曲线和频域声压级对比曲线，以及降噪量，保留至系统内部，可与其它算法的降噪结果进行对比；

步骤七、为进一步获得更好的主动降噪效果，在步骤4中选择变步长FxLMS算法来对噪声进行主动降噪试验，此时仅需重复上述步骤五-七。

步骤八、对于合成的模拟汽车在发动机2000r/min的转速下的稳态工况的信号的主动降噪试验，在步骤三中选取相应的噪声数据，而后进行步骤五-八。

步骤九、对于合成的模拟汽车在发动机3000r/min的转速下的稳态工况的信号的主动降噪试验，在步骤三中选取相应的噪声数据，而后进行步骤五-八。

通过触屏显示器及按键对比各信号在各算法下的降噪结果，试验结束。

本实施例的试验结果如下：

时域上的降噪结果如图14-16所示，对比FxLMS算法和变步长FxLMS算法分别对各转速下的稳态工况的信号的降噪效果，可见FxLMS算法比变步长FxLMS算法具有更好的降噪性能，即更快的收敛速度和更小的稳态误差。频域上的降噪结果如图12所示，对比FxLMS算法和变步长FxLMS算法分别对各转速下的稳态工况的信号的降噪效果，可见对于两尖峰频率处噪声声压级都得到了大幅的抑制，在峰值频率处的噪声控制方面变步长FxLMS算法比FxLMS算法的表现更加出色，在整体上的降噪效果上，变步长FxLMS算法也比FxLMS算法表现更好，具体为：对于1000r/min的稳态工况信号的总体降噪量，FxLMS算法达到的总体降噪量为21.76dB，变步长FxLMS算法达到的总体降噪量26.54dB；对于3000r/min的稳态工况信号的总体降噪量，FxLMS算法达到的总体降噪量为24.87dB，变步长FxLMS算法达到的总体降噪量26.06dB；对于5000r/min的稳态工况信号达到的总体降噪量，FxLMS算法达到的总体降噪量为23.81dB，变步长FxLMS算法达到的总体降噪量26.14dB；对于三种信号的主动降噪试验，变步长FxLMS算法均达到了预期的总体降噪量，因而可作为应用时优选的算法。

本发明开发了一种封闭空间主动降噪电动实验装置，具有封闭式箱体，能够制造封闭式声场环境，采用滚珠丝杠模组推动麦克风在封闭箱体内移动，能够提高操作的简易性。本发明的封闭箱体的框架采用铝合金材质制成，且上盖和侧盖采用透明材质，方便拆卸，保证了连接的稳定性与可靠性。本发明提供的滚珠丝杠模组，麦克风的位置可调，实现电动遥控操作，能够精准控制麦克风位置。本发明还提供了一种封闭空间主动降噪电动实验装置的控制方法，能够精准控制麦克风所在位置，减小降噪误差，能够最大限度减小实验误差。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种封闭空间主动降噪电动实验装置，其特征在于，包括：

封闭箱体；

初级声源，其可拆卸固定在所述封闭箱体侧壁上；

次级声源，其可拆卸设置在所述封闭箱体侧壁，并位于所述初级声源顶部；

滚珠丝杆模组，其可拆卸设置在所述封闭箱体底部；

麦克风，其可滑动连接所述滚珠丝杆模组，并能够沿所述滚珠丝杆模组滑动。

2.根据权利要求1所述的封闭空间主动降噪电动实验装置，其特征在于，所述封闭箱体包括：

底板；

第一侧板，其一端支撑在所述底板一侧；

第二侧板，其一端支撑在所述底板另一侧；

上盖板，其一端连接所述第一侧板另一端，另一端连接所述第二侧板另一端；

所述底板、第一侧板、第二侧板和上盖板形成两侧开口的容置空间；

后盖板，其设置在所述容置空间的一侧；

前盖板，其设置在所述容置空间的另一侧；

所述前盖板、后盖板和所述容置空间形成封闭式中空腔体。

3.根据权利要求2所述的封闭空间主动降噪电动实验装置，其特征在于，所述上盖板和所述前盖板为亚克力透明材质制成。

4.根据权利要求3所述的封闭空间主动降噪电动实验装置，其特征在于，所述底板、第一侧板、第二侧板和所述后盖板为铝合金板。

5.根据权利要求4所述的封闭空间主动降噪电动实验装置，其特征在于，所述铝合金板厚度为2mm。

6.根据权利要求1所述的封闭空间主动降噪电动实验装置，其特征在于，所述滚珠丝杆模组包括：

第一滚珠丝杆机构，其可拆卸设置在所述封闭箱体的底板上；

第五滚珠丝杆机构，其可拆卸设置在所述封闭箱体的底板上，并与所述第一滚珠丝杆机构平行，且与所述后盖板和所述前盖板垂直；

第二滚珠丝杆机构，其套设在所述第一滚珠丝杆机构和所述第五滚珠丝杆机构顶部，并能够沿所述第一滚珠丝杆机构和所述第五滚珠丝杆机构滑动，能够靠近或远离所述前盖板；

第三滚珠丝杆机构，其套设在所述第一滚珠丝杆机构和所述第五滚珠丝杆机构顶部，并能够沿所述第一滚珠丝杆机构和所述第五滚珠丝杆机构滑动，与所述第二滚珠丝杆机构平行；

第四滚珠丝杆机构，其可拆卸设置在所述封闭箱体的底板上，并与所述第一侧板和所述第二侧板垂直。

7.根据权利要求6所述的封闭空间主动降噪电动实验装置，其特征在于，所述滚珠丝杆机构均包括：

底座；

滚珠丝杠副，其可旋转支撑在所述底座上；

滑动座，其与所述滚珠丝杠副螺纹配合；

其中，所述滚珠丝杠副转动，能够带动所述滚珠丝杠副的长度方向滑动。

8.根据权利要求7所述的封闭空间主动降噪电动实验装置，其特征在于，还包括电动推杆，其一端支撑在所述滑动座上，另一端连接所述麦克风。

9.根据权利要求8所述的封闭空间主动降噪电动实验装置，其特征在于，所述麦克风和所述电动推杆之间具有支撑杆。

10.一种封闭空间主动降噪电动实验装置的控制方法，其特征在于，包括：

步骤一、设定麦克风位置，进行声通道辨识；

步骤二、选取主动降噪系统类型，并选取噪声类型；

步骤三、设定算法种类及参数；

步骤四、进行主动降噪，并查看降噪结果；

步骤五、通过触屏显示器按键改变算法类型及参数，并再次进行主动降噪，直到达到预期的总体降噪量；

其中，步骤一中所述麦克风位置由滚珠丝杆模组的电机控制，所述电机转速为：

其中，v₁为电机转速，η为传动效率，L为丝杠长度量，R为丝杠固有间距，T为转动时间，S为丝杠有效长度，x_c为螺距，n为丝杠螺纹数量，ω为有效传动系数。

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