CN111445895A - 一种基于遗传算法的指向性有源噪声控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于遗传算法的指向性有源噪声控制系统及方法，用于在指向性噪声控制区域，抵消初级声场，形成均匀的残留声场。所述系统包括：参考信号产生模块、滤波器模块和多个次级声源；参考信号产生模块，用于产生与初级声源信号频率相同的参考信号；滤波器模块，用于采集参考信号，根据预存的次级通路响应和最优滤波器系数对该信号进行处理，输出多路处理后的信号，分别输入每个次级声源；所述最优滤波器系数通过遗传算法得到；次级声源，用于在滤波器模块输出信号的触发下产生次级声源信号；在指向性噪声控制区域，该信号与初级声源信号进行声场叠加，从而实现初级声源的噪声控制。本发明兼顾指向性区域降噪和残留声场的均匀性。

Description

一种基于遗传算法的指向性有源噪声控制系统及方法
技术领域
本发明涉及主动噪声控制领域，特别涉及一种基于遗传算法的指向性有源噪声控制系统及方法。
背景技术
噪声控制可以分为被动降噪和主动降噪技术。主动降噪技术，又称有源降噪技术，对于低频噪声控制，在成本和设备体型等方面有个明显的优势。主动降噪通过人为的在声场引入次级声源来达到抵消初级声源的目的，从而实现声场的降噪。有源噪声控制的基本思想在1936年被提出，如今已经成熟的运用在飞机舱室、高铁头靠和汽车等噪声控制领域。多通道主动噪声控制技术可以解决复杂的声场环境。传统上，人们一般采用均方误差和准则来求取最优滤波器系数，但这种方法在取得较好的降噪效果的同时，也会使残留声场产生不可控的指向性。指向性有源噪声控制分为两大类，一类是从硬件上，采用参量扬声器阵作为次级声源，利用具有指向性的超声波对声场进行降噪，但是非线性问题在参量阵的应用始终存在，而且也无法有效地对较低频段的噪声进行控制；另一类是从算法上，选择合适的代价函数设计滤波器系数，对误差函数和进行角度加权，但是无法保证指向性区域内产生均匀的残留声场。在多通道有源噪声控制中。人们利用最小最大误差准则，通过自适应迭代算法实现空间声场的均匀的残留声场。
在传统的有源多通道噪声控制中，人们一般采用最小均方误差和准则，设计滤波器系数，但最小均方误差和准则在带来降噪量同时会在空间内产生不均匀的残留声场。为了解决这个问题，人们以最小最大误差准则，用迭代算法，调整滤波器系数，使得空间内最大误差点的值最小，最终各误差点的值之间方差变小，产生均匀的残留声场。在指向性有源噪声控制中，在指向性区域，采用均方误差和准则的代价函数理论上也会产生不均匀的残留声场。
有源噪声控制的自适应算法通过不断地改变滤波器系数来迭代寻找代价函数的最小值，但其在数字信号处理芯片实现中，常常因为参数的设置不当使得算法无法收敛，或者降噪效果一般；其次在实际运用中，自适应算法需要实时获取误差麦克风信号进行迭代寻找，这在一定程度上增加系统的成本。
综上所述，目前指向有源噪声控制方法仅能保证指向性区域的降噪效果，无法在指向性区域实现均匀的残留声场。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种基于遗传算法的指向性有源噪声控制系统及方法。本发明的方法可以兼顾指向性区域的降噪和残留声场的均匀。
为了实现上述目的，本发明提出了一种基于遗传算法的指向性有源噪声控制系统，用于在指向性噪声控制区域，抵消初级声场，形成均匀的残留声场，所述系统包括：参考信号产生模块、滤波器模块和多个次级声源；
所述参考信号产生模块，用于产生与初级声源信号频率相同的参考信号；
所述滤波器模块，用于采集参考信号，根据预存的次级通路响应和最优滤波器系数对该信号进行处理，输出多路处理后的信号，分别输入每个次级声源；所述最优滤波器系数通过遗传算法得到；
所述次级声源，用于在滤波器模块输出信号的触发下产生次级声源信号；在指向性噪声控制区域，该信号与初级声源信号进行声场叠加，从而实现初级声源的噪声控制。
作为上述系统的一种改进，所述次级通路响应和最优滤波器系数的计算通过搭建一个实物仿真系统获得；所述实物仿真系统包括：仿真初级声源、滤波器模块、多个次级声源、和多个误差麦克风；
所述仿真初级声源，用于仿真输出初级声源信号；所述多个误差麦克风安装在指定位置。
作为上述系统的一种改进，所述次级通路响应的计算步骤，具体包括：
仿真初级声源不发声；
次级声源的输入信号Q(jw)，其中jw代表频率，该信号和仿真初级声源信号的频率相同；
误差麦克风接收该信号，接收到的信号为Y(jw)；
计算次级声源至误差麦克风的通路响应G(jw)：
G(jw)＝Y(jw)/Q(jw)。
作为上述系统的一种改进，所述最优滤波器系数的计算方法为：基于局部最小最大误差准则，通过调整滤波器系数，迭代寻找代价函数的最小值，从而得到最优滤波器系数。
作为上述系统的一种改进，所述最优滤波器系数的计算方法，具体包括：
步骤1)采集参考信号X(jw)，所述参考信号X(jw)和仿真初级声源频率相同；
步骤2)根据声场叠加原理，计算残留声场Ε(jw)：
E(jw)＝X(jw)·W(jw)·G(jw)+P(jw)，
其中，P(jw)为仿真初级声源信号；W(jw)为滤波器系数；
步骤3)根据均方误差和准则的代价函数为J1＝E(jw)HE(jw)，得到局部最小最大误差准则的代价函数为J2(jw)＝||Ed(jw)HEd(jw)||∞，其中d代表指向性噪声控制区域内包含的误差点，H代表共轭转置，|| ||∞代表无穷范数；Ed(jw)为指向性区域的残留声场：Ed(jw)＝X(jw)·W(jw)·Gd(jw)+Pd(jw)，Gd(jw)为次级声源至指向性噪声控制区域的通路响应，Pd(jw)为指向性噪声控制区域的仿真初级声源信号；
步骤4)对代价函数J2(jw)＝||Ed(jw)HEd(jw)||∞进行遗传、突变、自然选择以及杂交，寻找代价函数J2(jw)的最小值，如果代价函数J2(jw)的最小值未达到阈值时，调整W(jw)，直至代价函数J2(jw)的最小值达到阈值，得到此时的最优滤波器系数W2(jw)。
本发明还提出了一种基于遗传算法的指向性有源噪声控制方法，基于上述的系统实现，所述方法包括以下步骤：
所述参考信号产生模块产生与初级声源信号频率相同的参考信号；
所述滤波器模块采集参考信号，根据预存的次级通路响应和最优滤波器系数对该信号进行处理，输出多路处理后的信号，分别输入每个次级声源；
所述次级声源在滤波器输出信号的触发下产生次级声源信号；在指向性噪声控制区域，该信号与初级声源信号进行声场叠加，从而实现初级声源的噪声控制。
作为上述方法的一种改进，所述次级声源在滤波信号的触发下产生次级声源信号；在指向性噪声控制区域，该信号与初级声源信号进行声场叠加，从而实现初级声源的噪声控制；所述声场叠加为：
Ed(jw)＝X(jw)·W2(jw)·Gd(jw)+Pd(jw)；
其中，Ed(jw)为指向性噪声控制区域的残留声场；X(jw)为参考信号；W2(jw)为最优滤波器系数；Gd(jw)为次级声源至指向性噪声控制区域的通路响应；Pd(jw)为指向性噪声控制区域的初级声源信号。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、在不更改现有硬件的前提下，本发明的方法利用局部最小最大误差准则和遗传算法设计滤波器系数，可以兼顾指向性区域降噪量和残留声场的均匀性。
2、使用本发明的方法，一旦滤波器系数设计好之后，空间中的误差麦克风可以省略，减少成本，提高控制系统的稳定性。
附图说明
图1是前馈有源控制噪声的原理框图；
图2是本发明的指向性区域有源噪声控制方法的部署示意图；
图3是本发明的基于遗传算法的指向性噪声控制方法的实施步骤图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1所示为前馈有源控制噪声的原理框图，通过叠加信号X(jw)·W(jw)·G(jw)降低初级声源P(jw)的影响，得到残留声场E(jw)。所谓初级声源即噪声信号。例如在变电站周围的居民区，常年受到变电站的噪声，该噪声即初级声源。例如火车司机在行驶火车中听到的火车行驶的噪声。
本发明技术方案的原理为：在空间中选取某区域作为指向性噪声控制区域，利用遗传算法设计滤波器系数，基于局部最小最大误差准则，调整滤波器系数，使得即该区域内最大误差点值最小化，从而实现局部区域噪声控制，在局部区域内生成较为均匀的残留声场。
实施例1
本发明的实施例1提供了一种基于遗传算法的指向性有源噪声控制系统，用于在指向性噪声控制区域，抵消初级声场，形成均匀的残留声场。该系统包括：参考信号产生模块、滤波器模块和多个次级声源；
其中，为了设计出系统所需的滤波器，搭建实物仿真系统，如图2所示，实物仿真系统包括：仿真初级声源、滤波器模块、多个次级声源、和多个误差麦克风；仿真初级声源，用于仿真输出初级声源的信号；多个误差麦克风安装在指定位置。
基于该实物仿真系统，滤波器的设计过程为：
1、初级声场的录制
设置初级声源发声，次级声源不发声，这时误差麦克风接收的信号为P(jw)，jw代表频率；需要说明的是本发明的初级声源仅限单频噪声或者多谐波噪声。
2、次级通路辨识
设置初级声源不发声，次级声源发声，其中次级声源喇叭的输入为Q(jw)，是和初级声源同频的信号，此时误差麦克风接收的信号为Y(jw)，计算次级声源至误差麦克风的通路响应G(jw)＝Y(jw)/Q(jw)；
3、滤波器设计
根据声场叠加原理：E(jw)＝X(jw)·W(jw)·G(jw)+P(jw)，其中：向量E(jw)代表残留声场，X(jw)前馈的参考信号，代表滤波器的输入信号，和步骤2)的Q(jw)可相同也可不同，矩阵W(jw)代表滤波器系数。
在传统多通道有源噪声控制系统中，令R(jw)＝X(jw)·G(jw)，代表滤波信号，为简单起见，以下省略jw，均方误差和准则的代价函数为J1＝EHE，最优滤波器系数为W1＝-(RHR)-1RHP。本专利提出的局部最小最大误差准则的代价函数为J2＝||Ed HEd||∞，其中，d代表空间中指向区域包含的误差点(图2中标注的指向性区域的NO.2，NO.3，NO.4)，H代表共轭转置，|| ||∞代表无穷范数。Ed(jw)为指向性区域的残留声场：Ed(jw)＝X(jw)·W(jw)·Gd(jw)+Pd(jw)，Gd(jw)为次级声源至指向性噪声控制区域的通路响应，Pd(jw)为指向性噪声控制区域的仿真初级声源信号采用遗传算法，对J2进行迭代优化，得到局部最小最大误差准则下的滤波器系数W2＝GA(J2)，其中GA代表遗传算法的优化过程。
具体的过程是：遗传算法的输入为代价函数，算法内部自动生成随机的滤波器系数，代价函数为局部最大误差函数J2，进行遗传、突变、自然选择以及杂交等过程寻找代价函数J2的最小值，当代价函数J2最小值满足阈值后，算法停止搜索，输出最优滤波器系数W2(jw)。
基于上述设计好的滤波器，设计实现本发明的基于遗传算法的指向性有源噪声控制系统。系统装置部署图参考图2，但是与图2相比，去掉了初级声源和误差麦克风。其中，
参考信号产生模块，用于产生与初级声源信号频率相同的参考信号X(jw)；
滤波器模块，用于采集参考信号X(jw)，根据次级通路响应G(jw)和最优滤波器系数W2(jw)对该信号进行处理，得到滤波器的多路输出信号，分别输入每个次级声源；其中，次级通路响应G(jw)和最优滤波器系数W2(jw)在滤波器设计中得到；
次级声源，用于在滤波信号的触发下产生次级声源信号；在指向性噪声控制区域，该信号与初级声源信号进行声场叠加，从而实现初级声源的噪声控制。
实施例2
如图3所示，基于上述系统，本发明的实施例2提供了一种基于遗传算法的指向性有源噪声控制方法。该方法将指向性有源噪声控制系统应用在实际场景中，进行声场叠加，实现指向性区域噪声控制。具体方法步骤如下：
1、参考信号产生模块产生与初级声源信号频率相同的参考信号X(jw)；
2、滤波器模块采集参考信号，根据预存的次级通路响应和最优滤波器系数对该信号进行处理，输出多路处理后的信号，分别输入每个次级声源；
3、次级声源在滤波信号的触发下产生次级声源信号；在指向性噪声控制区域，该信号与初级声源信号在误差点进行声场叠加，从而实现初级声源的噪声控制。所述声场叠加为：
Ed(jw)＝X(jw)·W2(jw)·Gd(jw)+Pd(jw)；
其中，Ed(jw)为指向性噪声控制区域的残留声场；X(jw)为参考信号；W2(jw)为最优滤波器系数；Gd(jw)为次级声源至指向性噪声控制区域的通路响应；Pd(jw)为指向性噪声控制区域的初级声源信号。
这里需要说明的是：本发明采用固定系数滤波器，因此当初级声源、次级声源、误差麦克风的几何位置和指向性区域发生变化时需要重新设计滤波器，当初级声源的强度发生变化的时候，即P(jw)发生变化，也需要重新进行设计滤波器。步骤同上。
例如在变电站周围的居民区，常年受到变电站的噪声影响，通过在变电站固定区域安装本发明的指向性有源噪声控制系统，其中滤波器模块利用遗传算法设计滤波器系数，基于局部最小最大误差准则，调整滤波器系数，使得即该区域内最大误差点值最小化，从而使得该居民区由变电站产生的区域噪声得到控制，在该区域内生成较为均匀的残留声场。
同理，针对火车行驶中产生的噪声，在驾驶室司机后排固定位置安装本发明的指向性有源噪声控制系统，其中滤波器模块利用遗传算法设计滤波器系数，基于局部最小最大误差准则，调整滤波器系数，使得该区域内最大误差点值最小化，从而实现火车司机所处的驾驶室内的区域噪声得到控制，生成较为均匀的残留声场。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于遗传算法的指向性有源噪声控制系统，用于在指向性噪声控制区域，抵消初级声场，形成均匀的残留声场，其特征在于，所述系统包括：参考信号产生模块、滤波器模块和多个次级声源；
所述参考信号产生模块，用于产生与初级声源信号频率相同的参考信号；
所述滤波器模块，用于采集参考信号，根据预存的次级通路响应和最优滤波器系数对该信号进行处理，输出多路处理后的信号，分别输入每个次级声源；所述最优滤波器系数通过遗传算法得到；
所述次级声源，用于在滤波器模块输出信号的触发下产生次级声源信号；在指向性噪声控制区域，该信号与初级声源信号进行声场叠加，从而实现初级声源的噪声控制。
2.根据权利要求1所述的基于遗传算法的指向性有源噪声控制系统，其特征在于，所述次级通路响应和最优滤波器系数的计算通过搭建一个实物仿真系统获得；所述实物仿真系统包括：仿真初级声源、滤波器模块、多个次级声源、和多个误差麦克风；
所述仿真初级声源，用于仿真输出初级声源信号；所述多个误差麦克风安装在指定位置。
3.根据权利要求2所述的基于遗传算法的指向性有源噪声控制系统，其特征在于，所述次级通路响应的计算步骤，具体包括：
仿真初级声源不发声；
次级声源的输入信号Q(jw)，其中jw代表频率，该信号和仿真初级声源信号的频率相同；
误差麦克风接收该信号，接收到的信号为Y(jw)；
计算次级声源至误差麦克风的通路响应G(jw)：
G(jw)＝Y(jw)/Q(jw)。
4.根据权利要求3所述的基于遗传算法的指向性有源噪声控制系统，其特征在于，所述最优滤波器系数的计算方法为：基于局部最小最大误差准则，通过调整滤波器系数，迭代寻找代价函数的最小值，从而得到最优滤波器系数。
5.根据权利要求4所述的基于遗传算法的指向性有源噪声控制系统，其特征在于，所述最优滤波器系数的计算方法，具体包括：
步骤1)采集参考信号X(jw)，所述参考信号X(jw)和仿真初级声源频率相同；
步骤2)根据声场叠加原理，计算残留声场Ε(jw)：
E(jw)＝X(jw)·W(jw)·G(jw)+P(jw)，
其中，P(jw)为仿真初级声源信号；W(jw)为滤波器系数；
步骤3)根据均方误差和准则的代价函数为J1＝E(jw)HE(jw)，得到局部最小最大误差准则的代价函数为J2(jw)＝||Ed(jw)HEd(jw)||∞，其中d代表指向性噪声控制区域内包含的误差点，H代表共轭转置，|| ||∞代表无穷范数；Ed(jw)为指向性区域的残留声场：Ed(jw)＝X(jw)·W(jw)·Gd(jw)+Pd(jw)，Gd(jw)为次级声源至指向性噪声控制区域的通路响应，Pd(jw)为指向性噪声控制区域的仿真初级声源信号；
步骤4)对代价函数J2(jw)＝||Ed(jw)HEd(jw)||∞进行遗传、突变、自然选择以及杂交，寻找代价函数J2(jw)的最小值，如果代价函数J2(jw)的最小值未达到阈值时，调整W(jw)，直至代价函数J2(jw)的最小值达到阈值，得到此时的最优滤波器系数W2(jw)。
6.一种基于遗传算法的指向性有源噪声控制方法，基于权利要求1-5之一所述的系统实现，所述方法包括以下步骤：
所述参考信号产生模块产生与初级声源信号频率相同的参考信号；
所述滤波器模块采集参考信号，根据预存的次级通路响应和最优滤波器系数对该信号进行处理，输出多路处理后的信号，分别输入每个次级声源；
所述次级声源在滤波器输出信号的触发下产生次级声源信号；在指向性噪声控制区域，该信号与初级声源信号进行声场叠加，从而实现初级声源的噪声控制。
7.根据权利要求6所述的基于遗传算法的指向性有源噪声控制方法，其特征在于，所述次级声源在滤波信号的触发下产生次级声源信号；在指向性噪声控制区域，该信号与初级声源信号进行声场叠加，从而实现初级声源的噪声控制；所述声场叠加为：
Ed(jw)＝X(jw)·W2(jw)·Gd(jw)+Pd(jw)；
其中，Ed(jw)为指向性噪声控制区域的残留声场；X(jw)为参考信号；W2(jw)为最优滤波器系数；Gd(jw)为次级声源至指向性噪声控制区域的通路响应；Pd(jw)为指向性噪声控制区域的初级声源信号。
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