CN113470610B - 噪声控制方法、装置、存储介质和计算机设备 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种噪声控制方法、装置、存储介质和计算机设备，该方法包括：确定用于管道场景的噪声控制系统相匹配的频率加权参数；所述频率加权参数与所述噪声控制系统的初级噪声、次级声通道及控制器输出功率相关，所述频率加权参数对所述噪声控制系统的控制器在不同频率的频率响应影响不同；基于所述频率加权参数对所述控制器的初始滤波器系数进行迭代更新；获取迭代终止时更新得到的目标滤波器系数；在所述管道场景的噪声控制系统中采用所述目标滤波器系数进行噪声控制。采用本方法能够提升降噪效果。
Description
技术领域
本发明涉及噪声控制技术领域，尤其涉及一种噪声控制方法、装置、存储介质和计算机设备。
背景技术
噪声问题是全世界都普遍关注的，长期暴露在噪声环境下，对人的生理和心理健康都有严重的危害，而且影响人们正常的工作和生活。
比如在有源噪声控制中次级声反馈是一大难题。目前通常采用反馈中和法来消除次级声反馈的影响。然而在实际应用背景下，声学通道建模往往是不可避免的，因而无法获得与真实声学通道完全相等的模型，可能导致前馈有源噪声控制系统不稳定，进而影响前馈有源噪声控制系统的降噪效果。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种能够提升降噪效果的噪声控制方法、装置、存储介质和计算机设备。
一种噪声控制方法，所述方法包括：
确定用于管道场景的噪声控制系统相匹配的频率加权参数；所述频率加权参数与所述噪声控制系统的初级噪声、次级声通道及控制器输出功率相关，所述频率加权参数对所述噪声控制系统的控制器在不同频率的频率响应影响不同；
基于所述频率加权参数对所述控制器的初始滤波器系数进行迭代更新；
获取迭代终止时更新得到的目标滤波器系数；
在所述管道场景的噪声控制系统中采用所述目标滤波器系数进行噪声控制。
在一个实施例中，所述频率加权参数为频率加权矩阵，所述频率加权矩阵根据频率加权因子计算得到。
在一个实施例中，所述方法还包括所述频率加权因子与所述频率加权矩阵之间关系函数的计算步骤，所述计算步骤包括：
获取所述噪声控制系统的第一目标函数，根据所述第一目标函数得到所述控制器的第一优选滤波器系数；所述第一目标函数基于所述频率加权矩阵构建；
获取所述噪声控制系统的第二目标函数，根据所述第二目标函数得到所述控制器的第二优选滤波器系数；所述第二目标函数基于所述频率加权矩阵构建；
在所述第一优选滤波器系数与所述第二优选滤波器系数等同时，得到所述频率加权因子与所述频率加权矩阵之间关系函数。
在一个实施例中，所述第一目标函数为：
其中，为/>时刻的第一目标函数值，/>为/>时刻的噪声残余误差，/>为时刻的滤波器系数，/>为/>的转置，/>是频率加权矩阵；
所述第二目标函数为：
其中，为第二目标函数值，/>为滤波器系数，/>为第/>个频率处的频率加权因子，/>，/>为控制器在第/>个频率处的输出功率，/>是控制器在第/>个频率处的最大输出功率。
在一个实施例中，所述基于所述频率加权矩阵对所述控制器的初始滤波器系数进行迭代更新，包括：
基于梯度下降法求解与所述频率加权矩阵关联的迭代公式；
通过所述迭代公式对所述控制器的初始滤波器系数进行迭代更新；
其中，所述迭代公式为：
为/>时刻的滤波器系数，/>为/>时刻的滤波器系数，/>为单位矩阵，为迭代步长，/>为频率加权矩阵，/>为噪声残余误差，/>为滤波-x信号。
在一个实施例中，所述频率加权参数为频率加权因子，所述确定用于管道场景的噪声控制系统相匹配的频率加权参数，包括：
构建频率加权因子与初级噪声、次级声通道及控制器输出功率的关系函数；
获取所述管道场景的噪声控制系统的实际初级噪声、实际次级声通道及控制器实际输出功率；
将所述实际初级噪声、所述实际次级声通道及所述控制器实际输出功率带入所述关系函数中，计算所述管道场景的噪声控制系统相匹配的频率加权因子。
在一个实施例中，所述关系函数如下式：
其中，为第/>个频率对应的频率加权因子，/>是离散化的频率刻度，/>为频率数量，/>为第/>个频率对应的权重控制因子，/>为第/>个频率对应的权重影响因子，/>为次级声通道在第/>个频率的频率响应，/>为/>的共轭，/>为初级噪声/>的离散傅里叶变换，/>为/>的共轭，/>是控制器在第/>个频率的最大输出功率。
一种噪声控制装置，所述装置包括：
确定模块，用于确定用于管道场景的噪声控制系统相匹配的频率加权参数；所述频率加权参数与所述噪声控制系统的初级噪声、次级声通道及控制器输出功率相关，所述频率加权参数对所述噪声控制系统的控制器在不同频率的频率响应影响不同；所述频率加权参数为频率加权矩阵，所述频率加权矩阵根据频率加权因子计算得到；
所述确定模块还用于获取所述噪声控制系统的第一目标函数，根据所述第一目标函数得到所述控制器的第一优选滤波器系数；所述第一目标函数基于所述频率加权矩阵构建；获取所述噪声控制系统的第二目标函数，根据所述第二目标函数得到所述控制器的第二优选滤波器系数；所述第二目标函数基于所述频率加权因子构建；在所述第一优选滤波器系数与所述第二优选滤波器系数等同时，得到所述频率加权因子与所述频率加权矩阵之间关系函数；
迭代模块，用于基于所述频率加权参数对所述控制器的初始滤波器系数进行迭代更新；获取迭代终止时更新得到的目标滤波器系数；
降噪模块，用于在所述管道场景的噪声控制系统中采用所述目标滤波器系数进行噪声控制。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
确定用于管道场景的噪声控制系统相匹配的频率加权参数；所述频率加权参数与所述噪声控制系统的初级噪声、次级声通道及控制器输出功率相关，所述频率加权参数对所述噪声控制系统的控制器在不同频率的频率响应影响不同；
基于所述频率加权参数对所述控制器的初始滤波器系数进行迭代更新；
获取迭代终止时更新得到的目标滤波器系数；
在所述管道场景的噪声控制系统中采用所述目标滤波器系数进行噪声控制。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
确定用于管道场景的噪声控制系统相匹配的频率加权参数；所述频率加权参数与所述噪声控制系统的初级噪声、次级声通道及控制器输出功率相关，所述频率加权参数对所述噪声控制系统的控制器在不同频率的频率响应影响不同；
基于所述频率加权参数对所述控制器的初始滤波器系数进行迭代更新；
获取迭代终止时更新得到的目标滤波器系数；
在所述管道场景的噪声控制系统中采用所述目标滤波器系数进行噪声控制。
上述噪声控制方法、装置、存储介质和计算机设备，在需要在管道场景进行噪声控制时，确定用于管道场景的噪声控制系统相匹配的频率加权参数，便可基于该频率加权参数对控制器的初始滤波器系数进行迭代更新，以获取迭代终止时更新得到的目标滤波器系数在管道场景的噪声控制系统中降噪使用。由于频率加权参数与噪声控制系统的初级噪声、次级声通道及控制器输出功率相关，这些参数都可测量得到，避免了传统泄漏FxLMS算法中反复调试加权因子的繁琐操作，而且频率加权参数对噪声控制系统的控制器在不同频率的频率响应影响不同，在保证控制器的稳定性和控制系统的鲁棒稳定性的同时，还能使系统的降噪性能仅在受约束的频段有所下降，从而损失更少的降噪性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
其中：
图1为一个实施例中一种管道环境下的前馈有源噪声控制系统的示意图；
图2为一个实施例中噪声控制方法的流程示意图；
图3为一个实施例中频率加权的泄漏FxLMS算法的系统图；
图4为一个实施例中泄漏FxLMS算法和频率加权的泄漏FxLMS算法的频率加权因子与频率的关系示意图；
图5为一个实施例中基于FxLMS算法、泄漏FxLMS算法和频率加权的泄漏FxLMS算法三种算法计算的控制滤波器的幅频响应的示意图；
图6为一个实施例中基于FxLMS算法、泄漏FxLMS算法和频率加权的泄漏FxLMS算法三种算法的仿真降噪效果的对比图；
图7为一个实施例中频率加权的泄漏FxLMS算法的在管道中实际测量的降噪效果的示意图；
图8为一个实施例中噪声控制装置的结构框图；
图9为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，在一个实施例中，提供了一种管道环境下的前馈有源噪声控制系统。有源噪声控制系统中采用参考传感器拾取初级噪声源信号，将初级噪声源信号用作控制滤波器的输入信号，控制滤波器再驱动次级扬声器发出次级噪声。由于次级噪声与初级噪声在目标降噪区域具有相同的幅值且相位相差180°，这样次级噪声在该目标降噪区域与初级噪声叠加相消，从而达到降低初级噪声的目的。在启动前馈有源噪声控制系统后，次级扬声器所产生的次级声波不仅会向目标区域辐射以进行降噪，也会向参考传感器一端辐射。如果使用麦克风作为参考传感器，则其拾取的信号将既有来自于初级声源的信号又有来自于次级声源的信号。次级声源向参考麦克风一端辐射就形成了次级声反馈。参考麦克风采集到的次级噪声又称为次级声反馈信号。次级声反馈是有源噪声控制中的一大难题，如果不对其采取有效的解决措施，将导致前馈有源噪声控制系统的降噪性能受损，严重时甚至导致控制系统不稳定从而失去降噪能力。
目前，解决次级声反馈问题的反馈中和法，主要通过在有源噪声控制系统的控制器中引入反馈中和滤波器（次级声反馈通道的模型），使得次级声反馈信号与反馈中和滤波器的输出信号相互抵消，从而消除次级声反馈的影响。在实际应用背景下，声学通道建模往往是不可避免的，因而无法获得与真实声学通道完全相等的模型。因此，次级声反馈信号无法被电路环节完全抵消。当次级声通道不随时间的变化而变化且其建模误差较小时，次级声反馈信号与其抵消信号的残余信号将通过减小参考麦克风中信号的信噪比来恶化系统的降噪性能。当次级声反馈通道的建模误差较大或者次级声反馈通道时变时，残余信号将在系统中不断累积增大，导致系统不稳定，进而失去降噪能力。除此之外，实际应用时还可能会出现硬件控制设备输出超限或执行器饱和等问题，导致过度驱动次级声源，此时非但无法获得降噪效果还带来了额外的噪声。本申请中提供了一种前馈有源噪声控制系统，以及应用于该前馈有源噪声控制系统的基于频率加权的噪声控制方法能够克服前述问题，提高降噪效果。
如图2所示，在一个实施例中，提供了一种噪声控制方法，本实施例以该方法应用于计算机设备进行举例说明，可以理解的是，该计算机设备具体可以是终端。其中，终端可以但不限于是各种个人计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑及智能穿戴设备等。本实施例中，该噪声控制方法包括以下步骤：
步骤202，确定用于管道场景的噪声控制系统相匹配的频率加权参数；频率加权参数与噪声控制系统的初级噪声、次级声通道及控制器输出功率相关，频率加权参数对噪声控制系统的控制器在不同频率的频率响应影响不同。
其中，频率加权参数应用于噪声控制系统的控制器，用于对噪声控制系统的控制器的频率响应施加限制。
在一个实施例中，频率加权参数为频率加权矩阵。频率加权矩阵可作用于噪声控制系统的控制器，调控不同频率下的频率响应。
在一个实施例中，频率加权参数为频率加权因子。一个频率加权因子与一个频率对应，不同频率可以对应不同的频率加权因子，因此频率加权因子能够在不同频率对噪声控制系统的控制器的频率响应施加不同大小的限制。通常情况下频率加权因子无法直接作用于噪声控制系统的控制器，可基于频率加权因子计算频率加权矩阵用于噪声控制系统的控制器。
可以理解，不同的使用场景或者不同的噪声控制系统，会对应不同的频率加权参数。频率加权参数需根据实际的使用场景和噪声控制系统计算得到。
在一个实施例中，为了使得计算频率加权因子的数据具有可测量性以及更加便捷地获取频率加权因子，步骤202，包括：构建频率加权因子与初级噪声、次级声通道及控制器输出功率的关系函数；获取管道场景的噪声控制系统的实际初级噪声、实际次级声通道及控制器实际输出功率；将实际初级噪声、实际次级声通道及控制器实际输出功率带入关系函数中，计算管道场景的噪声控制系统相匹配的频率加权因子。
可以理解，用于管道场景的噪声控制系统相匹配的频率加权因子可以事先计算得到，在实际使用有源噪声控制系统时再拿来使用。
在一个具体的实施例中，频率加权因子与初级噪声、次级声通道及控制器输出功率的关系函数如下式所示：
（1）
其中，是离散化的频率刻度，/>为频率数量，/>为在第/>个频率处的频率加权因子，/>为次级声通道在第/>个频率处的频率响应，/>为/>的共轭。/>根据式（2）计算得到，为在第/>个频率处的权重控制因子：
（2）
其中，根据式（2）计算得到，为第/>个频率对应的权重影响因子：
（3）
其中，为初级噪声/>的离散傅里叶变换，/>为/>的共轭，/>是控制器在第/>个频率处的最大输出功率。
可以理解，用于控制频率加权因子的大小，在第/>个频率处的权重影响因子/>大于1时，判断该频率下的频率响应不稳定，/>取值为/>，以采用较大数计算频率加权因子从而在该频率对控制滤波器的输出信号施加较大的约束。
这些参数都是可测量的，因而频率加权因子可直接计算得到，避免了传统泄漏FxLMS算法中反复调试加权因子来达到限制控制器输出大小的目的。此外，前馈有源噪声控制器不稳定和控制系统鲁棒不稳定通常仅发生在某个或某些频率，频率加权因子能够自动判断出这些频率，并在这些频率对控制滤波器的输出信号施加较大的约束，在其余频率施加较小的约束或不施加约束，从而在保证前馈有源噪声控制系统稳定的前提下使降噪性能损失最小。
步骤204，基于频率加权参数对控制器的初始滤波器系数进行迭代更新。
在一个实施例中，步骤204，包括：基于梯度下降法求解与频率加权矩阵关联的迭代公式；通过迭代公式对控制器的初始滤波器系数进行迭代更新。
基于梯度下降法确定滤波器系数的迭代公式，即下式：
（4）
其中，为/>时刻的滤波器系数，/>为/>时刻的滤波器系数，/>为单位矩阵，/>为迭代步长，/>为频率加权矩阵，/>为噪声残余误差，/>为滤波-x信号。
在频率加权参数为频率加权矩阵时，可直接带入上式进行迭代运算。
在频率加权参数为频率加权因子时，一个频率对应一个频率加权因子。这样，频率加权因子无法与滤波器系数直接进行计算。在本申请中，通过引入可直接作用于滤波器系数的频率加权矩阵，并通过分析频率加权矩阵与频率加权因子之间的关系计算出用于管道场景的噪声控制系统相匹配的频率加权矩阵，以对控制器的初始滤波器系数进行迭代更新。
在一个实施例中，方法还包括频率加权因子与频率加权矩阵之间关系函数的计算步骤，计算步骤包括：获取噪声控制系统的第一目标函数，根据第一目标函数得到控制器的第一优选滤波器系数；第一目标函数基于频率加权矩阵构建；获取噪声控制系统的第二目标函数，根据第二目标函数得到控制器的第二优选滤波器系数；第二目标函数基于频率加权矩阵构建；在第一优选滤波器系数与第二优选滤波器系数等同时，得到频率加权因子与频率加权矩阵之间关系函数。
具体地，在常规的未引入频率加权矩阵的前馈有源噪声控制系统中，该前馈有源噪声控制系统的目标函数为：
（5）
其中，是用于评价前馈有源噪声控制系统降噪效果的性能指标，/>越小，前馈有源噪声控制系统降噪效果越好；/>为噪声残余误差，/>是初级噪声，/>是次级噪声，/>与/>相关。
当在前馈有源噪声控制系统中引入频率加权矩阵后，前馈有源噪声控制系统的目标函数为：
（6）
其中，为前馈有源噪声控制系统的控制滤波器输出/>的平均功率。/>是FIR型控制滤波器，/>是该控制滤波器的长度；/>是频率加权矩阵，通过该矩阵可实现在不同频率对控制滤波器施加不同大小的约束，从而限制控制器输出信号的大小。此时式（6）为第一目标函数。
进一步地，根据前馈有源噪声控制系统的目标函数可求解得到控制滤波器的理论最优值：
（7）
其中，是滤波-x信号/>的自相关矩阵；/>是/>和初级噪声/>的互相关向量。此时式（7）的计算结果为第一优选滤波器系数。
为了将频率加权矩阵与频率加权因子联系起来，可根据如下约束优化条件：
（8）
构建前馈有源噪声控制系统的拉格朗日目标函数：
（9）
其中，是控制器输出/>的离散傅里叶变换，/>为控制器在第/>个频率处的输出功率。当/>不满足约束优化条件（7）时，/>取正值，用于限制控制器输出/>，使得/>满足约束条件；当满足约束条件时，/>为0。此时式（9）为第二目标函数。
进而，依据式（8）可求解得到控制滤波器的理论最优值：
（10）
其中，是/>在第/>个频率处的功率；/>是/>的离散傅里叶变换；/>是/>的共轭；/>是控制滤波器的输入信号；/>，是傅里叶变换向量；/>表示/>的共轭转置。此时式（10）的计算结果为第二优选滤波器系数。
此时，由式（7）和式（10）可得到频率加权矩阵和频率加权因子的关系：
（11）
可以理解，当参考传感器为麦克风时，控制滤波器的输入信号为：
（12）
其中，来自初级噪声源；/>是次级声反馈信号；/>是反馈中和滤波器的输出信号，也即：次级声反馈信号的抵消信号。
当次级声反馈通道能够被精准建模时，/>，则控制滤波器的输入信号仅包含初级噪声信号/>。此时，参考麦克风的信噪比不变，次级声反馈对前馈有源噪声控制系统的降噪效果无任何影响。但是，反馈中和滤波器的引入使前馈有源噪声控制器由FIR型变成了IIR型，在某些情况下该控制器将不稳定。比如，当IIR型滤波器的开环传递函数不满足Nyquist定理时会不稳定。
当次级声反馈通道的建模存在误差或次级声反馈通道时变时，假设真实次级声反馈通道为；其中，/>是次级声反馈通道的模型，/>是建模误差。此时，控制滤波器的输入信号可记为/>；其中，/>是次级声反馈信号的残余信号。此时，参考麦克风中信号的信噪比与/>有关，/>越大，信噪比越小，前馈有源噪声控制系统的降噪效果越差。当/>增大到一定程度时，将导致前馈有源噪声控制系统的鲁棒性不够，因而难以保证系统的稳定性，系统将无法进行降噪。
前馈有源噪声控制器不稳定和控制系统鲁棒不稳定通常仅发生在某个或某些频率，频率加权因子能够自动判断出这些频率，并在这些频率对控制滤波器的输出信号施加较大的约束，在其余频率施加较小的约束或不施加约束，从而在保证前馈有源噪声控制系统稳定的前提下使降噪性能损失最小。
步骤206，获取迭代终止时更新得到的目标滤波器系数。
其中，迭代终止可以是迭代次数达到预设次数，也可以是当前迭代得到的滤波器系数满足降噪要求。此时，便获取当前迭代得到的滤波器系数为目标滤波器系数，以用于管道场景的噪声控制系统中进行降噪。
步骤208，在管道场景的噪声控制系统中采用目标滤波器系数进行噪声控制。
上述噪声控制方法，在需要在管道场景进行噪声控制时，确定用于管道场景的噪声控制系统相匹配的频率加权参数，便可基于该频率加权参数对控制器的初始滤波器系数进行迭代更新，以获取迭代终止时更新得到的目标滤波器系数在管道场景的噪声控制系统中降噪使用。由于频率加权参数与噪声控制系统的初级噪声、次级声通道及控制器输出功率相关，这些参数都可测量得到，避免了传统泄漏FxLMS算法中反复调试加权因子的繁琐操作，而且频率加权参数对噪声控制系统的控制器在不同频率的频率响应影响不同，在保证控制器的稳定性和控制系统的鲁棒稳定性的同时，还能使系统的降噪性能仅在受约束的频段有所下降，从而损失更少的降噪性能。
在一个具体的实施例中，本申请所提供的噪声控制方法实现为频率加权的泄漏FxLMS算法时的系统图如图3所示。参考图3，前馈有源噪声控制系统通常需要使用参考传声器（参考麦克风）拾取初级噪声，将此信号称为初级噪声源的参考信号，记作。参考信号/>经过初级通道/>传播至目标降噪点，将此处的噪声信号记为/>，/>即为需要降低的噪声信号（初级噪声）。前馈有源噪声控制系统通过设计恰当的控制滤波器/>来驱动次级声源产生与初级噪声源幅值相同、相位相差180°的次级噪声/>，以达到在目标降噪点降低初级噪声的目的。前馈有源噪声控制系统中，将初级噪声源的参考信号/>作为控制滤波器/>的输入信号，将控制滤波器/>的输出信号/>作为次级扬声器的驱动信号，次级扬声器产生的次级噪声经过次级通道/>传播至目标降噪点得到初级噪声/>的抵消信号/>。次级扬声器发声时，次级噪声不仅会传播至目标降噪点，同时还会经过次级声反馈通道/>传播至参考麦克风，形成次级声反馈，将此信号记为次级声反馈信号/>。为了消除次级声反馈对前馈有源噪声控制系统的影响，本申请使用反馈中和法，即：将控制滤波器的输出信号/>作为反馈中和滤波器/>的输入信号，从而得到次级声反馈信号的抵消信号/>。采用反馈中和法后，前馈有源噪声控制器将由FIR型变成IIR型。因此，尽管在假设次级声反馈通道与其模型完美匹配的情况下，控制器仍可能不稳定，进而导致前馈有源噪声控制系统无效。此外，在实际应用背景下，声学通道建模往往是不可避免的，因而无法获得与真实声学通道完全相等的模型。因此，次级声反馈信号无法被电路环节完全抵消。当次级声通道不随时间的变化而变化且其建模误差较小时，次级声反馈信号与其抵消信号的残余信号将通过减小参考麦克风中信号的信噪比来恶化系统的降噪性能。当次级声反馈通道的建模误差较大或者次级声反馈通道时变时，残余信号将在系统中不断累积增大，导致系统不稳定，进而失去降噪能力。因此，本申请从频域对控制滤波器/>的输出信号/>进行限制，从而使得前馈有源噪声控制系统鲁棒稳定和前馈有源噪声控制器稳定。
为了说明本申请所提供的噪声控制方法（频率加权的泄漏FxLMS算法）的有效性，本申请提供了以管道为实验平台的实验，对所提出的频率加权的泄漏FxLMS算法的降噪性能进行详细说明。在半消声室环境下的管道实验装置如图1所示。本发明选取FxLMS算法和泄漏FxLMS算法来与所提出的频率加权的泄漏FxLMS算法进行降噪性能比较。初级噪声源为60-2000Hz的白噪声。次级声通道和次级声反馈通道均采用离线建模。假设次级声通道能够被精准建模，只有次级声反馈通道的模型存在建模误差。用Nyquist判据来进行稳定性分析。
图4是一个实施例中泄漏FxLMS算法和频率加权的泄漏FxLMS算法的频率加权因子与频率的关系示意图。其中，泄漏FxLMS算法在60-2000Hz频段均选取相同的频率加权因子，频率加权的泄漏FxLMS算法在少数频率处取不同大小的频率加权因子，在多数频率处的频率加权因子为0。
图5是分别基于FxLMS算法、泄漏FxLMS算法和频率加权的泄漏FxLMS算法三种算法计算的控制滤波器的幅频响应。从该图可知泄漏FxLMS算法和频率加权的泄漏FxLMS的控制滤波器的幅频响应相对于FxLMS算法均有所减小。频率加权的泄漏FxLMS算法的控制滤波器的幅频响应与FxLMS算法的十分接近，仅在某些频率有少量降低。由于泄漏FxLMS算法在整个频段上对控制滤波器的频率响应施加了较大的约束，因而其控制滤波器的幅频响应在整个频段上下降明显。
图6是FxLMS算法、泄漏FxLMS算法和频率加权的泄漏FxLMS算法三种算法的仿真降噪效果。从该图可知FxLMS算法的降噪效果最好，但是由于其前馈有源噪声控制器和前馈有源噪声控制系统均不稳定，因而无法用于实际实验中测量降噪效果。泄漏FxLMS算法的降噪效果最差，其原因是为了保证前馈有源噪声控制器的稳定性和前馈有源噪声控制系统的鲁棒稳定性，该算法在整个频段上对控制滤波器的频率响应施加了较大的约束，因而损失了许多不必要的降噪效果。频率加权的泄漏FxLMS算法仅在前馈有源噪声控制器和前馈有源噪声控制系统不稳定的频率对控制滤波器施加约束，且不同频率施加的约束大小不完全相等，因而其降噪效果损失最小，与FxLMS算法的降噪效果也最为接近。
图7为应用本申请提供的频率加权的泄漏FxLMS算法的在管道中实际测量的降噪效果的示意图。
综上所述，传统的泄漏FxLMS算法中使用的加权因子仅从时域角度考虑限制控制滤波输出信号的大小。虽然该算法可以避免执行器饱和，保证前馈有源噪声控制系统是稳定的，但其加权因子的作用是在整个频段上减小控制滤波器的频率响应，因而使得系统的降噪性能在整个频段都下降了，造成了一些不必要的损失。与泄漏FxLMS算法相比，本申请提出的频率加权的FxLMS算法结合了系统的时域和频域信息，并考虑前馈有源噪声控制器的不稳定和前馈有源噪声控制系统的鲁棒不稳定仅发生在某个或某些频率的情况，仅对这些频率的控制滤波器的频率响应施加较大的约束，在其余频段施加较小的约束或不施加约束。因此，本申请提出的算法在保证控制器的稳定性和控制系统的鲁棒稳定性的同时，还能使系统的降噪性能仅在受约束的频段有所下降，从而损失更少的降噪性能。泄漏FxLMS算法是本发明提出的频率加权的泄漏FxLMS算法是的特殊情况。当本发明中的频率加权因子在各个频率取相同值时，频率加权的泄漏FxLMS算法将退化成泄漏型FxLMS算法。
本申请提供的频率加权矩阵，既能够保证前馈有源噪声控制器的稳定性又能保证前馈有源噪声控制系统的鲁棒稳定性，还可以避免硬件控制设备的输出超限和执行器饱和等问题。本申请所提供的频率加权因子能够自动判断需要增加较大约束的频率，因而既适用于离线前馈有源噪声控制系统，也适用于在线前馈有源噪声控制系统。
应该理解的是，虽然图2的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本申请中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图2中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，如图8所示，提供了一种噪声控制装置，包括：确定模块801、迭代模块802和降噪模块803，其中，
确定模块801，用于确定用于管道场景的噪声控制系统相匹配的频率加权参数；所述频率加权参数与所述噪声控制系统的初级噪声、次级声通道及控制器输出功率相关，所述频率加权参数对所述噪声控制系统的控制器在不同频率的频率响应影响不同；所述频率加权参数为频率加权矩阵，所述频率加权矩阵根据频率加权因子计算得到；
所述确定模块还用于获取所述噪声控制系统的第一目标函数，根据所述第一目标函数得到所述控制器的第一优选滤波器系数；所述第一目标函数基于所述频率加权矩阵构建；获取所述噪声控制系统的第二目标函数，根据所述第二目标函数得到所述控制器的第二优选滤波器系数；所述第二目标函数基于所述频率加权因子构建；在所述第一优选滤波器系数与所述第二优选滤波器系数等同时，得到所述频率加权因子与所述频率加权矩阵之间关系函数；
迭代模块802，用于基于所述频率加权参数对所述控制器的初始滤波器系数进行迭代更新；获取迭代终止时更新得到的目标滤波器系数；
降噪模块803，用于在所述管道场景的噪声控制系统中采用所述目标滤波器系数进行噪声控制。
在一个实施例中，频率加权参数为频率加权矩阵，频率加权矩阵根据频率加权因子计算得到。
在一个实施例中，确定模块801还用于获取噪声控制系统的第一目标函数，根据第一目标函数得到控制器的第一优选滤波器系数；第一目标函数基于频率加权矩阵构建；获取噪声控制系统的第二目标函数，根据第二目标函数得到控制器的第二优选滤波器系数；第二目标函数基于频率加权矩阵构建；在第一优选滤波器系数与第二优选滤波器系数等同时，得到频率加权因子与频率加权矩阵之间关系函数。
在一个实施例中，第一目标函数为：
其中，为/>时刻的第一目标函数值，/>为/>时刻的噪声残余误差，/>为时刻的滤波器系数，/>为/>的转置，/>是频率加权矩阵；
第二目标函数为：
其中，为第二目标函数值，/>为滤波器系数，/>为第/>个频率处的频率加权因子，/>，/>为控制器在第/>个频率处的输出功率，/>是控制器在第/>个频率处的最大输出功率。
在一个实施例中，基于频率加权矩阵对控制器的初始滤波器系数进行迭代更新，包括：
基于梯度下降法求解与频率加权矩阵关联的迭代公式；
通过迭代公式对控制器的初始滤波器系数进行迭代更新；
其中，迭代公式为：
为/>时刻的滤波器系数，/>为/>时刻的滤波器系数，/>为单位矩阵，为迭代步长，/>为频率加权矩阵，/>为噪声残余误差，/>为滤波-x信号。
在一个实施例中，迭代模块802还用于构建频率加权因子与初级噪声、次级声通道及控制器输出功率的关系函数；获取管道场景的噪声控制系统的实际初级噪声、实际次级声通道及控制器实际输出功率；将实际初级噪声、实际次级声通道及控制器实际输出功率带入关系函数中，计算管道场景的噪声控制系统相匹配的频率加权因子。
在一个实施例中，关系函数如下式：
其中，为第/>个频率对应的频率加权因子，/>是离散化的频率刻度，/>为频率数量，/>为第/>个频率对应的权重控制因子，/>为第/>个频率对应的权重影响因子，/>为次级声通道在第/>个频率的频率响应，/>为/>的共轭，/>为初级噪声/>的离散傅里叶变换，/>为/>的共轭，/>是控制器在第/>个频率的最大输出功率。
上述噪声控制装置，在需要在管道场景进行噪声控制时，确定用于管道场景的噪声控制系统相匹配的频率加权参数，便可基于该频率加权参数对控制器的初始滤波器系数进行迭代更新，以获取迭代终止时更新得到的目标滤波器系数在管道场景的噪声控制系统中降噪使用。由于频率加权参数与噪声控制系统的初级噪声、次级声通道及控制器输出功率相关，这些参数都可测量得到，避免了传统泄漏FxLMS算法中反复调试加权因子的繁琐操作，而且频率加权参数对噪声控制系统的控制器在不同频率的频率响应影响不同，在保证控制器的稳定性和控制系统的鲁棒稳定性的同时，还能使系统的降噪性能仅在受约束的频段有所下降，从而损失更少的降噪性能。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，其内部结构图可以如图9所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于应用开发相关资源。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种主动噪声控制方法。本领域技术人员可以理解，图9中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述各方法实施例中的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种噪声控制方法，其特征在于，所述方法包括：
确定用于管道场景的噪声控制系统相匹配的频率加权参数；所述频率加权参数与所述噪声控制系统的初级噪声、次级声通道及控制器输出功率相关，所述频率加权参数对所述噪声控制系统的控制器在不同频率的频率响应影响不同；所述频率加权参数为频率加权矩阵，所述频率加权矩阵根据频率加权因子计算得到；
获取所述噪声控制系统的第一目标函数，根据所述第一目标函数得到所述控制器的第一优选滤波器系数；所述第一目标函数基于所述频率加权矩阵构建；
获取所述噪声控制系统的第二目标函数，根据所述第二目标函数得到所述控制器的第二优选滤波器系数；所述第二目标函数基于所述频率加权因子构建；
在所述第一优选滤波器系数与所述第二优选滤波器系数等同时，得到所述频率加权因子与所述频率加权矩阵之间关系函数；
基于所述频率加权参数对所述控制器的初始滤波器系数进行迭代更新；
获取迭代终止时更新得到的目标滤波器系数；
在所述管道场景的噪声控制系统中采用所述目标滤波器系数进行噪声控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一目标函数为：
其中，为/>时刻的第一目标函数值，/>为/>时刻的噪声残余误差，/>为/>时刻的滤波器系数，/>为/>的转置，/>是频率加权矩阵；
所述第二目标函数为：
其中，为第二目标函数值，/>为滤波器系数，/>为第/>个频率处的频率加权因子，/>，/>为控制器在第/>个频率处的输出功率，/>是控制器在第/>个频率处的最大输出功率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述频率加权参数对所述控制器的初始滤波器系数进行迭代更新，包括：
基于梯度下降法求解与所述频率加权矩阵关联的迭代公式；
通过所述迭代公式对所述控制器的初始滤波器系数进行迭代更新；
其中，所述迭代公式为：
为/>时刻的滤波器系数，/>为/>时刻的滤波器系数，/>为单位矩阵，/>为迭代步长，/>为频率加权矩阵，/>为噪声残余误差，/>为滤波-x信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频率加权参数为频率加权因子，所述确定用于管道场景的噪声控制系统相匹配的频率加权参数，包括：
构建频率加权因子与初级噪声、次级声通道及控制器输出功率的关系函数；
获取所述管道场景的噪声控制系统的实际初级噪声、实际次级声通道及控制器实际输出功率；
将所述实际初级噪声、所述实际次级声通道及所述控制器实际输出功率带入所述关系函数中，计算所述管道场景的噪声控制系统相匹配的频率加权因子。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述关系函数如下式：
其中，为第/>个频率对应的频率加权因子，/>是离散化的频率刻度，为频率数量，/>为第/>个频率对应的权重控制因子，/>为第/>个频率对应的权重影响因子，/>为次级声通道在第/>个频率的频率响应，/>为/>的共轭，/>为初级噪声的离散傅里叶变换，/>为/>的共轭，/>是控制器在第/>个频率的最大输出功率。
6.一种噪声控制装置，其特征在于，所述装置包括：
确定模块，用于确定用于管道场景的噪声控制系统相匹配的频率加权参数；所述频率加权参数与所述噪声控制系统的初级噪声、次级声通道及控制器输出功率相关，所述频率加权参数对所述噪声控制系统的控制器在不同频率的频率响应影响不同；所述频率加权参数为频率加权矩阵，所述频率加权矩阵根据频率加权因子计算得到；
所述确定模块还用于获取所述噪声控制系统的第一目标函数，根据所述第一目标函数得到所述控制器的第一优选滤波器系数；所述第一目标函数基于所述频率加权矩阵构建；获取所述噪声控制系统的第二目标函数，根据所述第二目标函数得到所述控制器的第二优选滤波器系数；所述第二目标函数基于所述频率加权因子构建；在所述第一优选滤波器系数与所述第二优选滤波器系数等同时，得到所述频率加权因子与所述频率加权矩阵之间关系函数；
迭代模块，用于基于所述频率加权参数对所述控制器的初始滤波器系数进行迭代更新；获取迭代终止时更新得到的目标滤波器系数；
降噪模块，用于在所述管道场景的噪声控制系统中采用所述目标滤波器系数进行噪声控制。
7.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至5中任一项所述的方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至5中任一项所述的方法的步骤。
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