CN1223738A - 用于有源噪声控制的非线性约化相位滤波器 - Google Patents

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Abstract

一有源噪声(或振荡)控制系统具有:激励器(24),响应一驱动信号(U)提供声频抗噪声信号;误差传感器(16),检测来自激励器的声频抗噪声信号,检测干扰噪声(d),和提供表明它们的组合的误差信号(e);和控制器(20),响应此误差信号(e)提供驱动信号(U)到激励器(24),在此控制器中设置有具有能态(112)和非线性复位逻辑(130)的控制器补偿(78),在当误差信号穿过零时暂时将滤波器(78)中的能态(112)复位到零,由此改善此有源噪声控制系统的带宽。

Description

用于有源噪声控制的非线性约化相位滤波器
本发明是关于有源噪声(或振荡)控制，较具体说是关于非线性约化相位(reduced phase)滤波器在有源噪声(或振荡)控制系统中的应用。
在本技术领域中普遍知道采用有源噪声(或振荡)控制(ANC)系统来作电子技术检测和消除来自噪声产生源例如风扇、鼓风机、电子变压器、发动机等不希望等噪声(或振动)。检测和消除的一种方法是一“并置”措施，一传感器(例如微音器)和执行机构(例如扬声器)沿着与干扰噪声(或振荡)的波前行相同的平面配置。
一用于HVAC(取暖、通风和空调)管道的公知的“并置”有源噪声控制系统由一扬声器和一检误微音器(mic)组成，前者发射与前述噪声波异相的声波(即“抗噪声”)进管道以便消除在扬声器输出附近的噪声波，而检误微音器则被配置在声波的平面内离开扬声器处，它检测噪声的抵消量。来自检误微音器的信号被传送到有源噪声控制电子电路和/或软件并提供一电驱动信号来驱动提供“抗噪声”声频信号的扬声器由此来使差错噪声信号降到最小。如这里所采用的，术语“抗噪声”被用来代表由扬声器所产生的噪声消除信号。
在一理想的并置系统中，闭环传输函数(由干扰噪声入开始到检误微音器的抗噪声出)等于-1(即一释压条件)。为达到此-1的限制，必须有高环路增益(即控制器增益)。
但是，此声频抗噪声信号由扬声器行进到检误微音器的时间延迟(以及扬声器内部的时间延迟)使得此控制环路中存在一净时间延迟(e-ST)。已知的线性控制理论和Bode增益一相位关系对在环路中具有时间延迟的线性控制系统的性能-稳定性间的协调产生有限制。特别是，为防止控制系统中的不稳定性，在由于时间延迟而使得相位滞后迅速增加的区间环路增益必须降低。这样的降低环路增益导致带宽减小和时间响应减缓，因而限制了这样一种并置设计途径的性能和实用性。
从而希望开发一种并置的管道有源噪声控制系统，它能允许高环路增益同时在存在有时间延迟时仍然维持足够的稳定范围来提供稳定的环路控制。
本发明的目的是提供一种具有高环路增益因而完善噪声消除的并置的管道有源噪声控制系统。
按照本发明，一有源噪声(或振荡)控制系统包括：一激励器，响应驱动信号提供声频抗噪声信号；一误差传感器，被配置来使得能检测来自执行机构的声频抗噪声信号和检测干扰噪声，并提供一表明它们的组合的误差信号；响应此误差信号的控制器，包括一个有能态的滤波器和非线性复位逻辑，后者在当误差信号通过零时暂时地将滤波器中的能态复位到零；且此声频抗噪声信号具有的幅值和相位能衰减传感器处的干扰噪声。
另外按照本发明，此滤波器是一一阶低通(滞后)滤波器。再一方面按照本发明，此滤波器是一离散化滤波器。又一方面按照本发明，此非线性复位逻辑将能态复位到零一个采样时间长。本发明对现有技术提供的重大改进是对有源噪声(或振荡)控制应用采取一具有一复位元件的约化相移非线性滤波器。这样的滤波器具有基本上与模拟的线性滤波器相同的第一谐波振幅效率响应分布(例如，在截止频率后相同的dB/十进制分布，但具有一呈现较该相关联的线性滤波器小的相位滞后的第一谐波相位频率响应。因而，本发明能将并置的有源噪声控制系统(它具有一纯时间延迟相位滞后)实现得带有增大的增益和带宽并从而取得所希望的噪声消除性能。
根据下面参照附图所作示范性实施例的详细说明，本发明的上述和其他的目的、特性和优点将更显见。
所列附图是：
图1为按照本发明的一并置的管道有源噪声控制系统的概略方框图；
图2为按照本发明图1的并置的系统的控制系统方框图；
图3为按照本发明图1的并置的系统的详细控制系统方框图；
图4为按照本发明的具有非线性复位元件的数字补偿的方框图；
图5为先有技术线性补偿和按照本发明的非线性补偿的振幅频率响应曲线；
图6为先有技术性补偿和按照本发明的非线性补偿的相位频率响应曲线；和
图7为对无补偿、先有技术的线性补偿和按照本发明的非线性补偿的声压级(SPL)图。
参看图1，一用于HVAC管道的并置的有源噪声控制系统包括一沿着它声频干扰噪声波12(d)(被表示为波前行)在方向14上传播的管道10。一检误微音器16检测噪声12并在线路18上提供一电信号(e)到有源噪声控制(ANC)控制器20。如果希望的话也可不用微音器而采用任何声频测量装置。控制器20在线路22上提供电驱动信号(U)到一安装到管道10的管壁的扬声器24，例如可以是一JBLancing,Model No.JBL2118H的8英寸直径圆扬声器。希望的话也可利用其他扬声器。如希望的话也可替代扬声器采用任一种声频激励器，例如一非发声的线圈薄膜激励器如PVDF，空心的PVDF，静电的，压电的，压电聚合地，压电陶磁等。此管道10为一高H为5英寸(12.7cm)和深(进入页面)10英寸(25.4cm)的矩形管道。希望的话亦可采用其他管道形状和尺寸。
扬声器24产生适当振幅和异相的音波即“抗噪声”(未图示)，以便能抵消噪声波12。如前所述，术语“抗噪声”用来表示扬声器所产生的噪声消除信号。任何未被来自扬声器24的抗噪声抵消的剩余噪声均被检误微音器16检测并在线路18上送至控制器20作为电误差信号(e)。
此检误微音器16被安置于离开扬声器的声频近场效应一预定距离g1处，例如距扬声器表面(在管道壁处)2英寸”，这里波的压力幅值和相位等于由扬声器发射的平面波成份。希望时亦可采用其它的距离g1。控制器20调整在线路22上输出到扬声器24的信号(U)以便减少微音器16处的总的声频噪声(和误差信号(e))，从而降低(即衰减)管道中的扬声器24下游的传播噪声(在一定频率范围内)。
控制器20包括公知的电子电路和/或软件来提供这里所述功能。下面将进一步讨论控制器20的细节。
现在看图2，图1的微音器16、控制器20和扬声器24(包括扬声器24与微音器16之间的管道动态)分别以控制系统单元50、60、70表示。检误微音器单元50接收线路52上的输入干扰噪声信号d和线路54上的抗噪声信号y(两者在检误微音器16是作为独立地看到的)，求取信号d、y之和，如由求和器56所示，和在线路58上提供指明噪声和抗噪声信号之和的误差信号e。此误差信号e被馈送到具有表明此控制器20(图1)动态的传输函数C(s)的控制器单元60，在线路62上提供信号U。此信号U被提供到具有指明此设备动态的传输函数P(s)的设备单元70，在线路54上将此信号y提供给微音器单元50。
现在看图3，表明图2的控制器单元60和设备单元70的更详细的控制系统方框图。在控制器60c中，来自微音器单元50的线路58上的信号e被提供给具有一般至少为采样频率一半的截止频率例如7kHz的模拟低通反混淆滤波器70。此低通滤波器70作为一反混淆滤波器动作来衰减高频和避免混淆公知的在数字采样数据系统中可能发生的输入信号。如希望也可根据采样速率、所要求的衰减量、和可允许的相位滞后量采用其他截止频率和/或滤波器阶次，如广为公的那样。
低通滤波器70将线路72上被滤波的信号加到一公知的A/D(模-数)变换器74，将线路72上的模拟信号变换到线路76上的被采样的数字信号r(k)。信号r(k)被传送给数字控制(或补偿或非线性滤波器)逻辑78，例如一微处理器或数字信号处理器，象具有采样速率如14kHz的一DSP芯片，Part No.TMS 320C40。如希望也可采用其他采样速率和其他的微处理器。
数字控制逻辑78被设计来提供所希望的控制系统响应时间和带宽，由此来取得合适的噪声消除。特别是，此数字控制逻辑78包括一带有复位元件(下面再讨论)的约化相移数字化滤波器。此数字控制逻辑78在线路80上提供一数字输出信号Z(K)到D/A(数-模)变换器82，将此数字信号r(k)变换到线路84上的模拟信号。
线路84上的模拟信号被传送到一具有截止频率为D/A输出采样速率的一半例如7KHz的模拟低通平滑滤波器86。此模拟低通滤波器86进行动作来平滑由D/A变换器82输出的阶梯形(或量化)信号，由此得到一平滑的模拟信号。如希望的话也可根据所需的平滑量和允许的相位滞后量采用其他截止频率和/或滤波器阶次，如所公知。线路88上经平滑的模拟信号被加到功率放大器90，在线路62上提供被放大的电子驱动信号U。功率放大器90的增益和补偿78中的增益K的大小的确定取决于所希望的系统性能。
线路62上的驱动信号U被馈送给设备70P(s)，它包括表述扬声器24(图1)的动态的传输函数单元92。此扬声器单元92响应驱动信号U在线路94上提供声频“抗噪声“信号，它被传送到单元96表明声频扬声器信号到检误微音器的传送(或纯)时间延迟和管道10的任何随加的相关声频动态。单元96的最主要的动态是抗噪声信号由扬声器24(图1)到微音器16行进的纯传送时间延迟。当抗噪声信号到达检误微音器16(图1)时它由线路54上的信号y指明。线路54上的抗噪声信号y和线路52上的输入干扰信号d在检误微音器单元50和求和器56被加以组合(如以下讨论的)。
在一理想的并置的有源管道噪声控制系统中，在微音器16处看的由输入干扰d到抗噪声信号y的传输函数(闭环传输函数y/d)等于-1，亦即幅值为1和相位180°。此围绕图3的开环系统的动态包括防混淆滤波器70，数字控制逻辑78，平滑滤波器86和框96中的时间延迟，所有这些均包括对开环稳定性分析有帮助的相位的主要分量。在这些分量中，最关键的因素是单元96中被表述为e-ST的纯时间延迟，其中T为以秒计的声波由扬声器24到微音器16(图1)传送距离g1所需的时间延迟。
具有此系统中的纯时间延迟96，使得补偿逻辑78中增益的最大值对于标准线性低通滤波器补偿被固定以保持系统不出现不稳定性。
现在参看图4，此数字控制逻辑78具有形式K*G(z)。到补偿逻辑78的输入信号r(k)在线路76上被馈送到具有一非线性复位元件130的数字低通滤波器补偿逻辑G(Z)，以后再行讨论。低通滤波器G(Z)是一标准离散化传输函数，它由下列形式的离散状态方程被模型化：
X(K+1)=A*X(k)+B*U(x)    (式1)
Y(k)=C*X(k)+D*U(k)      (式2)其中，A=0.9718,B=0.0282,C=1.0和D=0，对应于利用一具有截止频率100Hz的反向集成离散化一阶低通(或滞后)数字滤波器所得到的值。如希望也可采用其他截止频率和离散化方法。而且也可根据所用的截止频率和离散化方法对A、B、C、D采用其他值。
上述方程式1或式2的方框图表述如图4中所示，其中线路76上的信号r(k)被馈给增益单元(B)104，它在线路106上提供一信号到求和器108的正输入端。求和器的输出在线路110上提供到一存贮元件(或能态)或采样延迟(Z-1)112。存贮元件112的输出为一被延迟的信号X(k)，它被提供在线路114上并通过线路118上的增益(A)116馈送到求和器108的另一正输入端。线路114上的信号X(k)还被馈送到增益单元(c)120，它在线路122上提供一转变增益的信号到求和器124的一正输入端。
线路76上的输入信号r(k)还被加到增益单元(D)126，它在线路128上提供一信号到求和器124的另一正输入端。求和器124在线路129上提供一表明线路122、128上信号之和的信号到一具有一使得能产生所希望的系统响应的值K的增益倍增器131。此增益被调整信号作为输出信号Z(k)被提供在线路80上。
线路76上的输入信号r(k)还被加到零交叉和复位逻辑130(或一非线性复位元件)，它采样输入信号r(k)和如果此输入r(k)已穿过零(亦即改变符号)，此逻辑130在线路110上将下一状态信号X(k+1)设置为零一个采样周期长，如线路132所指明的。
现在参看图5，本发明的非线性滤波器逻辑78(图4)的一次谐波幅值频率响应如曲线160所示，且同一滤波器逻辑而无零交叉和复位逻辑130的先有技术线性方案的幅值频率响应如虚线曲线162所示。曲线160、162呈现基本上相同的幅值响应分布。
现参看图6，本发明的非线性滤波器逻辑78(图4)的一次谐波相位频率响应如曲线164所示，和先有技术线性方案的相位频率响应如虚线曲线166所示。非线性滤波器的相位响应曲线164是说明函数或一次谐波的相位近似，并表明与线性方案比较相位滞后有很大减少。特别是，在截止频率100Hz，非线性滤波器的相位为-32度，如曲线164上的点168所表明的，而线性滤波器的相位约为59度，如曲线166上的点170所示。而且线性滤波器在1000Hz时的相位接近为-60度，如点172所指明的，而线性滤波器的相位近似为-100度，如点174表明的。应当理解，因为模-数变换的作用(亦即零阶保持作用)线性滤波器的相位滞后为超过45度的14度。
现在看图7，以图1系统的声音功率电平(SPL)对频率的曲线来量度向扬声器24(图1)下游传送的声频噪声量。图7的这些数据是由一配置在扬声器下游远离扬声器24(图1)的近场效应的微音器(未作图示)测取得的。特别是，一无任何噪声控制补偿的基线曲线200表明在一约80～150Hz的频率范围内峰值噪声电平为110dB。如果控制器20利用通常的线性补偿，此系统的响应即如曲线202所示，表明在约280Hz时具有大于110dB的峰值响应。但如果采用这里所说明的非线性约化相移滤波器，此声频噪声电平在整个频谱均保持低于100dB，如曲线204所示。而且，虽然在高频例如大于约350Hz时有某些超过线性滤波器响应202的噪声增加，但仍然在一允许的噪声水平内。
这样，在并置的控制系统中采用图4的非线性滤波器78即可在整个所关心的频率区间得到允许的噪声消除。特别是，它允许控制逻辑78的增益K增加而同时保持系统中适当的稳定裕度，由此而提供闭环系统(Y/d)的足够的带宽和时间响应而能允许系统在适当的时刻对干扰噪声d作出反应并在整个一宽广的频率范围上可提供足够的噪声消除。
应当理解，虽然是将控制逻辑说成是作数字方式实现的，而对于本技术领域内的熟知人员很容易想到本发明的同样能适用带有零交叉和复位逻辑的同样滤波器的模拟方案。在该情况中，将对输入信号的通过零进行监视，而在输入通过零时，所有模拟能量存贮元件(如电容、电感等)均将被设置为零。而且，此零交叉和复位逻辑130(图4)也可作数字或模拟逻辑或以软件实现。
应当理解，不采用这里所说的用于信号的电线和电信号，本发明也能同等适用于对系统的任何部分代之以应用光纤和光信号。
虽然本发明作为使用一并置的有源噪声控制系统进行了说明，但应理解，本发明也可以采用具有为改善性能而希望降低开环相位滞后时利用一一阶低通滤波器的任何有源噪声或振荡控制系统配置。而且，如这里所采用的，术语“噪声”和“振荡”可以交换应用(考虑到在模拟的有源噪声控制与有源振荡控制系统之间的已知差异)。

Claims (18)

1、一有源噪声控制系统，包括：
激励器，响应驱动信号，提供声频抗噪声信号；
误差传感器，被配置得能检测来自所述激励器的所述声频抗噪声信号和检测干扰噪声并提供表明它们的组合的误差信号；
响应所述误差信号的控制器，包括：
具有能态的滤波器；和
非线性复位逻辑，当所述误差信号通过零时暂时将所述滤波器中的所述能态复位到零；
所述控制器提供所述驱动信号到所述激励器；和
所述声频抗噪声信号具有的幅值和相位使得能衰减在所述传感器的所述干扰噪声。
2、权利要求1的有源噪声控制系统，其中所述滤波器为一一阶滞后滤波器。
3、权利要求1的有源噪声控制系统，其中所述滤波器为一离散化滤波器。
4、权利要求3的有源噪声控制系统，其中所述非线性复位逻辑复位所述能态到零一个采样的时间。
5、权利要求1的有源噪声控制系统，其中所述激励器包括一扬声器。
6、权利要求1的有源噪声控制系统，其中所述传感器包括一微音器。
7、有源噪声控制系统，包括：
激励器装置，响应一驱动信号提供声频抗噪声信号；
误差传感装置，检测来自所述激励器装置的所述声频抗噪声信号，检测干扰噪声，并提供一表明它们的组合的误差信号；
信号处理装置，响应所述误差信号且具有能态，用于滤波所述误
差信号和当所述误差信号穿过零时暂时将所述能态复位到零，和提供所述驱动信号到所述激励器装置；和
所述声频抗噪声信号具有的幅值和相位能衰减在所述传感器的所述干扰噪声。
8、权利要求7的有源噪声控制系统，其中所述滤波包括一阶滞后滤波器函数。
9、权利要求7的有源噪声控制系统，其中所述滤波包括离散化滤波器函数。
10、权利要求9的有源噪声控制系统，其中所述复位将所述能态复位到零一个采样的时间。
11、权利要求7的有源噪声控制系统，其中所述激励器装置包括一扬声器。
12、权利要求7的有源噪声控制系统，其中所述误差传感装置包括一微音器。
13、一种降低噪声的方法，包括：
响应一驱动信号提供一声频抗噪声信号；
检测所述声频抗噪声信号，检测干扰信号，和提供表明它们的组合的误差信号；
滤波所述误差信号和在当所述误差信号穿过零时暂时将所述滤波步骤中的能态复位到零，和提供所述驱动信号；和
所述声频抗噪声信号具有的幅值和相位使得能衰减在所述传感器的所述干扰噪声。
14、权利要求13的有源噪声控制系统，其中所述滤波的步骤包括一阶滞后滤波器函数。
15、权利要求13的有源噪声控制系统，其中所述滤波步骤包括离散化滤波器函数。
16、权利要求15的有源噪声控制系统，其中所述复位步骤复位所述能态到零一采样时间。
17、权利要求13的有源噪声控制系统，其中所述提供声频抗噪声信号的步骤通过一扬声器进行。
18、权利要求13的有源噪声控制系统，其中所述检测步骤通过一微音器进行。
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