一种消除涡浆飞机舱内低频窄带噪声的有源控制系统设计

摘 要：本文针对涡桨飞机舱内的低频窄带噪声，设计了一种自适应有源噪声控制系统。选用TI公司的TMS320VC5509 DSP芯片和AIC23B音频芯片构成核心控制器，采用最常见的标准自适应算法——FxLMS算法计算次级信号。实验结果表明，对于频率在500Hz以下的低频窄带噪声，能够取得平均约9dB的降噪量。

关键词：低频噪声；DSP；FxLMS

中图分类号：TN912 文献标志码：A

由于支线客机、支线运输机、民用直升机、农用飞机的巨大市场以及国家相关政策的扶持，使涡桨飞机的发展前景非常广阔。然而，随着涡桨飞机性能的日益提高，与之相矛盾的飞行器噪声会随着它的速度、载重量的提高、发动机功率的增大等诸多因素日益突出。涡浆飞机的舱内噪声会严重影响乘客的语言交流、睡眠休息，甚至身心健康，还会影响机组人员的工作状态及与地面人员之间的通信，可见涡浆飞机舱内噪声危害巨大。为了获得可以接受的噪声级水平，通常采用無源噪声控制方法，比如填充大量的吸声材料或安装动力吸振器，但这些传统方法只对降低中高频噪声有效，且改进余地越来越小，关键是对集中了较大能量的低频噪声不但不起作用，反而会增加飞机重量。一种有效的解决办法就是采用有源噪声控制技术，这种技术既能降低低频噪声又不至于增重过大。

1 涡浆飞机舱内低频噪声分析

螺旋桨噪声是涡桨飞机舱内噪声的主要来源，典型频谱是在宽带噪声背景下叠加的一系列窄带噪声。桨叶上的随机脉冲载荷产生宽带噪声，周期性载荷产生窄带噪声。窄带噪声的频率分别为桨叶通过频率和它的各次谐波频率，且能量集中在500Hz以下的低频区。由于发动机设计工程师总是力求最优的螺旋桨性能，以提高飞机性能，但这导致涡浆飞机的低频窄带噪声进一步增加。图1给出了涡桨飞机中的典型低频窄带噪声，可以看出噪声能量主要集中在0～500Hz。

2 有源噪声控制系统原理

前馈式有源噪声控制系统可以获取参考信号，系统的降噪量、稳定性明显优于反馈式。系统原理如图2所示，噪声源产生原始噪声，参考传感器监听后发出参考信号，并输入到自适应控制器。控制器根据自适应算法，计算出次级信号并由次级声源发出次级声，次级声与原始噪声相互抵消。同时，误差传感器采集抵消后的误差信号并送回控制器，控制器不断调节传递函数进而改变次级声的振幅和相位，以减小抵消误差，直至满足预设目标。

3 系统硬件设计

系统硬件采用TI公司生产的TMS320VC5509 DSP芯片和AIC23B音频芯片作为控制核心。其中，AIC23B芯片内部集成了放大电路、抗混叠滤波电路、平滑滤波电路以及ADC和DAC，可以在8kHz～96kHz的频率范围内提供16bit、20bit、24bit和32bit的采样，ADC和DAC的输出信噪比分别可以达到90dB和100dB。本系统针对的是涡桨飞机舱内的低频窄带噪声，频率在500Hz以下，为保证不失真，采样频率设置为4kHz，转换位数设置为16bit，AIC23B与DSP的连接如图3所示。

4 系统算法与次级通路辨识方法

4.1 FxLMS算法

系统自适应算法选择主要从4个方面考虑，分别是任务特征、收敛速度、运算量、系统误差。为了便于系统实现，本文采用最常见的标准自适应算法——FxLMS算法，用以计算次级信号，这种算法处理低频窄带噪声的综合效果较好。算法权矢量迭代公式：

W（n+1）=W（n）-2μe （n）r（n） （1）

r（n） =x（n）×hs （n） （2）

μ是收敛系数，用于控制收敛速度和系统稳定性；e （n）是误差信号；r（n） 是滤波-x信号，x（n）是参考信号，hs （n）是次级通路传递函数的脉冲响应。可以看出，参考信号和误差信号一起控制FxLMS算法的权矢量更新。

4.2 次级通路辨识方法

FxLMS算法的权矢量迭代公式中包含一项滤波-x信号矢量，它是参考信号矢量和次级通路脉冲响应的卷积，因此，必须先获取次级通路的传递函数。由于次级通路特性在整个噪声控制过程中保持不变，因此，次级通路辨识可以离线建模。这里采用附加随机噪声法：由DSP内部产生随机白噪声作为次级通路的激励，然后执行次级通路的迭代，权矢量更新采用LMS算法，待次级通路滤波器稳定后，将次级通路滤波器权系数固定不变，代入FxLMS算法进行自适应有源噪声控制过程。

5 系统软件设计

系统软件包括主程序、次级通路辨识程序、有源噪声控制程序3部分。主程序实现系统初始化和中断子程序控制，如图4所示。

进入中断后，先调用次级通路辨识程序，进行次级通路滤波器的迭代。当次级通路滤波器进入稳定状态后，将其权系数固定不变代入FxLMS算法，之后的中断均进入有源噪声控制程序，进行FxLMS滤波器权系数的迭代，并产生次级信号。次级通路辨识程序和有源噪声控制程序分别如图5和图6所示。

6 实验结果分析

系统利用虚拟信号分析仪产生与涡桨飞机舱内噪声特性近似的低频窄带噪声，频率设定在500Hz以下。为了便于分析和避免声反馈问题，将参考信号输入端、误差信号输入端、次级信号输出端以线连方式与虚拟信号分析仪直接相连。通过反复调整，确定次级通路辨识滤波器的阶数为32，步长为0.015，自适应控制器滤波器的阶数为64，步长为0.003。图7是系统降噪结果，平均取得约9dB降噪量。

结语

本文针对涡桨飞机舱室中的低频窄带噪声，设计了一种自适应有源噪声控制系统。选用TI公司的TMS320VC5509 DSP芯片和AIC23B音频芯片构成核心控制器，采用最常见的标准自适应算法——FxLMS算法计算次级信号，另外，采用附加随机噪声法实现次级通路辨识。实验结果表明，对于频率在500Hz以下的低频窄带噪声，能够取得平均约9dB的降噪量。

参考文献

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