一種用於噪聲環境試驗的聲譜控制系統及方法與流程

2023-04-25 14:51:56 5

本發明涉及噪聲環境試驗技術領域，尤其涉及一種用於噪聲環境試驗的聲譜控制系統及方法。

背景技術：

噪聲環境是指大幅度的空氣壓力脈動，通常這些壓力脈動在5kPa～87kPa的幅值範圍內和10Hz～10kHz的寬頻帶內是隨機性的，噪聲環境試驗的目的是為了驗證飛行器設備能承受規定的噪聲環境，而不出現不可接受的功能特性、結構完整性的衰退。目前，噪聲環境試驗已經成為飛行器研製過程中或投入使用前的一項重要的常規試驗類型。

噪聲環境試驗的聲譜控制原理是根據試驗條件要求的聲壓級，計算機產生一隨機驅動信號，經數/模轉換器(A/D)和功率放大器後，驅動氣流調製器，產生混響聲場，混響室內的聲壓級用傳聲器經阻抗變換器和模/數轉換器(D/A)將其反饋到計算機，計算機進行譜分析並與要求的聲壓級譜相比較，根據比較結果修正驅動信號，此過程不斷重複，直到混響室的聲場符合試驗條件要求的聲壓級。

目前市場上的噪聲控制系統等均是基於PSD的方法控制的，其利用逆Welch方法生成驅動信號，採集得到的信號通過求其功率譜密度來得到聲壓級，通過比較聲壓級的差值修正功率譜密度，從而修正驅動信號，完成對聲譜的控制。

在上述現有的噪聲控制技術方案中，由於要修正功率譜密度，會造成低頻段控制的譜線數少，高頻段控制的譜線數多，在頻率間隔較大時低頻的控制精度小，頻率間隔較大時影響計算效率。驅動信號生成時，運用的逆Welch方法需要進行隨機化和大量的IFFT運算，頻域的轉換均是按幀進行，實時性較差。

技術實現要素：

針對現有的噪聲控制技術方案低頻段控制的譜線數少、高頻段控制的譜線數多，在頻率間隔較大時低頻的控制精度小，計算效率低，以及生成驅動信號實時性較差的缺陷，本發明提出如下技術方案：

本發明提供了一種用於噪聲環境試驗的聲譜控制方法，包括：

根據預設採樣頻率採集噪聲信號，並根據所述信號得到驅動信號；

根據預設採樣頻率採集噪聲環境的響應信號，並根據所述響應信號確定所述噪聲環境當前的聲壓級譜；

根據所述聲壓級譜以及參考聲壓級譜的對比結果，調整並輸出所述驅動信號，以使當前的聲壓級譜逐漸逼近所述參考聲壓級譜。

可選地，所述根據預設採樣頻率採集噪聲信號，並根據所述信號得到驅動信號，包括：

根據所述預設採樣頻率從信號發生器處採集噪聲信號，通過九個通道的1/3倍頻程濾波器組對所述噪聲信號進行處理，得到27個1/3倍頻程的信號；其中，所述1/3倍頻程濾波器組包含3個1/3倍頻程濾波器；所述噪聲信號為第一通道數據，第二通道至第九通道數據分別由前一通道數據通過抗混疊低通濾波器並進行降採樣得到。

可選地，所述根據預設採樣頻率採集噪聲信號，並根據所述信號得到驅動信號，包括：

將所述第一通道至第九通道數據通過1/3倍頻程濾波器組後，獲取表示不同1/3倍頻程頻帶的信號，並從所述第九通道數據開始不斷地升採樣，並通過抗鏡像的低通濾波器，然後同上一通道的數據相加，直到生成最後的驅動信號。

可選地，還包括：

對所述採集的響應信號進行降採樣處理，得到所述九通道數據，並分別通過1/3倍頻程濾波器組，以得到不同1/3倍頻程頻帶的信號；

對所有1/3倍頻程頻帶的信號進行截取處理，以得到不同頻帶信號的RMS值，並確定所有頻帶的聲壓級；

將所述聲壓級與參考聲壓級譜進行比較得到修正係數；

根據所述修正係數對驅動信號生成過程匯總的每個1/3倍頻程信號通過的1/3倍頻程濾波器增益進行修正，以使響應信號的聲壓級滿足參考聲壓級譜的誤差範圍要求。

可選地，所述驅動信號生成過程中採用5個濾波器，包括1個抗混疊濾波器、1個抗鏡像濾波器和3個1/3倍頻程濾波器；所述響應信號採集分析過程中採用4個濾波器，包括1個抗混疊濾波器和3個1/3倍頻程濾波器。

可選地，所述抗混疊抗鏡像濾波器採用40階窗函數法FIR濾波器；其中，通帶截止頻率為1/4倍的採樣頻率，窗函數採用Hamming窗或Kaiser窗，用於升2倍採樣率和降2倍採樣率的抗混疊和抗鏡像過程；1/3倍頻程濾波器組採用FIR濾波器。

可選地，所述對所有1/3倍頻程頻帶的信號進行截取處理，以得到不同頻帶信號的RMS值，並確定所有頻帶的聲壓級，包括：

為不同通道設置不同的採樣頻率，並在計算不同頻帶的RMS值時，採用相同長度的信號，以使不同倍頻程修正時間不同，且滿足ΔB×T＝const原則。

本發明的用於噪聲環境試驗的聲譜控制方法，結構簡單，易於實現，可實現低成本、高精度和實時控制能力強大的噪聲聲譜數字控制，利用濾波器方法可對噪聲信號進行實時的聲壓級譜分析，並利用濾波器增益來調整驅動信號，在過程中實現對不同1/3倍頻程聲壓級譜的精確控制。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明一個實施例的用於噪聲環境試驗的聲譜控制系統的結構示意圖；

圖2為本發明一個實施例的用於噪聲環境試驗的聲譜控制方法的流程示意圖；

圖3為本發明一個實施例的聲譜控制流程示意圖；

圖4為本發明一個實施例的驅動信號的生成流程示意圖；

圖5為本發明一個實施例的數據採集分析過程示意圖；

圖6為本發明一個實施例的信號的閉環修正控制過程示意圖。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

圖1為本發明一個實施例的用於噪聲環境試驗的聲譜控制系統的結構示意圖；如圖1所示，該系統包括：位於模擬聲場1中的傳聲裝置(例如傳聲器)2、信號處理裝置3、數據處理裝置(如控制計算機)5、氣源6、揚聲器7以及聲阻抗裝置(例如為號筒)8；

具體地，所述傳聲裝置2、信號處理裝置3、數據處理裝置5、揚聲器7以及號筒8依次相連；所述氣源6與所述揚聲器7相連；

所述揚聲器7用於將氣體的壓力轉換成聲能；

所述號筒8用於為聲源提供預設的聲阻抗，以使所述聲能轉換裝置與所述聲場進行聲學匹配，並使所述聲能轉換裝置獲得最大效率；

具體來說，所述傳聲器2採集所述聲場中的噪聲信號，經轉換得到聲壓級譜；所述控制計算機5將所述聲壓級譜與參考聲壓級譜進行比較得出差值，根據該差值並基於所述氣源6和所述揚聲器7確定驅動信號，並將所述驅動信號經功放放大後驅動所述揚聲器7的聲圈產生噪聲。

本實施例的系統結構簡單，易於實現，可以實現低成本、高精度和實時控制能力強大的噪聲聲譜數字控制，可以實現對聲壓級譜進行分頻段控制，利用濾波器增益來調整輸出驅動信號，且可以在過程中實現對不同倍頻程較為精確的控制，保證精度，並可以實現信號的時域處理，提高實時性。

圖2為本發明一個實施例的用於噪聲環境試驗的聲譜控制方法的流程示意圖；其中，所述方法可以基於上述系統實施例進行聲譜控制。如圖2所示，該方法包括：

S1：根據預設採樣頻率採集白噪聲信號，並根據所述白噪聲信號生成驅動信號；

S2：根據預設採樣頻率採集所述噪聲環境的響應信號，並根據所述響應信號確定所述噪聲環境當前的聲壓級譜；

S3：根據對所述聲壓級譜以及參考聲壓級譜的對比結果，調整並輸出驅動信號，以使當前的聲壓級譜逐漸逼近所述參考聲壓級譜。

進一步地，作為本方法實施例的優選，步驟S1中所述根據預設採樣頻率採集所述的白噪聲信號，並根據所述白噪聲信號生成驅動信號，可以包括：

根據所述預設採樣頻率採集的白噪聲信號，並通過九通道的1/3倍頻程濾波器組對所述白噪聲信號進行處理；其中，所述白噪聲信號為第一通道數據，第二通道至第九通道數據分別由前一通道數據通過抗混疊低通濾波器並進行降採樣得到。

進一步地，作為本方法實施例的優選，步驟S1中所述根據預設採樣頻率採集白噪聲信號，並根據所述白噪聲信號生成驅動信號，還包括：

將所述第一通道至第九通道數據通過1/3倍頻程濾波器組，以獲取表示不同頻帶的信號，並從所述第九通道數據開始不斷地升採樣，並通過抗鏡像的低通濾波器，然後同上一通道的數據相加，直到生成最後的輸出信號。

進一步地，作為本方法實施例的優選，所述輸出信號生成過程中採用4個濾波器，其中包括1個抗混疊抗鏡像濾波器和3個1/3倍頻程濾波器。

進一步地，作為本方法實施例的優選，步驟S2所述根據預設採樣頻率採集所述噪聲環境的響應信號，並根據所述響應信號確定所述噪聲環境當前的聲壓級譜，包括：

對所述響應信號後進行降採樣處理，並通過1/3倍頻程濾波器組，以得到不同1/3倍頻程頻帶的信號；

對所有1/3倍頻程頻帶的信號進行截取處理，以得到不同頻帶信號的RMS值，並確定所有頻帶的聲壓級。

進一步地，作為本方法實施例的優選，步驟S3所述，包括：將響應聲壓級與參考聲壓級譜進行比較得到修正係數；

根據所述修正係數對驅動信號進行修正，以使響應信號的聲壓級滿足參考聲壓級譜的誤差範圍要求。

在此基礎上，作為本方法實施例的優選，所述抗混疊抗鏡像濾波器可以採用40階窗函數法FIR濾波器；其中，通帶截止頻率為1/4倍的採樣頻率，窗函數採用Hamming窗或Kaiser窗，用於升2倍採樣率和降2倍採樣率的抗混疊和抗鏡像過程；1/3倍頻程濾波器採用FIR濾波器。

本實施例的用於噪聲環境試驗的聲譜控制方法，步驟簡單，易於實現，可以實現低成本、高精度和實時控制能力強大的噪聲聲譜數字控制，可以實現對聲壓級譜進行分頻段控制，利用濾波器增益來調整輸出驅動信號，且可以在過程中實現對不同倍頻程較為精確的控制，保證精度，並可以實現信號的時域處理，提高實時性。

下面以一具體的實施例來說明本發明，但不限定本發明的保護範圍。

圖3為本發明一個實施例的聲譜控制流程示意圖；如圖3所示，本實施例所述用於噪聲環境試驗的聲譜控制方法的控制流程為：

原始信號為白噪聲信號，信號的採樣頻率固定，通過1/3倍頻程濾波器組的信號共九通道。原始信號為第一通道數據，第二到第九通道數據分別由前一通道數據通過抗混疊低通濾波器並進行降採樣得到。

所有通道數據通過1/3倍頻程濾波器組後，得到表示不同頻帶的信號。要將它們整合成一個信號，就要從第九通道數據開始不斷地升採樣並通過抗鏡像的低通濾波器，然後同上一通道的數據相加，直到得到最後的輸出信號。整個信號生成過程中所設計濾波器共4個濾波器，抗混疊抗鏡像濾波器和3個1/3倍頻程濾波器全部重複利用於所有通道。輸出信號採集後同樣進行降採樣處理並通過1/3倍頻程濾波器組後得到不同1/3倍頻程頻帶的信號，對所有信號進行截取處理得到不同頻帶信號的RMS值，進而求得所有頻帶的聲壓級。將聲壓級同參考聲壓級譜進行比較得到修正係數，對驅動信號進行不斷地修正，直到響應信號的聲壓級滿足參考聲壓級譜的誤差範圍為止。

需要說明的是，上述算法實現的一個關鍵點在於低通數字濾波器(抗混疊抗鏡像濾波器)和1/3倍頻程數字濾波器。

本實施例低通濾波器可採用40階窗函數法FIR濾波器，通帶截止頻率為fs/4(fs為採樣頻率)，窗函數採用Hamming窗或Kaiser窗，用於升2倍採樣率和降2倍採樣率的抗混疊和抗鏡像過程，該濾波器通帶處比較平滑，能夠減小序列的幅度失真，且具有線性相位。

本實施例1/3倍頻程數字濾波器可採用100階頻率抽樣法FIR濾波器，設計規範符合GB/T3241中最大最小衰減限值的要求，濾波器的階次越高控制精度越高。3個1/3倍頻程濾波器在32KHz採樣頻率下，中心頻率分別為6300Hz、8000Hz、10000Hz，根據濾波器的歸一化原理，當採樣頻率降半時，濾波器的中心頻率也降半。信號在不同採樣頻率下通過3個1/3倍頻程濾波器後疊加得到不同倍頻程帶寬內信號。濾波器均具有為線性相位，通過調節延遲點數可以將不同倍頻程信號疊加。對於噪聲信號而言，由於揚聲器系統、混響室系統和噪聲本身具有非線性，可以在算法中不考慮不同倍頻程信號疊加的誤差問題，即可以設計濾波器為IIR濾波器。

圖4為本發明一個實施例的驅動信號的生成流程示意圖；如圖4所示，驅動信號生成算法中，原始信號為白噪聲信號，採樣頻率為32KHz，該信號通過3個1/3倍頻程濾波器後乘以修正係數並進行疊加得到中心頻率為8000Hz的倍頻程信號，該信號為第一通道信號。白噪聲信號通過低通濾波器並進行降2倍採樣率處理後，通過同樣的3個1/3倍頻程濾波器並乘以修正係數後進行疊加得到中心頻率為4000Hz的倍頻程信號，該信號為第二通道信號。依此第三到第九通道信號均為上一通道處理得到。此時從第九通道數據開始升採樣處理並通過低通濾波器後同第八通道數據進行疊加，由於兩個通道的數據延遲點數不同，去掉第九通道多餘的延遲點數(N1為低通濾波器階次，N為帶通濾波器階次)後疊加，消除相位失真。疊加後的信號同樣通過升採樣處理並通過低通濾波器後同第七通道數據疊加，同樣去掉多餘的延遲點數依此疊加到第一通道數據後的信號為驅動信號。驅動信號包含9個倍頻程信號，頻率範圍從28Hz到11225Hz，如果控制頻率範圍加大，可以增加通道數。

圖5為本發明一個實施例的數據採集分析過程示意圖；如圖5所示，數據採集分析算法中，不同1/3倍頻程信號的得到方式同驅動信號生成算法類似，為驅動信號生成算法的一半，即不進行疊加處理，從而得到不同通道的3個1/3倍頻程信號，總共27路信號，原始信號為採集得到的響應信號。每路信號加矩形窗處理截取相同量的數據求其RMS值從而得到每個1/3倍頻程頻帶的聲壓級，計算總聲壓級，繪製全頻段的聲壓級譜。

圖6為本發明一個實施例的信號的閉環修正控制過程示意圖；如圖6所示，驅動信號的修正算法中，根據數據採集分析算法中得到的響應聲壓級譜，在每個1/3倍頻程帶寬上比較該響應聲壓級譜和參考聲壓級譜的差異，求得每個1/3倍頻程上的聲壓級差值，根據差值修正濾波器增益，即修正係數，從而產生新的驅動信號。在採集分析算法中，不同通道的採樣頻率不同，採集相同量的數據導致不同通道在修正時所用時間不同，滿足ΔB×T＝const的原則，能夠提高控制的精度和效率。

綜上所述，本發明實施例所述用於噪聲環境試驗的聲譜控制方法，包括：驅動信號生成算法、數據採集分析算法和驅動信號修正算法。噪聲控制系統有兩個主要作用，即分析獲得當前的聲壓級譜，並根據當前的聲壓級譜和參考聲壓級譜調整驅動輸出，使聲壓級譜逐漸逼近參考聲壓級譜；數據採集分析算法即獲取聲壓級譜，噪聲信號通過一系列的帶通濾波器後，直接分析噪聲信號的RMS值，獲得聲壓級譜；驅動信號的生成和修正是獲取驅動輸出信號，使用數字1/3倍頻程濾波器，通過調節濾波器的增益完成信號的修正和生成。

進一步地，本發明實施例所述用於噪聲環境試驗的聲譜控制方法，其驅動信號生成要求控制全頻段(20Hz～10000Hz)倍頻程或1/3倍頻程幅值；對每個1/3倍頻程頻段設計1/3倍頻程濾波器就能夠得到所有1/3倍頻程頻段成分的信號，通過調節每個濾波器的增益可以對每個1/3倍頻程頻段進行控制。然而，在同一個採樣頻率下設計所有的濾波器難度係數很大。在低頻部分，設計符合國標要求的1/3倍頻程濾波器需要很高的階次，增大了計算量。如，在32kHz採樣頻率下，設計中心頻率10kHz的1/3倍頻程濾波器需要100階，設計中心頻率5kHz的1/3倍頻程濾波器需要200階。同時，濾波器過多也會使計算難度加大。

為了能夠對所有1/3倍頻程頻帶進行濾波控制，根據濾波器頻帶可歸一化(範圍從0-1)的性質，在不同採樣頻率下對不同倍頻程頻帶進行控制，通過改變採樣頻率，可以只需設計3個1/3倍頻程濾波器(增益可變，如果提高控制精度，可以設計1/6倍頻程濾波器)，便可以完成多個倍頻程頻帶的分析和幅值調整。當然，此處除了3個1/3倍頻程濾波器外，還有用於抽樣率變換過程中的低通濾波器，所以在理想情況下，可使用4個數字濾波器，便可以完成所有頻帶的聲譜分析與控制。

進一步地，本發明實施例所述用於噪聲環境試驗的聲譜控制方法，驅動信號生成方案為：在滿足最高控制頻段的採樣頻率下，針對最高的倍頻程頻帶設計3個1/3倍頻程濾波器(一組，即控制該倍頻程頻帶的3個1/3倍頻程頻帶)，信號通過濾波器組後得到了3個的1/3倍頻程帶寬的信號。

對於如何獲得下一個倍頻程頻帶的信號，採取的方法是降2倍採樣頻率後，再通過上述同一濾波器組(濾波器增益不同)，就得到該倍頻程頻帶的信號。

同理，通過上述方法繼續降採樣處理就可以分別連續得到所有的倍頻程頻帶信號，每個倍頻程頻帶的信號都能夠通過濾波器精確的得到。

最後對所有降採樣的信號進行升採樣處理，在同一個採樣頻率下將所有倍頻程信號疊加就得到了全頻段的信號，即驅動信號，在此過程中，1/3倍頻程濾波器組重複使用，節省了濾波器的耗用。

進一步地，本發明實施例所述用於噪聲環境試驗的聲譜控制方法，驅動信號生成過程中可形成所有倍頻程個數的通道數據最後進行疊加得到驅動信號。

不同通道的數據通過的濾波器數量不同，導致信號疊加過程中有幅度失真，混疊失真和相位失真等，解決方案是在降採樣和升採樣過程中使用的低通濾波器以及倍頻程或1/3倍頻程信號生成時所用的1/3倍頻程帶通濾波器均是FIR濾波器。

低通濾波器可採用Hamming窗或Kaiser窗等，帶通濾波器的設計符合GB/T3241要求，類型為頻率抽樣法濾波器，階次根據設備情況而定，大於80階為佳。FIR濾波器的突出特點是具有嚴格地線性相位特性，相鄰兩個通道的濾波器的差值為：其中，(N1為低通濾波器階次，N為帶通濾波器階次)，疊加時，將延遲的點數全部捨棄，從延遲後的點開始疊加，可有效減小相位失真。

進一步地，本發明實施例所述用於噪聲環境試驗的聲譜控制方法，在數據採集分析過程中，在滿足最高倍頻程頻帶的採樣頻率下，將採集得到的時間歷程信號通過1/3倍頻程帶通濾波器組後得到一個倍頻程的3個1/3倍頻程帶寬信號，加窗得到一定長度的信號，進行均方根值進而計算出該頻帶的聲壓級，然後通過不斷地降採樣處理再通過1/3倍頻程帶通濾波器組，最終可以得到所有1/3倍頻程頻帶信號，從而得到全頻段的聲壓級譜。

進一步地，本發明實施例所述用於噪聲環境試驗的聲譜控制方法，在驅動信號修正過程中，根據上面得到的響應聲壓級譜與參考聲壓級譜進行比較，通過修正濾波器增益來修正驅動信號。修正的原理是在每個1/3倍頻程帶寬上比較採集分析得到響應聲壓級譜和參考聲壓級譜的差異，求得每個1/3倍頻程上的聲壓級差值，根據差值修正濾波器增益，然後為下一次閉環控制產生新的驅動信號。具體地，首先選擇隨機信號作為初始驅動，然後以它為修正對象進行循環迭代，直到得到的響應聲壓級譜近似參考聲壓級譜。

進一步地，本發明實施例所述用於噪聲環境試驗的聲譜控制方法，具有實時控制效果，濾波器處理信號是在時域內完成的，在驅動修正過程中，當每路信號的序列達到一定數量，系統就求其均方根值，同時計算出該路信號的聲壓級，進而同標準聲壓級比較求出修正係數，對該路的驅動信號進行修正，具有很強的實時性。

進一步地，本發明實施例所述用於噪聲環境試驗的聲譜控制方法，在低頻和高頻段的修正時採用ΔB×T＝const的原則(其中ΔB為倍頻程帶寬，相鄰倍頻程帶寬差距為2倍；T為修正時間)。低頻段每次修正時間間隔長，高頻段間隔短。如，對於中心頻率1000Hz的頻段，採樣頻率為4000Hz，當採集1000數據量時進行修正時，修正間隔為250ms，中心頻率500Hz的頻段，採樣頻率為2000Hz，採集同樣數據量時進行修正，修正間隔為500ms。

依此類推，每個頻段都能夠採集足夠的數據進行分析，提高了控制精度和修正效率。

由上述方案可知，本發明實施例針對背景技術中提出的技術問題，放棄了近20年來類似於隨機振動控制的噪聲控制方法，不使用功率譜分析和逆Welch方法進行聲壓級譜控制，而採用當前快速進步的FPGA高速計算能力，使用數字式1/3倍頻程濾波器的聲譜分析和驅動修正方法，完成低成本、高精度和實時控制能力強大的噪聲數字控制系統，該系統可以實現數字濾波器的重複使用，對聲壓級譜進行分頻段控制，利用濾波器增益來調整輸出驅動信號。在此過程中，實現了對不同倍頻程或1/3倍頻程頻帶較為精確的控制，保證了精度；實現了信號的時域處理，提高了實時性，所提出的控制算法結構簡單、算法程序穩定可靠，可用於噪聲環境試驗的聲譜控制系統。

以上實施例僅用於說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和範圍。