一種頻譜塑形主動控制方法及主動控制系統與流程

2023-04-24 05:13:22

本發明屬于振動與噪聲控制領域，特別是涉及一種頻譜塑形主動控制方法及其主動控制系統。

背景技術：

主動振動控制技術與傳統被動控制方法相比，具有低頻性能好、附加質量小、方便靈活等優點，是傳統振動與噪聲控制方法的不可或缺的有利補充。主動控制的振源通常來自於旋轉動力機械，如內燃機、氣輪機、電動機，及其槳葉、機泵、管路等，使得噪聲呈現出線譜特徵。例如船舶傳動系統由於螺旋槳和內燃機激振力的耦合效應，呈寬帶頻譜加線譜的特徵，其中線譜和轉頻有關，主要集中在低頻段；再例如直升機最主要的振源來自旋翼和尾槳系統，形成獨特的以周期振動為主，併疊加有較低寬帶隨機振動的振動環境。對於水下艦艇，由於低頻線譜是區別於海洋背景噪聲的特徵頻譜，所以是影響其隱身性能的罪魁禍首。在生活、生產和交通中的線譜噪聲也是引起司乘人員不適的重要因素。因此，開展線譜噪聲的主動控制具有非常重要的意義。

頻譜塑形主動控制是主動控制的新興分支，它是指通過主動控制的方法有目的地改變強幹擾環境下的結構響應頻譜，使得控制後的結構響應頻譜和目標頻譜一致，其中對線譜的塑形是頻譜塑形主動控制的重要內容。例如，在車內聲品質控制中，噪聲主要是由發動機激發形成的線譜噪聲，心裡聲學要求這些線譜噪聲滿足特定的需求，以獲得豪華、舒適、動感等不同的體驗。此外，聲品質控制也要求車內保留特定噪聲頻率作為司機聽覺反饋，以保證行車安全；在軍事領域，可以利用頻譜塑形控制技術改變水下艦艇輻射的線譜噪聲特性，以獲得迷惑敵方的反偵察的能力。

專利文獻CN101473370 A公開的一種用於操作降噪系統的方法包括：提供洩漏因子值的流；使用低通濾波器平滑所述洩漏因子值的流以提供平滑的洩漏因子值的流，從而防止所述洩漏因子值突變；將所述平滑的洩漏因子值的流應用於降噪系統的自適應濾波器的係數；以及響應於所述濾波器係數生成降噪音頻信號。該專利能夠降噪，但該專利減振效果有待提高，減振響應慢。

目前的頻譜塑形主動控制算法有兩個缺點：其一是它只考慮殘餘振動信號的幅值塑形，而並不考慮相位控制。其二是它只控制初級噪聲包含的頻率成分，而並沒有頻率注入的能力。但實際工程應用對相位控制和頻率注入都是有需求的。例如在心理聲學或主動聲品質控制中，除了響度(幅值)外，聽覺粗超度也是一個非常重要的聽覺指標。有研究顯示，改變諧波之間的相對相位可以導致不同的聽覺感受，即便是保持他們的幅值不變。關於頻率注入的例子是電動汽車行業，由於這些車輛缺乏發動機的聲音，使得其他子系統(如泵、壓縮機、風扇等)的聲音特別顯著，同時由於缺乏加速的聽覺反饋，給人的駕駛體驗並不好。廠商們採用的一個策略就是在降低其他子系統的噪聲的同時，給汽車注入引擎加速的聲音。

在背景技術部分中公開的上述信息僅僅用於增強對本發明背景的理解，因此可能包含不構成在本國中本領域普通技術人員公知的現有技術的信息。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種頻譜塑形主動控制方法及其自適應主動控制系統。本發明的殘餘振動幅值相位頻率可控的頻譜塑形主動控制系統，針對傳統頻譜塑形主動控制方法和系統缺乏相位塑形和頻率注入能力的問題，以噪聲源附近參考信號的頻率以及自定義的注射頻率為先驗知識，以控制目標點的殘餘振動信號與目標信號構成的偽誤差信號為控制目標，通過自適應機構調整對應頻率下作動器振動的幅值和相位，實現原始噪聲的頻譜塑形主動控制，實現了頻譜塑形主動控制的相位可調性和頻率可注入性。通過簡支薄板結構的主動控制系統驗證了上述系統的有效性。

本發明的目的是通過以下技術方案予以實現：

本發明的一方面，一種頻譜塑形主動控制方法包括如下步驟。

第一步驟中，參考傳感器經由參考通道連接振源以獲得參考信號，連接所述參考傳感器的信號頻率解析器接收所述參考信號以解析得到初級噪聲頻率。

第二步驟中，連接所述信號頻率解析器的諧波發生器基於由所述初級噪聲頻率和預定的注射頻率組成的目標頻率產生正交諧波信號。

第三步驟中，連接所述諧波發生器的執行控制器基於所述正交諧波信號產生驅動信號以驅動作動器產生次級振動。

第四步驟中，振源經由初級通道發出初級信號和所述次級振動經由次級通道發出的次級信號在觀測點處的物理加法器疊加以產生殘餘振動信號。

第五步驟中，執行控制器經由次級通道模型的輸出信號和來自誤差傳感器採集的殘餘振動信號在第一信號加法器處求和，獲得初級噪聲信號的估計。

第六步驟中，諧波發生器產生的正交諧波信號通過參考濾波器獲得濾波後的正交諧波信號向量經過更新控制器處理後與初級噪聲的估計在第二信號加法器處求差以獲得殘餘振動信號的估計。

第七步驟中，目標信號發生器基於所述目標頻率產生目標信號，並將其與所述殘餘振動信號的估計在第三信號加法器處求差，獲得偽誤差信號。

第八步驟中，將濾波的正交諧波信號向量和偽誤差信號輸入自適應機構以調整更新控制器的係數。

優選地，第一步驟中，振源發出的振動信號為x(n)，參考信號為x′(n)，其中，x′(n)＝x(n)*r(n)，式中：x′(n)表示參考信號，r(n)表示參考通道的脈衝響應函數。

優選地，第二步驟中，頻率解析器獲取的所述初級噪聲頻率為Ωp，預定的注射頻率為Ωinj，目標頻率Ωt＝{Ωp Ωinj}，(i＝1，2，...，Qt)，式中：Qt為目標頻率數目，它是初級噪聲頻率和注射頻率數目之和，諧波發生器基於目標頻率產生的正交諧波信號向量為：

Xa(n)＝cos(Ωtn)，Xb(n)＝sin(Ωtn)。

優選地，基於次級通道引入的幅值比和相位差為：

Ps＝{psi}T＝{|S(jωi)|}T，Φs＝{φsi}T＝{∠S(jωi)}T，(i＝1，2，...，Qt)，

幅值修正後的正交諧波信號向量表示為：

Xa，rec(n)＝diag[Ps]Xa(n)，Xb，rec(n)＝diag[Ps]Xb(n)，式中：diag[.]表示以括號中的向量構成對角矩陣。

優選地，殘餘振動信號為e(n)＝x(n)*p(n)+y(n)*s(n)，

式中：x(n)為振源的振動信號，p(n)為初級通道的脈衝響應函數，y(n)表示作動器的輸入信號，s(n)表示次級通道的脈衝響應函數，e(n)表示殘餘振動信號，*表示線件卷積運算；幅值修正後的正交的諧波信號向量通過執行控制器輸出為：式中：Wa(n)和Wb(n)是執行控制器的係數，T表示轉置。

優選地，第五步驟中，執行控制器經由次級通道模型輸出信號和來自誤差傳感器採集的殘餘振動信號在第一信號加法器處求和得到的初級噪聲信號的估計為：式中：表示次級通道模型的脈衝響應函數。

優選地，第六步驟中，諧波發生器產生的正交諧波信號通過參考濾波器獲得濾波的正交諧波信號向量經過更新控制器處理後與初級噪聲的估計在第二信號加法器處求差獲得的殘餘振動信號的估計為

，

式中：為更新控制器的輸出，Wa(n)和Wb(n)為更新控制器的係數，其和執行控制器係數相同。

優選地，第七步驟中，目標信號發生器基於所述目標頻率產生目標信號為t(n)＝PtT cos(Ωtn+Φt)，式中：Pt目標幅值向量，Φt為目標

相位向量，並將其與所述殘餘振動信號的估計在第三信號加法器處求差獲得的偽誤差信號為

優選地，第八步驟中，係數調整為：

式中：μl為迭代步長。

根據本發明的另一方面，一種實施所述的頻譜塑形主動控制方法的主動控制系統包括物理部分、換能部分和控制部分，其中，物理部分包括振源、初級通道、物理加法器、參考通道和次級通道；換能部分包括參考傳感器、作動器和誤差傳感器，控制部分包括信號頻率解析器、諧波發生器、執行控制器、參考濾波器、次級通道模型、第一信號加法器、更新控制器、第二信號加法器、自適應機構、第三信號加法器和目標信號發生器，用於採樣參考信號的參考傳感器經由參考通道連接振源，信號頻率解析器連接所述參考傳感器以產生初級噪聲頻率，諧波發生器連接所述信號頻率解析器以產生正交諧波信號，連接所述諧波發生器和作動器的執行控制器基於所述正交諧波信號產生驅動信號以驅動作動器產生次級振動，物理加法器連接初級通道和次級通道以產生殘餘振動信號，執行控制器經由次級通道模型輸出信號到第一信號加法器，第一信號加法器連接誤差傳感器將所述殘餘振動信號和輸出信號求和以獲得初級噪聲信號的估計，諧波發生器經由參考濾波器濾波連接更新控制器，第二信號加法器連接所述更新控制器和第一信號加法器獲得殘餘振動信號的估計，連接所述信號頻率解析器的目標信號發生器連接第三信號加法器獲得偽誤差信號，濾波的正交諧波信號向量和偽誤差信號輸入自適應機構以調整更新控制器的係數。

優選地，所述執行控制器和/或自適應機構包括通用處理器、數位訊號處理器、專用集成電路ASIC或現場可編程門陣列FPGA，所述次級通道模型包括次級通道和濾波器。

優選地，當所述主動控制系統用於主動控制簡支薄板的振動時，所述次級通道為簡支薄板本體。

與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果：可以分別獨立控制殘餘振動不同頻率分量的幅值和相位，可以注入初級噪聲不含的頻率成分，並控制它的幅值和相位，諧波發生器包含的幅值補償可以提升系統的收斂性。

上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠使得本發明的技術手段更加清楚明白，達到本領域技術人員可依照說明書的內容予以實施的程度，並且為了能夠讓本發明的上述和其它目的、特徵和優點能夠更明顯易懂，下面以本發明的具體實施方式進行舉例說明。

附圖說明

通過閱讀下文優選的具體實施方式中的詳細描述，本發明各種其他的優點和益處對於本領域普通技術人員將變得清楚明了。說明書附圖僅用於示出優選實施方式的目的，而並不認為是對本發明的限制。顯而易見地，下面描述的附圖僅僅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。

在附圖中：

圖1為本發明的頻譜塑形主動控制方法的步驟示意圖；

圖2為本發明的一個實施例的主動控制系統的結構示意圖；

圖3為本發明的一個實施例的簡支薄板的主動控制系統的測試平臺示意圖；

圖4(a)是簡支薄板的主動控制系統的測試平臺的來自旋轉機械的模擬初級噪聲時域圖；

圖4(b)是簡支薄板的主動控制系統的測試平臺的來自旋轉機械的模擬初級噪聲頻域圖；

圖5(a)是簡支薄板的主動控制系統的測試平臺的簡支薄板結構的次級通道頻響函數幅頻特性圖；

圖5(b)是簡支薄板的主動控制系統的測試平臺的簡支薄板結構的次級通道頻響函數相頻特性圖；

圖6(a)是簡支薄板的主動控制系統的測試平臺的無控制和有控制的殘餘振動信號幅值時域圖；

圖6(b)是簡支薄板的主動控制系統的測試平臺的無控制和有控制的殘餘振動信號幅值頻域圖；

圖6(c)是簡支薄板的主動控制系統的測試平臺的殘餘振動1～6次諧波幅值收斂圖；

圖6(d)是簡支薄板的主動控制系統的測試平臺的殘餘振動1～6次諧波相位收斂圖。

以下結合附圖和實施例對本發明作進一步的解釋。

具體實施方式

下面將參照附圖更詳細地描述本發明的具體實施例。雖然附圖中顯示了本發明的具體實施例，然而應當理解，可以以各種形式實現本發明而不應被這裡闡述的實施例所限制。相反，提供這些實施例是為了能夠更透徹地理解本發明，並且能夠將本發明的範圍完整的傳達給本領域的技術人員。

需要說明的是，在說明書及權利要求當中使用了某些詞彙來指稱特定組件。本領域技術人員應可以理解，技術人員可能會用不同名詞來稱呼同一個組件。本說明書及權利要求並不以名詞的差異來作為區分組件的方式，而是以組件在功能上的差異來作為區分的準則。如在通篇說明書及權利要求當中所提及的「包含」或「包括」為一開放式用語，故應解釋成「包含但不限定於」。說明書後續描述為實施本發明的較佳實施方式，然所述描述乃以說明書的一般原則為目的，並非用以限定本發明的範圍。本發明的保護範圍當視所附權利要求所界定者為準。

為便於對本發明實施例的理解，下面將結合附圖以幾個具體實施例為例做進一步的解釋說明，且各個附圖並不構成對本發明實施例的限定。

如圖1所示的根據本發明的頻譜塑形主動控制方法，其包括如下步驟。

第一步驟S1中，參考傳感器經由參考通道連接振源以獲得參考信號，連接所述參考傳感器的信號頻率解析器接收所述參考信號以解析得到初級噪聲頻率。

第二步驟S2中，連接所述信號頻率解析器的諧波發生器基於由所述初級噪聲頻率和預定的注射頻率組成的目標頻率產生正交諧波信號。

第三步驟S3中，連接所述諧波發生器的執行控制器基於所述正交諧波信號產生驅動信號以驅動作動器產生次級振動。

第四步驟S4中，振源經由初級通道發出初級信號和所述次級振動經由次級通道發出的次級信號在觀測點處的物理加法器疊加以產生殘餘振動信號。

第五步驟S5中，執行控制器經由次級通道模型的輸出信號和來自誤差傳感器採集的殘餘振動信號在第一信號加法器處求和，獲得初級噪聲信號的估計。

第六步驟S6中，諧波發生器產生的正交諧波信號通過參考濾波器獲得濾波後的正交諧波信號向量經過更新控制器處理後與初級噪聲的估計在第二信號加法器處求差以獲得殘餘振動信號的估計。

第七步驟S7中，目標信號發生器基於所述目標頻率產生目標信號，並將其與所述殘餘振動信號的估計在第三信號加法器處求差，獲得偽誤差信號。

第八步驟S8中，將濾波的正交諧波信號向量和偽誤差信號輸入自適應機構以調整更新控制器的係數。

在一個實施例中，第一步驟S1中，振源發出的振動信號為x(n)，參考信號為x′(n)，其中，x′(n)＝x(n)*r(n)，(F2)，在F2式中：x′(n)表示參考信號，r(n)表示參考通道的脈衝響應函數。

在一個實施例中，第二步驟S2中，頻率解析器獲取的所述初級噪聲頻率為Ωp，預定的注射頻率為Ωinj，目標頻率

Ωt＝{Ωp Ωinj}，(i＝1，2，...，Qt)，F3，式中：Qt為目標頻率數目，它是初級噪聲頻率和注射頻率數目之和，諧波發生器基於目標頻率產生的正交諧波信號向量為：Xa(n)＝cos(Ωtn)，Xb(n)＝sin(Ωtn)，(F4)。

在一個實施例中，基於次級通道引入的幅值比和相位差為：

Ps＝{psi}T＝{|S(jωi)|}T，Φs＝{φsi}T＝{∠S(jωi)}T，(i＝1，2，...，Qt)

，(F5)

幅值修正後的正交諧波信號向量表示為：

Xa，rec(n)＝diag[Ps]Xa(n)，Xb，rec(n)＝diag[Ps]Xb(n)，(F6)

式中：diag[.]表示以括號中的向量構成對角矩陣。

在一個實施例中，殘餘振動信號為

e(n)＝x(n)*p(n)+y(n)*s(n)，(F1)，式中：x(n)為振源的振動信號，p(n)為初級通道的脈衝響應函數，y(n)表示作動器的輸入信號，s(n)表示次級通道的脈衝響應函數，e(n)表示殘餘振動信號，*表示線性卷積運算；幅值修正後的正交的諧波信號向量通過執行控制器輸出為：

式中：Wa(n)和Wb(n)是執行控制器的係數，T表示轉置。

在一個實施例中，第五步驟S5中，執行控制器經由次級通道模型輸出信號和來自誤差傳感器採集的殘餘振動信號在第一信號加法器處求和得到的初級噪聲信號的估計為：式中：表示次級通道模型的脈衝響應函數。

在一個實施例中，第六步驟S6中，諧波發生器產生的正交諧波信號通過參考濾波器獲得濾波的正交諧波信號向量經過更新控制器處理後與初級噪聲的估計在第二信號加法器16處求差獲得的殘餘振動信號的估計為

，(F9)，式中：為更新控制器的輸出，Wa(n)和Wb(n)為更新控制器的係數，其和執行控制器係數相同。

在一個實施例中，第七步驟S7中，目標信號發生器基於所述目標頻率產生目標信號為t(n)＝PtTcos(Ωtn+Φt)，(F10)式中：Pt目標幅值向量，Φt為目標相位向量，並將其與所述殘餘振動信號的估計在第三信號加法器處求差獲得的偽誤差信號為

在一個實施例中，第八步驟S8中，係數調整為：

式中：μl為迭代步長。

在一個實施例中，自適應機構採用基於次級通道特性的變步長自適應律。

圖2為本發明的一個實施例的主動控制系統的結構示意圖。一種頻譜塑形主動控制方法的主動控制系統包括物理部分22、換能部分21和控制部分20，其中，物理部分22包括振源1、初級通道2、物理加法器3、參考通道4和次級通道5；換能部分21包括參考傳感器6、作動器7和誤差傳感器8，控制部分20包括信號頻率解析器9、諧波發生器10、執行控制器11、參考濾波器12、次級通道模型13、第一信號加法器14、更新控制器15、第二信號加法器16、自適應機構17、第三信號加法器18和目標信號發生器19，用於採樣參考信號的參考傳感器6經由參考通道4連接振源1，信號頻率解析器9連接所述參考傳感器6以產生初級噪聲頻率，諧波發生器10連接所述信號頻率解析器9以產生正交諧波信號，連接所述諧波發生器10和作動器7的執行控制器11基於所述正交諧波信號產生驅動信號以驅動作動器7產生次級振動，物理加法器3連接初級通道2和次級通道5以產生殘餘振動信號，執行控制器經由次級通道模型13輸出信號到第一信號加法器14，第一信號加法器14連接誤差傳感器08將所述殘餘振動信號和輸出信號求和以獲得初級噪聲信號的估計，諧波發生器經由參考濾波器12濾波連接更新控制器15，第二信號加法器16連接所述更新控制器15和第一信號加法器14獲得殘餘振動信號的估計，連接所述信號頻率解析器9的目標信號發生器連接第三信號加法器18獲得偽誤差信號，濾波的正交諧波信號向量和偽誤差信號輸入自適應機構17以調整更新控制器15的係數。

在一個實施例中，當所述主動控制系統用於主動控制簡支薄板的振動時，所述次級通道為簡支薄板本體。

在一個實施例中，所述主動控制系統包括存儲器，所述存儲器包括一個或多個只讀存儲器ROM、隨機存取存儲器RAM、快閃記憶體或電子可擦除可編程只讀存儲器EEPROM。

為了進一步理解本發明，圖3為本發明的一個實施例的簡支薄板的主動控制系統的測試平臺示意圖，如圖3所示，振源1可以是噪聲源，例如用激振器模擬的振源，模擬的信號來某旋轉機械的實測信號，參考傳感器6通過參考通道連接振源，信號頻率解析器9連接用於採樣參考信號的所述參考傳感器6以產生初級噪聲頻率，諧波發生器10連接所述信號頻率解析器9以產生正交諧波信號，連接所述諧波發生器10和作動器7的執行控制器11基於所述正交諧波信號產生驅動信號以驅動作動器7產生次級振動，物理加法器3連接如簡支薄板的初級通道2和次級通道5以產生殘餘振動信號，執行控制器經由次級通道模型13輸出信號到第一信號加法器14，第一信號加法器14連接誤差傳感器08將所述殘餘振動信號和輸出信號求和以獲得初級噪聲信號的估計，諧波發生器經由參考濾波器12濾波連接更新控制器15，第二信號加法器16連接所述更新控制器15和第一信號加法器14獲得殘餘振動信號的估計，連接所述信號頻率解析器9的目標信號發生器連接第三信號加法器18獲得偽誤差信號，濾波的正交諧波信號向量和偽誤差信號輸入自適應機構17以調整更新控制器15的係數。信號調理器一端連接誤差傳感器和簡支薄板的次級通道，另一端連接控制器，功率放大器一端連接作動器，另一端連接控制器。

本發明的控制效果進行進一步的說明。圖4(a)是簡支薄板的主動控制系統的測試平臺的來自旋轉機械的模擬初級噪聲時域圖，圖4(b)是簡支薄板的主動控制系統的測試平臺的來自旋轉機械的模擬初級噪聲頻域圖。如圖4a和b所示，採樣頻率設置為3000Hz，1～5階頻率分別為38.609Hz1×、77.220Hz2×、115.83Hz3×、154.44Hz4×和193.05Hz5×。其中各個分量的幅值分別約為0.0087mm、0.0113mm、0.0034mm、0.0019mm和0.0012mm。各個頻率的初始相位分別約為88.00°、57.63°、89.81°、111.1°和154.3°。進一步地，次級通道模型可具有50前向係數和50反饋係數的IIR濾波器。

次級通道模型利用作動器產生白噪聲以及誤差傳感器獲取的響應信號進行辨識，圖5(a)是簡支薄板的主動控制系統的測試平臺的簡支薄板結構的次級通道頻響函數幅頻特性圖，圖5(b)是簡支薄板的主動控制系統的測試平臺的簡支薄板結構的次級通道頻響函數相頻特性圖。基於圖5a和b所示的幅頻特性和相頻特性，在實施例中，我們考慮一般的頻譜塑形模式，並在第6階諧波231.65Hz處考慮一個頻率的注入。算例設定1～6階的目標幅值分別為0.0000mm、0.0068mm、0.0034mm、0.0056mm、0.0046mm和0.0078mm，目標相位分別為0°、160°、130°、100°、70°和40°，則幅值比可以表示為0、0.6、1、3、4和0.9*，分別代表消除1×分量，消減2×分量為其50％，保持3×分量，增強4×為其200％，增強5×分量為其400％，注入6×分量，且幅值為基頻1×的90％。

圖6(a)是簡支薄板的主動控制系統的測試平臺的無控制和有控制的殘餘振動信號幅值時域圖，圖6(b)是簡支薄板的主動控制系統的測試平臺的無控制和有控制的殘餘振動信號幅值頻域圖。可以看出有控制和無控制的殘餘振動信號開始的時候相等，一段時間過後，有控制的殘餘振動信號的相位和幅值波形的形狀都發生了改變。圖6b可以看本發明的系統可以成功實現殘餘振動的消除、消減、保持、增強和注射五種模式。

圖6(c)是簡支薄板的主動控制系統的測試平臺的殘餘振動1～6次諧波幅值收斂圖，圖6(d)是簡支薄板的主動控制系統的測試平臺的殘餘振動1～6次諧波相位收斂圖。這兩圖分別顯示了殘餘振動的幅值和相位的收斂趨勢，可以看出它們也都可以準確地收斂於它們的目標虛線，包括注入頻率。

可見，本發明可以分別獨立控制殘餘振動不同頻率分量的幅值和相位，可以注入初級噪聲不含的頻率成分，並控制它的幅值和相位，諧波發生器包含的幅值補償可以提升系統的收斂性。上述測試平臺的減振消噪的結果驗證了本發明的主動控制系統的高效性。

儘管以上結合附圖對本發明的實施方案進行了描述，但本發明並不局限於上述的具體實施方案和應用領域，上述的具體實施方案僅僅是示意性的、指導性的，而不是限制性的。本領域的普通技術人員在本說明書的啟示下和在不脫離本發明權利要求所保護的範圍的情況下，還可以做出很多種的形式，這些均屬於本發明保護之列。