本發(fā)明涉及有源噪聲控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于管道噪聲有源控制的次級(jí)通道快速辨識(shí)方法。

背景技術(shù)：

有源噪聲控制技術(shù)對(duì)低頻段噪聲具有很好的降噪效果。控制的關(guān)鍵點(diǎn)在于通過誤差傳聲器實(shí)時(shí)跟蹤初始噪聲的變化以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)控制器參數(shù)。濾波-X最小均方誤差算法(Filtered-X Least mean square,FXLMS)是最為典型的控制算法，該算法中包含一項(xiàng)濾波-X的信號(hào)矢量，它是輸入信號(hào)矢量與次級(jí)通道脈沖響應(yīng)函數(shù)的卷積。次級(jí)通道(secondary path)是指系統(tǒng)中從次級(jí)聲源到誤差傳聲器之間的信號(hào)通路，其對(duì)于整個(gè)有源噪聲控制系統(tǒng)有著非常重要的影響。準(zhǔn)確辨識(shí)次級(jí)通道模型并獲得精確的傳遞函數(shù)是實(shí)現(xiàn)有源噪聲控制的關(guān)鍵之一。

盡管現(xiàn)在已有有效的次級(jí)通道辨識(shí)方法，但由于引入了附加噪聲，導(dǎo)致有源噪聲控制過程與次級(jí)通道辨識(shí)過程產(chǎn)生相互干擾，使得整個(gè)系統(tǒng)的性能下降。也有通過使用3個(gè)交叉更新的自適應(yīng)濾波器來避免有源控制部分與次級(jí)通道辨識(shí)過程之間的相互干擾。但以上做法額外增加了自適應(yīng)濾波器或者忽略了控制濾波器及附加噪聲對(duì)辨識(shí)的影響，且算法步長(zhǎng)范圍的控制難以應(yīng)用于實(shí)際。切使得計(jì)算復(fù)雜性大幅度提高，產(chǎn)生不必要的計(jì)算量，很難滿足實(shí)際的工程實(shí)時(shí)性要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種辨識(shí)速度快、辨識(shí)精度高，且抗噪聲能力強(qiáng)的應(yīng)用于管道噪聲有源控制的次級(jí)通道快速辨識(shí)方法。

考慮到現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)方面，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種應(yīng)用于管道噪聲有源控制的次級(jí)通道快速辨識(shí)方法，包括：

使用比例化的步長(zhǎng)控制矩陣，在更新中為大的權(quán)系數(shù)賦予大的步長(zhǎng)因子，為小的權(quán)系數(shù)賦予小的步長(zhǎng)因子；

以及將步長(zhǎng)迭代融入自適應(yīng)目標(biāo)函數(shù)中，共同完成次級(jí)通道的快速精確辨識(shí)，用于避免管道噪聲有源控制系統(tǒng)噪聲對(duì)次級(jí)通道辨識(shí)系統(tǒng)的影響。

為了更好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，進(jìn)一步的技術(shù)方案是：

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，在自適應(yīng)的辨識(shí)過程中引入了一個(gè)步長(zhǎng)控制矩陣：

K(n)＝diag{k₀(n),k₁(n),…,k_M-1(n)}

其中，M為濾波器的長(zhǎng)度；m取值從0到M-1；S(n)為脈沖響應(yīng)的系數(shù)，ε為避免初始系數(shù)定義為零時(shí)導(dǎo)致算法凍結(jié)問題而設(shè)置的極小正值。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，在實(shí)際應(yīng)用中α取值一般介于0到-0.5之間。

本發(fā)明還可以是：

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，在算法收斂階段采用較大的步長(zhǎng)因子以取得較快的收斂速度；在算法收斂后使用較小的步長(zhǎng)因子以取得較小的穩(wěn)態(tài)失調(diào)量，利用誤差信號(hào)與步長(zhǎng)函數(shù)構(gòu)建一個(gè)新的最優(yōu)判據(jù)準(zhǔn)則進(jìn)而得到步長(zhǎng)變化規(guī)律：

μ(n)＝κμ(n-1)+4βτe(n)X^T(n)e(n-1)X(n-1)

其中，X(n)為輸入信號(hào)；e(n)為誤差信號(hào)；β為在傳統(tǒng)辨識(shí)算法的目標(biāo)函數(shù)與步長(zhǎng)函數(shù)之間均衡量，一般接近于1；τ為一極小正值；κ＝1-2(1-β)τ。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，將權(quán)利要求2、3的辨識(shí)過程的優(yōu)化，得到自適應(yīng)辨識(shí)過程中的權(quán)系數(shù)為：

其中，δ為避免系統(tǒng)發(fā)散的而取的一極小正值。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果之一是：

本發(fā)明的一種應(yīng)用于管道噪聲有源控制的次級(jí)通道快速辨識(shí)方法，能夠快速精確獲得次級(jí)通道的傳遞函數(shù)權(quán)系數(shù)，提高管道噪聲有源控制效果。

附圖說明

為了更清楚的說明本申請(qǐng)文件實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)的描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅是對(duì)本申請(qǐng)文件中一些實(shí)施例的參考，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的情況下，還可以根據(jù)這些附圖得到其它的附圖。

圖1為次級(jí)通道在線辨識(shí)的有源噪聲控制原理框圖。

圖2為管道噪聲有源控制原理結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為次級(jí)通道快速辨識(shí)方法仿真流程框圖。

圖4為次級(jí)通道快速辨識(shí)方法仿真結(jié)果示意圖。

圖5為管道噪聲有源控制次級(jí)通道辨識(shí)方法性能對(duì)比示意圖。

圖6為管道噪聲有源控制次級(jí)通道辨識(shí)實(shí)際結(jié)果示意圖。

圖7為管道噪聲有源控制的降噪效果示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例1

如圖1所示，附圖1為一般的次級(jí)通道辨識(shí)框圖。信號(hào)源為噪聲發(fā)生器，x(n)為實(shí)際的噪聲信號(hào)，S(z)為未知的次級(jí)聲學(xué)路徑傳遞函數(shù)，Sh(z)為通過自適應(yīng)算法辨識(shí)出的模擬次級(jí)聲學(xué)路徑傳遞函數(shù)，e(n)為殘差信號(hào)。

依自適應(yīng)的最小均方誤差算法，權(quán)系數(shù)的更新為：Sh(n+1)＝Sh(n)+μe(n)X(n)

其中，Sh(n+1)為權(quán)系數(shù)，X(n)為對(duì)對(duì)輸入信號(hào)x(n)的矩陣表達(dá)；

為了改善算法的快速收斂性能，對(duì)權(quán)向量的更新作歸一化處理，權(quán)系數(shù)更新為：

其中，X^T表示矩陣的轉(zhuǎn)置；

δ_NLMS為一極小正值，防止在初始化時(shí)分母為零而導(dǎo)致算法無法運(yùn)行。

以管道為應(yīng)用背景的有源噪聲控制，其次級(jí)通道的脈沖響應(yīng)具有稀疏性的特征，尤其在為保證系統(tǒng)有足夠高精度采用較高的階數(shù)時(shí)。將比例的思想融入自適應(yīng)辨識(shí)算法中，在加快算法收斂速度的同時(shí)保持較小的穩(wěn)態(tài)失調(diào)量。在自適應(yīng)過程中引入一個(gè)步長(zhǎng)控制矩陣K(n)，為各個(gè)權(quán)系數(shù)賦予不同的步長(zhǎng)。

K(n)＝diag{k₀(n),k₁(n),…,k_M-1(n)}

M為次級(jí)通道的階數(shù)(濾波器的長(zhǎng)度)；m取值從0到M-1；S(n)為脈沖響應(yīng)的系數(shù)(權(quán)系數(shù))，ε為避免初始系數(shù)定義為零時(shí)導(dǎo)致算法凍結(jié)問題而設(shè)置的極小正值，在實(shí)際應(yīng)用中取值一般介于0到-0.5之間。為了避免干擾噪聲對(duì)穩(wěn)態(tài)性能的影響，步長(zhǎng)的更新采用類似誤差信號(hào)相關(guān)函數(shù)的方法。利用誤差信號(hào)與步長(zhǎng)函數(shù)構(gòu)建一個(gè)新的最優(yōu)判據(jù)準(zhǔn)則進(jìn)而得到步長(zhǎng)變化規(guī)律。

J(n)＝βe²(n)+(1-β)μ²(n-1)

上式右邊第二項(xiàng)是為確保步長(zhǎng)變化穩(wěn)定，β為兩項(xiàng)之間的均衡。采用最速下降法，得到步長(zhǎng)更新為：

μ(n)＝κμ(n-1)+4βτe(n)X^T(n)e(n-1)X(n-1)

κ＝1-2(1-β)τ，取值介于0到1之間。

對(duì)步長(zhǎng)更新公式取數(shù)學(xué)期望，得到

E[μ(n)]＝κE[μ(n-1)]+4βτE[e(n)e(n-1)]E[X^T(n)X(n-1)]

假設(shè)自適應(yīng)過程中的干擾噪聲為ξ(n)，最優(yōu)權(quán)系數(shù)為Sh*(n)，則期望信號(hào)表示為：

d(n)＝X^T(n)Sh*(n)+ξ(n)

結(jié)合誤差信號(hào)的計(jì)算方式，可得到

E[e(n)e(n-1)]＝E[V^T(n)X(n)X^T(n)V(n)]

其中V(n)＝Sh(n)-Sh^*(n)，此變量衡量了自適應(yīng)過程中的權(quán)系數(shù)距離當(dāng)前最優(yōu)權(quán)系數(shù)的遠(yuǎn)近。在步長(zhǎng)更新函數(shù)中引入此變量的目的是尋求收斂過程中的最優(yōu)步長(zhǎng)。最重要的是上述計(jì)算中已經(jīng)消除了干擾噪聲ξ(n)，有效提高了整個(gè)系統(tǒng)的抗噪聲干擾能力。

總結(jié)上述描述，次級(jí)通道自適應(yīng)辨識(shí)過程中的權(quán)系數(shù)更新為：

實(shí)施例2

管道噪聲有源控制原理如圖2所示，次級(jí)通道的辨識(shí)采用了在線建模的方式。次級(jí)通道具體路徑為從次級(jí)揚(yáng)聲器到誤差傳聲器之間的完整物理通路，有聲場(chǎng)、電聲器件、電子線路三部分組成。

次級(jí)揚(yáng)聲器與誤差傳聲器之間的距離小，能有效減少管道噪聲有源控制中的計(jì)算量。但實(shí)際工程實(shí)施時(shí)，此距離都會(huì)受到較大限制。

假設(shè)管道噪聲有源控制中次級(jí)通道是線性的，其傳遞函數(shù)可以使用有限沖擊響應(yīng)(FIR)來表示。將管道聲傳播方向的聲場(chǎng)簡(jiǎn)單視為擴(kuò)散聲場(chǎng)，其通道建模濾波器長(zhǎng)度將與采樣頻率、混響時(shí)間有關(guān)。

次級(jí)通道建模濾波器階數(shù)越高，有源噪聲控制效果越好，但同時(shí)帶來的計(jì)算量也越大，對(duì)實(shí)時(shí)性的要求也越高。

在管道噪聲有源控制的實(shí)際應(yīng)用中，次級(jí)通道的脈沖響應(yīng)具有稀疏性的結(jié)構(gòu)特征。針對(duì)此特征，采用比例化的方法在保證了次級(jí)通道建模濾波器階數(shù)較高時(shí)也能滿足應(yīng)用實(shí)時(shí)性要求，同時(shí)穩(wěn)態(tài)失調(diào)性能也有一定改善。

管道噪聲有源控制的應(yīng)用中，控制過程中的聲信號(hào)(如次級(jí)噪聲)對(duì)于辨識(shí)過程來說是噪聲，辨識(shí)過程中的由噪聲發(fā)生器發(fā)出的白噪聲對(duì)控制過程來說也是噪聲。這種噪聲主要影響了自適應(yīng)過程中權(quán)系數(shù)的更新。

采用類似誤差信號(hào)相關(guān)函數(shù)的方法，利用誤差信號(hào)與步長(zhǎng)函數(shù)構(gòu)建一個(gè)新的最優(yōu)判據(jù)準(zhǔn)則進(jìn)而得到步長(zhǎng)變化規(guī)律從而避免系統(tǒng)之間相互的噪聲干擾。

下面以某一內(nèi)徑為200毫米的管道噪聲有源控制次級(jí)通道辨識(shí)為例對(duì)該方法的具體實(shí)施方式做詳細(xì)說明。

次級(jí)揚(yáng)聲器與誤差傳聲器之間構(gòu)成的次級(jí)通道實(shí)際距離為60厘米，選擇有限沖擊響應(yīng)濾波器作為次級(jí)通道建模濾波器，階數(shù)為512階，初始狀態(tài)下默認(rèn)次級(jí)通道建模濾波器各階系數(shù)均為零。

如附圖3所示，該次級(jí)通道辨識(shí)方法依照以下步驟：

步驟1，輸入信號(hào)初始化，步長(zhǎng)控制矩陣初始化，次級(jí)通道傳遞函數(shù)初始化，確定權(quán)系數(shù)更新中所需的各項(xiàng)系數(shù)。

步驟2，次級(jí)通道的激勵(lì)輸入信號(hào)為白噪聲，由附圖1中的隨機(jī)噪聲發(fā)生器生成。該白噪聲與控制系統(tǒng)中的初級(jí)噪聲不相關(guān)，用于充分激發(fā)次級(jí)通道中的各頻率響應(yīng)，且其聲能量不至于對(duì)實(shí)際次級(jí)揚(yáng)聲器的輸出造成過大的干擾。次級(jí)揚(yáng)聲器發(fā)出的聲信號(hào)作為辨識(shí)系統(tǒng)的輸入信號(hào)x(n)。

輸入信號(hào)矢量X(n)＝[x(n),x(n-1),…,x(n-M+1)]，等式右端表示輸入序列，輸入信號(hào)x(n)依次由序列左端輸入，右端刪除。

步驟3，根據(jù)上一次更新所得的次級(jí)通道的權(quán)系數(shù)Sh(n)，結(jié)合步長(zhǎng)控制矩陣：

K(n)＝diag{k₀(n),k₁(n),…,k_M-1(n)}

計(jì)算對(duì)應(yīng)于各階權(quán)系數(shù)的步長(zhǎng)。

步驟4，在所述的次級(jí)通道辨識(shí)系統(tǒng)中，接收到的輸入信號(hào)x(n)與次級(jí)通道建模濾波器各階系數(shù)做卷積的結(jié)果作為輸出信號(hào)。

輸出信號(hào)與誤差傳聲器采集的信號(hào)作差所得作為誤差信號(hào)e(n)。

步驟5，使用誤差信號(hào)e(n)與上一次更新所得到的步長(zhǎng)函數(shù)μ(n-1)，代入

J(n)＝βe²(n)+(1-β)μ²(n-1)

使用最速下降法

整理得到新的步長(zhǎng)函數(shù)

μ(n)＝κμ(n-1)+4βτe(n)X^T(n)e(n-1)X(n-1)

在次級(jí)通道建模濾波器權(quán)系數(shù)未收斂到最優(yōu)值時(shí)，誤差信號(hào)e(n-1)較大，步長(zhǎng)函數(shù)等式右端第二項(xiàng)相應(yīng)較大，權(quán)系數(shù)以較快速度趨近最優(yōu)值，意味著辨識(shí)速度快；在次級(jí)通道建模濾波器權(quán)系數(shù)接近收斂于最優(yōu)值時(shí)，誤差信號(hào)e(n-1)較小，步長(zhǎng)函數(shù)等式右端第二項(xiàng)相應(yīng)較小，權(quán)系數(shù)在最優(yōu)值附近波動(dòng)也較小，意味著辨識(shí)精度高。

將以上所得帶入

即可完成依次次級(jí)通道建模濾波器的辨識(shí)更新。

使用本發(fā)明所提出的辨識(shí)算法與傳統(tǒng)算法進(jìn)行對(duì)比。附圖4為對(duì)比結(jié)果，可以看出：對(duì)于管道噪聲有源控制的次級(jí)通道辨識(shí)，3種方法的辨識(shí)結(jié)果基本上都與次級(jí)通道的實(shí)際脈沖響應(yīng)吻合。但在脈沖響應(yīng)系數(shù)變化較大的位置，本發(fā)明所提出方法的吻合度優(yōu)于其他兩種方法。因此，可以認(rèn)為IPNLMS算法能夠更為精準(zhǔn)地辨識(shí)出實(shí)際次級(jí)聲通道。

為進(jìn)一步說明本發(fā)明所提出方法在次級(jí)通道辨識(shí)上的優(yōu)越性，對(duì)辨識(shí)的速度、精度也做了對(duì)比。如附圖5所示，可以看出本發(fā)明所提出的方法能切實(shí)有效的加快辨識(shí)速度、提高辨識(shí)精度。

更進(jìn)一步的說明本發(fā)明所提出方法在管道噪聲有源控制實(shí)際應(yīng)用中的作用，采用如附圖2所示結(jié)構(gòu)裝置進(jìn)行管道噪聲有源控制試驗(yàn)，結(jié)果如附圖7所示。

綜上，本發(fā)明使用比例化的步長(zhǎng)控制矩陣，在更新中為大的權(quán)系數(shù)賦予大的步長(zhǎng)因子，為小的權(quán)系數(shù)賦予小的步長(zhǎng)因子(μ(n)＝κμ(n-1)+4βτe(n)X^T(n)e(n-1)X(n-1))；以及將步長(zhǎng)迭代融入自適應(yīng)目標(biāo)函數(shù)中，共同完成次級(jí)通道的快速精確辨識(shí)，用于避免管道噪聲有源控制系統(tǒng)噪聲對(duì)次級(jí)通道辨識(shí)系統(tǒng)的影響。

本說明書中各個(gè)實(shí)施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其它實(shí)施例的不同之處，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似部分相互參見即可。

在本說明書中所談到的“一個(gè)實(shí)施例”、“另一個(gè)實(shí)施例”、“實(shí)施例”、等，指的是結(jié)合該實(shí)施例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)或者特點(diǎn)包括在本申請(qǐng)概括性描述的至少一個(gè)實(shí)施例中。在說明書中多個(gè)地方出現(xiàn)同種表述不是一定指的是同一個(gè)實(shí)施例。進(jìn)一步來說，結(jié)合任一實(shí)施例描述一個(gè)具體特征、結(jié)構(gòu)或者特點(diǎn)時(shí)，所要主張的是結(jié)合其他實(shí)施例來實(shí)現(xiàn)這種特征、結(jié)構(gòu)或者特點(diǎn)也落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

盡管這里參照本發(fā)明的多個(gè)解釋性實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是，應(yīng)該理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以設(shè)計(jì)出很多其他的修改和實(shí)施方式，這些修改和實(shí)施方式將落在本申請(qǐng)公開的原則范圍和精神之內(nèi)。更具體地說，在本申請(qǐng)公開和權(quán)利要求的范圍內(nèi)，可以對(duì)主題組合布局的組成部件和/或布局進(jìn)行多種變型和改進(jìn)。除了對(duì)組成部件和/或布局進(jìn)行的變型和改進(jìn)外，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，其他的用途也將是明顯的。