[发明专利]一种基于麦克风阵列的风机管道ANC系统参考信号构造方法

说明书

一种基于麦克风阵列的风机管道ANC系统参考信号构造方法。以麦克风阵列设备作为前馈式ANC系统的参考信号传感器，算法基于FFT和二次插值法估计管道风机噪声中的旋转噪声频率，在完成旋转噪声分量提取等阵列数据预处理后，对于均匀环形阵列，首先进行圆谐波变换，对于均匀线性阵列或变换所得虚拟线性阵列，进行子阵划分并执行前后向空间平滑，对平滑后的阵列数据协方差矩阵进行对角加载，进而执行MPDR或LCMP波束成形，最终基于最小二乘法对波束成形所得的数据序列进行振幅和相位的估计，配合定时器构造出高质量风机旋转噪声参考信号。本发明的方法提高了FxLMS等前馈式ANC算法的稳定性和风机旋转噪声的抑制效果。

技术领域

本发明属于主动噪声控制(Active Noise Control,ANC)领域，涉及一种基于麦克风阵列的风机管道ANC系统参考信号构造方法。

技术背景

在噪声控制技术中，主要有“被动噪声控制”和“主动噪声控制”两种手段。其中被动噪声控制主要采用特殊吸声材料包裹或填充噪声传播路径来完成噪声的控制，此方法主要用于高频噪声的抑制。对于低频噪声，由于声波波长较长，被动噪声控制对于材料性能和尺寸的要求较高，往往难以实现，且在很多应用场景下，被动噪声控制设备的安装将受到限制。而主动噪声控制与之相比，具有设备简单、安装便捷及对于低频噪声有良好抑制效果的特点，正逐渐成为噪声控制的主流技术。

随着社会经济的进步，人们愈发追求学习、工作环境中良好的听觉体验。不难想象，在写字楼、教学楼和图书馆等环境中，若中央空调等风机设备在满足出风量的同时，发出的噪声能得到有效控制，则此时的环境将更有利于人们专注地工作和学习。风机管道噪声控制这一经典的课题便是在这样的大背景下越来越受到重视。

一些研究风机噪声的文献，如武汉理工大学的伍先俊等人于2001年发表的期刊论文《风机叶片噪声机理及降噪》及郑冬明于1998年发表的《风机噪声的控制》等，共同论述了风机噪声产生的机理和噪声特点，并指出风机噪声主要由中低频为主的旋转噪声(周期性噪声)和中高频为主的湍流噪声所组成，前者在风机高转速低负荷的情况下构成了风机噪声的主要元素。对于湍流噪声，可用被动噪声控制的手段进行抑制，而对于旋转噪声，则需要引入ANC技术来进行有效抑制。

在ANC技术中，常见的控制系统分为前馈型和反馈型结构，二者的主要区别在于反馈型ANC系统仅有误差信号参与自适应滤波器系数的调节，而前馈型ANC系统除了误差反馈信号外，还有初级噪声源的前馈参考信号共同参与自适应滤波过程，因此前馈型系统通常具有更优的系统稳定性和降噪性能。前馈式ANC主要采用FxLMS、FxNLMS及FxRLS等经典算法，其中ANC控制器为兼顾算法逐点自适应这一严苛的实时性要求，通常采用专用于实时音频信号处理的DSP或FPGA设备，一般需要两路音频输入接口和一路音频输出接口。

在前馈型ANC系统中，参考信号主要存在次级扬声器到参考麦克风的声反馈、声波多径传播的声反射两种高度相干的干扰及其他方向上的如人类语音等非相干干扰，将影响系统的稳定性与降噪性能。因此如何获取高质量的参考信号成为前馈型ANC系统的研究重点。

一类规避参考信号干扰方法如中国发明专利申请，公开号CN113257214A所述，采用转速计这一非声学传感器来替代参考麦克风，获取风机旋转噪声的基波频率用以构造参考信号。

对比此类系统，本发明原始参考信号的采集利用麦克风这一声学传感器完成，结合相应算法，使得构造的信号可以保留旋转噪声的振幅信息和相位信息，此二者事实上构成FxLMS等ANC算法的主要调节对象。

在参考传感器采用声学传感器时，常见的相关硬件部分如哈尔滨工业大学的于梦娇于2013年发表的硕士学位论文《管道低频噪声主动控制系统的DSP实现》所述，参考麦克风往往仅由单只麦克风构成，且初级噪声往往由ANC控制器内部生成，参考信号的频率等参量被视为已知量。

对比此类系统，本发明以参考麦克风阵列设备替代单只麦克风，同时结合相应估计算法，无需获取信号频率和相位的先验信息。