77、非平稳窄带声学干扰的主动抑制与设备噪声控制方法

非平稳窄带声学干扰的主动抑制与设备噪声控制方法

1. 非平稳窄带声学干扰主动抑制相关研究

在声学领域，非平稳窄带声学干扰的主动抑制是一个重要的研究方向。研究人员通过对比基本 SONIC 控制器和鲁棒 SONIC 控制器在声学管道受到机械冲击干扰时的控制效果，来探索更有效的控制策略。

相关研究成果

众多学者在该领域开展了大量研究，取得了一系列成果：
|序号|研究内容|
| ---- | ---- |
|1|Nelson 和 Elliot 对声音的主动控制进行了研究。|
|2|Kuo 和 Morgan 探讨了有源噪声控制系统的算法和 DSP 实现。|
|3|van Trees 等人研究了检测、估计和调制理论。|
|4|Morgan 分析了辅助路径带滤波器的多相关消除回路。|
|5|Crawford 和 Stewart 提出了有源噪声控制的自适应滤波 - V 算法。|
|6|Eriksson 等人研究了用于有源声音衰减的 IIR 自适应滤波器的选择和应用。|
|7|Eriksson 开发了有源噪声控制的滤波 - U 算法。|
|8|Skogestad 和 Postlethwaite 进行了多变量反馈控制的分析和设计。|
|9|Nehorai 提出了具有约束极点和零点的最小参数自适应陷波滤波器。|
|10|Regalia 改进了基于格型的自适应 IIR 陷波滤波器。|
|11|Tichavský 和 Händel 提出了两种用于自适应检索噪声中缓慢时变多正弦波的算法。|
|12|Schimidt 研究了多发射器定位和信号参数估计。|
|13|Roy 和 Kailath 提出了通过旋转不变技术估计信号参数的 ESPRIT 方法。|

研究意义

这些研究为非平稳窄带声学干扰的主动抑制提供了理论基础和技术支持，有助于开发更高效、更鲁棒的控制器，以应对复杂的声学环境。

2. 设备噪声控制方法

噪声问题及传统解决方案

在日常生活和工作中，设备产生的噪声是一个普遍存在的问题。噪声不仅会影响人们的注意力和心情，还可能对人体健康造成损害，如导致听力下降、引发压力反应等。传统的噪声防护方法是使用被动隔音材料，但这种方法在低频时往往效果不佳，而且可能会增加设备的体积和重量，甚至导致设备过热损坏。

主动控制方法的引入

为了解决传统方法的不足，研究人员开始探索主动控制方法。在经典的有源噪声控制（ANC）中，通过引入额外的次级声源，利用杨氏原理的相消干涉来抵消原始初级声源产生的噪声。次级声源还可以改变辐射声阻抗，减少声功率辐射或吸收初级声功率。然而，在实际应用中，这种方法存在诸多问题，如在扩散声场中难以实现全局有源噪声控制，通常只能创建局部的“安静区域”，且在用户移动和噪声非平稳时效果不佳。

振动板作为次级声源

振动板作为次级声源在 ANC 中的应用也受到了关注。虽然振动板作为次级声源的想法早已为人所知，但由于其非线性和振幅响应的高变化性，比扬声器更难控制。对于许多应用，需要在单个板上安装多个执行器，这进一步增加了控制的复杂性。当噪声源与需要降噪的区域被墙壁（如板、窗户、外壳等）隔开时，可以使墙壁振动以阻止噪声通过，这种方法被称为主动结构声学控制（ASAC）。振动可以通过压电贴片或堆栈，或不同类型的振动器来产生，根据控制策略，它们可以用于减少板的声音传输和发射。

主动设备外壳的概念

研究人员提出了开发主动设备外壳的概念，即使用薄壁外壳包围噪声产生设备，通过压电或电动激励器使外壳壁振动，控制信号驱动激励器，以实现设备的声学隔离。该研究分为三个阶段：
1. 刚性框架结构外壳 ：考虑每个壁由单独面板组成的刚性框架结构外壳，这种设计减少了单个壁强迫振动之间的相互作用，但无法避免面板振动产生的噪声干扰。
2. 无框架柔性外壳 ：研究轻量级无框架柔性外壳，其中壁振动的控制会强烈刺激其他壁，振动壁会改变相邻壁的边界条件，并通过声场产生额外的干扰。
3. 实际设备 ：以市场上的洗衣机为例，考虑其复杂的结构、散热通风口、发动机支架、结构褶皱和非平稳噪声等因素。

研究成果

研究人员开发了单面板和双面板壁以及整个外壳的物理模型，通过实验室测量和多物理场软件的数值分析进行验证，并用于优化传感器、执行器和无源元件的分布，以提高声学隔离效果。通过设计多种控制结构、算法和数据交换程序，在整个房间内实现了对 tonal 或多 tonal 噪声的全局降噪超过 10 dB（在某些区域甚至超过 20 dB）。此外，通过虚拟麦克风控制方法，主动外壳成为一种自主解决方案，无需在房间内围绕外壳使用麦克风，仅使用粘贴在壁上的结构点或表面传感器，且能保证在房间环境变化时稳定运行。

其他控制方法

除了主动控制方法，研究人员还考虑了半主动控制和被动控制方法。半主动控制中，粘贴在外壳壁上的压电贴片将机械能转化为电能，然后通过电路耗散，自动控制仅负责确保电路中的适当切换。被动控制方法则通过优化过程在面板表面安装额外的肋和质量，以改善选定频段的声学隔离，该方法无需控制系统，运行时不消耗能量。

研究展望

未来的研究可以进一步优化主动设备外壳的设计和控制策略，提高其在复杂噪声环境下的降噪效果。同时，可以探索更多的控制方法和技术，结合多种控制手段，实现更高效、更智能的设备噪声控制。此外，还可以将研究成果应用于更多领域，如工业设备、交通工具等，以改善人们的生活和工作环境。

3. 总结

非平稳窄带声学干扰的主动抑制和设备噪声控制是声学领域的重要研究方向。通过对现有研究的总结和分析，我们可以看到，主动控制方法在解决设备噪声问题方面具有巨大的潜力。未来的研究需要不断探索和创新，结合多种控制手段，开发更高效、更鲁棒的噪声控制技术，以满足日益增长的降噪需求。

以下是研究阶段的 mermaid 流程图：

graph LR
    A[研究开始] --> B[刚性框架结构外壳]
    B --> C[无框架柔性外壳]
    C --> D[实际设备（如洗衣机）]
    D --> E[研究结束]

通过以上的研究和实践，我们有望在设备噪声控制领域取得更大的突破，为人们创造一个更安静、更舒适的环境。

非平稳窄带声学干扰的主动抑制与设备噪声控制方法

4. 主动设备外壳研究的具体实施与效果

物理模型开发与验证

在开发主动设备外壳的过程中，物理模型的构建至关重要。研究人员针对单独的单面板和双面板壁以及整个外壳都开发了物理模型。这些模型包含了各种振动声学相互作用，如壁与壁之间的振动传递、声辐射等。为了确保模型的准确性，通过实验室测量和使用多物理场软件进行数值分析来验证模型。例如，在实验室中对不同结构的壁进行振动测试，测量其振动响应和声学特性，然后与模型的模拟结果进行对比。通过这种方式，可以对模型进行调整和优化，使其更符合实际情况。

传感器、执行器和无源元件的优化分布

物理模型还被用于优化传感器、执行器和无源元件的分布。传感器用于检测设备的振动和声学信号，执行器用于产生控制所需的振动，无源元件则可以改善壁的声学特性。优化的目标是提高声学隔离效果，减少噪声的传播。具体的优化过程如下：
1. 确定优化目标 ：明确要达到的声学隔离指标，如特定频率范围内的降噪量。
2. 建立优化模型 ：根据物理模型，将传感器、执行器和无源元件的位置和参数作为变量，将声学隔离指标作为目标函数。
3. 选择优化算法 ：可以使用遗传算法、粒子群算法等优化算法来寻找最优解。
4. 进行优化计算 ：通过优化算法不断调整变量的值，直到达到优化目标。

控制结构、算法和数据交换程序设计

为了实现主动设备外壳的有效控制，研究人员设计了多种控制结构、算法和数据交换程序。控制结构决定了系统的整体架构，算法用于计算控制信号，数据交换程序则负责传感器、执行器和控制器之间的数据传输。例如，采用自适应控制算法可以根据噪声的变化实时调整控制信号，提高系统的适应性。通过这些设计，可以实现对设备外壳的精确控制，达到全局降噪的效果。

实验结果验证

实验结果表明，主动设备外壳在降噪方面取得了显著的效果。对于 tonal 或多 tonal 噪声，在整个房间内实现了超过 10 dB 的全局降噪，在某些区域甚至超过 20 dB。这些结果通过使用校准的声音分析仪进行测量，并根据当前标准进行正式的计量分析得到了验证。此外，虚拟麦克风控制方法使得主动外壳成为一种自主解决方案，无需在房间内围绕外壳使用麦克风，仅使用粘贴在壁上的结构点或表面传感器，并且能够保证在房间环境变化时稳定运行。例如，当房间内有人移动或设备重新布置时，系统仍然能够保持良好的降噪效果。

5. 半主动控制和被动控制方法

半主动控制

半主动控制是一种介于主动控制和被动控制之间的方法。在半主动控制中，粘贴在外壳壁上的压电贴片将机械能转化为电能，然后通过电路耗散。自动控制仅负责确保电路中的适当切换，例如根据噪声的强度和频率调整电路的参数。这种方法的优点是不需要大量的外部能量输入，同时可以根据实际情况进行一定程度的调整。

被动控制

被动控制方法则是通过优化壁的结构来改善声学隔离效果。具体来说，通过在面板表面安装额外的肋和质量，根据精确定义的要求来塑造振动面板的频率响应。这种方法不需要任何控制系统，运行时不消耗能量。在优化过程中，需要考虑肋和质量的位置、数量和大小等因素，以达到最佳的声学隔离效果。同时，这种方法还可以用于改善主动结构声学控制中外壳作为被控对象的特性，将执行器的位置也纳入整体优化过程。

6. 不同控制方法的对比分析

控制方法	优点	缺点	适用场景
主动控制	降噪效果好，能实现全局降噪，可适应非平稳噪声	系统复杂，成本高，需要外部能量输入	对降噪要求高，噪声环境复杂的场景
半主动控制	不需要大量外部能量输入，可根据实际情况调整	控制能力有限	对能量消耗有要求，噪声变化不太剧烈的场景
被动控制	无需控制系统，不消耗能量	对低频噪声效果不佳，无法适应噪声变化	对成本和能量消耗敏感，噪声相对稳定的场景

7. 未来研究方向

主动设备外壳的进一步优化

未来的研究可以进一步优化主动设备外壳的设计和控制策略。例如，研究更先进的控制算法，提高系统的响应速度和适应性；探索新型的材料和结构，改善外壳的声学性能；优化传感器和执行器的布局，提高控制的精度。

多种控制方法的结合

可以探索将主动控制、半主动控制和被动控制方法结合起来，充分发挥各种方法的优点，实现更高效、更智能的设备噪声控制。例如，在不同的噪声环境下自动切换控制方法，或者同时使用多种控制方法进行协同控制。

应用领域的拓展

将研究成果应用于更多领域，如工业设备、交通工具等。在工业设备中，降低设备噪声可以提高工作环境的质量，保护工人的健康；在交通工具中，降噪可以提高乘坐的舒适性。通过拓展应用领域，可以为更多的人带来安静、舒适的环境。

以下是不同控制方法应用场景的 mermaid 流程图：

graph LR
    A[噪声环境] --> B{噪声特性}
    B -->|非平稳、要求高| C[主动控制]
    B -->|变化不大、对能量有要求| D[半主动控制]
    B -->|相对稳定、成本敏感| E[被动控制]

通过不断的研究和创新，我们有望在设备噪声控制领域取得更大的进展，为人们创造一个更加安静、舒适的生活和工作环境。