基于自适应滤波及模态分析的有源噪声控制方法研究

【摘要】随着经济的发展和社会的进步，噪声污染日益严重，危害人们的身心健康，引起机械设备结构的声疲劳，并降低武器装备的作战性能和声隐身性能。因此噪声控制在民用和军事领域中都具有十分重要的意义。有源噪声控制技术是控制低频噪声的有效方法，根据噪声控制机理可分为声源控制、传播途径控制和接受者保护三类，研究内容和手段具有多样性。论文从接受者保护和声源控制的角度出发，针对基于自适应滤波技术的前馈有源噪声控制方法和基于模态分析的结构声辐射控制方法中存在的一些主要问题开展研究工作。论文所做主要工作概况如下：1.在自适应前馈有源控制技术中，非因果成分会降低噪声控制性能，为了使系统尽量满足因果约束，提出一种参考信号的拾取方法。该方法将参考传声器放置在噪声源来波方向上，并通过距离调整来增大参考传声器和误差传声器的时间延迟，用于抵消串扰和反射等因素引起的非因果成分，从而提高噪声控制性能。在此方法中，为了检测宽带噪声源的来波方向，提出了一种基于KR积的内插聚焦估计算法。该算法将各频率点的协方差矩阵进行KR积扩展后，借助最小二乘内插聚焦矩阵，构造无噪声聚焦后的各频率数据组合矩阵，进而采用MUSIC方法实现过定和欠定两种情况下的来波方向估计。最后，将噪声源的定位结果用于指导参考传声器的布放，通过比较传声器布放位置及数目调整前后的噪声控制效果，验证参考信号拾取方法的有效性。2.在宽带噪声的自适应前馈有源控制技术中，无延迟子带自适应滤波方法由于能避免信号通道的延迟且收敛速度快，成为宽带噪声控制中的主要方法。但该方法的控制效果会受到分析滤波器组的群延迟和带内混叠误差的影响，因此分析滤波组的设计是关键。现有的分析滤波器组是调制线性相位原型低通滤波器得到的，它不能保证滤波器组的低群延迟和小旁瓣效应，致使噪声控制效果不明显。为此，提出迭代二阶锥规划方法设计分析滤波器组。将带内混叠误差和群延迟构造为关于原型滤波器权系数的二次函数，进而通过迭代二阶锥优化得到原型滤波器权系数，最后利用均匀DFT调制为分析滤波器组。与同阶线性相位分析滤波器组相比，该滤波器组具有更低的群延迟和更小的带内混叠误差。在此基础上，采用部分子带权系数更新的归一化最小均方误差算法，构建了频域无延迟噪声控制系统。实验结果表明，该系统的噪声控制效果明显，不仅能有效降低残余噪声功率谱，提高噪声衰减量，而且还具有收敛速度快和计算复杂度低等优点。3．在窄带噪声的自适应前馈有源控制技术中，从理论上分析了频率偏差造成自适应滤波器权系数的均值偏移不能收敛到零矢量，是导致控制性能恶化的根本原因。因此为了提高噪声控制效果，必须对干扰信号的频率进行精确估计。为此，提出了一种用于实值信号的快速子空间跟踪-ESPRIT类频率估计方法。该方法的信号子空间维数与信号频率的个数相等，从而避免了传统方法用于实值频率估计时，信号子空间的维数为频率个数2倍的问题。仿真结果表明算法的精度高，满足实际应用的要求。最后，结合不需要次级通道估计的FXLMS算法，在DSP平台上实现了弹性薄板的基频和谐波分量的振动控制，从而降低了封闭声腔中的结构声辐射的声压级。4．在基于模态分析的弹性结构声辐射的控制技术中，根据输入输出测量数据建立精确受控系统模型是实施该类控制方法的前提。目前，主要采用子空间辨识方法来建立系统状态方程，但该方法计算量大，难以得到有效应用。为此，利用广义能观矩阵的列空间与观测矢量相关矩阵的信号子空间一致的特征，提出了一种在线子空间辨识方法用于系统状态方程的建立。该方法包含了两个递推过程：一是利用矩阵求逆变换计算观测矢量；二是基于多级分解幂迭代子空间跟踪算法估计广义能观矩阵，以保证按指数全局收敛到主子空间。仿真结果表明该方法能提高辨识精度，不仅减小广义能观矩阵估计值与真实值的夹角，还能降低辨识得到的输出数据与真实值之间的均方根误差。最后，利用有限元和声学分析软件，构建了一种基于振动控制的封闭空间降噪系统模拟环境。采用所提的在线子空间辨识法建立了压电结构系统模型，结合线性二次最优控制方法产生压电陶瓷作动器次级电压。通过控制与声模态耦合大的结构模态，有效降低了舱室结构声辐射的声压级，验证了在线子空间辨识方法应用在结构声辐射控制中的有效性。
【作者】刘庆华；
【导师】欧阳缮；
【作者基本信息】西安电子科技大学，信号与信息处理，2014，博士
【关键词】前馈有源噪声控制；结构声辐射控制；自适应滤波；模态分析；

【参考文献】
[1]郭永辉.生态产业链治理模式研究[J].科技进步与对策.
[2]谭俊敏.埕南地区砂砾岩扇体储层的预测及效果[J].石油地球物理勘探,2004,03:310-313+246-369.
[3]张贝.移动端视觉界面的繁简性研究[D].北京交通大学,2015.
[4]李艳婷.河南艺术职业学院人才培养问题研究[D].郑州大学,公共管理（专业学位）,2013,硕士.
[5]吴昌灿.风浪作用下防护堤坝渗流与冲刷的可靠性及岸滩侵蚀数值模拟问题的分析方法[D].浙江大学,岩土工程,2004,硕士.
[6]墨锋涛.斯格猪群体遗传结构与经济性状的微卫星标记的研究[D].河北农业大学,动物遗传育种与繁殖,2004,硕士.
[7]龙文,梁昔明,肖金红,阎纲.一种动态分级的混合粒子群优化算法[J].控制与决策,2009,10:1513-1516+1521.
[8]邓福涛.Nd_9Fe_(85.5-x)Co_xB_(5.5)(x=3,5at%)快淬薄带晶化研究[D].宁波大学,物理化学,2013,硕士.
[9]谢林垚.浅析“富二代”群体现象的成因与应对[J].才智,2015,12:336.
[10]单筱婷.厦门构建区域性消费中心的路径与政策研究[D].厦门大学,政治经济学,2014,硕士.
[11]刘迪.我国电视公益类节目研究[D].新疆大学,新闻与传播学（专业学位）,2013,硕士.
[12]吴极.LTE-A中天线增益不平衡和三维信道问题研究[D].西安电子科技大学,通信与信息系统,2012,硕士.
[13]刘晓莉.网络购物互动性、感知价值与顾客满意的关系研究[D].浙江工商大学,企业管理,2014,硕士.
[14]臧学运.基于系统周界理论的电信运营企业竞争力研究[D].北京交通大学,2008.
[15]王永丽.聚苯乙烯/石墨烯/Fe_3O_4复合材料的制备及电磁屏蔽性能[D].北京化工大学,2014.
[16]张程.华夏银行深圳分行员工工作压力与离职倾向关系研究[D].天津大学,工商管理,2013,硕士.
[17]金云光.计算机辅助楔横轧工艺及模具设计[D].合肥工业大学,材料加工工程,2004,硕士.
[18]周远田,付友生.地球物理测井高分辨率处理技术[J].石油地球物理勘探,1999,04:408-414+490.
[19]康泉胜,赵丽丽,李振明,曹飞.基于数值模拟的公交车火灾发展过程及特性研究[J].安全与环境学报,2015,01:107-110.
[20]张正.基于喷丸残余应力场的疲劳裂纹扩展的数值模拟[D].浙江理工大学,车辆工程,2013,硕士.
[21]于景坤.前后配穴法温针治疗寒凝血瘀型原发性痛经的临床疗效观察[D].黑龙江中医药大学,针灸推拿学（专业学位）,2013,硕士.
[22]汪学斌.交通建设要保证资金来源[J].地铁与轻轨.1989(01)
[23]王丹.基于3E系统协调发展的我国能源产业发展模式研究[D].华北电力大学,产业经济学,2012,硕士.
[24]劳帼龄.多渠道宽口径培养电子商务人才的探索与实践[J].中国大学教学,2005,07:52-53.
[25]肖文娟,马永良,薛璟.MOOC环境下PBL教学模式在大学英语教学中的应用[J].长春教育学院学报,2015,01:85-86.
[26]刘贺.功能性的无机物/聚电解质层层组装膜[D].吉林大学,2012.
[27]王宪,袁洪.基于粒子滤波的GPS多径估计[J].控制与决策,2010,08:1139-1143+1148.
[28]董雪丹.中国电视广告对“家庭梦”的建构研究[D].苏州大学,传播学,2014,硕士.
[29]韩宝玉.火场废墟话勘查[J].安徽消防.1995(07)
[30]王晓燕.山核桃种蒲部分活性物质鉴别及核桃酮的研究[D].安徽农业大学,营养与食品卫生学,2011,硕士.
[31]肖娟.基于概念层次树的数据挖掘算法及在CRM中的应用[D].浙江工业大学,技术经济及管理,2004,硕士.
[32]陆亿.质监行政处罚裁量基准之探究[D].华东政法大学,法律（专业学位）,2012,硕士.
[33]刘晓楠.机构投资者性质、会计稳健性与公司价值[D].新疆财经大学,会计学,2013,硕士.
[34]胡正旺.菲律宾海—南海区域磁异常特征及成因研究[D].中国地质大学,地球探测与信息技术,2014,博士.
[35]赵连防.轮胎动平衡检测机故障诊断与智能维护系统的设计与开发[D].山东大学,机械电子工程,2013,硕士.
[36]宁武龙.基于BP神经网络的轴承寿命预测平台开发[D].西南交通大学,机械工程,2014,硕士.
[37]赵齐阳.基于GIS的雅安市土地生产潜力研究[D].四川农业大学,2003.
[38]王菁晶.中国房地产价格过快上涨及调控政策效应研究[D].首都经济贸易大学,产业经济学,2013,硕士.
[39]刘盼盼.基于空间聚类和Weka平台的出租车载客热点区域挖掘研究[D].吉林大学,计算机应用技术,2014,硕士.
[40]于二强.社会空间极化下的城市社区过滤机制研究[D].西安外国语大学,人文地理学,2013,硕士.
[41]冷画屏,周洪江,吴晓锋.基于“网络中心战”的作战软件支撑技术[J].舰船电子工程,2005,01:25-28.
[42]伍燕萍.基于图像的三维重建[D].北京交通大学,2009.
[43]李燕旗.MIF、NF-κB/P65在子宫内膜增生症及I型子宫内膜癌中的表达及关系研究[D].扬州大学,妇产科学,2011,硕士.
[44]郭艺.商业银行ATM业务流程的外包决策[D].南京财经大学,金融学,2012,硕士.
[45]李健峰.山东省农干院干部教育与农民培训部管理信息系统的设计与实现[D].山东大学,软件工程（专业学位）,2013,硕士.
[46]李娟.二维三角晶格和kagome晶格上的紧束缚电子：均匀及交错磁场下的量子Hall效应与Hofstadter能谱[D].浙江师范大学,2011.
[47]吴昊.基于四时八节调查及心理学实验的悲伤情绪中医辨证研究[D].北京中医药大学,中医诊断学,2014,硕士.
[48]张志艳.无线传感器网络LEACH路由算法研究与改进[D].西南交通大学,通信与信息系统,2014,硕士.
[49]王敏,沈家庆,刘福安.全自动卷绕头电气控制系统[J].冶金自动化,2003,S1:286-289.
[50]王亚男.再论鲁文·兹瓦特翻译转移理论[D].天津大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.