主动降噪座椅的智能传感理论和控制方法研究

Excessive noise in the cabinet causes hearing loss and travel anxiety of the passenger. To reduce the noise perceived by the passenger, the active noise control (ANC) headrest adopts an open structure to ease the load on the ears and allows verbal communications between the passenger and the flight crew. However, there are three urgent problems of the ANC headrest. Firstly, since microphones cannot be installed on the ears, virtual sensing is an essential method to be carried out. Secondly, differing from the headphones, the open structure does not block the cross-talk paths. So far, this is an overlooked factor in the ANC headrest. Thirdly, many head-tracking methods have been proven to be effective, but the losses of noise reduction performance caused by the localization errors have not been investigated in the ANC headrest. This project targets to solve these problems. Adapted from the virtual sensing method with auxiliary filters, a framework is developed to cater for the multi-channel hybrid ANC structure, which is efficient to suppress both the broadband and narrowband noises. An intelligent microphone array is proposed to automatically select the reference signal that is highly coherent with the error signal and also ensures the causality requirement of the feedforward control. This intelligent microphone array also senses environment changes in order for the control filter coefficients to be set to suitable initial values, which shortens the convergence time. The outcome of this project is a complete set of intelligent sensing and control methods, which are crucial to the development of the ANC headrest.

过量的机舱噪声会造成乘员听力损伤，降低通用航空服务品质，不利于航空安全。主动降噪座椅是针对机舱环境的专用降噪装置，采用有源噪声控制技术，在乘员的双耳处对消噪声，不会引起佩戴不适，也不会阻碍机舱广播和乘员之间的正常交流。然而，主动降噪座椅面临着诸多技术难题。由于传声器不能被安装在双耳附近，主动降噪座椅中必须采用虚拟传感方法。开放式声学结构导致了双耳间串声和邻座之间的干扰，仍未得到充分的研究。乘员头部的移动带来了定位精度和误差分析的需要。因此，本项目拟针对主动降噪座椅的智能传感理论和控制方法开展研究工作。提出并优化多通道混合控制结构下的辅助滤波方法，增强传声器阵列对复杂声学环境的感知能力。通过声学仿真和实验，研究主动降噪座椅在不同应用场景下的降噪性能。本项目所研究的智能传感理论和控制方法旨在解决主动降噪座椅设计中的关键性问题，为主动降噪座椅的推广提供技术积累和理论支持。

主动降噪座椅是针对机舱环境所提出的一种专用的降噪装置，不同于主动降噪耳机，主动降噪座椅采用开放式声学结构，次级声源位于乘员头部的侧后方，不会引起长时间佩戴的不适，也不会阻碍机舱广播以及乘员之间的正常交流。本项目针对主动降噪座椅在传感理论和控制方法等方面面临的关键性问题开展研究。首先，研究用于主动降噪座椅的虚拟传感方法。完成了采用前馈、反馈、混合控制结构的主动降噪座椅设计，研究了适用于三种控制结构的辅助滤波虚拟传感方法和远程麦克风虚拟传感方法，探究了声场路径变化和噪声源频率特性变化对上述虚拟传感方法降噪性能的影响。提出了一种新的相对路径虚拟传感方法，该方法在面对声场路径变化和噪声源频率特性变化时具有较好的鲁棒性，完善了该方法在各种控制结构下的理论推导和性能分析。其次，研究用于主动降噪座椅的智能传感方法。采用差分麦克风阵列进行误差信号传感，提高反馈主动噪声控制系统在面对干扰时的鲁棒性。同时研究基于噪声场景识别的参考信号选择算法，该算法能够根据噪声环境的变化选择不同的参考麦克风组合。提出基于感知均衡的残余声整形算法，使主动降噪座椅在保持残余声音频谱的同时降低噪声水平。在此基础上，在主动降噪座椅中加入音频播放功能，提出融合虚拟低音增强的双耳三维声场重构方法和立体声源分量与环境分量提取算法。最后，建立主动降噪座椅的声场模型。提出了一种适用于主动降噪座椅的高效混合次级路径建模方法。使用参量阵扬声器作为次级声源，削弱系统内的交叉通路以及系统间的耦合通路，采用各通道独立迭代的主动噪声控制算法，在降低主动降噪座椅系统运算量的同时提高了系统稳定性。设计了双极大极小部分迭代算法，降低了主动降噪座椅系统实时控制器的计算负载。本项目所研究的虚拟传感、智能传感等理论与控制方法为主动降噪座椅的设计实现提供了必要的理论依据和技术储备。