窄带主动噪声控制系统中频率不匹配的应对理论和方法研究

Narrowband Active Noise Control (ANC) has the important applicable value among low-frequency narrowband noise suppressing technologies. To avoid the acoustic feedback, in a narrowband ANC system, one non-acoustic sensor may be usually adopted to abtain the synchronization signal fed to the signal generator for generating reference signal. The frequency mismatch (FM) may exist between the reference signal and the primary noise due to sensor aging, fatigue accumulation, etc. It will not effectively suppress the noise being targeted if FM presents in a linear system. The proposed project towards research on theory and approach for mitigation of such FM in a narrowband ANC system. Theoretically, this project will investigate the restriction mechanism of FM on the system through analyzing the performance, including dynamics and steady-state performance, of the narrowband ANC system in the presence of FM, from time and real domains. Based on the analysis results, the project will also design an adaptive variable step-size control algorithm, which enables the modified system to effectively remove the primary noise even in the presence of FM to a certain degree. In experiments, a platform with one pipe is preliminarily set up for the research on real-life applications and variation problems of the proposed approach for mitigation of the FM. Achivements of the project will enrich the ANC theory research, and promote the ANC technology.

窄带主动噪声控制（ANC）在低频窄带噪声抑制技术中具有重要应用价值。为避免声反馈，在窄带ANC系统中往往采用非声学传感器拾取同步信号，再通过信号发生器产生参考信号。传感器长时间工作，由于磨损等因素，通常导致系统产生参考信号频率与原始噪声频率不匹配（FM）的现象。对于线性系统，FM的存在将使系统无法有效抑制目标噪声。本项目拟研究应对这种窄带ANC系统中FM问题的理论和方法。理论上，拟通过从时域和实域分析存在FM的窄带ANC系统的性能，包括动态和稳态性能，探讨FM对系统性能的制约机理；依据性能分析结果，设计出自适应变步长控制算法，使新系统即使存在一定程度的FM，仍能有效抑制目标噪声。实验中，以管道为实验平台，探讨拟研究的FM应对方法在实际声学环境的应用及其衍生问题。课题研究成果将丰富ANC的理论研究，推进ANC技术的科学进步。

主动噪声控制（ANC）技术具有优良的低频特性，能够有效抑制低频噪声，特别适用于控制低频谐波噪声，弥补被动控制方法的不足。谐波噪声具有周期或者近似周期特性，通常由旋转设备或者具有往复运动的装置产生，用于控制谐波噪声的系统称之为窄带ANC系统。由于窄带噪声源的旋转或往复运动特性，为避免声反馈，在窄带ANC系统中往往采用非声学传感器（转速计、加速度计等）拾取同步信号（转速、加速度等），传给信号发生器产生系统参考信号。当传感器长时间使用，可能产生疲劳磨损，导致同步信号的跟踪不准确，计算出的参考信号频率与真实噪声频率不一致，这种不一致称为频率不匹配（FM）。对于线性窄带ANC系统，FM的存在是致命的。本项目即针对线性窄带ANC系统中的FM问题展开具体研究，内容包括：基于统计性分析的FM对系统性能制约的机理研究，基于自适应变步长算法的FM应对方法研究及实验研究。深入的统计分析表明：FM的存在，使得控制滤波器权值的估计问题变为跟踪问题；系统稳态残余噪声能量与步长之间存在强耦合关系，根据最小均方原则对步长进行优化可以使稳态残余噪声能量达到最小，从而降低噪声，基于此可以设计出应对FM问题的变步长算法，为FM的研究提供重要理论支撑和思路。设计搭建了一维管道实验平台，并开展了部分实验。除拟定内容外，项目在具体实施过程中，研究内容还拓展到了非线性窄带ANC系统的研究，如Volterra 滤波器、函数链人工神经网络（FLANN），并尝试利用非线性方法解决线性系统中的FM问题，探索其它应对FM的方法。