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1、山东科技大学学士学位论文 摘要摘 要随着电子技术和控制理论的发展，有源噪声控制已成为噪声控制领域的研究热点。有源降噪耳罩是有源噪声控制技术在工程上一个比较成功的应用范例，它在传统耳罩的基础上加装自适应有源噪声控制装置，利用有源的方法降低普通耳罩难以衰减的低频噪声，从而在很宽的频带上得到较好的综合降噪效果。本论文以TMS320VC5509A DSP处理器为核心，设计了一个全数字式的有源抗噪声耳罩。系统硬件由TMS320VC5509A、TLV320AIC23B、传声器及模拟输入电路、模拟输出电路及扬声器、电源等部分组成。采用前馈控制结构，前馈控制采用基于FX-LMS算法。采用自适应方法对次级通道进
2、行建模。前馈控制结构不仅可以实现对单频率噪声的消除，也可以有效地消除带限白噪声等多种噪声信号。 关键词：有源耳罩、有源噪声控制、降噪、FX-LMS算法、DSPABSTRACTWith the development of electronic techniques and control theories, active noise control has become a hot point in the field of noise control in recent decades. Active headset , which can control low frequency noi
3、se that traditional headset cant do, by using active noise control approach, has good effect on broadband frequency range. Active headset has been applied successfully in engineering.This article designs a digital active anti-noise headset based on DSP processor TMS320VC5509A. The system hardware is
4、 composed of TMS320VC 5509A, TLV320AIC23B, microphone, analog input/output electric circuit, speaker, and power source. This design uses the broadband feedforward Active Noise Cancellation algorithm using the FXLMS algotithm. The secondary path modeling uses the adaptive method. The experimental res
5、ults show that this headset has an obvious effect on any kinds of noises not only the single frequency one but also the white noise.Keywords: Active headset; Active noise control; Noise reduction;山东科技大学学士学位论文 目录目 录1绪论11.1 课题背景21.2 文献综述21.3 设计的任务和内容71.4 论文安排72有源噪声控制系统工作原理92.1 有源控制的基本原理92.2 系统结构103. 前
6、馈控制算法（FX-LMS算法）133.1 适应滤波器133.2 字滤波器143.3 FIR数字滤波器的特性163.4 自适应算法的维纳解183.5 LMS算法213.6 FX-LMS算法224. 次级通道离线辨识234.1 自适应系统辨识算法244.2 辨识系统硬件设计254.3 次级通道辨识误差对FXLMS算法的影响265. 声反馈问题265.1 对声反馈影响的分析265.2 声反馈问题解决办法(中和滤波器)285.3 反馈通道辨识296. 系统硬件介绍306.1 电源模块326.2 时钟模块326.3 CPLD模块336.4 AIC23模块336.5 SDRAM模块346.6 模拟信号模块
7、347. 软件设计357.1 主程序设计357.2 中断子程序367.3 次级通道辨识子程序（反馈通道辨识同时进行）377.4 反噪声控制子程序388. 实验结果及分析408.1 次级通道辨识418.2 单频率正弦信号418.3 多频率正弦信号428.4 带限白噪声信号438.5 收敛步长对控制的影响44总结与展望45致谢46参考文献47附录1 程序清单48附录2 英文文献翻译54山东科技大学学士学位论文 绪论1 绪论传统耳罩是一种利用隔声原理降低噪声的个人防护装置。由于体积小，重量受到限制，通常只对中高频噪声起作用，在低频段的降噪效果较差。有源耳罩是有源降噪耳罩的简称，它是在传统耳罩的基础上
8、加装有源噪声控制装置，利用有源的方法降低普通耳罩难以衰减的低频噪声，从而在很宽的频带上得到较好的综合降噪效果。有源噪声控制的原理是利用传声器监测待消除的噪声信号，由控制器进行处理后发出一个与原噪声信号幅度相同、相位相反的反噪声信号。使其与原来的噪声在一定区域内相互抵消，从而达到降噪的目的。目前，有源噪声控制在机理研究、系统实现及工程应用等方面均取得了长足的进展。有源噪声控制是一种针对性极强的应用技术，它经历蓬勃发展的动力就在于它巨大的应用潜力。经过70多年来的努力，在多个领域获得应用，已经有部分商业产品出现。如管道噪声有源控制及有源消声器、有源抗噪声耳罩和送话器、车厢内部噪声有源控制、飞行器舱
9、室噪声有源控制，等等。 未来的发展有很大的空间，主要在两个方向进行，一是改进现有的控制系统，增强系统的通用性、提高系统的可靠性，可维护性，改善人机操作环境，使具有少量专业知识的人士可以进行操作和维护；其次是方向将有源控制的思想与其它学科进行交叉融合，形成新的研究方向，譬如机翼颤振的有源控制、不稳定的有源控制、电磁波有源控制、非线性系统有源控制等等。1.1 课题背景噪声污染是一个全世界都十分注意的环境问题，一般性的噪声干扰会影响人们的正常工作和生活，各种封闭空间的噪声如厂房、汽车内的噪声等对人体也会产生不利的影响。长期在有噪声的环境中工作，将危害人的听力、思维、生理和心理。在嘈杂的环境下工作，人
10、们很容易疲乏、反应迟钝、工作效率降低，并且容易心情烦躁，在噪声的刺激下，人们的注意力不容易集中，工作容易出错，影响工作速度和工作质量，并且很容易产生错误的判断、进行错误的操作，降低了生产效率。在生活中噪声的存在也很大程度上影响了人们的休息和放松，降低了生活质量。在军事领域，噪声问题会影响某些技术兵器的作战性能。因此，噪声控制在军事和民用领域都是一项非常重要的工作。有源降噪技术是八十年代以来国际上研究的一个热点。该技术的工程实现目前只在管道和有源降噪耳罩两个方面得以成功的应用。在有源降噪耳罩方面，国内目前投入市场的产品还都是基于模拟控制器，自适应有源降噪耳罩还没有成熟的产品。国内外目前研究自适应
11、有源降噪耳罩的也比较多，但是还都停留在实验阶段。在如今这个人们不断追求工作效率、生活质量的年代里，如何有效地消除和抑制噪声已成为人们研究的一个热门课题。1.2 文献综述有源耳罩一般都由电源控制器、传声器、扬声器及支架等部分构成2，其中控制器是有源耳罩的核心部件。有源耳罩根据控制器的不同可分为模拟式和数字式两类（数字式有源耳罩又称自适应有源耳罩）。有源耳罩工作时由传声器拾取控制信号，送入控制器的信号处理电路，产生连续的反相信号，经功率放大后驱动次级声源，产生与初级声信号频率相同、相位相反的次级信号，实现噪声的衰减。有源耳罩无论在专业领域还是在日常生活中都有着十分广泛的用途。它可以作为一种个人听力
12、保护手段，应用于飞机驾驶舱、坦克驾驶舱、汽车发动机实验室等高噪声场所；它还可以根据特定的噪声环境设计控制系统参数，从而使噪声控制具有目标性和选择性，在降噪的同时保证语音信号的顺利传输，由于减少了低频噪声的掩盖作用，因此可以提高语音或音乐的清晰度，用于高噪声场所的语音通信或旅客旅途中的音乐欣赏。有源耳罩作为有源噪声控制技术(Active Noise Control，ANC)的一个重要的应用方向，随着有源噪声控制技术的发展而逐步走向成熟。有源噪声控制的概念最初由德国的P.Lueg在1936年提出，并申请了专利。但受当时电子技术的限制，P.Lueg无法将其思想付诸实践。直到1953年，H.Olson
13、发表一篇名为“电子吸声器”的文章，利用扬声器发出的声波实现噪声控制的目的。他成功地制作了所需的电子传声器和放大器，并取得了一定的降噪效果。H.olson指出，电子吸声器可用于电子耳塞、电子头盔及管道噪声控制。20世纪60年代后电子技术的进步带动了有源控制技术的发展，对声学系统物理性质的理解更加深入，集成电路技术的发展降低了电子控制系统的成本，这些都大大促进了有源噪声控制技术的发展。70年代英国剑桥大学的M.A.Swinbanks、伦敦大学的H.G.venthall、法国的G.Mangianie等分别在有源噪声控制技术上取得了许多突破性的成果。80年代后，有源噪声控制系统的研究与设计开始利用信号
14、处理和微电子技术来解决单纯声学方法难以解决的复杂技术问题。英国Essex大学开发出采用微处理器在线控制的“Essex有源降噪系统”，英国剑桥大学的Ross发表了设计宽带有源控制系统的专门算法，美国贝尔实验室的J.C.Burgess对自适应控制系统用于管道降噪进行了计算机仿真研究。世界上第一部有源噪声控制的专著1992年在伦敦出版。中国有源噪声控制的研究始于20世纪70年代末，南京大学声学研究所、北京劳动保护科学研究所和中国科学院声学研究所先后开展了管道有源消声器的研究课题。西北工业大学声学研究所和清华大学的汽车工程系也都先后开展了这方面的研究。1993年国内出版了第一部有源噪声控制方面的专著。
15、以上的这些研究成果，为有源耳罩的工程实现奠定了坚实的基础。20世纪80年代末，有源噪声控制开始向2个方向发展。一方面以模拟电路为基础的有源噪声控制技术已经比较成熟，在有源耳罩和管道消声上得到成功的应用，具备了向产品转化的条件；另一方面，计算机技术和数字信号处理器（DSP）的迅猛发展，特别是随着DSP性能的提高和价格的下降，极大地推动了有源噪声控制技术向自适应的方向发展，数字式有源耳罩研究随即成为研究的热点。1.2.1 模拟式有源耳罩有源耳罩按结构可分为前馈式、反馈式、复合式。(1) 如果能够获得与初级噪声相关的参考信号就可采用前馈式。前馈式有源耳罩由控制器、参考传声器、误差传声器、次级声源组成，优点是便于保持系统的稳定性，但是必须获得与初级噪声相关性很高的参考信号。南京大学声学研究所电子抗噪实验室在1985年向国家专利局申请一项“有源抗噪耳罩及受话器”，率先提出了前馈结构的模拟电路有源耳罩，它不仅对窄带噪声能衰减50dB，并且对
