1、SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY實(shí)驗(yàn)三 主動(dòng)降噪實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師：王旭永小組成員：吳淑標(biāo) 湯劍宏 朱安林 目錄一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二、實(shí)驗(yàn)原理1三、實(shí)驗(yàn)儀器3四、實(shí)驗(yàn)步驟4五、實(shí)驗(yàn)過(guò)程5六、程序代碼及解釋7七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)觀察及解釋10八、誤差分析11九、實(shí)驗(yàn)感想12一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解噪聲的基本概念；2. 了解工程中處理噪聲的常規(guī)方法；3. 掌握主動(dòng)降噪的基本原理與方法；4. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M主動(dòng)降噪，分析降噪效果。二、實(shí)驗(yàn)原理 主動(dòng)降噪（主動(dòng)噪聲控制），又稱(chēng)為有源噪聲控制。早在1933年就由德國(guó)物理學(xué)家Paul Lueg提出了。其主要依據(jù)了聲波的干涉原理，來(lái)消除噪聲。主動(dòng)降噪的基

2、本原理圖如圖1所示：圖1 主動(dòng)降噪的原理簡(jiǎn)單的說(shuō)就是用傳感器檢測(cè)噪聲信號(hào)，通過(guò)控制系統(tǒng)反饋給次聲源，由次生源發(fā)出與原噪聲信號(hào)頻率相同、幅值大小相同、相位相反的聲信號(hào)，根據(jù)聲波疊加原理，達(dá)到一種降噪的效果。其邏輯程序框圖如圖2所示：圖2 主動(dòng)降噪邏輯框圖主動(dòng)降噪，習(xí)慣上可以進(jìn)行如下分類(lèi)： 1） 有源聲控制和有源力控制； 2） 單通道有源控制和多通道有源控制； 3） 非自適應(yīng)有源控制和自適應(yīng)有源控制。 對(duì)于有源噪聲控制系統(tǒng)而言，也可以這樣分類(lèi)：1）模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)； 2）前饋控制系統(tǒng)和反饋控制系統(tǒng)； 3）單通道系統(tǒng)和多通道系統(tǒng)。 主動(dòng)降噪的實(shí)現(xiàn)： 以單通道有源噪聲控制系統(tǒng)為例，這里也分非自適應(yīng)有

3、源噪聲控制系統(tǒng)和自適應(yīng)有源噪聲控制系統(tǒng)。 1） 自適應(yīng)有源噪聲控制系統(tǒng)： 該系統(tǒng)一般由初級(jí)聲源、自適應(yīng)控制器、次級(jí)聲源和誤差傳感器組成。其特點(diǎn)是控制器帶反饋，并具有自適應(yīng)控制算法，控制器多為數(shù)字控制器。這種系統(tǒng)適用的范圍寬，相對(duì)靈活，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度加大，成本增加。本系統(tǒng)原理圖如圖3所示：圖3 自適應(yīng)有源噪聲控制系統(tǒng) 本實(shí)驗(yàn)主要采用此種控制方式。2） 非自適應(yīng)有源噪聲控制系統(tǒng)：該系統(tǒng)一般由初級(jí)聲源、控制器、次級(jí)聲源和傳感器組成。其特點(diǎn)是控制器不帶反饋，可以是模擬控制器，也可以是數(shù)字控制器。這種系統(tǒng)適用的范圍有限。影響主動(dòng)降噪性能的主要因素： 1） 初級(jí)聲源的類(lèi)型與特征： 此時(shí)，最適合的噪

4、聲源是集中參數(shù)噪聲源，最好是點(diǎn)噪聲源。這樣，可以使用盡可能少的次級(jí)聲源獲得最大降噪量。 2）次級(jí)聲源的位置： 一般為獲得全局空間噪聲能量的降低，在進(jìn)行次級(jí)聲源的布置時(shí)，應(yīng)該遵循從空間和時(shí)間上完全能夠復(fù)制初級(jí)聲場(chǎng)的原則，使得次級(jí)聲源稱(chēng)為初級(jí)聲源的“鏡像”。 3）傳感器（誤差傳感器）的位置與個(gè)數(shù)： 對(duì)于有源降噪而言，所使用的傳感器（誤差傳感器）位置與個(gè)數(shù)是至關(guān)重要的。因?yàn)槠湮恢檬欠窈线m，直接影響到獲取初級(jí)聲源的質(zhì)量；其個(gè)數(shù)多少關(guān)系到降噪效果。 4）參考信號(hào)與質(zhì)量： 參考信號(hào)能夠獲得并質(zhì)量好，就可以構(gòu)造性能良好的前饋控制器，因?yàn)榍梆伩刂破飨鄬?duì)于反饋控制器而言，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能易于穩(wěn)定。5）自適應(yīng)算法與

5、控制器硬件： 對(duì)于寬帶噪聲的降噪而言，好的自適應(yīng)算法將扮演重要的角色。它不僅關(guān)系著控制器的復(fù)雜程度、系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此，一個(gè)好的自適應(yīng)算法應(yīng)該兼顧收斂性、魯棒性和計(jì)算量三個(gè)方面。 控制器硬件設(shè)置應(yīng)該以能夠?qū)崟r(shí)地、準(zhǔn)確地完成自適應(yīng)算法為目標(biāo)。 三、實(shí)驗(yàn)儀器 本實(shí)驗(yàn)用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備比較簡(jiǎn)單：筆記本電腦（圖4）、揚(yáng)聲器即音箱（圖5）、傳感器即麥克風(fēng)（圖6）；所使用的編程軟件是Matlab，方案簡(jiǎn)單易行。圖5 揚(yáng)聲器圖4 筆記本電腦 圖6 傳感器四、實(shí)驗(yàn)步驟1）完成各儀器能否正常工作的檢驗(yàn)，保證實(shí)驗(yàn)正常進(jìn)行；2）按計(jì)劃搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖7所示；圖7 實(shí)驗(yàn)整體平臺(tái)3）打開(kāi)Matlab軟件，將編好的程序燒錄其

6、中，準(zhǔn)備開(kāi)始實(shí)驗(yàn)；4）選擇相對(duì)安靜的空間，運(yùn)行程序，程序會(huì)自動(dòng)會(huì)輸出8張圖，分別包括降噪前、后的波形圖和幅值頻譜圖；5）待程序運(yùn)行完畢，觀察最后一次降噪的幅值頻譜圖，和原噪聲進(jìn)行比較是否達(dá)到了降噪的效果，如不滿(mǎn)足需要進(jìn)行調(diào)試，再次重復(fù)實(shí)驗(yàn)；6）滿(mǎn)足要求后，結(jié)束程序，拆除實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，整理實(shí)驗(yàn)設(shè)備；7）整理相關(guān)實(shí)驗(yàn)圖片和數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；8）分析實(shí)驗(yàn)誤差，得出結(jié)論并撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。五、實(shí)驗(yàn)過(guò)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建過(guò)程：1）選擇相對(duì)安靜的空間環(huán)境，將平整的桌面當(dāng)做實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；2）將這對(duì)音箱間隔合適的距離對(duì)放，并且使發(fā)聲源在一條直線(xiàn)上，連接電腦USB接口加耳機(jī)接口，將其中一個(gè)聲道當(dāng)做噪聲源，另一個(gè)聲道做次生源；（

7、本實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有選擇添加聲道）3）把麥克風(fēng)的接收點(diǎn)放置在上述直線(xiàn)上的任意一點(diǎn)，保持穩(wěn)定位置不變，連接電腦的USB接口，作為聲音傳感器。正式實(shí)驗(yàn)過(guò)程：1） 選擇噪聲頻率1100Hz，聲源持續(xù)時(shí)間為120s，次生源除了相位值與原噪聲不同，其余一致，檢測(cè)控制時(shí)間為3s一個(gè)循環(huán)，目的就是不斷改變相位，一切準(zhǔn)備就緒，運(yùn)行程序；2） 第一步為檢測(cè)程序，結(jié)果會(huì)識(shí)別出原噪聲的頻率以及相應(yīng)的幅值，會(huì)首先輸出兩幅圖，分別是原噪聲信號(hào)波形圖和幅值頻譜圖，如圖8所示：圖8 檢測(cè)原噪聲程序輸出結(jié)果3） 第二步為降噪第一階段，次生源會(huì)發(fā)出和原噪聲一致的聲信號(hào)，以pi/3為精度，不斷移動(dòng)次生源的相位，直到篩選出目標(biāo)相位（相鄰兩

8、點(diǎn)疊加后信號(hào)的幅值小于原噪聲的幅值），此時(shí)跳出該循環(huán)，并輸出另外兩幅圖，即第一步降噪的信號(hào)波形圖和幅值頻譜圖，如圖9所示：圖9 第一步降噪程序輸出結(jié)果4） 第三步為降噪第二階段，目標(biāo)函數(shù)進(jìn)入第二個(gè)循環(huán)，以pi/12為精度，不斷移動(dòng)次生源的相位，直到篩選出目標(biāo)相位（疊加后信號(hào)的幅值降低50%），此時(shí)跳出該循環(huán)，并輸出兩幅圖，即第二步降噪的信號(hào)波形圖和幅值頻譜圖，如圖10所示：圖10 第二步降噪程序輸出結(jié)果5）第四步為降噪第三階段，目標(biāo)函數(shù)進(jìn)入第三個(gè)循環(huán)，以pi/24為精度，不斷移動(dòng)次生源的相位，直到篩選出目標(biāo)相位（疊加后信號(hào)的幅值降低70%），此時(shí)跳出該循環(huán)，次生源便以該相位值持續(xù)發(fā)出信號(hào)，即持

9、續(xù)降噪效果，輸出最后兩幅圖，即第三步降噪的信號(hào)波形圖和幅值頻譜圖，如圖11所示：圖11 第三步降噪程序輸出結(jié)果6） 若實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虺晒\(yùn)行，則結(jié)束運(yùn)行程序，整理實(shí)驗(yàn)器材，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并做誤差分析。六、程序代碼及解釋Fs=8192; %采樣頻率為8192t=1:(120*Fs); %定原噪聲發(fā)聲時(shí)間為120syy=zeros(2,120*Fs); %建立兩行零矩陣，以存儲(chǔ)雙聲道不同的聲信號(hào)yy(1,:)=40*sin(2*pi*1100*(t/Fs)-pi/3); %原噪聲的發(fā)聲程序，頻率1100Hzsound(yy,Fs); %Matlab發(fā)聲代碼Y=audiorecorder(Fs,16,1)

10、; %Matlab聲卡采集代碼，采樣精度為16，單聲道disp(Start speaking.); recordblocking(Y,3); %聲音收集時(shí)間為3sdisp(End of Recording.);y=getaudiodata(Y); %Matlab聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)值代碼figure(1); %Matlab畫(huà)圖代碼subplot(241); plot(y); %第一幅圖原噪聲波形圖xlabel(time);ylabel(fuzhi);title(原信號(hào)波形圖);X=fft(y,Fs); %進(jìn)行傅里葉變換ff=1:Fs;z=abs(X); %將傅里葉變換的結(jié)果取絕對(duì)值z(mì)(1:100)=

11、0; %去除0附近的干擾值z(mì)(8000:8192)=0;subplot(242);plot(ff,z); %第二幅圖原噪聲幅值頻譜圖title(原信號(hào)幅值頻譜圖);k=find(z=max(z); %找出收集信號(hào)幅值最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率f=min(k)-1; %取兩者較小的頻率y2=(2*max(z)/Fs; %以該公式作為衡量幅值大小的工具phi=0; %定初始相位0n=1; %引入變量n，初值賦予1a=zeros(1,100); %用此矩陣實(shí)時(shí)檢測(cè)每次循環(huán)的降噪效果b=zeros(1,100);while n-3 yy(2,:)=40*sin(2*pi*f*(t/Fs)+phi); %次生源的

12、發(fā)聲程序 sound(yy,Fs); Y1=audiorecorder(Fs,16,1); disp(Start speaking.); recordblocking(Y1,3); %以3秒為一個(gè)檢測(cè)周期 disp(End of Recording.); y3=getaudiodata(Y1); subplot(243); plot(y3); %第三幅圖第一步降噪的波形圖 xlabel(time); ylabel(fuzhi); title(降噪1波形圖); X2=fft(y3,Fs); %進(jìn)行傅里葉變換 z=abs(X2); z(1:100)=0; Y2=(2*max(z)/Fs; %使用和

13、衡量原噪聲幅值一樣的公式 subplot(244); plot(ff,z); %第四幅圖第一步降噪的幅值頻譜圖 title(降噪1幅值頻譜圖); if Y2=y2 %若降噪后的幅值大于原噪聲幅值 phi=phi+pi/3; %將次生源相位向左移動(dòng)pi/3個(gè)單位 else phi=phi+pi/6/n; %否則向左移動(dòng)pi/6個(gè)單位 n=-(abs(n)+1); %跳出該程序 endendprint(1,-dpng,test1); %將輸出圖片放在相應(yīng)的文件夾內(nèi)n=2; %變量n賦予2i=1; %過(guò)程監(jiān)測(cè)變量phi=phi+pi/3/(2n); %第一個(gè)循環(huán)結(jié)果的相位值向左移動(dòng)pi/12whil

14、e n=y4 %若降噪后的幅值未滿(mǎn)足效果要求 phi=phi-pi/3/(2n); %將次生源相位向右移動(dòng)pi/12個(gè)單位 else n=n+1; %否則跳出該程序 phi=phi-pi/3/(2n); endprint(1,-dpng,strcat(C:UserszhuanlinDocumentsMATLAB3,num2str(i),.png); %將輸出圖片放在相應(yīng)的文件夾內(nèi) a(i)=Y2; i=i+1;endphi=phi+pi/3/(2n);i=1;while n=y5 %若降噪后的幅值未滿(mǎn)足效果要求 phi=phi-pi/3/(2n); %將次生源相位向右移動(dòng)pi/24個(gè)單位 el

15、se n=n+1; %否則跳出該程序 endprint(1,-dpng,strcat(C:UserszhuanlinDocumentsMATLAB3,num2str(i),.png); %將輸出圖片放在相應(yīng)的文件夾內(nèi) i=i+1;endyy(2,:)=40*sin(2*pi*f*(t/Fs)+phi); %次生源會(huì)一直發(fā)出最佳相位所對(duì)應(yīng)的聲信號(hào)sound(yy,Fs);七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)觀察及解釋 本實(shí)驗(yàn)整體結(jié)果圖如圖12所示：圖12 降噪結(jié)果1） 從第二幅圖中可以看出，原噪聲頻率1100Hz下對(duì)應(yīng)的幅值在Matlab標(biāo)度下對(duì)應(yīng)值為36.5；2） 在第四幅圖中，以pi/3為相位移動(dòng)精度的第一步降噪結(jié)

16、果幅值為22.5，降噪效果為38%；3） 從第六幅圖中可以發(fā)現(xiàn)，以pi/12為相位移動(dòng)精度結(jié)果，幅值最大時(shí)對(duì)應(yīng)的聲音頻率并不是1100Hz，經(jīng)分析是由于外界干擾，盡管如此原噪聲仍然達(dá)到了50%的降噪效果；4） 最后一幅圖以pi/24為相位移動(dòng)精度，顯示的幅值大小為13.5，降噪效果73%，非常理想；5） 降噪效果同時(shí)也可以根據(jù)這幾個(gè)處理過(guò)程的波形圖觀察得出。八、誤差分析本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示降噪效果為73%，效果在我們小組數(shù)次嘗試過(guò)程中是相對(duì)較好的，但是距離完全消除噪聲仍有一段差距，從理論上講也不可能有100%的降噪效果，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了實(shí)驗(yàn)要求，下面主要從儀器誤差、方法誤差、人為誤差三方面來(lái)分析造

17、成實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差的原因。1）儀器誤差使用Matlab發(fā)聲程序會(huì)有誤差，程序已經(jīng)運(yùn)行了但是由于計(jì)算機(jī)的音箱還沒(méi)有完全打開(kāi)，導(dǎo)致前部分的發(fā)聲信號(hào)不完整；所使用的音箱左右聲道發(fā)出的聲音并不是完全一致的，而且放置的位置也不可能完全達(dá)到在同一條直線(xiàn)上；聲音傳感器接收的聲信號(hào)與程序編寫(xiě)的也會(huì)有誤差，接收點(diǎn)的位置不同也會(huì)影響實(shí)驗(yàn)效果。2） 方法誤差 我們采用的主動(dòng)降噪方法即為聲波的疊加原理，但是由于聲波是球面波，疊加的時(shí)候并不是簡(jiǎn)單的公式相加，會(huì)有不定向的干涉，而且我們小組并沒(méi)有采用聲道，這也大大增加了誤差的可能性。3） 人為誤差盡管我們選擇了相對(duì)安靜的環(huán)境，但是我們?nèi)匀徊荒鼙ＷC沒(méi)有其它頻率的聲波干擾（相同頻率的干擾誤差更大），就如圖10 所示的現(xiàn)象，其它頻率聲音的幅值大于我們?cè)肼暤姆狄彩欠浅Ｓ锌赡艿?，我們僅通過(guò)觀察幅值頻譜圖而沒(méi)有觀察波形圖，其實(shí)已經(jīng)大大降低了誤差的可能性，在以后的學(xué)習(xí)中我們將學(xué)習(xí)運(yùn)用濾波器函數(shù)，使顯示結(jié)果更加直觀、清晰。九、實(shí)驗(yàn)感想通過(guò)對(duì)本實(shí)驗(yàn)的原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程到最后效果的檢驗(yàn)，我們小組的同學(xué)學(xué)到了很多東西。本身聲學(xué)方面我們機(jī)械專(zhuān)業(yè)涉及的就相對(duì)較少，只在大學(xué)物理課程