空间声场矢量声主动控制方法
阅读说明：本技术 空间声场矢量声主动控制方法 (Space sound field vector sound active control method ) 是由 唐俊 白宇田 施麟 陈君 于 2020-12-07 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种空间声场矢量声主动控制方法,其主要技术特点是：在初级噪声斜入射时,使用传感单元和空间矢量传声器获取空间声场信号,实时分析提取入射声波的矢量信息；采用低频波束形成相控阵列技术,将阵列单元辐射的低频无指向性声波产生一定的指向性,并使波束偏转到入射波的角度；通过多通道Fx-LMS自适应控制算法,利用声波相干原理,进行空间声场大角度斜入射情况下的主动回声抑制。本发明将矢量声场控制和有源噪声控制结合在一起,利用传感单元分析出需要控制的初级声源信号后,能够控制阵列指向性方向,对初级噪声信号方向进行具有强指向性的有源噪声控制,控制性能优于传统无指向性的有源噪声控制。(The invention relates to a space sound field vector sound active control method, which is mainly technically characterized by comprising the following steps: when primary noise is obliquely incident, a sensing unit and a space vector microphone are used for acquiring space sound field signals, and vector information of incident sound waves is analyzed and extracted in real time; the method comprises the following steps of adopting a low-frequency beam forming phased array technology to generate certain directivity for low-frequency nondirectional sound waves radiated by an array unit and deflect beams to the angle of incident waves; and performing active echo suppression under the condition of large-angle oblique incidence of a space sound field by using a multichannel Fx-LMS adaptive control algorithm and using a sound wave coherence principle. The invention combines vector sound field control and active noise control together, and can control the directional direction of the array after analyzing the primary sound source signal to be controlled by using the sensing unit, and carry out active noise control with strong directivity on the primary noise signal direction, and the control performance is superior to that of the traditional non-directional active noise control.)
技术领域
本发明属于噪声控制技术领域，涉及主动噪声控制方法，尤其是一种空间声场矢量声主动控制方法。
背景技术
主动噪声控制也称为有源噪声控制(Active Noise Control，简称ANC)，现代有源噪声控制是综合声学、信号处理技术、工程控制学以及电子学科的交叉运用，其优势在于主动性及对低频噪声的控制。主动噪声控制基本原理为杨氏干涉，其基本思想是在指定区域内人为地、有目的地产生一个次级声信号去控制初级声信号的方法，是一种主动产生一个声场来抵消现有声场的技术。根据两个声波相干性叠加条件，如果次级声信号与初级声信号的幅值相等、相位相反，则两声波将在空间发生相消干涉，形成消声“静区”，从而达到降噪的目的。
噪声主动控制有两个特别明显的优点：首先是主动控制性，可以根据初始声源的特性，通过一定算法设计、控制次级声源降低指定区域的噪声，对目标具有针对性和目的性；其次是低频适应性，传统的被动降噪手段往往仅在中高频频段具有效果，随着频率越低，降噪效果越来越差。
空间声场矢量声是指具有一定指向性和强度的入射声，如具有方向的探测声波、具有指向性特征的辐射噪声等。目前的有源噪声控制方法通常不考虑声场的方向性，缺少针对这一类矢量声的有源噪声控制方法。例如，专利文献：风力发电机组噪声有源噪声控制方法与有源噪声控制系统(公开号：CN201710967421)、有源噪声控制方法以及包含前馈和反馈控制器的设备(公开号CN200480034970)等未考虑声场的方向性，无法满足实际工况的需求。
目前针对主动声呐探测的主动回声抑制的研究，由于不考虑有源噪声控制的方向性，目前都集中研究正入射探测声波的主动控制，实际工况条件下，主动声纳的探测声大多是斜入射至水下目标表面，传统主动噪声控制效果一般，需要解决空间声场大角度斜入射情况下的主动回声抑制问题，即将一维平面问题向三维扩展。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种空间声场矢量声主动控制方法，其运用基于扬声器阵列的空间指向性声源，实现矢量声的有源噪声控制功能。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种空间声场矢量声主动控制方法，包括以下步骤：
步骤1、在初级噪声斜入射时，使用传感单元和空间矢量传声器获取空间声场信号，实时分析提取入射声波的矢量信息；
步骤2、采用低频波束形成相控阵列技术，将阵列单元辐射的低频无指向性声波产生一定的指向性，并使波束偏转到入射波的角度；
步骤3、通过多通道Fx-LMS自适应控制算法，利用声波相干原理，进行空间声场大角度斜入射情况下的主动回声抑制。
进一步，所述射声波的矢量信息包括入射角度、幅值和相位。
进一步，所述阵列单元为M×N的平面矩形扬声器阵列，该平面矩形扬声器这列是由M个具有相同排列结构的子阵列，每个子阵中又由N个相同阵元构成，阵列中每个阵元与相邻阵元的距离都相等，各个单元阵列通过延时器改变相邻阵元之间的相位差，改变阵列波束的指向；阵列单元使用延时器用以控制施加于各单元辐射次级声波的初相位，各个单元辐射声信号的相位差产生相互干涉叠加的低频声波；阵列通过控制每个单元的输入相位延迟，实现指向性波束偏转角度的控制。
进一步，所述步骤3的具体实现方法为：
多通道Fx-LMS自适应控制算法中误差传感器处接收到的声信号包括主输入噪声d(n)和次级噪声s(n)，分别是通道Hp(ω)对p(n)的响应和通道Hs(ω)对y(n)的响应，后者是声场抵消信号，其自适应控制过程为：
d(n)＝p(n)*Hp(ω) s(n)＝y(n)*Hs(ω)
应用长度L的横向结构FIR滤波器，得到n时刻滤波器W(z)的权系数和参考输入矢量分别为：
W(n)＝[w1(n)，w2(n)，…，wL(n)]T
X(n)＝[x(n)，x(n-1)，…，x(n-L+1)]T
次级噪声由参考输入通过控制滤波器得到：
由于初级噪声x(n)在L时刻内具有局部平稳特性，因此认为这期间控制滤波器的权系数基本不变，则次级噪声为：
其中r(n)被称为滤波-X参考输入，由它组成的矢量被称为滤波-X参考输入矢量，表示为：
r(n)＝[r(n)，r(n-1)，…，r(n-L+1)]T
滤波-X参考输入与参考输入矢量之间的关系为：
r(n)＝X(n)*Hs(ω)
误差传感器接收到的系统误差表示为：
e(n)＝d(n)+s(n)＝d(n)+rT(n)W(n)
取系统误差的均方能量作为代价函数：
J(n)＝E[d2(n)]+2E[d(n)rT(n)]W(n)+WT(n)E[r(n)rT(n)]W(n)
令
P＝E[d(n)r(n)]
R＝E[r(n)rT(n)]
这里P为主输入信号和滤波-X信号的互相关矢量，R为滤波-X信号的自相关矩阵，是对称正定的二次型矩阵，则目标函数为：
J(n)＝E[d2(n)]+2PTW(n)+WT(n)RW(n)
对于平稳输入状态，求出一个最佳权值矢量Wopt＝-R-1P；
使用递推估计算法，最终得到权矢量迭代公式：
W(n+1)＝W(n)-2μe(n)r(n)
其中μ为迭代步长，用于控制系统迭代速度和稳态失调。
本发明的优点和积极效果是：
本发明设计合理，其将矢量声场控制和有源噪声控制结合在一起，利用传感单元分析出需要控制的初级声源信号后，能够控制阵列指向性方向，对初级噪声信号方向进行具有强指向性的有源噪声控制，实现了矢量声的有源噪声准确控制功能，控制性能优于传统无指向性的有源噪声控制。
附图说明
图1为低频波束形成相控阵列的组成框图；
图2为直线型扬声器指向性阵列偏转示图；
图3为平面扬声器指向性阵列偏转示意图；
图4为杨氏干涉原理图；
图5为应用滤波-XLMS算法自适应控制系统流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
本发明的设计思想是：
在初级声源声波在正入射条件下，有源噪声控制可近似认为是一维平面波主动控制，而大多数情况声波都并非是正入射。考虑空间声场大角度斜入射探测声波的主动控制就是将一维问题拓展至三维主动控制，因此，本发明采用低频波束形成相控阵列技术，利用波动相干原理，将低频无指向性声波进行聚束定向传播，能够精确控制次级声源产生的指向性偏转角度，针对探测声入射方向进行控制。
由于扬声器阵列声源能够产生一个具有强指向性的声场，因此结合相控阵原理能够使产生的指向性声场发生偏转，将指向性可控的扬声器阵列作为有源噪声控制中的次级声源，结合有源控制系统，与入射声波相消干涉，从而进行空间声场矢量声主动控制，实现矢量声的有效降噪功能。
基于上述设计思想，本发明提出一种空间声场矢量声主动控制方法，包括以下步骤：
步骤1、在初级噪声斜入射时，使用传感单元和空间矢量传声器获取空间声场信号，实时分析提取入射声波的矢量信息，包括入射角度、幅值、相位等。
步骤2、采用低频波束形成相控阵列技术，将阵列单元辐射的低频无指向性声波产生一定的指向性，并使波束偏转到入射波的角度。本步骤的具体实现方法为：
根据系统设计需求，基于扬声器相控阵列的、具有空间指向性的次级声源可采用阵元个数为M×N的平面扬声器阵列，如图1所示。各个单元阵列通过延时器改变相邻阵元之间的相位差，改变阵列波束的指向。扬声器阵列都可以通过改变每个扬声器的初相位使每个扬声器产生的声波同时到达空间中的一个虚拟平面——波阵面，使所有阵元信号在波阵面上实现同相，即实现了波阵面的偏转。
以直线型扬声器阵列为例，如图2所示。当波束偏转角为θ，相邻阵元所需的波程差l＝d×sinθ，设θ0表示未发生偏转时波束指向性最大的方向，那么相邻阵元的相位差为时延信号Δt＝d×sinθ/c。此时带有偏转的指向性函数为：
式中n为扬声器阵列的扬声器阵元个数，d为阵元间距，λ为在该频率下的声波波长。
阵元个数为M×N的平面矩形扬声器阵列可以视为M个阵元个数为N的线型扬声器阵列平行排列而成，即平面矩形扬声器是由M个具有相同排列结构的子阵列，每个子阵中又由N个相同阵元构成，阵列中每个阵元与相邻阵元的距离都相等。所以线型阵列的性质同样适用于平面矩形扬声器阵列，复合阵的指向性函数满足乘积定理，等于阵元为N的子阵指向性函数D1(N，d1，λ，θ1)与阵元为M的子阵指向性函数D2(M，d，λ，θ2)的乘积：
D(M，N，d1，d2，λ，θ1，θ2)＝D1(N，d1，λ，θ1)·D2(M，d2，λ，θ2)
其中，θ1和θ2为两个方向阵列指向性的偏转角度。设子阵N的偏转角为方位角α、设子阵M的偏转角为俯仰角θ，其波束偏转如图3所示。
阵列系统使用延时器用以控制施加于各单元辐射次级声波的初相位，各个单元辐射声信号的相位差产生相互干涉叠加的低频声波。阵列通过控制每个单元的输入相位延迟，可实现指向性波束偏转角度的控制，即实现声音传播方向的控制。
步骤3、结合多通道Fx-LMS自适应控制算法，利用声波相干原理，实现空间声场大角度斜入射情况下的主动回声抑制。本步骤的具体实现方法为：
噪声主动控制的基本原理是声波的杨氏干涉原理(如图4)，即由声场的线性迭加原理可知，当频率相同、相位差恒定的两列声波相遇时，在空间产生干涉现象，如果两波幅值相等，相位相反，理论上两波叠加后将完全抵消。因此，根据入射声波矢量信息搭建FPGA高速运算系统对设定方向指向的次级声源进行频率、相位和幅值调控，基于多通道Fx-LMS自适应控制算法和高速数据处理器建立多通道有源控制系统，应用空间波束形成相控阵列对入射方向的初级声波进行主动回声抑制。
Fx-LMS算法(滤波-XLMS算法)中误差传感器处接收到的声信号包括主输入噪声d(n)和次级噪声s(n)，分别是通道Hp(ω)对p(n)的响应(系统期望)和通道Hs(ω)对y(n)的响应，后者是声场抵消信号。其自适应控制系统流程如图5所示。
d(n)＝p(n)*Hp(ω) s(n)＝y(n)*Hs(ω)
应用长度L的横向结构FIR滤波器，可以得到n时刻滤波器W(z)的权系数和参考输入矢量分别为：
W(n)＝[w1(n)，w2(n)，…，wL(n)]T
X(n)＝[x(n)，x(n-1)，…，x(n-L+1)]T
次级噪声由参考输入通过控制滤波器得到：
由于初级噪声x(n)在L时刻内具有局部平稳特性，则可认为这期间控制滤波器的权系数基本不变，则次级噪声为：
其中r(n)被称为滤波-X参考输入，由它组成的矢量被称为滤波-X参考输入矢量为：
r(n)＝[r(n)，r(n-1)，…，r(n-L+1)]T
滤波-X参考输入与参考输入矢量之间的关系为：
r(n)＝X(n)*Hs(ω)
于是，误差传感器接收到的系统误差可以表示为：
e(n)＝d(n)+s(n)＝d(n)+rT(n)W(n)
显然，这时的系统误差和传统自适应理论中的误差信号只是形式相似，这里参考输入的是滤波-X信号，这就是所谓的滤波-X。控制滤波器的权值迭代需要一个目标函数作为准则，最常用的就是最小均方误差准则。
取系统误差的均方能量作为代价函数：
J(n)＝E[d2(n)]+2E[d(n)rT(n)]W(n)+WT(n)E[r(n)rT(n)]W(n)
令
P＝E[d(n)r(n)]
R＝E[r(n)rT(n)]
这里P为主输入信号和滤波-X信号的互相关矢量，R为滤波-X信号的自相关矩阵，是对称正定的二次型矩阵。于是目标函数为：
J(n)＝E[d2(n)]+2PTW(n)+WT(n)RW(n)
对于平稳输入状态，可以求出一个最佳权值矢量Wopt＝-R-1P。
直接取矩阵的逆是非常费时的，而且如果参考输入时变了，就必须重新计算。所以我们必须避免直接求相关矩阵和它的逆，而使用递推估计算法。最常见的递推迭代方法就是最陡梯度下降法，即
其中μ为迭代步长，可以是常数、也可以是时变的，用于控制系统迭代速度和稳态失调；表示n时刻的代价函数梯度值
在实际应用中，在运算量和系统性能上作了一定的折中。一般取单个误差样本的平均梯度作为均方误差梯度的估计，则有
获得权矢量迭代公式，有W(n+1)＝W(n)-2μe(n)r(n)。
在上式中，出现了滤波-X信号矢量，因此该算法称为滤波-XLMS算法，该算法在自适应消声控制领域得到了广泛应用。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
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