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您当前的位置： 列车驾驶室基于虚拟传感技术的主动噪声控制系统及方法与流程
2021-01-28 13:01:35|
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本发明涉及噪声控制技术领域，更具体地说是一种列车驾驶室基于虚拟传感技术的主动噪声控制系统及方法。
背景技术：
列车行驶过程中，其轮轨区域产生的轨道噪声、发动机及其辅助设备产生的振动噪声，均会通过结构传播及空气传播传至车厢内部，对驾驶员的身心健康及操作准确性造成一定影响，各种噪声控制技术应运而生。
对于这种能量主要集中在低频段的列车噪声，目前采用主动噪声控制技术降低噪声，该技术控制目标为控制系统中误差传声器(一般布放在驾驶员操作台面或座椅靠背)所在位置，所以降噪量最高的并不是驾驶员头部区域。该技术应用过程中，只有将误差传声器布放在驾驶员耳部位置，才能确保驾驶员头部区域控制效果最佳，但这必将对驾驶员正常活动造成严重影响。总而言之，现有的主动噪声控制技术降噪效果最佳位置并非期望位置，要使期望位置降噪量最高，电声器件布局严重受限，无法在不影响驾驶员正常活动的同时保证其头部区域降噪效果最佳。
技术实现要素：
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种列车驾驶室基于虚拟传感技术的主动噪声控制系统及方法。基于虚拟传感技术的有源噪声控制方法主要目的是在不影响驾驶员正常活动的情况下，在其头部区域产生一个有源静音区，即将有源噪声控制系统的静音区从误差传声器位置转移至驾驶员耳部位置。该技术就是根据局部有源噪声控制中形成有源静音区的原理，设计出的一种有源噪声控制系统，其在不方便或不能在靠近人耳处放置误差传声器的情况下，也能在人耳附近形成有效的静音区，并且在人头部活动或噪声环境改变的情况下，控制系统仍能保持良好的稳定性和消声性能。该系统中，误差传声器安装位置所受限制明显减少，所以对该系统的研究具有较高的实用价值和非常重要的实际意义。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种列车驾驶室基于虚拟传感技术的主动噪声控制系统，包括次级声源、误差传声器和有源噪声控制器；所述次级声源用于产生次级声场，与初级声场叠加，达到降低噪声的目的；所述误差传声器包括物理误差传声器和虚拟误差传声器；
所述有源噪声控制器包括控制模块、噪声采集模块和降噪模块，其中控制模块电连接噪声采集模块及降噪模块；噪声采集模块用于采集驾驶室内的实时初级噪声信号；降噪模块用于发出与驾驶室内初级噪声抵消的声音；所述控制模块还电连接建模调试模块及噪声估计模块，所述建模调试模块用于物理次级通路、虚拟次级通路和物理虚拟通路的建模，以及调试阶段驾驶员耳部位置的降噪性能监测；噪声估计模块用于通过物理误差点实时噪声信号估计驾驶员耳部位置(即虚拟误差点)的噪声信号。
进一步的，所述虚拟误差传声器ev仅在建模调试阶段布放在驾驶员耳部位置，物理误差传声器在建模阶段和控制阶段均布放在远离驾驶员耳部的位置。
进一步的，列车驾驶室基于虚拟传感技术的主动噪声控制方法，包括以下两个步骤：
s1、建模调试阶段
对物理次级通路hp、虚拟次级通路hv和物理虚拟通路hpv进行实际建模，得到其估计值
通路建模分为以下两个步骤：
a、次级通路建模
次级通路建模包括物理次级通路和虚拟次级通路；建模方法为次级声源依次播放“预设声源”，物理误差点和虚拟误差点位置的传声器同时接收信号，并通过上述数据完成次级声源至物理误差点和虚拟误差点的传递函数计算，即完成次级通路建模；
b、物理虚拟通路建模
在列车正常行驶的情况下，同时通过物理误差点和虚拟误差点位置的传声器采集实时噪声信号，并通过上述数据完成物理误差点至虚拟误差点的传递函数计算，即完成物理虚拟通路建模；
s2、噪声控制阶段
在列车正常行驶的情况下，物理误差点传声器采集获取初级声场噪声信号，结合物理次级通路、虚拟次级通路和物理虚拟通路完成虚拟误差点噪声信号估计，以虚拟误差点作为控制目标，控制器识别噪声的频率及幅值等信息，利用控制算法计算得到等幅反相的“反噪声”，再控制次级声源输出该“反噪声”，产生次级声场，与初级声场相互抵消，从而对目标点噪声进行衰减控制；
对于单通道系统而言，虚拟误差传声器处信号可以通过物理误差传声器处信号ep(i)及通路模型
对于多通道系统而言，令
令
则有
也就是说，虚拟误差传声器处信号可以通过物理误差传声器处信号ep及通路模型
进一步的，物理虚拟通路建模如下：定义物理误差传声器数量为m，虚拟误差传声器数量为n；设初级声场环境下，物理误差传声器e1、…、em处信号分别为dp1(i)、…、dpm(i)，虚拟误差传声器ev1、…、evn处信号分别为dv1(i)、…、dvn(i)，物理虚拟通路hpv11、…、hpv1n、…、hpvm1、…、hpvmn的估计模型分别为
设通过物理误差点信号和物理虚拟通路模型得到的虚拟误差点信号估计值分别为
此时，虚拟误差点实测信号与估计值存在误差，为
令
令j＝errterr，当j＝0时，虚拟误差点实测值与估计值相等，则物理虚拟通路模型估计值与实际值相等；
也就是说，物理虚拟通路
进一步的，当系统采用单通道时，噪声控制阶段中：
圆圈内ep(i)表示物理传声器接收到的实时噪声信号，由初级声场信号dp(i)和次级声场信号yp(i)叠加产生，系统关闭、次级声源无输出时，有ep(i)＝dp(i)；
在列车正常行驶的情况下，物理误差点传声器采集获取初级声场噪声信号ep(i)，结合物理次级通路
系统运行流程如下：
a.输入信号x(i)作为控制系统的参考信号，可以是电信号、振动信号、声信号等；
b.输入物理误差点实时噪声信号ep(i)；
c.计算次级声源“反噪声”：
y(i)＝w(i)*x(i)
d.计算物理误差点次级声场信号估计值：
e.计算物理误差点初级声场信号估计值：
f.计算虚拟误差点初级声场信号估计值：
g.计算虚拟误差点次级声场信号估计值：
h.计算虚拟误差点噪声信号估计值：
i.调整控制算法所用自适应滤波器系数(μ为迭代系数)：
j.重复以上步骤至虚拟误差点噪声信号
进一步的，当系统采用多通道时，噪声控制阶段中：
次级声源数量为l，物理误差传声器数量为m，虚拟误差传声器数量为n；w1、wl为自适应滤波器模型(角标编号对应次级声源编号)；
x(i)作为控制系统参考信号；红色圆圈内ep1(i)、epm(i)表示物理传声器接收到的实时噪声信号；y1(i)、yl(i)表示次级声源输出信号。此外，其它标号含义在系统运行流程中详细说明，下面给出系统运行流程；
a.输入信号x(i)作为控制系统的参考信号，可以是电信号、振动信号、声信号等；
b.输入物理误差点实时噪声信号ep1(i)、…、epm(i)；
c.计算次级声源“反噪声”：
d.计算物理误差点次级声场信号估计值：
e.计算物理误差点初级声场信号估计值：
f.计算虚拟误差点初级声场信号估计值：
g.计算虚拟误差点次级声场信号估计值：
h.计算虚拟误差点噪声信号估计值：
i.调整控制算法所用自适应滤波器系数(μ为迭代系数)：
j.重复以上步骤至虚拟误差点噪声信号
本发明的技术效果和优点：
1.将虚拟传感技术用于机车驾驶室的有源噪声控制，在不影响驾驶员正常活动的同时保证其头部区域控制效果最佳；
2.误差传声器安装位置所受限制明显减少，具有较高的实用价值和非常重要的实际意义。
3.明确提出物理误差点至虚拟误差点的传递函数，即物理虚拟通路hpv的建模方法及具体步骤；
4.该技术适用于长时间在噪声环境中定点工作的人员，例如飞机、汽车等的驾驶员座位以及工业中机器操作者的操作位置上，用于消除噪声对人的干扰。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；
图2是系统模块组成；
图3是物理虚拟通路建模布局图；
图4是单通道系统原理框图；
图5是多通道系统原理框图；
图6是系统流程。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
基于虚拟传感技术的有源噪声控制方法主要目的是在不影响驾驶员正常活动的情况下，在其头部区域产生一个有源静音区，即将有源噪声控制系统的静音区从误差传声器位置转移至驾驶员耳部位置。该技术就是根据局部有源噪声控制中形成有源静音区的原理，设计出的一种有源噪声控制系统，其在不方便或不能在靠近人耳处放置误差传声器的情况下，也能在人耳附近形成有效的静音区，并且在人头部活动或噪声环境改变的情况下，控制系统仍能保持良好的稳定性和消声性能。该系统中，误差传声器安装位置所受限制明显减少，所以对该系统的研究具有较高的实用价值和非常重要的实际意义。
如图1和图2所示的，列车驾驶室基于虚拟传感技术的有源噪声控制系统主要结构组成包括次级声源、误差传声器和有源噪声控制器，如图1所示。
图1中，次级声源s用于产生次级声场，与初级声场叠加，达到降低噪声的目的；误差传声器包括物理误差传声器e和虚拟误差传声器ev(虚拟误差传声器ev仅在建模调试阶段布放在驾驶员耳部位置，物理误差传声器在建模阶段和控制阶段均布放在远离驾驶员耳部的位置)。hp、hv和hpv分别表示物理次级通路、虚拟次级通路和物理虚拟通路(即次级声源至物理误差点、次级声源至虚拟误差点和物理误差点至虚拟误差点的传递函数)。pp表示物理初级通路，即初级声源至物理误差点的传递函数。
列车驾驶室基于虚拟传感技术的有源噪声控制系统主要包括控制模块、噪声采集模块和降噪模块，如图2所示。其中控制模块电连接噪声采集模块及降噪模块；噪声采集模块一般设置在驾驶员操作台面或座椅靠背等不影响驾驶员正常活动的位置，用于采集驾驶室内的实时初级噪声信号；降噪模块一般设置在驾驶员座椅靠背头靠等不影响驾驶员正常活动的位置，用于发出与驾驶室内初级噪声抵消的声音。
此外，控制模块还电连接建模调试模块及噪声估计模块。其中建模调试模块用于物理次级通路hp、虚拟次级通路hv和物理虚拟通路hpv的建模，以及调试阶段驾驶员耳部位置的降噪性能监测；噪声估计模块用于通过物理误差点实时噪声信号估计驾驶员耳部位置(即虚拟误差点)的噪声信号。
为了保证驾驶员耳部处的噪声得到有效衰减，即将静音区转移至驾驶员头部区域，就必须通过物理误差点的噪声信号估计虚拟误差点(即驾驶员耳部位置)的噪声信号。所以，建模调试阶段需要在驾驶员耳部位置布放真实的误差传声器，物理误差传声器e则分别放置在远离驾驶员耳部的位置，以便获取物理误差传声器至虚拟误差传声器的传递函数，并在系统调试过程中对驾驶员耳部位置的降噪性能进行监测。
根据图1，该系统工作原理是假设初级噪声为x，由物理误差传声器e处的信号通过传递函数估计虚拟误差传声器(驾驶员耳部)处的噪声信号ev，送到有源噪声控制器中处理，发出控制信号y分别驱动左右两侧的次级声源，利用声波相消原理，在驾驶员耳部位置形成一定区域的静音区。
实施例二
如图6所示，该系统实际应用分为以下两个步骤：
1.建模调试阶段
对于该系统而言，物理初级通路pp仅用于系统原理说明，不进行实际建模。物理次级通路hp、虚拟次级通路hv和物理虚拟通路hpv都需要进行实际建模，得到其估计值
a.次级通路建模
次级通路建模包括物理次级通路和虚拟次级通路。建模方法为次级声源依次播放“预设声源”，物理误差点和虚拟误差点位置的传声器同时接收信号，并通过上述数据完成次级声源至物理误差点和虚拟误差点的传递函数计算，即完成次级通路建模。
b.物理虚拟通路建模
在列车正常行驶的情况下，同时通过物理误差点和虚拟误差点位置的传声器采集实时噪声信号，并通过上述数据完成物理误差点至虚拟误差点的传递函数计算，即完成物理虚拟通路建模。
这里对物理虚拟通路建模方法进行详细说明，图3给出了建模时的系统布局，物理误差传声器数量为m，虚拟误差传声器数量为n。
设初级声场环境下，物理误差传声器e1、…、em处信号分别为dp1(i)、…、dpm(i)，虚拟误差传声器ev1、…、evn处信号分别为dv1(i)、…、dvn(i)，物理虚拟通路hpv11、…、hpv1n、…、hpvm1、…、hpvmn的估计模型分别为
设通过物理误差点信号和物理虚拟通路模型得到的虚拟误差点信号估计值分别为
此时，虚拟误差点实测信号与估计值存在误差，为
令
令j＝errterr，当j＝0时，虚拟误差点实测值与估计值相等，则物理虚拟通路模型估计值与实际值相等。
也就是说，物理虚拟通路
完成上述通路建模后，进行系统调试，系统调试阶段所用算法与控制阶段相同，具体原理及逻辑在控制阶段进行详细说明。
2.噪声控制阶段
列车驾驶室基于虚拟传感技术的有源噪声控制方法的系统原理框图如图4所示，为便于说明系统逻辑及运行流程，这里仅给出单通道系统原理框图。图4中，红色圆圈内ep(i)表示物理传声器接收到的实时噪声信号，由初级声场信号dp(i)和次级声场信号yp(i)叠加产生，系统关闭、次级声源无输出时，有ep(i)＝dp(i)。
如图4所示，在列车正常行驶的情况下，物理误差点传声器采集获取初级声场噪声信号ep(i)，结合物理次级通路
系统调试阶段，耳部位置安装实际传声器，但其所测噪声信号不进入控制系统，仅对虚拟误差点的降噪效果进行监测，当虚拟误差点降噪量最优时，完成系统调试。
系统调试完成后，拆除虚拟误差点的真实传声器，进入该系统的噪声控制阶段。此时，耳部位置未布放传声器，降噪量不进行测试，由驾驶员进行实际感受。下面详细说明系统运行流程。
a.输入信号x(i)作为控制系统的参考信号，可以是电信号、振动信号、声信号等；
b.输入物理误差点实时噪声信号ep(i)；
c.计算次级声源“反噪声”：
y(i)＝w(i)*x(i)
d.计算物理误差点次级声场信号估计值：
e.计算物理误差点初级声场信号估计值：
f.计算虚拟误差点初级声场信号估计值：
g.计算虚拟误差点次级声场信号估计值：
h.计算虚拟误差点噪声信号估计值：
i.调整控制算法所用自适应滤波器系数(μ为迭代系数)：
j.重复以上步骤至虚拟误差点噪声信号
列车驾驶室基于虚拟传感技术的有源噪声控制多通道系统原理框图如图5所示，次级声源数量为l，物理误差传声器数量为m，虚拟误差传声器数量为n。
图5中，w1、wl为自适应滤波器模型(角标编号对应次级声源编号)；
图5中，x(i)作为控制系统参考信号；红色圆圈内ep1(i)、epm(i)表示物理传声器接收到的实时噪声信号；y1(i)、yl(i)表示次级声源输出信号。此外，其它标号含义在系统运行流程中详细说明，下面给出系统运行流程。
a.输入信号x(i)作为控制系统的参考信号，可以是电信号、振动信号、声信号等；
b.输入物理误差点实时噪声信号ep1(i)、…、epm(i)；
c.计算次级声源“反噪声”：
d.计算物理误差点次级声场信号估计值：
e.计算物理误差点初级声场信号估计值：
f.计算虚拟误差点初级声场信号估计值：
g.计算虚拟误差点次级声场信号估计值：
h.计算虚拟误差点噪声信号估计值：
i.调整控制算法所用自适应滤波器系数(μ为迭代系数)：
j.重复以上步骤至虚拟误差点噪声信号
综上所述，该系统就是在列车正常行驶的情况下，物理误差点传声器采集获取初级声场噪声信号，结合物理次级通路、虚拟次级通路和物理虚拟通路完成虚拟误差点噪声信号估计，以虚拟误差点作为控制目标，控制器识别噪声的频率及幅值等信息，利用控制算法计算得到等幅反相的“反噪声”，再控制次级声源输出该“反噪声”，产生次级声场，与初级声场相互抵消，从而对目标点噪声进行衰减控制。
对于单通道系统而言，虚拟误差传声器处信号可以通过物理误差传声器处信号ep(i)及通路模型
对于多通道系统而言，令
令
则有
也就是说，虚拟误差传声器处信号可以通过物理误差传声器处信号ep及通路模型
最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中,需要说明的是,除非另有规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,可以是机械连接或电连接,也可以是两个元件内部的连通,可以是直接相连,“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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