Page 83 - 201805

第 37 卷 第 5 期 韩荣等： 鲁棒性有源头枕系统的设计方法 665

外，为解决人耳位置移动、人头转动时控制效果下降
1 引言
的问题，提出的解决方法使系统复杂度很高。针对
舱室内休息区域的噪声影响乘客乘坐时的舒 舱室内休息区域的应用场景，本文首先设计了一种
适性，对于低频噪声，被动噪声控制对材料的尺寸、 采用固定系数、低复杂度的前馈多通道有源头枕系
体积有较高要求，在舱室中难以满足 [1] 。有源噪声 统，接着针对人头转动时次级通路发生变化、系统控
控制(Active noise control, ANC)技术具有体积小、 制性能下降的问题，提出了一种在不增加系统计算
低频噪声控制效果好的特点，受到了广泛关注。由 复杂度的前提下依然可以有较好控制效果的鲁棒
于对舱室噪声进行全局控制的条件难以满足，一般 性优化算法。通过仿真和实验，验证了多通道前馈
采用局部有源噪声控制的方法降低乘客头部区域 系统对低频宽带噪声控制的有效性，以及低复杂度
的噪声。有源头靠、头枕 (Active headrest) 是局部 鲁棒性优化算法在人头转动时对降噪性能的改善。
空间有源噪声控制的成功应用之一，是目前的研究
2 控制原理及鲁棒性优化方法
热点 [2−5] 。
1953 年，Olson 等 [6] 首次提出电子吸声器的概
本文中使用的多通道前馈有源控制系统通过
念和局部空间有源噪声控制的思想，但直到 20 世
离线辨识的方法对各次级通路建模，结合初级噪声
纪 80 年代后才成为研究热点。英国南安普顿大学
的先验信息，计算出控制系统滤波器系数的最优维
的 Rafaely 等 [7−8] 在 1997 年基于模拟反馈 ANC 算
纳解，利用此维纳解对参考信号滤波，得到各次级
法搭建了有源头靠原型系统，并研究了其在宽带噪
声源的输出信号。对于非时变的次级通路和初级噪
声下的降噪性能。该系统在座椅靠背两侧布放次
声，此时的控制效果是最优的。
级声源，利用反馈算法实现座椅上乘客双耳处的噪
声控制，在人头移动 5 cm 的范围内可对 400 Hz 以 2.1 控制原理
下的特定宽带噪声实现最高 5∼10 dB 的降噪效果。 多通道前馈有源控制系统的原理如图 1 所示。

Diaz 等 [9] 首次将有源头枕系统应用于火车卧铺中， 图 1 中，x(n) 为参考信号，P 为初级通路传递函数。
通过 Matlab-Simulink 仿真工具，基于 FxLMS 算法 设多通道前馈控制系统共有M 个次级声源，L 个误
的两通道有源头枕系统可对 100∼300 Hz 的低频带 差点，g lm (n) 为第 m 个次级源到第 l 个误差点的次
宽噪声实现16 dB的理论降噪效果。在实际情况中， 级通路传递函数。参考信号经过P 到达各误差点处
由于人头会移动或转动，次级通路随控制目标点位 的信号为期望信号，记为 d l (n)。参考信号经过控制
置的移动和物理空间的改变发生变化，从而影响系 器 w 滤波后输出各路次级信号 y m (n)，基于叠加原
统的控制性能。中科院声学所雷成友 [10] 通过优化 理，次级源发出的信号经过次级通路与期望信号在
有源头靠中的次级通路模型提高系统的鲁棒性，采 误差点处相加得到残差信号 e l (n)。目标函数为各
用基于虚拟传声器的 FxLMS 算法，在人头分别向 误差点残差信号e l (n)的均方值之和最小，从而实现
左右移动 8 cm 的范围内对 250 Hz 的单频实现了 有源降噪的目的 [14] 。控制系统的目标函数为
大于 10 dB 的降噪量。Jung 等 [11] 使用微软公司的 [ ]
∑ 2
Microsoft Kinect 系统实时跟踪人头的位置，调取 J(n) = E e (n) , (1)
l
L
该位置下提前辨识好的通路数据从而控制当前位
I−1
置下双耳处的噪声。Behera等 [12−13] 提出在人头上 其中，e l (n) = d l (n) + ∑ w i r l (n − i)，w i 为各次级
佩戴预先固定好误差传声器的帽子，达到实时跟踪 i=0
人头转动的目的，该系统在人头发生转动时，可对 源的滤波器系数，r l (n) = [r l1 (n)r l2 (n) · · · r lM (n)] T
为第 l 个误差点处的滤波 -x 信号组成的向量。滤
400 Hz、500 Hz和800 Hz的单频噪声有20 dB以上
波-x信号为
的控制效果。
J−1
前人对有源头靠、头枕系统的研究大多只对单 ∑
r lm (n) = g lm (j)x(n − i). (2)
频或带宽较窄的低频噪声实现较好的控制效果，此
j=0