噪声传递第二通道模型辨识方法.pdf

本发明提供噪声传递第二通道模型辨识方法，按照标准的白噪声产生方法模拟生成白噪声，将白噪声经过扩音器向空气中传播，误差传感器检测扩音器声波经过空气衰减后的信号；白噪声经滤波器滤波后的信号；设滤波器参数初始取值均为0；计算白噪声经滤波器滤波后的信号；计算误差传感器检测到的信号与滤波后的信号之间的误差；判断误差的大小，若未达到预设要求则更新滤波器系数，继续计算滤波后的信号；若达到预设要求则停止计算，输出滤波器系数。与传统方法相比，本发明方法能够获得更加准确的噪声传递模型，非常适合主动噪声控制设计时对扩音器和误差检测传感器之间的第二通道模型进行辨识，为主动噪声控制获得良好的去噪效果提供了基础。

1.  一种噪声传递第二通道模型辨识方法，其特征在于：它包括以下步骤：
1)令采样周期为T_s，按照标准的白噪声产生方法模拟生成白噪声y(k)，将y(k)经过扩音器向空气中传播，误差传感器检测扩音器声波经过空气衰减后的信号r′(k)；白噪声y(k)经滤波器滤波后的信号r(k)＝C(z)y(k)，C(z)表示模拟噪声源与误差传感器之间的传递函数，表达式为C(z)＝c₀+c₁z^-1+c₂z^-2+…+c_nz^-n，其中符号“z”表示移位操作，n为滤波器阶次，c₀、c₁、…、c_n为滤波器系数；
2)设滤波器参数初始取值均为0；
3)计算白噪声经滤波器滤波后的信号r(k)，其中c_i(k)表示滤波器系数c_i在第k次采样时的值；
4)计算误差传感器检测到的信号r′(k)与滤波后的信号r(k)之间的误差e(k)，e(k)＝r′(k)-r(k)；
5)判断e(k)的大小：
若e(k)未达到预设要求，则更新滤波器系数，令c_i(k+1)＝c_i(k)+μ×e(k)×y(k-i)，其中i＝0,1,2,…,n-1，μ为迭代步长，μ满足条件其中P_y为白噪声y(k)的功率；返回步骤3)；
若e(k)达到预设要求，则停止计算，输出滤波器系数。

2.  根据权利要求1所述的噪声传递第二通道模型辨识方法，其特征在于：步骤5)中，若e(k)≥0.1，则更新滤波器系数，令c_i(k+1)＝c_i(k)+μ×e(k)×y(k-i)，其中i＝0,1,2,…,n-1，μ为迭代步长，μ满足条件其中P_y为白噪声y(k)的功率；返回步骤3)；
若e(k)<0.1，则停止计算，输出滤波器系数。

噪声传递第二通道模型辨识方法
技术领域
本发明涉及钢铁冶金行业噪声污染治理领域，具体涉及一种噪声传递第二通道模型辨识方法。
背景技术
在钢铁、冶金等工业领域中，由于各种大型机械的运行，特别是诸如高炉减压阀组等高能量噪声源的运行，导致钢铁厂区长期处于严重噪声污染之中。由于长时间处于这种高强度噪声污染中会导致工作人员身体和心理受到损伤，因此工程中往往采用主动去噪和被动去噪两种方法减小噪声能量。在主动噪声控制技术中，为了达到较好的去噪效果，需要辨识扩音器至误差接收端之前的噪声传递第二通道模型，传统方法往往难以辨识得到准确的噪声传递模型。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种噪声传递第二通道模型辨识方法，能够获得更加准确的模型参数。
本发明为解决上述问题所采取的技术方案为：一种噪声传递第二通道模型辨识方法，其特征在于：它包括以下步骤：
1)令采样周期为T_s，按照标准的白噪声产生方法模拟生成白噪声y(k)，将y(k)经过扩音器向空气中传播，误差传感器检测扩音器声波经过空气衰减后的信号r′(k)；白噪声y(k)经滤波器滤波后的信号r(k)＝C(z)y(k)，C(z)表示模拟噪声源与误差传感器之间的传递函数，表达式为C(z)＝c₀+c₁z^-1+c₂z^-2+…+c_nz^-n，其中符号“z”表示移位操作，n为滤波器阶次，c₀、c₁、…、c_n为滤波器系数；
2)设滤波器参数初始取值均为0；
3)计算白噪声经滤波器滤波后的信号r(k)，其中c_i(k)表示滤波器系数c_i在第k次采样时的值；
4)计算误差传感器检测到的信号r′(k)与滤波后的信号r(k)之间的误差e(k)，e(k)＝r′(k)-r(k)；
5)判断e(k)的大小：
若e(k)未达到预设要求，则更新滤波器系数，令c_i(k+1)＝c_i(k)+μ×e(k)×y(k-i)，其中i＝0,1,2,…,n-1，μ为迭代步长，μ满足条件其中P_y为白噪声y(k)的功率；返回步骤3)；
若e(k)达到预设要求，则停止计算，输出滤波器系数。
按上述方案，步骤5)中，若e(k)≥0.1，则更新滤波器系数，令c_i(k+1)＝c_i(k)+μ×e(k)×y(k-i)，其中i＝0,1,2,…,n-1，μ为迭代步长，μ满足条件其中P_y为白噪声y(k)的功率；返回步骤3)；
若e(k)<0.1，则停止计算，输出滤波器系数。
本发明的有益效果为：与传统方法相比，本发明方法能够获得更加准确的噪声传递模型，非常适合主动噪声控制设计时对扩音器和误差检测传感器之间的第二通道模型进行辨识，为主动噪声控制获得良好的去噪效果提供了基础。
附图说明
图1为本发明的辨识原理图；
图2为实施例1中滤波器参数c₀收敛曲线；
图3为实施例1中滤波器参数c₁收敛曲线；
图4为实施例1中滤波器参数c₂收敛曲线；
图5为实施例1中滤波器参数c₃收敛曲线；
图6为实施例1中滤波器参数c₄收敛曲线；
图7为实施例1中滤波器参数c₅收敛曲线；
图8为实施例1中滤波器参数c₆收敛曲线；
图9为实施例1中滤波器参数c₇收敛曲线；
图10为实施例1中滤波器参数c₈收敛曲线；
图11为实施例1中滤波器参数c₉收敛曲线；
图12为实施例1中滤波器参数c₁₀收敛曲线；
图13为实施例1中误差e(k)变化曲线。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
在某一个传播方向上，声音沿着直线向远处传播，最前面第一个传感器是原始噪声传感器，中间是扩音器，最后放置的误差传感器。其中原始噪声传感器是用来检验噪声源沿着传播方向在原始噪声传感器所在位置上的噪声信号，而扩音器是通过主动噪声控制技术发出的与噪声特性相抵消的声波，最后的误差传感器则是用来检测原始噪声声波和扩音器声波的装置，由于原始信号和扩音器发出的声波在空气中互相抵消，因此误差传感器实际接收到的是原始噪声和扩音器声波相互叠加的声波信号，它可以检验噪声主动控制技术的去噪性能优劣。由于噪声到误差传感器的传播路径通常称作第一通道，所以就将扩音器发出的声波到误差传感器的传播路径称作第二通道。
本实施例提供的一种噪声传递第二通道模型辨识方法，它包括以下步骤：
1)按照附图1建立噪声传递第二通道，令采样周期为T_s，按照标准的白噪声产生方法模拟生成白噪声y(k)，将y(k)经过扩音器向空气中传播，误差传感器检测扩音器声波经过空气衰减后的信号r′(k)；白噪声y(k)经滤波器滤波后的信号r(k)＝C(z)y(k)，C(z)表示模拟噪声源与误差传感器之间的传递函数，表达式为C(z)＝c₀+c₁z^-1+c₂z^-2+…+c_nz^-n，其中符号“z”表示移位操作，n为滤波器阶次，c₀、c₁、…、c_n为滤波器系数；
2)设滤波器参数初始取值均为0；
3)计算白噪声经滤波器滤波后的信号r(k)，其中c_i(k)表示滤波器系数c_i在第k次采样时的值；
4)计算误差传感器检测到的信号r′(k)与滤波后的信号r(k)之间的误差e(k)，e(k)＝r′(k)-r(k)；
5)判断e(k)的大小：
若e(k)未达到预设要求(本实施例中判断e(k)≥0.1时)，则更新滤波器系数，令c_i(k+1)＝c_i(k)+μ×e(k)×y(k-i)，其中i＝0,1,2,…,n-1，μ为迭代步长，μ满足条件其中P_y为白噪声y(k)的功率；返回步骤3)；
若e(k)达到预设要求(本实施例中判断e(k)<0.1时)，则停止计算，输出滤波器系数。
本发明的工作原理为：附图1中C(z)表示噪声第二通道传递函数，本申请将噪声第二通道模型看做一个有限冲击滤波器，其表达形式为C(z)＝c₀+c₁z^-1+c₂z^-2+…+c_nz^-n，其中符号 “z”表示移位操作，n为滤波器阶次，c₀、c₁、…、c_n为滤波器系数；y(k)表示白噪声，r(k)为经过滤波器滤波后的信号，其中k表示信号采样序号；r′(k)表示误差传感器接收到信号，e(k)表示r′(k)与r(k)之间的差值。
假设噪声在空气中传播时，从扩音器到误差传感器之间的传递函数为H(z)，那么附图1中白噪声y(k)经过空气的衰减作用后在误差传感器检测得到的信号变为r′(k)＝H(z)y(k)，而信号r(k)＝C(z)y(k)，如果表示r′(k)与r(k)之间的误差为零时，则滤波器C(z)便是噪声第二通道传递模型。
如果r′(k)＝C(z)y(k)则C(z)便是准确的噪声第二通道传递函数，于是可以将上式转换成如下形式：
r′(k)=y(k)y(k-1)y(k-2)&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;y(k-n)c0c1c2&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;cn,]]>其中y(k-n)表示第k-n次采样的随机信号值，若令c=c0c1c2&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;cn,]]>则有如下的线性方程：

上述线性方程中参数c为未知数，根据随机逼近优化理论，可以得到参数c的迭代计算公式为：

上式中符号“T”表示矩阵求转置运算，由于因此展开成矩阵形式为：
c0(k+1)c1(k+1)c2(k+1)&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;cn(k+1)=c0(k)c1(k)c2(k)&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;cn(k)+μ×y(k)y(k-1)y(k-2)&CenterDot;&CenterDot;&CenterDot;y(k-n)×e(k)]]>
对于向量c中的每一个元素，可得到其迭代表达式为：
c_i(k+1)＝c_i(k)+μ×e(k)×y(k-i)
上式中i∈[0 n]。
以某一主动噪声控制系统为例，其中扩音器距离误差信号传感器20米，为了辨识扩音器与误差传感器之间的第二通道模型，本案例令采样周期为T_s＝0.00001秒，按照步骤1)生成白噪声y(k)，经过扩音器向空气中传播。设第二通道模型为11阶，则设计滤波器的初始参数均为0，即c₀＝0、c₁＝0、…、c₁₁＝0。按照步骤3)-5)逐步迭代计算滤波器参数，经过0.1秒钟的计算后，误差e(k)<0.1，辨识得到的滤波器参数分别为c₀＝0.0147475299960828，c₁＝0.0237478779311739，c₂＝0.0653174737962928，c₃＝0.124706748500808，c₄＝0.179643922151532，c₅＝0.20221317008156，c₆＝0.179643922151532，c₇＝0.124706748500808，c₈＝0.0653174737962928，c₉＝0.0237478779311739，c₁₀＝0.00474752999608277，各参数迭代收敛过程曲线如附图2-12所示，误差e(k)变化曲线如附图13所示。
以上实施例仅用于说明本发明的计算思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。