一种轴流风扇主动噪声控制装置技术领域
本发明涉及电子设备散热技术领域，特别涉及一种轴流风扇主动噪声控
制装置。
背景技术
轴流风扇广泛应用于电子设备的散热，是电子设备噪声的主要来源。研
究表明，轴流风扇的噪声主要由三部分组成：轴承的摩擦与振动产生的噪声、
风扇叶片振动产生的噪声以及叶片与空气的摩擦产生的噪声。在正常情况
下，与空气摩擦产生的噪声占主导地位，其噪声基频与风扇的转速与叶片数
有关，频率一般不会超过1000Hz，属于低频噪声。如果采用传统的被动降
噪方式，会占用很大的空间，降噪成本很高，甚至会降低散热效果，同时当
风扇噪声特性因其他原因发生变化时，降噪效果会大大降低，环境适应性太
差。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种能够主动控制噪声的轴流风扇主动噪声控制
装置。
一种轴流风扇主动噪声控制装置，其包括第一次声源发生器、第二次声
源发生器、转速传感器、第一误差传感器、第二误差传感器、控制器；
第一次声源发生器、第二次声源发生器、转速传感器、第一误差传感器、
第二误差传感器均与控制器电连接；
转速传感器用于同步获取风扇转速的电子脉冲信号，并将风扇转速的电
子脉冲信号发送给控制器；
第一误差传感器用于获取位于风扇第一评估点的噪声值，并将第一评估
点的噪声值发送到控制器；
第二误差传感器用于获取位于风扇第二评估点的噪声值，并将第二评估
点的噪声值发送到控制器；
控制器用于根据接收的转速的电子脉冲信号生成第一控制信号、第二控
制信号，将第一控制信号发送到第一次声源发生器，将第二控制信号发送到
第二次声源发生器；并用于根据第一控制信号生成第一补偿信号，将第一补
偿信号发送到第二次级声源发生器，根据第二控制信号生成第二补偿信号，
将第二补偿信号发送到第一次声源发生器；
第一次声源发生器用于根据第一控制信号发声抵消第一评估点的噪声
值，并根据第二补偿信号补偿第二评估点处第二次级声源发生器产生的次级
声源对第一误差传感器的影响；
第二次声源发生器用于根据第二控制信号发声抵消第一评估点的噪声
值，并根据第一补偿信号补偿第一评估点处第一次级声源发生器产生的次级
声源对第二误差传感器的影响。
在本发明所述的轴流风扇主动噪声控制装置中，控制器包括第一基准信
号发生器、第二基准信号发生器、第一自适应滤波器、第二自适应滤波器、
第一补偿滤波器、第二补偿滤波器、第一校正滤波器、第二校正滤波器、第
一自适应滤波器系数更新装置、第二自适应滤波器系数更新装置；
第一自适应滤波器一端与第一基准信号发生器、第一校正滤波器一端电
连接；第一自适应滤波器另一端与第一次声源发生器电连接；第一校正滤波
器另一端依次与第一自适应滤波器系数更新装置、第一误差传感器电连接；
第二自适应滤波器一端与第二基准信号发生器、第二校正滤波器一端电
连接；第二自适应滤波器另一端与第二次声源发生器电连接；第二校正滤波
器另一端依次与第二自适应滤波器系数更新装置、第二误差传感器电连接；
第一补偿滤波器一端电连接在第二自适应滤波器与第二次声源发生器
之间，第一补偿滤波器另一端电连接在第一自适应滤波器与第一次声源发生
器之间；
第二补偿滤波器一端电连接在第二自适应滤波器与第二次声源发生器
之间，第二补偿滤波器另一端电连接在第一自适应滤波器与第一次声源发生
器之间。
在本发明所述的轴流风扇主动噪声控制装置中，所述第一次声源发生器
为一对扬声器，扬声器设置在风扇两侧。
在本发明所述的轴流风扇主动噪声控制装置中，所述第二次声源发生器
为一对扬声器，扬声器设置在噪声控制区域两侧。
在本发明所述的轴流风扇主动噪声控制装置中，第一误差传感器为一麦
克风，麦克风设置在风扇上方。
在本发明所述的轴流风扇主动噪声控制装置中，第二误差传感器为一麦
克风，麦克风设置在噪声控制区域上方。
本发明提供的轴流风扇主动噪声控制装置，：①可有效降低特定工作范
围内的噪声，改善工作环境；②采用主动控制噪声的方式，较被动方式可在
不影响散热效果的情况下提高降噪效果；③采用主动控制噪声的方式可提高
消声设备的环境适应性，在控制对象音频特性改变后能有效的降低噪声。
附图说明
图1为本发明实施例的轴流风扇主动噪声控制装置的结构示意图；
图2为图1中控制器的电路图。
具体实施方式
如图1所示，一种轴流风扇主动噪声控制装置，其包括第一次声源发生
器、第二次声源发生器、转速传感器110、第一误差传感器、第二误差传感
器、控制器106。在本发明实施例中，轴流风扇的叶片数可选为5。
第一次声源发生器、第二次声源发生器、转速传感器110、第一误差传
感器、第二误差传感器均与控制器106电连接。
转速传感器110用于同步获取风扇转速的电子脉冲信号，并将风扇转速
的电子脉冲信号发送给控制器106。
可选地，转速传感器110可以为光电转速传感器。通过反光纸间断激励
光电转速传感器，使其发出脉冲信号，且该脉冲信号体现风扇的转速，并被
输入到控制器106。从频谱特性上来分把轴流风扇的气动噪声分为：旋转噪
声(干涉噪声)和宽频噪声(自噪声)。旋转噪声是指相对于叶片旋转坐标
系，转子叶片和随时间变化的扰动流之间的相互干涉引起的噪声，它又称干
涉噪声，对于动叶片均匀分布的风扇来说这种相互作用是周期性的，因而产
生的噪声也是周期性的，旋转噪声的频率为
fi＝i*n/60
式中i——叶片数；n——风扇的转速。因此，其频率与风扇的气叶片数
和转速有关。风扇转动引起的噪声与其转速同步，因此，参考信号的频率可
以根据转速传感器110发出的脉冲信号决定。
第一误差传感器用于获取位于风扇第一评估点的噪声值，并将第一评估
点的噪声值发送到控制器106。可选地，第一误差传感器为一麦克风101，
麦克风101设置在风扇上方。
第二误差传感器用于获取位于风扇第二评估点的噪声值，并将第二评估
点的噪声值发送到控制器106。可选地，第二误差传感器为一麦克风102，
麦克风102设置在噪声控制区域上方。可选地，麦克风101与麦克风102
可以为相同的麦克风，也可以为不同的麦克风。
控制器106用于根据接收的转速的电子脉冲信号生成第一控制信号、第
二控制信号，将第一控制信号发送到第一次声源发生器，将第二控制信号发
送到第二次声源发生器；并用于根据第一控制信号生成第一补偿信号，将第
一补偿信号发送到第二次级声源发生器，根据第二控制信号生成第二补偿信
号，将第二补偿信号发送到第一次声源发生器。
第一次声源发生器用于根据第一控制信号发声抵消第一评估点的噪声
值，并根据第二补偿信号补偿第二评估点处第二次级声源发生器产生的次级
声源对第一误差传感器的影响。可选地，所述第一次声源发生器为一对扬声
器103，扬声器设置在风扇两侧。
第二次声源发生器用于根据第二控制信号发声抵消第一评估点的噪声
值，并根据第一补偿信号补偿第一评估点处第一次级声源发生器产生的次级
声源对第二误差传感器的影响。可选地，所述第二次声源发生器为一对扬声
器104，扬声器设置在噪声控制区域两侧。可选地，扬声器103与扬声器
104可以为相同的扬声器，也可以为不同的扬声器。
可选地，在本发明实施例所述的轴流风扇主动噪声控制装置中，控制器
106包括第一基准信号发生器107a、第二基准信号发生器107b、第一自适
应滤波器108a、第二自适应滤波器108b、第一补偿滤波器109a、第二补
偿滤波器109b、第一校正滤波器105a、第二校正滤波器105b、第一自适
应滤波器系数更新装置111a、第二自适应滤波器系数更新装置111b；
第一自适应滤波器108a一端与第一基准信号发生器107a、第一校正滤
波器105a一端电连接；第一自适应滤波器108a另一端与第一次声源发生
器电连接；第一校正滤波器105a另一端依次与第一自适应滤波器系数更新
装置111a、第一误差传感器电连接；
第二自适应滤波器108b一端与第二基准信号发生器107b、第二校正滤
波器105b一端电连接；第二自适应滤波器108b另一端与第二次声源发生
器电连接；第二校正滤波器105b另一端依次与第二自适应滤波器系数更新
装置111b、第二误差传感器电连接；
第一补偿滤波器109a一端电连接在第二自适应滤波器108b与第二次
声源发生器之间，第一补偿滤波器109a另一端电连接在第一自适应滤波器
108a与第一次声源发生器之间；
第二补偿滤波器109b一端电连接在第二自适应滤波器108b与第二次
声源发生器之间，第二补偿滤波器109b另一端电连接在第一自适应滤波器
108a与第一次声源发生器之间。
第一基准信号发生器107a，发送第一基准信号；第二基准信号发生器
107b，发送第二基准信号；它们的频率都基于由转速传感器110发出的脉冲
信号确定。第一自适应滤波器108a，接收第一基准信号发生器107a发送的
第一基准信号，同时输出第一控制信号X0给扬声器103；第二自适应滤波
器108b，接收第二基准信号发生器107b发送的第二基准信号，同时输出第
二控制信号X1给扬声器104。第一补偿滤波器109a，接收第一控制信号
X0，同时输出第一补偿信号；第二补偿滤波器109b，接收第二控制信号X1，
同时输出第二补偿信号。第一校正滤波器105a，接收第一基准信号，同时
输出第一参考信号；第二校正滤波器105b，接收第二基准信号，同时输出
第二参考信号。第一自适应滤波器系数更新装置111a，根据第一参考信号和
麦克风101测得的误差信号来更新第一自适应滤波器108a的系数；第二自
适应滤波器系数更新装置111b，根据第二参考信号和麦克风102测得的误
差信号来更新第二自适应滤波器108b的系数。第一自适应滤波器108a以
及第二自适应滤波器108b滤波器系数是根据对应次级通道的传递特性测
得，用于矫正基准信号，得到准确的两个参考信号；(测量方法可以是离线
辨识或在线辨识)。
以下对本发明实施例的做进一步的描述。
由转速传感器110可同步得到风扇转速的电子脉冲信号，并发送给控制
器106，然后控制器106决定第一、第二基准信号的频率，第一基准信号发
生器107a、第二基准信号发生器107b产生对应的基准信号，那么对应频率
的噪声将被降低。这些基准信号可能相同。风扇转动过程由光电转速传感器
110计数并以方波脉冲的形式输出。
第一基准信号和第一自适应滤波器108a的滤波器系数W0相乘得到第
一控制信号X0，然后由信号放大器放大，驱动第一次级声源发生器103发
声并辐射出作为次级声源，抵消评估点处的噪声，最后第一误差传感器101
测出残差值。
同理，第二基准信号和第二自适应滤波器108b的滤波器系数W1相乘
得到第二控制信号X1，然后又信号放大器放大，驱动第二次级声源发生器
104发声并辐射出作为次级声源，抵消评估点处的噪声，最后第二误差传感
器102测出残差值。
同时，第一控制信号X0与第一补偿滤波器109a的系数F0相乘得到第
一补偿信号，加上第二控制信号X1后放大，同时将第一补偿信号发送给第
二次级声源发生器104来补偿在评估点处扬声器103产生的次级声源对麦克
风102的影响，即图2中通道C01的影响。同理，第二控制信号X与第二
补偿滤波器109b的系数F1相乘得到第二补偿信号，加上第一控制信号X0
后放大，同时将第二补偿信号发送给第一次级声源发生器103来补偿在评估
点处扬声器104产生的次级声源对麦克风101的影响，即图2中通道C10
的影响。
麦克风101、102检测噪声，并通过缆线将检测值发送给控制器106，
而控制器106、第一自适应滤波器108a、第二自适应滤波器108b和第一补
偿滤波器109a、第二补偿滤波器109b则根据输入的值计算得到第一、第二
控制信号X0、X1，然后第一、第二控制信号X0、X1将驱动两组相应的扬
声器103、104，其中用于补偿噪声的驱动信号则通过缆线发送给两组扬声
器103、104。
下面对第一校正滤波器105a、第二校正滤波器105b的工作过程进行描
述。如图2所示，此处假设：第一校正滤波器105a、第二校正滤波器105b
系数分别为c^0和c^1；从风扇处扬声器103到风扇处麦克风101的传递特
性为C00，从扬声器103到噪声控制区域麦克风102的传递特性为C01；
从噪声控制区域扬声器104到风扇处麦克风101的传递特性为C10，从扬
声器104到噪声控制区域麦克风102的传递特性为C11。
如上所述，当确定了每个组成部分的传递特性后，风扇附近扬声器103
发出的次级声源Y0在风扇处麦克风101处可表示为：Y0＝(X0+F1*Xl)*C00；
噪声控制区域扬声器104发出的次级声源Y1在风扇处麦克风101处可表示
为：Y1＝(X1+F0*X0)*C10。
风扇处扬声器103发出的次级声源Y3在噪声控制区域麦克风102处可
表示为：Y3＝(X0+F1*X1)*C01；噪声控制区域扬声器104发出的次级声源
Y4在噪声控制区域麦克风102处可表示为：Y3＝(X1+F0*X0)*C11。
第一自适应滤波器系数更新装置111a接收由麦克风101检测的上述混
合信号，且其输入信号(Y0+Y1)可表示为
Y0+Y1＝(X0+F1*Xl)*C00+(X1+F0*X0)*C10
＝(C00+F0*C10)*X0+(C10+F1*C00)*X1(1)
在此，第一校正滤波器105a的滤波器系数c^0表示从第一自适应滤波
器108a的输出X0到第一自适应滤波器系数更新装置111a的传递特性，当
第一校正滤波器105a的滤波器系数c^0确定了，它将只影响第一控制信号
X0影响的部分，且可表示为：
c^0＝C00+F0*C10。(2)
同理，第二自适应滤波器系数更新装置111b接收由麦克风102检测的
混合信号，且其输入信号(Y3+Y4)可表示为
Y3+Y4＝(C01+F0*C11)*X0+(C11+F1*C01)*X1(3)
同样，第二校正滤波器105b的滤波器系数c^1表示从第二自适应滤波
器108b的输出X1到第二自适应滤波器系数更新装置111b的传递特性，当
第二校正滤波器105b的滤波器系数c^1确定了，它将只影响第一控制信号
X1影响的部分，且可表示为：
c^1＝C11+F1*C01(4)
因此，在系统中，第一校正滤波器105a的校正值是C00+F0*C10，其
中C00是风扇处扬声器103到风扇处麦克风101的传递特性，F0是第一补
偿滤波器109a的系数，C10是噪声控制区域扬声器104到风扇处麦克风101
的传递特性。另外，第二校正滤波器105b的校正值是C11+F1*C01，其中
C11是噪声控制区域扬声器104到噪声控制区域麦克风102的传递特性，
F1是第二补偿滤波器109b的系数，C01是风扇处扬声器103到噪声控制
区域麦克风102的传递特性。
在系统中，将麦克风101置于风扇处一个评估点作为第一误差传感器，
扬声器103发出信号消除该点的噪声，扬声器104发出次级声源消除风扇处
发出的次级声源在噪声控制区域处的影响；同时将麦克风102置于噪声控制
区域某点作为第二误差传感器，且扬声器104发出信号消除该店的噪声，扬
声器103发出次级声源消除噪声控制区域发出的次级声源对风扇处的影响。
为了通过这种方式实现降噪，补偿滤波器109a、109b的滤波器系数F0、
F1需满足：
C01＝-C11*F0(5)
C10＝-C00*F1(6)
由如上的第一补偿滤波器109a、第二补偿滤波器109b，等式(1)、
(3)可以变换为：
Y0+Y1＝(C00+F0*C10)*X0＝c^0*X0(7)
Y3+Y4＝(C11+F1*C01)*X1＝c^1*X1(8)
如等式(7)、(8)所示，信号(Y0+Y1)从麦克风101a输入第一自
适应滤波器108a校正装置111a，且只受第一控制信号X0的影响；信号
(Y3+Y4)从麦克风101b输入第二自适应滤波器108b校正装置111b，且
只受第二控制信号X1的影响。因此，通过设计上述第一补偿滤波器109a、
第二补偿滤波器109b，当风扇处噪声的降低，噪声控制区域的噪声也会降
低，反之亦然。
如上所述，第一补偿滤波器109a的滤波器系数F0是由传递特性C01
和C11加权决定的；同时，第二补偿滤波器109b的滤波器系数F1由传递
特性C10和C00加权决定。
同时，第一自适应滤波器108a的滤波器系数W0由第一自适应滤波器
系数更新装置111a迭代更新，且是基于第一校正滤波器105a发出的第一参
考信号和麦克风101测得的残差信号。同理，第二自适应滤波器108b的滤
波器系数W1由第二自适应滤波器系数更新装置111b迭代更新，且是基于
第二校正滤波器105b发出的第二参考信号和麦克风102测得的残差信号。
本发明实施例可以基于最陡下降法的LMS算法来更新滤波器系数W0、W1。
假设第一校正滤波器105a输出的第一参考信号为r0，第二校正滤波器105b
输出的第二参考信号为r1，麦克风101测得的残差信号为e0，麦克风102
测得的残差信号为e1，且令LMS算法的步长为μ。那么滤波器系数
W0(n+1)、W1(n+1)的递归算法可以表示为：
W0(n+1)＝W0(n)-μ*e0(n)*r0(n)(9)
W1(n+1)＝W1(n)-μ*e1(n)*r1(n)(10)
通过这种方法，滤波器系数W0、W1可递归收敛得到最优值，使得残差信
号e0、e1达到最小实现自适应控制，也就是说麦克风101、102处的噪声
减小了。如上所述，主动噪声控制降低了噪音，且可以不受扬声器103、104
到麦克风101、102间的相应传递特性改变的影响。同时，不仅风扇处的噪
声降低了，噪声控制区域处的也降低。
可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技
术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本
发明权利要求的保护范围。