主动声控系统.doc

主动声控系统带来高质量的低频汽车引擎噪声摘要ANC系统能够使更舒适的声音的产生，这已经被真实的多声控制系统用多种有效的分析评估了。据报道，模拟真正的汽车引擎噪声的产生是通过使用双耳头模拟器在一个典型的汽车座位上，这些单独的噪声融合在一起在一个封闭的空间被有效的控制。有效的噪声控制研究专攻于噪声质量的评估，噪声的质量是通过舒适感的变化来评价的。两种方法被发明了：第一，是基于心理声学参数的预测方法（响度，粗糙度，音调和清晰度）；第二，是利用陪审团测试的主观方法。得出的结果是关于噪音控制前后的声音的光谱分析。两种分析的结论是ANC系统能够有效的影响声音的舒适度。发动机噪声的数学舒适度预测是在响度和粗糙度的基础上（ANC系统直接影响两项心理声学参数），并且满意地预测了声音舒适度的改进。至于主观评价方法，陪审团的测试显示，声音的舒适度在大多数情况下，直接被安静的环境影响。然而，在陪审团的测试中，ANC也显示出他不乐观的一面，它无法降低音量，可能是原音的振幅太低了。最后，从得出的结论可看出，主观的改善可以说是很大程度上依靠ANC系统运作所达到的衰减水平，以及在声音被控制前后的光谱特性。1. 引言主动声控系统是一个先进的技术，它主要用于减少一个听力空间的内部在一个或几个点及区域的声音压力程度。这项技术包括引进一种新的声域，它是一个与主要的声音相结合的区域，最终导致了在那个控制点和围绕周围的声音水平的降低。有效的控制技术尤其适合取消低频噪声，当基于吸水材料和声学屏幕的传统被动技术无效的时候。声音质量评估已经成为一个非常有效的研究领域。它主要处理噪声对人类产生的主观反应，从而实现更好的声音设计和噪声改进技术。特别是，许多汽车内饰的音质评价最近已经展开了。在这些研究中，评估方法已经被阐明，其复杂程度也是显而易见的。汽车有很多内饰噪音：道路噪音，风声，发动机噪音等。每一项都源于不同的特殊功能。因此，很难在一个时间说出所有的特征，而且音质的研究通常都集中于一项特征在当下的时间当前的工作中。运用心理声学通常是任何音质评价的起点。（同时也是汽车产业的起点）尽管如此，心理声学研究常被陪审团的测试和数学模型所补充，从而来评估音质。最近，汽车引擎噪音的音质控制的例子可在Refs中被看到。发动机噪音控制是最有前途的主动控制应用程序之一，合理地想象未来ANC系统被安装在汽车里，以适应客户需求喜好。换言之，是为了设计汽车内部声场。许多研究显示，在封闭的房间里ANC系统是有效的，在其他环境里，取消发动机低频噪音的能力一般。然而，怀疑噪音的减少是否会改善声音舒适度的人是可以被原谅的。于是，一个开放型的问题提出来了，降噪水平与改善声音舒适度有任何联系么？参考23一种主观的评价飞机内部生意的质量产生了，同时，使用陪审团测试来衡量假设性ANC系统的有效性。这次评估是采用综合的标记，仿效螺旋桨声音主动降噪，减少噪音水平。这项工作，假设性噪音控制改善了内部的声音质量，测量响度水平下降能准确预测由陪审团提出的主管改善。我们想要进一步研究目前的项目，并进行一项类似的研究，发动机噪音和汽车内部声音质量使用真实的ANC系统。这样，在音质由于实际控制的实际限制的影响也可以被发现。在过去的20年间,ANC系统性能的改善主要是由于数码技术的进步。融合先进技术和数字信号处理使噪声能被有效地和适时地取消,也就是说,通过算法自动适应控制参数以及追踪时间信号变化(24)。还应该注意ANC系统的性能限制要么由于统计控制噪声的特点(应该是平稳信号或至少显示缓慢在它的统计参数变化);或者是因为物理定律统治下的系统的行为控制。冈萨雷斯李玮。/杂志的噪音及振动265(2003)663-679几个分类系统目前存在的数字ANC1:多通道和单通道系统、局部和全局控制、均衡器或取消器、窄带或宽带,前馈和反馈等。然而,大多数ANC的系统是基于数字自适应滤波。现有的ANC系统尽量减小测量的信号功率,但通常没有考虑到其他合理的参数,这意味着它的作用在最后的声音质量中很难预测。一个或多个,错误的感测器(通常是话筒或其他装置提供关于声学主要领域)是位于一个点的空间实现安静的区域或在一个区域附近其控制噪音的水平正在减少。不同的二手资料(通常是喇叭)可以用来生成取消的噪声。一个典型的ANC系统是用于目前工作的,而且这个多通道的ANC系统在下面会介绍。一系列的实验的进行产生了一些有益的见解即人类的声音质量造成ANC操作系统。我们必须强调研究ANC技术和声音质量之间的关系是一个有雄心的和研究声音质量本身一样的任务,简而言之,这是一个评估声音的特征和听到声音产生舒适感的问题。这个解决了ANC的主观影响,提供了安静的区域(ANC的大小随频率降低,降低噪音水平达到25分贝(25)。我们将分析这些噪音水平下降影响感觉舒适的两种方法。首先,一个客观的基于参数心理声学的度量 5,26,考虑,开发经验模型安慰13、14、27、28);第二,陪审团的意见。2。ANC实验的描述研制的实验中测量的两个阶段:首先,关于实时试验采用了ANC体制;二、将数据进行比较分析不同的方法,通过形象设计(cis)。前馈ANC系统是利用数字信号处理板设备以TMS320C40浮点DSP处理器。多个错误LMS算法（多通道过滤- X梨木树）被认为是控制算法2,24使用版本。根据参考报告噪音水平降低12至35分贝在共约每九百平方厘米取得了一个听众的高度，。 25。图。 1显示了框图系统。这个原型是安装在7.35米*4.16米*2.59米的空间混响约为0:044 s.甲头声音TM头部和躯干模拟器是被坐在一个典型的汽车座椅和两个麦克风阵列被用作错误传感器设在枕头上，见图 2。两个扬声器担任次要来源。根据试验、信号发生器,数据录音机产生初始信号被送入一个扬声器。这个工作频率范围是40-250赫兹和干扰信号是两种合成声音(重复的声音组成的从基本音调15到30赫兹和大量的谐波,随机噪声)、三次真正的发动机噪声录音(怠速、恒定的速度和加速度)。两个校准麦克风的耳朵运河的头部分离声音录模拟器对分离的噪声信号与系统取得了ANC的进行。测量可以重复产生相同的感觉是利用标定分离冈萨雷斯李玮。/杂志的噪音及振动265(2003)663-679图2。头部和躯干模拟器坐在汽车座椅说明的相对位置误差传感器和监测传感器。耳机。在所有情况下,除加速度的噪音,10秒钟前获得样品ANC)系统的操作,然后一个新样品被记录，当ANC系统在它的收敛时间之后运行。两个四十五分样品成为连续序列被记录作为加速噪声。采样率44:1千赫:2.1。ANC实验结果降低压力水平得到不同的噪声信号如下吗?尽管不同的振幅的产生电信号相同,噪音水平测定由于不同频率不同传感器的频率响应的外壳,如图3所示。首先,合成了四个不同的一个基本组成的重复噪声的频率(15、20、25 - 30赫兹)加上 9个谐波因素也被考虑在内。如上面所说的,这些模拟麦克风信号的频谱被物理特性的空间修订了,用这样的方式这些合成声音根据真正的发动机呈现一定的相似性。图4显示了这些信号的取消例子之一。它可以被看成是为了不同谐波达到的不同的声音降低水平,但水平能减少至30分贝。随机噪声也被取消。这种噪声是难以用先进技术控制的,由于其宽带光谱技术。为了实现随机噪声, 产生了230赫兹过滤白噪声最后,真正的汽车引擎噪音被使用:怠速、加速度、恒速噪音,它记录位置的前座乘客车内使用分离记录系统。非加速噪声特性使其利用ANC系统更加难以控制.然而实验结果显示,它能变化的足够慢以使得被控制器追踪.怠速,恒速噪音显示出与动态重复的噪音一样的特性.图5显示加速器信号在被控制前后的时间频率普.图6显示它的振幅和电源的基本评估.ANC系统的结果可以简单的被显示.文章在新闻0 50 100 150-1.2-0.8-0.6-0.4冈萨雷斯李玮。/杂志的噪音及振动265(2003)663-679图3。脉冲响应(a)和(b)的频率响应的外壳。图4。对重复的噪音衰减达到20赫兹基本频率:(一)振幅谱,(b)。3。ANC心理声学效果。心心理声学参数可被定义为一种测量声音的有助于预测其人性的主观特点他们提供了一种测量中几个方面那个声音会产生人类听者的主观感受.5。为了分析ANC如何影响声音质量、开始研究为了研究ANC系统是如何影响声音质量的，研究人员开始通过研究四种常见的心理声学参数：响度，清晰度，粗糙度和音调26,29 响度：这是一个对任何声音质量的评估.某种程度上，它是对声音的强度的测量.强度可以由ISO 532B标准来计算，并以曾根来衡量。清晰度：这是一个清晰的光谱颜色.清晰度高在高频处显示图谱。低频成分的增加可以降低清晰度。此外重要的频谱成分是衡量ACUM的。*粗糙度：介绍了这种意义上的声音.从时间变化人的看法，它产生于调幅，以及频率调制的北达科他，并依赖于：调制频率（在20-300赫兹之间），调制深度和声压级。粗糙度测量阿斯珀。*音调：测量有多少纯音，可以在噪音频谱上看出.发现提供了有关参数的自然声音.例如谐波性质的信息，随机噪声有其功率谱密度分布，分布在所有的水平线上，所以从音调都低。从现在起,测得的任何心理声学参量是都是有它的意义的！3.1。重复的噪音图7显示了ANC的影响参数心理声学四个不同的重复噪音(黑条前亮条后ANC)。频率轴表示每个重复基频噪音。显然,大小变化与主动控制。这是由于这样的事实,即降低误差信号的权力意味着减少声音压力的水平,因此响度测量措施减少。再者,试验表明,可增加锐利水平在运行ANC系统之后提升了.,主要是由于低频信号。减少低频的内容造成这种效果,最终噪声信号的高频成分,成为主导频谱。冈萨雷斯李玮。/杂志的噪音及振动265(2003)663-图5。频光谱的加速度信号(a)和(b)ANC之前ANC之后。冈萨雷斯李玮。/杂志的噪音及振动265(2003)663-679图6。时间演化的加速度信号(a)和(b)的瞬时水平幅度。另一方面,显著降低表面粗糙度的差异可以从,控制影响表面粗糙度的音调,振幅的前后变化中观察出来.音调值在这种情况下相对到较低,因为这个信号更加光滑比较运行有效控制前后.32。真正的发动机噪声和随机噪声此外,汽车噪音,真正合成重复引擎噪音(怠速、恒定的速度和加速度)和随机噪声也被用作参考信号时心理声学参数。参见图。8。(你也可以观察到的水平降低音量和锐化水平提高的时候虽然这些变化的ANC运作并不总是像我们可以指望显著。这个对于粗糙的趋势是信号降低。之后的音调变化参数ANC)只有对噪声的运行变得明显高音调的价值观。必须指出，响度并不随着随机的声音变化，尽管看到功率水平下降了，这种情况在研究清晰度是也有锁体现。两种信号呈现低谐波含量，前后可以通过非常低的音调值来看出。另一方面，其表面粗糙度在使用ANC之后明显下降。33。结论有关ANC效果实验结果表明ANC直接影响响度。需要指出，根据ANC的目标和心理声学参数的含义与预期是一致的。其他由ANC控制的心理声学参数不那么清楚.ANC运行后，清晰度会增加.主要是由于信号，这是低频信号（低于250赫兹）。ANC减少这些低原谱高频成分，因此清晰度增加。冈萨雷斯李玮。/杂志的噪音及振动265(2003)663-679图7。参数心理声学噪声音调重复以前(黑条)、(ANC)的光酒吧。酒吧指的是正确的运河(最初黑暗与光明barsat每个频率)和第二栏左边运河(每个频率):响度、(2)、(c)音调,(d)粗糙。下面是低频信号(250赫兹)。减少这些低频成分ANC)另一方面，粗糙度呈下降趋势后，ANC作为的低频谱成分。音调也有相同的趋势。声音测试显示，当原音特别低时，音调没有明显变化，而它往往会随ANC降低，当原值很高时。这种表现很容易被解释，.ANC降低了声音的谱峰，所以最后图谱音调解释较低。 尽管这些结果可以由特别设定的低频噪音取得。是不难推断ANC的成果为其他声音的心理声学参数的，即每当ANC降低声音.ANC几乎总是减少响度 因为此参数依赖声音水平。此参数提出了一个良好的愉快的重大影响，在参考报告。23。粗糙度也减少了; 主要是由于减少调制效果.这项工作的目的是尽可能建立ANC的影响声音 质量的技术，但目前只有ANC和心理声学 参数之间的关系被研究出来.尽管一些有意义的结果已经取得，有 足够的信息来评估声音质量。然而，参数可以是估算噪音的愉快的好工具，请参考。11。 冈萨雷斯李玮。/杂志的噪音及振动265(2003)663-679图8。真正的发动机参数心理声学信号和随机噪声(暗杆)和前(光棒)后,ANC。Barsrefer到正确的运河(最初黑暗与光明的酒吧在每个频率),每条运河(二)频率):(一)响度、(2)、(c)调性和(d)粗糙。冈萨雷斯李玮。/杂志的噪音及振动265(2003)663-679的改善4.舒适性评价的实证 一个健全的质量评价普遍方法是基于数学模型的使用 制定了实验是通过试验手段30条。这些模型试图供应 一些噪音的主观特点的定量价值如声音的舒适度. 定量值是与一些客观变量相关.这种情况下，心理声学参数 6,12,14用于评估声音的的舒适性。通过预测基于心理声学参数的数学模型的方法 ，使用ANC系统后，声音舒适度变动的情况可估算。 建立健全的质量31和预测的数学模型研究已经处理 在一些其他文件5,18,32。通过心理声学参数的基础的数学模型的预测方法，使用ANC后声音舒适变动的情况，可以估算。特别是，预测模型，用于目前的实验已经在参考13描述了，这是开发供应柴油发动机噪音，声学舒适的估计。该模型是只基于两个心理声学参数：响度和粗糙度。正如第3部分，响度主要是由ANC影响，粗糙度和音调也表现出类似的发动机信号行为因此，这似乎是一个很好的选择，可以用一个客观公正的基于两个心理声学参数度量，响度就是其中之一。此外，度量下文已经过测试，客观地评价ANC运行后舒适性的改进，参考 18。该模型表示为Y=-7:5395- 0:2995N 3-1451R （1）其中N是响度平均值，R是粗糙度平均值，Y是当估计舒适度提高时舒适度描述。必须指出，不同的舒适评估值是被初步研究者开发的33。其中一个专题介绍是该模型的性能与舒适比较的建议：（1）一个舒适的模型，开发者依靠响度，清晰度和粗糙度。不仅是舒适的汽车发动机噪音的改善是通过使用该描述符 方程。（1），参见图9（a）和（二），但还有所有的分析体现的改善，鉴于拟议估计最初是为汽车发动机的噪音，对其他发达国家的噪音取得的成果，但总也可以有意义的，特别是对类似的声音引擎噪音。这些声音与发动机噪音相似表现出显着的舒适度的改善，见图9（1）。图9（b）显示 发动机和随机噪声舒适结果。而舒适性提高发动机在所有情况下的噪音，舒适描述，均衡器。（1），收益率为随机噪音低舒适5。陪审团测试正如上一节所示，舒适的模型预测提供有价值的信息声音质量和测试模式加强了事实，ANC系统改进了主观舒适。然而，有必要对照这些结论与人类主观的看法。为此，一个陪审团一套测试共进行了随机选择的26个科目的设置，主要是男性，他们的年龄从20至45岁不等。冈萨雷斯李玮。/杂志的噪音及振动265(2003)663-679图9)。获得舒适与数学模型估计(a)重复噪声和(b)随机噪声和真实引擎噪音(恒定的速度、加速度、懒惰、噪音)前条),(黑暗之后(光酒吧)非国大)6种不同的噪音进行了测试：两种合成的噪音，他们的基本重复频率分别为20和25赫兹;随机噪声，和真正的汽车发动机噪音（空转，恒定速度和加速度）。评委会成员听取了噪音对，比较声音前后记录的变化。在听取了两个信号，他们根据自己的印象打分。一个安静或舒适的显著改善，1至5，否则，一旦某主观特征恶化，陪审团成员评估了1至5的变化：第一个声音，是可以作为参考音效设置，第二个声音与此参考比较。 这两种声音，在ANC和余音声音，可以被视为在每个噪声对参考，但这一信息没有提供给陪审团。在分析测试结果时，应当指出，他们表达了陪审团的主观角度，这与他们的好恶，感觉有关. 因此，并不少见一些矛盾的意见。然而，注意力将集中在多数人的意见。主观评价结果的使用陪审团在图10所示为信号的所有测试。主观感觉，安静和舒适性进行评估。从直方图，可以看到大陪审团的人民积极分数这两个特性。ANC运行后超过65的情况舒适度提高，大多数人已决定声音在使用ANC后更愉快，所以他们打的分在1和3分之间。也必须指出，在92.47的情况下噪音淡静舒适度也提高。预计这一事实，ANC系统，通过减少生产声压级意味着一个更愉快的心理感受。测试结果定性见表1。ANC对平静，舒适的感觉的影响实际上是显示出来的。尽可能糟糕的表明，控制被认为近25的情况下有害的标记列。虽然声音减少幅度在所有情况下，客观上取得了成绩，似乎并不总是有人主观预期的积极影响。注意现在转向信号的评价，特别是得到的结果集。表2显示了对合成与20赫兹和25次谐波噪声陪审团重复测试的结果。从他们身上，可以得出结论，ANC是非常积极的提高舒适感。舒适度模型的预测显示对这种噪声在舒适的改善，完全与各自的陪审团这种测试结果一致，（见图11）。此外，表3显示了这些合成的声音平静的主观意识，其结果是非常相似的舒适感。冈萨雷斯李玮。/杂志的噪音及振动265(2003)663-679现在人们都转向了评价结果为特定子集的信号。表2显示了对合成与20赫兹和25次谐波噪声陪审团重复测试的结果。从他们身上，可以得出结论，ANC是非常积极的提高舒适感。舒适度模型的预测显示对这种噪声在舒适的改善，完全与各自的陪审团这种测试结果一致，（见图11）。此外，表3显示了这些合成的声音平静的主观意识，其结果是非常相似的舒适感。冈萨雷斯李玮。/杂志的噪音及振动265(2003)663-679图11。通过改进的ANC系统测试(光棒)陪审团预测模型和安慰(黑条)真正和随机噪声评审测试的结果，如表4和表5所示。怠速和随机噪声得到最糟糕的成绩。看来，两种声音被认为是足够安静在ANC运作前，因为他们表现出的低响度可以在图8的水平。因此，ANC的影响没有得到很好的认可，特别是在低频率。此外，这些噪音有一个平滑的频谱，这是由ANC影响取决于实际和物理因素27。在原来的正常频谱这些变化负面影响的研究心理印象。这一事实不会出现其他的声音更复杂的频段，如恒定速度和加速度。最后，陪审团之间的测试结果和模型的预测舒适一些分歧显露出来。图11显示了从数量上改进的方法计算指数健全的质量评价。改进的陪审团率测试结果计算了平均所有陪审团的意见，因此它是正负5界内。另一方面为改善率预测模型显示，舒适指标之间的差异前后得到控制，与两耳平均。虽然这两个指标不能定量比较，图11显示质量，如以前评论的，该预测模型未能预测这些信号是目前控制的低响度前水平（空闲和随机噪声）的舒适感。也就是说，那些可以主观控制之前，充分考虑安静信号。6.结论ANC系统能实现更舒适的声音的能力，进行了评估。多通道本地ANC系统，最大限度地减少在聆听空间不同位置的低频声场声功率已被使用。合成和真正的汽车引擎噪音被用来测试在一个封闭的房间当地ANC系统的性能。进行了录音用头声学头部和躯干模拟器，一个典型的汽车座椅就座，并在耳道校准麦克风。在以前的作品25,34，类似的ANC系统进行了实验测试和周围抄起放在汽车座椅头枕10分贝的安静区已成功实现。分析的重点是通过估价的舒适感的主动控制操作后，对噪音质量变化的估计。两种方法已开发：首先有一个经验方法基于心理声学参数;其次，陪审团的试验是指主观的方法。不可能有任何疑问，ANC积极影响舒适的音响,可以从两种分析中得出结论。英厄姆开发的预测数学舒适的方法显示，发动机噪音已圆满地预测健全愉快性的改进，因为它是由ANC的心理声学参数影响的两个改善。至于主观评价方法而言，陪审团的测试结果表明，声舒适是，在大多数情况下，直接与平静，除了像不安全时，心理因素可能与宁静有关的罕见的情况下主观意识有关。很明显，主观的评价一直得到从个人的角度回答，因此没有完全的一般规则。ANC可以被认为是有用的工具，以减少低频噪声声压级和它导致在大多数情况下，使听觉舒适度改善。当ANC没有按预期（它不具有足够的衰减）运行时，差分数可以在陪审团测试中看到（见表4和闲置声音和随机噪声5）。在这种情况下，ANC开发的控制器已无法减少这些声音，也许是因为之前的声音响度控制低水平。减少的响度是微不足道的，因为我们可以看到在图8。因此，其他的心理声学参数的变化（参见图8），可能导致ANC无法改善这些信号的声音质量，根据陪审团的测试结果。更舒适的主观感觉可以实现保留了一个活跃的噪音均衡是指一些剩余噪音。这种技术，这在参考报告1,35，目前正在研究。最后，很明显，主观的改善在很大程度上取决于所管理的健全性，主要是它的控制之前和之后的功率谱，而不仅仅是取得的衰减程度。请注意，在这个实验中，那些被认为足够安静的信号在控制和拥有一个平滑的频谱（闲置的声音和随机噪声）控制后未积极评价，尽管显示出明显的幅度减少。此外，舒适的预测模型未能预测到的这些信号陪审团测试的结果。鸣谢这项工作是部分来自CICYT，项目TIC2000 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