一種消除渦漿飛機艙內低頻窄帶噪聲的有源控制系統設計

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2018 NO.4（下）

中國新技術新產品

一種消除渦漿飛機艙內低頻窄帶噪聲的有源

控制系統設計

陳??智

（蘭州理工大學技術工程學院，甘肅 蘭州 730050）

摘????要：本文針對渦槳飛機艙內的低頻窄帶噪聲，設計了一種自適應有源噪聲控制系統。選用TI公司的

TMS320VC5509 DSP芯片和AIC23B音頻芯片構成核心控制器，采用最常見的標準自適應算法——FxLMS算法計

算次級信號。實驗結果表明，對于頻率在500Hz以下的低頻窄帶噪聲，能夠取得平均約9dB的降噪量。

關鍵詞：低頻噪聲；DSP；FxLMS

中圖分類號：TN912??????????????????????文獻標志碼：A??

由于支線客機、支線運輸機、民用直升機、農用飛機的

巨大市場以及國家相關政策的扶持，使渦槳飛機的發展前景

非常廣闊。然而，隨著渦槳飛機性能的日益提高，與之相矛

盾的飛行器噪聲會隨著它的速度、載重量的提高、發動機功

率的增大等諸多因素日益突出。渦漿飛機的艙內噪聲會嚴重

影響乘客的語言交流、睡眠休息，甚至身心健康，還會影響

機組人員的工作狀態及與地面人員之間的通信，可見渦漿飛

機艙內噪聲危害巨大。為了獲得可以接受的噪聲級水平，通

常采用無源噪聲控制方法，比如填充大量的吸聲材料或安裝

動力吸振器，但這些傳統方法只對降低中高頻噪聲有效，且

改進余地越來越小，關鍵是對集中了較大能量的低頻噪聲不

但不起作用，反而會增加飛機重量。一種有效的解決辦法就

是采用有源噪聲控制技術，這種技術既能降低低頻噪聲又不

至于增重過大。

２ 有源噪聲控制系統原理

前饋式有源噪聲控制系統可以獲取參考信號，系統的降

噪量、穩定性明顯優于反饋式。系統原理如圖2所示，噪聲

源產生原始噪聲，參考傳感器監聽后發出參考信號，并輸入

到自適應控制器?？刂破鞲鶕赃m應算法，計算出次級信號

并由次級聲源發出次級聲，次級聲與原始噪聲相互抵消。同

時，誤差傳感器采集抵消后的誤差信號并送回控制器，控制

器不斷調節傳遞函數進而改變次級聲的振幅和相位，以減小

抵消誤差，直至滿足預設目標。

１ 渦漿飛機艙內低頻噪聲分析

螺旋槳噪聲是渦槳飛機艙內噪聲的主要來源，典型頻

譜是在寬帶噪聲背景下疊加的一系列窄帶噪聲。槳葉上的

隨機脈沖載荷產生寬帶噪聲，周期性載荷產生窄帶噪聲。窄

帶噪聲的頻率分別為槳葉通過頻率和它的各次諧波頻率，

且能量集中在500Hz以下的低頻區。由于發動機設計工程

師總是力求最優的螺旋槳性能，以提高飛機性能，但這導

致渦漿飛機的低頻窄帶噪聲進一步增加。圖1給出了渦槳飛

機中的典型低頻窄帶噪聲，可以看出噪聲能量主要集中在

0~500Hz。

圖2 前饋式系統原理圖

３ 系統硬件設計

系統硬件采用TI公司生產的TMS320VC5509 DSP芯片和

AIC23B音頻芯片作為控制核心。其中，AIC23B芯片內部集

成了放大電路、抗混疊濾波電路、平滑濾波電路以及ADC和

DAC，可以在8kHz~96kHz的頻率范圍內提供16bit、20bit、

24bit和32bit的采樣，ADC和DAC的輸出信噪比分別可以達

到90dB和100dB。本系統針對的是渦槳飛機艙內的低頻窄帶

噪聲，頻率在500Hz以下，為保證不失真，采樣頻率設置為

4kHz，轉換位數設置為16bit，AIC23B與DSP的連接如圖3

所示。

圖1 Saab2000型渦漿飛機艙內噪聲頻譜

基金項目：甘肅省高等學?？蒲许椖抠Y助（2017A-237）。

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圖3 DSP與AIC23B連接圖

４ 系統算法與次級通路辨識方法

４．１ ＦｘＬＭＳ算法

系統自適應算法選擇主要從4個方面考慮，分別是任務

特征、收斂速度、運算量、系統誤差。為了便于系統實現，

本文采用最常見的標準自適應算法——FxLMS算法，用以計

算次級信號，這種算法處理低頻窄帶噪聲的綜合效果較好。

算法權矢量迭代公式：

WnWnμe nrn

（+1）=（）-2（）（） （1）

rnxnh

（） =（）×

（ ） （2）

s

n

μe n

是收斂系數，用于控制收斂速度和系統穩定性；（）

是誤差信號；（） 是濾波-信號，（）是參考信號，

rnxxnh

s

n

）是次級通路傳遞函數的脈沖響應?？梢钥闯觯瑓⒖夹盘?/span>（

和誤差信號一起控制FxLMS算法的權矢量更新。

４．２ 次級通路辨識方法

FxLMS算法的權矢量迭代公式中包含一項濾波-信號

x

矢量，它是參考信號矢量和次級通路脈沖響應的卷積，因此，

必須先獲取次級通路的傳遞函數。由于次級通路特性在整個

噪聲控制過程中保持不變，因此，次級通路辨識可以離線建

模。這里采用附加隨機噪聲法：由DSP內部產生隨機白噪聲

作為次級通路的激勵，然后執行次級通路的迭代，權矢量更

新采用LMS算法，待次級通路濾波器穩定后，將次級通路濾

波器權系數固定不變，代入FxLMS算法進行自適應有源噪聲

控制過程。

５ 系統軟件設計

系統軟件包括主程序、次級通路辨識程序、有源噪聲控

制程序3部分。主程序實現系統初始化和中斷子程序控制，

如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

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圖5 次級通路辨識流程圖

x

圖6 自適應有源噪聲控制流程圖

進入中斷后，先調用次級通路辨識程序，進行次級通路濾

波器的迭代。當次級通路濾波器進入穩定狀態后，將其權系數

固定不變代入FxLMS算法，之后的中斷均進入有源噪聲控制程

序，進行FxLMS濾波器權系數的迭代，并產生次級信號。次級

通路辨識程序和有源噪聲控制程序分別如圖5和圖6所示。

６ 實驗結果分析

系統利用虛擬信號分析儀產生與渦槳飛機艙內噪聲特

性近似的低頻窄帶噪聲，頻率設定在500Hz以下。為了便

于分析和避免聲反饋問題，將參考信號輸入端、誤差信號輸

入端、次級信號輸出端以線連方式與虛擬信號分析儀直接

相連。通過反復調整，確定次級通路辨識濾波器的階數為

32，步長為0.015，自適應控制器濾波器的階數為64，步長

為0.003。圖7是系統降噪結果，平均取得約9dB降噪量。

結語

本文針對渦槳飛機艙室中的低頻窄帶噪聲，設計了一種

自適應有源噪聲控制系統。選用TI公司的TMS320VC5509

DSP芯片和AIC23B音頻芯片構成核心控制器，采用最常見

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1080m高爐爐頂干油潤滑站電氣控制系統

故障分析與改進

陳龍飛

（山鋼萊鋼集團設備檢修中心，山東 萊蕪 271104）

摘????要：本文主要介紹了國內某鋼廠煉鐵高爐爐頂干油潤滑電氣控制系統存在的問題與不足，通過分析、研討、

制定改造方案和實施后，設備的穩定性和潤滑效果得到明顯改善，為高爐生產的穩定順行創造了有利條件。

關鍵詞：高爐；潤滑；故障；改進

中圖分類號：TF325????????????????????文獻標志碼：A

3

０ 概述

爐頂干油潤滑系統負責給高爐爐頂設備提供油脂，保證

爐頂設備潤滑正常，減少機械磨損，延長機械設備使用壽命，

確保高爐上料系統及布料系統設備穩定運行。需要潤滑的爐

頂設備主要包括：布料系統的關鍵設備——氣密箱以及均壓

閥、放散閥、柱塞閥、上密封閥及料流閥等各個閥體。如果

爐頂干油站潤滑系統出現異常，將使爐頂設備的潤滑效果得

不到保證，造成下密、料流軸封進灰導致竄風泄漏或氣密箱

齒輪軸承缺油，嚴重時將損壞不能正常轉動，導致高爐慢風

或休風。

設備的潤滑效果較差。雖然經過多次調整及多次更換壓力繼

電器，但仍未收到良好的運行效果。

２ 改造思路與可行性分析

通過上述分析，要想保證爐頂干油潤滑系統工作性能的

穩定，爐頂設備潤滑效果的可靠，最直接、最可靠的解決方

案就是檢測每一個潤滑點的潤滑脂流量，通過對潤滑點進入

潤滑脂流量的多少就可判斷其潤滑效果的好壞。從而保證爐

頂設備得到可靠潤滑，確保高爐上料系統和布料系統的正常

運行，為高爐生產順行奠定堅實的基礎。

經過與生產廠機動科及生產車間技術人員技術交流，并

召開專題研討會，以及聯系液壓潤滑廠家進行技術咨詢，一

致認定由北京中冶華潤科技發展有限公司研制開發的新一

代智能潤滑專利產品（ZDRH—2000型智能集中潤滑系統）

能夠解決目前存在的問題。

該智能集中潤滑系統具有如下技術優勢：

（1）采用微電腦技術與可編程邏輯控制器相結合的控制

方式，以SIEMENS S7—200系列可編程控制器作為主要控制

元件，通過網絡與上位計算機的連接進行實時監控，潤滑狀

態一目了然。

（2）現場給油分配直接受可編程控制器的控制，每點每

次給油量大小、給油循環時間長短均能自動控制，且能方便

１ 現狀分析

在1080m高爐年修之前，爐頂干油站潤滑系統未改造，

3

系統因頻繁出現故障而造成打油設備長時間停機，潤滑效果

無法保證，對爐頂各設備造成了不同程度的損壞。

原因分析：原干油潤滑系統的啟動、停止及換向等動

作，完全依靠從爐頂現場反饋回的壓力信號進行控制，負責

發送壓力反饋信號的液壓元器件，即壓力繼電器工作情況的

好壞，決定了整個干油潤滑系統能否可靠、穩定運行。因壓

力反饋信號不穩定且無指示，不能確定壓力反饋信號的真假

與大小，而且壓力信號的調整全憑檢修人員感覺進行，毫無

精確性，導致整個干油潤滑系統的工作性能極不穩定，爐頂

的標準自適應算法——FxLMS算法計算次級信號，另外，采頻率在500Hz以下的低頻窄帶噪聲，能夠取得平均約9dB的

用附加隨機噪聲法實現次級通路辨識。實驗結果表明，對于降噪量。

參考文獻

[1]陳克安.有源噪聲控制（第2版）[M].北京：國防工業出版

社，2014.

[2]陳智，王貴峰，李峰，等.基于DSP的前饋式自適應有源

低頻噪聲控制系統設計[J].中國新技術新產品，2018（5）：

12-14.

[3]陳克安.有源噪聲控制技術及其在艦船中的應用[J].中國

艦船研究，2017，12（4）：17-21.

[4]陳智.基于DSP的自適應有源噪聲抵消耳罩控制系統設計

與實現[D].蘭州：蘭州大學，2016.

[5]裴春明，劉姜濤，劉震宇，等.基于自適應技術的低頻

噪聲控制研究[J].武漢大學學報（工學版），2013，46（3）：

371-375.

圖7 系統降噪結果

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