基于Matlab的主動降噪實驗

1、.1. - - . 可修編-SHANGHAIJIAOTONG UNIVERSITY實驗三主動降噪實驗指導教師：王旭永小組成員：吳淑標 5110209352湯劍宏 5110209355朱安林 5110209344.1目錄TOC o 1-1 h u HYPERLINK l _Toc27719一、實驗?zāi)康?PAGEREF _Toc27719 1HYPERLINK l _Toc8281二、實驗原理 PAGEREF _Toc8281 1HYPERLINK l _Toc25270三、實驗儀器 PAGEREF _Toc25270 1HYPERLINK l _Toc6418四、實驗步驟 PAGEREF _To

2、c6418 1HYPERLINK l _Toc29206五、實驗過程 PAGEREF _Toc29206 1HYPERLINK l _Toc21872六、程序代碼及解釋 PAGEREF _Toc21872 1HYPERLINK l _Toc30753七、實驗數(shù)據(jù)觀察及解釋 PAGEREF _Toc30753 1HYPERLINK l _Toc8703八、誤差分析 PAGEREF _Toc8703 1HYPERLINK l _Toc17926九、實驗感想 PAGEREF _Toc17926 1.1 . 可修編-一、實驗?zāi)康?. 了解噪聲的根本概念；2. 了解工程中處理噪聲的常規(guī)方法；3. 掌握主

3、動降噪的根本原理與方法；4. 通過實驗?zāi)M主動降噪，分析降噪效果。二、實驗原理主動降噪主動噪聲控制，又稱為有源噪聲控制。早在1933年就由德國物理學家Paul Lueg提出了。其主要依據(jù)了聲波的干預原理，來消除噪聲。主動降噪的根本原理圖如圖1所示：圖1 主動降噪的原理簡單的說就是用傳感器檢測噪聲信號，通過控制系統(tǒng)反響給次聲源，由次生源發(fā)出與原噪聲信號頻率一樣、幅值大小一樣、相位相反的聲信號，根據(jù)聲波疊加原理，到達一種降噪的效果。其邏輯程序框圖如圖2所示：圖2 主動降噪邏輯框圖主動降噪，習慣上可以進展如下分類：有源聲控制和有源力控制；單通道有源控制和多通道有源控制；非自適應(yīng)有源控制和自適應(yīng)有源控

4、制。對于有源噪聲控制系統(tǒng)而言，也可以這樣分類：1模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)；2前饋控制系統(tǒng)和反響控制系統(tǒng)；3單通道系統(tǒng)和多通道系統(tǒng)。主動降噪的實現(xiàn)：以單通道有源噪聲控制系統(tǒng)為例，這里也分非自適應(yīng)有源噪聲控制系統(tǒng)和自適應(yīng)有源噪聲控制系統(tǒng)。自適應(yīng)有源噪聲控制系統(tǒng)：該系統(tǒng)一般由初級聲源、自適應(yīng)控制器、次級聲源和誤差傳感器組成。其特點是控制器帶反響，并具有自適應(yīng)控制算法，控制器多為數(shù)字控制器。這種系統(tǒng)適用的圍寬，相對靈活，但其構(gòu)造復雜，實現(xiàn)難度加大，本錢增加。本系統(tǒng)原理圖如圖3所示：圖3 自適應(yīng)有源噪聲控制系統(tǒng)本實驗主要采用此種控制方式。非自適應(yīng)有源噪聲控制系統(tǒng)：該系統(tǒng)一般由初級聲源、控制器、次級聲源和傳感器

5、組成。其特點是控制器不帶反響，可以是模擬控制器，也可以是數(shù)字控制器。這種系統(tǒng)適用的圍有限。影響主動降噪性能的主要因素：初級聲源的類型與特征：此時，最適合的噪聲源是集中參數(shù)噪聲源，最好是點噪聲源。這樣，可以使用盡可能少的次級聲源獲得最大降噪量。2次級聲源的位置：一般為獲得全局空間噪聲能量的降低，在進展次級聲源的布置時，應(yīng)該遵循從空間和時間上完全能夠復制初級聲場的原則，使得次級聲源稱為初級聲源的“鏡像。3傳感器誤差傳感器的位置與個數(shù)：對于有源降噪而言，所使用的傳感器誤差傳感器位置與個數(shù)是至關(guān)重要的。因為其位置是否適宜，直接影響到獲取初級聲源的質(zhì)量；其個數(shù)多少關(guān)系到降噪效果。4參考信號與質(zhì)量：參考信

6、號能夠獲得并質(zhì)量好，就可以構(gòu)造性能良好的前饋控制器，因為前饋控制器相對于反響控制器而言，構(gòu)造簡單，性能易于穩(wěn)定。5自適應(yīng)算法與控制器硬件：對于寬帶噪聲的降噪而言，好的自適應(yīng)算法將扮演重要的角色。它不僅關(guān)系著控制器的復雜程度、系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此，一個好的自適應(yīng)算法應(yīng)該兼顧收斂性、魯棒性和計算量三個方面?？刂破饔布O(shè)置應(yīng)該以能夠?qū)崟r地、準確地完成自適應(yīng)算法為目標。三、實驗儀器本實驗用到的實驗設(shè)備比較簡單：筆記本電腦圖4、揚聲器即音箱圖5、傳感器即麥克風圖6；所使用的編程軟件是Matlab，方案簡單易行。圖5 揚聲器圖4 筆記本電腦圖6 傳感器四、實驗步驟1完成各儀器能否正常工作的檢驗，保證實驗正常進

7、展；2按方案搭建實驗平臺，如圖7所示；圖7 實驗整體平臺3翻開Matlab軟件，將編好的程序燒錄其中，準備開場實驗；4選擇相對安靜的空間，運行程序，程序會自動會輸出8圖，分別包括降噪前、后的波形圖和幅值頻譜圖；5待程序運行完畢，觀察最后一次降噪的幅值頻譜圖，和原噪聲進展比較是否到達了降噪的效果，如不滿足需要進展調(diào)試，再次重復實驗；6滿足要求后，完畢程序，撤除實驗平臺，整理實驗設(shè)備；7整理相關(guān)實驗圖片和數(shù)據(jù)，進展數(shù)據(jù)分析；8分析實驗誤差，得出結(jié)論并撰寫實驗報告。五、實驗過程實驗平臺搭建過程：1選擇相對安靜的空間環(huán)境，將平整的桌面當做實驗平臺；2將這對音箱間隔適宜的距離對放，并且使發(fā)聲源在一條直線

8、上，連接電腦USB接口加耳機接口，將其中一個聲道當做噪聲源，另一個聲道做次生源；本實驗并沒有選擇添加聲道3把麥克風的接收點放置在上述直線上的任意一點，保持穩(wěn)定位置不變，連接電腦的USB接口，作為聲音傳感器。正式實驗過程：選擇噪聲頻率1100Hz，聲源持續(xù)時間為120s，次生源除了相位值與原噪聲不同，其余一致，檢測控制時間為3s一個循環(huán)，目的就是不斷改變相位，一切準備就緒，運行程序；第一步為檢測程序，結(jié)果會識別出原噪聲的頻率以及相應(yīng)的幅值，會首先輸出兩幅圖，分別是原噪聲信號波形圖和幅值頻譜圖，如圖8所示：圖8 檢測原噪聲程序輸出結(jié)果第二步為降噪第一階段，次生源會發(fā)出和原噪聲一致的聲信號，以pi/

9、3為精度，不斷移動次生源的相位，直到篩選出目標相位相鄰兩點疊加后信號的幅值小于原噪聲的幅值，此時跳出該循環(huán)，并輸出另外兩幅圖，即第一步降噪的信號波形圖和幅值頻譜圖，如圖9所示：圖9 第一步降噪程序輸出結(jié)果第三步為降噪第二階段，目標函數(shù)進入第二個循環(huán)，以pi/12為精度，不斷移動次生源的相位，直到篩選出目標相位疊加后信號的幅值降低50%，此時跳出該循環(huán)，并輸出兩幅圖，即第二步降噪的信號波形圖和幅值頻譜圖，如圖10所示：圖10 第二步降噪程序輸出結(jié)果5第四步為降噪第三階段，目標函數(shù)進入第三個循環(huán)，以pi/24為精度，不斷移動次生源的相位，直到篩選出目標相位疊加后信號的幅值降低70%，此時跳出該循環(huán)

10、，次生源便以該相位值持續(xù)發(fā)出信號，即持續(xù)降噪效果，輸出最后兩幅圖，即第三步降噪的信號波形圖和幅值頻譜圖，如圖11所示：圖11 第三步降噪程序輸出結(jié)果假設(shè)實驗?zāi)軌虺晒\行，則完畢運行程序，整理實驗器材，分析實驗數(shù)據(jù)，并做誤差分析。六、程序代碼及解釋Fs=8192;%采樣頻率為8192t=1:(120*Fs);%定原噪聲發(fā)聲時間為120syy=zeros(2,120*Fs);%建立兩行零矩陣，以存儲雙聲道不同的聲信號yy(1,:)=40*sin(2*pi*1100*(t/Fs)-pi/3);%原噪聲的發(fā)聲程序，頻率1100Hzsound(yy,Fs);%Matlab發(fā)聲代碼Y=audiorecor

11、der(Fs,16,1);%Matlab聲卡采集代碼，采樣精度為16，單聲道disp(Start speaking.);recordblocking(Y,3);%聲音收集時間為3sdisp(End of Recording.);y=getaudiodata(Y);%Matlab聲信號轉(zhuǎn)化為數(shù)值代碼figure(1);%Matlab畫圖代碼subplot(241);plot(y);%第一幅圖原噪聲波形圖*label(time);ylabel(fuzhi);title(原信號波形圖);*=fft(y,Fs);%進展傅里葉變換ff=1:Fs;z=abs(*);%將傅里葉變換的結(jié)果取絕對值z(1:10

12、0)=0;%去除0附近的干擾值z(8000:8192)=0;subplot(242);plot(ff,z);%第二幅圖原噪聲幅值頻譜圖title(原信號幅值頻譜圖);k=find(z=ma*(z);%找出收集信號幅值最大點對應(yīng)的頻率f=min(k)-1;%取兩者較小的頻率y2=(2*ma*(z)/Fs;%以該公式作為衡量幅值大小的工具phi=0;%定初始相位0n=1;%引入變量n，初值賦予1a=zeros(1,100);%用此矩陣實時檢測每次循環(huán)的降噪效果b=zeros(1,100);while n-3 yy(2,:)=40*sin(2*pi*f*(t/Fs)+phi);%次生源的發(fā)聲程序 s

13、ound(yy,Fs); Y1=audiorecorder(Fs,16,1); disp(Start speaking.); recordblocking(Y1,3);%以3秒為一個檢測周期 disp(End of Recording.); y3=getaudiodata(Y1); subplot(243); plot(y3);%第三幅圖第一步降噪的波形圖 *label(time); ylabel(fuzhi); title(降噪1波形圖); *2=fft(y3,Fs);%進展傅里葉變換 z=abs(*2); z(1:100)=0; Y2=(2*ma*(z)/Fs;%使用和衡量原噪聲幅值一樣的

14、公式 subplot(244); plot(ff,z);%第四幅圖第一步降噪的幅值頻譜圖 title(降噪1幅值頻譜圖); if Y2=y2%假設(shè)降噪后的幅值大于原噪聲幅值 phi=phi+pi/3;%將次生源相位向左移動pi/3個單位 else phi=phi+pi/6/n;%否則向左移動pi/6個單位 n=-(abs(n)+1);%跳出該程序 endendprint(1,-dpng,test1);%將輸出圖片放在相應(yīng)的文件夾n=2;%變量n賦予2i=1;%過程監(jiān)測變量phi=phi+pi/3/(2n);%第一個循環(huán)結(jié)果的相位值向左移動pi/12while n=y4%假設(shè)降噪后的幅值未滿足效

15、果要求 phi=phi-pi/3/(2n);%將次生源相位向右移動pi/12個單位 else n=n+1;%否則跳出該程序 phi=phi-pi/3/(2n); endprint(1,-dpng,strcat(C:UserszhuanlinDocumentsMATLAB3,num2str(i),.png);%將輸出圖片放在相應(yīng)的文件夾 a(i)=Y2; i=i+1;endphi=phi+pi/3/(2n);i=1;while n=y5%假設(shè)降噪后的幅值未滿足效果要求 phi=phi-pi/3/(2n);%將次生源相位向右移動pi/24個單位 else n=n+1;%否則跳出該程序 endpri

16、nt(1,-dpng,strcat(C:UserszhuanlinDocumentsMATLAB3,num2str(i),.png);%將輸出圖片放在相應(yīng)的文件夾 i=i+1;endyy(2,:)=40*sin(2*pi*f*(t/Fs)+phi);%次生源會一直發(fā)出最正確相位所對應(yīng)的聲信號sound(yy,Fs);七、實驗數(shù)據(jù)觀察及解釋本實驗整體結(jié)果圖如圖12所示：圖12 降噪結(jié)果從第二幅圖中可以看出，原噪聲頻率1100Hz下對應(yīng)的幅值在Matlab標度下對應(yīng)值為36.5；在第四幅圖中，以pi/3為相位移動精度的第一步降噪結(jié)果幅值為22.5，降噪效果為38%；從第六幅圖中可以發(fā)現(xiàn)，以pi/1

17、2為相位移動精度結(jié)果，幅值最大時對應(yīng)的聲音頻率并不是1100Hz，經(jīng)分析是由于外界干擾，盡管如此原噪聲仍然到達了50%的降噪效果；最后一幅圖以pi/24為相位移動精度，顯示的幅值大小為13.5，降噪效果73%，非常理想；降噪效果同時也可以根據(jù)這幾個處理過程的波形圖觀察得出。八、誤差分析本次實驗結(jié)果顯示降噪效果為73%，效果在我們小組數(shù)次嘗試過程中是相對較好的，但是距離完全消除噪聲仍有一段差距，從理論上講也不可能有100%的降噪效果，本實驗結(jié)果到達了實驗要求，下面主要從儀器誤差、方法誤差、人為誤差三方面來分析造成實驗結(jié)果誤差的原因。1儀器誤差使用Matlab發(fā)聲程序會有誤差，程序已經(jīng)運行了但是由

18、于計算機的音箱還沒有完全翻開，導致前局部的發(fā)聲信號不完整；所使用的音箱左右聲道發(fā)出的聲音并不是完全一致的，而且放置的位置也不可能完全到達在同一條直線上；聲音傳感器接收的聲信號與程序編寫的也會有誤差，接收點的位置不同也會影響實驗效果。方法誤差我們采用的主動降噪方法即為聲波的疊加原理，但是由于聲波是球面波，疊加的時候并不是簡單的公式相加，會有不定向的干預，而且我們小組并沒有采用聲道，這也大大增加了誤差的可能性。人為誤差盡管我們選擇了相對安靜的環(huán)境，但是我們?nèi)匀徊荒鼙ＷC沒有其它頻率的聲波干擾一樣頻率的干擾誤差更大，就如圖10 所示的現(xiàn)象，其它頻率聲音的幅值大于我們噪聲的幅值也是非常有可能的，我們僅通過觀察幅值頻譜圖而沒有觀察波形圖，其實已經(jīng)大大降低了誤差的可能性，在以后的學習中我們將學習運用濾波器函數(shù)，使顯示結(jié)果更加直觀、清晰。九、實驗感想通過對本實驗的原理、實驗設(shè)計、實驗過程到最后效果的檢驗，我們小組的同學學到了很多東西。本身聲學方面我們機械專業(yè)涉及的