雙智能體的主動噪聲控制試驗研究

崔懷峰

（寧波工程學院 機械工程學院,浙江 寧波 315211）

0 引言

由于噪聲控制在消費電子產品、機動車等各種領域中的重要性，研究人員越來越關注開發(fā)用于衰減來自系統(tǒng)的不期望的噪聲信號以形成靜音區(qū)技術。傳統(tǒng)的噪聲控制方法使用被動技術，如通過外殼和消音器等來降噪，即被動噪聲控制。被動噪聲控制對高頻噪聲抑制效果明顯，但對低頻噪聲卻束手無策。為了克服上述問題，主動（有源）噪聲控制（Active Noise Control,ANC）引起科研人員的極大興趣。[1]

ANC已經應用在很多領域，其發(fā)展的最終目標為智能控制，目前有關主動噪聲智能控制在實踐中的應用少有報道。主動噪聲智能控制算法主要集中在遺傳算法、神經網絡和模糊邏輯等方面。[2]但這些研究主要是關于控制算法方面的，而某種控制算法往往難以衰減各種不同情形下的噪聲信號，因此需要采用合理的智能控制系統(tǒng)。多智能體系統(tǒng)在各種科學和工程問題中應用非常廣泛且強大。[3]RAEISY等[4]提出了基于信用分配方法的多智能體主動噪聲控制技術。崔懷峰等[5]集成多智能體技術和自適應FxLMS（Filtered-x Least Mean Square,x濾波最小均方）控制算法形成前饋主動控制系統(tǒng)。

目前將多智能體應用于ANC的探索還處于仿真研究階段，為了進一步驗證其在ANC應用中的可行性，本文主要在多智能體的主動噪聲控制理論研究成果[5]的基礎上進行試驗研究。首先搭建試驗平臺，然后在基于Matlab/Simulink的平臺上設計仿真及試驗程序，并以dSPACE控制器為核心實現(xiàn)基于雙智能體系統(tǒng)的主動噪聲智能控制。干擾為雙頻簡諧激勵，并針對該雙頻噪聲設計了兩個控制器智能體（Controller Agent,CA）。

1 雙智能體的主動噪聲控制系統(tǒng)

基于雙智能體的主動噪聲控制系統(tǒng)如圖1所示，即針對一封閉空腔內噪聲執(zhí)行主動噪聲控制。初、次級激勵源均采用PZT壓電陶瓷。雙智能體控制器的軟件編程通過Matlab中的Simulink實現(xiàn)。

圖1 雙智能體的主動噪聲控制系統(tǒng)

圖1中雙智能體控制器框圖如圖2所示。封閉空腔頂部為一塊鋁板（主動板a)，其對腔內初級噪聲起主導作用，其中板a的第6階[(2,3)]和第8階模態(tài)[(1,4)]對腔內初級聲場的貢獻較大，[4]因此不妨設計CA6和CA8兩個智能體，分別控制腔內由板的第6階和第8階模態(tài)所產生的噪聲。盡管針對的雙頻噪聲采用其它的方法也可以控制，但這里需要說明的是本文重點在于將多智能體應用于主動噪聲控制試驗，如果能實現(xiàn)兩個智能體的控制，則多個智能體控制的方法完全相同，即多智能體能夠實現(xiàn)復雜噪聲場的控制。兩個智能體接收來自兩個麥克風的聲壓信號，其中CA6提取第6階模態(tài)頻率的聲壓，CA8提取第8階模態(tài)頻率聲壓。如果CA6和（或）CA8接收到的聲壓大于預設的聲壓閾值，則它（們）會向上層組織（協(xié)調對象）發(fā)送激活請求信號。協(xié)調對象通過比較第6階和第8階模態(tài)頻率聲壓大小來決定向CA6和CA8發(fā)送響應信號1（表示激活）或0（表示禁止激活）。CA6或CA8接收到上層組織的激活指令后將輸出控制電壓y6或y8，并經協(xié)調對象輸出后作用在PZT1或PZT2致動器上，從而抑制板a的振動實現(xiàn)對腔內噪聲的控制。

圖2 雙智能體控制器框圖

雙智能體即智能體CA6和CA8除了激活請求函數(shù)中提取的模態(tài)頻率聲壓信號不同之外，其余結構完全相同，因此不同智能體的內部結構均可表示為圖3，這也是系統(tǒng)具有強可擴展性的原因。智能體內部由多個功能模塊（函數(shù)）組成，其中計算功能模塊主要通過FxLMS算法實現(xiàn)；激活請求模塊用于對是否控制目標噪聲進行預判斷；操作狀態(tài)模塊為一狀態(tài)機，可實現(xiàn)激活和禁止之間的轉換。權重為有限脈沖響應(FIR)濾波器系數(shù)，由上層組織發(fā)送至計算功能模塊。同時，上層組織通過操作狀態(tài)模塊向狀態(tài)更新模塊、初始化模塊和終止模塊發(fā)送控制指令1或0，以激活或禁止智能體的運行。

圖3 智能體的內部結構

2 試驗平臺搭建

試驗平臺實物照片如圖4所示，試驗平臺主要包括四個部分：試驗對象、初級激勵通道、傳感器通道和控制通道。試驗基本原理為：初級激勵通道對試驗對象施加激勵，模擬外界干擾，產生腔內初級耦合噪聲場；傳感器通道采集腔內聲壓信號并輸入給系統(tǒng)控制器；控制器則對傳感信號進行處理并通過控制器通道將優(yōu)化控制電壓信號輸出至致動器，從而實現(xiàn)對腔內噪聲的抑制。

圖4 試驗平臺實物照片

2.1 試驗對象

試驗對象是由四塊高密度板和兩塊型號為6061的鋁板（頂部和右側）組成的矩形封閉腔體，其長、寬、高分別為0.868、1.15、1.0 m。高密度板和鋁板以及鋁板和鋁板之間均采用橡膠墊片，以盡量接近簡支撐的狀況，并用玻璃膠密封，以減少聲泄露。鋁板和高密度板厚度分別為0.006 m和0.018 m。鋁板和空氣的性能參數(shù)見表1。在頂部的鋁板（板a）上布置PZT壓電陶瓷貼片，以形成初、次級激勵源；同時，在腔內布置麥克風傳聲器，用于實時采集腔內聲壓信號。

表1 鋁板和空氣的性能參數(shù)

2.2 初級激勵通道

初級激勵通道包括初級激勵源（PZT激振器）和功率放大器。PZT激振器（PZT壓電陶瓷貼片）型號采用P5系列，其參數(shù)見表2。PZT激振器布置在鋁板a上，其中心位置坐標為(0.3,0.4)m，見圖5。PZT激振器使鋁板a產生振動，從而向封閉空腔內輻射噪聲以形成初級噪聲場。雙通道功率放大器PZD350為美國TREK,INC公司生產。

圖5 PZT貼片和加速度傳感器在板a上的布放位置

表2 PZT壓電陶瓷參數(shù)

2.3 傳感器通道

傳感器通道包括麥克風、前置放大器、信號調理儀、電壓抬升電路以及加速度傳感器。麥克風類型為動圈式麥克風，型號為PC308，靈敏度為-42 dB，信噪比大于58 dB。麥克風布置于封閉空腔內兩個拐角，其坐標分別為(0.78,0.15,0.15)和(0.78,1.00,0.15)，其單位為m，其中X、Y、Z坐標軸方向分別為矩形腔的長、寬、高方向，具體位置布放示意圖見圖6。前置放大器JX-AM01B增益為0～45 dB。四通道信號調理儀AZ804-A具有低通濾波、電荷電壓放大以及模擬積分等功能。其中，聲傳感器（麥克風）通道主要利用信號調理儀中的低通濾波功能。另外，加速度傳感器CA-YD-152A主要用于錘擊法模態(tài)試驗以獲取板a的固有頻率，其與次級PZT致動器并列布置在板a上，見圖5。

圖6 腔內麥克風布放位置

另外，試驗平臺采用dSPACE自帶的DS1005A/D處理板接收傳感器信號，該板只能接收0～10 V正信號輸入，而所有傳感器輸入的信號均為交流信號，因此采用LM358P運算芯片制作了電壓抬升電路。電壓抬升電路原理圖見圖7。

圖7 電壓抬升電路原理圖

2.4 控制通道

控制通道包括功率放大器、控制器和次級激勵源（PZT致動器）。功率放大器HFPA-42主要用于壓電陶瓷（晶體）振動試驗?？刂破鞑捎玫聡鴇SPACE公司生產的dSPACE系統(tǒng)，可實現(xiàn)與MATLAB/Simulink的無縫連接，用于控制系統(tǒng)的開發(fā)和測試。PZT致動器采用的壓電陶瓷型號及參數(shù)等與PZT激振器相同。試驗采用PZT1和PZT2兩個致動器，其布放位置見圖5。控制器輸出控制電壓信號并經過HFPA-42功率放大器傳遞到PZT致動器，PZT致動器在電場作用下產生逆壓電效應，產生應變，從而控制板a的振動，以抑制結構聲輻射并實現(xiàn)腔內噪聲降低的目的。

3 試驗

試驗在汽車實驗室內進行，并選擇在晚上以減少外界干擾。在主動噪聲控制試驗之前，先驗證理論模型（初級聲場建模）的正確性。采用錘擊法模態(tài)試驗測試板a的固有頻率并與相關文獻[5]中的理論值進行比較，見表3。從表中可以發(fā)現(xiàn)在30 Hz～200 Hz頻段內，板a固有頻率的理論值與試驗值比較接近，相對誤差均低于5%，由此驗證了相關文獻[5]中初級聲場理論模型的正確性。

表3 板a固有頻率的理論計算值與試驗測試值的對比

控制系統(tǒng)采用基于雙智能體的振動噪聲主動控制，包括兩個控制器智能體（CA6和CA8），控制框架見圖2。兩個智能體CA6和CA8分別控制板a的第6和第8階模態(tài)所主導的噪聲。初級激勵采用PZT激振器，用以激起板a的振動，從而形成腔內初級噪聲場。初級激勵為雙頻簡諧激勵，激勵頻率為試驗測得的板a的第6和第8階模態(tài)頻率，即176 Hz和194 Hz（見表3），幅值均為0.05，由此形成腔內板a的第6和第8階模態(tài)所主導的噪聲。PZT1和PZT2致動器分別布置在板a的(2,3)和(1,4)模態(tài)振幅的最大處，見圖5。PZT致動器用于控制板a的振動，從而實現(xiàn)腔內噪聲的降低。系統(tǒng)的采樣頻率為2000 Hz，信號長度為10 s。

控制系統(tǒng)中的誤差傳感器為麥克風，將同時接收兩個致動器控制板a所產生的聲輻射，即需要考慮智能體之間的耦合影響，其表現(xiàn)為PZT1和PZT2致動器分別到誤差麥克風1和誤差麥克風2之間的次級傳遞函數(shù)。次級通道傳遞函數(shù)為16階FIR模型，其系數(shù)是先根據(jù)試驗測得時域信號，并對其進行傅里葉變換，再利用Matlab中invfreqz函數(shù)得到。初級激勵信號為正弦信號，將其幅值抬升為正值后通過dSPACE輸出到初級PZT激振器。同時，該正弦信號作為參考信號參與控制運算。次級控制信號經過智能體控制器調整后由dSPACE輸出到PZT致動器。

圖8和9為CA6控制前后噪聲頻譜。由圖8(a)可知，麥克風1處在頻率176 Hz上的聲壓pf6=52 dB；由圖9(a)可知，麥克風2處在頻率194 Hz上的聲壓pf8=47 dB（pfi由兩個麥克風中的較大聲壓得到）。激活請求函數(shù)為

T為閾值，不妨設為40 dB。因為pf6≥T，pf8≥T，故CA6和CA8均發(fā)送激活請求信號。響應信號為

式中，fmax為腔內最大聲壓所對應的頻率，fi為第6階或第8階模態(tài)頻率，α主要用于確定最大聲壓所對應的板a模態(tài)，不妨取10。因為|fmax-fi|min=|fmax-f6|=0≤α，故CA6啟動進入工作狀態(tài)，CA8禁止。由圖8(b)可知，控制后麥克風1處在頻率176 Hz上的聲壓約為48 dB，與圖8(a)相比該頻率處聲壓降低了4 dB。由圖9(b)可知，控制后麥克風2處在頻率194 Hz上的聲壓約為46 dB，與圖9(a)相比該頻率處降噪量小于1 dB，幾乎沒有降噪。

圖8 CA6控制前后麥克風1處聲壓:(a)控制前;(b)控制后

圖9 CA6控制前后麥克風2處聲壓:(a)控制前;(b)控制后

因為CA6已經激活，故只有CA8繼續(xù)發(fā)送請求信號，由于沒有競爭，協(xié)調體直接同意其激活。因此CA6和CA8實施共同控制，兩個CA控制后的腔內噪聲頻域波形見圖10。由圖10(a)可見，麥克風1處最大聲壓約為35 dB，相比控制前麥克風1處的最大聲壓（圖8(a)）實現(xiàn)了17 dB的降噪量；由圖10(b)可見，麥克風2處最大聲壓約為38 dB，相比控制前麥克風2處的最大聲壓（圖9(a)）實現(xiàn)了9 dB的降噪量。因此實現(xiàn)了控制目標，系統(tǒng)開始平穩(wěn)運行。

圖10 CA6和CA8共同控制后腔內聲壓:(a)麥克風1處聲壓;(b)麥克風2處聲壓

4 結論

針對兩種不同結構模態(tài)（頻率）的噪聲設計了兩個智能體，并將其應用到主動噪聲控制中。研究了主動噪聲智能控制試驗，并獲得了以下結論：

（1）基于雙智能體的主動噪聲控制取得了在兩個誤差麥克風處有平均23.5 dB的降噪量，通過試驗證明了相關文獻[5]中的主動噪聲智能控制方法的有效性；

（2）智能體的模塊化設計表明該方法可以添加更多的智能體以實現(xiàn)多頻或寬帶噪聲控制。