一种消除涡浆飞机舱内低频窄带噪声的有源控制系统设计

高 新 技 术

2018 NO.4（下）

中国新技术新产品

一种消除涡浆飞机舱内低频窄带噪声的有源

控制系统设计

陈󰀁智

（兰州理工大学技术工程学院，甘肃 兰州 730050）

摘󰀁󰀁要：本文针对涡桨飞机舱内的低频窄带噪声，设计了一种自适应有源噪声控制系统。选用TI公司的

TMS320VC5509 DSP芯片和AIC23B音频芯片构成核心控制器，采用最常见的标准自适应算法——FxLMS算法计

算次级信号。实验结果表明，对于频率在500Hz以下的低频窄带噪声，能够取得平均约9dB的降噪量。

关键词：低频噪声；DSP；FxLMS

中图分类号：TN912󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文献标志码：A󰀁

由于支线客机、支线运输机、民用直升机、农用飞机的

巨大市场以及国家相关政策的扶持，使涡桨飞机的发展前景

非常广阔。然而，随着涡桨飞机性能的日益提高，与之相矛

盾的飞行器噪声会随着它的速度、载重量的提高、发动机功

率的增大等诸多因素日益突出。涡浆飞机的舱内噪声会严重

影响乘客的语言交流、睡眠休息，甚至身心健康，还会影响

机组人员的工作状态及与地面人员之间的通信，可见涡浆飞

机舱内噪声危害巨大。为了获得可以接受的噪声级水平，通

常采用无源噪声控制方法，比如填充大量的吸声材料或安装

动力吸振器，但这些传统方法只对降低中高频噪声有效，且

改进余地越来越小，关键是对集中了较大能量的低频噪声不

但不起作用，反而会增加飞机重量。一种有效的解决办法就

是采用有源噪声控制技术，这种技术既能降低低频噪声又不

至于增重过大。

２ 有源噪声控制系统原理

前馈式有源噪声控制系统可以获取参考信号，系统的降

噪量、稳定性明显优于反馈式。系统原理如图2所示，噪声

源产生原始噪声，参考传感器监听后发出参考信号，并输入

到自适应控制器。控制器根据自适应算法，计算出次级信号

并由次级声源发出次级声，次级声与原始噪声相互抵消。同

时，误差传感器采集抵消后的误差信号并送回控制器，控制

器不断调节传递函数进而改变次级声的振幅和相位，以减小

抵消误差，直至满足预设目标。

１ 涡浆飞机舱内低频噪声分析

螺旋桨噪声是涡桨飞机舱内噪声的主要来源，典型频

谱是在宽带噪声背景下叠加的一系列窄带噪声。桨叶上的

随机脉冲载荷产生宽带噪声，周期性载荷产生窄带噪声。窄

带噪声的频率分别为桨叶通过频率和它的各次谐波频率，

且能量集中在500Hz以下的低频区。由于发动机设计工程

师总是力求最优的螺旋桨性能，以提高飞机性能，但这导

致涡浆飞机的低频窄带噪声进一步增加。图1给出了涡桨飞

机中的典型低频窄带噪声，可以看出噪声能量主要集中在

0~500Hz。

图2 前馈式系统原理图

３ 系统硬件设计

系统硬件采用TI公司生产的TMS320VC5509 DSP芯片和

AIC23B音频芯片作为控制核心。其中，AIC23B芯片内部集

成了放大电路、抗混叠滤波电路、平滑滤波电路以及ADC和

DAC，可以在8kHz~96kHz的频率范围内提供16bit、20bit、

24bit和32bit的采样，ADC和DAC的输出信噪比分别可以达

到90dB和100dB。本系统针对的是涡桨飞机舱内的低频窄带

噪声，频率在500Hz以下，为保证不失真，采样频率设置为

4kHz，转换位数设置为16bit，AIC23B与DSP的连接如图3

所示。

图1 Saab2000型涡浆飞机舱内噪声频谱

基金项目：甘肃省高等学校科研项目资助（2017A-237）。

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图3 DSP与AIC23B连接图

４ 系统算法与次级通路辨识方法

４．１ ＦｘＬＭＳ算法

系统自适应算法选择主要从4个方面考虑，分别是任务

特征、收敛速度、运算量、系统误差。为了便于系统实现，

本文采用最常见的标准自适应算法——FxLMS算法，用以计

算次级信号，这种算法处理低频窄带噪声的综合效果较好。

算法权矢量迭代公式：

WnWnμe nrn

（+1）=（）-2（）（） （1）

rnxnh

（） =（）×

（ ） （2）

s

n

μe n

是收敛系数，用于控制收敛速度和系统稳定性；（）

是误差信号；（） 是滤波-信号，（）是参考信号，

rnxxnh

s

n

）是次级通路传递函数的脉冲响应。可以看出，参考信号（

和误差信号一起控制FxLMS算法的权矢量更新。

４．２ 次级通路辨识方法

FxLMS算法的权矢量迭代公式中包含一项滤波-信号

x

矢量，它是参考信号矢量和次级通路脉冲响应的卷积，因此，

必须先获取次级通路的传递函数。由于次级通路特性在整个

噪声控制过程中保持不变，因此，次级通路辨识可以离线建

模。这里采用附加随机噪声法：由DSP内部产生随机白噪声

作为次级通路的激励，然后执行次级通路的迭代，权矢量更

新采用LMS算法，待次级通路滤波器稳定后，将次级通路滤

波器权系数固定不变，代入FxLMS算法进行自适应有源噪声

控制过程。

５ 系统软件设计

系统软件包括主程序、次级通路辨识程序、有源噪声控

制程序3部分。主程序实现系统初始化和中断子程序控制，

如图4所示。

图4 主程序流程图

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图5 次级通路辨识流程图

x

图6 自适应有源噪声控制流程图

进入中断后，先调用次级通路辨识程序，进行次级通路滤

波器的迭代。当次级通路滤波器进入稳定状态后，将其权系数

固定不变代入FxLMS算法，之后的中断均进入有源噪声控制程

序，进行FxLMS滤波器权系数的迭代，并产生次级信号。次级

通路辨识程序和有源噪声控制程序分别如图5和图6所示。

６ 实验结果分析

系统利用虚拟信号分析仪产生与涡桨飞机舱内噪声特

性近似的低频窄带噪声，频率设定在500Hz以下。为了便

于分析和避免声反馈问题，将参考信号输入端、误差信号输

入端、次级信号输出端以线连方式与虚拟信号分析仪直接

相连。通过反复调整，确定次级通路辨识滤波器的阶数为

32，步长为0.015，自适应控制器滤波器的阶数为64，步长

为0.003。图7是系统降噪结果，平均取得约9dB降噪量。

结语

本文针对涡桨飞机舱室中的低频窄带噪声，设计了一种

自适应有源噪声控制系统。选用TI公司的TMS320VC5509

DSP芯片和AIC23B音频芯片构成核心控制器，采用最常见

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1080m高炉炉顶干油润滑站电气控制系统

故障分析与改进

陈龙飞

（山钢莱钢集团设备检修中心，山东 莱芜 271104）

摘󰀁󰀁要：本文主要介绍了国内某钢厂炼铁高炉炉顶干油润滑电气控制系统存在的问题与不足，通过分析、研讨、

制定改造方案和实施后，设备的稳定性和润滑效果得到明显改善，为高炉生产的稳定顺行创造了有利条件。

关键词：高炉；润滑；故障；改进

中图分类号：TF325󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文献标志码：A

3

０ 概述

炉顶干油润滑系统负责给高炉炉顶设备提供油脂，保证

炉顶设备润滑正常，减少机械磨损，延长机械设备使用寿命，

确保高炉上料系统及布料系统设备稳定运行。需要润滑的炉

顶设备主要包括：布料系统的关键设备——气密箱以及均压

阀、放散阀、柱塞阀、上密封阀及料流阀等各个阀体。如果

炉顶干油站润滑系统出现异常，将使炉顶设备的润滑效果得

不到保证，造成下密、料流轴封进灰导致窜风泄漏或气密箱

齿轮轴承缺油，严重时将损坏不能正常转动，导致高炉慢风

或休风。

设备的润滑效果较差。虽然经过多次调整及多次更换压力继

电器，但仍未收到良好的运行效果。

２ 改造思路与可行性分析

通过上述分析，要想保证炉顶干油润滑系统工作性能的

稳定，炉顶设备润滑效果的可靠，最直接、最可靠的解决方

案就是检测每一个润滑点的润滑脂流量，通过对润滑点进入

润滑脂流量的多少就可判断其润滑效果的好坏。从而保证炉

顶设备得到可靠润滑，确保高炉上料系统和布料系统的正常

运行，为高炉生产顺行奠定坚实的基础。

经过与生产厂机动科及生产车间技术人员技术交流，并

召开专题研讨会，以及联系液压润滑厂家进行技术咨询，一

致认定由北京中冶华润科技发展有限公司研制开发的新一

代智能润滑专利产品（ZDRH—2000型智能集中润滑系统）

能够解决目前存在的问题。

该智能集中润滑系统具有如下技术优势：

（1）采用微电脑技术与可编程逻辑控制器相结合的控制

方式，以SIEMENS S7—200系列可编程控制器作为主要控制

元件，通过网络与上位计算机的连接进行实时监控，润滑状

态一目了然。

（2）现场给油分配直接受可编程控制器的控制，每点每

次给油量大小、给油循环时间长短均能自动控制，且能方便

１ 现状分析

在1080m高炉年修之前，炉顶干油站润滑系统未改造，

3

系统因频繁出现故障而造成打油设备长时间停机，润滑效果

无法保证，对炉顶各设备造成了不同程度的损坏。

原因分析：原干油润滑系统的启动、停止及换向等动

作，完全依靠从炉顶现场反馈回的压力信号进行控制，负责

发送压力反馈信号的液压元器件，即压力继电器工作情况的

好坏，决定了整个干油润滑系统能否可靠、稳定运行。因压

力反馈信号不稳定且无指示，不能确定压力反馈信号的真假

与大小，而且压力信号的调整全凭检修人员感觉进行，毫无

精确性，导致整个干油润滑系统的工作性能极不稳定，炉顶

的标准自适应算法——FxLMS算法计算次级信号，另外，采频率在500Hz以下的低频窄带噪声，能够取得平均约9dB的

用附加随机噪声法实现次级通路辨识。实验结果表明，对于降噪量。

参考文献

[1]陈克安.有源噪声控制（第2版）[M].北京：国防工业出版

社，2014.

[2]陈智，王贵峰，李峰，等.基于DSP的前馈式自适应有源

低频噪声控制系统设计[J].中国新技术新产品，2018（5）：

12-14.

[3]陈克安.有源噪声控制技术及其在舰船中的应用[J].中国

舰船研究，2017，12（4）：17-21.

[4]陈智.基于DSP的自适应有源噪声抵消耳罩控制系统设计

与实现[D].兰州：兰州大学，2016.

[5]裴春明，刘姜涛，刘震宇，等.基于自适应技术的低频

噪声控制研究[J].武汉大学学报（工学版），2013，46（3）：

371-375.

图7 系统降噪结果

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