本發(fā)明屬于聲學(xué)，具體涉及一種基于t分布密度函數(shù)的脈沖噪聲有源控制方法。

背景技術(shù)：

1、有源噪聲控制(active?noise?control，anc)是一種利用聲波相消干涉原理，有效控制低頻噪聲的噪聲控制技術(shù)。其通過設(shè)計(jì)適用于不同被控噪聲的代價函數(shù)來有效的提升自身算法的性能。其應(yīng)用場景包括：多功能報(bào)告廳、會議室、汽車駕駛室、個人音頻設(shè)備的環(huán)境降噪、密閉艙室聲環(huán)境評價以及音頻設(shè)計(jì)等。

2、目前，自適應(yīng)有源噪聲控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圍繞自適應(yīng)濾波器及其相應(yīng)算法展開。最小均方誤差(minimum?mean?square?error，mmse)準(zhǔn)則因其計(jì)算復(fù)雜度低、簡單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。widrow和hoff在mmse的基礎(chǔ)上提出了針對高斯噪聲模型優(yōu)化的最小均方(leastmean?square，lms)算法，具有簡單且計(jì)算復(fù)雜度低的優(yōu)點(diǎn)。濾波-x?lms(filtered-x?lms，fxlms)算法因其在anc系統(tǒng)中以其較低的計(jì)算復(fù)雜度和穩(wěn)定的性能而備受青睞，成為一種廣泛使用的基礎(chǔ)性算法。

3、實(shí)際生活中經(jīng)常會遇到脈沖噪聲，如建筑工地的打樁聲，車間機(jī)械加工的沖擊聲。高強(qiáng)度的脈沖噪聲較同等強(qiáng)度的穩(wěn)態(tài)噪聲更容易對人類的聽力造成損傷，因此研究脈沖噪聲的有源控制意義重大。脈沖噪聲具有發(fā)生概率低和幅值大的特性，與常見的高斯分布噪聲存在較大的區(qū)別。由于fxlms算法是基于高斯噪聲模型優(yōu)化所得，因此在脈沖噪聲環(huán)境中，該種算法的降噪性能受到限制。

4、由于高斯噪聲和脈沖噪聲的幅值概率分布上存在顯著差異，因此使用二階矩(如均方誤差)作為算法的代價函數(shù)對于脈沖噪聲來說是并不是最優(yōu)解。重新設(shè)代價函數(shù)是解決上述問題的常用手段，如濾波-x最大相關(guān)熵準(zhǔn)測(filtered-x?maximum?correntropycriterion，fxmcc)算法、濾波-x最大versoria準(zhǔn)則(filtered-x?maximum?versoriacriterion,fxmvc)等等已被提出和證明是有效的脈沖噪聲有源控制算法。然而fxmcc算法存在計(jì)算量大，收斂速度慢，降噪量低的缺點(diǎn)，fxmvc算法雖然在fxmcc算法的基礎(chǔ)上降低了計(jì)算量，但是還是存在降噪量低的缺點(diǎn)。因此設(shè)計(jì)收斂速度快，降噪量大的有源控制算法是主動控制算法研究的重點(diǎn)研究方向之一。由于代價函數(shù)形狀的變化會使得算法的收斂速度和降噪量發(fā)生較大變化，因此如何設(shè)計(jì)最優(yōu)的代價函數(shù)是脈沖噪聲有源控制的難點(diǎn)問題也是痛點(diǎn)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有的脈沖噪聲有源控制方法存在收斂速度慢、降噪量低的問題，而提供了一種基于t分布密度函數(shù)的脈沖噪聲有源控制方法。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)解決方案是：

3、一種基于t分布密度函數(shù)的脈沖噪聲有源控制方法，構(gòu)建單通道有源控制系統(tǒng)，使用t分布概率密度函數(shù)作為有源控制方法的代價函數(shù)，該有源控制方法的脈沖噪聲有源控制方法包括以下步驟：

4、步驟一：采用白噪聲作為次級聲源的激勵信號，使用lms方法獲得有源控制方法所需的次級通路估計(jì)值h(n)，并初始化有源控制濾波器w(n)；

5、步驟二：使用參考傳聲器采集當(dāng)前采樣時刻的參考信號x(n)，并計(jì)算經(jīng)次級通路估計(jì)值h(n)濾波后的參考濾波信號x'(n)；

6、步驟三：基于當(dāng)前采樣時刻的參考信號x(n)以及有源控制濾波器w(n)，計(jì)算出當(dāng)前采樣時刻次級聲源的輸出信號y(n)；

7、步驟四：根據(jù)初級聲源和次級聲源在誤差點(diǎn)處的響應(yīng)，得到當(dāng)前采樣時刻的誤差點(diǎn)處的誤差信號e(n)；

8、步驟五：基于t分布密度函數(shù)的代價函數(shù)j(n)和參考濾波信號x'(n)，使用隨機(jī)梯度下降法獲得第n+1個采樣時刻更新的有源控制濾波器w(n+1)，如下式所示：

9、

10、其中，n表示第n個采樣時刻，w(n)＝[w0(n),w1(n),...,wl-1(n)]t，表示j(n)的梯度，μ表示梯度下降的迭代步長，a表示t分布密度函數(shù)的核寬系數(shù)，p表示形函數(shù)；

11、步驟六：當(dāng)采樣時刻到達(dá)設(shè)定的控制時刻時，有源控制系統(tǒng)將停止有源控制，有源控制方法結(jié)束；當(dāng)采樣時刻未到達(dá)設(shè)定的控制時刻時，則返回步驟二，重復(fù)步驟二至步驟六。

12、進(jìn)一步的，經(jīng)次級通路估計(jì)值h(n)濾波后的參考濾波信號x'(n)通過以下公式計(jì)算得到：

13、

14、其中，x(n)＝[x(n),x(n-1),...,x(n-l+1)]t，l表示有源控制濾波器的長度，m表示次級通路的長度，*表示卷積運(yùn)算。

15、進(jìn)一步的，步驟三中，當(dāng)前采樣時刻次級聲源的輸出信號y(n)通過以下公式計(jì)算得到：

16、y(n)＝wt(n)x(n)

17、其中，wt(n)表示w(n)的轉(zhuǎn)置。

18、進(jìn)一步的，步驟四中，當(dāng)前采樣時刻的誤差點(diǎn)處的誤差信號e(n)通過以下公式計(jì)算得到：

19、e(n)＝d(n)+y(n)*h(n)

20、＝d(n)+wt(n)x'(n)

21、其中，d(n)表示初級聲源在誤差點(diǎn)處產(chǎn)生的初級信號，h(n)表示實(shí)際的次級通路，x'(n)＝[x'(n),x'(n-1),...,x'(n-l+1)]t，y(n)＝[y(n),y(n-1),...,y(n-l+1)]t，采樣時刻n時次級聲源的輸出信號y(n)。

22、進(jìn)一步的，步驟五中，t分布概率密度函數(shù)的代價函數(shù)j(n)表示為：

23、

24、對于t分布密度函數(shù)的核寬系數(shù)a以及形函數(shù)p，依據(jù)概率論，核寬系數(shù)a需要大于0，可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整，a的數(shù)值越大，算法的收斂速度越快，但是對脈沖噪聲的平均降噪量會有所下降；a的數(shù)值越小，算法的收斂速度變慢，但是對脈沖噪聲的平均降噪量會有所增加。改變參數(shù)a對算法的計(jì)算復(fù)雜度沒有影響。形函數(shù)p的取值范圍需要大于1，較大的參數(shù)p有利于算法的快速收斂并提升算法對脈沖噪聲的平均降噪量。但是較大的參數(shù)p會增加算法的計(jì)算復(fù)雜度，如果p過大會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的是實(shí)時性受影響，從而影響最終的降噪效果。因此需要更具實(shí)際的硬件系統(tǒng)去選擇合適的核寬系數(shù)a和形函數(shù)p。

25、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

26、相較于傳統(tǒng)方法，本發(fā)明所提出的有源控制方法，在脈沖噪聲環(huán)境中有更快的收斂速度和更多的平均降噪量，可以在強(qiáng)脈沖噪聲環(huán)境下提升有源噪聲控制的降噪效果，使得有源噪聲控制系統(tǒng)在監(jiān)測點(diǎn)處的聲壓級最小。

技術(shù)特征：

1.一種基于t分布密度函數(shù)的脈沖噪聲有源控制方法，其特征在于，使用t分布概率密度函數(shù)作為有源控制方法的代價函數(shù)，所述脈沖噪聲有源控制方法包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖噪聲有源控制方法，其特征在于，步驟二中，經(jīng)次級通路估計(jì)值h(n)濾波后的參考濾波信號x'(n)通過以下公式計(jì)算得到：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的脈沖噪聲有源控制方法，其特征在于，步驟三中，當(dāng)前采樣時刻n次級聲源的輸出信號y(n)通過以下公式計(jì)算得到：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的脈沖噪聲有源控制方法，其特征在于，步驟四中，當(dāng)前采樣時刻的誤差點(diǎn)處的誤差信號e(n)通過以下公式計(jì)算得到：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖噪聲有源控制方法，其特征在于，步驟五中，t分布概率密度函數(shù)的代價函數(shù)j(n)表示為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種基于t分布密度函數(shù)的脈沖噪聲有源控制方法，包括以下步驟：先使用LMS方法獲得次級通路估計(jì)值，并初始化有源控制濾波器；隨后計(jì)算經(jīng)次級通路估計(jì)值濾波后的參考濾波信號；其次計(jì)算出當(dāng)前采樣時刻次級聲源的輸出信號以及當(dāng)前采樣時刻的誤差信號；最后基于t分布密度函數(shù)的代價函數(shù)，計(jì)算第n+1個采樣時刻更新的有源控制濾波器；當(dāng)采樣時刻到達(dá)設(shè)定的控制時刻時，有源控制系統(tǒng)將停止有源控制，有源控制方法結(jié)束。相較于傳統(tǒng)方法，本發(fā)明所提出的有源控制方法，在脈沖噪聲環(huán)境中有更快的收斂速度和更多的平均降噪量，可以在強(qiáng)脈沖噪聲環(huán)境下提升有源噪聲控制的降噪效果，使得有源噪聲控制系統(tǒng)在監(jiān)測點(diǎn)處的聲壓級最小。

技術(shù)研發(fā)人員：陳克安,羅劍峰,張季陽,李豪,劉屹東
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西北工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19