一種消除渦漿飛機(jī)艙內(nèi)低頻窄帶噪聲的有源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高 新 技 術(shù)

2018 NO.4（下）

中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品

一種消除渦漿飛機(jī)艙內(nèi)低頻窄帶噪聲的有源

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳??智

（蘭州理工大學(xué)技術(shù)工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

摘????要：本文針對(duì)渦槳飛機(jī)艙內(nèi)的低頻窄帶噪聲，設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)有源噪聲控制系統(tǒng)。選用TI公司的

TMS320VC5509 DSP芯片和AIC23B音頻芯片構(gòu)成核心控制器，采用最常見的標(biāo)準(zhǔn)自適應(yīng)算法——FxLMS算法計(jì)

算次級(jí)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)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(guān)鍵詞：低頻噪聲；DSP；FxLMS

中圖分類號(hào)：TN912??????????????????????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A??

由于支線客機(jī)、支線運(yùn)輸機(jī)、民用直升機(jī)、農(nóng)用飛機(jī)的

巨大市場(chǎng)以及國(guó)家相關(guān)政策的扶持，使渦槳飛機(jī)的發(fā)展前景

非常廣闊。然而，隨著渦槳飛機(jī)性能的日益提高，與之相矛

盾的飛行器噪聲會(huì)隨著它的速度、載重量的提高、發(fā)動(dòng)機(jī)功

率的增大等諸多因素日益突出。渦漿飛機(jī)的艙內(nèi)噪聲會(huì)嚴(yán)重

影響乘客的語言交流、睡眠休息，甚至身心健康，還會(huì)影響

機(jī)組人員的工作狀態(tài)及與地面人員之間的通信，可見渦漿飛

機(jī)艙內(nèi)噪聲危害巨大。為了獲得可以接受的噪聲級(jí)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(dòng)力吸振器，但這些傳統(tǒng)方法只對(duì)降低中高頻噪聲有效，且

改進(jìn)余地越來越小，關(guān)鍵是對(duì)集中了較大能量的低頻噪聲不

但不起作用，反而會(huì)增加飛機(jī)重量。一種有效的解決辦法就

是采用有源噪聲控制技術(shù)，這種技術(shù)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(tǒng)原理

前饋式有源噪聲控制系統(tǒng)可以獲取參考信號(hào)，系統(tǒng)的降

噪量、穩(wěn)定性明顯優(yōu)于反饋式。系統(tǒng)原理如圖2所示，噪聲

源產(chǎn)生原始噪聲，參考傳感器監(jiān)聽后發(fā)出參考信號(hào)，并輸入

到自適應(yīng)控制器。控制器根據(jù)自適應(yīng)算法，計(jì)算出次級(jí)信號(hào)

并由次級(jí)聲源發(fā)出次級(jí)聲，次級(jí)聲與原始噪聲相互抵消。同

時(shí)，誤差傳感器采集抵消后的誤差信號(hào)并送回控制器，控制

器不斷調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)進(jìn)而改變次級(jí)聲的振幅和相位，以減小

抵消誤差，直至滿足預(yù)設(shè)目標(biāo)。

１ 渦漿飛機(jī)艙內(nèi)低頻噪聲分析

螺旋槳噪聲是渦槳飛機(jī)艙內(nèi)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(jī)脈沖載荷產(chǎn)生寬帶噪聲，周期性載荷產(chǎn)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(qū)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)工程

師總是力求最優(yōu)的螺旋槳性能，以提高飛機(jī)性能，但這導(dǎo)

致渦漿飛機(jī)的低頻窄帶噪聲進(jìn)一步增加。圖1給出了渦槳飛

機(jī)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(tǒng)原理圖

３ 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件采用TI公司生產(chǎn)的TMS320VC5509 DSP芯片和

AIC23B音頻芯片作為控制核心。其中，AIC23B芯片內(nèi)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(nèi)提供16bit、20bit、

24bit和32bit的采樣，ADC和DAC的輸出信噪比分別可以達(dá)

到90dB和100dB。本系統(tǒng)針對(duì)的是渦槳飛機(jī)艙內(nèi)的低頻窄帶

噪聲，頻率在500Hz以下，為保證不失真，采樣頻率設(shè)置為

4kHz，轉(zhuǎn)換位數(shù)設(shè)置為16bit，AIC23B與DSP的連接如圖3

所示。

圖1 Saab2000型渦漿飛機(jī)艙內(nèi)噪聲頻譜

基金項(xiàng)目：甘肅省高等學(xué)校科研項(xiàng)目資助（2017A-237）。

- 1 -

中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品

2018 NO.4（下）

圖3 DSP與AIC23B連接圖

４ 系統(tǒng)算法與次級(jí)通路辨識(shí)方法

４．１ ＦｘＬＭＳ算法

系統(tǒng)自適應(yīng)算法選擇主要從4個(gè)方面考慮，分別是任務(wù)

特征、收斂速度、運(yùn)算量、系統(tǒng)誤差。為了便于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，

本文采用最常見的標(biāo)準(zhǔn)自適應(yīng)算法——FxLMS算法，用以計(jì)

算次級(jí)信號(hào)，這種算法處理低頻窄帶噪聲的綜合效果較好。

算法權(quán)矢量迭代公式：

WnWnμe nrn

（+1）=（）-2（）（） （1）

rnxnh

（） =（）×

（ ） （2）

s

n

μe n

是收斂系數(shù)，用于控制收斂速度和系統(tǒng)穩(wěn)定性；（）

是誤差信號(hào)；（） 是濾波-信號(hào)，（）是參考信號(hào)，

rnxxnh

s

n

）是次級(jí)通路傳遞函數(shù)的脈沖響應(yīng)。可以看出，參考信號(hào)（

和誤差信號(hào)一起控制FxLMS算法的權(quán)矢量更新。

４．２ 次級(jí)通路辨識(shí)方法

FxLMS算法的權(quán)矢量迭代公式中包含一項(xiàng)濾波-信號(hào)

x

矢量，它是參考信號(hào)矢量和次級(jí)通路脈沖響應(yīng)的卷積，因此，

必須先獲取次級(jí)通路的傳遞函數(shù)。由于次級(jí)通路特性在整個(gè)

噪聲控制過程中保持不變，因此，次級(jí)通路辨識(shí)可以離線建

模。這里采用附加隨機(jī)噪聲法：由DSP內(nèi)部產(chǎn)生隨機(jī)白噪聲

作為次級(jí)通路的激勵(lì)，然后執(zhí)行次級(jí)通路的迭代，權(quán)矢量更

新采用LMS算法，待次級(jí)通路濾波器穩(wěn)定后，將次級(jí)通路濾

波器權(quán)系數(shù)固定不變，代入FxLMS算法進(jìn)行自適應(yīng)有源噪聲

控制過程。

５ 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括主程序、次級(jí)通路辨識(shí)程序、有源噪聲控

制程序3部分。主程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)初始化和中斷子程序控制，

如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

- 2 -

高 新 技 術(shù)

圖5 次級(jí)通路辨識(shí)流程圖

x

圖6 自適應(yīng)有源噪聲控制流程圖

進(jìn)入中斷后，先調(diào)用次級(jí)通路辨識(shí)程序，進(jìn)行次級(jí)通路濾

波器的迭代。當(dāng)次級(jí)通路濾波器進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，將其權(quán)系數(shù)

固定不變代入FxLMS算法，之后的中斷均進(jìn)入有源噪聲控制程

序，進(jìn)行FxLMS濾波器權(quán)系數(shù)的迭代，并產(chǎn)生次級(jí)信號(hào)。次級(jí)

通路辨識(shí)程序和有源噪聲控制程序分別如圖5和圖6所示。

６ 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

系統(tǒng)利用虛擬信號(hào)分析儀產(chǎn)生與渦槳飛機(jī)艙內(nèi)噪聲特

性近似的低頻窄帶噪聲，頻率設(shè)定在500Hz以下。為了便

于分析和避免聲反饋問題，將參考信號(hào)輸入端、誤差信號(hào)輸

入端、次級(jí)信號(hào)輸出端以線連方式與虛擬信號(hào)分析儀直接

相連。通過反復(fù)調(diào)整，確定次級(jí)通路辨識(shí)濾波器的階數(shù)為

32，步長(zhǎng)為0.015，自適應(yīng)控制器濾波器的階數(shù)為64，步長(zhǎng)

為0.003。圖7是系統(tǒng)降噪結(jié)果，平均取得約9dB降噪量。

結(jié)語

本文針對(duì)渦槳飛機(jī)艙室中的低頻窄帶噪聲，設(shè)計(jì)了一種

自適應(yīng)有源噪聲控制系統(tǒng)。選用TI公司的TMS320VC5509

DSP芯片和AIC23B音頻芯片構(gòu)成核心控制器，采用最常見

高 新 技 術(shù)

2018 NO.4（下）

中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品

1080m高爐爐頂干油潤(rùn)滑站電氣控制系統(tǒng)

故障分析與改進(jìn)

陳龍飛

（山鋼萊鋼集團(tuán)設(shè)備檢修中心，山東 萊蕪 271104）

摘????要：本文主要介紹了國(guó)內(nèi)某鋼廠煉鐵高爐爐頂干油潤(rùn)滑電氣控制系統(tǒng)存在的問題與不足，通過分析、研討、

制定改造方案和實(shí)施后，設(shè)備的穩(wěn)定性和潤(rùn)滑效果得到明顯改善，為高爐生產(chǎn)的穩(wěn)定順行創(chuàng)造了有利條件。

關(guān)鍵詞：高爐；潤(rùn)滑；故障；改進(jìn)

中圖分類號(hào)：TF325????????????????????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

3

０ 概述

爐頂干油潤(rùn)滑系統(tǒng)負(fù)責(zé)給高爐爐頂設(shè)備提供油脂，保證

爐頂設(shè)備潤(rùn)滑正常，減少機(jī)械磨損，延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備使用壽命，

確保高爐上料系統(tǒng)及布料系統(tǒng)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。需要潤(rùn)滑的爐

頂設(shè)備主要包括：布料系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備——?dú)饷芟湟约熬鶋?/span>

閥、放散閥、柱塞閥、上密封閥及料流閥等各個(gè)閥體。如果

爐頂干油站潤(rùn)滑系統(tǒng)出現(xiàn)異常，將使?fàn)t頂設(shè)備的潤(rùn)滑效果得

不到保證，造成下密、料流軸封進(jìn)灰導(dǎo)致竄風(fēng)泄漏或氣密箱

齒輪軸承缺油，嚴(yán)重時(shí)將損壞不能正常轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致高爐慢風(fēng)

或休風(fēng)。

設(shè)備的潤(rùn)滑效果較差。雖然經(jīng)過多次調(diào)整及多次更換壓力繼

電器，但仍未收到良好的運(yùn)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(rùn)滑系統(tǒng)工作性能的

穩(wěn)定，爐頂設(shè)備潤(rùn)滑效果的可靠，最直接、最可靠的解決方

案就是檢測(cè)每一個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)的潤(rùn)滑脂流量，通過對(duì)潤(rùn)滑點(diǎn)進(jìn)入

潤(rùn)滑脂流量的多少就可判斷其潤(rùn)滑效果的好壞。從而保證爐

頂設(shè)備得到可靠潤(rùn)滑，確保高爐上料系統(tǒng)和布料系統(tǒng)的正常

運(yùn)行，為高爐生產(chǎn)順行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

經(jīng)過與生產(chǎn)廠機(jī)動(dòng)科及生產(chǎn)車間技術(shù)人員技術(shù)交流，并

召開專題研討會(huì)，以及聯(lián)系液壓潤(rùn)滑廠家進(jìn)行技術(shù)咨詢，一

致認(rèn)定由北京中冶華潤(rùn)科技發(fā)展有限公司研制開發(fā)的新一

代智能潤(rùn)滑專利產(chǎn)品（ZDRH—2000型智能集中潤(rùn)滑系統(tǒng)）

能夠解決目前存在的問題。

該智能集中潤(rùn)滑系統(tǒng)具有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

（1）采用微電腦技術(shù)與可編程邏輯控制器相結(jié)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(wǎng)絡(luò)與上位計(jì)算機(jī)的連接進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，潤(rùn)滑狀

態(tài)一目了然。

（2）現(xiàn)場(chǎng)給油分配直接受可編程控制器的控制，每點(diǎn)每

次給油量大小、給油循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)短均能自動(dòng)控制，且能方便

１ 現(xiàn)狀分析

在1080m高爐年修之前，爐頂干油站潤(rùn)滑系統(tǒng)未改造，

3

系統(tǒng)因頻繁出現(xiàn)故障而造成打油設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，潤(rùn)滑效果

無法保證，對(duì)爐頂各設(shè)備造成了不同程度的損壞。

原因分析：原干油潤(rùn)滑系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止及換向等動(dòng)

作，完全依靠從爐頂現(xiàn)場(chǎng)反饋回的壓力信號(hào)進(jìn)行控制，負(fù)責(zé)

發(fā)送壓力反饋信號(hào)的液壓元器件，即壓力繼電器工作情況的

好壞，決定了整個(gè)干油潤(rùn)滑系統(tǒng)能否可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。因壓

力反饋信號(hào)不穩(wěn)定且無指示，不能確定壓力反饋信號(hào)的真假

與大小，而且壓力信號(hào)的調(diào)整全憑檢修人員感覺進(jìn)行，毫無

精確性，導(dǎo)致整個(gè)干油潤(rùn)滑系統(tǒng)的工作性能極不穩(wěn)定，爐頂

的標(biāo)準(zhǔn)自適應(yīng)算法——FxLMS算法計(jì)算次級(jí)信號(hào)，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(jī)噪聲法實(shí)現(xiàn)次級(jí)通路辨識(shí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于降噪量。

參考文獻(xiàn)

[1]陳克安.有源噪聲控制（第2版）[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版

社，2014.

[2]陳智，王貴峰，李峰，等.基于DSP的前饋式自適應(yīng)有源

低頻噪聲控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2018（5）：

12-14.

[3]陳克安.有源噪聲控制技術(shù)及其在艦船中的應(yīng)用[J].中國(guó)

艦船研究，2017，12（4）：17-21.

[4]陳智.基于DSP的自適應(yīng)有源噪聲抵消耳罩控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

與實(shí)現(xiàn)[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2016.

[5]裴春明，劉姜濤，劉震宇，等.基于自適應(yīng)技術(shù)的低頻

噪聲控制研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2013，46（3）：

371-375.

圖7 系統(tǒng)降噪結(jié)果

- 3 -