一种用于噪声环境试验的声谱控制系统及方法与流程

本发明涉及噪声环境试验技术领域，尤其涉及一种用于噪声环境试验的声谱控制系统及方法。

背景技术：

噪声环境是指大幅度的空气压力脉动，通常这些压力脉动在5kPa～87kPa的幅值范围内和10Hz～10kHz的宽频带内是随机性的，噪声环境试验的目的是为了验证飞行器设备能承受规定的噪声环境，而不出现不可接受的功能特性、结构完整性的衰退。目前，噪声环境试验已经成为飞行器研制过程中或投入使用前的一项重要的常规试验类型。

噪声环境试验的声谱控制原理是根据试验条件要求的声压级，计算机产生一随机驱动信号，经数/模转换器(A/D)和功率放大器后，驱动气流调制器，产生混响声场，混响室内的声压级用传声器经阻抗变换器和模/数转换器(D/A)将其反馈到计算机，计算机进行谱分析并与要求的声压级谱相比较，根据比较结果修正驱动信号，此过程不断重复，直到混响室的声场符合试验条件要求的声压级。

目前市场上的噪声控制系统等均是基于PSD的方法控制的，其利用逆Welch方法生成驱动信号，采集得到的信号通过求其功率谱密度来得到声压级，通过比较声压级的差值修正功率谱密度，从而修正驱动信号，完成对声谱的控制。

在上述现有的噪声控制技术方案中，由于要修正功率谱密度，会造成低频段控制的谱线数少，高频段控制的谱线数多，在频率间隔较大时低频的控制精度小，频率间隔较大时影响计算效率。驱动信号生成时，运用的逆Welch方法需要进行随机化和大量的IFFT运算，频域的转换均是按帧进行，实时性较差。

技术实现要素：

针对现有的噪声控制技术方案低频段控制的谱线数少、高频段控制的谱线数多，在频率间隔较大时低频的控制精度小，计算效率低，以及生成驱动信号实时性较差的缺陷，本发明提出如下技术方案：

本发明提供了一种用于噪声环境试验的声谱控制方法，包括：

根据预设采样频率采集噪声信号，并根据所述信号得到驱动信号；

根据预设采样频率采集噪声环境的响应信号，并根据所述响应信号确定所述噪声环境当前的声压级谱；

根据所述声压级谱以及参考声压级谱的对比结果，调整并输出所述驱动信号，以使当前的声压级谱逐渐逼近所述参考声压级谱。

可选地，所述根据预设采样频率采集噪声信号，并根据所述信号得到驱动信号，包括：

根据所述预设采样频率从信号发生器处采集噪声信号，通过九个通道的1/3倍频程滤波器组对所述噪声信号进行处理，得到27个1/3倍频程的信号；其中，所述1/3倍频程滤波器组包含3个1/3倍频程滤波器；所述噪声信号为第一通道数据，第二通道至第九通道数据分别由前一通道数据通过抗混叠低通滤波器并进行降采样得到。

可选地，所述根据预设采样频率采集噪声信号，并根据所述信号得到驱动信号，包括：

将所述第一通道至第九通道数据通过1/3倍频程滤波器组后，获取表示不同1/3倍频程频带的信号，并从所述第九通道数据开始不断地升采样，并通过抗镜像的低通滤波器，然后同上一通道的数据相加，直到生成最后的驱动信号。

可选地，还包括：

对所述采集的响应信号进行降采样处理，得到所述九通道数据，并分别通过1/3倍频程滤波器组，以得到不同1/3倍频程频带的信号；

对所有1/3倍频程频带的信号进行截取处理，以得到不同频带信号的RMS值，并确定所有频带的声压级；

将所述声压级与参考声压级谱进行比较得到修正系数；

根据所述修正系数对驱动信号生成过程汇总的每个1/3倍频程信号通过的1/3倍频程滤波器增益进行修正，以使响应信号的声压级满足参考声压级谱的误差范围要求。

可选地，所述驱动信号生成过程中采用5个滤波器，包括1个抗混叠滤波器、1个抗镜像滤波器和3个1/3倍频程滤波器；所述响应信号采集分析过程中采用4个滤波器，包括1个抗混叠滤波器和3个1/3倍频程滤波器。

可选地，所述抗混叠抗镜像滤波器采用40阶窗函数法FIR滤波器；其中，通带截止频率为1/4倍的采样频率，窗函数采用Hamming窗或Kaiser窗，用于升2倍采样率和降2倍采样率的抗混叠和抗镜像过程；1/3倍频程滤波器组采用FIR滤波器。

可选地，所述对所有1/3倍频程频带的信号进行截取处理，以得到不同频带信号的RMS值，并确定所有频带的声压级，包括：

为不同通道设置不同的采样频率，并在计算不同频带的RMS值时，采用相同长度的信号，以使不同倍频程修正时间不同，且满足ΔB×T＝const原则。

本发明的用于噪声环境试验的声谱控制方法，结构简单，易于实现，可实现低成本、高精度和实时控制能力强大的噪声声谱数字控制，利用滤波器方法可对噪声信号进行实时的声压级谱分析，并利用滤波器增益来调整驱动信号，在过程中实现对不同1/3倍频程声压级谱的精确控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例的用于噪声环境试验的声谱控制系统的结构示意图；

图2为本发明一个实施例的用于噪声环境试验的声谱控制方法的流程示意图；

图3为本发明一个实施例的声谱控制流程示意图；

图4为本发明一个实施例的驱动信号的生成流程示意图；

图5为本发明一个实施例的数据采集分析过程示意图；

图6为本发明一个实施例的信号的闭环修正控制过程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明一个实施例的用于噪声环境试验的声谱控制系统的结构示意图；如图1所示，该系统包括：位于模拟声场1中的传声装置(例如传声器)2、信号处理装置3、数据处理装置(如控制计算机)5、气源6、扬声器7以及声阻抗装置(例如为号筒)8；

具体地，所述传声装置2、信号处理装置3、数据处理装置5、扬声器7以及号筒8依次相连；所述气源6与所述扬声器7相连；

所述扬声器7用于将气体的压力转换成声能；

所述号筒8用于为声源提供预设的声阻抗，以使所述声能转换装置与所述声场进行声学匹配，并使所述声能转换装置获得最大效率；

具体来说，所述传声器2采集所述声场中的噪声信号，经转换得到声压级谱；所述控制计算机5将所述声压级谱与参考声压级谱进行比较得出差值，根据该差值并基于所述气源6和所述扬声器7确定驱动信号，并将所述驱动信号经功放放大后驱动所述扬声器7的声圈产生噪声。

本实施例的系统结构简单，易于实现，可以实现低成本、高精度和实时控制能力强大的噪声声谱数字控制，可以实现对声压级谱进行分频段控制，利用滤波器增益来调整输出驱动信号，且可以在过程中实现对不同倍频程较为精确的控制，保证精度，并可以实现信号的时域处理，提高实时性。

图2为本发明一个实施例的用于噪声环境试验的声谱控制方法的流程示意图；其中，所述方法可以基于上述系统实施例进行声谱控制。如图2所示，该方法包括：

S1：根据预设采样频率采集白噪声信号，并根据所述白噪声信号生成驱动信号；

S2：根据预设采样频率采集所述噪声环境的响应信号，并根据所述响应信号确定所述噪声环境当前的声压级谱；

S3：根据对所述声压级谱以及参考声压级谱的对比结果，调整并输出驱动信号，以使当前的声压级谱逐渐逼近所述参考声压级谱。

进一步地，作为本方法实施例的优选，步骤S1中所述根据预设采样频率采集所述的白噪声信号，并根据所述白噪声信号生成驱动信号，可以包括：

根据所述预设采样频率采集的白噪声信号，并通过九通道的1/3倍频程滤波器组对所述白噪声信号进行处理；其中，所述白噪声信号为第一通道数据，第二通道至第九通道数据分别由前一通道数据通过抗混叠低通滤波器并进行降采样得到。

进一步地，作为本方法实施例的优选，步骤S1中所述根据预设采样频率采集白噪声信号，并根据所述白噪声信号生成驱动信号，还包括：

将所述第一通道至第九通道数据通过1/3倍频程滤波器组，以获取表示不同频带的信号，并从所述第九通道数据开始不断地升采样，并通过抗镜像的低通滤波器，然后同上一通道的数据相加，直到生成最后的输出信号。

进一步地，作为本方法实施例的优选，所述输出信号生成过程中采用4个滤波器，其中包括1个抗混叠抗镜像滤波器和3个1/3倍频程滤波器。

进一步地，作为本方法实施例的优选，步骤S2所述根据预设采样频率采集所述噪声环境的响应信号，并根据所述响应信号确定所述噪声环境当前的声压级谱，包括：

对所述响应信号后进行降采样处理，并通过1/3倍频程滤波器组，以得到不同1/3倍频程频带的信号；

对所有1/3倍频程频带的信号进行截取处理，以得到不同频带信号的RMS值，并确定所有频带的声压级。

进一步地，作为本方法实施例的优选，步骤S3所述，包括：将响应声压级与参考声压级谱进行比较得到修正系数；

根据所述修正系数对驱动信号进行修正，以使响应信号的声压级满足参考声压级谱的误差范围要求。

在此基础上，作为本方法实施例的优选，所述抗混叠抗镜像滤波器可以采用40阶窗函数法FIR滤波器；其中，通带截止频率为1/4倍的采样频率，窗函数采用Hamming窗或Kaiser窗，用于升2倍采样率和降2倍采样率的抗混叠和抗镜像过程；1/3倍频程滤波器采用FIR滤波器。

本实施例的用于噪声环境试验的声谱控制方法，步骤简单，易于实现，可以实现低成本、高精度和实时控制能力强大的噪声声谱数字控制，可以实现对声压级谱进行分频段控制，利用滤波器增益来调整输出驱动信号，且可以在过程中实现对不同倍频程较为精确的控制，保证精度，并可以实现信号的时域处理，提高实时性。

下面以一具体的实施例来说明本发明，但不限定本发明的保护范围。

图3为本发明一个实施例的声谱控制流程示意图；如图3所示，本实施例所述用于噪声环境试验的声谱控制方法的控制流程为：

原始信号为白噪声信号，信号的采样频率固定，通过1/3倍频程滤波器组的信号共九通道。原始信号为第一通道数据，第二到第九通道数据分别由前一通道数据通过抗混叠低通滤波器并进行降采样得到。

所有通道数据通过1/3倍频程滤波器组后，得到表示不同频带的信号。要将它们整合成一个信号，就要从第九通道数据开始不断地升采样并通过抗镜像的低通滤波器，然后同上一通道的数据相加，直到得到最后的输出信号。整个信号生成过程中所设计滤波器共4个滤波器，抗混叠抗镜像滤波器和3个1/3倍频程滤波器全部重复利用于所有通道。输出信号采集后同样进行降采样处理并通过1/3倍频程滤波器组后得到不同1/3倍频程频带的信号，对所有信号进行截取处理得到不同频带信号的RMS值，进而求得所有频带的声压级。将声压级同参考声压级谱进行比较得到修正系数，对驱动信号进行不断地修正，直到响应信号的声压级满足参考声压级谱的误差范围为止。

需要说明的是，上述算法实现的一个关键点在于低通数字滤波器(抗混叠抗镜像滤波器)和1/3倍频程数字滤波器。

本实施例低通滤波器可采用40阶窗函数法FIR滤波器，通带截止频率为f_s/4(f_s为采样频率)，窗函数采用Hamming窗或Kaiser窗，用于升2倍采样率和降2倍采样率的抗混叠和抗镜像过程，该滤波器通带处比较平滑，能够减小序列的幅度失真，且具有线性相位。

本实施例1/3倍频程数字滤波器可采用100阶频率抽样法FIR滤波器，设计规范符合GB/T3241中最大最小衰减限值的要求，滤波器的阶次越高控制精度越高。3个1/3倍频程滤波器在32KHz采样频率下，中心频率分别为6300Hz、8000Hz、10000Hz，根据滤波器的归一化原理，当采样频率降半时，滤波器的中心频率也降半。信号在不同采样频率下通过3个1/3倍频程滤波器后叠加得到不同倍频程带宽内信号。滤波器均具有为线性相位，通过调节延迟点数可以将不同倍频程信号叠加。对于噪声信号而言，由于扬声器系统、混响室系统和噪声本身具有非线性，可以在算法中不考虑不同倍频程信号叠加的误差问题，即可以设计滤波器为IIR滤波器。

图4为本发明一个实施例的驱动信号的生成流程示意图；如图4所示，驱动信号生成算法中，原始信号为白噪声信号，采样频率为32KHz，该信号通过3个1/3倍频程滤波器后乘以修正系数并进行叠加得到中心频率为8000Hz的倍频程信号，该信号为第一通道信号。白噪声信号通过低通滤波器并进行降2倍采样率处理后，通过同样的3个1/3倍频程滤波器并乘以修正系数后进行叠加得到中心频率为4000Hz的倍频程信号，该信号为第二通道信号。依此第三到第九通道信号均为上一通道处理得到。此时从第九通道数据开始升采样处理并通过低通滤波器后同第八通道数据进行叠加，由于两个通道的数据延迟点数不同，去掉第九通道多余的延迟点数(N₁为低通滤波器阶次，N为带通滤波器阶次)后叠加，消除相位失真。叠加后的信号同样通过升采样处理并通过低通滤波器后同第七通道数据叠加，同样去掉多余的延迟点数依此叠加到第一通道数据后的信号为驱动信号。驱动信号包含9个倍频程信号，频率范围从28Hz到11225Hz，如果控制频率范围加大，可以增加通道数。

图5为本发明一个实施例的数据采集分析过程示意图；如图5所示，数据采集分析算法中，不同1/3倍频程信号的得到方式同驱动信号生成算法类似，为驱动信号生成算法的一半，即不进行叠加处理，从而得到不同通道的3个1/3倍频程信号，总共27路信号，原始信号为采集得到的响应信号。每路信号加矩形窗处理截取相同量的数据求其RMS值从而得到每个1/3倍频程频带的声压级，计算总声压级，绘制全频段的声压级谱。

图6为本发明一个实施例的信号的闭环修正控制过程示意图；如图6所示，驱动信号的修正算法中，根据数据采集分析算法中得到的响应声压级谱，在每个1/3倍频程带宽上比较该响应声压级谱和参考声压级谱的差异，求得每个1/3倍频程上的声压级差值，根据差值修正滤波器增益，即修正系数，从而产生新的驱动信号。在采集分析算法中，不同通道的采样频率不同，采集相同量的数据导致不同通道在修正时所用时间不同，满足ΔB×T＝const的原则，能够提高控制的精度和效率。

综上所述，本发明实施例所述用于噪声环境试验的声谱控制方法，包括：驱动信号生成算法、数据采集分析算法和驱动信号修正算法。噪声控制系统有两个主要作用，即分析获得当前的声压级谱，并根据当前的声压级谱和参考声压级谱调整驱动输出，使声压级谱逐渐逼近参考声压级谱；数据采集分析算法即获取声压级谱，噪声信号通过一系列的带通滤波器后，直接分析噪声信号的RMS值，获得声压级谱；驱动信号的生成和修正是获取驱动输出信号，使用数字1/3倍频程滤波器，通过调节滤波器的增益完成信号的修正和生成。

进一步地，本发明实施例所述用于噪声环境试验的声谱控制方法，其驱动信号生成要求控制全频段(20Hz～10000Hz)倍频程或1/3倍频程幅值；对每个1/3倍频程频段设计1/3倍频程滤波器就能够得到所有1/3倍频程频段成分的信号，通过调节每个滤波器的增益可以对每个1/3倍频程频段进行控制。然而，在同一个采样频率下设计所有的滤波器难度系数很大。在低频部分，设计符合国标要求的1/3倍频程滤波器需要很高的阶次，增大了计算量。如，在32kHz采样频率下，设计中心频率10kHz的1/3倍频程滤波器需要100阶，设计中心频率5kHz的1/3倍频程滤波器需要200阶。同时，滤波器过多也会使计算难度加大。

为了能够对所有1/3倍频程频带进行滤波控制，根据滤波器频带可归一化(范围从0-1)的性质，在不同采样频率下对不同倍频程频带进行控制，通过改变采样频率，可以只需设计3个1/3倍频程滤波器(增益可变，如果提高控制精度，可以设计1/6倍频程滤波器)，便可以完成多个倍频程频带的分析和幅值调整。当然，此处除了3个1/3倍频程滤波器外，还有用于抽样率变换过程中的低通滤波器，所以在理想情况下，可使用4个数字滤波器，便可以完成所有频带的声谱分析与控制。

进一步地，本发明实施例所述用于噪声环境试验的声谱控制方法，驱动信号生成方案为：在满足最高控制频段的采样频率下，针对最高的倍频程频带设计3个1/3倍频程滤波器(一组，即控制该倍频程频带的3个1/3倍频程频带)，信号通过滤波器组后得到了3个的1/3倍频程带宽的信号。

对于如何获得下一个倍频程频带的信号，采取的方法是降2倍采样频率后，再通过上述同一滤波器组(滤波器增益不同)，就得到该倍频程频带的信号。

同理，通过上述方法继续降采样处理就可以分别连续得到所有的倍频程频带信号，每个倍频程频带的信号都能够通过滤波器精确的得到。

最后对所有降采样的信号进行升采样处理，在同一个采样频率下将所有倍频程信号叠加就得到了全频段的信号，即驱动信号，在此过程中，1/3倍频程滤波器组重复使用，节省了滤波器的耗用。

进一步地，本发明实施例所述用于噪声环境试验的声谱控制方法，驱动信号生成过程中可形成所有倍频程个数的通道数据最后进行叠加得到驱动信号。

不同通道的数据通过的滤波器数量不同，导致信号叠加过程中有幅度失真，混叠失真和相位失真等，解决方案是在降采样和升采样过程中使用的低通滤波器以及倍频程或1/3倍频程信号生成时所用的1/3倍频程带通滤波器均是FIR滤波器。

低通滤波器可采用Hamming窗或Kaiser窗等，带通滤波器的设计符合GB/T3241要求，类型为频率抽样法滤波器，阶次根据设备情况而定，大于80阶为佳。FIR滤波器的突出特点是具有严格地线性相位特性，相邻两个通道的滤波器的差值为：其中，(N₁为低通滤波器阶次，N为带通滤波器阶次)，叠加时，将延迟的点数全部舍弃，从延迟后的点开始叠加，可有效减小相位失真。

进一步地，本发明实施例所述用于噪声环境试验的声谱控制方法，在数据采集分析过程中，在满足最高倍频程频带的采样频率下，将采集得到的时间历程信号通过1/3倍频程带通滤波器组后得到一个倍频程的3个1/3倍频程带宽信号，加窗得到一定长度的信号，进行均方根值进而计算出该频带的声压级，然后通过不断地降采样处理再通过1/3倍频程带通滤波器组，最终可以得到所有1/3倍频程频带信号，从而得到全频段的声压级谱。

进一步地，本发明实施例所述用于噪声环境试验的声谱控制方法，在驱动信号修正过程中，根据上面得到的响应声压级谱与参考声压级谱进行比较，通过修正滤波器增益来修正驱动信号。修正的原理是在每个1/3倍频程带宽上比较采集分析得到响应声压级谱和参考声压级谱的差异，求得每个1/3倍频程上的声压级差值，根据差值修正滤波器增益，然后为下一次闭环控制产生新的驱动信号。具体地，首先选择随机信号作为初始驱动，然后以它为修正对象进行循环迭代，直到得到的响应声压级谱近似参考声压级谱。

进一步地，本发明实施例所述用于噪声环境试验的声谱控制方法，具有实时控制效果，滤波器处理信号是在时域内完成的，在驱动修正过程中，当每路信号的序列达到一定数量，系统就求其均方根值，同时计算出该路信号的声压级，进而同标准声压级比较求出修正系数，对该路的驱动信号进行修正，具有很强的实时性。

进一步地，本发明实施例所述用于噪声环境试验的声谱控制方法，在低频和高频段的修正时采用ΔB×T＝const的原则(其中ΔB为倍频程带宽，相邻倍频程带宽差距为2倍；T为修正时间)。低频段每次修正时间间隔长，高频段间隔短。如，对于中心频率1000Hz的频段，采样频率为4000Hz，当采集1000数据量时进行修正时，修正间隔为250ms，中心频率500Hz的频段，采样频率为2000Hz，采集同样数据量时进行修正，修正间隔为500ms。

依此类推，每个频段都能够采集足够的数据进行分析，提高了控制精度和修正效率。

由上述方案可知，本发明实施例针对背景技术中提出的技术问题，放弃了近20年来类似于随机振动控制的噪声控制方法，不使用功率谱分析和逆Welch方法进行声压级谱控制，而采用当前快速进步的FPGA高速计算能力，使用数字式1/3倍频程滤波器的声谱分析和驱动修正方法，完成低成本、高精度和实时控制能力强大的噪声数字控制系统，该系统可以实现数字滤波器的重复使用，对声压级谱进行分频段控制，利用滤波器增益来调整输出驱动信号。在此过程中，实现了对不同倍频程或1/3倍频程频带较为精确的控制，保证了精度；实现了信号的时域处理，提高了实时性，所提出的控制算法结构简单、算法程序稳定可靠，可用于噪声环境试验的声谱控制系统。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。