实验三主动降噪实验

实验三主动降噪实验组长：吴淑标组员：朱安林、汤剑宏目录实验目的实验原理实验仪器实验步骤实验平台搭建过程正式实验过程关键程序解释实验数据观察及解释误差分析实验目的了解噪声的基本概念；了解工程中处理噪声的常规方法；掌握主动降噪的基本原理与方法；通过实验模拟主动降噪，分析降噪效果。实验原理主动降噪（主动噪声控制），又称为有源噪声控制。早在1933年就由德国物理学家PaulLueg提出了。其主要依据了声波的干涉原理，来消除噪声。实验原理1）自适应有源噪声控制系统：该系统一般由初级声源、自适应控制器、次级声源和误差传感器组成。其特点是控制器带反馈，并具有自适应控制算法，控制器多为数字控制器。这种系统适用的范围宽，相对灵活，但其结构复杂，实现难度加大，成本增加。实验原理2）非自适应有源噪声控制系统：该系统一般由初级声源、控制器、次级声源和传感器组成。其特点是控制器不带反馈，可以是模拟控制器，也可以是数字控制器。这种系统适用的范围有限。实验仪器实验步骤1）完成各仪器能否正常工作的检验，保证实验正常进行；2）按计划搭建实验平台，如图7所示；3）打开Matlab软件，将编好的程序烧录其中，准备开始实验；4）选择相对安静的空间，运行程序，程序会自动会输出8张图，分别包括降噪前、后的波形图和幅值频谱图；5）待程序运行完毕，观察最后一次降噪的幅值频谱图，和原噪声进行比较是否达到了降噪的效果，如不满足需要进行调试，再次重复实验；6）满足要求后，结束程序，拆除实验平台，整理实验设备；7）整理相关实验图片和数据，进行数据分析；8）分析实验误差，得出结论并撰写实验报告。实验平台搭建过程1）选择相对安静的空间环境，将平整的桌面当做实验平台；2）将这对音箱间隔合适的距离对放，并且使发声源在一条直线上，连接电脑USB接口加耳机接口，将其中一个声道当做噪声源，另一个声道做次生源；（本实验并没有选择添加声道）3）把麦克风的接收点放置在上述直线上的任意一点，保持稳定位置不变，连接电脑的USB接口，作为声音传感器；实验平台搭建过程正式实验过程1）选择噪声频率1100Hz，声源持续时间为120s，次生源除了相位值与原噪声不同，其余一致，检测控制时间为3s一个循环，目的就是不断改变相位，一切准备就绪，运行程序；正式实验过程2）第一步为检测程序，结果会识别出原噪声的频率以及相应的幅值，会首先输出两幅图，分别是原噪声信号波形图和幅值频谱图。正式实验过程3）第二步为降噪第一阶段，次生源会发出和原噪声一致的声信号，以pi/3为精度，不断移动次生源的相位，直到筛选出目标相位（相邻两点叠加后信号的幅值小于原噪声的幅值），此时跳出该循环，并输出另外两幅图，即第一步降噪的信号波形图和幅值频谱图。正式实验过程4）第三步为降噪第二阶段，目标函数进入第二个循环，以pi/12为精度，不断移动次生源的相位，直到筛选出目标相位（叠加后信号的幅值降低50%），此时跳出该循环，并输出两幅图，即第二步降噪的信号波形图和幅值频谱图。正式实验过程5）第四步为降噪第三阶段，目标函数进入第三个循环，以pi/24为精度，不断移动次生源的相位，直到筛选出目标相位（叠加后信号的幅值降低70%），此时跳出该循环，次生源便以该相位值持续发出信号，即持续降噪效果，输出最后两幅图，即第三步降噪的信号波形图和幅值频谱图。正式实验过程6）若实验能够成功运行，则结束运行程序，整理实验器材，分析实验数据，并做误差分析。关键程序解释Fs=8192;%采样频率为8192t=1:(120*Fs);%定原噪声发声时间为120syy=zeros(2,120*Fs);%建立两行零矩阵，以存储双声道不同的声信号yy(1,:)=40*sin(2*pi*1100*(t/Fs)-pi/3);%原噪声的发声程序，频率1100HzY=audiorecorder(Fs,16,1);%Matlab声卡采集代码，采样精度为16，单声道recordblocking(Y,3);%声音收集时间为3sX=fft(y,Fs);%进行傅里叶变换z=abs(X);%将傅里叶变换的结果取绝对值y2=(2*max(z))/Fs;%以该公式作为衡量幅值大小的工具关键程序解释yy(2,:)=40*sin(2*pi*f*(t/Fs)+phi);%次生源的发声程序recordblocking(Y1,3);%以3秒为一个检测周期Y2=(2*max(z))/Fs;%使用和衡量原噪声幅值一样的公式ifY2=y2%若降噪后的幅值大于原噪声幅值phi=phi+pi/3;%将次生源相位向左移动pi/3个单位elsephi=phi+pi/6/n;%否则向左移动pi/6个单位n=-(abs(n)+1);%跳出该程序关键程序解释y4=y2*2*cos(pi/2-pi/3/(2^n));%设定第二步降噪的目标精度是50%yy(2,:)=40*sin(2*pi*f*(t/Fs)+phi);%次生源的发声程序recordblocking(Y1,3);%以3秒为一个检测周期Y2=2*max(z)/Fs;%使用和衡量原噪声幅值一样的公式ifY2=y4%若降噪后的幅值未满足效果要求phi=phi-pi/3/(2^n);%将次生源相位向右移动pi/12个单位elsen=n+1;%否则跳出该程序phi=phi-pi/3/(2^n);关键程序解释y5=y2*0.3;%设定第三步降噪的目标精度是70%yy(2,:)=40*sin(2*pi*f*(t/Fs)+phi);%次生源的发声程序recordblocking(Y1,3);%以3秒为一个检测周期Y2=2*max(z)/Fs;%使用和衡量原噪声幅值一样的公式ifY2=y5%若降噪后的幅值未满足效果要求phi=phi-pi/3/(2^n);%将次生源相位向右移动pi/24个单位elsen=n+1;%否则跳出该程序yy(2,:)=40*sin(2*pi*f*(t/Fs)+phi);%次生源会一直发出最佳相位所对应的声信号sound(yy,Fs);实验数据观察及解释实验数据观察及解释从第二幅图中可以看出，原噪声频率1100Hz下对应的幅值在Matlab标度下对应值为36.5；在第四幅图中，以pi/3为相位移动精度的第一步降噪结果幅值为22.5，降噪效果为38%；从第六幅图中可以发现，以pi/12为相位移动精度结果，幅值最大时对应的声音频率并不是1100Hz，经分析是由于外界干扰，尽管如此原噪声仍然达到了50%的降噪效果；最后一幅图以pi/24为相位移动精度，显示的幅值大小为13.5，降噪效果73%，非常理想；降噪效果同时也可以根据这几个处理过程的波形图观察得出。误差分析1）仪器误差使用Matlab发声程序会有误差，程序已经运行了但是由于计算机的音箱还没有完全打开，导致前部分的发声信号不完整；所使用的音箱左右声道发出的声音并不是完全一致的，而且放置的位置也不可能完全达到在同一条直线上；声音传感器接收的声信号与程序编写的也会有误差，接收点的位置不同也会影响实验效果。误差分析2）方法误差我们采用的主动降噪方法即为声波的叠加原理，但是由于声波是球面波，叠加的时候并不是简单的公式相加，会有不定向的干涉，而且我们小组并没有采用声道，这也大大增加了误差的可能性。误差分析3）人为误差尽管我们选择了相对安静的环境，但是我们仍然不能保证没有其它频率的声波干扰（相同频率的干扰误差更大），就如图10所示的现象，其它频率声音的幅值大于我们噪声的幅值也是非常有可能的，我们仅通过观察幅值频谱图而没有观察波形图，其实已经大大降低了误差的可能性，在以后的学习中我们将学习运用滤波器函数，使显示结果更加直观、清晰。