產教融合視角下窄帶主動噪聲控制技術研究

馬亞平 張相勝

[摘 要] 以產教融合為視角，構建“雙主體一紐帶”校企合作模式，以高校和企業為雙主體、以校企合作平臺為紐帶，結合企業實際應用進行降噪需求分析，從噪聲控制系統的方案選擇與設計、不同控制結構對比等方面分析高校層面技術狀況，深入開展產教融合視角下窄帶主動噪聲控制關鍵技術分析與討論。結合企業主體需求，依托高校結合具體降噪對象，充分分析窄帶主動噪聲控制系統的實際應用價值，實現高校與企業的雙主體產教融合，促進高校科研成果向產業生產力轉化。

[關鍵詞] 產教融合;校企合作;主動噪聲控制;降噪

[基金項目] 2019年度江蘇省高等教育教改立項研究課題“智能時代自動化新工科人才培養模式研究”（2019JSJG075）;2019年度教育部產學合作協同育人項目“智能制造下的機器視覺、電氣控制及PLC實驗課程教學研究”（201902280003）

[作者簡介] 馬亞平（1986—），男，河南虞城人，工學博士，江南大學物聯網工程學院自動化系講師，主要從事自適應信號處理算法研究;張相勝（1977—），男，山東煙臺人，工學博士，江南大學物聯網工程學院自動化系副教授，主要從事工業過程的優化、建模與控制研究。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）42-0037-04? ? [收稿日期] 2021-05-24

一、產教融合背景

隨著2017年國務院辦公廳《關于深化產教融合的若干意見》的出臺，指出高等院校要高屋建瓴地跳出教育看教育、跳出知識看知識、跳出學校看學校，并根據學校、學科、學生的實際情況，利用更先進的教育理念和技術手段，建設一流高校、一流學科[1]。2020年1月教育部辦公廳發布《教育部產學合作協同育人項目管理辦法》，要求深化產教融合、產學合作、協同育人，為校企合作的進一步落實提供政策支持。在此背景下，開展產教融合模式背景下的窄帶主動噪聲控制系統與應用研究的教育教學方法改革顯得尤其重要。

二、產教融合模式的構建

本研究的立意是針對產教融合、校企合作的時代背景和現狀，構建產教融合的教學模式，探索在新工科背景下以科研項目為載體的教育教學方法，加強科研項目學習環節，講授專業有關的前沿知識和技術，充分調動學生的主觀能動性，同時要求高校教師不斷更新知識，提升教學質量和學生培養質量[2]。本研究構建的“雙主體一紐帶”產教融合、校企合作模式如圖1所示。

圖1中，構建的產教融合、校企合作模式的主要由三部分構成，分別是：雙主體（高校、企業）和一紐帶（校企合作平臺）。三部分互相合作，各司其職。企業層面主要以項目需求牽引為引導，通過創新技術解決瓶頸問題，研制出具有生產力的產品，并進行逐步推廣應用。高校層面主要從項目論證的角度，優化學科體系建設，明確學科發展方向;加強應用型師資隊伍建設，健全相應的支持機制，鼓勵開展科學研究與產業應用的有機結合。三部分相互協作，互相促進。高校能夠有效地為校企合作平臺提供技術支持和智力資源，而校企合作平臺可為學校主體提供豐富的設備資源，提供有效的人才培訓資源，促進學科的健全發展，優化師資隊伍結構，培養高質量人才。企業根據市場需求提出相應產品設計設想，反饋給校企合作平臺，開展合作研究，解決實際中應用需求。

結合上述產業和教育的大融合背景，本研究將在自身從事的專業領域，即主動噪聲控制理論與應用方面，開展產教融合、校企合作的模式探索與設計，把實驗室取得的理論研究成果與實際應用需求有機結合，促進高校科研成果向產業生產力轉化。

三、企業層面降噪需求現狀分析

鑒于工業噪聲污染帶來聽力健康惡化、生產安全隱患等諸多不利影響，研究有效的噪聲抑制技術正在凸顯出其重要性和迫切性。傳統的被動噪聲控制技術受控制裝置的體積、成本等因素的制約，導致對低頻噪聲的抑制性能不足。與之相比，主動噪聲控制技術利用聲波的相消干涉原理，通過電聲裝置產生與原始噪聲幅值相同相位相反的次級噪聲（反噪聲），實現次級噪聲與原始噪聲疊加，具有良好的低頻噪聲抑制性能。該技術具有體積小、成本低等優點，適用于控制低頻諧波噪聲和音頻范圍內的噪聲，是對傳統的被動噪聲控制技術的有利補充，成為噪聲控制領域的重點發展方向[3]。

現今由于主動降噪存在著成本相對較高、技術方案有局限性的問題，在一定程度上制約其在風機、壓縮機等旋轉設備中的應用。

企業可以為高校提供完善的案例教學資源和實習機會，促進理論學習與實踐應用的有機結合，不僅調動了學生學習的主動性，還提高了教師的工作效率。通過校企合作平臺，企業層面可以直接把技術方案設計中可能遇到的問題，提出有效的解決方案，促進項目的順利完成。

四、高校層面降噪研究現狀

高校層面關于主動噪聲控制技術已經取得了很大的進步，通過校企合作平臺，加強技術交流溝通，學校研究能力可為企業提供可靠的技術支持。實際工作環境中存在大量由切割機、風扇、發動機等旋轉機械產生的周期性有害噪聲，其窄帶分量占主導成分，是常見的窄帶噪聲。窄帶主動噪聲控制系統通過測量頻率作為參考信號，便于開展控制，對噪聲抑制更高效;通過設計出高效系統結構和控制算法，更容易實現和應用于實際。窄帶主動噪聲控制屬于主動噪聲控制研究領域的重要分支，國內外學者從控制結構和算法角度，沿著改善系統在穩定性、收斂速度、追蹤能力、計算量等方面，做了大量研究工作，取得了諸多成果。

下面主要結合實際降噪需求，包括應用場景和噪聲來源特點等，給出不同的控制系統結構，主要分為以下三種典型結構：前饋型;反饋型;前反饋混合型[3]。

（一）前饋型窄帶主動噪聲控制系統

本研究主要結合管道應用場合，開展主動降噪理論和實驗研究。由切割機、風扇、發動機等旋轉機械產生的周期性的窄帶噪聲，可以通過非聲學傳感器（如轉速計等）獲得，進而獲得目標噪聲的主要頻率分離。典型的前饋型窄帶主動噪聲控制系統結構圖，如圖2所示。

然而，在實際應用中，非聲學傳感器可能存在老化、磨損等問題導致參考信號頻率與實際頻率不一致，即頻率失調。解決頻率失調問題的方法通常有兩種，一種是設計有效的頻率失調補償算法，獲得準確的參考信號，該方法將在關鍵技術問題中進一步探討;另一種是采用反饋型控制結構，將在下部分詳述。

（二）反饋型窄帶主動噪聲控制系統

復雜的應用場景對參考傳感器的安裝提出了更嚴格的空間和成本要求，為解決這一問題，可采用反饋型主動噪聲控制系統結構，即回避了頻率失調問題，又節省了系統硬件成本，便于按照應用。典型的反饋型窄帶主動噪聲控制系統結構，如圖3所示。參考信號x（n）由次級聲源y（n）經過參考信號估計通道■（z）過參考信號和殘余噪聲e（n）疊加合成得到。

（三）前反饋混合型窄帶主動噪聲控制系統

當目標噪聲的來源更為復雜時，即目標噪聲不僅包含了與參考信號有關的頻率成分，還包含了與參考信號無關的頻率分量，此時分別采用上述兩種前饋型和反饋型主動噪聲控制系統進行降噪，其降噪性能會大大降低，為此需要設計更為高效的主動噪聲控制結構。圖4給出了一種典型的前反饋混合型窄帶主動噪聲控制系統結構，能夠良好地應對上述復雜的窄帶噪聲。

五、產教融合視角下關鍵技術

結合企業主體需求，依托校企合作平臺，學校主體針對實際應用開展控制系統關鍵技術研究，突破制約實際應用的瓶頸問題。一方面充分實現從理論層面到應用層面的過渡，培養有利于學校培養具備理論創新能力和實踐應用能力的綜合型人才;另一方面加強校企互動，促成科研成果落地，為企業創造效益。下面主要探討窄帶主動噪聲控制的五個關鍵技術問題。

（一）頻率失調

前饋型窄帶主動噪聲控制系統采用非聲學傳感器獲取參考信號時，會帶來由自身老化、溫漂、延時等產生的頻率不匹配問題。解決該問題的關鍵在于如何設計有效的頻率通道補償結構來快速追蹤真實頻率成分，提升參考信號獲取的準確性，進而提升前饋型窄帶主動噪聲控制系統的降噪能力。

（二）聲反饋

主動噪聲控制系統若采用聲學傳感器獲取參考信號，可避免頻率失調的問題，但同時引入聲反饋。因此，開發高性能的含有聲反饋的窄帶前饋型主動噪聲控制系統，具有重要實際應用價值。傳統的聲反饋通道辨識技術往往采用長度較大的預測濾波器來降低參考噪聲對聲反饋通道在線辨識精度的影響，而且通常采用與聲反饋通道估計和預測濾波器有關的信號進行輔助噪聲的幅值調整，具有局部最優、計算成本高的缺點。

（三）次級通道辨識

實際工況下次級通道往往具有復雜時變性，嚴重影響系統的穩定性。傳統技術往往采用自適應線性增強器或預測濾波器來降低殘余噪聲中聲音分量對次級通道辨識環節的輸入，以改善控制器與次級通道在線辨識環節之間的獨立性，但其對殘余誤差的分離性能較差，且計算成本較高、運行效率低，難以保證控制器與次級通道在線辨識環節之間的獨立性。通過設計高效的次級通道在線辨識環節與控制器的解耦結構，進而提升次級通道在線辨識精度和速度，有助于簡化系統的用戶參數設置和調試過程。

（四）控制算法優化

控制器是整個控制系統的核心，研究相應的控制算法成為提升控制器以及主動噪聲控制系統穩定性和收斂性的關鍵。目前自適應變步長算法的研究具有分散性的特點，尚未對不同算法的計算量、收斂性、穩定性等綜合性能進行系統地對比，涉及的步長優化及參數選取策略的研究也較少，其主要原因是尚未分析出用戶參數、加性噪聲等因素對系統穩定性和動態性能性的影響原因，直接導致用戶參數選取復雜，不利于自適應變步長算法的實際應用。在實際應用層面，亟待開發自適應變步長算法優化策略及參數選取方法，提升整體系統噪聲抑制性能。

（五）實際噪聲特性分析及控制平臺設計

切割機噪聲包括機械噪聲、電磁噪聲和旋轉噪聲等，其中旋轉噪聲是由切割刀片在旋轉時與空氣和切割樣品之間產生摩擦引起的，其頻譜具有離散的特點。以切割機噪聲降噪為例，探討控制平臺設計方案。切割機噪聲主要包含窄帶噪聲分量和寬帶噪聲分量，其中窄帶噪聲分量與切割機的轉速和機械結構設計有密切關系，而寬帶噪聲分量主要是切割工件時產生的風聲。通過反復實驗以及聲場建模分析，確定揚聲器、傳感器和控制器的最佳安裝位置，進而以切割機為例實現實際工況下窄帶主動噪聲控制系統。

六、結語

本研究以產教融合為視角，構建“雙主體一紐帶”的校企合作模式，從企業層面主動降噪需求現狀分析、高校層面主動降噪研究現狀和主動降噪關鍵技術分析等方面，深入闡述高校與企業合作的重要價值，有助于全面促進產教融合，培養高質量的科研人才，最終實現科研成果轉化。

參考文獻

[1]鄒雯婷，劉詩永.應用型本科院校產教融合、校企合作育人機制研究[J].科教文匯（上旬刊），2020（8）：206-207+209.

[2]方穎，王偉麟.產教融合背景下基于校企“雙主體”機制的創新與實踐[J].經濟研究導刊，2018（7）：165-167.

[3]SEN M. KUO， DENNIS R. MORGAN. Active Noise Control： A Tutorial Review[J].Proceedings of the IEEE，1999，87（6）：943-973.

Narrowband Active Noise Control Techniques from the Perspective of

Industry-education Integration

MA Ya-ping， ZHANG Xiang-sheng

（School of Internet of Things Engineering， Jiangnan University， Wuxi， Jiangsu 214122， China）

Abstract： From the perspective of industry-education integration， the school-enterprise cooperation model of “double agents and one link” is constructed， with universities and enterprises as the double agents and the school-enterprise cooperation platform as the link. Based on the analysis of the demand for noise reduction， the technical situation is analyzed from the aspects of the scheme design of the noise control system and different control structures， and the key technologies of narrowband active noise control are analyzed in view of industry-education integration. Combined with specific noise reduction objects， the practical application value of the narrowband ANC system is analyzed to realize the industry-education integration and promote the transformation of scientific achievements into industrial productivity.

Key words： industry-education integration; school-enterprise cooperation; active noise control; noise reduction