摘 要： 采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法，建立了基于BP算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有源消聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明基于BP算法的有源消聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有良好的消聲效果和穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞： 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) BP算法 有源消聲
?
有源消聲作為一種有效的低頻消聲方法，彌補(bǔ)了吸聲、隔聲、減振等傳統(tǒng)無(wú)源消聲方法在低頻噪聲控制方面的不足。近年來(lái)，基于傳統(tǒng)自適應(yīng)技術(shù)" title="自適應(yīng)技術(shù)">自適應(yīng)技術(shù)的有源消聲系統(tǒng)借助于自適應(yīng)信號(hào)處理技術(shù)的最新成果，結(jié)合聲場(chǎng)特性研究，取得了初步的成功。但由于空間有源消聲過(guò)程具有時(shí)變性和非線性，基于傳統(tǒng)自適應(yīng)技術(shù)的有源消聲系統(tǒng)穩(wěn)定性不足，容易產(chǎn)生振蕩。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量簡(jiǎn)單的非線性處理單元及單元之間復(fù)雜、靈活的聯(lián)接關(guān)系所構(gòu)成。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)任意非線性映射" title="非線性映射">非線性映射，并具有極強(qiáng)的自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自組織能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的這些特點(diǎn)，為有源消聲研究提供了一個(gè)新的途徑。
1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有源消聲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及算法推導(dǎo)
運(yùn)用誤差反向傳播學(xué)習(xí)算法(BP算法)的前饋多層網(wǎng)絡(luò)通常稱為BP網(wǎng)絡(luò)。由于這種網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的非線性映射能力，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作狀態(tài)穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種網(wǎng)絡(luò)。因此，本文將BP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于有源消聲系統(tǒng)中。圖1為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有源消聲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
若網(wǎng)絡(luò)第i層的第l節(jié)點(diǎn)的輸入誤差為Eil，按梯度最速下降原理，權(quán)值" title="權(quán)值">權(quán)值沿誤差函數(shù)的負(fù)梯度方向變化，即有：
對(duì)網(wǎng)絡(luò)輸出層，即當(dāng)為l輸出節(jié)點(diǎn)時(shí)，取神經(jīng)元的輸出函數(shù)為:
對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中間層i，它的誤差來(lái)源于i＋1層，取神經(jīng)元的輸出函數(shù)為:
系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，首先設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值，根據(jù)實(shí)時(shí)采得的初級(jí)傳聲器信號(hào)x(n)，由公式(1)、(2)計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)各層神經(jīng)元的輸出。根據(jù)實(shí)時(shí)采得的誤差傳聲器信號(hào)e(n)，由公式(9)、(12)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)各層的δil，然后由公式(10)、(13)修正所有的權(quán)值變化。隨著輸入值的變化，重復(fù)上述過(guò)程，使誤差信號(hào)e(n)穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
實(shí)驗(yàn)在半消聲室中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖2所示。噪聲由HP 33120A信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)來(lái)模擬，濾波器采用可調(diào)范圍較寬的UL8雙通道通用有源濾波器，聲源采用低頻性能良好的電動(dòng)式8英寸“飛樂(lè)”喇叭制作的高性能音箱。
聲源及傳聲器的布放如圖3所示，初級(jí)傳聲器位于噪聲源" title="噪聲源">噪聲源正前方0.05m，誤差傳聲器位于噪聲源正前方0.4m、算法程序由HP Vectra 200計(jì)算機(jī)來(lái)完成。
系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，在以初級(jí)聲源為中心，半徑為1m，離地高為1.5m等半徑的空間里測(cè)得的消聲前后聲壓級(jí)分布圖如圖4、圖5 所示。圖中f、Δf分別表示噪聲源信號(hào)的中心頻率和帶寬。圖中虛線表示消聲前的聲壓級(jí)，實(shí)線表示消聲后的聲壓級(jí)。實(shí)驗(yàn)中采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為4×4×1。
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用單初級(jí)雙次級(jí)聲源組成的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法的有源消聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不論對(duì)單頻還是窄帶隨機(jī)信號(hào)在全空間范圍內(nèi)都有較好的消聲效果，在誤差傳聲器周圍都有7dB以上的消聲量。同傳統(tǒng)的自適應(yīng)有源消聲系統(tǒng)相比，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。
本文建立了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有源消聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)有較好的消聲能力和較高的穩(wěn)定性。在以后的研究工作中，為進(jìn)一步改善網(wǎng)絡(luò)的性能，擬采用新的算法，如Levenberg－Marquardt算法，以提高該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的消聲能力。
參考文獻(xiàn)
1 陳克安，馬遠(yuǎn)良編著.自適應(yīng)有源消聲——原理、算法及實(shí)現(xiàn).成都：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1993
2 徐永成.噪聲場(chǎng)測(cè)試分析" title="測(cè)試分析">測(cè)試分析與基于智能模糊控制有源消聲的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究.國(guó)防科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，1996
3 吳簡(jiǎn)彤，王建華編著.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，1998
4 侯宏，楊建華，孫進(jìn)才.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法在有源消聲中的應(yīng)用.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，2