Active Control of Propeller-Induced Noise in Aircraft - Algorithms & Methods

Document type: Dissertations
Full text:
Author(s): Sven Johansson
Title: Active Control of Propeller-Induced Noise in Aircraft - Algorithms & Methods
Year: 2000
Pagination: 214
ISBN: 91-631-0172-6
Publisher: Blekinge Institute of Technology
City: Karlskrona, Ronneby
Organization: Blekinge Institute of Technology
Department: Department of Telecommunications and Signal Processing (Institutionen för telekommunikation och signalbehandling)
Department of Telecommunications and Signal Processing S-372 25 Ronneby
+46 455 780 00
Authors e-mail: sven.johansson.its.bth.se
Language: English
Abstract: In the last decade acoustic noise has become more and more regarded as a problem. In cars, boats, trains and aircraft, low-frequency noise reduces comfort. Lightweight materials and more powerful engines are used in high-speed
vehicles, resulting in a general increase in interior noise levels.
Low-frequency noise is annoying and during periods of long exposure it causes fatigue and discomfort. The masking effect which low-frequency noise has on speech reduces speech intelligibility. Low-frequency noise is sought to be attenuated in a wide range of applications in order to improve comfort and speech intelligibility.

The use of conventional passive methods to attenuate low-frequency noise is often impractical since considerable bulk and weight are required; in transportation large weight is associated with high fuel consumption. In order to overcome the
problems of ineffective passive suppression of low-frequency noise, the
technique of active noise control has become of considerable interest. The fundamental principle of active noise control is based on secondary sources producing ``anti-noise.'' Destructive interference between the generated and the primary sound fields results in noise attenuation. Active noise control systems significantly increase the capacity for
attenuating low-frequency noise without major increase in volume and weight.

This doctoral dissertation deals with the topic of active noise control within the passenger cabin in aircraft, and within headsets. The work focuses on methods, controller structures and adaptive algorithms for attenuating tonal low-frequency noise produced by synchronized or moderately synchronized propellers generating beating sound fields. The control algorithm is a central part of an active noise control system. A multiple-reference feedforward controller based on the novel actuator-individual normalized Filtered-X Least-Mean-Squares algorithm is introduced, yielding significant
attenuation of such period noise. This algorithm is of the LMS-type, and owing to the novel normalization it can also be regarded as a Newton-type algorithm. The new algorithm combines low computational complexity with high performance. For that reason the algorithm is suitable for use in systems with a large number of control sources and control sensors in order to reduce the computional power required by the control system. The computational power of the DSP hardware is limited, and therefore algorithms with high computational complexity allow fewer control sources and sensors to be used, often with reduced noise attenuation as a result. In applications, such as controlling aircraft cabin noise, where a large multiple-channel system is needed to control the relative complex interior sound field, it is of great importance to keep down the computational complexity of the algorithm so that a large number of loudspeakers and microphones can be used.

The dissertation presents theoretical work, off-line computer experiments and practical real-time experiments using the
actuator-individual normalized algorithm. The computer experiments are principally based on real-life cabin noise data recorded during flight in a twin-engine propeller aircraft and in a helicopter. The practical experiments were carried out in a full-scale fuselage section from a propeller aircraft.
Summary in Swedish: Buller i vår dagliga miljö kan ha en negativ inverkan på vår hälsa. I många sammanhang, i tex bilar, båtar och flygplan, förekommer lågfrekvent buller. Lågfrekvent buller är oftast inte skadligt för hörseln, men kan vara tröttande och försvåra konversationen mellan personer som vistas i en utsatt miljö. En dämpning av bullernivån medför en förbättrad taluppfattbarhet samt en komfortökning. Att dämpa lågfrekvent buller med traditionella passiva metoder, tex absorbenter och reflektorer, är oftast ineffektivt. Det krävs stora, skrymmande absorbenter för att dämpa denna typ av buller samt tunga skiljeväggar för att förhindra att bullret transmitteras vidare från ett utrymme till ett annat. Metoder som är mera lämpade vid dämpning av lågfrekvent buller är de aktiva. De aktiva metoderna baseras på att en vågrörelse som ligger i motfas med en annan överlagras och de släcker ut varandra. Bullerdämpningen erhålls genom att ett ljudfält genereras som är lika starkt som bullret men i motfas med detta. De aktiva bullerdämpningsmetoderna medför en effektiv dämpning av lågfrekvent buller samtidigt som volymen, tex hos bilkupen eller båt/flygplanskabinen ej påverkas nämnvärt. Dessutom kan fordonets/farkostens vikt reduceras vilket är tacksamt för bränsleförbrukningen. I de flesta tillämpningar varierar bullrets karaktär, dvs styrka och frekvensinnehåll. För att följa dessa variationer krävs ett adaptivt (självinställande) reglersystem som styr genereringen av motljudet. I propellerflygplan är de dominerande frekvenserna i kabinbullret relaterat till propellrarnas varvtal, man känner alltså till frekvenserna som skall dämpas. Man utnyttjar en varvtalssignal för att generera signaler, så kallade referenssignaler, med de frekvenser som skall dämpas. Dessa bearbetas av ett reglersystem som generar signaler till högtalarna som i sin tur generar motljudet. För att ställa in högtalarsignalerna så att en effektiv dämpning erhålls, används mikrofoner utplacerade i kabinen som mäter bullret. För att åstadkomma en effektiv bullerdämpning i ett rum, tex i en flygplanskabin, behövs flera högtalare och mikrofoner, vilket kräver ett avancerat reglersystem. I doktorsavhandlingen ''Active Control of Propeller-Induced Noise in Aircraft'' behandlas olika metoder för att reducera kabinbuller härrörande från propellrarna. Här presenteras olika strukturer på reglersystem samt beräkningsalgoritmer för att ställa in systemet. För stora system där många högtalare och mikrofoner används, samt flera frekvenser skall dämpas, är det viktigt att systemet inte behöver för stor beräkningskapacitet för att generera motljudet. Metoderna som behandlas ger en effektiv dämpning till låg beräkningskostnad. Delar av materialet som presenteras i avhandlingen har ingått i ett EU-projekt med inriktning mot bullerundertryckning i propellerflygplan. I projektet har flera europeiska flygplanstillverkare deltagit. Avhandlingen behandlar även aktiv bullerdämpning i headset, som används av helikopterpiloter. I denna tillämpning har aktiv bullerdämpning används för att öka taluppfattbarheten.
Subject: Signal Processing\Active Noise and Vibration Control
Keywords: active control of sound, active noise control, anc, actuator individual normalized filtered-x lms, filtered-x lms algorithm, newton algorithm, complex lms, multireference algorithm, leaky lms, control effort weighting, feedforward control, feedback contro
URN: urn:nbn:se:bth-00171
Edit