主動噪聲控制技術(shù)(ANC)在商用車上的應(yīng)用

摘要：隨著商用車用戶對車輛舒適性要求的不斷提高，降低駕駛室內(nèi)部噪聲已成為重要的研究課題之一。本文首先對商用車駕駛室內(nèi)原始噪聲進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)引起的噪聲是其主要成分。根據(jù)這一特征建立了主動噪聲控制的前饋?zhàn)赃m應(yīng)控制模型，采集實(shí)車噪聲數(shù)據(jù)仿真并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明，運(yùn)用主動噪聲控制技術(shù)可以有效地降低商用車駕駛室內(nèi)由發(fā)動機(jī)引起的低頻周期階次噪聲。

關(guān)鍵詞：商用車；發(fā)動機(jī)；主動噪聲控制

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）03-0007-05

Simulation of Active Noise Control System in Commercial Vehicle Cabin

YU Jian-hua，HAO Yi，YU Jun-peng，YANG Song-lin，ZHOU Jie-min

（Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of DFL，Wuhan 430056，China）

Abstract：As the improved comfortable requests of commercial vehicle，noise reduction in the cabin has becoming one of the most important research issues.Based on the analysis of the noise in commercial vehicle cabin，the feed-forward adaptive control model according to the characteristic of noise was established.The noise data of real truck were recorded and simulation and real truck test were did.The result indicated that the active noise control technology can reduce the low-frequency order noise which caused by the engine in the commercial vehicle cabin effectively.

Key words: commercial vehicle；engine；active noise control

汽車噪聲不僅造成周圍環(huán)境的污染，影響人們的生活和工作，而且車內(nèi)噪聲還極大地降低了車輛乘坐舒適性。為了改善駕駛室內(nèi)的聲學(xué)環(huán)境，世界各大汽車公司都把對車內(nèi)噪聲的控制作為重要的研究方向。特別是對于商用車駕駛員來說，其工作時(shí)間一般較長，如果長期處于高噪聲的環(huán)境下，容易疲勞，從而增加發(fā)生交通事故的隱患。傳統(tǒng)的噪聲控制方法采用較大阻尼比的材料，利用隔聲、隔振、消聲、吸聲技術(shù)，以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等進(jìn)行噪聲控制，但往往與汽車其他目標(biāo)相矛盾，并且對低頻噪聲的控制效果不大，因此需要尋求新的技術(shù)途徑。

主動噪聲控制技術(shù)也稱有源噪聲控制技術(shù)［1，2］（ANC，Active Noise Control，以下簡稱ANC），根據(jù)聲波的楊氏干涉原理，即當(dāng)幅值相等、相位相反的兩列聲波在空間發(fā)生相干性疊加時(shí)會形成消聲“靜區(qū)”，從而達(dá)到降噪的目的。該技術(shù)特別適合用于降低由發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的周期性低頻噪聲，并且不需要進(jìn)行車輛/發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)、材料的改進(jìn)，因此近年來成為研究的熱點(diǎn)。

1 商用車駕駛室內(nèi)的噪聲分析

發(fā)動機(jī)、傳動系、路面等都可以激發(fā)車內(nèi)噪聲，其傳播途徑可以分為空氣傳聲和結(jié)構(gòu)傳聲兩大類。一般來說，500 Hz以上空氣聲占主導(dǎo)地位；400 Hz以下固體聲居主導(dǎo)地位。現(xiàn)代商用車駕駛室采用的被動降噪措施對高頻噪聲有明顯的作用，因此，通過空氣傳聲的高頻聲對駕駛室內(nèi)噪聲的影響已經(jīng)不大；而對于由發(fā)動機(jī)引起的低頻噪聲，比如排氣噪聲、機(jī)械噪聲等作用甚微。文獻(xiàn)［3］對某款商用車駕駛室噪聲狀況進(jìn)行測試，通過計(jì)算可知，低速時(shí)排氣噪聲能量占整個(gè)駕駛室內(nèi)聲能的50%左右。隨著車速的增加，發(fā)動機(jī)噪聲成為駕駛室主要噪聲，40~80 km/h的車速下約占63%。由此可以看出，車內(nèi)噪聲控制的關(guān)鍵在于控制由發(fā)動機(jī)引起的車內(nèi)低頻噪聲。

這些低頻噪聲都是與發(fā)動機(jī)工作過程密切聯(lián)系的，其主要峰值處的頻率與發(fā)動機(jī)慣性力頻率和發(fā)火頻率是相關(guān)的，而慣性力頻率和發(fā)火頻率在發(fā)動機(jī)參數(shù)一定的情況下直接由轉(zhuǎn)速決定［4，5］。

一般來說，發(fā)動機(jī)的k階慣性力頻率fjk為：

式中，i為發(fā)動機(jī)缸數(shù)，?子為沖程系數(shù)，四沖程?子=2，二沖程?子=1。

慣性力頻率和發(fā)火頻率都是以發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速的頻率為基頻的，這個(gè)頻率為：

此頻率為車內(nèi)主要噪聲成分的基頻，其周期分量稱為階次。如果為四缸發(fā)動機(jī)，根據(jù)發(fā)動機(jī)工作原理，二階慣性力較大，因此配備四缸發(fā)動機(jī)車型的駕駛室內(nèi)二、四、六階等階次的噪聲成分較多。如果為六缸發(fā)動機(jī)，則駕駛室內(nèi)三、六、九階等階次的噪聲成分較多。

為了準(zhǔn)確反映商用車駕駛室內(nèi)噪聲信號與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，采集某配備四缸發(fā)動機(jī)商用車駕駛室內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行分析，在怠速工況下，噪聲測試階次分析結(jié)果如圖1所示。可以看出，實(shí)際測得的駕駛室內(nèi)噪聲，其二階、四階和六階的成分非常明顯，是符合上述規(guī)律的。如果能夠采取措施降低這些階次的噪聲，則駕駛室內(nèi)整體噪聲會明顯降低。ANC技術(shù)正是在窄帶噪聲控制方面有良好的效果［1，2］。

2 商用車駕駛室ANC系統(tǒng)建模

ANC控制系統(tǒng)一般有前饋型、反饋型和混合型三種，前饋型與另外兩種相比較，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度適中，噪聲控制效果良好，只要選取合適的非聲參考信號就能避免聲反饋問題，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性［5］。另外由于實(shí)際情況下噪聲的幅值、相位、頻率等具有時(shí)變性，主動噪聲控制系統(tǒng)必需能夠自動適應(yīng)這些變化。因此本文所建立的ANC控制系統(tǒng)采用前饋型自適應(yīng)控制系統(tǒng)。

控制算法最常用的是基于最小均方原理的濾波—XLMS算法［1，2］。圖2為本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)框圖。

本文所構(gòu)建的控制系統(tǒng)，控制器的長度均為L。在n時(shí)刻，系數(shù)向量W（z）為：

前饋控制系統(tǒng)以預(yù)先提取的參考信號作為控制器的輸入信號。通過上一節(jié)的分析，可知商用車駕駛室內(nèi)噪聲主要峰值處的頻率與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速緊密相關(guān)。因此，參考信號可以表示為與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)的基頻信號及其諧波構(gòu)成式中，Ak為k階諧波的幅值；f0為車內(nèi)主要噪聲的基頻。因此，式（5）又可以寫為：

實(shí)際計(jì)算時(shí)，可根據(jù)原始噪聲的特征取其主要的頻率成分。在n時(shí)刻，參考信號向量為：

由于控制器的輸出信號要經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，功放放大，然后通過揚(yáng)聲器發(fā)出，并在空間傳遞，最后被誤差傳聲器接收，從控制器到誤差傳聲器，包括傳聲空間構(gòu)成了次級聲通道，見圖2中的S（z）。

次級聲通道會造成控制信號幅度和相位的失真，因此需要在控制算法中對次級聲通道進(jìn)行補(bǔ)償，使參考信號經(jīng)過一個(gè)模擬的次級聲通道S^（z），得到濾波—X信號X′（n），在n時(shí)刻，濾波—X信號向量為：

控制器的輸出為：

系統(tǒng)殘差為：

控制器更新的系數(shù)向量為：

實(shí)現(xiàn)這種算法需要進(jìn)行次級聲通道的辨識。由于在駕駛室內(nèi)揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)的相對位置變化很小，因此，本文次級聲通道的辨識采用自適應(yīng)離線辨識的方法［2，6］。具體做法是在沒有初級聲源的情況下，利用隨機(jī)噪聲信號驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)聲，同時(shí)用誤差傳聲器采集相應(yīng)位置的噪聲信號，并將此信號保存為一定長度的數(shù)據(jù)文件。采用FIR濾波器模型，以隨機(jī)噪聲信號數(shù)據(jù)為辨識模型的輸入，誤差傳聲器采集的噪聲信號數(shù)據(jù)為辨識模型的輸出，用LMS算法進(jìn)行離線自適應(yīng)遞推辨識。收斂后某0.4秒內(nèi)結(jié)果如圖3，可以看出采用這種方法實(shí)測數(shù)據(jù)和辨識數(shù)據(jù)已經(jīng)相當(dāng)接近。

3 仿真分析

本文進(jìn)行了ANC控制策略的計(jì)算機(jī)仿真及硬件在環(huán)半實(shí)物仿真（HIL）。首先在ATLAB/SIMULINK環(huán)境下，建立仿真模型。仿真模型包括發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算子模型、參考信號構(gòu)建子模型、次級聲通道子模型和控制器子模型等，如圖4所示。

其中，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算子模型用于將轉(zhuǎn)速傳感器的脈沖信號換算為轉(zhuǎn)速信號，參考信號構(gòu)建子模型根據(jù)式（7）計(jì)算參考信號，次級聲通道子模型包含了用自適應(yīng)離線辨識方法得到的次級聲通道模型，控制器子模型負(fù)責(zé)主要算法的實(shí)現(xiàn)并輸出控制信號。輸出的控制信號反相后與原始噪聲信號進(jìn)行疊加，得到的誤差信號返回控制器，不斷進(jìn)行修正，以達(dá)到控制噪聲的目的。

在控制系統(tǒng)中，有兩個(gè)主要的控制參數(shù)：濾波器的階數(shù)，即控制器長度L和步長?滋。經(jīng)過大量的驗(yàn)證可知濾波器的階數(shù)L決定自適應(yīng)濾波的效果，L越大濾波效果越好，但同時(shí)保證系統(tǒng)收斂的?滋值就越小。步長?滋決定算法收斂的快慢和穩(wěn)定性，?滋值越大收斂越快，但是容易引起系統(tǒng)發(fā)散，?滋值越小越穩(wěn)定，但是收斂速度會變慢。

本文采用車輛實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，記錄車輛在發(fā)動機(jī)怠速時(shí)駕駛室內(nèi)的噪聲信號和轉(zhuǎn)速信號，保存為一定時(shí)間長度的SIMULINK可讀的.mat格式文件作為輸入。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5（a）是進(jìn)行主動噪聲控制仿真結(jié)果的時(shí)域圖。從圖中可以看出，降噪后噪聲的幅值與原始噪聲相比有明顯的降低。圖5（b）是進(jìn)行主動噪聲控制仿真結(jié)果的頻域圖，其中曲線1為原始噪聲的頻譜，曲線2為進(jìn)行主動控制以后噪聲的頻譜。可以看出，原始噪聲在2階、4階和6階頻率處的明顯尖峰，被控制后峰值下降了27 dB（Lin）左右，達(dá)到了有效削弱峰值噪聲的目的。

圖6為HIL仿真曲線圖，從圖中可以明顯看出，沒有次級聲通道的算法要經(jīng)過一段時(shí)間的自適應(yīng)調(diào)整才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并且這段時(shí)間里噪聲會明顯增大；引入次級聲通道模型后，系統(tǒng)非常穩(wěn)定，可見次級聲通道辨識的重要性。

4 車輛試驗(yàn)應(yīng)用研究

試驗(yàn)用商用車駕駛室內(nèi)主動噪聲控制系統(tǒng)如圖7所示。誤差傳感器選用森海塞爾麥克風(fēng)，揚(yáng)聲器選用赫茲超重低音揚(yáng)聲器，功放選用喜力士四通道的汽車功放。采用Micro Auto Box作為控制器，可以方便地進(jìn)行控制策略的標(biāo)定。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號通過CAN通訊方式發(fā)送給控制器。

試驗(yàn)在轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺上進(jìn)行，分別進(jìn)行了兩種車型的測試，車型Ⅰ配備四缸發(fā)動機(jī)，車型Ⅱ配備六缸發(fā)動機(jī)。測試得到的車型Ⅰ駕駛員位置降噪前后階次圖如圖8所示，可以看出在主要階次頻率2、4、6階頻率處，噪聲有明顯的降低。兩種車型的降噪量如圖9和圖10所示。

從圖9和圖10中可以看出，無論車輛配備的是四缸機(jī)還是六缸機(jī)，主動噪聲控制系統(tǒng)都取得了較好的降噪效果。車型Ⅰ在所選擇的工況下，取得了0.8~3.6 dB（A）的降噪效果；車型Ⅱ在怠速工況下，最高取得了5.6 dB（A）的降噪效果；其余工況也有0.1~3.4 dB（A）的降噪效果。試驗(yàn)人員坐在駕駛員位置上，主觀上感覺由低頻噪聲引起的沉悶感明顯減少了。

5 結(jié)論

本文采用了ANC技術(shù)對商用車駕駛室內(nèi)由發(fā)動機(jī)引起的噪聲進(jìn)行控制，進(jìn)行了控制策略研究、計(jì)算機(jī)仿真、硬件在環(huán)仿真、試驗(yàn)研究等工作。車輛試驗(yàn)表明，運(yùn)用ANC可以有效地降低商用車駕駛室內(nèi)由發(fā)動機(jī)引起的低頻周期階次噪聲。

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