主動噪聲控制技術(ANC)在商用車上的應用

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原始噪聲進行了分析，發現發動機引起的噪聲是其主要成分。根據這一特征建立了主動噪聲控制的前饋自適應控制模型，采集實車噪聲數據仿真并進行了試驗驗證。仿真及試驗結果表明，運用主動噪聲控制技術可以有效地降低商用車駕駛室內由發動機引起的低頻周期階次噪聲。

關鍵詞：商用車；發動機；主動噪聲控制

中圖分類號：TP391.9 文獻標志碼：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境的污染，影響人們的生活和工作，而且車內噪聲還極大地降低了車輛乘坐舒適性。為了改善駕駛室內的聲學環境，世界各大汽車公司都把對車內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，其工作時間一般較長，如果長期處于高噪聲的環境下，容易疲勞，從而增加發生交通事故的隱患。傳統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，以及結構優化設計等進行噪聲控制，但往往與汽車其他目標相矛盾，并且對低頻噪聲的控制效果不大，因此需要尋求新的技術途徑。

主動噪聲控制技術也稱有源噪聲控制技術［1，2］（ANC，Active Noise Control，以下簡稱ANC），根據聲波的楊氏干涉原理，即當幅值相等、相位相反的兩列聲波在空間發生相干性疊加時會形成消聲“靜區”，從而達到降噪的目的。該技術特別適合用于降低由發動機產生的周期性低頻噪聲，并且不需要進行車輛/發動機結構、材料的改進，因此近年來成為研究的熱點。

1 商用車駕駛室內的噪聲分析

發動機、傳動系、路面等都可以激發車內噪聲，其傳播途徑可以分為空氣傳聲和結構傳聲兩大類。一般來說，500 Hz以上空氣聲占主導地位；400 Hz以下固體聲居主導地位。現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噪聲的影響已經不大；而對于由發動機引起的低頻噪聲，比如排氣噪聲、機械噪聲等作用甚微。文獻［3］對某款商用車駕駛室噪聲狀況進行測試，通過計算可知，低速時排氣噪聲能量占整個駕駛室內聲能的50%左右。隨著車速的增加，發動機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，車內噪聲控制的關鍵在于控制由發動機引起的車內低頻噪聲。

這些低頻噪聲都是與發動機工作過程密切聯系的，其主要峰值處的頻率與發動機慣性力頻率和發火頻率是相關的，而慣性力頻率和發火頻率在發動機參數一定的情況下直接由轉速決定［4，5］。

一般來說，發動機的k階慣性力頻率fjk為：

式中，i為發動機缸數，?子為沖程系數，四沖程?子=2，二沖程?子=1。

慣性力頻率和發火頻率都是以發動機曲軸轉速的頻率為基頻的，這個頻率為：

此頻率為車內主要噪聲成分的基頻，其周期分量稱為階次。如果為四缸發動機，根據發動機工作原理，二階慣性力較大，因此配備四缸發動機車型的駕駛室內二、四、六階等階次的噪聲成分較多。如果為六缸發動機，則駕駛室內三、六、九階等階次的噪聲成分較多。

為了準確反映商用車駕駛室內噪聲信號與發動機轉速之間的關系，采集某配備四缸發動機商用車駕駛室內噪聲數據和轉速信號進行分析，在怠速工況下，噪聲測試階次分析結果如圖1所示。可以看出，實際測得的駕駛室內噪聲，其二階、四階和六階的成分非常明顯，是符合上述規律的。如果能夠采取措施降低這些階次的噪聲，則駕駛室內整體噪聲會明顯降低。ANC技術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系統建模

ANC控制系統一般有前饋型、反饋型和混合型三種，前饋型與另外兩種相比較，其結構復雜程度適中，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，保證系統的穩定性［5］。另外由于實際情況下噪聲的幅值、相位、頻率等具有時變性，主動噪聲控制系統必需能夠自動適應這些變化。因此本文所建立的ANC控制系統采用前饋型自適應控制系統。

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為本文所設計的控制系統框圖。

本文所構建的控制系統，控制器的長度均為L。在n時刻，系數向量W（z）為：

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

實際計算時，可根據原始噪聲的特征取其主要的頻率成分。在n時刻，參考信號向量為：

由于控制器的輸出信號要經過D/A轉換，功放放大，然后通過揚聲器發出，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行補償，使參考信號經過一個模擬的次級聲通道S^（z），得到濾波—X信號X′（n），在n時刻，濾波—X信號向量為：

控制器的輸出為：

系統殘差為：

控制器更新的系數向量為：

實現這種算法需要進行次級聲通道的辨識。由于在駕駛室內揚聲器和麥克風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，利用隨機噪聲信號驅動揚聲器發聲，同時用誤差傳聲器采集相應位置的噪聲信號，并將此信號保存為一定長度的數據文件。采用FIR濾波器模型，以隨機噪聲信號數據為辨識模型的輸入，誤差傳聲器采集的噪聲信號數據為辨識模型的輸出，用LMS算法進行離線自適應遞推辨識。收斂后某0.4秒內結果如圖3，可以看出采用這種方法實測數據和辨識數據已經相當接近。

3 仿真分析

本文進行了ANC控制策略的計算機仿真及硬件在環半實物仿真（HIL）。首先在ATLAB/SIMULINK環境下，建立仿真模型。仿真模型包括發動機轉速計算子模型、參考信號構建子模型、次級聲通道子模型和控制器子模型等，如圖4所示。

其中，發動機轉速計算子模型用于將轉速傳感器的脈沖信號換算為轉速信號，參考信號構建子模型根據式（7）計算參考信號，次級聲通道子模型包含了用自適應離線辨識方法得到的次級聲通道模型，控制器子模型負責主要算法的實現并輸出控制信號。輸出的控制信號反相后與原始噪聲信號進行疊加，得到的誤差信號返回控制器，不斷進行修正，以達到控制噪聲的目的。

在控制系統中，有兩個主要的控制參數：濾波器的階數，即控制器長度L和步長?滋。經過大量的驗證可知濾波器的階數L決定自適應濾波的效果，L越大濾波效果越好，但同時保證系統收斂的?滋值就越小。步長?滋決定算法收斂的快慢和穩定性，?滋值越大收斂越快，但是容易引起系統發散，?滋值越小越穩定，但是收斂速度會變慢。

本文采用車輛實測數據進行仿真，記錄車輛在發動機怠速時駕駛室內的噪聲信號和轉速信號，保存為一定時間長度的SIMULINK可讀的.mat格式文件作為輸入。仿真結果如圖5所示。

圖5（a）是進行主動噪聲控制仿真結果的時域圖。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）是進行主動噪聲控制仿真結果的頻域圖，其中曲線1為原始噪聲的頻譜，曲線2為進行主動控制以后噪聲的頻譜?？梢钥闯觯荚肼曉?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過一段時間的自適應調整才能達到穩定狀態，并且這段時間里噪聲會明顯增大；引入次級聲通道模型后，系統非常穩定，可見次級聲通道辨識的重要性。

4 車輛試驗應用研究

試驗用商用車駕駛室內主動噪聲控制系統如圖7所示。誤差傳感器選用森海塞爾麥克風，揚聲器選用赫茲超重低音揚聲器，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，可以方便地進行控制策略的標定。發動機轉速信號通過CAN通訊方式發送給控制器。

試驗在轉轂試驗臺上進行，分別進行了兩種車型的測試，車型Ⅰ配備四缸發動機，車型Ⅱ配備六缸發動機。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還是六缸機，主動噪聲控制系統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 結論

本文采用了ANC技術對商用車駕駛室內由發動機引起的噪聲進行控制，進行了控制策略研究、計算機仿真、硬件在環仿真、試驗研究等工作。車輛試驗表明，運用ANC可以有效地降低商用車駕駛室內由發動機引起的低頻周期階次噪聲。

參考文獻：

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［2］ Sen M.Kuo，Dennis R.Morgan.Active Noise Control Systems Algorithms and DSP Implementations［M］.1996.

［3］ 楊慶佛.內燃機噪聲控制［M］.山西：山西人民出版社，1985.

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［5］ 汪光森，王乘.自適應主動噪聲控制系統的仿真研究［J］.噪聲控制，2004，（8）：57-59.

［6］ 陳道炯，馬瑞，單世寶，宮赤坤，杜金勇.車內多通道自適應主動降噪的研究［J］.汽車工程，2007，29（4）：300-303.