轎車車內噪聲聲品質主動控制系統的研究

婁潔

（蕪湖職業技術學院機械工程系，安徽蕪湖241006）

轎車車內噪聲聲品質主動控制系統的研究

婁潔

（蕪湖職業技術學院機械工程系，安徽蕪湖241006）

隨著經濟水平和汽車技術的飛速發展，要求噪聲控制技術要在降低噪聲等級的同時，通過調整聲音的特性，最終實現人性化的噪聲控制，這就是噪聲的主動控制和改善.本文在闡明噪聲主動控制系統的應用意義基礎上，詳細提出了該系統的構建方案、硬件組成和工作原理，同時，也指出了目前在噪聲主動控制技術方面還有待解決的問題.

噪聲；聲品質；主動控制技術

隨著汽車技術的飛速發展，不同品牌的同級別轎車在性價比上的差別日漸縮小，而近些年來，隨著消費者消費水平的不斷提高和消費需求的不斷變化，在購車時人們越來越注重轎車在駕乘時的舒適性能，而作為汽車舒適性能主要內容的車內噪聲自然也就成了人們日益關注的部分.因此，越來越多的轎車生產企業開始重視汽車噪聲性能的提高，而提高車輛噪聲的控制水平也成了新的競爭點和研發方向，企業紛紛制定了整車設計噪聲的嚴格標準，并深入開展轎車車內噪聲控制技術的研究.

1 聲品質的概念

聲品質的概念是1994年由德國人Blauert和Bodden提出來，他們認為：聲品質是在特定的技術目標或任務下對聲音適宜性的描述，能夠反映人們對聲音事件的主觀感受.他們特別指出，“聲”并不是指單純聲波這樣一個物理過程，而是指人耳的聽覺感知過程；“品質”則是由人耳對聲音事件感知過程最終做出的主觀判斷[1].

聲品質概念的出現，給汽車噪聲控制技術的研究提出了新的要求，即要在降低噪聲等級的同時，通過調整聲音的特性，最終實現人性化的噪聲控制，使聽者舒適，這就是噪聲的主動控制和改善.聲品質的概念還告訴我們，車內噪聲并不完全是令人煩躁的成分，因此在車內降噪中實現選擇性的噪聲控制，使車內駕乘人員感覺更加舒適，已經成為當前深入研究噪聲控制技術的主要目的，而通過主動降噪所得到的車內優質的聲音效果也能成為汽車品牌的特色亮點.

2 聲品質的控制方法簡介

2.1 控制方法簡介

多年來，國內外眾多專家學者致力于車內噪聲控制技術的研究，并取得了一定的成果.目前，車內噪聲的控制方法主要有被動控制技術、主動控制技術和NVH技術.

2.1.1 被動控制技術

噪聲的被動控制技術又被叫做被動降噪，主要用來降低車內中、高頻噪聲[2].根據車內噪聲的傳播途徑，該方法主要通過減弱或消除聲源噪聲、隔聲、吸聲、消除共振、密封等途徑來達到降噪的目的.由于被動控制技術簡單易行、效果明顯且成本低，長期以來在車內降噪中廣泛應用.找到聲源并降低其噪聲是被動控制中最直接、有效的途徑，但有時噪聲聲源不容易識別，必需采用其他措施來達到降噪目的，如將吸聲材料安裝在噪聲空間的界面上，通過吸收轉化聲能量，減小空間的聲壓級，從而達到降噪的目的；由于噪聲的出現大多伴隨著振動的產生，并且車身共振時，噪聲通常會被放大，因此在被動控制技術中通常采用阻尼隔振來抑制共振現象，能有效減少車內結構振動噪聲.

2.1.2 主動控制技術

由于被動控制技術的應用通常會增加汽車整體質量，與汽車輕量化的發展趨勢相矛盾，并且對車內噪聲中的低頻部分控制效果不明顯，因此，通過人為的安裝外部聲源，產生聲波利用相互干涉的原理控制原噪聲.這種方法由于加入了外部聲源，且控制過程和原理明顯與被動控制方法不同，因此又被稱為有源消聲法.

2.1.3 NVH技術

NVH（Noise、Vibration、Harshness）通常指的是汽車的噪聲、振動與聲振粗糙度[3]，是衡量汽車制造制造質量的綜合性指標，也是人體聽覺、觸覺和視覺感受的綜合評價指標，由于他們在車輛中是同時出現且密不可分的，所以把它們放在一起研究.汽車NVH技術則是以整車作為研究對象，尋找并分析噪聲和振動的產生源頭、機理，找到降噪減振的方法，從而提高整車的舒適性能.但有整車系統過于復雜，因此通常將它分解成若干個子系統進行研究.

2.2 噪聲主動控制技術及其發展

噪聲主動控制（ActiveNoiseControl，簡稱“ANC”），又被稱為“有源消聲”[4]，其主要的特點是對于低頻噪聲有較好的控制效果，而這一點恰恰彌補了傳統的被動降噪技術的不足，再加上ANC系統質量小、便于在整車中布置，因此近年來在車內降噪研究中得到了廣泛應用和推廣.“有源消聲”是根據兩列聲波相消性干涉和輻射抑制的原理，在一定空間內通過外部（次級）聲源產生一個外部（次級）聲信號與初級聲信號聲波幅值相等、相位相反，則兩聲波相互干涉抵消,達到降噪的目的.

有源消聲的概念最早是在1934年由德國物理學家PualLueg提出并申請了專利，并在1936年撰寫文章闡明其基本原理[5][6].但由于科技發展的限制，該技術一直無法得到實際的發展和應用.直到1985年，噪聲主動控制技術開始被嘗試著應用到車內噪聲控制上.在過去的三十年中，專家學者們對有源降噪做了大量理論和應用技術研究，將自適應濾波技術應用于噪聲主動控制，構建了能夠持續跟蹤噪聲源和環境變化的控制系統，保證了最佳的降噪效果，這就是自適應噪聲主動控制系統（AdaptiveActiveNoiseControl，簡稱AANC系統）的誕生.自適應控制系統的研究與發展使大大加速了有源消聲技術的實際應用.

2.3 噪聲主動控制技術應用的意義

近些年來噪聲主動控制技術之所以在車內降噪中得以快速的應用和發展，首先是因為它能針對噪聲產生的源頭，通過系統設計來進行主動控制和干預，從而實現噪聲的消除、減弱和聲品質的改善；其次，主動控制技術大大提高了低頻噪聲的控制效果.有研究表明[7]：根據車內噪聲的產生來源分析可知，發動機和傳動系在工作中產生的噪聲是車內噪聲的主要來源，而這類噪聲具有頻率低、周期性等特點，無法使用傳統的被動降噪方法來達到理想的降噪效果，相反的，主動控制方法則能起到有效的降噪作用.第三，目前的噪聲主動控制系統從組成上來看，一般具有機構緊湊、整體重量輕、成本低等特點，在實際應用中通過合理的設計和安裝，基本不會對汽車的結構性能造成不良影響.

主動控制技術由于在改善聲品質方面具有獨特的優勢，能夠對特定頻段的噪聲進行控制，因此能夠實現對某些心理聲學參數的改變，從而改善聽音者的感受.曾經有專業公司做過實驗表明，當在一輛轎車上安裝了噪聲主動控制系統之后，通過儀器測試和聽音者感受發現，不僅有效降低了聲壓級，同時響度也明顯減小，聽音者感覺更加愉悅.由此可見，在改善車內聲品質研究中應用主動控制技術具有十分廣闊的前景.

3 噪聲聲品質主動控制系統的構建和作用原理

3.1 車內聲品質主動控制系統的總體結構方案

在進行了大量的主動控制系統算法分析論證基礎上，開始構建車內聲品質主動控制系統的組成.該系統由四部分組成，分別是控制單元、殘留聲信號采集模塊、外加聲源、振動信號采集模塊，其中控制單元是系統的核心部分，它匯集了初級聲信號辨識、濾波分頻、發生簡諧信號、功率放大、轉換電路等作用和功能，控制系統的整體工作運行；外加聲源即指在車內外加的揚聲器，一般放置兩個，對應于各自的誤差傳感器；而誤差傳聲器則主要負責采集殘余噪聲信號；車輛工作中來自于發動機機體和車身的振動信號則是由安裝在發動機和車身上的五個加速度傳感器負責收集，通常發動機布置一個傳感器，車身上布置四個對稱安裝的傳感器.

3.2 系統的硬件組成

3.2.1 控制單元

控制單元是車內聲品質主動控制系統的關鍵組成部分，根據其性能要求選擇了目前技術成熟的的DSP（DataSignalProcessor）數字信號處理系統，由于采用特殊的軟硬件結構，DSP芯片是一種特別適合于進行數字信號處理運算的微處理器，可以快速實現各種數字信號處理算法，具有大規模集成、穩定性好、精度高、速度快、集成方便等特點.

在DSP芯片基礎上，再將各信號前置放大模塊、電荷放大模塊、功率放大模塊、控制面板、電塊等集于一體，各外部信號接口均集成在控制面板上以方便操作，由此完成控制單元的構建.

3.2.2 誤差傳聲器

在主控控制系統構建時，選取的誤差傳聲器的個數通常與外加聲源的個數相等[8]，在設計其安防位置時，只要能夠保證消聲空間能夠得到充分利用，最優位置并不是唯一的，考慮上述情況和安裝方便，大多在駕駛員的座椅頭枕內安裝誤差傳聲器.因此，發動機運行時的振動會影響傳聲器的工作效果，這就要求選用的傳聲器能有效阻擋外界振動的干擾.通常有兩類傳聲器可供選擇，一是預先極化電容式傳聲器，一是壓電式傳聲器，相比來說，前者在工作時受外界振動的影響較小，因此適合用在主動控制試驗中.

3.2.3 揚聲器

控制系統的外加聲源（又稱“次級聲源”）一般指的是揚聲器，揚聲器通過輸出一個起抵消作用的聲信號，來改善車內聲品質，不難看出，揚聲器的性能好壞對聲品質的改善起著重要的作用和影響.因此選擇揚聲器時需注意以下性能指標的要求（表1）：

表1 主控控制系統中揚聲器的性能指標要求

3.3 工作過程原理

按以上結構構建的主動控制系統，是以發動機機體和車身懸置點處的五路加速度信號為輸入，以次級聲源即兩個揚聲器發出的聲音信號為輸出，并以副駕駛耳旁處的兩路殘余噪聲信號為反饋的閉環前饋型控制系統.在作用過程中，采用濾波誤差最小均方算法(FELMS，Filtered—errorLeastMean Square)[9]，隨時計算誤差信號即殘余噪聲信號的響度和尖銳度等客觀參量，使系統處于最佳工作狀態.

4 結束語

隨著聲品質概念的發展和完善，業內越來越認識到，它除了與心理聲學的屬性特點相關，還與聽音者的感覺有直接關系，因此聽音者對聲源的辨識、預期和情緒等自身因素都會對其產生重要的影響，這也給主動控制技術的發展帶來了難題.目前，雖然國內的專家、學者已經在主動控制技術方面取得了一定的研究成果，但仍然有不少難題有待解決：如有源降噪機理的深入研究、車內聲場優化布置、提高系統工作穩定性等等.相信隨著電子技術、控制技術、傳感器技術和智能材料的發展，車內聲品質主動控制系統也將會得到深入的發展和廣泛的應用.

〔1〕RainerGuski.PsychologicalMethodforEvaluatingSoundQualityandAssessingAcousticInformation[J].Acustica/actaacoustica.1997,Vol. 83,765-773.

〔2〕沈國華，王鐵剛.汽車NVH特性概述[J].客車技術與研究，2007（10）：7-13.

〔3〕邵毅明，王文興.汽車車內噪聲分析及控制技術發展[J].重慶交通學院學報，2001（11）：91-94.

〔4〕韓秀苓,等.有源噪聲控制技術分析[J].應用聲學，1994（7）：7-13.

〔5〕Lueg.ProcessofSilencingSoundOscillations. GermanPatentDRP,1933,No.655:508.

〔6〕Lueg.ProcessofSilencingSoundOscillations.US Patent,1936,No.2043:416.

〔7〕胡嘯，胡愛群，涂有超.機動車輛室內復合主動噪聲控制系統的設計[J].噪聲與振動控制，2001（1）.

〔8〕侯宏，王沖，孫朝暉,等.自適應有源聲吸收中誤差傳聲器的優化[J].西北工業大學學報，1997（4）：581-582.

〔9〕劉宗巍.車內噪聲聲品質建模分析與自適應主動控制研究[D].吉林大學，2007.

U467.4

A

1673-260X（2013）11-0037-03

本文系蕪湖職業技術學院校級科研項目（WZ[2011]ky02）成果論文