某車(chē)型路噪主動(dòng)降噪開(kāi)發(fā)

王理周，陳祥君，張斌瑜，任 超

（廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司 汽車(chē)工程研究院，廣東 廣州 511434）

汽車(chē)路噪是整車(chē)噪聲的重要來(lái)源，影響整車(chē)的噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（Noise, Vibration,Harshness, NVH）性能和乘坐舒適性。隨著車(chē)輛電動(dòng)化趨勢(shì)的加強(qiáng)，沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲掩蓋的路噪變得越來(lái)越突出，同時(shí)電動(dòng)車(chē)的加速性能比燃油車(chē)要好得多。為了突出電動(dòng)車(chē)的優(yōu)勢(shì)，電動(dòng)車(chē)的底盤(pán)一般以運(yùn)動(dòng)化為主，導(dǎo)致電動(dòng)車(chē)的路噪更加突出。加之路噪的噪聲源一般不可控，其噪聲的頻率范圍也低于聲學(xué)包的控制范圍，導(dǎo)致電動(dòng)車(chē)的路噪問(wèn)題更為突出，成為目前汽車(chē)NVH領(lǐng)域需要重點(diǎn)解決的一個(gè)問(wèn)題。

傳統(tǒng)的路噪解決方法包括采用低噪聲輪胎、輪胎吸振器，降低輪胎導(dǎo)致的路噪。在傳遞路徑上包括采用底盤(pán)襯套隔振、副車(chē)架加強(qiáng)、車(chē)身連接點(diǎn)加強(qiáng)、增加聲學(xué)材料隔聲等措施。這些技術(shù)比較成熟，但存在靈活性差、針對(duì)的頻段窄的缺點(diǎn)，同時(shí)有時(shí)會(huì)和其他性能沖突，如底盤(pán)隔振襯套可能車(chē)輛操穩(wěn)性能的改變。車(chē)內(nèi)道路噪聲的主動(dòng)控制技術(shù)自COSTIN M H等[1]提出，這個(gè)技術(shù)克服了傳統(tǒng)路噪控制方法的缺點(diǎn)。但這個(gè)技術(shù)目前只有一些演示系統(tǒng)，尚無(wú)大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用[2-3]。鑒于路噪主動(dòng)降噪對(duì)消除路噪方面的潛力和優(yōu)勢(shì)，本文開(kāi)發(fā)了主動(dòng)路噪控制系統(tǒng)，用來(lái)研究路噪算法實(shí)車(chē)應(yīng)用的可行性，并從主觀和客觀兩方面評(píng)估路噪主動(dòng)降噪系統(tǒng)的降噪性能。

1 路噪主動(dòng)降噪控制的原理

主動(dòng)降噪一般采用最小均方誤差（Filter-x Least Mean Square, FxLMS）算法[4-6]，車(chē)內(nèi)路噪主動(dòng)降噪這種多參考點(diǎn)、大空間的降噪系統(tǒng)，參考信號(hào)、次級(jí)通道信號(hào)，以及誤差麥克風(fēng)控制點(diǎn)都是多通道的，噪聲主動(dòng)降噪控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 噪聲主動(dòng)降噪控制系統(tǒng)圖

圖1為FxLMS算法的框圖，其中d(n)為要消除的噪聲；x(n)為參考信號(hào)；其中d(n)的幅值和相位是未知的，為了消除d(n)，來(lái)反復(fù)迭代權(quán)系數(shù)w(n)，使次級(jí)聲源發(fā)出反相聲波y(n)，來(lái)抵消要消除的噪聲[4]，LMS為最小均方算法（Least Mean Square, LMS）。對(duì)路噪來(lái)說(shuō)，從底盤(pán)到車(chē)內(nèi)的噪聲傳遞路徑有很多條，每條對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲有一定影響的路徑，主動(dòng)降噪系統(tǒng)都要包含在內(nèi)，因此，路噪主動(dòng)降噪的參考信號(hào)有很多條，導(dǎo)致路噪主動(dòng)降噪的多通道模型非常復(fù)雜。下面用一個(gè)簡(jiǎn)化版的2×2×2，即2個(gè)參考信號(hào)k、2個(gè)次級(jí)信號(hào)j、2個(gè)誤差麥克風(fēng)信號(hào)m的時(shí)域FxLMS模型來(lái)說(shuō)明路噪主動(dòng)降噪的算法原理。

一個(gè)2×2×2 時(shí)域FxLMS的算法框圖如圖2所示。

圖2 主動(dòng)控制2×2×2 FxLMS算法控制系統(tǒng)框圖

其中有兩路喇叭輸出，其輸出為y：

上述自適應(yīng)濾波的權(quán)系數(shù)更新為

式中，k為參考信號(hào)序號(hào)；j為次級(jí)喇叭的輸出；m為誤差麥克風(fēng)的信號(hào)的序號(hào)，其范圍都為1～2。

多通道的次級(jí)通道的補(bǔ)償濾波為

在實(shí)際的路噪主動(dòng)降噪系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，要根據(jù)實(shí)際的參考點(diǎn)、次級(jí)喇叭和誤差麥克風(fēng)的數(shù)量，按照?qǐng)D2來(lái)調(diào)整系統(tǒng)的框圖。

在式（3）的迭代中，迭代的步長(zhǎng)因子，對(duì)路噪主動(dòng)降噪的性能影響很大，如果步長(zhǎng)設(shè)置過(guò)小，不但會(huì)導(dǎo)致收斂過(guò)慢，而且會(huì)陷入局部的極值中，導(dǎo)致降噪的性能不好；如果步長(zhǎng)過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定，因此，選擇合適大小的迭代步長(zhǎng)因子，變得非常重要。從式（3）中同樣也可以看出收斂的速度除跟步長(zhǎng)相關(guān)外，還跟參考信號(hào)和誤差信號(hào)的能量相關(guān)，而路噪路面的多樣性，需要將參考信號(hào)也綜合納入步長(zhǎng)的考量中，即采用歸一化的LMS算法，即考慮步長(zhǎng)為

2 實(shí)車(chē)測(cè)試

在某車(chē)型上進(jìn)行路噪主動(dòng)降噪算法性能測(cè)試，在實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)中，使用Simulink開(kāi)發(fā)仿真模型，并在德斯拜思dSPACE平臺(tái)搭建實(shí)測(cè)的整車(chē)在環(huán)仿真模型，最終形成的模型如圖3所示。

圖3 dSPACE搭建的模型框圖

圖4 振動(dòng)加速度布置

其中振動(dòng)參考信號(hào)為4個(gè)布置在底盤(pán)位置的振動(dòng)傳感器，每個(gè)傳感器為3個(gè)方向，振動(dòng)加速度的布置點(diǎn)的選擇一般采用整車(chē)傳遞路徑分析（Transfer Path Analysis, TPA）方法，找出對(duì)車(chē)內(nèi)路噪影響最大的路徑，再在路徑上找出合適的布置點(diǎn)，本文不再詳述。在本例中，前輪的振動(dòng)加速度布置在前輪的輪包位置，后輪的加速度布置在副車(chē)架和車(chē)身連接處，左右輪上的傳感器采用對(duì)稱(chēng)的位置布置，圖4為車(chē)身左邊傳感器的布置。

車(chē)內(nèi)誤差麥克風(fēng)布置位置在頭枕，每個(gè)頭枕位置布置一個(gè)誤差麥克風(fēng)，后排布置三個(gè)誤差麥克風(fēng)，用來(lái)發(fā)送次級(jí)聲喇叭選用車(chē)門(mén)上的低音喇叭，為了加強(qiáng)低頻噪聲消除的效果，在后備廂中加裝了低音揚(yáng)聲器，如圖5所示。

圖5 次級(jí)揚(yáng)聲器和誤差麥克風(fēng)布置示意圖

dSPACE系統(tǒng)為DS1007，將dSPACE平臺(tái)布置在車(chē)輛的后備箱位置，振動(dòng)傳感器和誤差麥克風(fēng)通過(guò)信號(hào)調(diào)理器接入dSPACE的A/D接口，dSPACE的D/A輸出接功放板，再連接到車(chē)門(mén)上的低音喇叭和后備箱的超低音揚(yáng)聲器。

2.1 傳遞路徑物理模型識(shí)別和信號(hào)采集

首先進(jìn)行初級(jí)聲源和次級(jí)聲源傳遞路徑物理模型的識(shí)別，使用圖6的模型來(lái)識(shí)別初級(jí)聲源到耳旁的傳遞路徑以及次級(jí)聲源的傳遞路徑。在截取傳遞函數(shù)的階次時(shí)，注意階次截?cái)嗟挠绊懀悦夤烙?jì)模型和實(shí)際模型的相位差太大。

圖6 聲通道辨識(shí)模型圖

圖中x(n)為次級(jí)通道辨識(shí)信號(hào)；y(n)為次級(jí)通道辨識(shí)輸出信號(hào)；d(n)為期望信號(hào)；e(n)為次級(jí)通道辨識(shí)誤差信號(hào)；H1為D/A轉(zhuǎn)換，重建濾波和功率放大；H2為抗混淆濾波；A/D轉(zhuǎn)換和低通濾波；黑色虛線框是次級(jí)通道的物理模型，包含H1、H2以及喇叭到麥克風(fēng)通道的聲傳遞函數(shù)，記作S(z)；為次級(jí)通道的估計(jì)模型，當(dāng)次級(jí)通道的辨識(shí)誤差信號(hào)收斂為零時(shí)，即

式中，X(z)、D(z)分別為x(n)和d(n)的z變換，此時(shí)S?(z)=S(z)，以次級(jí)通道估計(jì)模型能夠準(zhǔn)確地表示次級(jí)通道的物理模型。通過(guò)這個(gè)方法來(lái)獲取車(chē)內(nèi)次級(jí)喇叭到誤差麥克風(fēng)的傳遞函數(shù)，在本例中傳遞函數(shù)取128點(diǎn)（采樣頻率為2 kHz）。獲取的次級(jí)通道傳遞函數(shù)如圖7所示。

圖7 次級(jí)通道傳遞函數(shù)

2.2 實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果

路噪主動(dòng)降噪系統(tǒng)的實(shí)車(chē)測(cè)試在不同的粗糙路面上進(jìn)行，對(duì)比主動(dòng)降噪在開(kāi)啟和關(guān)閉的情況下，在乘客位置的降噪效果。實(shí)車(chē)勻速時(shí)，后排左右乘客位置的降噪效果對(duì)比后，實(shí)線為主動(dòng)降噪關(guān)閉的情況，虛線曲線為主動(dòng)降噪打開(kāi)的情況，主動(dòng)降噪系統(tǒng)在低頻部分，綜合的降噪效果能達(dá)到3 dBA～5 dBA，主觀評(píng)價(jià)也能明顯感覺(jué)到路噪的改善，如圖8所示。

圖8 路噪主動(dòng)降噪實(shí)車(chē)改善效果圖

2.3 測(cè)試過(guò)程中的問(wèn)題及處理

車(chē)輛路噪主動(dòng)降噪系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性非常重要，因此，在測(cè)試過(guò)程中，除考查算法的降噪效果外，也在不同的路面上進(jìn)行測(cè)試，包括粗糙、半粗糙、光滑等不同的路面。在不同路面的切換過(guò)程中，路噪主動(dòng)降噪系統(tǒng)總體穩(wěn)定，但在不同工況的切換中，尤其是在行駛-停止-行駛的過(guò)程中，如果車(chē)輛停止較長(zhǎng)一段時(shí)間（如等紅燈），再行駛的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)聲音發(fā)散的情況，檢查整個(gè)的算法鏈中，發(fā)現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題與歸一化的步長(zhǎng)設(shè)置方法相關(guān)，參見(jiàn)式（5）。如果在停止的狀態(tài)中，輸入的參考信號(hào)將變得非常小，這會(huì)導(dǎo)致在車(chē)輛停止的時(shí)候，步長(zhǎng)變得非常大，而一旦再啟動(dòng)，過(guò)大的步長(zhǎng)會(huì)造成發(fā)散，考慮這個(gè)情況，在歸一化的算法中增加一個(gè)門(mén)檻值，即

這樣，即使在參考信號(hào)輸入最小的情況下，步長(zhǎng)也能保持一個(gè)合理的值。在實(shí)車(chē)測(cè)試中消除了系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況。

3 結(jié)論

本文對(duì)車(chē)輛路噪主動(dòng)降噪開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行了論述，首先對(duì)主動(dòng)降噪的原理進(jìn)行了分析，然后在整車(chē)上進(jìn)一步驗(yàn)證。通過(guò)開(kāi)發(fā)時(shí)域FxLMS算法的路噪主動(dòng)降噪系統(tǒng)，采用dSPACE系統(tǒng)作為路噪主動(dòng)降噪系統(tǒng)控制器，對(duì)車(chē)輛路噪的降噪取得了良好的效果。同時(shí)對(duì)歸一化算法的不穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行了分析并提出了解決辦法，為車(chē)輛主動(dòng)降噪的后續(xù)量產(chǎn)化開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。