車內(nèi)噪聲主動(dòng)控制發(fā)展綜述及其在實(shí)車上的應(yīng)用

袁驥軒，付慧敏

（1.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與環(huán)境學(xué)院，廣東 深圳 518172;2.江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，江西 南昌 330013）

車內(nèi)噪聲主動(dòng)控制發(fā)展綜述及其在實(shí)車上的應(yīng)用

袁驥軒1，付慧敏2

（1.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與環(huán)境學(xué)院，廣東 深圳 518172;2.江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，江西 南昌 330013）

本文對(duì)小型轎車車內(nèi)噪聲分布及其聲源進(jìn)行了分析，對(duì)國內(nèi)外研究者對(duì)噪聲主動(dòng)控制研究成果的發(fā)展歷程作了綜述，并介紹了噪聲主動(dòng)控制理論及模型，最后結(jié)合具體實(shí)車，介紹了目前應(yīng)用在實(shí)車上的車內(nèi)噪聲主動(dòng)控制范例。

車內(nèi)噪聲；主動(dòng)控制；綜述；汽車NVH（Noise,Vibration,Harshness）平順性；應(yīng)用

車內(nèi)噪聲來源比較復(fù)雜，既包括發(fā)動(dòng)機(jī)及其附件振動(dòng)激勵(lì)如底板和頂棚等引起的噪聲，也包括排氣噪聲等較復(fù)雜的噪聲；還包括路面噪聲（車輛高速行駛的時(shí)候風(fēng)切入形成噪音及行駛帶動(dòng)底盤震動(dòng)產(chǎn)生的，還有路上沙石沖擊車底盤也會(huì)產(chǎn)生噪音，主要通過四車門、后備箱、前葉子板、前輪弧產(chǎn)生和傳遞)。）、輪胎噪聲（車輛在高速行駛時(shí)，輪胎與路面磨擦所產(chǎn)生。輪胎噪聲與路面情況具有強(qiáng)的相關(guān)性：路況越差胎噪越大，另外柏油路面與混泥土路面所產(chǎn)生的胎躁有很大區(qū)別，輪胎噪聲主要通過四車門、后備箱、前葉子板、前輪弧產(chǎn)生和傳遞)、風(fēng)噪（汽車在高速行駛的過程中迎面而來的風(fēng)的壓力已超過車門的密封阻力進(jìn)入車內(nèi)而產(chǎn)生的，行駛速度越快，風(fēng)噪越大，其主要通過四門密封間隙、包括整體薄鋼板產(chǎn)生和傳遞）等。不過總體上來說，高頻噪聲（即500Hz以上的），空氣噪聲占比較大；低頻噪聲（及500Hz以下），固體噪聲占主導(dǎo)地位——即發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系和車架振動(dòng)的貢獻(xiàn)量。

目前，汽車車內(nèi)噪聲的控制策略是通過隔振、吸聲、隔聲、消聲等手段來實(shí)現(xiàn)的。這些都屬于被動(dòng)控制。研究表明[1]：發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、進(jìn)排氣噪聲和傳動(dòng)系噪聲是機(jī)動(dòng)車輛的主要室內(nèi)噪聲的主要來源。對(duì)車內(nèi)噪聲進(jìn)行頻譜分析可以發(fā)現(xiàn)：發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒頻率及其二次諧波占發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)車內(nèi)噪聲的絕大部分，即車內(nèi)噪聲來源絕大多數(shù)集中在發(fā)動(dòng)機(jī)及其所引起的噪聲所處的低頻段。但因?yàn)榻翟氤杀鞠拗埔约扒笆鍪侄沃饕饔眯Ч诟哳l區(qū)域，使得低頻區(qū)域的噪聲降低效果不佳，因此，主動(dòng)噪聲控制（Active Noise Control，ANC）研究近年來成為研究的重點(diǎn)。隨著信號(hào)處理技術(shù)、電子技術(shù)以及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，ANC技術(shù)將會(huì)對(duì)降低車內(nèi)噪聲起到更加重要的作用。

1 噪聲主動(dòng)控制研究發(fā)展歷程

德國物理學(xué)家Pual Lueg在1933年提出了主動(dòng)消聲，或稱有源消聲，并對(duì)其基本原理進(jìn)行了詳細(xì)的說明[2]。

上世紀(jì)50年代，由于受到電子技術(shù)的局限，對(duì)于噪聲的主動(dòng)控制技術(shù)僅僅局限在一維空間，即管道內(nèi)主動(dòng)消聲。美國RCA公司的Harry Olsen結(jié)合當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，提出了將聲反饋過程與控制系統(tǒng)中的反饋系統(tǒng)結(jié)合起來的反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并在3個(gè)倍頻程中獲得了一定的降噪量。但這類控制器只能適用于單一對(duì)象，且降噪能力有限，所以未能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的推廣[3]。

上世紀(jì)70年代后期，伴隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，噪聲主動(dòng)控制在工程中應(yīng)用變得可以實(shí)現(xiàn)。法國工程師M.J.M.Gessel、 G.M.Mangiante、和W.G.Canevet根據(jù)Huygens原理，推導(dǎo)出了自由場的三維空間算法，并以三人名字的首字母命名為JMC算法[4]。該算法利用曲面空間理論，定量地描述了噪聲主動(dòng)控制技術(shù)的基本原理，但對(duì)于理論系統(tǒng)中德三級(jí)子模擬波，工程實(shí)際中沒有更好的模擬辦法。

上世紀(jì)80年代初，受制于電子技術(shù)發(fā)展，僅僅在控制理論方面，法國的G.B.B.Chaplin等學(xué)者取得了一些研究進(jìn)展。直到80年代中期，英國的南安普頓大學(xué)的P.A.Nelson,S.J.Elliott等人才真正意義上為現(xiàn)代噪聲主動(dòng)控制做出了開創(chuàng)性的研究[5]。他們從ANC理論和控制兩方面入手，首先將聲時(shí)均勢(shì)能作為目標(biāo)函數(shù)，提出本征相干理論，對(duì)初級(jí)聲源和次級(jí)聲源陣的幾何位置進(jìn)行了研究，并建立了噪聲主動(dòng)評(píng)價(jià)的一整套評(píng)價(jià)方法，在理論上明確了通過噪聲主動(dòng)控制可能達(dá)到的最大降噪效果，為實(shí)際工作明確了目標(biāo)和期望。對(duì)于噪聲主動(dòng)控制理論體系，研究用平均聲勢(shì)能來表征初級(jí)聲源和次級(jí)聲源的聲功率目標(biāo)函數(shù)，他們對(duì)BAE748型雙螺旋槳飛機(jī)艙室內(nèi)進(jìn)行了一些有意義的嘗試，取得了一些成果。

上世紀(jì)90年代，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法開始普遍的應(yīng)用于主動(dòng)噪聲控制中。例如使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來解決具有非線性交叉串?dāng)_的自適應(yīng)噪聲抵消問題[6]，采用多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代替線性自適應(yīng)濾波器等對(duì)非線性噪聲進(jìn)行控制[7]，使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決傳統(tǒng)自適應(yīng)有緣消聲算法在應(yīng)用中穩(wěn)定性不足等缺點(diǎn)[8]。這都決定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在噪聲主動(dòng)控制中起著非常重要的作用。

鑒于螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)客艙內(nèi)噪聲過大的問題，美國洛克希德飛機(jī)公司在上世紀(jì)90年代開始以正弦信號(hào)為初級(jí)信號(hào)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并取得了一些有意義的成果。

上世紀(jì)90年代，英國Lotus汽車公司將主動(dòng)噪聲控制技術(shù)應(yīng)用在轎車車廂內(nèi)，明顯降低低頻噪聲，有文獻(xiàn)報(bào)道可以降低10dB以上[9]。

與此同時(shí)，日產(chǎn)公司也將噪聲主動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)用在汽車上，可以降低噪聲6dB。在此期間，國內(nèi)的一些研究機(jī)構(gòu)在主動(dòng)控制消聲器和算法這兩個(gè)方面也取得了一些研究成果[10-15]。

進(jìn)入本世紀(jì)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用在主動(dòng)噪聲控制上有了更大的發(fā)展。主動(dòng)控制系統(tǒng)想要應(yīng)用到工程中必須解決的三個(gè)方面問題，即解決控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、有效性以及經(jīng)濟(jì)型。并且研究主要集中在寬帶噪聲抵消和多通道自適應(yīng)系統(tǒng)以及智能結(jié)構(gòu)噪聲控制中。

2 噪聲主動(dòng)控制的理論

根據(jù)楊氏干涉原理，兩列聲波頻率相同、相位差相反的波相遇時(shí)將會(huì)發(fā)生疊加現(xiàn)象，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生“靜區(qū)”。若人為附加一個(gè)次級(jí)聲源與初級(jí)聲源等幅反向，則可達(dá)到降噪效果，如圖1所示，這也是噪聲主動(dòng)控制的基本原理。

圖1 楊氏干涉原理圖Fig.1 Young's interference theory schematic

假設(shè)初級(jí)聲源為：

其中，iP為聲的瞬態(tài)聲壓值，A為振幅，ω為聲頻率，t為時(shí)間，k為波數(shù)，x為位置坐標(biāo)。

于是可得初級(jí)聲源的平均入射聲能密度，如下式：

其中，c為聲速，ρ為媒介密度。

若作動(dòng)器制造出的次級(jí)聲源如下：

則與初級(jí)聲源疊加后的聲能平均密度為：

其中，A為振幅，ρ為介質(zhì)密度，c為聲速，α為相位差，β為振幅比。

于是某點(diǎn)的初級(jí)聲源與次級(jí)聲源的聲級(jí)差如下式所示：

上式中，當(dāng)α為π，β為1時(shí)，即初級(jí)聲源和次級(jí)聲源等幅反向，聲能量達(dá)到最小。

由于實(shí)際噪聲源幾乎總是時(shí)變的，在上世紀(jì)50、60年代噪聲主動(dòng)控制器都是用模擬電路實(shí)現(xiàn)的，但由于其降噪能力有限，人們開始運(yùn)用自適應(yīng)控制理論來嘗試解決噪聲主動(dòng)控制問題，其模型主要有以下三種：

前饋控制器、反饋控制器以及混合型控制器，他們的控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 前饋、反饋、混合控制結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of feed and feedback and mixture control

圖中，d(t)表示噪聲源信號(hào)，r(t)表示參考信號(hào)，即初級(jí)聲源的信號(hào)，y(t)表示次級(jí)聲源的信號(hào)，e(t)表示誤差信號(hào)，H1(s)、H2(s)、H3(s)分別表示初級(jí)通道，次級(jí)通道和反饋通道的傳遞函數(shù)。

從圖中也可以看出，三種控制模式中，混合型控制模式顯然最好，但由于其控制算法比較復(fù)雜，且成本較高，所以在實(shí)際使用過程當(dāng)中沒有得到廣泛的應(yīng)用；反饋型控制模式結(jié)構(gòu)雖然簡單，且可以大大降低成本，特別適合在處理車內(nèi)噪聲；前饋型控制模式相較于混合型要簡單，但是比反饋型要顯得復(fù)雜，應(yīng)用于諸如飛機(jī)機(jī)艙等較大的空間噪聲主動(dòng)控制。

3 車內(nèi)主動(dòng)噪聲控制在實(shí)車上的應(yīng)用

關(guān)于車內(nèi)噪聲控制，被動(dòng)的諸如吸聲、隔聲的方法簡單，但主要針對(duì)中高頻效果比較大。而發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)及其產(chǎn)生的噪聲主要集中于中低頻，主動(dòng)控制就可以起到良好的作用。但由于車內(nèi)噪聲的有色性，使得主動(dòng)控制的難度較大。

目前在實(shí)車上使用的主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)主要是針對(duì)控制發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)及其引發(fā)的噪聲。諸如奧迪某款A(yù)級(jí)車，因?yàn)榇钶dV8發(fā)動(dòng)機(jī)，而大多數(shù)情況下都是工作在較低負(fù)荷區(qū)，因此節(jié)流損失很大，但因?yàn)槠湟霘飧钻P(guān)閉（Cylinder On Demand，COD）技術(shù)，將8個(gè)氣缸中的4個(gè)關(guān)閉，剩余4個(gè)氣缸在高負(fù)荷區(qū)無節(jié)流損失的單位燃油消耗量比有節(jié)流損失的8缸低，符合目前節(jié)能環(huán)保的要求。但當(dāng)此發(fā)動(dòng)機(jī)從8缸模式切換到4缸模式時(shí)，車內(nèi)噪聲會(huì)發(fā)生變化被用戶感知并且不能被用戶接受，所以針對(duì)此款發(fā)動(dòng)機(jī)，奧迪公司開發(fā)了一套噪聲主動(dòng)控制系統(tǒng)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)配有主動(dòng)懸置系統(tǒng)，所以發(fā)動(dòng)機(jī)艙的減振良好，且使用的后消聲器配備可控排氣翻版已經(jīng)減小排氣系統(tǒng)的脈動(dòng)噪聲，但還需配合車內(nèi)噪聲主動(dòng)控制系統(tǒng)才能完全消除由COD技術(shù)帶來的影響。

圖3 某款轎車噪聲主動(dòng)控制系統(tǒng)分布圖Fig.3 ANC distribution curve of automobile interior noise

此款車噪聲主動(dòng)控制系統(tǒng)是其音響系統(tǒng)的擴(kuò)展。車內(nèi)噪聲通過如圖3所示的左中麥克風(fēng)R142、右中麥克風(fēng)R143、左后麥克風(fēng)R144、以及右后麥克風(fēng)R145采集后將轉(zhuǎn)化后的電信號(hào)傳到位于車右后的數(shù)字音響包控制單元J525內(nèi)，加上發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元直接傳遞過來的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)以及從數(shù)據(jù)CAN線上獲得的4/8缸工作模式，根據(jù)原先設(shè)置的算法，J525控制左前低音揚(yáng)聲器R21、右前低音揚(yáng)聲器R23、左后中低音揚(yáng)聲器R159、右后中低音揚(yáng)聲器R160以及位于行李箱的重低音揚(yáng)聲器R211來實(shí)現(xiàn)對(duì)車內(nèi)噪聲主動(dòng)控制的功能。控制單元J525中預(yù)留特性曲線根據(jù)輸入信號(hào)，根據(jù)反饋控制將四個(gè)低音揚(yáng)聲器和重低音揚(yáng)聲器各自相位、頻率和振幅都計(jì)算出來并傳給功率放大器并與音響系統(tǒng)的低音信號(hào)相疊加，最終傳給揚(yáng)聲器。最終降噪效果會(huì)由4個(gè)麥克風(fēng)采集并送回噪聲主動(dòng)控制單元進(jìn)行修正。

需要提及的是，一旦點(diǎn)火開關(guān)接通后，噪聲主動(dòng)控制系統(tǒng)就處于可用狀態(tài)了，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)開始運(yùn)行后，控制系統(tǒng)就被激活。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)是以8缸模式工作時(shí)，控制系統(tǒng)同樣會(huì)向揚(yáng)聲器發(fā)出信號(hào)，這樣當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)切換到4缸工作時(shí)，乘員才不會(huì)感覺到有任何過渡。

4 總結(jié)

噪聲主動(dòng)控制從其理念誕生到目前已經(jīng)歷經(jīng)了數(shù)十年歷史了，從開始的一維管道內(nèi)的噪聲主動(dòng)控制到目前的車內(nèi)噪聲主動(dòng)控制，研究一步步深入。對(duì)于車內(nèi)噪聲控制，目前已是廣大汽車生產(chǎn)商以及眾多學(xué)者研究的熱門課題，相信隨著電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，車內(nèi)噪聲控制會(huì)取得更大的進(jìn)步，并一定會(huì)將汽車NVH研究推進(jìn)一大步。

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Automobile active interior noise control and its application

YUAN Jixuan1,FU Huimin2
(1.School of Traffic and Environment,Shenzhen Institute of Information Technology,Shenzhen 518172,P.R.China;2.Department of Automotive Engineering,Jiangxi Vocational and Technical College of Communication,Nanchang 330013,P.R.China)

The interior noise of automobile and its acoustic source were analyzed in the article,and an overview was given about the research result and its development of active noise control (ANC) by many domestic and international researchers.The theory and models of active noise control and its application in a real vehicle was also introduced.

automobile interior noise;active control;overview;automobile NVH（noise,vibration,harshness）

U467.493

：A

1672-6332（2014）01-0082-05

【責(zé)任編輯：楊立衡】

2014-3-5

廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（S2012040007708）

袁驥軒（1978～），男（漢），湖北武漢人，博士，副教授，主要研究方向：汽車噪聲與振動(dòng)控制研究；E-mail：yuanjx@sziit.edu.cn