高速動(dòng)車組主動(dòng)降噪技術(shù)的探索與應(yīng)用*

高 攀， 董孝卿， 陳 彪， 蔣成成， 田朋溢

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所, 北京 100081)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高鐵出行成為人們出行的重要交通方式，乘客的乘坐舒適度成為重要關(guān)注點(diǎn)。其中，行駛時(shí)的噪聲水平是衡量乘坐舒適度的一個(gè)重要指標(biāo)。因此，高鐵噪聲的控制成為高速鐵路動(dòng)車組技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

一般來(lái)說(shuō)，噪聲控制可以從噪聲源、噪聲傳播路徑和噪聲接收者三方面入手[1]。傳統(tǒng)噪聲控制主要以噪聲的聲學(xué)控制方法為主，主要技術(shù)手段包括吸聲處理、隔聲處理、使用消聲器、振動(dòng)的隔離與降低等。這些噪聲控制方法的機(jī)理在于使噪聲聲波與聲學(xué)材料或結(jié)構(gòu)相互作用而消耗聲能，從而達(dá)到降低噪聲的目的，屬于無(wú)源或被動(dòng)式的控制方法。無(wú)源控制方法對(duì)降低中高頻噪聲比較有效，而對(duì)于降低低頻噪聲的作用不大。為此，一項(xiàng)新的噪聲控制技術(shù)--主動(dòng)噪聲控制的提出與發(fā)展適應(yīng)了實(shí)際的需求，目前已發(fā)展成為一種重要的噪聲控制手段[2-4]，并在很多行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)主動(dòng)降噪技術(shù)研究起始于上世紀(jì)九十年代，主要集中在國(guó)內(nèi)高校研究所等科研機(jī)構(gòu)和軍工領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)以西北工業(yè)大學(xué)，南京大學(xué)，中科院聲學(xué)所為主力，做了大量研究工作；軍工應(yīng)用主要集中在船舶艦艇，航空航天領(lǐng)域主動(dòng)隔振和主動(dòng)降噪。總體來(lái)說(shuō)，我國(guó)主動(dòng)降噪技術(shù)尚處于研究探索階段，在市場(chǎng)上幾乎看不到成熟的產(chǎn)品被大規(guī)模應(yīng)用推廣。ISVR(英國(guó)南安普頓大學(xué)振動(dòng)噪聲研究所)是國(guó)際領(lǐng)先的振動(dòng)與噪聲研究單位，承擔(dān)過(guò)多個(gè)噪聲主動(dòng)控制項(xiàng)目，包括汽車車內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲及路噪主動(dòng)控制方法研究，飛機(jī)機(jī)艙噪聲主動(dòng)控制方法研究以及豪華游艇主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)等，取得良好的效果。另外Bose公司對(duì)ANC主動(dòng)降噪技術(shù)的研究取得了良好的效果，不僅在耳機(jī)方面，Bose在通過(guò)一系列的研究后，還成功的將ANC主動(dòng)降噪技術(shù)運(yùn)用在了汽車上，但國(guó)外對(duì)技術(shù)封鎖非常嚴(yán)重。

有源噪聲控制系統(tǒng)中，為了在人耳附近獲得安靜區(qū)域，誤差傳感器的放置位置通常應(yīng)盡可能靠近人耳，但給使用人帶來(lái)不適感。為此，Elliott和Garcia等在噪聲主動(dòng)控制中引入了虛擬傳聲器技術(shù)[5-7]。

1 主動(dòng)噪聲控制基本原理

1.1 軟件實(shí)現(xiàn)

主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)一般需要采集被控初級(jí)聲場(chǎng)的聲音信息，通常稱為參考信號(hào)x(n)。參考信號(hào)x(n)送到前饋控制器，經(jīng)過(guò)控制器處理后，產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的控制信號(hào)y(n)，驅(qū)動(dòng)喇叭輸出該聲音信號(hào)，通過(guò)次級(jí)通路S(z)，產(chǎn)生次級(jí)聲場(chǎng)y'(n)，和實(shí)際通過(guò)物理途徑P(z)傳到誤差傳感器的信號(hào)d(n)相疊加，誤差傳感器獲取初級(jí)聲場(chǎng)和次級(jí)聲場(chǎng)疊加形成的合成信號(hào)e(n)，并送到控制器中，控制器根據(jù)算法實(shí)時(shí)計(jì)算出次級(jí)聲源信號(hào)y(n)。其控制目標(biāo)為使誤差傳感器檢測(cè)到的誤差信號(hào)e(n)的均方誤差最小，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。

綜合考慮系統(tǒng)的運(yùn)算速度和計(jì)算精度等因素，系統(tǒng)選取Filtered-X LMS算法[1]，相比較于基本的LMS算法，在更新濾波器系數(shù)W(z)的過(guò)程中增加濾波器S(z)，算法原理如圖1所示。

圖1 控制算法原理框圖

主動(dòng)噪聲控制的目標(biāo)是使誤差傳感器采集的信號(hào)(一般為A計(jì)權(quán)聲壓級(jí))達(dá)到最小，即在誤差傳感器處形成一個(gè)安靜區(qū)域。因此誤差傳感器與人耳距離越近，效果越好，但會(huì)造成使用的不便利性。因此虛擬傳感器的引入可有效解決這一問(wèn)題。虛擬傳感器能夠跟蹤人體頭部運(yùn)動(dòng)，始終保證形成的安靜區(qū)域在人耳處而不是在誤差傳感器處?；纠碚撌且栽瓉?lái)的誤差傳感器位置為虛擬傳感器位置，物理傳感器移到距離人耳較遠(yuǎn)位置，控制算法在虛擬傳感器附近形成安靜區(qū)域，虛擬傳感器與人耳所處位置并不矛盾。

基于Filtered-X LMS算法引入虛擬傳感器的有源噪聲控制原理[8]如圖2所示。

圖2 基于FX LMS算法引入 虛擬傳感器控制原理圖

Hp(z)：控制喇叭到物理傳感器之間的傳遞函數(shù)；

Hv(z)：控制喇叭到虛擬傳感器之間的傳遞函數(shù)；

Hpv(z)：物理傳感器到虛擬傳感器之間的傳遞函數(shù)。

1.2 硬件實(shí)現(xiàn)

主動(dòng)降噪系統(tǒng)的硬件需滿足數(shù)據(jù)處理速度要求快、信號(hào)測(cè)量精度高，同時(shí)工程應(yīng)用方便等要求，系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的時(shí)間越短，控制的實(shí)時(shí)性越強(qiáng)，更好的滿足物理現(xiàn)象的因果關(guān)系。特別是對(duì)時(shí)變信號(hào)、收斂速度、控制實(shí)時(shí)性非常關(guān)鍵。系統(tǒng)通道數(shù)較多時(shí)，數(shù)據(jù)量大、算法復(fù)雜、收斂速度較慢，對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力要求較高。

基于上述綜合考慮，硬件系統(tǒng)采用NI Compact RIO嵌入式測(cè)控平臺(tái)，Compact RIO提供了一個(gè)開放的嵌入式架構(gòu)，包括內(nèi)置的嵌入式控制器、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、可編程FPGA以及小型、堅(jiān)固且可熱插拔的工業(yè)I/O模塊?？焖賹?shí)現(xiàn)測(cè)量與控制系統(tǒng)的自定義設(shè)計(jì)、原型發(fā)布和工程部署。

Compact RIO的RIO(FPGA)核心內(nèi)置數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)傳到嵌入式處理器以進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)記錄或與聯(lián)網(wǎng)主機(jī)通信。利用LabVIEW FPGA基本的I/O功能，用戶可以直接訪問(wèn)Compact RIO硬件的每個(gè)I/O模塊的輸入輸出電路，如圖3所示。所有I/O模塊都包含內(nèi)置的接口、信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換電路(如ADC或DAC)，以及可選配的隔離屏蔽。這種設(shè)計(jì)使得構(gòu)架具有開放性，用戶可以訪問(wèn)到底層的硬件資源。搭建完畢的原理樣機(jī)如圖4所示。

圖3 NI CompactRIO數(shù)據(jù)流

圖4 原理樣機(jī)圖

2 原理樣機(jī)控制效果驗(yàn)證

為檢測(cè)原理樣機(jī)的降噪效果及其穩(wěn)定性，分別在試驗(yàn)室內(nèi)采用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)以及高速動(dòng)車組車內(nèi)噪聲信號(hào)模擬進(jìn)行試驗(yàn)。首先利用3種單頻信號(hào)(100，200，400 Hz)組合形成的理想信號(hào)對(duì)原理樣機(jī)的降噪效果進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，降噪系統(tǒng)控制前后左右耳處A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)可降低約17 dB。降噪曲線及峰值頻率處頻譜降噪效果如圖5～圖6所示。

利用高速動(dòng)車組實(shí)測(cè)噪聲信號(hào)，通過(guò)在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行回放模擬，主動(dòng)降噪系統(tǒng)樣機(jī)控制前后在左右耳處A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)降低約10 dB，控制效果如圖7所示。

圖5 理想信號(hào)降噪效果圖

圖6 試驗(yàn)室內(nèi)降噪效果對(duì)比圖(理想信號(hào))

圖7 試驗(yàn)室內(nèi)降噪效果對(duì)比圖

為驗(yàn)證主動(dòng)降噪系統(tǒng)在動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的降噪效果，在(大同-西安)大西客運(yùn)專線，選取中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組以350 km/h運(yùn)行時(shí)商務(wù)車為控制目標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)圖如圖8。試驗(yàn)結(jié)果表明基于虛擬傳感器技術(shù)的主動(dòng)降噪系統(tǒng)在控制前后人耳附近聲壓級(jí)平均降低約2.5 dB，降噪曲線如圖9所示。

由于實(shí)際運(yùn)行時(shí)動(dòng)車組客室內(nèi)聲場(chǎng)較為復(fù)雜，確定主要噪聲源成為重要方面，因此在接下來(lái)的研究中建議首先對(duì)降噪?yún)^(qū)域的聲場(chǎng)分布及噪聲傳遞路徑進(jìn)行分析，明確噪聲源的傳播過(guò)程，優(yōu)化控制算法，從而達(dá)到更好的降噪效果。

圖8 商務(wù)區(qū)座椅 主動(dòng)降噪現(xiàn)場(chǎng)圖

圖9 高速動(dòng)車組商務(wù)車車內(nèi) 噪聲主動(dòng)降噪效果對(duì)比圖

3 結(jié)論與展望

基于虛擬傳感器技術(shù)的主動(dòng)降噪系統(tǒng)在試驗(yàn)室內(nèi)具有良好的降噪效果，使用多種單頻信號(hào)和動(dòng)車組錄制的噪聲信號(hào)可分別降低約17 dB和10 dB，系統(tǒng)穩(wěn)定，人耳感覺明顯。此時(shí)噪聲源為點(diǎn)聲源，且聲場(chǎng)環(huán)境穩(wěn)定，參考信號(hào)與該噪聲源信號(hào)的相關(guān)性好，可以有效提取誤差點(diǎn)信號(hào)的來(lái)源。

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量中，由于高速動(dòng)車組車內(nèi)聲場(chǎng)環(huán)境變得復(fù)雜、不穩(wěn)定，參考信號(hào)與控制點(diǎn)信號(hào)相關(guān)性變差，控制前后降噪效果僅約2.5 dB。在以后的研究中，為提高動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的主動(dòng)降噪效果，需對(duì)客室內(nèi)噪聲傳播途徑、聲場(chǎng)分布等特性做進(jìn)一步的分析，優(yōu)化主動(dòng)降噪算法，從而進(jìn)一步提高主動(dòng)降噪效果。