量產(chǎn)車型噪聲主動控制系統(tǒng)性能實測與分析*

劉 鋒，吳 鳴，2，楊 軍，2

（1.中國科學(xué)院噪聲與振動重點實驗室（聲學(xué)研究所），北京 100190； 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

前言

車內(nèi)噪聲直接影響駕乘人員對汽車品質(zhì)的主觀感受，甚至決定了消費者的購買意向。此外，受政府法規(guī)、客戶需求和市場競爭的影響，主機(jī)廠對汽車NVH問題的重視程度也越來越高［1］。

根據(jù)是否需要能量輸入，車內(nèi)噪聲控制技術(shù)可以分為被動噪聲控制和主動噪聲控制兩類。被動噪聲控制技術(shù)依靠修改結(jié)構(gòu)設(shè)計、增加阻尼材料或使用減振器和吸振器來降低噪聲，這些技術(shù)對降低中高頻 （≥500 Hz）噪聲非常有效［2］。但是，被動噪聲控制技術(shù)也有其難以克服的不足：（1）被動噪聲控制在低頻段控制效果差，控制頻帶窄，且附加質(zhì)量大［3］；（2）被動噪聲控制效果對調(diào)校要求較高，在某一頻率下調(diào)校好的設(shè)計也許對其它頻率的噪聲并不適用［3］；（3）被動噪聲控制技術(shù)往往需要經(jīng)過多次迭代才能實現(xiàn)設(shè)計的聲學(xué)目標(biāo)，設(shè)計周期長，時間成本高；（4）被動噪聲控制一致性差，同一型號的汽車噪聲水平相差較大［4］；（5）不同年齡段不同種族的人對車內(nèi)聲音的感知也不盡相同［5］，如果使用被動方法調(diào)校同一款車以滿足不同市場客戶對車內(nèi)聲音的期望，成本將大幅提高，主動噪聲控制方法則只需要調(diào)整控制器參數(shù)即可；（6）對于純電動汽車，車內(nèi)聲音較小，導(dǎo)致駕駛體驗不佳，主動噪聲控制技術(shù)在解決這個問題上有非常大的發(fā)展空間，并且目前已經(jīng)取得了一定的研究成果［6］。

綜上所述，被動噪聲控制技術(shù)是汽車質(zhì)量、噪聲控制效果、復(fù)雜度和成本的折中。主動噪聲控制基于聲波相消干涉原理［7-9］，通過與汽車音響系統(tǒng)集成，在車內(nèi)引入與初級噪聲等幅反相的次級聲源來抵消或大幅降低噪聲。與被動噪聲控制相比，主動控制技術(shù)適合控制低頻噪聲，且設(shè)計限制條件少，控制目標(biāo)靈活，切換方便，不僅可降低車內(nèi)噪聲，而且還可修正噪聲頻譜，改善車內(nèi)聲品質(zhì)［10-11］。

現(xiàn)階段學(xué)術(shù)界關(guān)于主動噪聲控制的研究主要集中在新型控制算法的開發(fā)和算法性能優(yōu)化上，解決算法收斂速度、計算復(fù)雜度和均方誤差之間的平衡關(guān)系，控制效果常以仿真或簡單試驗驗證，對算法在實際汽車中的控制效果和需求關(guān)注較少。而工業(yè)界對于主動噪聲控制效果的報道大多比較片面，全面且公開的實測結(jié)果較少。為給學(xué)術(shù)界的研究人員提供試驗參考，同時，讓更多主機(jī)廠了解商用化主動噪聲控制系統(tǒng)的實際效果，本文中以某全系標(biāo)配發(fā)動機(jī)噪聲主動控制系統(tǒng)的量產(chǎn)車型為研究對象，分別在定置定速、加速和以不同車速行駛工況下對其主動噪聲控制系統(tǒng)的性能和系統(tǒng)魯棒性進(jìn)行了全面的測試。測試結(jié)果表明：該主動噪聲控制系統(tǒng)較好地控制了發(fā)動機(jī)2階噪聲，顯著改善了車內(nèi)轟鳴；系統(tǒng)對車窗、天窗和車門開關(guān)的魯棒性良好。

1 車內(nèi)噪聲主動控制系統(tǒng)

車內(nèi)噪聲主動控制系統(tǒng)根據(jù)噪聲來源可分為發(fā)動機(jī)噪聲控制和輪胎-路面噪聲控制兩類。發(fā)動機(jī)噪聲頻率成分簡單，研究起步較早，目前已經(jīng)有成熟的產(chǎn)品，并且已在多個量產(chǎn)車型上應(yīng)用。輪胎-路面噪聲控制目前主要集中在研究和試驗階段［4，12-13］，還沒有量產(chǎn)車型使用，但應(yīng)該很快會上市。

根據(jù)是否需要參考傳感器，車內(nèi)噪聲主動控制系統(tǒng)可分為前饋控制系統(tǒng)和反饋控制系統(tǒng)［14］，典型的前饋主動控制系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)主要由4部分組成。

圖1 車內(nèi)噪聲前饋主動控制系統(tǒng)示意圖

（1）參考傳感器，為控制器提供與車內(nèi)噪聲相關(guān)的參考信號，一般為聲壓傳感器、振動加速度傳感器或轉(zhuǎn)速傳感器。控制發(fā)動機(jī)噪聲時，參考傳感器一般為轉(zhuǎn)速傳感器?？刂戚喬?路面噪聲時，參考傳感器為多個加速度傳感器，布置在汽車懸架上［4］。需要指出的是只有前饋控制系統(tǒng)需要參考傳感器，反饋控制不需要［7］。

（2）誤差傳感器，用來實時監(jiān)測車內(nèi)噪聲，為控制器提供輸入，一般為聲壓傳感器。為了在降噪性能和成本之間取得平衡，現(xiàn)有的商用化汽車主動噪聲控制系統(tǒng)使用3個或4個誤差傳感器比較常見。

（3）主動噪聲控制器，接收來自參考傳感器和誤差傳感器的信號，根據(jù)控制目標(biāo)和控制算法自動生成驅(qū)動信號，驅(qū)動信號驅(qū)動執(zhí)行器（一般為車內(nèi)揚聲器）工作。

（4）執(zhí)行器，將控制器產(chǎn)生的驅(qū)動信號轉(zhuǎn)換為聲信號，與車內(nèi)初級噪聲（不想聽到的噪聲）發(fā)生相消干涉，從而達(dá)到控制車內(nèi)噪聲的目的，執(zhí)行器一般為車內(nèi)揚聲器。

2 主動噪聲控制算法

對圖1所示的系統(tǒng)進(jìn)行抽象和簡化可以得到前饋主動噪聲控制系統(tǒng)原理框圖，如圖2所示，該框圖基于FxLMS算法［7］。

圖2 基于FxLMS算法的前饋主動噪聲控制系統(tǒng)原理框圖

圖中，P（z）和S（z）分別被稱為初級通道和次級通道，初級通道是參考傳感器至誤差傳感器的傳遞函數(shù)，而次級通道是控制器輸出信號y（n）至誤差信號e（n）的傳遞函數(shù)，主要包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器、重構(gòu)濾波器、功率放大器、揚聲器、從揚聲器到誤差傳感器的聲傳遞路徑、誤差傳感器、傳感器前置放大器、抗混濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。由于次級通道的影響，傳統(tǒng)LMS（least mean square）算法不能直接用于主動噪聲控制系統(tǒng)中，這是因為從自適應(yīng)濾波器W（z）輸出的控制信號y（n）經(jīng)過次級通道S（z）后發(fā)生了相移，導(dǎo)致誤差信號的均方差關(guān)于濾波器系數(shù)的瞬時梯度不再是真實梯度的無偏估計。這個問題最早由Morgan［15］于1980年給出了解決辦法。1981年，Widrow［16］和Burgess［17］在研究自適應(yīng)逆控制和主動噪聲控制時分別獨立提出了解決次級通道相移問題的方法，即在梯度估計之前，先對參考信號引入與次級通道影響相當(dāng)?shù)南嘁?，相移的引入通過對參考信號濾波實現(xiàn)，所用濾波器為次級通道傳遞函數(shù)的估計這就是著名的FxLMS算法，該算法由Widrow命名［16，18］。

基于FxLMS算法的前饋主動噪聲控制系統(tǒng)原理如圖2所示，經(jīng)主動控制后的誤差噪聲可表示為

式中：e（n）為降噪后的噪聲，稱為誤差噪聲；d（n）為降噪前的噪聲，稱為初級噪聲；s（n）為n時刻次級通道的脈沖響應(yīng)函數(shù)；*表示線性卷積；w（n）為n時刻自適應(yīng)濾波器W（z）的系數(shù)；x（n）為n時刻自適應(yīng)濾波器輸入向量。

式中L為濾波器W（z）的階數(shù)。自適應(yīng)濾波器W（z）的目標(biāo)是使瞬時均方誤差=e2（n）最小，選取合適的步長μ，根據(jù)LMS算法更新自適應(yīng)濾波器系數(shù)：

將式（1）代入式（5），可得

其中：

將式（6）代入式（4）即可得到FxLMS算法：

式中：L為濾波器長度；Δeq為次級通道的等效延時點數(shù)；Px′為濾波參考信號的功率，Px′=E［x′2（n）］。

3 車內(nèi)噪聲主動控制系統(tǒng)性能試驗

試驗在某全系標(biāo)配主動噪聲控制系統(tǒng)的車上完成，其主動噪聲控制系統(tǒng)包括參考傳感器、誤差傳感器、控制器和揚聲器。參考信號為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號，3個誤差傳感器分別位于車頂前部左、右拉手處和后排座椅中央上方車頂處，揚聲器位于4個車門處，與音響系統(tǒng)共用。試驗分為定置和行駛兩種工況，主要完成了定置固定發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速試驗、升速試驗、行駛試驗和魯棒性試驗。

3.1 測點布置

本次試驗共布置了3個聲壓傳感器，型號為B ＆ K 4189，分別位于車內(nèi)左前方誤差傳感器處、駕駛員右耳處和后排右側(cè)座椅左耳處，測點布置如圖3所示。測試使用B ＆ K 3053數(shù)據(jù)采集儀。

圖3 傳感器布置圖

3.2 試驗數(shù)據(jù)分析

3.2.1 固定轉(zhuǎn)速控制效果分析

固定轉(zhuǎn)速試驗時，車輛定置且將發(fā)動機(jī)控制在某固定轉(zhuǎn)速并保持一段時間，分別測試主動噪聲控制系統(tǒng)打開和關(guān)閉時上述3個測點的噪聲，本試驗測試的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速分別為700，1 000，1 300，1 400，1 800，1 900，2 500，2 900，3 400和4 000 r／min，各測點降噪量如表1所示。由表1可知：（1）大多數(shù)情況下，駕駛員右耳的降噪量大于誤差傳感器處和右后乘員處的降噪量；（2）各轉(zhuǎn)速下降噪量不同，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 000，1 300和2 500 r／min時的降噪量較大；（3）當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 000 r／min時，右后乘員處的噪聲增強(qiáng)了7 dB。

圖4為車輛定置發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 300 r／min時3個測點處聲壓信號時域波形圖，圖4中ANC系統(tǒng)狀態(tài)為關(guān)閉—打開—關(guān)閉。由圖4可知，誤差傳感器和駕駛員右耳測點處的聲壓在ANC系統(tǒng)打開時大大降低，而右后乘員測點處聲壓變化不大。圖5為與圖4對應(yīng)的A計權(quán)聲壓級。從圖中可以看出，誤差傳感器處和駕駛員右耳處的聲壓級在ANC打開時降低了約5 dB（A），而右后乘員位置處的聲壓級基本沒有變化。由此可見，ANC系統(tǒng)對不同位置處噪聲的控制效果不同。

表1 固定發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速各測點降噪量

圖4 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 300 r／min時ANC系統(tǒng)打開和關(guān)閉各測點時域波形對比

為進(jìn)一步分析ANC系統(tǒng)對哪些頻率的噪聲控制效果比較明顯，對ANC系統(tǒng)打開和關(guān)閉時駕駛員右耳噪聲進(jìn)行功率譜分析，分析結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，發(fā)動機(jī)噪聲主要頻率成分為發(fā)動機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)頻率及其倍頻，以2階噪聲最為突出，轉(zhuǎn)速為1 300 r／min時ANC系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)點火頻率（2階）噪聲降低了12.73 dB（A），但同時將第4階噪聲增強(qiáng)了5.98 dB（A），對其它頻率成分的噪聲影響不大。

3.2.2 發(fā)動機(jī)升速時控制效果分析

圖5 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 300 r／min時ANC系統(tǒng)打開和關(guān)閉各測點聲壓級對比

圖6 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 300 r／min時ANC系統(tǒng)打開和關(guān)閉駕駛員右耳噪聲功率譜對比

為分析ANC系統(tǒng)在不同車速下對車內(nèi)噪聲的控制效果，分別在ANC系統(tǒng)打開和關(guān)閉時，以不同速度將發(fā)動機(jī)由怠速升高到最高轉(zhuǎn)速后完全釋放油門，讓發(fā)動機(jī)重新回到怠速。圖7為加速時間約為25 s時ANC系統(tǒng)關(guān)閉和打開時駕駛員右耳處噪聲時域波形圖。由圖可見，ANC系統(tǒng)打開后車內(nèi)轟鳴明顯改善。圖8為圖7對應(yīng)噪聲的時頻圖。由圖可知，當(dāng)ANC系統(tǒng)打開時，車內(nèi)發(fā)動機(jī)2階噪聲明顯降低。圖9為ANC系統(tǒng)打開和關(guān)閉時駕駛員右耳噪聲階次分析結(jié)果。由圖9（a）可知，對車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)量最大的為發(fā)動機(jī)2階噪聲，其次為4階噪聲。ANC系統(tǒng)關(guān)閉時車內(nèi)噪聲聲壓級與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速線性度不好，在1 300，1 900，2 350，2 600，3 150和3 550 r／min時存在峰值，這些峰值中，除1 900 r／min外，均以2階噪聲為主要貢獻(xiàn)量，1 900 r／min處的噪聲以2階和4階噪聲為主。ANC系統(tǒng)開啟后，發(fā)動機(jī)2階噪聲得到明顯控制，除1 900 r／min外，車內(nèi)總聲壓級與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速線性關(guān)系明顯改善，消除了車內(nèi)轟鳴聲，提高了聲品質(zhì)。圖10為ANC系統(tǒng)打開和關(guān)閉時，發(fā)動機(jī)前5階噪聲及總聲壓級對比圖。由圖10（b）可知，ANC系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)2階噪聲在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都進(jìn)行了控制，但不同轉(zhuǎn)速下的降噪量不同。對于4階噪聲，從1 150-2 650 r／min，ANC系統(tǒng)對噪聲在不同轉(zhuǎn)速下有不同程度的放大。由于在1 900 r／min時，ANC系統(tǒng)對4階噪聲控制效果不明顯，這也直接導(dǎo)致了車內(nèi)噪聲總聲壓級在1 900 r／min時未改善，與轉(zhuǎn)速線性度差，如圖10（f）所示。但從整體上講，從怠速到最高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，ANC系統(tǒng)打開時車內(nèi)總聲壓級與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的線性度得到了明顯的改善，提高了聲品質(zhì)，ANC系統(tǒng)控制效果顯著。

圖7 怠速至最高轉(zhuǎn)速加速時間為25 s時ANC系統(tǒng)打開和關(guān)閉駕駛員右耳噪聲時域波形對比

圖8 怠速至最高轉(zhuǎn)速加速時間為25 s時ANC系統(tǒng)打開和關(guān)閉駕駛員右耳噪聲時頻圖

3.2.3 行駛時控制效果分析

在行駛工況下測試時，車輛以一定車速在道路上行駛，分別測試主動降噪系統(tǒng)打開和關(guān)閉時的車內(nèi)噪聲，測試的車速為30-120 km／h，車速以10 km／h遞增。主觀感受為當(dāng)車速在80 km／h以下、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速接近1 300和2 500 r／min時，降噪效果明顯，其它工況時，降噪效果不明顯，與定置測試結(jié)果吻合。

3.2.4 系統(tǒng)魯棒性分析

圖9 怠速至最高轉(zhuǎn)速加速時間為25 s時ANC系統(tǒng)打開和關(guān)閉駕駛員右耳噪聲階次分析結(jié)果

圖10 ANC系統(tǒng)打開和關(guān)閉駕駛員右耳噪聲階次對比圖

為測試ANC系統(tǒng)的魯棒性，對定置和行駛工況下3.2.1和3.2.3節(jié)提及的所有發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和車速均做了車門開關(guān)（僅定置時）、車窗開關(guān)、天窗開關(guān)測試。測試結(jié)果表明：在上述所有工況下，系統(tǒng)均未產(chǎn)生嘯叫，系統(tǒng)魯棒性良好。需要指出的是，當(dāng)車輛定置且車門打開時，主動噪聲控制系統(tǒng)并沒有停止工作，當(dāng)人耳貼近車門揚聲器時，可以聽到揚聲器發(fā)出的聲音，用手觸摸揚聲器時有震感。

4 結(jié)論

以某量產(chǎn)車型為研究對象，在定置和以不同車速行駛工況下對車內(nèi)噪聲主動控制系統(tǒng)的性能和魯棒性進(jìn)行了全面的測試與分析。測試結(jié)果表明，該車型標(biāo)配的主動噪聲控制系統(tǒng)主要用來控制發(fā)動機(jī)2階噪聲，解決車內(nèi)轟鳴聲問題，改善聲品質(zhì)，系統(tǒng)較好地完成了目標(biāo)，對其它階次噪聲影響不大。系統(tǒng)對不同位置噪聲的控制效果不同。當(dāng)車輛以低于80 km／h的速度行駛時，系統(tǒng)只對特定發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下的噪聲有控制效果，對其它車速和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對應(yīng)的噪聲控制效果不明顯，這是因為當(dāng)車速升高到80 km／h以上時，輪胎-路面噪聲和風(fēng)噪成為車內(nèi)噪聲主要來源，而測試車型的ANC系統(tǒng)只能控制發(fā)動機(jī)噪聲。在所有試驗工況下系統(tǒng)均未出現(xiàn)嘯叫現(xiàn)象，表現(xiàn)出良好的魯棒性。