[摘要] 主動(dòng)噪聲控制是降低車(chē)內(nèi)噪聲的重要手段。本文利用前饋?zhàn)赃m應(yīng)主動(dòng)噪聲控制算法，對(duì)車(chē)內(nèi)后排乘客處穩(wěn)態(tài)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲進(jìn)行控制。分別選取聲音、振動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速三種信號(hào)作為前饋系統(tǒng)的參考信號(hào)，定量分析了控制點(diǎn)處不同類(lèi)型參考信號(hào)對(duì)降噪量、降噪頻帶和收斂速度三方面降噪性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三種參考信號(hào)在降噪性能上各有優(yōu)劣，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)針對(duì)的問(wèn)題對(duì)參考信號(hào)進(jìn)行合理選擇。

 關(guān)鍵詞：汽車(chē)主動(dòng)噪聲控制，前饋控制，參考信號(hào)

1 引言 

主動(dòng)噪聲控制（ANC）由德國(guó)的物理學(xué)家Lueg [1]在上世紀(jì) 30 年代以專(zhuān)利的形式提出，其降噪機(jī)理是兩列等幅反相聲波的相干相消。該理論自產(chǎn)生以來(lái)，在諸多應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了積極的實(shí)踐，包括變壓器[2]，核磁共振設(shè)備[3]，降噪耳機(jī)[4]以及汽車(chē)[5]等。其中車(chē)內(nèi)主動(dòng)噪聲控制已成為汽車(chē)廠商為提高整車(chē) NVH 性能的一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)技術(shù)。汽車(chē)車(chē)內(nèi)以低頻噪聲為主，若通過(guò)增加吸聲材料和隔聲材料實(shí)現(xiàn)被動(dòng)噪聲控制，必將增加額外的重量，和輕量化的設(shè)計(jì)理念相違背。主動(dòng)噪聲控制技術(shù)對(duì)于聲源位置確定、寬帶低頻的汽車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲的控制十分有效。發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲的主要聲源，尤其在路噪和風(fēng)噪不明顯的工況下，能否有效地降低車(chē)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲對(duì)于整個(gè)車(chē)艙內(nèi)的噪聲水平的降低十分關(guān)鍵。第一輛搭配主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)的量產(chǎn)車(chē)型就是主要針2 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)“嗡嗡聲”[6]。

主動(dòng)噪聲控制技術(shù)根據(jù)是否需要參考信號(hào)可分為前饋控制系統(tǒng)和反饋控制系統(tǒng)。前饋控制系統(tǒng)在系統(tǒng)穩(wěn)定性和降噪頻帶寬度等方面優(yōu)于反饋系統(tǒng)。前饋?zhàn)赃m應(yīng)控制的主要機(jī)理是利用先于誤差點(diǎn)處得到初級(jí)聲源的參考信號(hào)與自適應(yīng)濾波器權(quán)值系數(shù)計(jì)算次級(jí)聲源激勵(lì)信號(hào)，同時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)反饋的誤差信號(hào)使用最速下降等方法更新自適應(yīng)濾波器系數(shù)，以使自適應(yīng)濾波器系數(shù)不斷趨近于最優(yōu)解。由于發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲參考信號(hào)容易獲取，噪聲成分相對(duì)簡(jiǎn)單且處于低頻段，因此前饋主動(dòng)噪聲控制技術(shù)是控制發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的較好選擇。

前饋?zhàn)赃m應(yīng)主動(dòng)噪聲控制能夠達(dá)到怎樣的降噪性能跟參考信號(hào)緊密相關(guān)，要求參考信號(hào)能夠有效提取，參考信號(hào)和誤差點(diǎn)處的初級(jí)噪聲信號(hào)有很好的相關(guān)性，且參考信號(hào)不會(huì)被次級(jí)源所干擾。目前常用的參考信號(hào)主要有兩種形式[7]，一類(lèi)是聲信號(hào)，另一類(lèi)是非聲信號(hào)。聲信號(hào)能夠直接包含初級(jí)聲源的所有信息，但是受外界環(huán)境影響較大，尤其是存在著次級(jí)聲反饋的場(chǎng)合。許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究都采用聲信號(hào)作為參考信號(hào)，考慮到次級(jí)聲反饋的影響，或采用Filter-U 算法[8]消除其影響，或在控制框圖中加入次級(jí)聲反饋通道[9]并采用現(xiàn)代控制理論設(shè)計(jì)控制濾波器。非聲信號(hào)可采用噪聲源振動(dòng)信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)信號(hào)能很好的反映發(fā)動(dòng)機(jī)的主要階次噪聲，但是振動(dòng)傳感器成本很高，且高階噪聲成分不明顯，因此通常只在降低路噪的應(yīng)用中才會(huì)考慮使用振動(dòng)信號(hào)作為參考信號(hào)[10]；對(duì)于做周期旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的聲源，可以采用其同步轉(zhuǎn)速信號(hào)作為參考，轉(zhuǎn)速信號(hào)與各階次頻率有著固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但是使用傳統(tǒng)的前饋?zhàn)赃m應(yīng)算法很難直接利用轉(zhuǎn)速信號(hào)作為參考信號(hào)，因?yàn)椴煌?fù)載下即便相同的轉(zhuǎn)速車(chē)內(nèi)噪聲的幅值可能相差很大，因此可采用自適應(yīng)噪聲均衡算法或自適應(yīng)陷波器利用轉(zhuǎn)速信號(hào)構(gòu)造參考信號(hào)進(jìn)行控制。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同參考信號(hào)對(duì)于汽車(chē)車(chē)內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲降噪效果的研究還比較少，且大多是定性的分析。因此本文將以后排乘客位置作為局部控制點(diǎn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)噪聲進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，定量分析不同參考信號(hào)對(duì)降噪量、降噪頻帶寬度和收斂速度等降噪性能的影響。

2 主動(dòng)噪聲控制和主動(dòng)噪聲均衡算法

前饋?zhàn)赃m應(yīng)控制最常用的控制算法是Burgess[11]提出的 Filter-x LMS 算法，算法框圖如圖1 所示。

圖中，是n時(shí)刻的初級(jí)噪聲信號(hào)序列即參考信號(hào)序列，自適應(yīng)濾波器系數(shù)序列為，其中L是自適應(yīng)濾波器的階數(shù)。P（z）是初級(jí)通道傳遞函數(shù)，S（z）是次級(jí)通道傳遞函數(shù)， S ?(z)是次級(jí)通道傳遞函數(shù)的估計(jì)，是S(z)的脈沖響應(yīng)序列，?? 是S ?(z)的脈沖響應(yīng)序列，N是次級(jí)通道傳遞函數(shù)估計(jì)的階數(shù)。y(n)是次級(jí)揚(yáng)聲器激勵(lì)信號(hào)。參考信號(hào)序列經(jīng)過(guò)次級(jí)通道傳遞函數(shù)估計(jì)的濾波后，可得到濾波參考信號(hào)。濾波參考信號(hào)()nr和誤差信號(hào)e(n)同時(shí)用于更新濾波器的系數(shù)，誤差信號(hào)()en是由誤差傳感器采集到的初級(jí)聲場(chǎng)成分d(n)和次級(jí)聲場(chǎng)成分y(n)?疊加而成的。前饋?zhàn)赃m應(yīng)控制方程如式(1)所示：

若誤差信號(hào)(en)? 0，則有最優(yōu)自適應(yīng)濾波器為，因此控制的結(jié)果相當(dāng)于求解最優(yōu)濾波器使得此濾波器能夠綜合初級(jí)噪聲通道和次級(jí)通道的信息。為此，1985年Widrow [12]等提出LMS算法通過(guò)最速下降法不斷迭代求得維納最優(yōu)解。即取目標(biāo)函數(shù)相對(duì)于權(quán)值系數(shù)的負(fù)梯度方向更新權(quán)值系數(shù)，如式(2)所示：

其中J為控制的目標(biāo)函數(shù)，取，實(shí)際應(yīng)用中以誤差信號(hào)的瞬時(shí)平方值J=e2?代替誤差信號(hào)的平方期望值，則有式(3):

綜合(1)和(3)可得自適應(yīng)濾波器權(quán)值系數(shù)迭代的一般公式為(4):

式中?是步長(zhǎng)因子。對(duì)于Fx-LMS算法，步長(zhǎng)因子的上限受到參考信號(hào)強(qiáng)度、自適應(yīng)濾波器階數(shù)和次級(jí)通道延遲的影響。參考信號(hào)強(qiáng)度越大，自適應(yīng)濾波器階數(shù)越大，次級(jí)通道延遲越大，則可取的不使算法發(fā)散的最大步長(zhǎng)因子max?越小。自適應(yīng)均衡算法最早由Kuo[13]提出。算法框圖如圖2所示。圖中符號(hào)延續(xù)了圖1中的意義。不同之處在于，自適應(yīng)均衡算法需要兩個(gè)正交的余弦參考信號(hào)。次級(jí)信號(hào)分為兩個(gè)分支，一個(gè)分支稱(chēng)為消除分支，次級(jí)信號(hào)乘以一個(gè)增益1-β后作為揚(yáng)聲器激勵(lì)信號(hào)；另一個(gè)分支稱(chēng)為平衡分支，次級(jí)信號(hào)乘以增益因子β后經(jīng)過(guò)次級(jí)通道估計(jì)函數(shù)濾波，與實(shí)際誤差信號(hào)一起構(gòu)造成偽誤差信號(hào)。自適應(yīng)濾波器權(quán)值系數(shù)通過(guò)兩個(gè)參考信號(hào)和偽誤差信號(hào)進(jìn)行更新。

圖2    前饋?zhàn)赃m應(yīng)主動(dòng)噪聲均衡算法結(jié)構(gòu)框

自適應(yīng)均衡算法控制方程為式(5)：

 通過(guò)分析可得在次級(jí)通道建模誤差為0的條件下，誤差信號(hào)與初級(jí)噪聲信號(hào)有如式(6)的關(guān)系：

因此可通控制增益因子?的數(shù)值來(lái)控制誤差信號(hào)的大小。根據(jù)?的取值，系統(tǒng)可有四種控制模式：

該系統(tǒng)參考信號(hào)可由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)直接構(gòu)造。由于增益因子的存在，該方法可用于階次噪聲的均衡控制，從而改善車(chē)內(nèi)的聲品質(zhì)。

3 汽車(chē)主動(dòng)噪聲實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)

3.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

為研究參考信號(hào)對(duì)前饋主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)的影響，在消聲室內(nèi)搭建了基于汽車(chē)后排乘客左耳位置的局部有源噪聲控制平臺(tái)。系統(tǒng)如圖3所示，圖3中左圖是試驗(yàn)車(chē)輛和試驗(yàn)環(huán)境，右圖即是控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩個(gè)誤差傳聲器和兩個(gè)次級(jí)揚(yáng)聲器組成，每個(gè)誤差傳聲器和次級(jí)揚(yáng)聲器組成一個(gè)通道，次級(jí)揚(yáng)聲器的功放布置在車(chē)外。

試驗(yàn)中將三種不同的參考信號(hào)提供給控制器。第一種以傳聲器信號(hào)為參考信號(hào)，布置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，這樣可有效避免次級(jí)聲反饋的影響。但是會(huì)降低參考信號(hào)和到達(dá)誤差點(diǎn)處的初級(jí)信號(hào)之間的相關(guān)性，因?yàn)橛行╊l率的噪聲經(jīng)過(guò)初級(jí)通道會(huì)被削弱。第二種參考信號(hào)布置在發(fā)動(dòng)機(jī)懸置主動(dòng)端，取z向的振動(dòng)信號(hào)作為參考，該種布置參考信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于聲信號(hào)，對(duì)于前饋系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，步長(zhǎng)因子的上限值會(huì)減小，且參考信號(hào)一般只包含二階成分。第三種參考信號(hào)從汽車(chē)OBD接口讀取模擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)構(gòu)造二階頻率的余弦信號(hào)，控制模型使用主動(dòng)噪聲均衡模型，取增益因子。

3.2 次級(jí)通道辨識(shí)

主動(dòng)噪聲控制和主動(dòng)噪聲均衡算法中對(duì)于參考信號(hào)都有次級(jí)通道估計(jì)函數(shù)濾波處理，該處理是為了使參考信號(hào)和誤差信號(hào)在時(shí)間軸上對(duì)齊，從而增加算法的穩(wěn)定性。因此次級(jí)通道辨識(shí)是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。次級(jí)通道建模誤差的大小會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，研究表明[14]，只要次級(jí)通道估計(jì)函數(shù)與實(shí)際的物理通道的相頻響應(yīng)之間的誤差小于90°，系統(tǒng)就能有降噪的效果。次級(jí)通道建模通常有離線建模和在線建模兩種方式。離線建模即在沒(méi)有初級(jí)噪聲的環(huán)境下，給次級(jí)揚(yáng)聲器以白噪聲激勵(lì)，同時(shí)測(cè)得傳聲器的響應(yīng)來(lái)求取由激勵(lì)電信號(hào)到響應(yīng)電信號(hào)之間的傳遞函數(shù)。在線建模需要在控制的過(guò)程中一直施加白噪聲激勵(lì)，控制自適應(yīng)濾波器不斷更新的同時(shí)，次級(jí)通道傳遞函數(shù)也不斷修正，該方法對(duì)于次級(jí)通道時(shí)變的場(chǎng)合能夠有效地控制建模誤差，但同時(shí)會(huì)引入白噪聲使得信噪比降低，且算法的復(fù)雜度也會(huì)提高。本試驗(yàn)中試驗(yàn)車(chē)輛在消聲室內(nèi)靜態(tài)加速，次級(jí)通道傳遞函數(shù)在整個(gè)控制過(guò)程中變化不大，因此本文采用離線自適應(yīng)建模的方法對(duì)次級(jí)通道傳遞函數(shù)進(jìn)行估計(jì)。圖4是次級(jí)通道自適應(yīng)辨識(shí)過(guò)程中誤差信號(hào)的時(shí)域圖和辨識(shí)出的次級(jí)通道脈沖響應(yīng)，此處的誤差信號(hào)是指期望信號(hào)與自適應(yīng)濾波器輸出之間的誤差，與下文控制過(guò)程中誤差傳聲器拾取的誤差信號(hào)有所區(qū)別。次級(jí)通道長(zhǎng)度取80階，步長(zhǎng)因子為0.0001，由圖可見(jiàn)，誤差信號(hào)在5s內(nèi)即趨于收斂。

3.3 降噪效果分析本文試驗(yàn)車(chē)輛為某款國(guó)產(chǎn)緊湊型車(chē)，搭載四缸渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。試驗(yàn)選擇發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min的穩(wěn)態(tài)工況。對(duì)于四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，其噪聲峰值主要在階次頻率處，其中二階頻率處會(huì)取得最大值。此頻率約為100Hz。試驗(yàn)選擇后排乘客左耳位置處為降噪點(diǎn)，圖6～9中的誤差信號(hào)都是指期望降噪點(diǎn)處的誤差傳聲器拾取的初級(jí)聲場(chǎng)和次級(jí)聲場(chǎng)之間的誤差值。圖5是不施加控制時(shí)降噪點(diǎn)處原始噪聲信號(hào)的時(shí)頻圖。 

由圖5原始信號(hào)的時(shí)頻圖和頻譜圖可見(jiàn)，階次噪聲和半階次噪聲十分顯著，部分頻段出現(xiàn)明顯的共振現(xiàn)象。

圖6為以發(fā)動(dòng)機(jī)艙傳聲器信號(hào)作為控制系統(tǒng)參考信號(hào)時(shí)，降噪點(diǎn)處采集到的誤差信號(hào)的時(shí)頻圖以及參考信號(hào)的時(shí)頻圖。控制濾波器階數(shù)選擇為200階，步長(zhǎng)因子為0.05。由圖可見(jiàn)，與原始噪聲信號(hào)時(shí)頻圖對(duì)比，70-500Hz處主要階次噪聲和半階次噪聲都得到了有效的控制，降噪頻帶寬度較寬。這種控制效果主要是由于參考信號(hào)的時(shí)頻圖中也含有相應(yīng)噪聲成分，因此降噪頻帶體現(xiàn)出寬帶的特性。該種參考信號(hào)下由于聲信號(hào)的強(qiáng)度弱，相對(duì)收斂時(shí)間比較長(zhǎng)。

圖7是以發(fā)動(dòng)機(jī)懸置主動(dòng)端振動(dòng)信號(hào)作為控制系統(tǒng)參考信號(hào)時(shí)，降噪點(diǎn)處采集到的誤差信號(hào)的時(shí)頻圖以及參考信號(hào)的時(shí)頻圖?？刂茷V波器階數(shù)選擇為200階，步長(zhǎng)因子為0.05。明顯可看出，該參考信號(hào)下只有二階降噪效果顯著，這是由于對(duì)于振動(dòng)參考信號(hào)，其幾乎只反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的二階頻率成分，因此控制只在該頻率有效，其他頻段降噪效果不大，且由于振動(dòng)參考信號(hào)信噪比較低，在某些頻率處還產(chǎn)生了額外的噪聲。振動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度較大，所以誤差信號(hào)相對(duì)于聲信號(hào)為參考收斂較快，但另一方面又會(huì)限制步長(zhǎng)因子的上限值。

圖8是以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)作為控制系統(tǒng)參考信號(hào)時(shí)，采用自適應(yīng)噪聲均衡方法降噪點(diǎn)處采集到的誤差信號(hào)的時(shí)頻圖。步長(zhǎng)因子為0.01。本例中只對(duì)二階頻率進(jìn)行了參考信號(hào)的構(gòu)造。相較于其他兩種參考信號(hào)控制結(jié)果，該方法收斂速度最快，噪聲二階頻率成分降噪量最大，在該頻率點(diǎn)處幾乎能夠完全消除。但是由于要想利用該種方法控制多頻成分，必須搭建并聯(lián)系統(tǒng)，這樣不可避免會(huì)增加算法復(fù)雜度。

圖9為不同參考信號(hào)下控制系統(tǒng)收斂后，取1s的控制點(diǎn)誤差信號(hào)與原始噪聲信號(hào)頻譜的對(duì)比結(jié)果圖?？梢缘贸鋈缦陆Y(jié)果：選取聲音作參考信號(hào)時(shí)，70-500Hz頻段峰值處均有所衰減，總降噪量達(dá)到4.35dB，二階次噪聲降噪量達(dá)到12dB；選取振動(dòng)信號(hào)作參考信號(hào)時(shí)，二階次噪聲有明顯降低，降噪量達(dá)到16dB，但降噪頻帶寬度只為70-125Hz，此頻帶內(nèi)降噪量可達(dá)到8.11dB，某些頻率處噪聲甚至?xí)黾?；選取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)作參考信號(hào)時(shí)，在降噪頻帶寬度70-125Hz內(nèi)降噪量可達(dá)14.05dB, 二階次噪聲降噪量可達(dá)30dB，噪聲其他頻率成分基本保持不變。

4  結(jié)論 

前饋主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)參考信號(hào)的選取直接影響降噪量、降噪頻段和收斂速度等降噪性能。本文研究了發(fā)動(dòng)機(jī)艙聲音信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置主動(dòng)端振動(dòng)信號(hào)以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)三種不同參考信號(hào)對(duì)汽車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲的控制效果的影響。不同類(lèi)型的參考信號(hào)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同場(chǎng)合。

1．以聲音信號(hào)作為參考信號(hào)時(shí)，其降噪頻帶范圍最大，適合控制車(chē)內(nèi)噪聲的總聲壓級(jí)，可在寬帶低頻段達(dá)到3-5dB降噪量，但其收斂速度較慢，且需要合理選擇參考信號(hào)位置，避免次級(jí)聲反饋帶來(lái)的影響。

2. 以發(fā)動(dòng)機(jī)懸置主動(dòng)端振動(dòng)信號(hào)作為參考信號(hào)時(shí)，由于其二階能量所占比重最大，因此二階次噪聲降噪效果明顯，在窄帶內(nèi)可達(dá)5-10dB降噪量，收斂速度優(yōu)于聲音參考信號(hào)。同時(shí)，由于加速度信號(hào)與控制點(diǎn)信號(hào)在階次頻率外相關(guān)性較差，因此在其他頻率處可能會(huì)產(chǎn)生噪聲增加的情況。

3. 以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)作為參考信號(hào)時(shí)，誤差信號(hào)收斂速度最快，參考頻率噪聲成分降噪量最大，窄帶內(nèi)可以達(dá)到10-15dB降噪量。但其控制頻率有限，適用于調(diào)節(jié)階次在總聲壓級(jí)中所占比重，改善汽車(chē)車(chē)內(nèi)聲品質(zhì)。

作者：王宇1, 齊松明2，韓強(qiáng)2，鄭四發(fā)11

作者單位：清華大學(xué)汽車(chē)系，2清華大學(xué)蘇州汽車(chē)研究院（相城）

來(lái)源：2017年汽車(chē)NVH控制技術(shù)研討會(huì)論文集