龐劍博士歷時(shí)8年、利用在企業(yè)繁忙的工作之余寫出了這本著作《汽車路噪控制：理論與應(yīng)用》，將近40年的學(xué)識(shí)和積累系統(tǒng)梳理和總結(jié)出來，為NVH工作者提供了一套很好的理論分析方法與解決工程實(shí)際問題的思路，同時(shí)為工程師們分享了大量汽車路噪解決方案，并提供理論指導(dǎo)。他將這些理論模型和創(chuàng)新研究的成果應(yīng)用回產(chǎn)品開發(fā)中，精準(zhǔn)而高效地解決了許多工程問題。

· 全球第一部講述路噪的專著，具有首創(chuàng)性。

· 從工程問題出發(fā)，具有很強(qiáng)的應(yīng)用性。

· 將工程問題提煉到科學(xué)問題后，用經(jīng)典理論、機(jī)器學(xué)習(xí)理論和控制理論來分析這些問題，具備很強(qiáng)的理論性

本書講了什么？

在電動(dòng)化和智能化時(shí)代，汽車NVH最突出的問題是路噪。

本書圍繞汽車界關(guān)注的熱點(diǎn)問題——路噪，從路面、輪胎、懸架、車身、傳遞路徑、主動(dòng)控制和開發(fā)體系七大系統(tǒng)，近場路噪、遠(yuǎn)場路噪、空氣聲路噪、結(jié)構(gòu)聲路噪和車內(nèi)路噪五大類問題，空氣聲路噪和結(jié)構(gòu)聲路噪兩條傳遞路徑，來闡述了路噪機(jī)理和控制方法。

本文節(jié)選自此書的第十一章 第三節(jié)《路噪主動(dòng)控制系統(tǒng)》

一、路噪主動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)

二、次級(jí)聲通道識(shí)別

三、加速度傳感器位置的選擇四、傳聲器位置與虛擬傳感傳聲器

以下是正文：

路噪主動(dòng)控制系統(tǒng)

一.路噪主動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)

圖10.13是路噪主動(dòng)控制硬件布置圖。硬件包括加速度傳感器、麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器和控制器。四個(gè)加速度傳感器分別布置在前后左右四個(gè)懸架上，如轉(zhuǎn)向節(jié)、副車架、擺臂等位置，用于采集每個(gè)輪胎傳遞給懸架的振動(dòng)信號(hào)，作為路噪控制的輸入?yún)⒖夹盘?hào)。四個(gè)麥克風(fēng)安裝在四個(gè)乘員外側(cè)耳朵附近的位置，如座椅靠背側(cè)面、頭枕、立柱、頭頂頂棚等，用于采集誤差信號(hào)。揚(yáng)聲器布置在頭枕、車門、立柱、后備箱等地方，其中必須有低頻揚(yáng)聲器。路噪控制單元集成到整車控制器中，放置車內(nèi)的某個(gè)位置，如座椅下、行李箱地板上?？刂破鞅仨殱M足延時(shí)要求，即在初級(jí)噪聲到達(dá)人耳之前，能夠根據(jù)次級(jí)通道脈沖函數(shù)、參考信號(hào)和初級(jí)聲場信號(hào)來計(jì)算出次級(jí)聲信號(hào)并通過揚(yáng)聲器發(fā)出，以保證控制的實(shí)時(shí)性并實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。

圖10.14是路噪主動(dòng)控制的算法架構(gòu)圖。懸架上的加速度信號(hào)經(jīng)過帶通濾波器和信號(hào)放大器之后，成為輸入信號(hào)。經(jīng)過次級(jí)聲通道估計(jì)的脈沖響應(yīng)函數(shù)（）濾波之后，成為路噪主動(dòng)控制的參考信號(hào)。麥克風(fēng)用來采集誤差信號(hào)，誤差信號(hào)經(jīng)過放大器和高通濾波器之后，輸入到控制器（包含濾波器）內(nèi)，進(jìn)行時(shí)變?yōu)V波計(jì)算，將結(jié)果輸入給揚(yáng)聲器并由它發(fā)出聲音。揚(yáng)聲器發(fā)出的次級(jí)聲聲源經(jīng)過脈沖響應(yīng)函數(shù)（）濾波之后，到達(dá)麥克風(fēng)位置。振動(dòng)和噪聲信號(hào)都通過A2B音頻總線來傳遞，A2B音頻總線是一種高帶寬、雙向、數(shù)字音頻總線。

硬件布置涉及到三個(gè)問題：揚(yáng)聲器與麥克風(fēng)的位置傳遞關(guān)系（即次級(jí)通道識(shí)別）、用于采集參考信號(hào)的加速度傳感器布置位置、麥克風(fēng)與人耳位置的傳遞關(guān)系。

揚(yáng)聲器的數(shù)量和位置取決于車內(nèi)音效設(shè)計(jì)，即在車內(nèi)形成最佳音響效果，其次才考慮它們作為主動(dòng)控制的次級(jí)聲源。誤差信號(hào)在濾波器內(nèi)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換和運(yùn)算后輸出信號(hào)給揚(yáng)聲器，而揚(yáng)聲器到麥克風(fēng)之間存在空間距離，這樣必須建立從濾波器到揚(yáng)聲器再到麥克風(fēng)之間的電信號(hào)和聲信號(hào)的傳遞關(guān)系。

加速度傳感器用于采集懸架振動(dòng)信號(hào)，作為參考信號(hào)，只有布置在合適位置才能獲取與車內(nèi)噪聲最相關(guān)的信號(hào)。在汽車開發(fā)中，需要計(jì)算和測試不同懸架位置的加速度信號(hào)和車內(nèi)聲音之間的相干函數(shù)，并在相干函數(shù)值大的對(duì)應(yīng)懸架位置布置傳感器，才能獲取主要路噪源。

路噪控制的目的是在人耳附近形成降噪?yún)^(qū)域，但是控制系統(tǒng)所形成的降噪?yún)^(qū)域是在麥克風(fēng)附近，所以麥克風(fēng)應(yīng)該盡可能靠近人耳。當(dāng)人耳與麥克風(fēng)有一定距離時(shí)，人耳處的降噪效果比麥克風(fēng)處差，甚至人耳聽到的噪聲可能大于沒有使用主動(dòng)控制時(shí)的噪聲。為了讓人耳處獲得最佳降噪效果，就必須使用虛擬傳感技術(shù)建立人耳與麥克風(fēng)之間的傳遞關(guān)系。

下面三小節(jié)就以上三個(gè)問題展開分析。

二．次級(jí)聲通道識(shí)別

1. 次級(jí)聲通道

將次級(jí)聲源到誤差傳感器的傳遞通道稱為次級(jí)聲通道，它是由電子線路（濾波器、功放等）、電聲元件（揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)）和聲學(xué)通道三部分組成，如圖10.15所示。

次級(jí)通道的特征用脈沖響應(yīng)函數(shù)（）來表征，它綜合反應(yīng)了自適應(yīng)濾波器輸出控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電聲信號(hào)，再驅(qū)動(dòng)次級(jí)聲源（揚(yáng)聲器）發(fā)出聲源，最后傳遞到誤差麥克風(fēng)整個(gè)電學(xué)和聲學(xué)過程的傳遞特性，可以表達(dá)為，

（10.48）式中，和分別代表電學(xué)和聲學(xué)傳遞函數(shù)。將獲取次級(jí)聲通道的脈沖響應(yīng)函數(shù)估計(jì)值（）的過程成為次級(jí)聲通道識(shí)別或建模。

次級(jí)聲通道會(huì)改變輸出信號(hào)的幅值和相位，而且使得信號(hào)延時(shí)，因此LMS算法不能直接用于噪聲主動(dòng)控制，即無法達(dá)到降噪效果和滿足實(shí)時(shí)性需求。

只有將次級(jí)聲通道的傳遞特征包含到控制模型中，即將參考信號(hào)經(jīng)過次級(jí)聲通道的脈沖函數(shù)后，輸入到自適應(yīng)濾波器中進(jìn)行LMS計(jì)算，才能達(dá)到實(shí)時(shí)降噪效果，這種將次級(jí)通道和LMS結(jié)合的算法就是Fx-LMS算法。

次級(jí)聲通道識(shí)別分別離線識(shí)別和在線識(shí)別。如果次級(jí)通道的特征不變，即控制器、揚(yáng)聲器和誤差麥克風(fēng)的位置和特征不變動(dòng)，那么可以在實(shí)施主動(dòng)控制之前就識(shí)別出次級(jí)聲通道的脈沖響應(yīng)函數(shù)，這種識(shí)別方法為離線識(shí)別。如果次級(jí)通道的特征是時(shí)變的，那么在實(shí)施主動(dòng)控制的同時(shí)要識(shí)別次級(jí)聲通道的脈沖響應(yīng)函數(shù)，這種識(shí)別就是在線識(shí)別。

在路噪主動(dòng)控制系統(tǒng)中，電子系統(tǒng)、揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)的位置是固定的，而且特征不會(huì)改變，因此，可以采用離線方法來識(shí)別次級(jí)聲通道。

2.次級(jí)聲通道離線識(shí)別

通常使用自適應(yīng)濾波方法來離線識(shí)別次級(jí)聲通道，如圖10.16所示。噪聲發(fā)聲器產(chǎn)生音源作為參考信號(hào)，，通常用白噪聲。經(jīng)過實(shí)際次級(jí)通道，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出輸出信號(hào)，在麥克風(fēng)處測量得到的信號(hào)為；同時(shí)輸入給自適應(yīng)濾波器，可以計(jì)算出經(jīng)過估計(jì)的次級(jí)通道的輸出信號(hào)；還同時(shí)輸入給LMS算法模塊。

濾波器的權(quán)矢量為， （10.49）經(jīng)過濾波器輸出到麥克風(fēng)位置的信號(hào)為，   （10.50）實(shí)際輸出和預(yù)估輸出信號(hào)之差為，  （10.51）采用LMS方法進(jìn)行迭代，濾波器的權(quán)系數(shù)為， （10.52）

通過反復(fù)迭代，直到實(shí)際次級(jí)通道測量值和次級(jí)通道模型計(jì)算值之差控制在設(shè)定的誤差范圍內(nèi)，便得到次級(jí)聲通道的脈沖響應(yīng)函數(shù)，并將它存儲(chǔ)在系統(tǒng)中，供噪聲主動(dòng)控制時(shí)使用。

圖10.17為識(shí)別的某車路噪主動(dòng)控制系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)和對(duì)應(yīng)的頻響函數(shù)。脈沖函數(shù)隨著階次或時(shí)間的增加而衰減，其末端趨于零，即呈現(xiàn)收斂狀態(tài)。在頻響函數(shù)曲線上，低頻響應(yīng)小，特別在50Hz內(nèi)的響應(yīng)很低，這與揚(yáng)聲器的頻響特征有關(guān)；在50Hz以上，整體響應(yīng)比較高，但是在128Hz、170Hz等幾個(gè)頻率下響應(yīng)出現(xiàn)谷值，這與聲腔模態(tài)有關(guān)。

（a）

（b）

圖10.17  次級(jí)聲通道特征：（a）脈沖響應(yīng)函數(shù)；（b）頻域內(nèi)的傳遞函數(shù)

三.加速度傳感器位置的選擇

在路噪主動(dòng)控制中，懸架加速度選為參考信號(hào)，但是懸架上可以安裝加速度傳感器的位置很多，為了獲得最佳位置，就必須使得誤差信號(hào)最小。將誤差信號(hào)的均方差作為目標(biāo)函數(shù)，即，

（10.53）

目標(biāo)函數(shù)是的二次函數(shù)，因此它存在唯一的最小值。公式（10.53）對(duì)求導(dǎo)，并令它為零，

（10.54）得到， （10.55）將公式（10.55）代入公式（10.53）中，得到目標(biāo)函數(shù)的最小值，為

（10.56）式中，是（車內(nèi)噪聲）的自相關(guān)函數(shù)。

將公式（10.56）改寫為，

（10.57）

根據(jù)第二章多重相干函數(shù)分析和公式（2.106），公式（10.57）用為參考信號(hào)和車內(nèi)噪聲之間的多重相干函數(shù)（）來表示，即

（10.58）

（10.59）

當(dāng)時(shí)，即與之間完全相干，則誤差信號(hào)的均方差為零，。參考信號(hào)（懸架振動(dòng)）與車內(nèi)噪聲信號(hào)的多重相干系數(shù)越大，降噪效果越好。

在試驗(yàn)之前，用仿真模型來計(jì)算車內(nèi)噪聲與不同懸架位置加速度之間的多重相干系數(shù)，并選擇相干系數(shù)最大的組合給傳感器布置位置提供參考。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在實(shí)車上選擇可行的布置位置，然后汽車在不同路面上試驗(yàn)并獲取測試信號(hào)并計(jì)算多重相干系數(shù)，最終根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來確定傳感器的最終布置點(diǎn)。圖10.18（a）為加速度傳感器布置兩個(gè)位置（其中一個(gè)是最佳布置）時(shí)的多重相干系數(shù)，圖10.18（b）是對(duì)應(yīng)的車內(nèi)噪聲比較。路噪主動(dòng)控制系統(tǒng)開啟（RNCON）時(shí)，車內(nèi)噪聲比系統(tǒng)關(guān)閉（RNCOFF）時(shí)明顯降低，特別是231Hz處的空腔聲。圖10.19是一個(gè)布置在懸架最佳位置的加速度傳感器，這個(gè)部位的振動(dòng)與車內(nèi)噪聲相干系數(shù)最大，降噪效果最好。

在工程開發(fā)試驗(yàn)中，除了用多重相干分析外，也可以用OTPA分析，或者將多重相干分析與OTPA分析結(jié)合來尋找最佳位置。

（a）

（b）

圖10.18   加速度傳感器兩種布置對(duì)應(yīng)的（a）多重相干函數(shù)；（b）車內(nèi)噪聲比較

圖10.19 布置在懸架最佳位置的加速度傳感器

四.麥克風(fēng)位置與虛擬傳感麥克風(fēng)

1. 麥克風(fēng)位置與降噪效果

噪聲主動(dòng)控制是使得誤差麥克風(fēng)處的信號(hào)瞬時(shí)均方差最小，即降噪是降低誤差傳麥克風(fēng)附近區(qū)域的噪聲，我們將有明顯降噪效果的區(qū)域稱為有效降噪?yún)^(qū)域，它是在以誤差麥克風(fēng)為中心的一個(gè)小范圍內(nèi)。超過這個(gè)區(qū)域，降噪效果不明顯，甚至噪聲比沒有使用主動(dòng)控制還大。Elliott[11]的研究表明，在擴(kuò)散場中，在離麥克風(fēng)1/10波長處，噪聲聲壓降低10dB。如果從相位的角度來看，只有在小于1/4波長范圍內(nèi)，才有降噪效果。

麥克風(fēng)最理想的位置是在離人耳很近的地方，然而，受到了車內(nèi)布置制約，很多情況下，很難找這樣的位置。圖10.20（a）為一輛車的麥克風(fēng)布置在A柱和C柱上，圖10.20（b）為有和沒有主動(dòng)控制的噪聲對(duì)比。這些麥克風(fēng)離人耳的距離較遠(yuǎn)，所以降噪效果有限，而且在某些頻率（如圖中的365Hz附近區(qū)域）下，次級(jí)聲源與主聲源相位相同或接近，使得兩個(gè)噪聲疊加，導(dǎo)致有主動(dòng)控制時(shí)的噪聲大于沒有主動(dòng)控制時(shí)的噪聲，即引起爆音。

（a）

（b）

圖10.20 （a）麥克風(fēng)布置在A柱和C柱上；（b）有和沒有主動(dòng)控制時(shí)的噪聲比較

隨著座椅結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜和功能越來越強(qiáng)大，在座椅上布置麥克風(fēng)成為可能，如圖10.21（a）給出的A、B和C三個(gè)位置。人耳離座椅很近，而且它們的距離不會(huì)因?yàn)樽挝恢玫恼{(diào)整而改變，這樣也提高了控制的魯棒性。圖中的A位置靠近窗戶一側(cè)的頭枕部位，B位置在視窗中部，C位置在靠近窗戶一側(cè)的頭枕下方。圖10.21（b）為在與圖10.20用的同一輛車上將麥克風(fēng)分別安裝在三個(gè)位置的主動(dòng)降噪效果比較。麥克風(fēng)在這三個(gè)位置時(shí)的降噪效果都遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于麥克風(fēng)在A柱和C柱上，而且沒有爆音。在這三個(gè)位置中，當(dāng)麥克風(fēng)在A位置時(shí)，降噪的幅值和頻率寬度好于麥克風(fēng)在B和 C位置，麥克風(fēng)在B和C位置的降噪效果相當(dāng)。在座椅上安裝麥克風(fēng)也存在局限性，因?yàn)殡x耳朵近的麥克風(fēng)容易被頭部或身體遮擋，或者人在動(dòng)的過程中，有些姿態(tài)會(huì)遮擋住麥克風(fēng)，比如頭移動(dòng)很可能遮擋或觸碰到A位置的麥克風(fēng)。因此即便在座椅上安裝麥克風(fēng)，也需要根據(jù)人體情況和座椅設(shè)計(jì)來選擇恰當(dāng)位置。

（a）

（b）

圖10.21（a）麥克風(fēng)在座椅上布置的位置；（b）麥克風(fēng)安裝在座椅不同位置的主動(dòng)降噪比較

2. 虛擬麥克風(fēng)設(shè)計(jì)

當(dāng)麥克風(fēng)無法布置在人耳附近區(qū)域時(shí)，為了擴(kuò)大有效降噪?yún)^(qū)域，就引入了“虛擬麥克風(fēng)”概念。虛擬麥克風(fēng)是一個(gè)在人耳處的假想麥克風(fēng)，而誤差麥克風(fēng)是實(shí)體麥克風(fēng)，如圖10.22所示。虛擬傳感技術(shù)或算法就是要用實(shí)體麥克風(fēng)信號(hào)來計(jì)算虛擬麥克風(fēng)處的聲壓，把在實(shí)體麥克風(fēng)的降噪?yún)^(qū)域擴(kuò)大到虛擬麥克風(fēng)，從而控制虛擬麥克風(fēng)處聲壓，讓人感受到明顯的降噪效果。所以，主動(dòng)噪聲控制的目的是使得虛擬麥克風(fēng)區(qū)域的噪聲最小，而不是實(shí)體麥克風(fēng)處。自從Elliott提出虛擬傳感概念之后，虛擬傳感技術(shù)發(fā)展很快，方法很多，主要方法有虛擬麥克風(fēng)布置法、遠(yuǎn)程麥克風(fēng)技術(shù)、向前差分預(yù)測技術(shù)、自適應(yīng)LMS虛擬麥克風(fēng)技術(shù)、卡爾曼濾波虛擬傳感方法、隨機(jī)最優(yōu)純音混響場虛擬傳感方法等。下面簡要地介紹其中四種方法。

1）虛擬麥克風(fēng)布置法

Elliott[4]假設(shè)實(shí)體麥克風(fēng)和虛擬麥克風(fēng)處的初級(jí)信號(hào)相等，當(dāng)兩個(gè)麥克風(fēng)的次級(jí)聲通道都已經(jīng)辨識(shí)出之后，就可以使用實(shí)體麥克風(fēng)信號(hào)和次級(jí)揚(yáng)聲器激勵(lì)信號(hào)來計(jì)算虛擬麥克風(fēng)信號(hào)，如圖10.23所示。圖中，為估計(jì)的次級(jí)揚(yáng)聲器到實(shí)體麥克風(fēng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)，為估計(jì)的次級(jí)揚(yáng)聲器到虛擬麥克風(fēng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)。

圖10.23 虛擬麥克風(fēng)布置法框圖

估計(jì)的實(shí)體麥克風(fēng)信號(hào)為：

（10.60）

式中，為實(shí)體麥克風(fēng)信號(hào)，為估計(jì)的實(shí)體麥克風(fēng)處的次級(jí)信號(hào)，為次級(jí)揚(yáng)聲器激勵(lì)信號(hào)。

估計(jì)的虛擬麥克風(fēng)信號(hào)為，

   （10.61）

式中，為估計(jì)的虛擬麥克風(fēng)處初級(jí)信號(hào)，為估計(jì)的虛擬麥克風(fēng)處次級(jí)信號(hào)。

這種方法設(shè)定的假設(shè)“實(shí)體麥克風(fēng)和虛擬麥克風(fēng)處的初級(jí)信號(hào)相等”是不存在的，特別是對(duì)兩個(gè)麥克風(fēng)距離過大和初級(jí)聲場復(fù)雜的情況，因此，這種方法難以估算出精確的虛擬麥克風(fēng)處信號(hào)。但是Elliott提出了一種創(chuàng)新的概念，為其他虛擬傳感算法的奠定了基礎(chǔ)。

2）遠(yuǎn)程麥克風(fēng)技術(shù)

為了克服虛擬麥克風(fēng)布置法假設(shè)的缺陷，Roure and Albarrazin[5]提出在實(shí)體麥克風(fēng)初級(jí)信號(hào)與虛擬麥克風(fēng)初級(jí)信號(hào)之間加入一個(gè)傳遞濾波器，如圖10.24所示。

圖10.24   遠(yuǎn)程麥克風(fēng)技術(shù)框圖

虛擬麥克風(fēng)處初級(jí)信號(hào)可以根據(jù)這個(gè)傳遞濾波器來預(yù)估，為

（10.62）

式中，實(shí)體麥克風(fēng)初級(jí)信號(hào)與虛擬麥克風(fēng)初級(jí)信號(hào)之間的傳遞濾波器。

估計(jì)的虛擬麥克風(fēng)信號(hào)為，

（10.63）

3）向前差分預(yù)測技術(shù)

向前差分預(yù)測技術(shù)是由Cazzolato[6]提出，他使用由多個(gè)麥克風(fēng)組成了陣列來構(gòu)建一個(gè)多項(xiàng)式，然后將多項(xiàng)式外推到虛擬麥克風(fēng)處，得到該處的信號(hào)，如圖10.25所示。例如用三個(gè)實(shí)體麥克風(fēng)，采用一階有限差分，外推多項(xiàng)式得到虛擬麥克風(fēng)處的信號(hào)為，

（10.64）

式中，、和分別為三個(gè)實(shí)體麥克風(fēng)信號(hào)；是實(shí)體麥克風(fēng)之間的距離；是虛擬麥克風(fēng)與鄰近實(shí)體麥克風(fēng)之間的距離。

對(duì)使用三個(gè)實(shí)體麥克風(fēng)的情況，采用二階有限差分，外推多項(xiàng)式得到虛擬麥克風(fēng)處的信號(hào)為，

（10.65）

（a）                           （b）

圖10.25   向前差分預(yù)測技術(shù)示意圖：（a）3物理麥克風(fēng)一階向前差分；（b）3物理麥克風(fēng)二階向前差分

向前差分預(yù)測技術(shù)不需要用濾波器來識(shí)別，只要求虛擬麥克風(fēng)和物理麥克風(fēng)距離小于一個(gè)波長。差分階次越高，預(yù)測虛擬麥克風(fēng)信號(hào)越精確，但是計(jì)算可能帶來病態(tài)。

4）自適應(yīng)LMS虛擬麥克風(fēng)技術(shù)

自適應(yīng)LMS虛擬麥克風(fēng)技術(shù)由Cazzolato[7]提出。虛擬麥克風(fēng)信號(hào)由實(shí)體麥克風(fēng)信號(hào)經(jīng)過LMS自適應(yīng)濾波器之后得到，如圖10.26所示。

圖10.26  虛擬麥克風(fēng)技術(shù)框圖

虛擬麥克風(fēng)信號(hào)的預(yù)估為，

（10.66）

在虛擬麥克風(fēng)位置臨時(shí)放置一個(gè)實(shí)體麥克風(fēng)，得到的信號(hào)為，它與虛擬麥克風(fēng)預(yù)估信號(hào)之差為，

（10.67）

根據(jù)LMS算法，濾波器的記權(quán)系數(shù)通過自適應(yīng)迭代得到，

（10.68）

3. 虛擬傳感對(duì)主動(dòng)降噪的影響

在圖10.20中，誤差麥克風(fēng)安裝在A柱和C柱上，它到駕駛員外耳的距離遠(yuǎn)，當(dāng)路噪主動(dòng)控制系統(tǒng)開啟時(shí)出現(xiàn)了爆音。針對(duì)這種麥克風(fēng)布置情況，在控制系統(tǒng)中增加自適應(yīng)虛擬傳感技術(shù)，車輛行駛時(shí)，控制系統(tǒng)分別開啟和關(guān)閉虛擬感控制，得到了車內(nèi)噪聲，如圖10.27所示。主動(dòng)控制開啟而虛擬傳感關(guān)閉，有一定降噪效果；但是在365Hz周邊區(qū)域，出現(xiàn)一個(gè)巨大的爆音峰值，這是由于次級(jí)聲源與初始聲源疊加而產(chǎn)生。主動(dòng)控制開啟且虛擬傳感工作時(shí)，不僅爆音消除，而且整體降噪效果也提升。由此可以見，虛擬傳感對(duì)主動(dòng)降噪效果非常明顯。

圖10.27 車輛行駛在粗糙瀝青路面上時(shí)，虛擬傳感控制對(duì)車內(nèi)噪聲的影響

在路噪主動(dòng)控制中，采用虛擬傳感技術(shù)后，計(jì)算量大大增加，從而降低了響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。只有在麥克風(fēng)無法布置在人耳附件，而且芯片和控制系統(tǒng)的計(jì)算能力超強(qiáng)的情況下，才用到虛擬傳感控制。在工程實(shí)踐中，通常將麥克風(fēng)布置在離人耳近的地方，這樣就可以不用虛擬傳感計(jì)算。

4. 雙耳效應(yīng)的影響

當(dāng)聲源在人腦正前方或正后方或正上方時(shí)，兩個(gè)耳朵聽到的聲音是一致的，可是當(dāng)聲源偏離人腦正前方或正后方或正上方，如圖10.28所示，抵達(dá)兩個(gè)耳朵的聲音存在時(shí)間差、相位差、聲級(jí)差和音色差。

圖10.28    聲源對(duì)雙耳傳遞

由于聲源到兩個(gè)耳朵之間的距離不一樣，聲音抵達(dá)它們的時(shí)間不一樣，這樣兩個(gè)耳朵聽到同一聲音的時(shí)間存在差別。聲源越偏向一個(gè)耳朵一側(cè)，時(shí)間差會(huì)越大。時(shí)間差也導(dǎo)致了聲音抵達(dá)兩個(gè)耳朵的相位不同，即出現(xiàn)相位差。

假設(shè)聲源在人腦的左邊，聲音可以直徑抵達(dá)左耳，但是傳遞到右耳的過程中，要繞過人腦。聲波繞射與波長和障礙物尺寸有關(guān)，頻率越高，繞射能力越差，這是遮蔽效應(yīng)。人腦的尺寸大約在20厘米，這個(gè)波長的聲音頻率大約在1700Hz。大于這個(gè)頻率的聲波能量很難傳遞到右耳，因此左耳和右耳聽到的聲音頻率成不一樣，即出現(xiàn)音色差異。同時(shí)，由于部分能量被遮蔽或被反射，右耳處的聲壓級(jí)比左耳處的值低，即出現(xiàn)了聲壓級(jí)差。

聲源偏離了人腦正前方或后方或上方，抵達(dá)左右兩個(gè)耳朵存在著時(shí)間差、相位差、聲級(jí)差和音色差的聲音帶給人差異的聽覺感知傳導(dǎo)給大腦，大腦會(huì)將聽到的聲音與存儲(chǔ)在大腦中的聽覺經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行比較與分析，并判斷聲源的方向和對(duì)聲音的感覺，這種現(xiàn)象被稱為雙耳效應(yīng)。

結(jié)構(gòu)聲路噪傳遞到人耳也會(huì)有雙耳效應(yīng)。如果在兩個(gè)耳朵附近都布置麥克風(fēng)，分別根據(jù)各自信號(hào)來控制，可以使得雙耳都達(dá)到最優(yōu)降噪效果。然而，由于成本原因，幾乎在所有安裝有路噪主動(dòng)控制系統(tǒng)的汽車上，只在人耳附近安裝一個(gè)麥克風(fēng)，通常選擇靠近窗的耳朵（稱為外耳），因?yàn)榇颂幍脑肼曂ǔ４笥趦?nèi)耳（與外耳對(duì)應(yīng)的另一個(gè)耳朵）。控制系統(tǒng)基于麥克風(fēng)采集的誤差信號(hào)來進(jìn)行濾波計(jì)算，使得外耳處的降噪效果最佳。由于雙耳效應(yīng)，內(nèi)耳處的主聲源和次級(jí)聲源都有別于外耳，因此內(nèi)耳處無法達(dá)到外耳處降噪量效果。例如，在某一輛車駕駛員的左耳（外耳）和副駕位置的乘客的右耳（外耳）分別各安裝一個(gè)麥克風(fēng)，然后分別在駕駛員和乘客的兩個(gè)耳朵處測量噪聲。圖10.29為駕駛員左耳和右耳有和沒有主動(dòng)控制的噪聲比較，顯然駕駛員左耳（外耳）的降噪效果優(yōu)于右耳（內(nèi)耳）。副駕乘客也有同樣的效果，圖10.30顯示右耳（外耳）的降噪效果優(yōu)于左耳（內(nèi)耳）。

（a）

（b）

圖10.29  駕駛員左耳（外耳）（a）和右耳（內(nèi)耳）（b）有和沒有主動(dòng)控制的噪聲比較

（a）

（b）

圖10.30   副駕乘客右耳（外耳）（a）和左耳（內(nèi)耳）（b）有和沒有主動(dòng)控制的噪聲比較

鑒于雙耳效應(yīng)，在麥克風(fēng)布置位置的選擇上，要兼顧外耳降噪效果和雙耳效應(yīng)，使得雙耳都能達(dá)到理想的降噪效果。

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本文摘編自《汽車路噪控制：理論與應(yīng)用》，機(jī)械工業(yè)出版社出版，經(jīng)出版方授權(quán)發(fā)布。