劉 鋒,吳 鳴,2,楊 軍,2
(1.中國(guó)科學(xué)院噪聲與振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(聲學(xué)研究所),北京 100190; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)
車內(nèi)噪聲直接影響駕乘人員對(duì)汽車品質(zhì)的主觀感受,甚至決定了消費(fèi)者的購(gòu)買意向。此外,受政府法規(guī)、客戶需求和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的影響,主機(jī)廠對(duì)汽車NVH問(wèn)題的重視程度也越來(lái)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(dòng)噪聲控制和主動(dòng)噪聲控制兩類。被動(dòng)噪聲控制技術(shù)依靠修改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、增加阻尼材料或使用減振器和吸振器來(lái)降低噪聲,這些技術(shù)對(duì)降低中高頻 (≥500 Hz)噪聲非常有效[2]。但是,被動(dòng)噪聲控制技術(shù)也有其難以克服的不足:(1)被動(dòng)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(dòng)噪聲控制效果對(duì)調(diào)校要求較高,在某一頻率下調(diào)校好的設(shè)計(jì)也許對(duì)其它頻率的噪聲并不適用[3];(3)被動(dòng)噪聲控制技術(shù)往往需要經(jīng)過(guò)多次迭代才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的聲學(xué)目標(biāo),設(shè)計(jì)周期長(zhǎng),時(shí)間成本高;(4)被動(dòng)噪聲控制一致性差,同一型號(hào)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(duì)車內(nèi)聲音的感知也不盡相同[5],如果使用被動(dòng)方法調(diào)校同一款車以滿足不同市場(chǎng)客戶對(duì)車內(nèi)聲音的期望,成本將大幅提高,主動(dòng)噪聲控制方法則只需要調(diào)整控制器參數(shù)即可;(6)對(duì)于純電動(dòng)汽車,車內(nèi)聲音較小,導(dǎo)致駕駛體驗(yàn)不佳,主動(dòng)噪聲控制技術(shù)在解決這個(gè)問(wèn)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(dòng)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(dòng)噪聲控制基于聲波相消干涉原理[7-9],通過(guò)與汽車音響系統(tǒng)集成,在車內(nèi)引入與初級(jí)噪聲等幅反相的次級(jí)聲源來(lái)抵消或大幅降低噪聲。與被動(dòng)噪聲控制相比,主動(dòng)控制技術(shù)適合控制低頻噪聲,且設(shè)計(jì)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(dòng)噪聲控制的研究主要集中在新型控制算法的開(kāi)發(fā)和算法性能優(yōu)化上,解決算法收斂速度、計(jì)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(jiǎn)單試驗(yàn)驗(yàn)證,對(duì)算法在實(shí)際汽車中的控制效果和需求關(guān)注較少。而工業(yè)界對(duì)于主動(dòng)噪聲控制效果的報(bào)道大多比較片面,全面且公開(kāi)的實(shí)測(cè)結(jié)果較少。為給學(xué)術(shù)界的研究人員提供試驗(yàn)參考,同時(shí),讓更多主機(jī)廠了解商用化主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)的實(shí)際效果,本文中以某全系標(biāo)配發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲主動(dòng)控制系統(tǒng)的量產(chǎn)車型為研究對(duì)象,分別在定置定速、加速和以不同車速行駛工況下對(duì)其主動(dòng)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(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明:該主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)較好地控制了發(fā)動(dòng)機(jī)2階噪聲,顯著改善了車內(nèi)轟鳴;系統(tǒng)對(duì)車窗、天窗和車門開(kāi)關(guān)的魯棒性良好。
車內(nèi)噪聲主動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)噪聲來(lái)源可分為發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲控制和輪胎-路面噪聲控制兩類。發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲頻率成分簡(jiǎn)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(gè)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(yàn)階段[4,12-13],還沒(méi)有量產(chǎn)車型使用,但應(yīng)該很快會(huì)上市。
根據(jù)是否需要參考傳感器,車內(nèi)噪聲主動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(hào),一般為聲壓傳感器、振動(dòng)加速度傳感器或轉(zhuǎn)速傳感器??刂瓢l(fā)動(dòng)機(jī)噪聲時(shí),參考傳感器一般為轉(zhuǎn)速傳感器??刂戚喬?路面噪聲時(shí),參考傳感器為多個(gè)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(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(dòng)噪聲控制系統(tǒng)使用3個(gè)或4個(gè)誤差傳感器比較常見(jiàn)。
(3)主動(dòng)噪聲控制器,接收來(lái)自參考傳感器和誤差傳感器的信號(hào),根據(jù)控制目標(biāo)和控制算法自動(dòng)生成驅(qū)動(dòng)信號(hào),驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器(一般為車內(nèi)揚(yáng)聲器)工作。
(4)執(zhí)行器,將控制器產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào),與車內(nèi)初級(jí)噪聲(不想聽(tīng)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(yáng)聲器。
對(duì)圖1所示的系統(tǒng)進(jìn)行抽象和簡(jiǎn)化可以得到前饋主動(dòng)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(dòng)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(jí)通道和次級(jí)通道,初級(jí)通道是參考傳感器至誤差傳感器的傳遞函數(shù),而次級(jí)通道是控制器輸出信號(hào)y(n)至誤差信號(hào)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(yáng)聲器、從揚(yáng)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(jí)通道的影響,傳統(tǒng)LMS(least mean square)算法不能直接用于主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)中,這是因?yàn)閺淖赃m應(yīng)濾波器W(z)輸出的控制信號(hào)y(n)經(jīng)過(guò)次級(jí)通道S(z)后發(fā)生了相移,導(dǎo)致誤差信號(hào)的均方差關(guān)于濾波器系數(shù)的瞬時(shí)梯度不再是真實(shí)梯度的無(wú)偏估計(jì)。這個(gè)問(wèn)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(dòng)噪聲控制時(shí)分別獨(dú)立提出了解決次級(jí)通道相移問(wèn)題的方法,即在梯度估計(jì)之前,先對(duì)參考信號(hào)引入與次級(jí)通道影響相當(dāng)?shù)南嘁疲嘁频囊胪ㄟ^(guò)對(duì)參考信號(hào)濾波實(shí)現(xiàn),所用濾波器為次級(jí)通道傳遞函數(shù)的估計(jì)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(dòng)噪聲控制系統(tǒng)原理如圖2所示,經(jīng)主動(dòng)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(jí)噪聲;s(n)為n時(shí)刻次級(jí)通道的脈沖響應(yīng)函數(shù);*表示線性卷積;w(n)為n時(shí)刻自適應(yīng)濾波器W(z)的系數(shù);x(n)為n時(shí)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(shí)均方誤差=e2(n)最小,選取合適的步長(zhǎng)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(zhǎng)度;Δeq為次級(jí)通道的等效延時(shí)點(diǎn)數(shù);Px′為濾波參考信號(hào)的功率,Px′=E[x′2(n)]。
試驗(yàn)在某全系標(biāo)配主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)的車上完成,其主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)包括參考傳感器、誤差傳感器、控制器和揚(yáng)聲器。參考信號(hào)為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào),3個(gè)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(yáng)聲器位于4個(gè)車門處,與音響系統(tǒng)共用。試驗(yàn)分為定置和行駛兩種工況,主要完成了定置固定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速試驗(yàn)、升速試驗(yàn)、行駛試驗(yàn)和魯棒性試驗(yàn)。
本次試驗(yàn)共布置了3個(gè)聲壓傳感器,型號(hào)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(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。測(cè)試使用B & K 3053數(shù)據(jù)采集儀。
圖3 傳感器布置圖
3.2.1 固定轉(zhuǎn)速控制效果分析
固定轉(zhuǎn)速試驗(yàn)時(shí),車輛定置且將發(fā)動(dòng)機(jī)控制在某固定轉(zhuǎn)速并保持一段時(shí)間,分別測(cè)試主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)上述3個(gè)測(cè)點(diǎn)的噪聲,本試驗(yàn)測(cè)試的發(fā)動(dòng)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(cè)點(diǎn)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(shí)的降噪量較大;(3)當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí),右后乘員處的噪聲增強(qiáng)了7 dB。
圖4為車輛定置發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 300 r/min時(shí)3個(gè)測(cè)點(diǎn)處聲壓信號(hào)時(shí)域波形圖,圖4中ANC系統(tǒng)狀態(tài)為關(guān)閉—打開(kāi)—關(guān)閉。由圖4可知,誤差傳感器和駕駛員右耳測(cè)點(diǎn)處的聲壓在ANC系統(tǒng)打開(kāi)時(shí)大大降低,而右后乘員測(cè)點(diǎn)處聲壓變化不大。圖5為與圖4對(duì)應(yīng)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)。從圖中可以看出,誤差傳感器處和駕駛員右耳處的聲壓級(jí)在ANC打開(kāi)時(shí)降低了約5 dB(A),而右后乘員位置處的聲壓級(jí)基本沒(méi)有變化。由此可見(jiàn),ANC系統(tǒng)對(duì)不同位置處噪聲的控制效果不同。
表1 固定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速各測(cè)點(diǎn)降噪量
圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 300 r/min時(shí)ANC系統(tǒng)打開(kāi)和關(guān)閉各測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形對(duì)比
為進(jìn)一步分析ANC系統(tǒng)對(duì)哪些頻率的噪聲控制效果比較明顯,對(duì)ANC系統(tǒng)打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)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(dòng)機(jī)噪聲主要頻率成分為發(fā)動(dòng)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(shí)ANC系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頻率(2階)噪聲降低了12.73 dB(A),但同時(shí)將第4階噪聲增強(qiáng)了5.98 dB(A),對(duì)其它頻率成分的噪聲影響不大。
3.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)升速時(shí)控制效果分析
圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 300 r/min時(shí)ANC系統(tǒng)打開(kāi)和關(guān)閉各測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)對(duì)比
圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 300 r/min時(shí)ANC系統(tǒng)打開(kāi)和關(guān)閉駕駛員右耳噪聲功率譜對(duì)比
為分析ANC系統(tǒng)在不同車速下對(duì)車內(nèi)噪聲的控制效果,分別在ANC系統(tǒng)打開(kāi)和關(guān)閉時(shí),以不同速度將發(fā)動(dòng)機(jī)由怠速升高到最高轉(zhuǎn)速后完全釋放油門,讓發(fā)動(dòng)機(jī)重新回到怠速。圖7為加速時(shí)間約為25 s時(shí)ANC系統(tǒng)關(guān)閉和打開(kāi)時(shí)駕駛員右耳處噪聲時(shí)域波形圖。由圖可見(jiàn),ANC系統(tǒng)打開(kāi)后車內(nèi)轟鳴明顯改善。圖8為圖7對(duì)應(yīng)噪聲的時(shí)頻圖。由圖可知,當(dāng)ANC系統(tǒng)打開(kāi)時(shí),車內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)2階噪聲明顯降低。圖9為ANC系統(tǒng)打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)駕駛員右耳噪聲階次分析結(jié)果。由圖9(a)可知,對(duì)車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)量最大的為發(fā)動(dòng)機(jī)2階噪聲,其次為4階噪聲。ANC系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)車內(nèi)噪聲聲壓級(jí)與發(fā)動(dòng)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(shí)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(kāi)啟后,發(fā)動(dòng)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(jí)與發(fā)動(dòng)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(kāi)和關(guān)閉時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)前5階噪聲及總聲壓級(jí)對(duì)比圖。由圖10(b)可知,ANC系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)2階噪聲在整個(gè)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(duì)于4階噪聲,從1 150-2 650 r/min,ANC系統(tǒng)對(duì)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(shí),ANC系統(tǒng)對(duì)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(jí)在1 900 r/min時(shí)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(kāi)時(shí)車內(nèi)總聲壓級(jí)與發(fā)動(dòng)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(shí)間為25 s時(shí)ANC系統(tǒng)打開(kāi)和關(guān)閉駕駛員右耳噪聲時(shí)域波形對(duì)比
圖8 怠速至最高轉(zhuǎn)速加速時(shí)間為25 s時(shí)ANC系統(tǒng)打開(kāi)和關(guān)閉駕駛員右耳噪聲時(shí)頻圖
3.2.3 行駛時(shí)控制效果分析
在行駛工況下測(cè)試時(shí),車輛以一定車速在道路上行駛,分別測(cè)試主動(dòng)降噪系統(tǒng)打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)的車內(nèi)噪聲,測(cè)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近1 300和2 500 r/min時(shí),降噪效果明顯,其它工況時(shí),降噪效果不明顯,與定置測(cè)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(shí)間為25 s時(shí)ANC系統(tǒng)打開(kāi)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(kāi)和關(guān)閉駕駛員右耳噪聲階次對(duì)比圖
為測(cè)試ANC系統(tǒng)的魯棒性,對(duì)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車速均做了車門開(kāi)關(guān)(僅定置時(shí))、車窗開(kāi)關(guān)、天窗開(kāi)關(guān)測(cè)試。測(cè)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(kāi)時(shí),主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)并沒(méi)有停止工作,當(dāng)人耳貼近車門揚(yáng)聲器時(shí),可以聽(tīng)到揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音,用手觸摸揚(yáng)聲器時(shí)有震感。
以某量產(chǎn)車型為研究對(duì)象,在定置和以不同車速行駛工況下對(duì)車內(nèi)噪聲主動(dòng)控制系統(tǒng)的性能和魯棒性進(jìn)行了全面的測(cè)試與分析。測(cè)試結(jié)果表明,該車型標(biāo)配的主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)主要用來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)2階噪聲,解決車內(nèi)轟鳴聲問(wèn)題,改善聲品質(zhì),系統(tǒng)較好地完成了目標(biāo),對(duì)其它階次噪聲影響不大。系統(tǒng)對(duì)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(shí),系統(tǒng)只對(duì)特定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的噪聲有控制效果,對(duì)其它車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的噪聲控制效果不明顯,這是因?yàn)楫?dāng)車速升高到80 km/h以上時(shí),輪胎-路面噪聲和風(fēng)噪成為車內(nèi)噪聲主要來(lái)源,而測(cè)試車型的ANC系統(tǒng)只能控制發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲。在所有試驗(yàn)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。