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）

前言

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。

1 車內(nèi)噪聲主動(dòng)控制系統(tǒng)

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。

2 主動(dòng)噪聲控制算法

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）］。

3 車內(nèi)噪聲主動(dòng)控制系統(tǒng)性能試驗(yàn)

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)。

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

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 試驗(yàn)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(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。

4 結(jié)論

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。