賈尚帥，韓鐵禮，吳禮福，鄒海山，王 軍

(1. 中車唐山機車車輛有限公司技術(shù)研究中心，河北唐山063035；2. 南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江蘇南京210044；3. 南京大學(xué)聲學(xué)研究所近代聲學(xué)教育部重點實驗室，江蘇南京210093)

0 引 言

當(dāng)前，高速列車已較好滿足旅客方便快捷、準時可控的出行需求，但運行時車廂內(nèi)噪聲較大，嚴重影響乘坐舒適性[1-2]。列車在運行中的主要噪聲源包括輪軌噪聲、空氣動力噪聲、受電弓噪聲以及車體鋼結(jié)構(gòu)振動噪聲，通過空氣傳播和結(jié)構(gòu)耦合進入車廂[3]。為降低車廂內(nèi)噪聲，傳統(tǒng)降噪方法采用材料和結(jié)構(gòu)進行隔聲、吸聲和消聲，在中高頻段可有效降噪，但因應(yīng)用場合對材料和結(jié)構(gòu)的體積和重量限制，在低頻時降噪性能有限[4]。

邢淑梅等測得時速為 200 km·h-1和 245 km·h-1的列車車內(nèi)噪聲主要頻帶為80～1 000 Hz，高頻噪聲不明顯[3]，韓鐵禮等測得時速為 200 km·h-1和350 km·h-1的列車車內(nèi)噪聲峰值在 100～200 Hz的1/3倍頻程范圍內(nèi)[5]，均表明高速列車車內(nèi)噪聲以中低頻噪聲為主。主動噪聲控制技術(shù)通過引入次級聲源影響初級噪聲源的輻射和傳輸來實現(xiàn)降噪，具有體積小、重量輕和低頻降噪性能好的特點[6]，在主動降噪耳機[7]和汽車發(fā)動機主動降噪中有廣泛應(yīng)用，在主動降噪頭靠[8]、電力變壓器噪聲控制[9]、主動降噪聲屏障[10]等場合也有大量應(yīng)用嘗試。

列車車廂的主動降噪也有部分研究[4,11-12]、Ayala Botto等提出基于模糊模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型從實測車廂噪聲中建模并進行逆控制，使用木箱模擬鐵路客車車廂進行實驗，結(jié)果表明所提方法降噪性能優(yōu)于FIR濾波控制的性能[11]。張曉排等將鐵路軟臥包間假設(shè)為五面剛性一面彈性的矩形閉空間，研究車體側(cè)墻透射噪聲的全局主動控制問題，通過數(shù)值仿真比較了內(nèi)側(cè)墻不同數(shù)量的次級源的降噪效果，結(jié)果表明使用側(cè)墻角落次級源的降噪效果較好[4]。Diaz等通過仿真和實驗研究列車臥鋪頭部附近的主動噪聲局部控制問題，使用虛擬傳聲器技術(shù)將降噪?yún)^(qū)域移動到人耳附近，實驗結(jié)果表明對于290 Hz以下低頻噪聲最大降噪量可達15 dB(A)[12]。韓榮等針對列車臥鋪車廂的主動降噪頭靠，提出一種低復(fù)雜度的魯棒性算法，提高了系統(tǒng)在人頭轉(zhuǎn)動時的控制性能[13]。Han等進一步將該魯棒性算法結(jié)合基于紅外測距儀的頭部跟蹤系統(tǒng)來監(jiān)控頭部位置，使頭部移動時的系統(tǒng)性能進一步提高[14]。

上述研究可分為兩類，一類為全局控制，將車廂建模為矩形空間，對空間內(nèi)的低階模態(tài)進行控制獲得全局降噪；另一類為基于主動降噪頭靠的局部控制，在人耳附近產(chǎn)生“靜區(qū)”，進一步使用虛擬傳聲器技術(shù)和頭部跟蹤技術(shù)提高頭部移動和轉(zhuǎn)動的系統(tǒng)性能。然而，對于高速列車的寬帶噪聲，全局控制難以實現(xiàn)，主動降噪頭靠的靜區(qū)較小，限制了乘客活動范圍。

Qiu和Zhou等基于惠更斯(Huygens)原理和基爾霍夫-亥姆霍茲(Kirchhoff-Helmholtz)積分方程提出虛擬聲屏障系統(tǒng)，在目標區(qū)域外部或邊界上布置次級聲源，通過次級聲源產(chǎn)生的聲場來整體降低邊界包圍區(qū)域的聲壓[15-16]。16通道圓柱狀虛擬聲屏障系統(tǒng)在普通房間的實驗結(jié)果表明，在半徑為0.2 m，高為0.2 m的柱狀區(qū)域，對550 Hz以下的噪聲，可獲得10 dB以上的全空間降噪，增加控制通道數(shù)可擴大降噪?yún)^(qū)域大小和提高有效降噪上限頻率[16]。Epain等采用同樣方法使用30通道系統(tǒng)控制半徑為0.3 m的球形區(qū)域內(nèi)的噪聲，研究結(jié)果表明在低頻，無論是單頻信號還是寬頻信號，球形區(qū)域都能實現(xiàn)全局降噪[17]。

上述研究表明使用多通道主動控制系統(tǒng)生成較大范圍靜區(qū)是可行的，然而靜區(qū)大小仍無法使列車上的乘客自由活動。本文針對高速列車運行時的車廂內(nèi)噪聲，研究生成可使乘客自由活動的大范圍靜區(qū)的可行性。首先設(shè)計多通道主動降噪系統(tǒng)，然后通過實驗驗證系統(tǒng)性能，最后討論影響系統(tǒng)性能的因素和實際應(yīng)用面臨的問題。

1 主動噪聲控制系統(tǒng)

1.1 物理系統(tǒng)布放

使用一節(jié)高速列車車廂進行研究，將該車廂分隔為座椅區(qū)和臥鋪區(qū)，其中座椅區(qū)長約 2.2 m，寬約2.5 m，高約2.3 m，在走道兩側(cè)分別安裝貴賓座椅1套和普通座椅4套。位于座椅區(qū)的降噪目標區(qū)域為：沿車廂軸向長為 1.8 m，沿車廂截面寬為2.5 m，高度為從車廂地面起0.5～1.8 m的1.3 m區(qū)間，該高度下限覆蓋了貴賓座椅乘客躺姿的雙耳高度，上限基本覆蓋了成年乘客站姿的雙耳高度。在車廂內(nèi)布置上下2層、共48個誤差傳聲器，分別距車廂地板0.8 m和1.4 m，每層傳聲器所在平面平行于車廂地板，傳聲器沿車廂橫向間距與縱向間距均為0.4 m，位置如圖1所示。研究表明，為使目標區(qū)域中各個位置均有效降噪，誤差傳聲器間距不超過噪聲頻率的1/2波長[18]。由文獻[5]中高速列車的頻譜可知主要噪聲約在100～200 Hz頻段，傳聲器縱向間距0.6 m，對應(yīng)頻率為283 Hz聲波的1/2波長，該頻率高于主要噪聲頻段的上限。

圖1 誤差傳聲器布設(shè)圖(俯視)Fig.1 Layout of error sensors (top view)

次級聲源數(shù)量同樣為 48個，為實用考慮，均布置在車廂各壁面，包括頂面、側(cè)面和前后端面。如圖2所示，將車廂分為4個橫截面，橫截面間距為0.55 m；每一橫截面安裝8個次級聲源，其中4個均勻安裝在車廂頂面，間距為0.45 m；4個分別安裝在車廂兩個側(cè)面，在每一側(cè)的兩個次級聲源，分別在車窗上下，距離車廂地板0.47 m和1.67 m。車廂前后端面各安裝 8個次級聲源，分為上下兩層，每層4個，在門的2側(cè)各兩個，間距為0.45 m，每層距離車廂地板分別為0.45 m和1.65 m。次級聲源在車廂頂面共 16個，近似均勻分布，在每一側(cè)面和前后端面各8個，避開車窗和門的位置后盡可能均勻分布。

圖2 次級聲源位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of secondary sources’ location

1.2 控制系統(tǒng)

主動噪聲控制系統(tǒng)框圖如圖3所示，列車車廂主動噪聲控制系統(tǒng)包括48通道控制器、48通道功率放大器、48個控制聲源、1個參考傳感器和1臺通過WIFI路由器與控制器連接的上位機。控制器由3臺16通道控制器組成，與常規(guī)控制器相同，每臺控制器包含數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing, DSP)芯片、抗混疊濾波器、重構(gòu)濾波器、模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器[19]。WIFI模塊用于控制器與上位機通訊，傳遞操作命令與狀態(tài)信息。

圖3 主動噪聲控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of the active noise control system

采用Texas Instruments (TI) TMS320C6748浮點芯片作為DSP芯片，主頻為456 MHz。采用逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換方案，在16 kHz采樣率下，包含抗混疊濾波器與重構(gòu)濾波器在內(nèi)的控制器最小延時小于187.5 μs。DSP芯片中包含濾波程序和其他功能程序，如通訊功能和系統(tǒng)操作維護功能。上位機用戶界面使用NI LabWindows/CVI軟件編寫，功能包括初始化控制器、開啟/關(guān)閉控制器、給控制器加載控制濾波器和觀察控制器工作狀態(tài)等。

降噪目標為噪聲聲壓峰值在 100～200 Hz，即中心頻率的1/3倍頻程時，最大聲壓級小于80 dB[5]。由于車廂側(cè)壁空間較小，選擇薄型 6.5 in(1 in=2.54 cm)揚聲器單元并設(shè)計扁平的箱體，其余三面則選擇5 in揚聲器單元，所有次級聲源的共振頻率均設(shè)計在100 Hz附近，靈敏度約80 dB。

選取3種參考信號拾取方式進行對比，分別是饋入初級聲源的電信號(理想?yún)⒖夹盘?、車內(nèi)玻璃窗振動信號和車內(nèi)側(cè)壁板振動信號，其中振動信號由壓電加速度計(靈敏度約為 100 mV·g-1，其中，g=9.8 m·s-2為重力加速度)采集，加速度計分別安裝在靠近貴賓座椅區(qū)域的下層玻璃窗上和靠近貴賓座椅區(qū)域的側(cè)壁板上，如圖4所示。誤差傳聲器為測量級傳聲器，靈敏度約30 mV·Pa-1。

圖4 參考加速度計位置Fig.4 Locations of reference accelerometers

通過測量初級源信號到誤差信號的初級路徑傳遞函數(shù)P、次級源到誤差信號的次級路徑傳遞函數(shù)C以及初級源信號到參考信號的傳遞函數(shù)R，離線計算得到控制濾波器W。具體為：分別輸入白噪聲信號驅(qū)動初級聲源和次級聲源，測量參考信號與車內(nèi)誤差信號，使用最小均方(Least Mean Square,LMS)算法估計得P、C和R，并通過維納濾波得到寫入噪聲控制模塊的W。

1.3 系統(tǒng)控制性能

48個誤差點控制前后聲壓平方和的比值Re反映了控制系統(tǒng)本身的降噪性能，但不足以描述目標區(qū)間內(nèi)的降噪效果。可使用目標區(qū)間內(nèi)若干測點控制前后聲壓平方和的比值Rm來評價。本文的評價點布置在乘客活動時間較長的區(qū)域的 48個測點，這些測點分布在乘客位于貴賓座椅躺姿、坐姿、站姿和位于普通座椅的坐姿、站姿頭部附近，分4層布放，其布放位置和編號如圖5所示。其中高度為1.2 m和1.6 m的測點用于評價乘客坐姿和站姿頭部位置降噪性能，高度為0.9 m和0.6 m的測點用于評價乘客躺姿(座椅不同傾角)頭部位置降噪性能。這些測點與誤差點位置不同，在目標區(qū)間的分布也較為分散，因此可反映目標區(qū)間的降噪效果。

圖5 測量傳聲器布設(shè)圖(俯視)Fig.5 Layout of measuring sensors (top view)

2 實 驗

2.1 實驗描述

將所研究的高速列車車廂布置在半消聲室中進行實驗。初級聲源為分布在車廂外的、8個使用10 in單元制作的音箱陣列，預(yù)先在線路運行的高速列車車廂上錄制噪聲，采用基于最小二乘的聲場重現(xiàn)方法在車廂內(nèi)重現(xiàn)與實測噪聲聲壓級頻譜相近的噪聲，平均頻譜與目標頻譜聲壓級之差在±2 dB(A)之內(nèi)[5]。采用前述48通道控制系統(tǒng)，圖6為車內(nèi)次級源布放和誤差傳聲器布放的實驗場景。控制器采樣頻率設(shè)為4 kHz，P為2 048階，C為1024階，R為128階，離線優(yōu)化得到的W為512階。分別對列車速度為200、250、300和350 km·h-1工況下的實錄噪聲進行測量，包括48個誤差傳聲器和48個測量傳聲器降噪前后的聲壓級，以評估降噪效果。

圖6 車內(nèi)次級源和誤差傳聲器布放的實驗場景Fig.6 Experimental scene of secondary source and error microphone placement in carriage

2.2 實驗結(jié)果

車速為350 km·h-1時，使用3種不同的參考信號，48個誤差點降噪前后的聲壓級如圖7所示，其中橫坐標為誤差點編號，圖例中的“電信號”表示參考信號為饋入初級聲源的電信號即使用理想?yún)⒖夹盘?，“窗戶”和“?cè)壁”表示使用位于車內(nèi)窗戶或側(cè)壁的加速度計拾取振動參考信號。對于這 3種參考信號，降噪量依次為 4.1～9.3 dB(A)、1.0～6.9 dB(A)和 0.6～5.1 dB(A)，誤差點降噪前后的平均聲壓級分別為6.9、3.7和2.9 dB(A)。降噪前后的聲壓級頻譜如圖8所示，可見1 000 Hz以下頻段均已降噪，噪聲高的低頻段降噪量大，不同參考信號在低頻段降噪量差距明顯。

圖7 車速為350 km·h-1時的誤差點降噪前后聲壓級Fig.7 Sound pressure levels at error sensors with and without noise control at the speed of 350 km·h-1

圖8 車速為350 km·h-1時的誤差點降噪前后平均頻譜Fig.8 Average spectrums at error sensors with and without noise control at the speed of 350 km·h-1

作為前饋控制系統(tǒng)，降噪效果與參考信號和誤差信號相干性、系統(tǒng)的因果性有關(guān)[19]。與理想?yún)⒖夹盘栂啾?，取自車廂窗戶玻璃和?cè)壁的振動信號與誤差信號的相干性低，由于側(cè)壁較厚且內(nèi)有夾層，其振動信號與誤差信號的相干性最低。系統(tǒng)因果性與各傳遞函數(shù)時延有關(guān)，對于不同的參考信號，初級路徑與次級路徑均不變，因此取決于初級源到參考信號的傳遞函數(shù) R的時延。理想?yún)⒖夹盘枟l件下，R的時延為0，而對于車廂內(nèi)玻璃或壁面拾取的參考振動信號，R包含初級噪聲在車外以及車體傳遞的路徑，因此系統(tǒng)時延更大，部分誤差點P的時延小于C與R的時延之和，系統(tǒng)不滿足因果性。因此，理想?yún)⒖夹盘枟l件下系統(tǒng)降噪效果最優(yōu)，窗戶玻璃拾取參考信號的效果次之，側(cè)壁面拾取參考信號的效果最差。

同樣對 48個測量點進行分析。車速為350 km·h-1時，使用 3種不同的參考信號，測量點降噪前后的聲壓級如圖 9所示，降噪量依次為1.9～8.3 dB(A)、1.7～5.6 dB(A)和?1.4～2.8 dB(A)，誤差點降噪前后的平均聲壓級分別為 4.8、3.4和1.1 dB(A)。降噪前后的聲壓級頻譜如圖 10所示，可見500 Hz以下頻段均已降噪，低頻段降噪量大，采用3種不同參考信號的降噪效果，理想?yún)⒖夹盘栕顑?yōu)，窗戶玻璃拾取參考信號次之，側(cè)壁面拾取參考信號最差。與誤差點的降噪效果相比，測量點降噪有效頻帶變小，降噪量減少，這些測點反映了目標區(qū)間的降噪效果。

圖9 車速為350 km·h-1時測量點降噪前后的聲壓級Fig.9 Sound pressure levels at measurement points with and without noise control at the speed of 350 km·h-1

圖10 車速為350 km·h-1時測量點降噪前后的平均頻譜Fig.10 Average spectrums at measurement points with and without noise control at the speed of 350 km·h-1

車速為200、250和300 km·h-1的實驗結(jié)果與時速 350 km·h-1的結(jié)果相似，不一一列出。4種工況下誤差點和測量點的平均降噪量如表1所示，可見：(1) 除車速為 200 km·h-1和 300 km·h-1時采用窗戶玻璃振動信號為參考信號之外，測量點降噪量均小于誤差點降噪量，這是因為優(yōu)化濾波器的代價函數(shù)即為誤差點的聲壓平方和；(2) 同一種參考信號且同一類評價點，不同車速情況下的降噪量相仿，這是因為不同車速情況在車廂內(nèi)產(chǎn)生的噪聲頻譜相差不大，低頻段均有較大分量。

表1 不同車速下采用不同參考信號的平均降噪量Tabel 1 Average noise reductions of different reference signals at different speeds

2.3 討 論

實驗結(jié)果表明，使用多通道主動噪聲控制系統(tǒng)在高速列車車廂產(chǎn)生較大范圍的靜區(qū)是可行的，本文的靜區(qū)在車身長度方向為1.8 m，覆蓋2排普通座椅，理論上若需控制多排座椅的區(qū)間，可通過增加橫截面并在橫截面上布置次級聲源來擴大靜區(qū)。

本文通過設(shè)計高速列車車廂主動噪聲控制系統(tǒng)，并實驗驗證其可行性，研究的局限性和進一步的工作包括：(1) 在物理系統(tǒng)的布放上，考慮一般性，次級聲源與誤差點位置采取均勻布放的方式。理論上對于特定環(huán)境通過建模仿真和實驗，可獲得更優(yōu)的布放方式達到更好的降噪效果，或者減少次級聲源數(shù)量達到相同的降噪效果。(2) 分析了不同參考信號對控制效果的影響，然而僅討論了一路參考信號的情況。從實際應(yīng)用考慮，產(chǎn)生車廂內(nèi)噪聲的噪聲源數(shù)量較多，一路參考信號難以保證與車廂內(nèi)噪聲信號有較強的相干性，增加加速度計的個數(shù)以及優(yōu)化位置十分重要。(3) 通過布置車外聲源，測量傳遞函數(shù)離線優(yōu)化得到控制濾波器，由于控制系統(tǒng)是非自適應(yīng)的，需研究聲傳遞路徑變化對系統(tǒng)性能的影響，分析系統(tǒng)魯棒性。(4) 針對應(yīng)用場景可設(shè)計多通道自適應(yīng)系統(tǒng)，為避免誤差傳聲器與乘客移動產(chǎn)生沖突，需考慮虛擬誤差傳聲器技術(shù)；考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本，需研究非集中控制策略。

3 結(jié) 論

針對高速列車運行時的車廂內(nèi)噪聲，研究了在可使乘客自由活動的大范圍區(qū)域進行主動降噪的可行性。首先針對高速列車實測噪聲聲壓頻譜與目標降噪?yún)^(qū)域尺寸(1.8 m×2.5 m×1.3 m)，設(shè)計了48通道主動降噪系統(tǒng)，次級聲源布放于車廂5個壁面，誤差傳聲器在車廂內(nèi)均勻布放，通過測量各聲學(xué)路徑傳遞函數(shù)，離線計算控制濾波器。其次使用車外聲場重現(xiàn)系統(tǒng)，在實驗車廂內(nèi)產(chǎn)生與高速列車上實測噪聲的聲壓頻譜相似的初級噪聲，通過實驗驗證主動降噪系統(tǒng)的性能，分析不同車速時的噪聲和不同參考信號下系統(tǒng)性能的異同。實驗結(jié)果表明，對于200、250、300和350 km·h-1這4種車速工況，使用理想?yún)⒖夹盘柨稍谀繕藚^(qū)域的 48個測量點獲得 4.1～4.9 dB(A)的平均降噪量，使用車內(nèi)窗戶的振動信號為參考信號可獲得 3.1～4.7 dB(A)的平均降噪量，降噪頻段主要在500 Hz以下。由于不同車速下的噪聲頻譜相近，降噪量也相近。從實際應(yīng)用角度，進一步的工作包括：物理系統(tǒng)的優(yōu)化、參考信號的選擇和優(yōu)化、系統(tǒng)魯棒性的分析與優(yōu)化、非集中式自適應(yīng)系統(tǒng)研究。