轎車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲聲品質(zhì)主動(dòng)控制系統(tǒng)的研究

婁潔

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，安徽蕪湖241006）

轎車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲聲品質(zhì)主動(dòng)控制系統(tǒng)的研究

婁潔

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，安徽蕪湖241006）

隨著經(jīng)濟(jì)水平和汽車(chē)技術(shù)的飛速發(fā)展，要求噪聲控制技術(shù)要在降低噪聲等級(jí)的同時(shí)，通過(guò)調(diào)整聲音的特性，最終實(shí)現(xiàn)人性化的噪聲控制，這就是噪聲的主動(dòng)控制和改善.本文在闡明噪聲主動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用意義基礎(chǔ)上，詳細(xì)提出了該系統(tǒng)的構(gòu)建方案、硬件組成和工作原理，同時(shí)，也指出了目前在噪聲主動(dòng)控制技術(shù)方面還有待解決的問(wèn)題.

噪聲；聲品質(zhì)；主動(dòng)控制技術(shù)

隨著汽車(chē)技術(shù)的飛速發(fā)展，不同品牌的同級(jí)別轎車(chē)在性?xún)r(jià)比上的差別日漸縮小，而近些年來(lái)，隨著消費(fèi)者消費(fèi)水平的不斷提高和消費(fèi)需求的不斷變化，在購(gòu)車(chē)時(shí)人們?cè)絹?lái)越注重轎車(chē)在駕乘時(shí)的舒適性能，而作為汽車(chē)舒適性能主要內(nèi)容的車(chē)內(nèi)噪聲自然也就成了人們?nèi)找骊P(guān)注的部分.因此，越來(lái)越多的轎車(chē)生產(chǎn)企業(yè)開(kāi)始重視汽車(chē)噪聲性能的提高，而提高車(chē)輛噪聲的控制水平也成了新的競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)和研發(fā)方向，企業(yè)紛紛制定了整車(chē)設(shè)計(jì)噪聲的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，并深入開(kāi)展轎車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲控制技術(shù)的研究.

1 聲品質(zhì)的概念

聲品質(zhì)的概念是1994年由德國(guó)人Blauert和Bodden提出來(lái)，他們認(rèn)為：聲品質(zhì)是在特定的技術(shù)目標(biāo)或任務(wù)下對(duì)聲音適宜性的描述，能夠反映人們對(duì)聲音事件的主觀感受.他們特別指出，“聲”并不是指單純聲波這樣一個(gè)物理過(guò)程，而是指人耳的聽(tīng)覺(jué)感知過(guò)程；“品質(zhì)”則是由人耳對(duì)聲音事件感知過(guò)程最終做出的主觀判斷[1].

聲品質(zhì)概念的出現(xiàn)，給汽車(chē)噪聲控制技術(shù)的研究提出了新的要求，即要在降低噪聲等級(jí)的同時(shí)，通過(guò)調(diào)整聲音的特性，最終實(shí)現(xiàn)人性化的噪聲控制，使聽(tīng)者舒適，這就是噪聲的主動(dòng)控制和改善.聲品質(zhì)的概念還告訴我們，車(chē)內(nèi)噪聲并不完全是令人煩躁的成分，因此在車(chē)內(nèi)降噪中實(shí)現(xiàn)選擇性的噪聲控制，使車(chē)內(nèi)駕乘人員感覺(jué)更加舒適，已經(jīng)成為當(dāng)前深入研究噪聲控制技術(shù)的主要目的，而通過(guò)主動(dòng)降噪所得到的車(chē)內(nèi)優(yōu)質(zhì)的聲音效果也能成為汽車(chē)品牌的特色亮點(diǎn).

2 聲品質(zhì)的控制方法簡(jiǎn)介

2.1 控制方法簡(jiǎn)介

多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多專(zhuān)家學(xué)者致力于車(chē)內(nèi)噪聲控制技術(shù)的研究，并取得了一定的成果.目前，車(chē)內(nèi)噪聲的控制方法主要有被動(dòng)控制技術(shù)、主動(dòng)控制技術(shù)和NVH技術(shù).

2.1.1 被動(dòng)控制技術(shù)

噪聲的被動(dòng)控制技術(shù)又被叫做被動(dòng)降噪，主要用來(lái)降低車(chē)內(nèi)中、高頻噪聲[2].根據(jù)車(chē)內(nèi)噪聲的傳播途徑，該方法主要通過(guò)減弱或消除聲源噪聲、隔聲、吸聲、消除共振、密封等途徑來(lái)達(dá)到降噪的目的.由于被動(dòng)控制技術(shù)簡(jiǎn)單易行、效果明顯且成本低，長(zhǎng)期以來(lái)在車(chē)內(nèi)降噪中廣泛應(yīng)用.找到聲源并降低其噪聲是被動(dòng)控制中最直接、有效的途徑，但有時(shí)噪聲聲源不容易識(shí)別，必需采用其他措施來(lái)達(dá)到降噪目的，如將吸聲材料安裝在噪聲空間的界面上，通過(guò)吸收轉(zhuǎn)化聲能量，減小空間的聲壓級(jí)，從而達(dá)到降噪的目的；由于噪聲的出現(xiàn)大多伴隨著振動(dòng)的產(chǎn)生，并且車(chē)身共振時(shí)，噪聲通常會(huì)被放大，因此在被動(dòng)控制技術(shù)中通常采用阻尼隔振來(lái)抑制共振現(xiàn)象，能有效減少車(chē)內(nèi)結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲.

2.1.2 主動(dòng)控制技術(shù)

由于被動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用通常會(huì)增加汽車(chē)整體質(zhì)量，與汽車(chē)輕量化的發(fā)展趨勢(shì)相矛盾，并且對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲中的低頻部分控制效果不明顯，因此，通過(guò)人為的安裝外部聲源，產(chǎn)生聲波利用相互干涉的原理控制原噪聲.這種方法由于加入了外部聲源，且控制過(guò)程和原理明顯與被動(dòng)控制方法不同，因此又被稱(chēng)為有源消聲法.

2.1.3 NVH技術(shù)

NVH（Noise、Vibration、Harshness）通常指的是汽車(chē)的噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度[3]，是衡量汽車(chē)制造制造質(zhì)量的綜合性指標(biāo)，也是人體聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)和視覺(jué)感受的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，由于他們?cè)谲?chē)輛中是同時(shí)出現(xiàn)且密不可分的，所以把它們放在一起研究.汽車(chē)NVH技術(shù)則是以整車(chē)作為研究對(duì)象，尋找并分析噪聲和振動(dòng)的產(chǎn)生源頭、機(jī)理，找到降噪減振的方法，從而提高整車(chē)的舒適性能.但有整車(chē)系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，因此通常將它分解成若干個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行研究.

2.2 噪聲主動(dòng)控制技術(shù)及其發(fā)展

噪聲主動(dòng)控制（ActiveNoiseControl，簡(jiǎn)稱(chēng)“ANC”），又被稱(chēng)為“有源消聲”[4]，其主要的特點(diǎn)是對(duì)于低頻噪聲有較好的控制效果，而這一點(diǎn)恰恰彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的被動(dòng)降噪技術(shù)的不足，再加上ANC系統(tǒng)質(zhì)量小、便于在整車(chē)中布置，因此近年來(lái)在車(chē)內(nèi)降噪研究中得到了廣泛應(yīng)用和推廣.“有源消聲”是根據(jù)兩列聲波相消性干涉和輻射抑制的原理，在一定空間內(nèi)通過(guò)外部（次級(jí)）聲源產(chǎn)生一個(gè)外部（次級(jí)）聲信號(hào)與初級(jí)聲信號(hào)聲波幅值相等、相位相反，則兩聲波相互干涉抵消,達(dá)到降噪的目的.

有源消聲的概念最早是在1934年由德國(guó)物理學(xué)家PualLueg提出并申請(qǐng)了專(zhuān)利，并在1936年撰寫(xiě)文章闡明其基本原理[5][6].但由于科技發(fā)展的限制，該技術(shù)一直無(wú)法得到實(shí)際的發(fā)展和應(yīng)用.直到1985年，噪聲主動(dòng)控制技術(shù)開(kāi)始被嘗試著應(yīng)用到車(chē)內(nèi)噪聲控制上.在過(guò)去的三十年中，專(zhuān)家學(xué)者們對(duì)有源降噪做了大量理論和應(yīng)用技術(shù)研究，將自適應(yīng)濾波技術(shù)應(yīng)用于噪聲主動(dòng)控制，構(gòu)建了能夠持續(xù)跟蹤噪聲源和環(huán)境變化的控制系統(tǒng)，保證了最佳的降噪效果，這就是自適應(yīng)噪聲主動(dòng)控制系統(tǒng)（AdaptiveActiveNoiseControl，簡(jiǎn)稱(chēng)AANC系統(tǒng)）的誕生.自適應(yīng)控制系統(tǒng)的研究與發(fā)展使大大加速了有源消聲技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用.

2.3 噪聲主動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用的意義

近些年來(lái)噪聲主動(dòng)控制技術(shù)之所以在車(chē)內(nèi)降噪中得以快速的應(yīng)用和發(fā)展，首先是因?yàn)樗茚槍?duì)噪聲產(chǎn)生的源頭，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行主動(dòng)控制和干預(yù)，從而實(shí)現(xiàn)噪聲的消除、減弱和聲品質(zhì)的改善；其次，主動(dòng)控制技術(shù)大大提高了低頻噪聲的控制效果.有研究表明[7]：根據(jù)車(chē)內(nèi)噪聲的產(chǎn)生來(lái)源分析可知，發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系在工作中產(chǎn)生的噪聲是車(chē)內(nèi)噪聲的主要來(lái)源，而這類(lèi)噪聲具有頻率低、周期性等特點(diǎn)，無(wú)法使用傳統(tǒng)的被動(dòng)降噪方法來(lái)達(dá)到理想的降噪效果，相反的，主動(dòng)控制方法則能起到有效的降噪作用.第三，目前的噪聲主動(dòng)控制系統(tǒng)從組成上來(lái)看，一般具有機(jī)構(gòu)緊湊、整體重量輕、成本低等特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和安裝，基本不會(huì)對(duì)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)性能造成不良影響.

主動(dòng)控制技術(shù)由于在改善聲品質(zhì)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)μ囟l段的噪聲進(jìn)行控制，因此能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)某些心理聲學(xué)參數(shù)的改變，從而改善聽(tīng)音者的感受.曾經(jīng)有專(zhuān)業(yè)公司做過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)在一輛轎車(chē)上安裝了噪聲主動(dòng)控制系統(tǒng)之后，通過(guò)儀器測(cè)試和聽(tīng)音者感受發(fā)現(xiàn)，不僅有效降低了聲壓級(jí)，同時(shí)響度也明顯減小，聽(tīng)音者感覺(jué)更加愉悅.由此可見(jiàn)，在改善車(chē)內(nèi)聲品質(zhì)研究中應(yīng)用主動(dòng)控制技術(shù)具有十分廣闊的前景.

3 噪聲聲品質(zhì)主動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)建和作用原理

3.1 車(chē)內(nèi)聲品質(zhì)主動(dòng)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)方案

在進(jìn)行了大量的主動(dòng)控制系統(tǒng)算法分析論證基礎(chǔ)上，開(kāi)始構(gòu)建車(chē)內(nèi)聲品質(zhì)主動(dòng)控制系統(tǒng)的組成.該系統(tǒng)由四部分組成，分別是控制單元、殘留聲信號(hào)采集模塊、外加聲源、振動(dòng)信號(hào)采集模塊，其中控制單元是系統(tǒng)的核心部分，它匯集了初級(jí)聲信號(hào)辨識(shí)、濾波分頻、發(fā)生簡(jiǎn)諧信號(hào)、功率放大、轉(zhuǎn)換電路等作用和功能，控制系統(tǒng)的整體工作運(yùn)行；外加聲源即指在車(chē)內(nèi)外加的揚(yáng)聲器，一般放置兩個(gè)，對(duì)應(yīng)于各自的誤差傳感器；而誤差傳聲器則主要負(fù)責(zé)采集殘余噪聲信號(hào)；車(chē)輛工作中來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體和車(chē)身的振動(dòng)信號(hào)則是由安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)和車(chē)身上的五個(gè)加速度傳感器負(fù)責(zé)收集，通常發(fā)動(dòng)機(jī)布置一個(gè)傳感器，車(chē)身上布置四個(gè)對(duì)稱(chēng)安裝的傳感器.

3.2 系統(tǒng)的硬件組成

3.2.1 控制單元

控制單元是車(chē)內(nèi)聲品質(zhì)主動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，根據(jù)其性能要求選擇了目前技術(shù)成熟的的DSP（DataSignalProcessor）數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，由于采用特殊的軟硬件結(jié)構(gòu)，DSP芯片是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，可以快速實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法，具有大規(guī)模集成、穩(wěn)定性好、精度高、速度快、集成方便等特點(diǎn).

在DSP芯片基礎(chǔ)上，再將各信號(hào)前置放大模塊、電荷放大模塊、功率放大模塊、控制面板、電塊等集于一體，各外部信號(hào)接口均集成在控制面板上以方便操作，由此完成控制單元的構(gòu)建.

3.2.2 誤差傳聲器

在主控控制系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)，選取的誤差傳聲器的個(gè)數(shù)通常與外加聲源的個(gè)數(shù)相等[8]，在設(shè)計(jì)其安防位置時(shí)，只要能夠保證消聲空間能夠得到充分利用，最優(yōu)位置并不是唯一的，考慮上述情況和安裝方便，大多在駕駛員的座椅頭枕內(nèi)安裝誤差傳聲器.因此，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)會(huì)影響傳聲器的工作效果，這就要求選用的傳聲器能有效阻擋外界振動(dòng)的干擾.通常有兩類(lèi)傳聲器可供選擇，一是預(yù)先極化電容式傳聲器，一是壓電式傳聲器，相比來(lái)說(shuō)，前者在工作時(shí)受外界振動(dòng)的影響較小，因此適合用在主動(dòng)控制試驗(yàn)中.

3.2.3 揚(yáng)聲器

控制系統(tǒng)的外加聲源（又稱(chēng)“次級(jí)聲源”）一般指的是揚(yáng)聲器，揚(yáng)聲器通過(guò)輸出一個(gè)起抵消作用的聲信號(hào)，來(lái)改善車(chē)內(nèi)聲品質(zhì)，不難看出，揚(yáng)聲器的性能好壞對(duì)聲品質(zhì)的改善起著重要的作用和影響.因此選擇揚(yáng)聲器時(shí)需注意以下性能指標(biāo)的要求（表1）：

表1 主控控制系統(tǒng)中揚(yáng)聲器的性能指標(biāo)要求

3.3 工作過(guò)程原理

按以上結(jié)構(gòu)構(gòu)建的主動(dòng)控制系統(tǒng)，是以發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體和車(chē)身懸置點(diǎn)處的五路加速度信號(hào)為輸入，以次級(jí)聲源即兩個(gè)揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音信號(hào)為輸出，并以副駕駛耳旁處的兩路殘余噪聲信號(hào)為反饋的閉環(huán)前饋型控制系統(tǒng).在作用過(guò)程中，采用濾波誤差最小均方算法(FELMS，F(xiàn)iltered—errorLeastMean Square)[9]，隨時(shí)計(jì)算誤差信號(hào)即殘余噪聲信號(hào)的響度和尖銳度等客觀參量，使系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài).

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著聲品質(zhì)概念的發(fā)展和完善，業(yè)內(nèi)越來(lái)越認(rèn)識(shí)到，它除了與心理聲學(xué)的屬性特點(diǎn)相關(guān)，還與聽(tīng)音者的感覺(jué)有直接關(guān)系，因此聽(tīng)音者對(duì)聲源的辨識(shí)、預(yù)期和情緒等自身因素都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生重要的影響，這也給主動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了難題.目前，雖然國(guó)內(nèi)的專(zhuān)家、學(xué)者已經(jīng)在主動(dòng)控制技術(shù)方面取得了一定的研究成果，但仍然有不少難題有待解決：如有源降噪機(jī)理的深入研究、車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)優(yōu)化布置、提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性等等.相信隨著電子技術(shù)、控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和智能材料的發(fā)展，車(chē)內(nèi)聲品質(zhì)主動(dòng)控制系統(tǒng)也將會(huì)得到深入的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用.

〔1〕RainerGuski.PsychologicalMethodforEvaluatingSoundQualityandAssessingAcousticInformation[J].Acustica/actaacoustica.1997,Vol. 83,765-773.

〔2〕沈國(guó)華，王鐵剛.汽車(chē)NVH特性概述[J].客車(chē)技術(shù)與研究，2007（10）：7-13.

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〔4〕韓秀苓,等.有源噪聲控制技術(shù)分析[J].應(yīng)用聲學(xué)，1994（7）：7-13.

〔5〕Lueg.ProcessofSilencingSoundOscillations. GermanPatentDRP,1933,No.655:508.

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〔7〕胡嘯，胡愛(ài)群，涂有超.機(jī)動(dòng)車(chē)輛室內(nèi)復(fù)合主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].噪聲與振動(dòng)控制，2001（1）.

〔8〕侯宏，王沖，孫朝暉,等.自適應(yīng)有源聲吸收中誤差傳聲器的優(yōu)化[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997（4）：581-582.

〔9〕劉宗巍.車(chē)內(nèi)噪聲聲品質(zhì)建模分析與自適應(yīng)主動(dòng)控制研究[D].吉林大學(xué)，2007.

U467.4

A

1673-260X（2013）11-0037-03

本文系蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目（WZ[2011]ky02）成果論文