車內噪聲主動控制系統(tǒng)次級聲源布置分析

段珂釗,龐 茂

(浙江科技學院 機械與能源工程學院,杭州 310023)

隨著人們對汽車乘坐舒適性要求的提高,車內噪聲問題受到更多的關注。噪聲會對人體產生很多危害,既會引起聽覺系統(tǒng)的變化,也會使人的生理和心理產生如神經衰弱綜合征、心血管疾病、失眠、心煩易怒等病癥,長期接觸比較強烈的噪聲可以引起病理性改變[1],因此,降低汽車噪聲具有重要意義。針對不同噪聲源,傳統(tǒng)的降噪方式主要是進行聲音隔離、增加結構阻尼、使用吸聲材料和噪聲源控制等,這些都屬于被動降噪技術[2]。被動降噪可以降低高頻或中頻噪聲,但對低頻噪聲卻無法達到理想的降噪效果。

噪聲主動控制(active noise control,ANC)又稱有源降噪,該技術由德國物理學家Paul Leug于1933年提出[3],ANC技術可以彌補被動降噪技術在低頻降噪方面的不足,因而近年來得到越來越多的重視。實車環(huán)境中噪聲的幅值、頻率、相位處于不斷變化的過程中,為了使ANC適應這些變化始終保持較好的降噪效果,自適應濾波技術[4]被運用其中,形成了自適應噪聲主動控制。隨著信號處理技術、電子科技和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展,自適應噪聲主動控制的降噪效果也日益提升。

近年來,國內外關于噪聲主動控制的研究主要涉及自適應算法和車內設備布置兩方面。在算法方面,不斷改善以提升計算的準確性和速度,Sun等[5]提出了一類基于閾值的脈沖噪聲魯棒處理算法,Siswanto等[6]提出了一種基于插值法和抽取技術的多速率音頻集成反饋ANC系統(tǒng),趙漢波等[7]提出在局部區(qū)域進行多個線譜噪聲主動控制的方法,姜吉光等[8-9]提出基于頻率選擇性最小均方算法的噪聲主動控制系統(tǒng)。在車內設備布置方面,對車內環(huán)境進行聲學相關分析可以為設備布置提供有效的幫助,Diaz等[10]針對火車臥鋪車廂降噪進行了設計及試驗,以擴大乘客頭部周圍的靜音效果,鄧丹丹[11]運用Virtual Lab軟件對客車聲場和ANC控制進行了仿真分析,探究了客車車廂內主動降噪的設備布置方案?；谇叭说难芯?本研究旨在探討車內主動噪聲控制系統(tǒng)的設備布置方案與降噪效果的關系,并篩選出最合適的車內控制系統(tǒng)布置方式,以進一步提高車內空間的降噪效果。

1 噪聲主動控制原理

1.1 聲學原理

自適應噪聲主動控制基于楊氏干涉理論,當具有相同頻率、恒定相位差的聲波相遇時就會發(fā)生干涉現(xiàn)象,干涉后聲能的增加或減少取決于聲波相位與幅值的關系。因此,可通過次級聲源發(fā)出與初級聲源頻率相同、幅值相同、相位相反的聲音,進行聲波相抵消來實現(xiàn)降低噪聲[12],楊氏干涉理論如圖1所示。

圖1 楊氏干涉理論Fig.1 Young’s interference theory

設聲場中單位體積媒介所含有的聲能為E,則一個周期內的平均聲能密度

(1)

式(1)中:Pe為聲壓的有效值;ρ0為傳播媒介密度;c為聲速。

假設初級聲源信號為

P1=A1cos(ωx-φ1)。

(2)

次級聲源信號為

P2=A2cos(ωx-φ2)。

(3)

相干波疊加后的總平均聲能密度為

(4)

1.2 FxLMS算法原理

在傳統(tǒng)的最小均方(least mean square,LMS)[13]算法中,并沒有考慮次級通道傳遞函數(shù)C(z)對算法性能的影響。實際上,誤差傳聲器獲取的誤差信號e(n)因次級通道傳遞函數(shù)的存在與參考信號x(n)形成了時間差,導致系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。于是,為彌補參考信號與誤差信號之間的時間差衍生出了濾波-xLMS算法(filtered-xLMS,FxLMS)[14]。基于FxLMS算法的有限沖擊響應(FIR)自適應濾波結構如圖2所示,圖中x(n)為參考信號,P(z)為初級通道的傳遞函數(shù),d(n)為誤差傳聲器采集的初級聲源期望信號,W(z)為自適應濾波器,y(n)為自適應濾波器的輸出信號也是次級聲源的驅動信號,C(z)為次級通道的傳遞函數(shù),s(n)為誤差傳聲器采集的次級聲源信號,r(n)為經過濾波的參考信號,e(n)為聲場疊加后誤差傳聲器采集的誤差信號。

圖2 基于FxLMS算法的FIR自適應濾波結構Fig.2 FIR adaptive filtering structurebased on FxLMS

參考信號x(n)經過初級通道傳遞,與初級通道傳遞函數(shù)P(z)相乘后獲得期望信號d(n);同理,濾波器輸出信號y(n)經過次級通道傳遞,與次級通道傳遞函數(shù)C(z)的卷積獲得次級聲源信號s(n)。自適應算法調教濾波權值系數(shù)所依據(jù)的信號為濾波參考信號r(n),以平衡次級通道的影響,這也是FxLMS算法與LMS算法的主要區(qū)別,濾波參考信號r(n)是聲源向量X(n)與次級通道傳遞函數(shù)C(n)的卷積:

r(n)=X(n)C(z)。

(5)

由此可獲得誤差信號e(n)和濾波權值系數(shù)迭代公式分別為

e(n)=d(n)-s(n)=x(n)P(z)-WT(n)X(n)C(n);

(6)

W(n+1)=W(n)-2μe(n)r(n)。

(7)

2 車內模型聲學仿真分析

聲學模態(tài)是聲腔的固有特性[15],每個聲學模態(tài)都具有對應的固有頻率、阻尼比及模態(tài)振型等特性。當聲腔的激勵接近或等于某階固有頻率且與其振型不垂直時,就會發(fā)生聲腔共鳴,使得噪聲增大,而在進行汽車設計時則需要盡可能地避免此類狀況發(fā)生。研究單個聲學模態(tài)所對應聲壓在空間的分布規(guī)律,有助于研究主動降噪系統(tǒng)次級聲源的位置和個數(shù)對降噪效果的影響。

主動降噪主要針對的是低頻噪聲,因此,本文主要探究簡化的轎車駕駛室模型在50～400 Hz范圍內的聲場模態(tài)所對應的特征頻率和聲壓分布,駕駛室簡易模型如圖3所示。運用ANSYS軟件對該模型進行仿真分析,其前6階特征頻率依次為91.42、120.17、124.49、171.62、211.08、228.22 Hz,各特征頻率對應的聲壓分布如圖4所示。

圖3 駕駛室簡易模型Fig.3 Simple cab model

圖4 各特征頻率對應的聲壓分布Fig.4 Sound pressure distribution corresponding to each characteristic frequency

聲場仿真的結果顯示,低階模態(tài)多分布于車內的前、后端下邊緣,特征頻率升高,車內左右兩側模態(tài)分布增加,整體模態(tài)分布的數(shù)量也增多,且聲壓較高處多集中在結構轉折處。

理論上,可以增加噪聲主動控制系統(tǒng)的次級聲源數(shù)量以達到提高降噪效果的目的,但是在實際試驗與運用中,次級聲源數(shù)量的增多會使得自適應濾波器的負荷增加,控制系統(tǒng)更加復雜,也不便于安裝。Nelson等[16]對矩形封閉空間內次級聲源的布置進行了研究,證明封閉空間內次級聲源在不同位置的降噪效果有很大差別,有規(guī)律的布置設備比無序的布置能夠獲得更理想的降噪效果。

在同樣的駕駛室簡易模型中選取4組聲源位置先后發(fā)聲,如圖5所示,各組位置均產生聲源頻率為50～500 Hz、幅值為0.1 kg/s、相位為0°的聲音,并觀察230 Hz時駕駛室內的聲壓分布,如圖6所示。

圖5 4組聲源位置Fig.5 Four groups of sound sources

圖6 頻率為230 Hz時4組位置聲壓分布Fig.6 Distribution of sound pressure in four groups at 230 Hz frequency

從圖6中可以看出,A組聲源剛好處于特征頻率228.22 Hz聲模態(tài)的節(jié)面處,其產生的空間聲壓除了聲源附近外,其余位置聲壓極低幾乎不能在駕駛室內產生聲響。B組和C組聲源都處于該階聲模態(tài)的反節(jié)面處,能夠較好地產生空間聲響,且產生的空間聲壓分布與該階聲模態(tài)分布一致。D組聲源處于節(jié)面與反節(jié)面的過渡位置,其產生的空間聲響雖不如B、C兩組,但也能較好地產生空間聲響且聲壓分布也與該階聲模態(tài)分布一致。

從汽車駕駛室簡易模型的聲學仿真結果可以看出,車內的聲模態(tài)分布具有明顯的規(guī)律性,噪聲主動控制的降噪效果也依賴于封閉空間的聲場特性,因而噪聲主動控制設備的布置應該依據(jù)車內聲場特性滿足以下規(guī)律:

1)次級聲源應該布置在聲模態(tài)反節(jié)面,不能布置在聲模態(tài)節(jié)面附近。其原因是若將次級聲源布置在某階聲模態(tài)節(jié)面位置處,則難以激勵起該階模態(tài),要抵消空間的聲場就需要提高聲源強度,距離太近時甚至導致空間內的總時間平均聲勢能Ep失去控制。

2)控制系統(tǒng)要抑制車內的N個模態(tài)并不一定需要布置與之相應的N個次級聲源。其原因是不同階模態(tài)在某些位置存在相同的聲壓幅值,若將一個次級聲源放置在幾個主導聲模態(tài)共同的較大幅值處,則僅此一個次級聲源便可同時利用這幾個聲模態(tài)對相應的多個特征頻率噪聲實現(xiàn)有效的抑制。

3 試驗與分析

當次級聲源處于某階聲模態(tài)的節(jié)線或節(jié)面處時,則不易激發(fā)該階模態(tài),且降低聲場總勢能所需要的次級聲源強度很大,將次級聲源布置在某階聲模態(tài)幅值最大處可以以較低的強度控制該階聲模態(tài)。根據(jù)仿真圖及實車環(huán)境,選用以下4種次級聲源布置方式進行試驗,如圖7所示。本試驗在室內封閉空間內進行,初級聲源音響和次級聲源音響布置在同一水平面內,傳聲器與初級聲源音響布置在同一垂直面內,初級聲源音響至傳聲器距離為1 m。以500 Hz的正弦信號作為初級聲源,聲音采樣頻率為1 000 Hz、采樣時間為3 s,為保證FxLMS算法有較好的收斂效果和收斂速度,經過對算法的仿真測試選取濾波器階數(shù)L=200、收斂因子μ=0.001。4種次級聲源布置方式具體如下:

圖7 4種次級聲源布置方式Fig.7 Four layout modes of secondary sound sources

1)布置方式A。以傳聲器與初級聲源音響的連線作為中心線,2個次級聲源音響對稱布置在左右兩側,2個音響距離為1.3 m,且紙盆相對,傳聲器位于次級聲源音響的中心線上。

2)布置方式B。與方式A不同的是此處2個次級聲源音響位于傳聲器后面0.5 m處,且兩者的紙盆朝向前方,即與初級聲源音響的紙盆相對。

3)布置方式C。整體位置與方式B相同,但是此處將2個次級聲源音響的紙盆朝向上方。

4)布置方式D。2個次級聲源揚聲器仍然關于中心線對稱布置,其位于傳聲器上方,揚聲器紙盆向下,相當于將方式B旋轉90°,類似實車中安裝在座椅上方的車頂位置。

4種不同次級聲源布置方式對應的時域圖和頻譜圖如圖8所示,從圖中可以發(fā)現(xiàn):布置方式B的降噪效果最佳,次級噪聲聲波能與初級噪聲聲波實現(xiàn)較好的抵消,基本上能夠保持15 dB的降噪效果;布置方式A也能夠達到15 dB的降噪效果,但是該位置的時域信號波動大,甚至會出現(xiàn)降噪后聲場噪聲增大的情況,這可能是因為聲波發(fā)生疊加出現(xiàn)了明顯的相加性干涉,疊加后的總噪聲幅值大于初級噪聲幅值;布置方式C能夠降低12 dB左右,降噪效果不如方式A和方式B;布置方式D結果與方式A相似,能夠達到15 dB左右的降噪幅值,同樣存在著較大的波動,但該波動或許是由于地面及座椅的反射聲波被誤差傳聲器直接獲取,形成了干擾的原因。因此,在實車布置主動降噪設備時,次級聲源音響應正對傳聲器,且應當避免初級聲源與次級聲源呈垂直位置狀態(tài)。

圖8 4種次級聲源布置方式對應結果Fig.8 Corresponding results of four layout modes of sound sources

4 結 語

本研究搭建了以FxLMS算法為基礎的自適應主動降噪控制試驗平臺,算法參數(shù)選擇為:濾波器階數(shù)L=200、收斂因子μ=0.001。運用ANSYS聲學功能對簡易駕駛室模型進行聲學仿真分析,得出前6階聲模態(tài)對應的特征頻率和聲壓分布,在模型中設置4組聲源進行仿真,得出每組聲源激勵下的230 Hz時駕駛室內的聲壓云圖。將聲學仿真結果與實車情況相結合,在試驗室內,將次級聲源布放在4種位置,對初級噪聲為500 Hz的正弦波噪聲進行降噪試驗,以觀察設備布放位置對主動降噪效果的影響。結果表明,4種次級聲源布放位置均能實現(xiàn)12 dB以上的降噪幅度,其中布置方式B的降噪效果最佳,既能實現(xiàn)較高的降噪幅值,又能保障整體的穩(wěn)定性。由此可以得出,為了使整體降噪幅度更大、系統(tǒng)更穩(wěn)定,次級聲源應當正對傳聲器,且初級聲源與次級聲源的位置相對,這為實車環(huán)境下的設備布置提供了重要依據(jù)。