段珂釗,龐 茂

(浙江科技學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院,杭州 310023)

隨著人們對汽車乘坐舒適性要求的提高,車內(nèi)噪聲問題受到更多的關(guān)注。噪聲會對人體產(chǎn)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(chǎn)生如神經(jīng)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(qiáng)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(jìn)行聲音隔離、增加結(jié)構(gòu)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(shù)[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(dá)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(shù)由德國物理學(xué)家Paul Leug于1933年提出[3],ANC技術(shù)可以彌補(bǔ)被動降噪技術(shù)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(yīng)這些變化始終保持較好的降噪效果,自適應(yīng)濾波技術(shù)[4]被運(yùn)用其中,形成了自適應(yīng)噪聲主動控制。隨著信號處理技術(shù)、電子科技和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展,自適應(yīng)噪聲主動控制的降噪效果也日益提升。

近年來,國內(nèi)外關(guān)于噪聲主動控制的研究主要涉及自適應(yīng)算法和車內(nèi)設(shè)備布置兩方面。在算法方面,不斷改善以提升計算的準(zhǔn)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(shù)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(jìn)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(nèi)設(shè)備布置方面,對車內(nèi)環(huán)境進(jìn)行聲學(xué)相關(guān)分析可以為設(shè)備布置提供有效的幫助,Diaz等[10]針對火車臥鋪車廂降噪進(jìn)行了設(shè)計及試驗,以擴(kuò)大乘客頭部周圍的靜音效果,鄧丹丹[11]運(yùn)用Virtual Lab軟件對客車聲場和ANC控制進(jìn)行了仿真分析,探究了客車車廂內(nèi)主動降噪的設(shè)備布置方案?；谇叭说难芯?本研究旨在探討車內(nèi)主動噪聲控制系統(tǒng)的設(shè)備布置方案與降噪效果的關(guān)系,并篩選出最合適的車內(nèi)控制系統(tǒng)布置方式,以進(jìn)一步提高車內(nèi)空間的降噪效果。

1 噪聲主動控制原理

1.1 聲學(xué)原理

自適應(yīng)噪聲主動控制基于楊氏干涉理論,當(dāng)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(guān)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(jìn)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(shè)聲場中單位體積媒介所含有的聲能為E,則一個周期內(nèi)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(shè)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(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。于是,為彌補(bǔ)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(yīng)(FIR)自適應(yīng)濾波結(jié)構(gòu)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(yīng)濾波器,y(n)為自適應(yīng)濾波器的輸出信號也是次級聲源的驅(qū)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(jīng)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(yīng)濾波結(jié)構(gòu)Fig.2 FIR adaptive filtering structurebased on FxLMS

參考信號x(n)經(jīng)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(jīng)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(yīng)算法調(diào)教濾波權(quán)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(quán)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(nèi)模型聲學(xué)仿真分析

聲學(xué)模態(tài)是聲腔的固有特性[15],每個聲學(xué)模態(tài)都具有對應(yīng)的固有頻率、阻尼比及模態(tài)振型等特性。當(dāng)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(jìn)行汽車設(shè)計時則需要盡可能地避免此類狀況發(fā)生。研究單個聲學(xué)模態(tài)所對應(yīng)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(nèi)的聲場模態(tài)所對應(yīng)的特征頻率和聲壓分布,駕駛室簡易模型如圖3所示。運(yùn)用ANSYS軟件對該模型進(jìn)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(yīng)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(yīng)的聲壓分布Fig.4 Sound pressure distribution corresponding to each characteristic frequency

聲場仿真的結(jié)果顯示,低階模態(tài)多分布于車內(nèi)的前、后端下邊緣,特征頻率升高,車內(nèi)左右兩側(cè)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(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)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(dá)到提高降噪效果的目的,但是在實際試驗與運(yùn)用中,次級聲源數(shù)量的增多會使得自適應(yīng)濾波器的負(fù)荷增加,控制系統(tǒng)更加復(fù)雜,也不便于安裝。Nelson等[16]對矩形封閉空間內(nèi)次級聲源的布置進(jìn)行了研究,證明封閉空間內(nèi)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(shè)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(chǎn)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(nèi)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(chǎn)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(nèi)產(chǎn)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(chǎn)生空間聲響,且產(chǎn)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(chǎn)生的空間聲響雖不如B、C兩組,但也能較好地產(chǎn)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(xué)仿真結(jié)果可以看出,車內(nèi)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(shè)備的布置應(yīng)該依據(jù)車內(nèi)聲場特性滿足以下規(guī)律:

1)次級聲源應(yīng)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(qiáng)度,距離太近時甚至導(dǎo)致空間內(nèi)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(nèi)的N個模態(tài)并不一定需要布置與之相應(yīng)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(dǎo)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(yīng)的多個特征頻率噪聲實現(xiàn)有效的抑制。

3 試驗與分析

當(dāng)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)行試驗,如圖7所示。本試驗在室內(nèi)封閉空間內(nèi)進(jìn)行,初級聲源音響和次級聲源音響布置在同一水平面內(nèi),傳聲器與初級聲源音響布置在同一垂直面內(nèi),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(jīng)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(cè),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(yáng)聲器仍然關(guān)于中心線對稱布置,其位于傳聲器上方,揚(yáng)聲器紙盆向下,相當(dāng)于將方式B旋轉(zhuǎn)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(yīng)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(dá)到15 dB的降噪效果,但是該位置的時域信號波動大,甚至?xí)霈F(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(jié)果與方式A相似,能夠達(dá)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(shè)備時,次級聲源音響應(yīng)正對傳聲器,且應(yīng)當(dāng)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(yīng)結(jié)果Fig.8 Corresponding results of four layout modes of sound sources

4 結(jié) 語

本研究搭建了以FxLMS算法為基礎(chǔ)的自適應(yīng)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(yùn)用ANSYS聲學(xué)功能對簡易駕駛室模型進(jìn)行聲學(xué)仿真分析,得出前6階聲模態(tài)對應(yīng)的特征頻率和聲壓分布,在模型中設(shè)置4組聲源進(jìn)行仿真,得出每組聲源激勵下的230 Hz時駕駛室內(nèi)的聲壓云圖。將聲學(xué)仿真結(jié)果與實車情況相結(jié)合,在試驗室內(nèi),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(jìn)行降噪試驗,以觀察設(shè)備布放位置對主動降噪效果的影響。結(jié)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(yīng)當(dāng)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(shè)備布置提供了重要依據(jù)。