娄洁

（芜湖职业技术学院机械工程系，安徽芜湖241006）

轿车车内噪声声品质主动控制系统的研究

娄洁

（芜湖职业技术学院机械工程系，安徽芜湖241006）

随着经济水平和汽车技术的飞速发展，要求噪声控制技术要在降低噪声等级的同时，通过调整声音的特性，最终实现人性化的噪声控制，这就是噪声的主动控制和改善.本文在阐明噪声主动控制系统的应用意义基础上，详细提出了该系统的构建方案、硬件组成和工作原理，同时，也指出了目前在噪声主动控制技术方面还有待解决的问题.

噪声；声品质；主动控制技术

随着汽车技术的飞速发展，不同品牌的同级别轿车在性价比上的差别日渐缩小，而近些年来，随着消费者消费水平的不断提高和消费需求的不断变化，在购车时人们越来越注重轿车在驾乘时的舒适性能，而作为汽车舒适性能主要内容的车内噪声自然也就成了人们日益关注的部分.因此，越来越多的轿车生产企业开始重视汽车噪声性能的提高，而提高车辆噪声的控制水平也成了新的竞争点和研发方向，企业纷纷制定了整车设计噪声的严格标准，并深入开展轿车车内噪声控制技术的研究.

1 声品质的概念

声品质的概念是1994年由德国人Blauert和Bodden提出来，他们认为：声品质是在特定的技术目标或任务下对声音适宜性的描述，能够反映人们对声音事件的主观感受.他们特别指出，“声”并不是指单纯声波这样一个物理过程，而是指人耳的听觉感知过程；“品质”则是由人耳对声音事件感知过程最终做出的主观判断[1].

声品质概念的出现，给汽车噪声控制技术的研究提出了新的要求，即要在降低噪声等级的同时，通过调整声音的特性，最终实现人性化的噪声控制，使听者舒适，这就是噪声的主动控制和改善.声品质的概念还告诉我们，车内噪声并不完全是令人烦躁的成分，因此在车内降噪中实现选择性的噪声控制，使车内驾乘人员感觉更加舒适，已经成为当前深入研究噪声控制技术的主要目的，而通过主动降噪所得到的车内优质的声音效果也能成为汽车品牌的特色亮点.

2 声品质的控制方法简介

2.1 控制方法简介

多年来，国内外众多专家学者致力于车内噪声控制技术的研究，并取得了一定的成果.目前，车内噪声的控制方法主要有被动控制技术、主动控制技术和NVH技术.

2.1.1 被动控制技术

噪声的被动控制技术又被叫做被动降噪，主要用来降低车内中、高频噪声[2].根据车内噪声的传播途径，该方法主要通过减弱或消除声源噪声、隔声、吸声、消除共振、密封等途径来达到降噪的目的.由于被动控制技术简单易行、效果明显且成本低，长期以来在车内降噪中广泛应用.找到声源并降低其噪声是被动控制中最直接、有效的途径，但有时噪声声源不容易识别，必需采用其他措施来达到降噪目的，如将吸声材料安装在噪声空间的界面上，通过吸收转化声能量，减小空间的声压级，从而达到降噪的目的；由于噪声的出现大多伴随着振动的产生，并且车身共振时，噪声通常会被放大，因此在被动控制技术中通常采用阻尼隔振来抑制共振现象，能有效减少车内结构振动噪声.

2.1.2 主动控制技术

由于被动控制技术的应用通常会增加汽车整体质量，与汽车轻量化的发展趋势相矛盾，并且对车内噪声中的低频部分控制效果不明显，因此，通过人为的安装外部声源，产生声波利用相互干涉的原理控制原噪声.这种方法由于加入了外部声源，且控制过程和原理明显与被动控制方法不同，因此又被称为有源消声法.

2.1.3 NVH技术

NVH（Noise、Vibration、Harshness）通常指的是汽车的噪声、振动与声振粗糙度[3]，是衡量汽车制造制造质量的综合性指标，也是人体听觉、触觉和视觉感受的综合评价指标，由于他们在车辆中是同时出现且密不可分的，所以把它们放在一起研究.汽车NVH技术则是以整车作为研究对象，寻找并分析噪声和振动的产生源头、机理，找到降噪减振的方法，从而提高整车的舒适性能.但有整车系统过于复杂，因此通常将它分解成若干个子系统进行研究.

2.2 噪声主动控制技术及其发展

噪声主动控制（ActiveNoiseControl，简称“ANC”），又被称为“有源消声”[4]，其主要的特点是对于低频噪声有较好的控制效果，而这一点恰恰弥补了传统的被动降噪技术的不足，再加上ANC系统质量小、便于在整车中布置，因此近年来在车内降噪研究中得到了广泛应用和推广.“有源消声”是根据两列声波相消性干涉和辐射抑制的原理，在一定空间内通过外部（次级）声源产生一个外部（次级）声信号与初级声信号声波幅值相等、相位相反，则两声波相互干涉抵消,达到降噪的目的.

有源消声的概念最早是在1934年由德国物理学家PualLueg提出并申请了专利，并在1936年撰写文章阐明其基本原理[5][6].但由于科技发展的限制，该技术一直无法得到实际的发展和应用.直到1985年，噪声主动控制技术开始被尝试着应用到车内噪声控制上.在过去的三十年中，专家学者们对有源降噪做了大量理论和应用技术研究，将自适应滤波技术应用于噪声主动控制，构建了能够持续跟踪噪声源和环境变化的控制系统，保证了最佳的降噪效果，这就是自适应噪声主动控制系统（AdaptiveActiveNoiseControl，简称AANC系统）的诞生.自适应控制系统的研究与发展使大大加速了有源消声技术的实际应用.

2.3 噪声主动控制技术应用的意义

近些年来噪声主动控制技术之所以在车内降噪中得以快速的应用和发展，首先是因为它能针对噪声产生的源头，通过系统设计来进行主动控制和干预，从而实现噪声的消除、减弱和声品质的改善；其次，主动控制技术大大提高了低频噪声的控制效果.有研究表明[7]：根据车内噪声的产生来源分析可知，发动机和传动系在工作中产生的噪声是车内噪声的主要来源，而这类噪声具有频率低、周期性等特点，无法使用传统的被动降噪方法来达到理想的降噪效果，相反的，主动控制方法则能起到有效的降噪作用.第三，目前的噪声主动控制系统从组成上来看，一般具有机构紧凑、整体重量轻、成本低等特点，在实际应用中通过合理的设计和安装，基本不会对汽车的结构性能造成不良影响.

主动控制技术由于在改善声品质方面具有独特的优势，能够对特定频段的噪声进行控制，因此能够实现对某些心理声学参数的改变，从而改善听音者的感受.曾经有专业公司做过实验表明，当在一辆轿车上安装了噪声主动控制系统之后，通过仪器测试和听音者感受发现，不仅有效降低了声压级，同时响度也明显减小，听音者感觉更加愉悦.由此可见，在改善车内声品质研究中应用主动控制技术具有十分广阔的前景.

3 噪声声品质主动控制系统的构建和作用原理

3.1 车内声品质主动控制系统的总体结构方案

在进行了大量的主动控制系统算法分析论证基础上，开始构建车内声品质主动控制系统的组成.该系统由四部分组成，分别是控制单元、残留声信号采集模块、外加声源、振动信号采集模块，其中控制单元是系统的核心部分，它汇集了初级声信号辨识、滤波分频、发生简谐信号、功率放大、转换电路等作用和功能，控制系统的整体工作运行；外加声源即指在车内外加的扬声器，一般放置两个，对应于各自的误差传感器；而误差传声器则主要负责采集残余噪声信号；车辆工作中来自于发动机机体和车身的振动信号则是由安装在发动机和车身上的五个加速度传感器负责收集，通常发动机布置一个传感器，车身上布置四个对称安装的传感器.

3.2 系统的硬件组成

3.2.1 控制单元

控制单元是车内声品质主动控制系统的关键组成部分，根据其性能要求选择了目前技术成熟的的DSP（DataSignalProcessor）数字信号处理系统，由于采用特殊的软硬件结构，DSP芯片是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，可以快速实现各种数字信号处理算法，具有大规模集成、稳定性好、精度高、速度快、集成方便等特点.

在DSP芯片基础上，再将各信号前置放大模块、电荷放大模块、功率放大模块、控制面板、电块等集于一体，各外部信号接口均集成在控制面板上以方便操作，由此完成控制单元的构建.

3.2.2 误差传声器

在主控控制系统构建时，选取的误差传声器的个数通常与外加声源的个数相等[8]，在设计其安防位置时，只要能够保证消声空间能够得到充分利用，最优位置并不是唯一的，考虑上述情况和安装方便，大多在驾驶员的座椅头枕内安装误差传声器.因此，发动机运行时的振动会影响传声器的工作效果，这就要求选用的传声器能有效阻挡外界振动的干扰.通常有两类传声器可供选择，一是预先极化电容式传声器，一是压电式传声器，相比来说，前者在工作时受外界振动的影响较小，因此适合用在主动控制试验中.

3.2.3 扬声器

控制系统的外加声源（又称“次级声源”）一般指的是扬声器，扬声器通过输出一个起抵消作用的声信号，来改善车内声品质，不难看出，扬声器的性能好坏对声品质的改善起着重要的作用和影响.因此选择扬声器时需注意以下性能指标的要求（表1）：

表1 主控控制系统中扬声器的性能指标要求

3.3 工作过程原理

按以上结构构建的主动控制系统，是以发动机机体和车身悬置点处的五路加速度信号为输入，以次级声源即两个扬声器发出的声音信号为输出，并以副驾驶耳旁处的两路残余噪声信号为反馈的闭环前馈型控制系统.在作用过程中，采用滤波误差最小均方算法(FELMS，Filtered—errorLeastMean Square)[9]，随时计算误差信号即残余噪声信号的响度和尖锐度等客观参量，使系统处于最佳工作状态.

4 结束语

随着声品质概念的发展和完善，业内越来越认识到，它除了与心理声学的属性特点相关，还与听音者的感觉有直接关系，因此听音者对声源的辨识、预期和情绪等自身因素都会对其产生重要的影响，这也给主动控制技术的发展带来了难题.目前，虽然国内的专家、学者已经在主动控制技术方面取得了一定的研究成果，但仍然有不少难题有待解决：如有源降噪机理的深入研究、车内声场优化布置、提高系统工作稳定性等等.相信随着电子技术、控制技术、传感器技术和智能材料的发展，车内声品质主动控制系统也将会得到深入的发展和广泛的应用.

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

〔2〕沈国华，王铁刚.汽车NVH特性概述[J].客车技术与研究，2007（10）：7-13.

〔3〕邵毅明，王文兴.汽车车内噪声分析及控制技术发展[J].重庆交通学院学报，2001（11）：91-94.

〔4〕韩秀苓,等.有源噪声控制技术分析[J].应用声学，1994（7）：7-13.

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

〔6〕Lueg.ProcessofSilencingSoundOscillations.US Patent,1936,No.2043:416.

〔7〕胡啸，胡爱群，涂有超.机动车辆室内复合主动噪声控制系统的设计[J].噪声与振动控制，2001（1）.

〔8〕侯宏，王冲，孙朝晖,等.自适应有源声吸收中误差传声器的优化[J].西北工业大学学报，1997（4）：581-582.

〔9〕刘宗巍.车内噪声声品质建模分析与自适应主动控制研究[D].吉林大学，2007.

U467.4

A

1673-260X（2013）11-0037-03

本文系芜湖职业技术学院校级科研项目（WZ[2011]ky02）成果论文