车内噪声主动控制系统次级声源布置分析

段珂钊,庞 茂

(浙江科技学院 机械与能源工程学院,杭州 310023)

随着人们对汽车乘坐舒适性要求的提高,车内噪声问题受到更多的关注。噪声会对人体产生很多危害,既会引起听觉系统的变化,也会使人的生理和心理产生如神经衰弱综合征、心血管疾病、失眠、心烦易怒等病症,长期接触比较强烈的噪声可以引起病理性改变[1],因此,降低汽车噪声具有重要意义。针对不同噪声源,传统的降噪方式主要是进行声音隔离、增加结构阻尼、使用吸声材料和噪声源控制等,这些都属于被动降噪技术[2]。被动降噪可以降低高频或中频噪声,但对低频噪声却无法达到理想的降噪效果。

噪声主动控制(active noise control,ANC)又称有源降噪,该技术由德国物理学家Paul Leug于1933年提出[3],ANC技术可以弥补被动降噪技术在低频降噪方面的不足,因而近年来得到越来越多的重视。实车环境中噪声的幅值、频率、相位处于不断变化的过程中,为了使ANC适应这些变化始终保持较好的降噪效果,自适应滤波技术[4]被运用其中,形成了自适应噪声主动控制。随着信号处理技术、电子科技和现代控制理论的发展,自适应噪声主动控制的降噪效果也日益提升。

近年来,国内外关于噪声主动控制的研究主要涉及自适应算法和车内设备布置两方面。在算法方面,不断改善以提升计算的准确性和速度,Sun等[5]提出了一类基于阈值的脉冲噪声鲁棒处理算法,Siswanto等[6]提出了一种基于插值法和抽取技术的多速率音频集成反馈ANC系统,赵汉波等[7]提出在局部区域进行多个线谱噪声主动控制的方法,姜吉光等[8-9]提出基于频率选择性最小均方算法的噪声主动控制系统。在车内设备布置方面,对车内环境进行声学相关分析可以为设备布置提供有效的帮助,Diaz等[10]针对火车卧铺车厢降噪进行了设计及试验,以扩大乘客头部周围的静音效果,邓丹丹[11]运用Virtual Lab软件对客车声场和ANC控制进行了仿真分析,探究了客车车厢内主动降噪的设备布置方案。基于前人的研究,本研究旨在探讨车内主动噪声控制系统的设备布置方案与降噪效果的关系,并筛选出最合适的车内控制系统布置方式,以进一步提高车内空间的降噪效果。

1 噪声主动控制原理

1.1 声学原理

自适应噪声主动控制基于杨氏干涉理论,当具有相同频率、恒定相位差的声波相遇时就会发生干涉现象,干涉后声能的增加或减少取决于声波相位与幅值的关系。因此,可通过次级声源发出与初级声源频率相同、幅值相同、相位相反的声音,进行声波相抵消来实现降低噪声[12],杨氏干涉理论如图1所示。

图1 杨氏干涉理论Fig.1 Young’s interference theory

设声场中单位体积媒介所含有的声能为E,则一个周期内的平均声能密度

(1)

式(1)中:Pe为声压的有效值;ρ0为传播媒介密度;c为声速。

假设初级声源信号为

P1=A1cos(ωx-φ1)。

(2)

次级声源信号为

P2=A2cos(ωx-φ2)。

(3)

相干波叠加后的总平均声能密度为

(4)

1.2 FxLMS算法原理

在传统的最小均方(least mean square,LMS)[13]算法中,并没有考虑次级通道传递函数C(z)对算法性能的影响。实际上,误差传声器获取的误差信号e(n)因次级通道传递函数的存在与参考信号x(n)形成了时间差,导致系统的稳定性变差。于是,为弥补参考信号与误差信号之间的时间差衍生出了滤波-xLMS算法(filtered-xLMS,FxLMS)[14]。基于FxLMS算法的有限冲击响应(FIR)自适应滤波结构如图2所示,图中x(n)为参考信号,P(z)为初级通道的传递函数,d(n)为误差传声器采集的初级声源期望信号,W(z)为自适应滤波器,y(n)为自适应滤波器的输出信号也是次级声源的驱动信号,C(z)为次级通道的传递函数,s(n)为误差传声器采集的次级声源信号,r(n)为经过滤波的参考信号,e(n)为声场叠加后误差传声器采集的误差信号。

图2 基于FxLMS算法的FIR自适应滤波结构Fig.2 FIR adaptive filtering structurebased on FxLMS

参考信号x(n)经过初级通道传递,与初级通道传递函数P(z)相乘后获得期望信号d(n);同理,滤波器输出信号y(n)经过次级通道传递,与次级通道传递函数C(z)的卷积获得次级声源信号s(n)。自适应算法调教滤波权值系数所依据的信号为滤波参考信号r(n),以平衡次级通道的影响,这也是FxLMS算法与LMS算法的主要区别,滤波参考信号r(n)是声源向量X(n)与次级通道传递函数C(n)的卷积:

r(n)=X(n)C(z)。

(5)

由此可获得误差信号e(n)和滤波权值系数迭代公式分别为

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 车内模型声学仿真分析

声学模态是声腔的固有特性[15],每个声学模态都具有对应的固有频率、阻尼比及模态振型等特性。当声腔的激励接近或等于某阶固有频率且与其振型不垂直时,就会发生声腔共鸣,使得噪声增大,而在进行汽车设计时则需要尽可能地避免此类状况发生。研究单个声学模态所对应声压在空间的分布规律,有助于研究主动降噪系统次级声源的位置和个数对降噪效果的影响。

主动降噪主要针对的是低频噪声,因此,本文主要探究简化的轿车驾驶室模型在50～400 Hz范围内的声场模态所对应的特征频率和声压分布,驾驶室简易模型如图3所示。运用ANSYS软件对该模型进行仿真分析,其前6阶特征频率依次为91.42、120.17、124.49、171.62、211.08、228.22 Hz,各特征频率对应的声压分布如图4所示。

图3 驾驶室简易模型Fig.3 Simple cab model

图4 各特征频率对应的声压分布Fig.4 Sound pressure distribution corresponding to each characteristic frequency

声场仿真的结果显示,低阶模态多分布于车内的前、后端下边缘,特征频率升高,车内左右两侧模态分布增加,整体模态分布的数量也增多,且声压较高处多集中在结构转折处。

理论上,可以增加噪声主动控制系统的次级声源数量以达到提高降噪效果的目的,但是在实际试验与运用中,次级声源数量的增多会使得自适应滤波器的负荷增加,控制系统更加复杂,也不便于安装。Nelson等[16]对矩形封闭空间内次级声源的布置进行了研究,证明封闭空间内次级声源在不同位置的降噪效果有很大差别,有规律的布置设备比无序的布置能够获得更理想的降噪效果。

在同样的驾驶室简易模型中选取4组声源位置先后发声,如图5所示,各组位置均产生声源频率为50～500 Hz、幅值为0.1 kg/s、相位为0°的声音,并观察230 Hz时驾驶室内的声压分布,如图6所示。

图5 4组声源位置Fig.5 Four groups of sound sources

图6 频率为230 Hz时4组位置声压分布Fig.6 Distribution of sound pressure in four groups at 230 Hz frequency

从图6中可以看出,A组声源刚好处于特征频率228.22 Hz声模态的节面处,其产生的空间声压除了声源附近外,其余位置声压极低几乎不能在驾驶室内产生声响。B组和C组声源都处于该阶声模态的反节面处,能够较好地产生空间声响,且产生的空间声压分布与该阶声模态分布一致。D组声源处于节面与反节面的过渡位置,其产生的空间声响虽不如B、C两组,但也能较好地产生空间声响且声压分布也与该阶声模态分布一致。

从汽车驾驶室简易模型的声学仿真结果可以看出,车内的声模态分布具有明显的规律性,噪声主动控制的降噪效果也依赖于封闭空间的声场特性,因而噪声主动控制设备的布置应该依据车内声场特性满足以下规律:

1)次级声源应该布置在声模态反节面,不能布置在声模态节面附近。其原因是若将次级声源布置在某阶声模态节面位置处,则难以激励起该阶模态,要抵消空间的声场就需要提高声源强度,距离太近时甚至导致空间内的总时间平均声势能Ep失去控制。

2)控制系统要抑制车内的N个模态并不一定需要布置与之相应的N个次级声源。其原因是不同阶模态在某些位置存在相同的声压幅值,若将一个次级声源放置在几个主导声模态共同的较大幅值处,则仅此一个次级声源便可同时利用这几个声模态对相应的多个特征频率噪声实现有效的抑制。

3 试验与分析

当次级声源处于某阶声模态的节线或节面处时,则不易激发该阶模态,且降低声场总势能所需要的次级声源强度很大,将次级声源布置在某阶声模态幅值最大处可以以较低的强度控制该阶声模态。根据仿真图及实车环境,选用以下4种次级声源布置方式进行试验,如图7所示。本试验在室内封闭空间内进行,初级声源音响和次级声源音响布置在同一水平面内,传声器与初级声源音响布置在同一垂直面内,初级声源音响至传声器距离为1 m。以500 Hz的正弦信号作为初级声源,声音采样频率为1 000 Hz、采样时间为3 s,为保证FxLMS算法有较好的收敛效果和收敛速度,经过对算法的仿真测试选取滤波器阶数L=200、收敛因子μ=0.001。4种次级声源布置方式具体如下:

图7 4种次级声源布置方式Fig.7 Four layout modes of secondary sound sources

1)布置方式A。以传声器与初级声源音响的连线作为中心线,2个次级声源音响对称布置在左右两侧,2个音响距离为1.3 m,且纸盆相对,传声器位于次级声源音响的中心线上。

2)布置方式B。与方式A不同的是此处2个次级声源音响位于传声器后面0.5 m处,且两者的纸盆朝向前方,即与初级声源音响的纸盆相对。

3)布置方式C。整体位置与方式B相同,但是此处将2个次级声源音响的纸盆朝向上方。

4)布置方式D。2个次级声源扬声器仍然关于中心线对称布置,其位于传声器上方,扬声器纸盆向下,相当于将方式B旋转90°,类似实车中安装在座椅上方的车顶位置。

4种不同次级声源布置方式对应的时域图和频谱图如图8所示,从图中可以发现:布置方式B的降噪效果最佳,次级噪声声波能与初级噪声声波实现较好的抵消,基本上能够保持15 dB的降噪效果;布置方式A也能够达到15 dB的降噪效果,但是该位置的时域信号波动大,甚至会出现降噪后声场噪声增大的情况,这可能是因为声波发生叠加出现了明显的相加性干涉,叠加后的总噪声幅值大于初级噪声幅值;布置方式C能够降低12 dB左右,降噪效果不如方式A和方式B;布置方式D结果与方式A相似,能够达到15 dB左右的降噪幅值,同样存在着较大的波动,但该波动或许是由于地面及座椅的反射声波被误差传声器直接获取,形成了干扰的原因。因此,在实车布置主动降噪设备时,次级声源音响应正对传声器,且应当避免初级声源与次级声源呈垂直位置状态。

图8 4种次级声源布置方式对应结果Fig.8 Corresponding results of four layout modes of sound sources

4 结 语

本研究搭建了以FxLMS算法为基础的自适应主动降噪控制试验平台,算法参数选择为:滤波器阶数L=200、收敛因子μ=0.001。运用ANSYS声学功能对简易驾驶室模型进行声学仿真分析,得出前6阶声模态对应的特征频率和声压分布,在模型中设置4组声源进行仿真,得出每组声源激励下的230 Hz时驾驶室内的声压云图。将声学仿真结果与实车情况相结合,在试验室内,将次级声源布放在4种位置,对初级噪声为500 Hz的正弦波噪声进行降噪试验,以观察设备布放位置对主动降噪效果的影响。结果表明,4种次级声源布放位置均能实现12 dB以上的降噪幅度,其中布置方式B的降噪效果最佳,既能实现较高的降噪幅值,又能保障整体的稳定性。由此可以得出,为了使整体降噪幅度更大、系统更稳定,次级声源应当正对传声器,且初级声源与次级声源的位置相对,这为实车环境下的设备布置提供了重要依据。