叉车驾驶室有源噪声控制策略的分析

杨敏

关键词：有源噪声，控制，策略

随着社会的发展，人们越来越注意提高生存环境的质量。而噪声污染作为一个重要环境问题，也得到了更多的关注。作为噪声污染最严重的代表，工业中的作业面经常伴随着各种各样大型工程机械的轰鸣声，而其中的驾驶者无疑是该噪声最大的受害者，因此对工程车辆噪声的有效控制显得非常具有现实意义。对于车辆噪声来说，无论在车外还是车内，发动机的噪声都是其最主要部分，特别是对于工程车辆，往往未对驾驶舱做十分有效的隔音处理。本文将以叉车为例，重点对发动机噪声对驾驶舱的噪声污染进行改进。

一.研究意义

噪声早已成为环境污染的第三大公害，并一直困扰着人们。根据实验结果，55～60dB 范围内的噪声可以使人感到烦躁;而 60～65dB 范围内的噪声则会进一步加剧人们的烦躁程度;而超过 65dB 的噪声甚至可以对人们的健康产生威胁。

作为噪声污染最严重的代表，工业中的作业面经常伴随着各种各样大型工程机械的轰鸣声，而其中的驾驶者无疑是该噪声最大的受害者。而且矿下工作环境恶劣，工作期间噪音音量过大，合理降低驾驶员在工作期间的噪音危害可以避免或减少大量非技术性安全事故，提高企业的安全管理系数。因此对工程车辆噪声的有效控制显得非常具有现实意义。 通过长期的研究和深入实践，人们摸索出了多种噪声控制方法：首先是降低噪声源发出的初始噪声，这是最有效的噪声控制方法，可以通过改进结构设计等方法实现。当时，该方法却严格的受限于技术手段以及成本控制，因此往往很难彻底的根除初始噪声;其次是隔声、吸声等被动消除噪声的方法，即无源降噪法或被动降噪法。这种被动的降噪方式可以有效地对高频噪声进行控制，但是对低频噪声的控制效果并不明显，并且由于消声装置的体积较庞大，使得安装维护均显得更加困难;第三种是有源噪声控制技术，该方法特别适合针对低频噪声进行有效地控制。同时相对于被动消声方法，其系统小、重量轻、容易控制等特点使得有源噪声控制技术具有明显的优越性，特别是随着现代控制技术的发展以及控制芯片成本的下降，有源噪声控制技术的实现也越来越具有可行性，因此该技术已经成为目前噪声控制中的一个重要研究点。因此对工程车辆驾驶室有源噪声控制的研究十分具有现实意义和理论价值。

二.有源噪声控制及相关理论

基础声学认为声场指声波所及的空间，有源噪声控制技术就是通过设计好的控制器产生一个次级声场与初始声场（即输入噪声源对目标区域的噪声影响）相互作用，并使得初始声场声压降低。因此，为要研究有源噪声控制就不得不首先对声场的特点进行深入的分析。

在声场中，描述声场参量随时间、空间变化和相互联系的数学方程叫做声波的波动方程，它是一切声学理论研究的基础。 当声源在媒质中振动时，由于媒质存在一定的弹性和惯性，从而使得这种振动形式被传播开来，并形成一种机械性质的波动，这种波动被称之为声波。正如前面所讲到的，声波所及的空间称之为声场，通常声场特征可以通过媒质中的声压 p、质点振动速度 v 以及密度的变化量 ρ' 来体现。而这三个物理量在声场中都是空间和时间的函數，因此波动方程定义为随位置和时间变化并两者关系的数学方程，也可以简称为声波方程。为简化本研究的问题，这里主要讨论的是理想流体媒质中小振幅声波的状况，这是符合课题要求的，其相应的波动方程均为线性声波方程。通常，有源噪声控制系统的分类方法较多，可以多达数十种，而且又同时涉及到多个方面的因素，常见的分类如表2-1所示。表中相对应的每一种分类中的任意选取一项组合起来，就可构成一种类型的有源噪声控制系统。

2.1有源噪声控制分类表

每种控制方法均有各自的特点。尽管反馈型的控制系统具有结构简单，使用方便等特点，但是其应用受限明显，特别是频率带宽的选择范围过窄，无法满足对驾驶室噪声有源控制的要求。然而混合型的控制系统可以再降噪效果上取得更好的表现，但是其结构复杂的特点决定了该系统不具有经济性。通过比较，前馈型控制器结构复杂程度适中，噪声控制效果良好，只需要通过选取合适的参考信号，就可减少声反馈问题，从而保证系统的稳定性，因此驾驶室内噪声主动控制系统将采用前馈型自适应控制器，并且该方案已被国内外同行在该领域多次应用并且研究成果验证其有效性和可靠性。

有源噪声控制作为低频噪声有效的控制策略，已经在算法以及系统搭建等方面取得了长足的进步。针对工程车辆驾驶室噪声的特点，以提高驾驶者噪声体验感受为目标，我们可以尝试做如下工作：

1.细化噪声评价的基础，通过分析各参数的特性，选用响度作为最终评价参数，使得控制系统设计重视评价者的主观感受。

2.通过比较各类有源噪声控制系统，选定最佳方案，并详细推导算法的迭代过程，为后面的仿真试验奠定理论基础。

3.根据控制要求，需要有效的选择不同频率噪声进行分类控制，选用二级误差滤波控制算法作为控制核心，并搭建系统模型，通过仿真实验证实在多频率输入并伴有少许随机信号干扰的情况下，系统可以有效地选择性降噪并快速收敛。

4.引入虚拟传感器理论，推导了线性以及二次性两种虚拟传感器预测，结合二级误差滤波控制算法对虚拟位置进行降噪，通过仿真实验证明该策略具有可行性，从而满足了工程车辆驾驶室噪声控制系统的设计要求。

5.基于二级误差滤波控制算法的虚拟位置噪声控制可以通过调整 Xv 值来任意改变降噪区域，并调节增益系数实现降噪频域的可控性，该技术可以方便的由驾驶员来主动调整至个人感受最舒适的降噪效果，具有非常好的应用前景。

6.建立驾驶室由原噪声控制系统模型，并设计管道虚拟位置噪声控制实验系统并进行搭建。

三.展望

目前虚拟传感器技术尚未在国内普遍应用，虽然可以看到虚拟传感器技术可以有效地将降噪区域延伸至误差传感器之外，但仍然存在许多问题需要继续研究：

1.对虚拟位置降噪的要求是实际工作中所需要的，而现实应用中对系统的实时性具有很高的要求，必须通过改进控制策略，在有效消除周围噪声干扰并保证频域下降噪效果可控的前提下，尽可能的提高系统的运算速度;

2.需要建立更加准确的虚拟传感器，通过仿真可以看到无论线性还是二次性的预测均无法完全符合实际声通道的要求，因此要进一步提高并稳定虚拟位置降噪的效果，可采用高阶预测的方法。

总之，随着有源噪声控制算法的发展，以及虚拟传感器建立技术的改进，虚拟位置噪声控制技术终将对改善工程车辆驾驶室噪声环境具有重要意义。

参考文献

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[2]陈克安，马远良.自适应有源噪声控制[M].西北工业大学出版社.西安：1993

[3]刘学广等.车内多次级声源自适应有源消声研究[J].农业机械学报，2005，36（2）：27-30