车内噪声主动控制发展综述及其在实车上的应用

袁骥轩，付慧敏

（1.深圳信息职业技术学院交通与环境学院，广东 深圳 518172;2.江西交通职业技术学院汽车工程系，江西 南昌 330013）

车内噪声主动控制发展综述及其在实车上的应用

袁骥轩1，付慧敏2

（1.深圳信息职业技术学院交通与环境学院，广东 深圳 518172;2.江西交通职业技术学院汽车工程系，江西 南昌 330013）

本文对小型轿车车内噪声分布及其声源进行了分析，对国内外研究者对噪声主动控制研究成果的发展历程作了综述，并介绍了噪声主动控制理论及模型，最后结合具体实车，介绍了目前应用在实车上的车内噪声主动控制范例。

车内噪声；主动控制；综述；汽车NVH（Noise,Vibration,Harshness）平顺性；应用

车内噪声来源比较复杂，既包括发动机及其附件振动激励如底板和顶棚等引起的噪声，也包括排气噪声等较复杂的噪声；还包括路面噪声（车辆高速行驶的时候风切入形成噪音及行驶带动底盘震动产生的，还有路上沙石冲击车底盘也会产生噪音，主要通过四车门、后备箱、前叶子板、前轮弧产生和传递)。）、轮胎噪声（车辆在高速行驶时，轮胎与路面磨擦所产生。轮胎噪声与路面情况具有强的相关性：路况越差胎噪越大，另外柏油路面与混泥土路面所产生的胎躁有很大区别，轮胎噪声主要通过四车门、后备箱、前叶子板、前轮弧产生和传递)、风噪（汽车在高速行驶的过程中迎面而来的风的压力已超过车门的密封阻力进入车内而产生的，行驶速度越快，风噪越大，其主要通过四门密封间隙、包括整体薄钢板产生和传递）等。不过总体上来说，高频噪声（即500Hz以上的），空气噪声占比较大；低频噪声（及500Hz以下），固体噪声占主导地位——即发动机及传动系和车架振动的贡献量。

目前，汽车车内噪声的控制策略是通过隔振、吸声、隔声、消声等手段来实现的。这些都属于被动控制。研究表明[1]：发动机噪声、进排气噪声和传动系噪声是机动车辆的主要室内噪声的主要来源。对车内噪声进行频谱分析可以发现：发动机的燃烧频率及其二次谐波占发动机发动机车内噪声的绝大部分，即车内噪声来源绝大多数集中在发动机及其所引起的噪声所处的低频段。但因为降噪成本限制以及前述手段主要作用效果在高频区域，使得低频区域的噪声降低效果不佳，因此，主动噪声控制（Active Noise Control，ANC）研究近年来成为研究的重点。随着信号处理技术、电子技术以及现代控制理论的发展，ANC技术将会对降低车内噪声起到更加重要的作用。

1 噪声主动控制研究发展历程

德国物理学家Pual Lueg在1933年提出了主动消声，或称有源消声，并对其基本原理进行了详细的说明[2]。

上世纪50年代，由于受到电子技术的局限，对于噪声的主动控制技术仅仅局限在一维空间，即管道内主动消声。美国RCA公司的Harry Olsen结合当时的技术水平，提出了将声反馈过程与控制系统中的反馈系统结合起来的反馈控制系统结构，并在3个倍频程中获得了一定的降噪量。但这类控制器只能适用于单一对象，且降噪能力有限，所以未能实现大规模的推广[3]。

上世纪70年代后期，伴随着电子技术的迅猛发展，噪声主动控制在工程中应用变得可以实现。法国工程师M.J.M.Gessel、 G.M.Mangiante、和W.G.Canevet根据Huygens原理，推导出了自由场的三维空间算法，并以三人名字的首字母命名为JMC算法[4]。该算法利用曲面空间理论，定量地描述了噪声主动控制技术的基本原理，但对于理论系统中德三级子模拟波，工程实际中没有更好的模拟办法。

上世纪80年代初，受制于电子技术发展，仅仅在控制理论方面，法国的G.B.B.Chaplin等学者取得了一些研究进展。直到80年代中期，英国的南安普顿大学的P.A.Nelson,S.J.Elliott等人才真正意义上为现代噪声主动控制做出了开创性的研究[5]。他们从ANC理论和控制两方面入手，首先将声时均势能作为目标函数，提出本征相干理论，对初级声源和次级声源阵的几何位置进行了研究，并建立了噪声主动评价的一整套评价方法，在理论上明确了通过噪声主动控制可能达到的最大降噪效果，为实际工作明确了目标和期望。对于噪声主动控制理论体系，研究用平均声势能来表征初级声源和次级声源的声功率目标函数，他们对BAE748型双螺旋桨飞机舱室内进行了一些有意义的尝试，取得了一些成果。

上世纪90年代，神经网络方法开始普遍的应用于主动噪声控制中。例如使用神经网络来解决具有非线性交叉串扰的自适应噪声抵消问题[6]，采用多层前向神经网络代替线性自适应滤波器等对非线性噪声进行控制[7]，使用人工神经网络解决传统自适应有缘消声算法在应用中稳定性不足等缺点[8]。这都决定神经网络在噪声主动控制中起着非常重要的作用。

鉴于螺旋桨发动机客舱内噪声过大的问题，美国洛克希德飞机公司在上世纪90年代开始以正弦信号为初级信号进行了实验，并取得了一些有意义的成果。

上世纪90年代，英国Lotus汽车公司将主动噪声控制技术应用在轿车车厢内，明显降低低频噪声，有文献报道可以降低10dB以上[9]。

与此同时，日产公司也将噪声主动控制系统运用在汽车上，可以降低噪声6dB。在此期间，国内的一些研究机构在主动控制消声器和算法这两个方面也取得了一些研究成果[10-15]。

进入本世纪，神经网络技术应用在主动噪声控制上有了更大的发展。主动控制系统想要应用到工程中必须解决的三个方面问题，即解决控制系统的实时性、有效性以及经济型。并且研究主要集中在宽带噪声抵消和多通道自适应系统以及智能结构噪声控制中。

2 噪声主动控制的理论

根据杨氏干涉原理，两列声波频率相同、相位差相反的波相遇时将会发生叠加现象，此时会产生“静区”。若人为附加一个次级声源与初级声源等幅反向，则可达到降噪效果，如图1所示，这也是噪声主动控制的基本原理。

图1 杨氏干涉原理图Fig.1 Young's interference theory schematic

假设初级声源为：

其中，iP为声的瞬态声压值，A为振幅，ω为声频率，t为时间，k为波数，x为位置坐标。

于是可得初级声源的平均入射声能密度，如下式：

其中，c为声速，ρ为媒介密度。

若作动器制造出的次级声源如下：

则与初级声源叠加后的声能平均密度为：

其中，A为振幅，ρ为介质密度，c为声速，α为相位差，β为振幅比。

于是某点的初级声源与次级声源的声级差如下式所示：

上式中，当α为π，β为1时，即初级声源和次级声源等幅反向，声能量达到最小。

由于实际噪声源几乎总是时变的，在上世纪50、60年代噪声主动控制器都是用模拟电路实现的，但由于其降噪能力有限，人们开始运用自适应控制理论来尝试解决噪声主动控制问题，其模型主要有以下三种：

前馈控制器、反馈控制器以及混合型控制器，他们的控制结构如图2所示。

图2 前馈、反馈、混合控制结构图Fig.2 Structure of feed and feedback and mixture control

图中，d(t)表示噪声源信号，r(t)表示参考信号，即初级声源的信号，y(t)表示次级声源的信号，e(t)表示误差信号，H1(s)、H2(s)、H3(s)分别表示初级通道，次级通道和反馈通道的传递函数。

从图中也可以看出，三种控制模式中，混合型控制模式显然最好，但由于其控制算法比较复杂，且成本较高，所以在实际使用过程当中没有得到广泛的应用；反馈型控制模式结构虽然简单，且可以大大降低成本，特别适合在处理车内噪声；前馈型控制模式相较于混合型要简单，但是比反馈型要显得复杂，应用于诸如飞机机舱等较大的空间噪声主动控制。

3 车内主动噪声控制在实车上的应用

关于车内噪声控制，被动的诸如吸声、隔声的方法简单，但主要针对中高频效果比较大。而发动机振动及其产生的噪声主要集中于中低频，主动控制就可以起到良好的作用。但由于车内噪声的有色性，使得主动控制的难度较大。

目前在实车上使用的主动噪声控制系统主要是针对控制发动机振动及其引发的噪声。诸如奥迪某款A级车，因为搭载V8发动机，而大多数情况下都是工作在较低负荷区，因此节流损失很大，但因为其引入气缸关闭（Cylinder On Demand，COD）技术，将8个气缸中的4个关闭，剩余4个气缸在高负荷区无节流损失的单位燃油消耗量比有节流损失的8缸低，符合目前节能环保的要求。但当此发动机从8缸模式切换到4缸模式时，车内噪声会发生变化被用户感知并且不能被用户接受，所以针对此款发动机，奥迪公司开发了一套噪声主动控制系统。由于发动机配有主动悬置系统，所以发动机舱的减振良好，且使用的后消声器配备可控排气翻版已经减小排气系统的脉动噪声，但还需配合车内噪声主动控制系统才能完全消除由COD技术带来的影响。

图3 某款轿车噪声主动控制系统分布图Fig.3 ANC distribution curve of automobile interior noise

此款车噪声主动控制系统是其音响系统的扩展。车内噪声通过如图3所示的左中麦克风R142、右中麦克风R143、左后麦克风R144、以及右后麦克风R145采集后将转化后的电信号传到位于车右后的数字音响包控制单元J525内，加上发动机控制单元直接传递过来的发动机转速信号以及从数据CAN线上获得的4/8缸工作模式，根据原先设置的算法，J525控制左前低音扬声器R21、右前低音扬声器R23、左后中低音扬声器R159、右后中低音扬声器R160以及位于行李箱的重低音扬声器R211来实现对车内噪声主动控制的功能。控制单元J525中预留特性曲线根据输入信号，根据反馈控制将四个低音扬声器和重低音扬声器各自相位、频率和振幅都计算出来并传给功率放大器并与音响系统的低音信号相叠加，最终传给扬声器。最终降噪效果会由4个麦克风采集并送回噪声主动控制单元进行修正。

需要提及的是，一旦点火开关接通后，噪声主动控制系统就处于可用状态了，当发动机开始运行后，控制系统就被激活。当发动机是以8缸模式工作时，控制系统同样会向扬声器发出信号，这样当发动机切换到4缸工作时，乘员才不会感觉到有任何过渡。

4 总结

噪声主动控制从其理念诞生到目前已经历经了数十年历史了，从开始的一维管道内的噪声主动控制到目前的车内噪声主动控制，研究一步步深入。对于车内噪声控制，目前已是广大汽车生产商以及众多学者研究的热门课题，相信随着电子技术的进一步发展，车内噪声控制会取得更大的进步，并一定会将汽车NVH研究推进一大步。

References)

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Automobile active interior noise control and its application

YUAN Jixuan1,FU Huimin2
(1.School of Traffic and Environment,Shenzhen Institute of Information Technology,Shenzhen 518172,P.R.China;2.Department of Automotive Engineering,Jiangxi Vocational and Technical College of Communication,Nanchang 330013,P.R.China)

The interior noise of automobile and its acoustic source were analyzed in the article,and an overview was given about the research result and its development of active noise control (ANC) by many domestic and international researchers.The theory and models of active noise control and its application in a real vehicle was also introduced.

automobile interior noise;active control;overview;automobile NVH（noise,vibration,harshness）

U467.493

：A

1672-6332（2014）01-0082-05

【责任编辑：杨立衡】

2014-3-5

广东省自然科学基金项目（S2012040007708）

袁骥轩（1978～），男（汉），湖北武汉人，博士，副教授，主要研究方向：汽车噪声与振动控制研究；E-mail：yuanjx@sziit.edu.cn