主动噪声控制技术及其在车内噪声控制中的应用_韩善灵

收稿日期:2004-03-13
作者简介:韩善灵,(1972-),男,上海交通大学博士研究生,助理研究员,主要研究方向为汽车噪声控制技术,汽车CAE 技术,
获中国高校技术发明一等奖一项,山东省建委科技进步一等奖一项,山东省科技进步二等奖二项,发表论文12篇。

主动噪声控制技术及其在车内噪声控制中的应用
韩善灵,朱平,林忠钦
(上海交通大学,机械与动力工程学院,上海 200030)
摘 要:主动噪声控制是集声学、自适应控制及数字信号处理等技术为一体的高新技术,已成为国内外噪声控制界的研究热点。

基于主动噪声控制的S winbanks 多极子系统理论,证明了主动噪声控制技术适合于低频声的理论依据。

阐述了决定主动噪声控制效果的决定因素及在车内噪声控制中应用的发展过程,并指出当前研究中需解决的问题和今后的研究方向。

关键词:主动噪声控制;自适应控制;Swinbanks 多极子系统;车内噪声
中图分类号:U462 文献标识码:A 文章编号:1006-0316(2004)06-0055-04
Active noise control technology and application on automobile cabin noise
HAN Shan -ling,Z HU Ping,LI N Zhong -qin
(School o f Mechanical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200030,C hina)
Abstract:Active noise con trol (ANC)is a new high technology integrated with acoustic,adaptive control and digi tal signal process and i t has become the research focus center of noise control.Based on ANC Swi nbanks mutipoles system,the theory foundation for advantage of ANC application for low frequency noise is given.Then the factors to influence ANC are introduced and the development of active auto -mobile cabin noise control is discussed.At last,the problem in ANC and the research trends are pointed out.Key words:active noise control;adap tive control;swinbanks multipoles system;automobile cabin noise
随着现代高新技术的飞速发展,清除噪声成
为人们最关注的新课题之一,而对噪声控制的研究,已发展成为一门新学科)))噪声控制学。

它作为一门边缘科学,涉及声学、控制、材料、计算机等多种学科。

传统的噪声控制技术通常采用过滤吸收和屏蔽的方法,通过噪声声波与声学材料或声学结构的相互作用消耗声能,从而达到降噪的目的,属于被动式的控制方法。

由于这种控制方法在低频段控制效果不理想。

故人们由被动式噪声控制逐渐发展到今日的主动噪声控制(Active Noise Control,简称ANC)。

图1 ANC 基本原理
主动噪声控制这一基本思想是1933年由德
国人P.Lueg 以专利形式提出的,其基本原理如图1所示。

该结构是通过在管道上游采用前置麦克风拾取噪声信号,经电信号处理后,送给管道下游的次级声源,调整次级声源的输出,使其与上游噪声信号的相位相反而达到降噪目的。

由于当时电子技术的限制,这一控制方法未能实现。

到了上世纪60、70年代,随着电子技术的发展,尤其是80年代以来,在超大规模集成电路的制造,高速信号处理器(DSP)的开发成功,使得主动噪声控制技术得到飞速发展。

现在世界上主要的工业国纷纷开展ANC 技术的研究,如英国南安普敦大学的声振研究所、美国弗吉尼亚州立大学、澳洲Adelaide 大学等。

目前,英、日、美、法等国在高级豪华的小轿车中已装备这个系统,美国还用此来消除空调器、磁偏振成像系统、大功率冰箱等电器的噪声,已在小范围内取得0闹中取静0的效果。

我国虽然从上世纪80年代也进行了ANC 的研究,如清华大学、南京大学、西北工业大学、吉林工业大学、北京理工
新技术开发
大学等,但是在理论研究和工程应用都与国外有较大的差距[1]。

1ANC 的Swinbanks 多极子系统理论
Swinbanks 多极系统理论认为,主动降噪的物理机制是初、次级声系统的辐射类似于多极子声源辐射。

它们相互作用,抑制了作为一个整体向外辐射的声能量;同时,次级声源的存在还会改变初级声源的声阻抗。

自由空间中,源强为Q 的单极声源的辐射声功率为
W n =Q ck 2Q 2
4P
(1)
两个距离为l 的同强度的单极子构成的偶极子声源辐射声功率为
W d =
Q ck 4Q 2l 2
12P
(2)
横向四极子声源辐射声功率为
W #。

=
Q ck 6Q 2l 21l 2
2
240P
(3)
纵向四极子声源辐射声功率为W 纵=
Q ck 6Q 2l 21l 2
2
20P
(4)
由以上4式可得
G d =w d w n =k 2l 23
(5)G #。

=w #。

w n =k 4l 21l 22
60
(6)G 纵=w 纵w n
=k 4l 21l 2
2
5(7)式中,k =2P f /c 。

式(5),式(6)和式(7)表明,如果在初级点源附近布置一个反相的单极子源或三极子源,只要其距离足够小,尤其对于低频声,即可得到一定的降噪目的。

Swinbanks 多极系统的理论与实验研究对管道主动消声的发展有重要意义。

但由于它的结构过于复杂,且不易安装与调试,因而就工程应用来说,仍然是有缺陷的。

2影响ANC 效果的因素
在自适应主动噪声控制系统中,决定最终降噪量的因素有以下4个方面:
(1)系统可能取得的最大降噪量由次级声源的布放确定,这种降噪量称为理论降噪量。

对简
单初级声源和规则声学空间,可以通过理论计算
获得。

(2)对实际系统来说,需要确定一个可以实现的控制目标。

理论上的控制目标通常是声功率最小,由于声功率无法用传感器实际检测,实际中通常用有限点的声压平方和代替,由此得到的降噪量显然比理论降噪量要低。

(3)假定自适应控制算法能够收敛到稳定状态,所得到的降噪量并不等于基于控制函数的降噪量,它与算法的稳态性能有关,依赖于控制器结构、算法类型及控制器参数。

(4)对于前馈系统来说,参考信号质量对实际降噪量产生重要影响。

具体地说,参考信号与误差传感器处初级声场变量的相关性越高,自适应算法就越接近由控制目标和算法稳态性能共同决定的降噪量。

图2 决定ANC 效果的因素
各因素的影响效果如图2所示。

对一个实际的主动噪声控制系统,是否能取得好的控制效果,关键的因素有:
(1)初级声源的类型和特征:对于主动噪声控制,最合适的噪声源是集中参数噪声源,它可以用尽量少的初级声源获得最大降噪量。

从控制的角度看,如果初级噪声是单频噪声、离散线谱噪声或窄带噪声,则控制系统更容易收敛到稳定状态,而宽带噪声的控制则要难得多。

(2)次级声源和误差传感器的位置和个数:为了获得全局空间上完全复制初级声场,也就是使次级声场成为初级声场的/镜像0,而误差传感器应尽量使实际的控制目标逼近理论上的控制目标。

(3)参考信号及其质量:如果能够获得参考信号,我们就可以构造前馈控制器,反之,就只能采用反馈控制器。

一般说来,前馈控制器结构简单,易于保持稳定;反馈控制器是最后一项选择。

好的参考信号应该尽量少受到噪声/污染0,与误差传感器处的初级噪声保持最大程度的相关。

(4)自适应算法及其控制器硬件:宽带噪声的抵消效果、系统稳定性、控制器的复杂程度均
与自适应算法的类型有关。

好的自适应算法应该兼顾收敛性、鲁棒性和计算量三方面。

控制器硬件的主要指标是采样频率、计算速度、有限字长效应等,它们应该能够实时、准确地完成自适应算法确定的功能。

3车内主动噪声控制技术及其发展
自上世纪50年代,在人们还没有弄明白噪声产生机理的时候,汽车车内空间的噪声问题就被提出了出来。

把主动噪声控制技术应用到车内噪声控制,最早出现在20世纪80年代。

当时,研究工作主要集中在控制发动机噪声上。

第一个主动噪声控制系统由Oswald 提出[2],是一个由一个扬声器,一个麦克风,一个参考信号组成单输入单输出主动降噪系统。

该系统对200赫兹以下低频噪声,降噪效果非常显著。

一个波形发生器用来把从发动机转速计得到的脉冲序列转换成一系列频率与发动机转速相同的正弦波。

这些正弦波的幅值和相位被调相、叠加,使得扬声器产生抵消处噪声的反噪声。

对单一频率降噪可达30分贝,Oswald 还发现:不管发动机的工作状态及转速如何,主动噪声控制系统可降噪至高于本地噪声5~7分贝。

80年代末期发展起来的采用自适应滤波方法的自适应主动降噪技术可实现选择性降噪,并能自动跟踪声场参数和噪声源的变化,可有效解决车辆上传统降噪措施对同一型号车辆治理中存在的离散度问题。

国外一些汽车公司及研究机构于80年代后期开始尝试将主动降噪技术应用到车内噪声控制上,并相继推出了一些试验性系统。

日本尼桑公司1991年在其蓝鸟轿车上开始装备主动降噪系统,可降低车内噪声5~6分贝。

1987~1990年,英国Lotus 汽车公司与ISVR 合作,将自适应主动降噪技术应用于轿车噪声控制。

控制器的核心是数字计算机,采用发动机转速信号分频方法产生多阶正弦波参考信号。

在发动机转速为3000~5000r/min 范围内明显地降低了车内低频发动机谐阶噪声,可降低车内轰鸣声10分贝左右。

由于采用了多个监测传声器和次级声源,降噪区域较大,跟随时间短,能快速跟随车内低频发动机谐阶噪声的变化。

1992年,第一套商业化的发动机主动噪声控制系统由一家汽车制造商投入生产[3]。

下一步的
发展是控制路面噪声,这个问题更具有挑战性,
因为路面和轮胎的相互作用本身就是随机不确定的,以及噪声源分布在4个轮胎上。

在1994年,Roggenka mp 提出一个试验用轮胎噪声模型[4],这个模型考虑了结构噪声及空气噪声。

对结构声,它使用了轿车车身上的力和车内的压力之间的测量传递函数;对空气声,使用轮胎周围的压力和车内压力的频率响应函数。

作者用NIS 分析来决定外部麦克风的最优数目和最佳位置。

这个模型在一辆轿车上进行了核实,结论是,只有在低频率尤其是低于150赫兹时,对轮胎噪声的预测才是有效的。

1999年,美国Virginia 州立大学VAL 实验室的Jerome Couche,Chris Fuller 对车内由于发动机和路面引起的噪声进行了系统的研究[5]。

实验用车是Ford Explorer,实验证明:可用两个传声器和两个误差传感器达到615dB 的降噪效果,见图3。

图3 控制前后噪声
2003年,西班牙巴伦西亚工业大学的A.Gonzalez,M.Ferrer 等人对汽车发动机噪声经主动噪声控制后的车内音质进行了研究。

客观评价的结果是可获得10dB 的降噪量,主观评价的结论是除去一小部分人对于安静产生恐惧外,大部分人都获得了舒适感[6]。

4结论与展望
研究主动降噪技术在降低车内噪声中的应用,改善国产汽车的NVH 性能,具有较大的潜力,但目前国内尚没有成熟的车内主动噪声控制系统。

(1)主动降噪的机理研究还不够全面深入,尤其对于复杂的三维空间声场。

由于车辆舱室噪声场不同于一般封闭的简谐声场,声场、声学条件和环境复杂,因此更需在这方面进一步研究。

(2)主动噪声控制技术应用于车内低频噪声控制将成为研究热点,研究满足应用要求的简单、有效的声学器件和自适应控制算法是提高主动噪声控制技术实用性的有效途径。

(3)非线性控制技术、神经网络技术、自适应逆控制技术等在主动噪声控制技术中的应用将成为新的重要的研究方向和工程应用的突破点。

(4)在对噪声0治标0的同时,还应积极探索0治本0的途径,从以末端治理为主,逐步转到从噪声的源头开始控制。

尽管目前ANC技术还未能充分地应用到实际工程中,它的理论还有待进一步发展。

然而,它所具有的优势预示着这一高新技术产业的美好前景,ANC技术必将在未来的噪声控制技术中发挥重要的作用。

参考文献:
[1]常振臣,王登峰,周淑辉等.车内噪声控制技术研究现状及展望,吉林大学学报,2002,32(4):86-911
[2]L.J.Oswald.Reduction of diesel engine nois e inside a pas senger compartments using active adaptive noise control.Proceedi ngs of Inter-noise.84,pp.483-488,19841
[3]S.Hase gawa,T.Tabata, A.Kinoshi ta and h.Hyodo.The de-velopment of an ac tive noise control s ystem for automobiles.Society of Au-tomoti ve Engineers Technical paper922086,19921
[4]T.J.R oggenka mp,M.S.Kompella and R.J.Bernhard.De-velopment of Experimentall y Bas ed Structural/Acous tic Automobile Tire Noise M odels.Proceedi ngs of Noise-Con94,pp.111-116,19941 [5]J erome Couche.Active control of automobile cabin noise with con-ventional and advanced s peakers:(master thesis).Virgi nia Polytechnic Institute and State University,19991
[6] A.G onzalez,M.Ferrer,et al.Sound quality of low-frequenc y and car engine noises afteractive noi se contro.J ournal of Sound and V-i bration,vol265(3):663-679120031
(上接第54页)
由上分析可知,机械手动作是属于步进型的,控制输入量是开关量,因此采用PC控制器控制。

设计两种控制方式:一是手动控制、二是自动控制。

自动工作方式又分为单步、单周期和连续工作方式。

为了保证安全,机械手转动后,只有在工装内没有零件的情况下才能伸出将工件放下,若还有工件,则机械手应自动暂停等待。

为此,设置了一只光电开关,以检测/无工件0的信号。

PC的输入位置检测信号有下限(下降限)、上限(上升限)、缩回限、伸出限、手臂正转限、手臂反转限、手腕正转限、手腕反转限,总共需要8个输入端子;/无工件0的检测信号,用光电开关作检测元件则需要一个输入端子;工作方式选择开关为手动、单步、单周期、连续4种,则需要4个输入端子;手动操作时,需要有下降、上升、回缩、手臂下降、手臂正转、手臂反转、手腕正转、手腕反转、夹紧、放松,总共需要10个输入端子;自动工作时,尚需启动按钮、停止按钮和复位按钮,总共需要3个输入端子。

从上面的分析可知:输入端需要26个输入端子。

PC的输出信号用来控制机械手的下降、上升、伸出、缩回、手臂正转、手臂反转、手腕正转、手腕反转、夹紧等9个电磁阀线圈,则需要9个输出点;机械手从原点开始工作,需要一个原点指示,即也需要一个输出点,总共则需要10个输出点。

综上所述,I/O总数可为36,则选用三菱公司的F1)60MR型PC,其中I:36;O:24。

将手动程序和自动程序分别编出相应的独立的程序段,用条件跳转指令进行选择。

其中设置一段公用程序,当系统从自动工作方式切换到手动工作方式时,将移位寄存器M100和表示连续工作方式的M200复位,否则在返回自动逐个方式时可能会出现错误的动作。

4结论
机器人技术的发展成为工业自动化的一个象征,在现代化大生产中应用广泛。

本文实例说明用机器人技术改造传统生产线切实可行;用机器人机构学理论推导出装卸机械手运动学方程可以准确地控制手部的位置和姿态;抓重较大的机械手可以考虑用液压系统作为动力,采用PC(可编程控制)控制器对机械手进行顺序控制,可以实现手动控制、自动控制即单步、单周期和连续工作方式。

从设计制造出的结果表明,该机械手结构简单、控制性能良好、成本低,满足生产线的要求,而且可将其运用于柔性制造系统,大大提高了设备利用率。

在生产实际中,对改进生产线及提高生产率有重大的帮助。

参考文献:
[1]马香峰.机器人结构学[M].北京:机械工业出版社, 19911
[2]蔡自兴.机器人学[M].北京:清华大学出版社,20001
[3]陈绍华.机械设备电器控制[M].华南理工大学出版社, 20001
[4]廖长初.可编程控制器应用技术[M].重庆:重庆大学出版社,19921。