高速動車組主動降噪技術的探索與應用*

高 攀， 董孝卿， 陳 彪， 蔣成成， 田朋溢

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所, 北京 100081)

隨著我國經濟的快速發展，高鐵出行成為人們出行的重要交通方式，乘客的乘坐舒適度成為重要關注點。其中，行駛時的噪聲水平是衡量乘坐舒適度的一個重要指標。因此，高鐵噪聲的控制成為高速鐵路動車組技術研究的熱點。

一般來說，噪聲控制可以從噪聲源、噪聲傳播路徑和噪聲接收者三方面入手[1]。傳統噪聲控制主要以噪聲的聲學控制方法為主，主要技術手段包括吸聲處理、隔聲處理、使用消聲器、振動的隔離與降低等。這些噪聲控制方法的機理在于使噪聲聲波與聲學材料或結構相互作用而消耗聲能，從而達到降低噪聲的目的，屬于無源或被動式的控制方法。無源控制方法對降低中高頻噪聲比較有效，而對于降低低頻噪聲的作用不大。為此，一項新的噪聲控制技術--主動噪聲控制的提出與發展適應了實際的需求，目前已發展成為一種重要的噪聲控制手段[2-4]，并在很多行業中得到了廣泛的應用。我國主動降噪技術研究起始于上世紀九十年代，主要集中在國內高校研究所等科研機構和軍工領域。國內科研機構以西北工業大學，南京大學，中科院聲學所為主力，做了大量研究工作；軍工應用主要集中在船舶艦艇，航空航天領域主動隔振和主動降噪。總體來說，我國主動降噪技術尚處于研究探索階段，在市場上幾乎看不到成熟的產品被大規模應用推廣。ISVR(英國南安普頓大學振動噪聲研究所)是國際領先的振動與噪聲研究單位，承擔過多個噪聲主動控制項目，包括汽車車內發動機噪聲及路噪主動控制方法研究，飛機機艙噪聲主動控制方法研究以及豪華游艇主動噪聲控制系統等，取得良好的效果。另外Bose公司對ANC主動降噪技術的研究取得了良好的效果，不僅在耳機方面，Bose在通過一系列的研究后，還成功的將ANC主動降噪技術運用在了汽車上，但國外對技術封鎖非常嚴重。

有源噪聲控制系統中，為了在人耳附近獲得安靜區域，誤差傳感器的放置位置通常應盡可能靠近人耳，但給使用人帶來不適感。為此，Elliott和Garcia等在噪聲主動控制中引入了虛擬傳聲器技術[5-7]。

1 主動噪聲控制基本原理

1.1 軟件實現

主動噪聲控制系統一般需要采集被控初級聲場的聲音信息，通常稱為參考信號x(n)。參考信號x(n)送到前饋控制器，經過控制器處理后，產生一個相應的控制信號y(n)，驅動喇叭輸出該聲音信號，通過次級通路S(z)，產生次級聲場y'(n)，和實際通過物理途徑P(z)傳到誤差傳感器的信號d(n)相疊加，誤差傳感器獲取初級聲場和次級聲場疊加形成的合成信號e(n)，并送到控制器中，控制器根據算法實時計算出次級聲源信號y(n)。其控制目標為使誤差傳感器檢測到的誤差信號e(n)的均方誤差最小，實現最優控制。

綜合考慮系統的運算速度和計算精度等因素，系統選取Filtered-X LMS算法[1]，相比較于基本的LMS算法，在更新濾波器系數W(z)的過程中增加濾波器S(z)，算法原理如圖1所示。

圖1 控制算法原理框圖

主動噪聲控制的目標是使誤差傳感器采集的信號(一般為A計權聲壓級)達到最小，即在誤差傳感器處形成一個安靜區域。因此誤差傳感器與人耳距離越近，效果越好，但會造成使用的不便利性。因此虛擬傳感器的引入可有效解決這一問題。虛擬傳感器能夠跟蹤人體頭部運動，始終保證形成的安靜區域在人耳處而不是在誤差傳感器處。基本理論是以原來的誤差傳感器位置為虛擬傳感器位置，物理傳感器移到距離人耳較遠位置，控制算法在虛擬傳感器附近形成安靜區域，虛擬傳感器與人耳所處位置并不矛盾。

基于Filtered-X LMS算法引入虛擬傳感器的有源噪聲控制原理[8]如圖2所示。

圖2 基于FX LMS算法引入 虛擬傳感器控制原理圖

Hp(z)：控制喇叭到物理傳感器之間的傳遞函數；

Hv(z)：控制喇叭到虛擬傳感器之間的傳遞函數；

Hpv(z)：物理傳感器到虛擬傳感器之間的傳遞函數。

1.2 硬件實現

主動降噪系統的硬件需滿足數據處理速度要求快、信號測量精度高，同時工程應用方便等要求，系統進行數據處理的時間越短，控制的實時性越強，更好的滿足物理現象的因果關系。特別是對時變信號、收斂速度、控制實時性非常關鍵。系統通道數較多時，數據量大、算法復雜、收斂速度較慢，對系統的數據處理能力要求較高。

基于上述綜合考慮，硬件系統采用NI Compact RIO嵌入式測控平臺，Compact RIO提供了一個開放的嵌入式架構，包括內置的嵌入式控制器、實時操作系統、可編程FPGA以及小型、堅固且可熱插拔的工業I/O模塊。快速實現測量與控制系統的自定義設計、原型發布和工程部署。

Compact RIO的RIO(FPGA)核心內置數據傳輸機制，負責把數據傳到嵌入式處理器以進行實時分析、數據處理、數據記錄或與聯網主機通信。利用LabVIEW FPGA基本的I/O功能，用戶可以直接訪問Compact RIO硬件的每個I/O模塊的輸入輸出電路，如圖3所示。所有I/O模塊都包含內置的接口、信號調理、轉換電路(如ADC或DAC)，以及可選配的隔離屏蔽。這種設計使得構架具有開放性，用戶可以訪問到底層的硬件資源。搭建完畢的原理樣機如圖4所示。

圖3 NI CompactRIO數據流

圖4 原理樣機圖

2 原理樣機控制效果驗證

為檢測原理樣機的降噪效果及其穩定性，分別在試驗室內采用標準信號以及高速動車組車內噪聲信號模擬進行試驗。首先利用3種單頻信號(100，200，400 Hz)組合形成的理想信號對原理樣機的降噪效果進行驗證試驗，降噪系統控制前后左右耳處A計權聲壓級可降低約17 dB。降噪曲線及峰值頻率處頻譜降噪效果如圖5～圖6所示。

利用高速動車組實測噪聲信號，通過在試驗室內進行回放模擬，主動降噪系統樣機控制前后在左右耳處A計權聲壓級降低約10 dB，控制效果如圖7所示。

圖5 理想信號降噪效果圖

圖6 試驗室內降噪效果對比圖(理想信號)

圖7 試驗室內降噪效果對比圖

為驗證主動降噪系統在動車組實際運行過程中的降噪效果，在(大同-西安)大西客運專線，選取中國標準動車組以350 km/h運行時商務車為控制目標進行驗證試驗，測點現場圖如圖8。試驗結果表明基于虛擬傳感器技術的主動降噪系統在控制前后人耳附近聲壓級平均降低約2.5 dB，降噪曲線如圖9所示。

由于實際運行時動車組客室內聲場較為復雜，確定主要噪聲源成為重要方面，因此在接下來的研究中建議首先對降噪區域的聲場分布及噪聲傳遞路徑進行分析，明確噪聲源的傳播過程，優化控制算法，從而達到更好的降噪效果。

圖8 商務區座椅 主動降噪現場圖

圖9 高速動車組商務車車內 噪聲主動降噪效果對比圖

3 結論與展望

基于虛擬傳感器技術的主動降噪系統在試驗室內具有良好的降噪效果，使用多種單頻信號和動車組錄制的噪聲信號可分別降低約17 dB和10 dB，系統穩定，人耳感覺明顯。此時噪聲源為點聲源，且聲場環境穩定，參考信號與該噪聲源信號的相關性好，可以有效提取誤差點信號的來源。

在現場實際測量中，由于高速動車組車內聲場環境變得復雜、不穩定，參考信號與控制點信號相關性變差，控制前后降噪效果僅約2.5 dB。在以后的研究中，為提高動車組實際運行狀態的主動降噪效果，需對客室內噪聲傳播途徑、聲場分布等特性做進一步的分析，優化主動降噪算法，從而進一步提高主動降噪效果。