某車型路噪主動降噪開發(fā)

王理周，陳祥君，張斌瑜，任 超

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

汽車路噪是整車噪聲的重要來源，影響整車的噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise, Vibration,Harshness, NVH）性能和乘坐舒適性。隨著車輛電動化趨勢的加強(qiáng)，沒有發(fā)動機(jī)噪聲掩蓋的路噪變得越來越突出，同時電動車的加速性能比燃油車要好得多。為了突出電動車的優(yōu)勢，電動車的底盤一般以運動化為主，導(dǎo)致電動車的路噪更加突出。加之路噪的噪聲源一般不可控，其噪聲的頻率范圍也低于聲學(xué)包的控制范圍，導(dǎo)致電動車的路噪問題更為突出，成為目前汽車NVH領(lǐng)域需要重點解決的一個問題。

傳統(tǒng)的路噪解決方法包括采用低噪聲輪胎、輪胎吸振器，降低輪胎導(dǎo)致的路噪。在傳遞路徑上包括采用底盤襯套隔振、副車架加強(qiáng)、車身連接點加強(qiáng)、增加聲學(xué)材料隔聲等措施。這些技術(shù)比較成熟，但存在靈活性差、針對的頻段窄的缺點，同時有時會和其他性能沖突，如底盤隔振襯套可能車輛操穩(wěn)性能的改變。車內(nèi)道路噪聲的主動控制技術(shù)自COSTIN M H等[1]提出，這個技術(shù)克服了傳統(tǒng)路噪控制方法的缺點。但這個技術(shù)目前只有一些演示系統(tǒng)，尚無大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用[2-3]。鑒于路噪主動降噪對消除路噪方面的潛力和優(yōu)勢，本文開發(fā)了主動路噪控制系統(tǒng)，用來研究路噪算法實車應(yīng)用的可行性，并從主觀和客觀兩方面評估路噪主動降噪系統(tǒng)的降噪性能。

1 路噪主動降噪控制的原理

主動降噪一般采用最小均方誤差（Filter-x Least Mean Square, FxLMS）算法[4-6]，車內(nèi)路噪主動降噪這種多參考點、大空間的降噪系統(tǒng)，參考信號、次級通道信號，以及誤差麥克風(fēng)控制點都是多通道的，噪聲主動降噪控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 噪聲主動降噪控制系統(tǒng)圖

圖1為FxLMS算法的框圖，其中d(n)為要消除的噪聲；x(n)為參考信號；其中d(n)的幅值和相位是未知的，為了消除d(n)，來反復(fù)迭代權(quán)系數(shù)w(n)，使次級聲源發(fā)出反相聲波y(n)，來抵消要消除的噪聲[4]，LMS為最小均方算法（Least Mean Square, LMS）。對路噪來說，從底盤到車內(nèi)的噪聲傳遞路徑有很多條，每條對車內(nèi)噪聲有一定影響的路徑，主動降噪系統(tǒng)都要包含在內(nèi)，因此，路噪主動降噪的參考信號有很多條，導(dǎo)致路噪主動降噪的多通道模型非常復(fù)雜。下面用一個簡化版的2×2×2，即2個參考信號k、2個次級信號j、2個誤差麥克風(fēng)信號m的時域FxLMS模型來說明路噪主動降噪的算法原理。

一個2×2×2 時域FxLMS的算法框圖如圖2所示。

圖2 主動控制2×2×2 FxLMS算法控制系統(tǒng)框圖

其中有兩路喇叭輸出，其輸出為y：

上述自適應(yīng)濾波的權(quán)系數(shù)更新為

式中，k為參考信號序號；j為次級喇叭的輸出；m為誤差麥克風(fēng)的信號的序號，其范圍都為1～2。

多通道的次級通道的補(bǔ)償濾波為

在實際的路噪主動降噪系統(tǒng)開發(fā)中，要根據(jù)實際的參考點、次級喇叭和誤差麥克風(fēng)的數(shù)量，按照圖2來調(diào)整系統(tǒng)的框圖。

在式（3）的迭代中，迭代的步長因子，對路噪主動降噪的性能影響很大，如果步長設(shè)置過小，不但會導(dǎo)致收斂過慢，而且會陷入局部的極值中，導(dǎo)致降噪的性能不好；如果步長過大，會導(dǎo)致不穩(wěn)定，因此，選擇合適大小的迭代步長因子，變得非常重要。從式（3）中同樣也可以看出收斂的速度除跟步長相關(guān)外，還跟參考信號和誤差信號的能量相關(guān)，而路噪路面的多樣性，需要將參考信號也綜合納入步長的考量中，即采用歸一化的LMS算法，即考慮步長為

2 實車測試

在某車型上進(jìn)行路噪主動降噪算法性能測試，在實測實驗中，使用Simulink開發(fā)仿真模型，并在德斯拜思dSPACE平臺搭建實測的整車在環(huán)仿真模型，最終形成的模型如圖3所示。

圖3 dSPACE搭建的模型框圖

圖4 振動加速度布置

其中振動參考信號為4個布置在底盤位置的振動傳感器，每個傳感器為3個方向，振動加速度的布置點的選擇一般采用整車傳遞路徑分析（Transfer Path Analysis, TPA）方法，找出對車內(nèi)路噪影響最大的路徑，再在路徑上找出合適的布置點，本文不再詳述。在本例中，前輪的振動加速度布置在前輪的輪包位置，后輪的加速度布置在副車架和車身連接處，左右輪上的傳感器采用對稱的位置布置，圖4為車身左邊傳感器的布置。

車內(nèi)誤差麥克風(fēng)布置位置在頭枕，每個頭枕位置布置一個誤差麥克風(fēng)，后排布置三個誤差麥克風(fēng)，用來發(fā)送次級聲喇叭選用車門上的低音喇叭，為了加強(qiáng)低頻噪聲消除的效果，在后備廂中加裝了低音揚(yáng)聲器，如圖5所示。

圖5 次級揚(yáng)聲器和誤差麥克風(fēng)布置示意圖

dSPACE系統(tǒng)為DS1007，將dSPACE平臺布置在車輛的后備箱位置，振動傳感器和誤差麥克風(fēng)通過信號調(diào)理器接入dSPACE的A/D接口，dSPACE的D/A輸出接功放板，再連接到車門上的低音喇叭和后備箱的超低音揚(yáng)聲器。

2.1 傳遞路徑物理模型識別和信號采集

首先進(jìn)行初級聲源和次級聲源傳遞路徑物理模型的識別，使用圖6的模型來識別初級聲源到耳旁的傳遞路徑以及次級聲源的傳遞路徑。在截取傳遞函數(shù)的階次時，注意階次截斷的影響，以免估計模型和實際模型的相位差太大。

圖6 聲通道辨識模型圖

圖中x(n)為次級通道辨識信號；y(n)為次級通道辨識輸出信號；d(n)為期望信號；e(n)為次級通道辨識誤差信號；H1為D/A轉(zhuǎn)換，重建濾波和功率放大；H2為抗混淆濾波；A/D轉(zhuǎn)換和低通濾波；黑色虛線框是次級通道的物理模型，包含H1、H2以及喇叭到麥克風(fēng)通道的聲傳遞函數(shù)，記作S(z)；為次級通道的估計模型，當(dāng)次級通道的辨識誤差信號收斂為零時，即

式中，X(z)、D(z)分別為x(n)和d(n)的z變換，此時S?(z)=S(z)，以次級通道估計模型能夠準(zhǔn)確地表示次級通道的物理模型。通過這個方法來獲取車內(nèi)次級喇叭到誤差麥克風(fēng)的傳遞函數(shù)，在本例中傳遞函數(shù)取128點（采樣頻率為2 kHz）。獲取的次級通道傳遞函數(shù)如圖7所示。

圖7 次級通道傳遞函數(shù)

2.2 實車測試結(jié)果

路噪主動降噪系統(tǒng)的實車測試在不同的粗糙路面上進(jìn)行，對比主動降噪在開啟和關(guān)閉的情況下，在乘客位置的降噪效果。實車勻速時，后排左右乘客位置的降噪效果對比后，實線為主動降噪關(guān)閉的情況，虛線曲線為主動降噪打開的情況，主動降噪系統(tǒng)在低頻部分，綜合的降噪效果能達(dá)到3 dBA～5 dBA，主觀評價也能明顯感覺到路噪的改善，如圖8所示。

圖8 路噪主動降噪實車改善效果圖

2.3 測試過程中的問題及處理

車輛路噪主動降噪系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性非常重要，因此，在測試過程中，除考查算法的降噪效果外，也在不同的路面上進(jìn)行測試，包括粗糙、半粗糙、光滑等不同的路面。在不同路面的切換過程中，路噪主動降噪系統(tǒng)總體穩(wěn)定，但在不同工況的切換中，尤其是在行駛-停止-行駛的過程中，如果車輛停止較長一段時間（如等紅燈），再行駛的過程中，會出現(xiàn)聲音發(fā)散的情況，檢查整個的算法鏈中，發(fā)現(xiàn)這個問題與歸一化的步長設(shè)置方法相關(guān)，參見式（5）。如果在停止的狀態(tài)中，輸入的參考信號將變得非常小，這會導(dǎo)致在車輛停止的時候，步長變得非常大，而一旦再啟動，過大的步長會造成發(fā)散，考慮這個情況，在歸一化的算法中增加一個門檻值，即

這樣，即使在參考信號輸入最小的情況下，步長也能保持一個合理的值。在實車測試中消除了系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況。

3 結(jié)論

本文對車輛路噪主動降噪開發(fā)流程進(jìn)行了論述，首先對主動降噪的原理進(jìn)行了分析，然后在整車上進(jìn)一步驗證。通過開發(fā)時域FxLMS算法的路噪主動降噪系統(tǒng)，采用dSPACE系統(tǒng)作為路噪主動降噪系統(tǒng)控制器，對車輛路噪的降噪取得了良好的效果。同時對歸一化算法的不穩(wěn)定問題進(jìn)行了分析并提出了解決辦法，為車輛主動降噪的后續(xù)量產(chǎn)化開發(fā)奠定基礎(chǔ)。