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【摘 要】 汽车作为主要的现代化交通工具，对于人们的生活和社会的发展是不可缺少的一部分，但其產生的噪声严重影响着人们的生活和健康，汽车的排气噪声是城市噪声污染的主要根源之一。随着汽车保有量日趋增长，这一问题变得越发严重，国内外都制定了许多越来越严厉的车辆噪声控制的标准与法规用于限制汽车排气噪声。本文就将对特种车辆有源噪声控制系统的相关问题进行分析探讨。
【关键词】 特种车；有源噪声；设计
引言：
在特种车辆的降噪问题上，早期一般采用被动噪声控制方法，即尽量降低噪声源的噪声、减小行动系统对车体的激振力和力矩、加强结构刚度、改善发动机支架及周围舱壁的隔声性能在内部进行吸声处理、最大限度地减少传到乘员位置处的声势能等。这些降噪方法一方面需要从总体上进行考虑，另一方面只对控制系统中的中高频噪声较为有效，而对低频噪声的控制效果不大。测试结果表明，特种车辆内部噪声以低频为主，传统的被动噪声控制方法难以取得满意的效果，为此，需要采用一项新技术——有源噪声控制技术。
一、自适应有源噪声控制器结构分析
噪声控制分为有源噪声控制和无源噪声控制。传统噪声控制的主要方法包括吸声处理、隔声处理和使用消声器。其降噪机理在于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。传统噪声控制方法总体上分为阻性和抗性两种。前者对中高频噪声的控制效果好，后者虽然可以较好地控制低频噪声，但它的频段较窄，且所需设备一般较为笨重、体积庞大，应用范围受到限制。为了降低低频噪声，有源噪声控制技术便应运而生。
有源噪声控制是指通过自适应控制器运算产生次级噪声去抵消初级噪声的一种方法。有源噪声控制的基本原理是在降噪点，次级声源产生的声波与初级声源的声波幅值相等，相位相反，于是二者相互抵消，最终达到降低噪声的目的。由于初级噪声源特性和声场环境的时变性，参考噪声的相位、频率、幅值都是时变的，有源噪声控制系统必须能够适应这种变化的情况才能达到预期的降噪效果。自适应有源噪声控制原理如下图1所示，由初级声源S发出的噪声传播到点E，同时，参考传感器Ml检测初级声源信号，送入自适应控制器，经功放由扬声器P，即次级声源发出，传播到点E和初级声源叠加，由误差传声器M2监测残余噪声并送入自适应控制器，经特定的自适应算法进行控制，使点E的残余信号最小。
图1 自适应有源噪声控制原理图
二、自适应滤波相关理论分析
有源噪声控制系统的核心是自适应滤波器和相应的自适应算法。自适应系统最基本的性质是它的时变、自调整性能。如果设计者采用参数固定的设计方法设计出一种他们认为是最佳的系统，就预示着设计者事先知道了一切可能的输入条件，而且他们知道系统在这些条件下该怎样动作。然而，噪声信号的特性就是无法预知，它是随时间不断变化的，实时跟踪其信号比较困难。自适应滤波器可以不必预先知道其输入输出的统计特性，而是按事先设定的准则自动调整本身的传递函数以达到所需要的输出，而且，在滤波过程中输入的统计特性如某个参量随时间做缓慢变化，它也可以自动适应。这些优点使它被有源噪声控制研究所接纳和发展。
自适应有源噪声控制系统要求的是在噪声环境下能有效地跟踪时变的噪声输入信号，采用一种有序搜索方法，在一类允许的可能范围内不断寻找最佳值的自适应系统，使相应输出信号达到最优的噪声抑制效果。自适应有源噪声控制系统与信号处理中的自适应噪声抵消系统的工作原理基本相同，其区别在于：有源噪声控制系统处理的不是电信号，而是声学参量，因此必须考虑各类电声器件的影响；有源噪声控制系统中次级声源的输出并不立即被误差传声器所接收，而是要经过次级通道的传播，因此次级通道对算法的影响必须考虑；有源噪声控制系统中存在次级声反馈问题。
三、无次级通道建模的自适应ANC
在控制过程中次级通道固定不变时，利用基于离线建模技术得到的次级通道模型进行控制的FX-LMS算法能取得较为满意的降噪效果。然而实际应用中，次级通道都会随着声场环境参数和噪声特性而不断改变，如果继续使用基于离线建模技术得到的次级通道模型进行系统控制，会导致有源噪声控制系统的降噪性能恶化，甚至出现系统不稳定的情况。解决这个问题的一种有效的方法就是运用无需次级通道模型的控制方法进行噪声控制。这里所说的不需次级通道建模，并不是简单意义上的不对次级通道进行建模，忽略次级通道对实际系统降噪性能的影响，而是将次级通道的动态改变通过其他方式体现在系统的自适应更新过程中，通过实时比较每次采集进入系统的参考信号能量值、误差信号能量值与之前一个时间单位采集进入系统的参考信号能量值、误差信号能量值，动态更新步长因子的方向，从而实时调整自适应滤波器的权系数，进而生成相应的次级声源控制量，达到稳定的降噪效果。
四、次级声源和误差传声器的布放
自适应有源降噪是通过使误差传声器处声压最小来实现的，当有多个误差传声器存在时，其实现准则是使所有误差信号的均方值的和最小，也就是各误差传声器处声压的均方值之和为最小，因此对自由声场中某一确定的声源，只要在其附近布放一定数量的次级声源，同时在空间所有方向上，即包围初级声源、次级声源的一个球面上连续布放无数个误差传声器、通过自适应控制器的调节，就可实现系统的有源消声。但在实际工程应用中，这种方法是不可行的，因为过多的次级声源和误差传声器一万面会使系统变得复杂化，运算量急剧增加，从而影响有源噪声控制系统的实时性，另一方面实际的应用场合一般也不允许布放这么多的次级声源和误差传声器。因此，能否利用尽量少的次级声源和误差传声器通过合理布放其位置实现降噪空间的最大化和降噪效果的最优是我们关心的问题。讨论车内有源噪声控制系统中次级声源和误差传声器的布放策略问题时，首先应该考虑的是次级声源和误差传声器布放在哪里比较合适，因为任何车辆设备的制造商都不会提前为本系统的实现预留固定的空间，特种车辆的主要功用是其强大的军事用途，车内有源噪声控制系统的设计应该以不影响舱室内士兵的正常活动为出发点。其次需要考虑的才是在这些可布放位置上选取最优方案完成次级声源和误差传声器的布放。 五、影响有源噪声控制系统降噪效果因素分析
在實际工作中决定有源噪声控制系统最终降噪量的因素来自以：系统可能取得的最大降噪量由次级声源和误差传声器的布放位置及个数确定；实际应用中，往往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辐射功率最小，但是声音信号的辐射功率无法直接获得，常用有限点的声压平方和取代，由此得到的降噪量比理论上系统可能取得的最大降噪量要小；假定自适应控制算法能够收敛，且系统鲁棒性较好，但有源噪声控制系统所得到的降噪量仍然小于以有限点声压平方和为控制函数得到的降噪量，那么可以考虑控制器结构、算法类型以及影响自适应控制器性能的其他参数；对前馈系统而言，参考信号与初级噪声信号的相关度越高，系统的降噪效果也越好。
综上，一个实际的有源噪声控制系统是否能取得满意的控制效果，关键在于以下因素：初级声源的类型和特征，从控制的角度来看，如果初级噪声是单频噪声、离散线谱噪声或者窄带噪声，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；次级声源和误差传声器的位置和个数，为了获得全局空间降噪能量的降低，最好的次级声源布放是它能够从空间和时间完全复制初级声场，而误差传声器应尽量使实际控制目标逼近理论上的控制目标；参考信号及其质量，在有源噪声控制现场，如果能够采集到与初级噪声信号相关的参考信号，那么就可以采用前馈系统。前馈系统实现起来比较简单，而且稳定性好，倘若无法采集到参考信号时，便只能使用反馈系统了。反馈系统的最大问题是容易造成系统的不稳定；自适应算法及控制器硬件，自适应算法的类型决定了宽带噪声的抵消效果、系统稳定性和控制器的复杂程度等。控制器硬件以能够实时地、准确地完成自适应算法为目标。
六、结束语
总而言之，噪声污染是一个全世界都十分关注的环境问题，过量的环境噪声对人的生理和心理都有不利影响。噪声控制，是一项工程实践性和技术性都很强的工作。在人们环境保护意识不断增强的今天，政府和行业管理部门对噪声污染的重视程度越来越高，有关噪声污染控制的相关法律法规也随之相应出台。曾经在设计中未被引起足够重视的噪声问题已经摆在人们眼前，而相应的对噪声进行主动或被动的控制技术也被纳入现代产品绿色设计的范畴之中。因此对特种车辆噪声的有效控制极具现实意义。
参考文献：
[1]张丽娟.基于神经网络算法的车辆噪声有源控制研究[D].上海工程技术大学，2014.
[2]杨益民.特种车辆有源噪声控制系统的研究与设计[D].浙江大学，2014.
[3]孙华强.自适应有源反馈噪声控制系统研究[D].西北工业大学，2002.
【关键词】 特种车；有源噪声；设计
引言：
在特种车辆的降噪问题上，早期一般采用被动噪声控制方法，即尽量降低噪声源的噪声、减小行动系统对车体的激振力和力矩、加强结构刚度、改善发动机支架及周围舱壁的隔声性能在内部进行吸声处理、最大限度地减少传到乘员位置处的声势能等。这些降噪方法一方面需要从总体上进行考虑，另一方面只对控制系统中的中高频噪声较为有效，而对低频噪声的控制效果不大。测试结果表明，特种车辆内部噪声以低频为主，传统的被动噪声控制方法难以取得满意的效果，为此，需要采用一项新技术——有源噪声控制技术。
一、自适应有源噪声控制器结构分析
噪声控制分为有源噪声控制和无源噪声控制。传统噪声控制的主要方法包括吸声处理、隔声处理和使用消声器。其降噪机理在于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。传统噪声控制方法总体上分为阻性和抗性两种。前者对中高频噪声的控制效果好，后者虽然可以较好地控制低频噪声，但它的频段较窄，且所需设备一般较为笨重、体积庞大，应用范围受到限制。为了降低低频噪声，有源噪声控制技术便应运而生。
有源噪声控制是指通过自适应控制器运算产生次级噪声去抵消初级噪声的一种方法。有源噪声控制的基本原理是在降噪点，次级声源产生的声波与初级声源的声波幅值相等，相位相反，于是二者相互抵消，最终达到降低噪声的目的。由于初级噪声源特性和声场环境的时变性，参考噪声的相位、频率、幅值都是时变的，有源噪声控制系统必须能够适应这种变化的情况才能达到预期的降噪效果。自适应有源噪声控制原理如下图1所示，由初级声源S发出的噪声传播到点E，同时，参考传感器Ml检测初级声源信号，送入自适应控制器，经功放由扬声器P，即次级声源发出，传播到点E和初级声源叠加，由误差传声器M2监测残余噪声并送入自适应控制器，经特定的自适应算法进行控制，使点E的残余信号最小。
图1 自适应有源噪声控制原理图
二、自适应滤波相关理论分析
有源噪声控制系统的核心是自适应滤波器和相应的自适应算法。自适应系统最基本的性质是它的时变、自调整性能。如果设计者采用参数固定的设计方法设计出一种他们认为是最佳的系统，就预示着设计者事先知道了一切可能的输入条件，而且他们知道系统在这些条件下该怎样动作。然而，噪声信号的特性就是无法预知，它是随时间不断变化的，实时跟踪其信号比较困难。自适应滤波器可以不必预先知道其输入输出的统计特性，而是按事先设定的准则自动调整本身的传递函数以达到所需要的输出，而且，在滤波过程中输入的统计特性如某个参量随时间做缓慢变化，它也可以自动适应。这些优点使它被有源噪声控制研究所接纳和发展。
自适应有源噪声控制系统要求的是在噪声环境下能有效地跟踪时变的噪声输入信号，采用一种有序搜索方法，在一类允许的可能范围内不断寻找最佳值的自适应系统，使相应输出信号达到最优的噪声抑制效果。自适应有源噪声控制系统与信号处理中的自适应噪声抵消系统的工作原理基本相同，其区别在于：有源噪声控制系统处理的不是电信号，而是声学参量，因此必须考虑各类电声器件的影响；有源噪声控制系统中次级声源的输出并不立即被误差传声器所接收，而是要经过次级通道的传播，因此次级通道对算法的影响必须考虑；有源噪声控制系统中存在次级声反馈问题。
三、无次级通道建模的自适应ANC
在控制过程中次级通道固定不变时，利用基于离线建模技术得到的次级通道模型进行控制的FX-LMS算法能取得较为满意的降噪效果。然而实际应用中，次级通道都会随着声场环境参数和噪声特性而不断改变，如果继续使用基于离线建模技术得到的次级通道模型进行系统控制，会导致有源噪声控制系统的降噪性能恶化，甚至出现系统不稳定的情况。解决这个问题的一种有效的方法就是运用无需次级通道模型的控制方法进行噪声控制。这里所说的不需次级通道建模，并不是简单意义上的不对次级通道进行建模，忽略次级通道对实际系统降噪性能的影响，而是将次级通道的动态改变通过其他方式体现在系统的自适应更新过程中，通过实时比较每次采集进入系统的参考信号能量值、误差信号能量值与之前一个时间单位采集进入系统的参考信号能量值、误差信号能量值，动态更新步长因子的方向，从而实时调整自适应滤波器的权系数，进而生成相应的次级声源控制量，达到稳定的降噪效果。
四、次级声源和误差传声器的布放
自适应有源降噪是通过使误差传声器处声压最小来实现的，当有多个误差传声器存在时，其实现准则是使所有误差信号的均方值的和最小，也就是各误差传声器处声压的均方值之和为最小，因此对自由声场中某一确定的声源，只要在其附近布放一定数量的次级声源，同时在空间所有方向上，即包围初级声源、次级声源的一个球面上连续布放无数个误差传声器、通过自适应控制器的调节，就可实现系统的有源消声。但在实际工程应用中，这种方法是不可行的，因为过多的次级声源和误差传声器一万面会使系统变得复杂化，运算量急剧增加，从而影响有源噪声控制系统的实时性，另一方面实际的应用场合一般也不允许布放这么多的次级声源和误差传声器。因此，能否利用尽量少的次级声源和误差传声器通过合理布放其位置实现降噪空间的最大化和降噪效果的最优是我们关心的问题。讨论车内有源噪声控制系统中次级声源和误差传声器的布放策略问题时，首先应该考虑的是次级声源和误差传声器布放在哪里比较合适，因为任何车辆设备的制造商都不会提前为本系统的实现预留固定的空间，特种车辆的主要功用是其强大的军事用途，车内有源噪声控制系统的设计应该以不影响舱室内士兵的正常活动为出发点。其次需要考虑的才是在这些可布放位置上选取最优方案完成次级声源和误差传声器的布放。 五、影响有源噪声控制系统降噪效果因素分析
在實际工作中决定有源噪声控制系统最终降噪量的因素来自以：系统可能取得的最大降噪量由次级声源和误差传声器的布放位置及个数确定；实际应用中，往往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辐射功率最小，但是声音信号的辐射功率无法直接获得，常用有限点的声压平方和取代，由此得到的降噪量比理论上系统可能取得的最大降噪量要小；假定自适应控制算法能够收敛，且系统鲁棒性较好，但有源噪声控制系统所得到的降噪量仍然小于以有限点声压平方和为控制函数得到的降噪量，那么可以考虑控制器结构、算法类型以及影响自适应控制器性能的其他参数；对前馈系统而言，参考信号与初级噪声信号的相关度越高，系统的降噪效果也越好。
综上，一个实际的有源噪声控制系统是否能取得满意的控制效果，关键在于以下因素：初级声源的类型和特征，从控制的角度来看，如果初级噪声是单频噪声、离散线谱噪声或者窄带噪声，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；次级声源和误差传声器的位置和个数，为了获得全局空间降噪能量的降低，最好的次级声源布放是它能够从空间和时间完全复制初级声场，而误差传声器应尽量使实际控制目标逼近理论上的控制目标；参考信号及其质量，在有源噪声控制现场，如果能够采集到与初级噪声信号相关的参考信号，那么就可以采用前馈系统。前馈系统实现起来比较简单，而且稳定性好，倘若无法采集到参考信号时，便只能使用反馈系统了。反馈系统的最大问题是容易造成系统的不稳定；自适应算法及控制器硬件，自适应算法的类型决定了宽带噪声的抵消效果、系统稳定性和控制器的复杂程度等。控制器硬件以能够实时地、准确地完成自适应算法为目标。
六、结束语
总而言之，噪声污染是一个全世界都十分关注的环境问题，过量的环境噪声对人的生理和心理都有不利影响。噪声控制，是一项工程实践性和技术性都很强的工作。在人们环境保护意识不断增强的今天，政府和行业管理部门对噪声污染的重视程度越来越高，有关噪声污染控制的相关法律法规也随之相应出台。曾经在设计中未被引起足够重视的噪声问题已经摆在人们眼前，而相应的对噪声进行主动或被动的控制技术也被纳入现代产品绿色设计的范畴之中。因此对特种车辆噪声的有效控制极具现实意义。
参考文献：
[1]张丽娟.基于神经网络算法的车辆噪声有源控制研究[D].上海工程技术大学，2014.
[2]杨益民.特种车辆有源噪声控制系统的研究与设计[D].浙江大学，2014.
[3]孙华强.自适应有源反馈噪声控制系统研究[D].西北工业大学，2002.