CN103500575B - 一种预测主动噪声控制系统降噪效果的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种预测主动噪声控制系统降噪效果的方法，包括：建立车身结构和车内空腔的声固耦合模型；布置M个麦克风和K个扬声器；得到M个麦克风对应的初级信号矢量d；获取传递函数矩阵H；设定每个麦克风的加权值λi，组成对角矩阵Λ；求解扬声器的稳态输出X；计算在发动机力激励和扬声器激励同时作用时车内声场的分布情况；通过调整扬声器的数量和位置、麦克风的数量和位置以及麦克风信号加权值，观察车内声场的分布情况，得到不同硬件布置方案下主动噪声控制系统的降噪效果。与现有技术相比，本发明通过对比不同硬件布置方案下系统的降噪效果，可以评价系统硬件布置的好坏以及优化硬件布置方案，有利于主动噪声控制系统的设计开发。
Description
技术领域
本发明涉及一种降噪效果预测方法，尤其是涉及一种基于有限元的预测主动噪声控制系统降噪稳态效果的方法。
背景技术
主动噪声控制是一项新技术。它的基本原理是，用扬声器发出与噪声声波相位相反的声波，使两者叠加，从而达到“以声消声”的目的。传统的车内声学包装，对解决高频噪声效果明显，但是对低频噪声效果不显著。不仅如此，传统的声学包装价格昂贵，还会对车辆带来额外负重，影响汽车动力学和经济性。而主动噪声控制技术，可以利用车内娱乐用音响系统，配套相应的麦克风和控制器，即可实现低频降噪的目的，成本也相对低廉。
主动噪声控制技术，一般用以降低20-200Hz范围内的噪声。对于20-60Hz频率范围内的噪声，其声学现象主要以气体绝热变化为主，车内噪声同幅值同相位，单输入单输出的主动噪声控制系统即能满足要求。对于60-200Hz频率范围内的噪声，由于车内空腔声学模态的产生而使得车内噪声的幅值和相位分布变得复杂。为了增大降噪区域，提高降噪效果，则需要引入多输入多输出的主动噪声控制系统。
正因为引入了多输入多输出系统，所以这个系统麦克风的数量与位置、扬声器的数量与位置和误差信号的加权值对于整个系统最终的降噪效果都会产生影响。因此，对于多输入多输出的主动噪声控制系统稳态性能的预测就十分重要。目前，主动噪声控制系统的硬件布置形式主要靠经验，并且以沿用以前娱乐用扬声器布置方式为主，缺乏试验与仿真依据。因此，研究一种可以预测主动噪声控制系统的降噪效果，从而实现对其硬件配置的对比与评价的方法十分必要。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种预测主动噪声控制系统降噪效果的方法，用以优化主动噪声控制系统中扬声器的数量和位置、麦克风的数量和位置以及误差信号的加权值，从而实现对该系统硬件配置的对比与评价。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种预测主动噪声控制系统降噪效果的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立车身结构和车内空腔的声固耦合模型；
(2)设定主动噪声控制系统的硬件布置方案，在声固耦合模型中布置M个麦克风和K个扬声器，所述的M个麦克风分别表示为对应位置的场点，所述的K个扬声器分别表示为对应位置的边界网格的速度边界条件；
(3)获取发动机力激励，在声固耦合模型上施加发动机力激励，计算各个麦克风对应的场点在某个频率下的稳态响应，得到M个麦克风对应的初级信号矢量d＝[d1，d2，…，dM]T，其中，di表示第i个麦克风的初始信号，di为复数，用以表示初始信号的幅值和相位；
(4)获取第j个扬声器到第i个麦克风之间在对应频率的传递函数Hij，Hij为复数，用以表示传递函数的增益和相位差，并形成传递函数矩阵H，
(5)设定每个麦克风的加权值λi，组成对角矩阵Λ＝diag(λ1，λ2，…，λM)；
(6)利用多通道滤波算法的收敛特性，求解扬声器的稳态输出X＝[x1，x2，…，xk]T；
(7)将扬声器的稳态输出X=[x1，x2，…，xk]T作为边界条件，发动机力激励作为结构激励源，输入到声固耦合模型中，计算在发动机力激励和扬声器激励同时作用时车内声场的分布情况；
(8)通过调整扬声器的数量和位置、麦克风的数量和位置以及麦克风信号加权值，观察车内声场的分布情况，得到不同硬件布置方案下主动噪声控制系统的降噪效果。
步骤(6)所述的求解扬声器的稳态输出X＝[x1，x2，…，xk]T具体是，在多通道有源控制系统中，为了使目标函数J=||Λd+ΛHX||2达到最小，即求解线性代数方程ΛHX=-Λd的矛盾解，利用伪逆可求得其矛盾解为X=-(ΛH)+×(Λd)。
步骤(3)所述的获取发动机力激励具体是，先在实车上通过传递路径分析试验获取发动机力激励，然后获得发动机在特定工况下悬置点的力激励的频谱图。
本发明方法中声固耦合模型的搭建、初级信号的获得、传递函数矩阵的获得以及最终效果的预测都是通过LMSVirtual.Lab软件实现。
与现有技术相比，本发明实现了主动噪声控制系统硬件布置的正向设计，通过对比不同硬件布置方案下的系统的降噪效果，可以优化扬声器的数量和位置、麦克风的数量和位置以及麦克风信号加权值，从而实现了定量分析硬件布置方案对于降噪效果的影响，有效解决了硬件成本与降噪效果之间的矛盾关系，适用于主动噪声控制系统的前期设计开发中。
附图说明
图1为本发明声固耦合模型的结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种预测主动噪声控制系统降噪效果的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在LMSVirtual.Lab软件中，建立车身结构和车内空腔的声固耦合模型，如图1所示；
(2)设定主动噪声控制系统的硬件布置方案，在声固耦合模型中布置7个麦克风1和3个扬声器2，所述的麦克风1分别表示为对应位置的场点，所述的扬声器2分别表示为对应位置的边界网格的速度边界条件；
(3)获取发动机力激励，并在图1所述的位置A和位置B处施加发动机力激励，计算7个麦克风1对应的场点在某个频率下的稳态响应，得到7个麦克风1对应的初级信号矢量d=[d1，d2，…，d7]T，其中，di表示第i个麦克风的初始信号，di为复数，用以表示初始信号的幅值和相位；
(4)获取第j个扬声器2到第i个麦克风1之间在对应频率的传递函数Hij，Hij为复数，用以表示传递函数的增益和相位差，并形成传递函数矩阵H，
(5)设定每个麦克风1的加权值λi，在这里假设每个麦克风1具有相同的重要性，组成对角矩阵Λ=diag(1，1，1，1，1，1，1)；
(6)利用多通道滤波算法的收敛特性，求解扬声器2的稳态输出X=-(ΛH)+×(Λd)；
(7)将7个扬声器2的稳态输出X=[x1，x２，…，x7]T作为边界条件，发动机力激励作为结构激励源，输入到声固耦合模型中，计算在发动机力激励和扬声器激励同时作用时车内声场的分布情况；
(8)通过调整扬声器2的数量和位置、麦克风1的数量和位置以及麦克风1信号加权值，观察车内声场的分布情况，得到不同硬件布置方案下主动噪声控制系统的降噪效果。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种预测主动噪声控制系统降噪效果的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立车身结构和车内空腔的声固耦合模型；
(2)设定主动噪声控制系统的硬件布置方案，在声固耦合模型中布置M个麦克风和K个扬声器，所述的M个麦克风分别表示为对应位置的场点，所述的K个扬声器分别表示为对应位置的边界网格的速度边界条件；
(3)获取发动机力激励，在声固耦合模型上施加发动机力激励，计算各个麦克风对应的场点在某个频率下的稳态响应，得到M个麦克风对应的初级信号矢量d＝[d1,d2,…,dM]T,其中，di表示第i个麦克风的初始信号，di为复数，用以表示初始信号的幅值和相位；
(4)获取第j个扬声器到第i个麦克风之间在对应频率的传递函数Hij，Hij为复数，用以表示传递函数的增益和相位差，并形成传递函数矩阵H，
(5)设定每个麦克风的加权值λi，组成对角矩阵Λ＝diag(λ1,λ2,…,λM)；
(6)利用多通道滤波算法的收敛特性，求解扬声器的稳态输出Χ＝[x1,x2,…,xK]T；
(7)将扬声器的稳态输出Χ＝[x1,x2,…,xK]T作为边界条件，发动机力激励作为结构激励源，输入到声固耦合模型中，计算在发动机力激励和扬声器激励同时作用时车内声场的分布情况；
(8)通过调整扬声器的数量和位置、麦克风的数量和位置以及麦克风信号加权值，观察车内声场的分布情况，得到不同硬件布置方案下主动噪声控制系统的降噪效果；
步骤(6)所述的求解扬声器的稳态输出Χ＝[x1,x2,…,xK]T具体是，在多通道有源控制系统中，为了使目标函数J＝||Λd+ΛHΧ||2达到最小，即求解线性代数方程ΛHΧ＝-Λd的矛盾解，利用伪逆可求得其矛盾解为Χ＝-(ΛH)+×(Λd)。
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