CN108956172A - 高速列车驾驶舱局域主动降噪试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高速列车噪声主动控制技术领域。其目的在于提供一种高速列车驾驶舱局域主动降噪试验系统及方法。本发明公开了一种高速列车驾驶舱局域主动降噪试验系统，包括噪声播放模拟装置、参考噪声传感器、噪声主动控制装置、次级声源播放器和误差噪声传感器。还提供了一种高速列车驾驶舱局域主动降噪试验方法：噪声播放模拟装置对噪声进行测试处理，实现噪声源的动态模拟；噪声主动控制装置通过参考噪声传感器接收参考噪声，并将其转化为与其相位相反的次级声源，实现噪声的主动控制；误差噪声传感器接受参考噪声及次级声源，并对比处理、输出噪声主动控制后的误差信号。本发明能够方便地测试和验证不同特性参考噪声的主动降噪性能。

Description

高速列车驾驶舱局域主动降噪试验系统及方法

技术领域

本发明涉及高速列车噪声主动控制技术领域，特别是涉及一种高速列车驾驶舱局域主动降噪试验系统及方法。

背景技术

高速列车为人们的方便出行做出了必不可少的贡献。然而，高速列车在高速运行条件下会产生多种噪声，如轮轨作用加强、振动加剧诱发的强轮轨噪声，列车外表面与气流相互作用诱发的强气流噪声，供电系统诱发的电气噪声等，这些多源噪声相互叠加，沿着驾驶舱的车窗、车门、舱壁板以结构声、空气声的方式传递到驾驶员，对驾驶员的身心健康极为不利，严重影响高速列车的安全驾驶。因此，降低驾驶舱内驾驶员人耳附近的局域噪声显得特别必要和紧迫。

降噪技术主要分为主动降噪和被动降噪。目前，在高速列车驾驶舱内，通常采用被动降噪方式，通过选用高性能隔声材料、优化隔声结构等，对中高频噪声(800-20000Hz)具有理想的隔声效果，而低频噪声则难以消除。相对被动降噪，主动降噪能很好消除低频噪声(20-800Hz)，从而与被动降噪形成消噪的频段互补。主动降噪技术在汽车、管道、耳机等领域得到了充分的发展和成功的应用，但在针对高速列车驾驶舱内驾驶员人耳附近局域的主动降噪技术的研究极少，目前还没有成熟可靠的技术产品。因此，采用主动降噪技术来消除高速列车驾驶员附近局域噪声是技术特性的必然。

如何将主动降噪技术与高速列车噪声声场特点、结构特点有机结合，开发出高可靠、高性能的高速列车驾驶舱局域降噪系统是目前迫切需要解决的工作。其中，高速列车驾驶舱局域主动降噪试验系统的开发，是主动降噪系统与产品开发的基础，是将主动降噪技术与高速列车噪声声场特点相结合的可行性、适应性试验测试平台，也是控制系统、控制方法和相关软硬件调试与验证的试验平台。

因此，有必要研究一种能够方便测试和验证不同特性参考噪声的主动降噪性能的高速列车驾驶舱局域主动降噪试验系统及方法。

发明内容

本发明提供了一种能够方便测试和验证不同特性参考噪声的主动降噪性能的高速列车驾驶舱局域主动降噪系统及方法。

本发明采用的技术方案是：

一种高速列车驾驶舱局域主动降噪试验系统，包括噪声播放模拟装置，所述噪声播放模拟装置通过参考噪声传感器与噪声主动控制装置相连，所述噪声主动控制装置与次级声源播放器相连，所述噪声播放模拟装置通过主通道与误差噪声传感器连接，所述次级声源播放器通过次级通道与误差噪声传感器连接。

本发明还提供了一种高速列车驾驶舱局域主动降噪试验方法，包括以下步骤：

S1:在高速列车运行条件下，噪声播放模拟装置接收并处理高速列车不同位置的实测噪声，确定噪声的主声源，将该声源转换为参考噪声，实现噪声源的动态模拟；噪声播放模拟装置通过主通道将参考噪声传递到误差噪声传感器；

S2:参考噪声传感器接收参考噪声并将其转化为参考噪声电信号，然后将参考噪声电信号传送至噪声主动控制装置；

S3:噪声主动控制装置推定主通道、次级通道的传递函数，完成系统初始化；噪声主动控制装置接收参考噪声电信号，将其转化为与参考噪声相位相反的次级声源电信号后传送到次级声源播放器；

S4:噪声主动控制装置写入次级声源播放器的控制策略，次级声源播放器接收次级声源电信号并将其转化为次级声源，随后次级声源播放器通过次级通道将次级声源传递到误差噪声传感器；

S5：误差噪声传感器接收参考噪声和次级声源，参考噪声和次级声源相互抵消后产生的误差信号由误差噪声传感器测量并输出。

本发明的有益效果是：本发明所述的高速列车驾驶舱局域主动降噪试验系统及方法可实现对高速列车驾驶舱的噪声情况及主动降噪的动态模拟，能够方便测试和验证不同特性参考噪声的主动降噪性能。具体体现在，主动降噪试验系统和方法通过噪声播放模拟装置将噪声源所产生的音频信号进行接受处理、形成参考噪声，完成噪声的动态模拟，随后参考噪声通过参考噪声传感器传递至噪声主动控制装置，噪声主动控制装置对参考噪声进行处理、形成次级声源，再通过次级声源播放器播放次级声源，次级声源与参考噪声叠加实现降噪，由此实现主动降噪的动态模拟；与此同时，误差噪声传感器可将参考噪声与次级声源进行动态对比处理，实时输出参考噪声与次级声源相互抵消后产生的误差信号，完成不同特性参考噪声主动降噪性能的测试和验证，系统降噪的效果可通过误差噪声传感器动态输出，测试和验证的效果好。

附图说明

图1是本发明试验系统的结构框图；

图2是本发明试验系统中实施例1的结构框图；

图3是本发明试验系统中实施例2的结构框图；

图4是本发明试验系统中实施例3的结构框图；

图5是本发明中试验系统的安装结构示意图；

图6是本发明中试验方法的流程图；

图7是应用本发明降噪前后的噪声时域波形的比较图；

图8是应用本发明降噪前后的噪声A的特性比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本发明实施例包括：

一种高速列车驾驶舱局域主动降噪试验系统，如图1所示，包括噪声播放模拟装置1，所述噪声播放模拟装置1通过参考噪声传感器2与噪声主动控制装置3相连，所述噪声主动控制装置3与次级声源播放器4相连，所述噪声播放模拟装置1通过主通道6与误差噪声传感器5连接，所述次级声源播放器4通过次级通道7与误差噪声传感器5连接。

需要说明的是，所述噪声播放模拟装置1用于接收、处理并播放噪声源所产生的音频信号，形成参考噪声；所述参考噪声传感器2用于接收由噪声播放模拟装置1发出的参考噪声，并将其传送至噪声主动控制装置3及误差噪声传感器5；所述噪声主动控制装置3用于对噪声播放模拟装置1产生的声音进行降噪处理；所述次级声源播放器4用于播放经过噪声主动控制装置3处理后所生成的次级声源；所述误差噪声传感器5用于将次级声源与参考噪声进行对比处理，并生成误差信号，再将其传送至噪声主动控制装置3。

实施例1：

如图2所示，所述噪声播放模拟装置1包括依次相连的噪声接收器11、噪声处理器12、功率放大器13和噪声模拟音箱14。需要说明的是，噪声播放模拟装置1用于接收、处理并播放噪声源所产生的音频信号，形成参考噪声。

实施例2：

如图3所示，所述噪声主动控制装置3包括滤波器31和误差处理器32；所述噪声播放模拟装置1与误差处理器32之间设置有次级估计通道8，所述滤波器31分别与参考噪声传感器2、次级声源播放器4连接，所述误差噪声传感器5与误差处理器32连接。

需要说明的是，所述滤波器31用于对参考噪声电信号进行处理并将其转化为与参考噪声相位相反的次级声源电信号；所述误差处理器32用于接收由误差噪声传感器5传送的误差信号，并通过LMS算法对滤波器31进行系数的更新，以调节次级声源播放器4发出的声音信号。

进一步的，所述主通道6表征声音信号从噪声播放模拟装置1传递到误差噪声传感器5的路径特征；所述次级通道7表征声音信号从次级声源播放器4传递到误差噪声传感器5的路径特征；所述次级估计通道8表征声音信号从噪声播放模拟装置1传递到误差处理器32的路径特征；所述主通道6、次级通道7和次级估计通道8的传递函数由最小二乘法确定，其中所述主通道6的传递函数为P(Z)，所述次级通道7的传递函数为S(Z)，所述次级估计通道8的传递函数为S，所述次级估计通道8的传递函数为次级通道7的传递函数的估计数值。需要说明的是，主通道6、次级通道7和次级估计通道8通过传递函数来过滤从通道内通过的声波，再将过滤后的声波传送到误差噪声传感器。

实施例3：

如图4和5所示，所述主通道6包括主通道I61和主通道II62，所述主通道I61的传递函数为P1(Z)，所述主通道II62的传递函数为P2(Z)；所述次级通道7包括次级通道I71和次级通道II72，所述次级通道I71的传递函数为S1(Z)，所述次级通道II72的传递函数为S2(Z)；所述次级估计通道8包括次级估计通道I81和次级估计通道II82，所述次级估计通道I81的传递函数为S11，所述次级估计通道II82的传递函数为S22；所述滤波器31包括滤波器I311和滤波器II312，所述误差处理器32包括误差处理器I321和误差处理器II322，所述次级声源播放器4包括次级声源播放器I41和次级声源播放器II42，所述误差噪声传感器5包括误差噪声传感器I(51)和误差噪声传感器II(52)。

所述噪声模拟播放装置1分别通过主通道I61、主通道II62与噪声传感器I(51)、误差噪声传感器II(52)连接，所述噪声模拟播放装置1分别通过次级估计通道I81、次级估计通道II82与误差处理器I321、误差处理器II322连接；所述参考噪声传感器2分别与滤波器I311、滤波器II312连接，所述滤波器I311通过次级通道I71与误差噪声传感器I(51)连接，所述滤波器II312通过次级通道II72与误差噪声传感器II(52)连接；所述误差噪声传感器I(51)、误差噪声传感器II(52)分别与误差处理器I321、误差处理器II322连接。

需要说明的是，通过实施例3的设置，可使系统对驾驶员的双耳同时进行作用，主动降噪的效果更好。

一种高速列车驾驶舱局域主动降噪试验方法，如图6所示，包括以下步骤：

S1:在高速列车运行条件下，噪声播放模拟装置1接收并处理高速列车不同位置的实测噪声，确定噪声的主声源，将该声源转换为参考噪声，实现噪声源的动态模拟；噪声播放模拟装置1通过主通道将参考噪声传递到误差噪声传感器5；

S2:参考噪声传感器2接收参考噪声并将其转化为参考噪声电信号，然后将参考噪声电信号传送至噪声主动控制装置3；

S3:噪声主动控制装置3推定主通道6、次级通道7的传递函数，完成系统初始化；噪声主动控制装置3接收参考噪声电信号，将其转化为与参考噪声相位相反的次级声源电信号后传送到次级声源播放器4；

S4:噪声主动控制装置3写入次级声源播放器4的控制策略，需要说明的是，控制策略可为最小二乘法、模糊控制法等，次级声源播放器4接收次级声源电信号并将其转化为次级声源，随后次级声源播放器4通过次级通道7将次级声源传递到误差噪声传感器5；

S5：误差噪声传感器5接收参考噪声和次级声源，参考噪声和次级声源相互抵消后产生的误差信号由误差噪声传感器5测量并输出。

需要说明的是，本发明基于主动降噪试验系统和方法，通过噪声播放模拟装置1将噪声源所产生的音频信号进行接受处理、形成参考噪声，完成噪声的动态模拟，随后参考噪声通过参考噪声传感器2传递至噪声主动控制装置3，噪声主动控制装置3对参考噪声进行处理、形成次级声源，再通过次级声源播放器4播放次级声源，次级声源与参考噪声叠加实现降噪，由此实现主动降噪的动态模拟；与此同时，误差噪声传感器5可将参考噪声与次级声源进行动态对比处理，实时输出参考噪声与次级声源相互抵消后产生的误差信号，完成不同特性参考噪声主动降噪性能的测试和验证，系统降噪的效果可通过误差噪声传感器5动态输出，测试和验证的效果好。

实施例1：

在步骤S1中，所述噪声播放模拟装置1包括依次相连的噪声接收器11、噪声处理器12、功率放大器13和噪声模拟音箱14，所述噪声播放模拟装置1的工作步骤如下：

S11:噪声接收器11接收高速列车实测噪声源，并将其转化为噪声音频文件。需要说明的是，噪声接收器11接收驾驶舱、轮轨、车外气流、驾驶员人耳位置的噪声；

S12:噪声处理器12接收、解码噪声音频文件并将其转化为参考噪声电信号；

S13:功率放大器13接收参考噪声电信号并对其进行功率放大；

S14:噪声模拟音箱14接收参考噪声电信号并将其转化为参考噪声。

实施例2：

在步骤S3中，所述噪声主动控制装置3包括滤波器31和误差处理器32，所述滤波器31接收参考噪声电信号，对其处理后传送到次级声源播放器；所述误差处理器32接收由误差噪声传感器5输出的误差信号，同时接收通过级估计通道8接收由噪声播放模拟装置1输出的参考噪声，误差处理器32对误差信号及参考噪声处理后产生调节信号，随后误差处理器32根据LMS算法对滤波器31进行系数的更新。

进一步的，在步骤S3中，应用最小二乘法实现噪声主动控制装置3对主通道6、次级通道7的传递函数的推定，即次级通道7的传递函数和次级估计通道8的估计数值由最小二乘法进行确定。

按照系统的操作流程，对某信号的高速列车的噪声源信号进行了主动控制，选用最小二乘法为控制方法，滤波器的长度为1024。其控制结果如图7和8所示，图7为是应用本发明降噪前后的噪声时域波形的比较图，从图中可知，应用本试验系统后，噪声强度有所下降；图8为开启本噪声主动控制系统前后，在驾驶舱内测得的噪声频谱，通过对比可知本发明对低频噪声的主动降噪效果显著。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种高速列车驾驶舱局域主动降噪试验系统，其特征在于，包括噪声播放模拟装置(1)，所述噪声播放模拟装置(1)通过参考噪声传感器(2)与噪声主动控制装置(3)相连，所述噪声主动控制装置(3)与次级声源播放器(4)相连，所述噪声播放模拟装置(1)通过主通道(6)与误差噪声传感器(5)连接，所述次级声源播放器(4)通过次级通道(7)与误差噪声传感器(5)连接。

2.根据权利要求1所述的一种高速列车驾驶舱局域主动降噪试验系统，其特征在于，所述噪声播放模拟装置(1)包括依次相连的噪声接收器(11)、噪声处理器(12)、功率放大器(13)和噪声模拟音箱(14)。

3.根据权利要求1所述的一种高速列车驾驶舱局域主动降噪试验系统，其特征在于，所述噪声主动控制装置(3)包括滤波器(31)和误差处理器(32)；所述噪声播放模拟装置(1)与误差处理器(32)之间设置有次级估计通道(8)，所述滤波器(31)分别与参考噪声传感器(2)、次级声源播放器(4)连接，所述误差噪声传感器(5)与误差处理器(32)连接。

4.根据权利要求3所述的一种高速列车驾驶舱局域主动降噪试验系统，其特征在于，所述主通道(6)表征声音信号从噪声播放模拟装置(1)传递到误差噪声传感器(5)的路径特征；所述次级通道(7)表征声音信号从次级声源播放器(4)传递到误差噪声传感器(5)的路径特征；所述次级估计通道(8)表征声音信号从噪声播放模拟装置(1)传递到误差处理器(32)的路径特征；所述主通道(6)、次级通道(7)和次级估计通道(8)的传递函数由最小二乘法确定，其中所述主通道(6)的传递函数为P(Z)，所述次级通道(7)的传递函数为S(Z)，所述次级估计通道(8)的传递函数为S，所述次级估计通道(8)的传递函数为次级通道(7)的传递函数的估计数值。

5.根据权利要求4所述的一种高速列车驾驶舱局域主动降噪试验系统，其特征在于，所述主通道(6)包括主通道I(61)和主通道II(62)，所述主通道I(61)的传递函数为P1(Z)，所述主通道II(62)的传递函数为P2(Z)；所述次级通道(7)包括次级通道I(71)和次级通道II(72)，所述次级通道I(71)的传递函数为S1(Z)，所述次级通道II(72)的传递函数为S2(Z)；所述次级估计通道(8)包括次级估计通道I(81)和次级估计通道II(82)，所述次级估计通道I(81)的传递函数为S11，所述次级估计通道II(82)的传递函数为S22；所述滤波器(31)包括滤波器I(311)和滤波器II(312)，所述误差处理器(32)包括误差处理器I(321)和误差处理器II(322)，所述次级声源播放器(4)包括次级声源播放器I(41)和次级声源播放器II(42)，所述误差噪声传感器(5)包括误差噪声传感器I(51)和误差噪声传感器II(52)；

所述噪声模拟播放装置(1)分别通过主通道I(61)、主通道II(62)与噪声传感器I(51)、误差噪声传感器II(52)连接，所述噪声模拟播放装置(1)分别通过次级估计通道I(81)、次级估计通道II(82)与误差处理器I(321)、误差处理器II(322)连接；所述参考噪声传感器(2)分别与滤波器I(311)、滤波器II(312)连接，所述滤波器I(311)通过次级通道I(71)与误差噪声传感器I(51)连接，所述滤波器II(312)通过次级通道II(72)与误差噪声传感器II(52)连接；所述误差噪声传感器I(51)、误差噪声传感器II(52)分别与误差处理器I(321)、误差处理器II(322)连接。

6.一种高速列车驾驶舱局域主动降噪试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1:在高速列车运行条件下，噪声播放模拟装置(1)接收并处理高速列车不同位置的实测噪声，确定噪声的主声源，将该声源转换为参考噪声，实现噪声源的动态模拟；噪声播放模拟装置(1)通过主通道将参考噪声传递到误差噪声传感器(5)；

S2:参考噪声传感器(2)接收参考噪声并将其转化为参考噪声电信号，然后将参考噪声电信号传送至噪声主动控制装置(3)；

S3:噪声主动控制装置(3)推定主通道(6)、次级通道(7)的传递函数，完成系统初始化；噪声主动控制装置(3)接收参考噪声电信号，将其转化为与参考噪声相位相反的次级声源电信号后传送到次级声源播放器(4)；

S4:噪声主动控制装置(3)写入次级声源播放器(4)的控制策略，次级声源播放器(4)接收次级声源电信号并将其转化为次级声源，随后次级声源播放器(4)通过次级通道(7)将次级声源传递到误差噪声传感器(5)；

S5：误差噪声传感器(5)接收参考噪声和次级声源，参考噪声和次级声源相互抵消后产生的误差信号由误差噪声传感器(5)测量并输出。

7.根据权利要求6所述的一种高速列车驾驶舱局域主动降噪试验方法，其特征在于，在步骤S1中，所述噪声播放模拟装置(1)包括依次相连的噪声接收器(11)、噪声处理器(12)、功率放大器(13)和噪声模拟音箱(14)，所述噪声播放模拟装置(1)的工作步骤如下：

S11:噪声接收器(11)接收高速列车实测噪声源，并将其转化为噪声音频文件；

S12:噪声处理器(12)接收、解码噪声音频文件并将其转化为参考噪声电信号；

S13:功率放大器(13)接收参考噪声电信号并对其进行功率放大；

S14:噪声模拟音箱(14)接收参考噪声电信号并将其转化为参考噪声。

8.根据权利要求6所述的一种高速列车驾驶舱局域主动降噪试验方法，其特征在于，在步骤S3中，所述噪声主动控制装置(3)包括滤波器(31)和误差处理器(32)，所述滤波器(31)接收参考噪声电信号，对其处理后传送到次级声源播放器；所述误差处理器(32)接收由误差噪声传感器(5)输出的误差信号，同时接收通过级估计通道(8)接收由噪声播放模拟装置(1)输出的参考噪声，误差处理器(32)对误差信号及参考噪声处理后产生调节信号，随后误差处理器(32)根据LMS算法对滤波器(31)进行系数的更新。

9.根据权利要求8所述的一种高速列车驾驶舱局域主动降噪试验方法，其特征在于，在步骤S3中，应用最小二乘法实现噪声主动控制装置(3)对主通道(6)、次级通道(7)的传递函数的推定。