CN111883096A - 一种基于轨道机车的局部空间有源噪声控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于轨道机车的局部空间有源噪声控制系统，涉及噪声控制技术领域，包括有源控制器、控制盒、误差传声器、参考传声器和次级声源。本发明通过采集初级噪声目标控制区域的噪声信号，并将噪声信号转换为电信号输送至有源控制器获取与初级噪声信号大小相同相位相反的反相次级噪声，实现与初级噪声相互抵消以达到降噪目的，不仅降低车体噪声优化成本代价，对低频噪声进行了有效控制，而且控制系统体积小，便于安装，布局以对称美观并兼顾噪声控制效果的前提下进行布放，不影响司机的正常操作区域和乘员的活动区域，改善司机和乘员的噪声环境，提高人员乘坐轨道机车的舒适性。
Description
技术领域
本发明涉及噪声控制技术领域，具体来说，涉及一种基于轨道机车的局部空间有源噪声控制系统。
背景技术
随着我国城市化的蓬勃建设，城市轨道交通更是飞速发展，其中地铁、高铁等轨道机车系统无疑是城市轨道交通系统的重要角色，对于已建成的庞大的轨道机车运输网络，乘客流量、运行速度和密度等不断扩大，随之带来的噪声问题越来越突出。轨道机车噪声问题主要指两方面，一方面是中高频成分的噪声，另一方面是低频成分的噪声。噪声的危害是多方面且潜移默化的，长期处于噪声环境下刺激人体的神经系统、心血管系统和血压等，引起胸闷不畅、心率波动、神经紧张、耳鸣失聪、记忆力衰退和血压异常等等多症状并发症，尤其低频噪声对人体健康影响更大，所以轨道机车噪声问题必须充分重视和解决。
噪声控制是为了降低目标区域的声压级，改善人耳主观感受，提高舒适度。噪声控制技术主要分为传统的无源噪声控制技术和新型的有源噪声控制技术，无源噪声控制技术主要有吸声隔声、设计消声器、优化结构声学设计和增加声学材料等传统的噪声控制技术，控制主要集中在800Hz以上的中高频噪声，有源噪声控制技术目前已成为一个新的噪声控制分支，更擅长于控制800Hz以下的低频噪声，其原理是利用声波的相消性干涉原理，人为产生用于抵消噪声源(初级声场)的反向噪声(次级声场)，达到“以声消声”的目的。
现有的轨道机车交通系统噪声控制技术都是应用传统的无源噪声控制技术，尤其对于已建成的庞大的运输网络，通过结构声学优化，更改车体结构，重新总装等等成本代价非常高。面对轨道机车车内低频噪声问题日益凸显，通过传统的被动降噪方式已无法有效解决。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种基于轨道机车的局部空间有源噪声控制系统，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于轨道机车的局部空间有源噪声控制系统，包括有源控制器、控制盒、误差传声器、参考传声器和次级声源，其中；
所述误差传声器，用于采集初级噪声目标控制区域的噪声信号，并将噪声信号转换为电信号输送至有源控制器作为有源控制器的噪声输入信号；
所述参考传声器，用于将轨道机车参考信号类型选取声信号作为参考，并将参考声信号转换为电信号后输送至有源控制器，作为有源控制器的参考信号；
所述有源控制器，接收采集的初级噪声信号和参考信号进行处理，获取与初级噪声信号大小相同相位相反的反相次级噪声；
所述控制盒，用于作为外部控制设备提供服务支持；
所述次级声源，用于重放获取的与初级噪声信号大小相同相位相反的反相次级噪声，实现与初级噪声相互抵消以达到降噪目的。
进一步的，所述有源控制器包括由FPGA模块和DSP模块集成的自适应算法系统用于将采集的初级噪声信号和参考信号进行自适应计算。
进一步的，所述自适应算法包含FxLMS算法、FuLMS算法和FeLMS算法。
进一步的，所述有源控制器和所述控制盒装配于轨道机车的座椅下方。
进一步的，所述次级声源装配于轨道机车的头枕上方。
进一步的，所述误差传声器装配于所述次级声源的上方。
本发明的有益效果：
本发明基于轨道机车的局部空间有源噪声控制系统，通过采集初级噪声目标控制区域的噪声信号，并将噪声信号转换为电信号输送至有源控制器获取与初级噪声信号大小相同相位相反的反相次级噪声，实现与初级噪声相互抵消以达到降噪目的，不仅降低车体噪声优化成本代价，对低频噪声进行了有效控制，而且控制系统体积小，便于安装，布局以对称美观并兼顾噪声控制效果的前提下进行布放，不影响司机的正常操作区域和乘员的活动区域，改善司机和乘员的噪声环境，提高人员乘坐轨道机车的舒适性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的一种基于轨道机车的局部空间有源噪声控制系统的原理框图；
图2是根据本发明实施例的一种基于轨道机车的局部空间有源噪声控制系统的有源控制器原理示意图；
图3是根据本发明实施例的一种基于轨道机车的局部空间有源噪声控制系统的装配示意图一；
图4是根据本发明实施例的一种基于轨道机车的局部空间有源噪声控制系统的装配示意图二；
图5是根据本发明实施例的一种基于轨道机车的局部空间有源噪声控制系统的场景示意图；
图6是根据本发明实施例的一种基于轨道机车的局部空间有源噪声控制系统的原理流程示意图。
图中：
1、有源控制器；2、控制盒；3、误差传声器；4、参考传声器；5、次级声源。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的实施例，提供了一种基于轨道机车的局部空间有源噪声控制系统。
如图1-图2所示，根据本发明实施例的基于轨道机车的局部空间有源噪声控制系统，包括有源控制器1、控制盒2、误差传声器3、参考传声器4和次级声源5，其中；
所述误差传声器3，用于采集初级噪声目标控制区域的噪声信号，并将噪声信号转换为电信号输送至有源控制器1作为有源控制器1的噪声输入信号；
所述参考传声器4，用于将轨道机车参考信号类型选取声信号作为参考，并将参考声信号转换为电信号后输送至有源控制器1，作为有源控制器1的参考信号；
所述有源控制器1，接收采集的初级噪声信号和参考信号进行处理，获取与初级噪声信号大小相同相位相反的反相次级噪声；
所述控制盒2，用于作为外部控制设备提供服务支持；
所述次级声源5，用于重放获取的与初级噪声信号大小相同相位相反的反相次级噪声，实现与初级噪声相互抵消以达到降噪目的。
其中，所述有源控制器1包括由FPGA模块和DSP模块集成的自适应算法系统用于将采集的初级噪声信号和参考信号进行自适应计算。
其中，所述自适应算法包含FxLMS算法、FuLMS算法和FeLMS算法。
其中，所述有源控制器1和所述控制盒2装配于轨道机车的座椅下方。
其中，所述次级声源5装配于轨道机车的头枕上方。
其中，所述误差传声器3装配于所述次级声源5的上方。
借助于上述技术方案，通过采集初级噪声目标控制区域的噪声信号，并将噪声信号转换为电信号输送至有源控制器获取与初级噪声信号大小相同相位相反的反相次级噪声，实现与初级噪声相互抵消以达到降噪目的，不仅降低车体噪声优化成本代价，对低频噪声进行了有效控制，而且控制系统体积小，便于安装，布局以对称美观并兼顾噪声控制效果的前提下进行布放，不影响司机的正常操作区域和乘员的活动区域，改善司机和乘员的噪声环境，提高人员乘坐轨道机车的舒适性。
另外，轨道机车局部空间有源控制系统设备工作原理：局部空间有源控制系统设备工作原理：所有次级声源、误差传声器固定在局部空间目标控制区域的不同位置，误差传声器用于采集地铁初级噪声信号，通过控制器自适应算法进行信号处理，再输出至次级声源发出次级噪声，产生反相噪声以达到“以声消声”的目的，使得局部空间形成“静音区”，改善噪声环境，提高乘员的舒适性。
另外，具体的，如图3-图5所示，有源控制器的安装位置考虑到局部空间的限制和不影响人员的正常活动，选择座椅下方支撑构件的后方位于座椅下部；控制盒安装位置在有源控制器没有线缆接口的一侧侧面，一般在轨车运行过程中，全程处于噪声控制模式(或者称为“降噪开模式”)，操作频率一般情况下不高，同时检测噪声控制状态；误差传声器的安装位置参考电声器件的布局方式；参考传声器的安装位置位于降噪控制目标区域，人耳两侧区域，选取2只参考声传声器，空间布放保持对称；另外轨道机车噪声局部空间有源噪声控制系统参考信号的选取位置：靠近人耳两侧，安装位置示意图见图5。
另外，具体的，轨道机车噪声控制区域降噪效果测试方法：轨道机车的降噪效果测试方法需要根据机车类型以及站点间隔时间等进行选择。若是高铁系统，当列车在匀速状态中运行时，测量60s控制前的背景噪声，开启噪声控制模式后测量60s控制后的背景噪声，两者相减即得控制区域的降噪量。若是地铁系统，由于轨道机车在站点之间运行的过程中存在加速、匀速和减速三种状态，两个站点之间连续测量得到的声压级波动较大，因此无法通过同一测点进行降噪效果评判。客观的效果测试方法为：在列车距离相近、内部布置一致及车体结构相同的两个位置，人为设置高度和相对位置一致的两组噪声测量点，一组作为噪声背景参考测点，另一组作为有源噪声控制区域的效果测点，以参考测点作为控制前噪声，以效果测点作为控制后噪声，控制前噪声与控制后噪声同时测量，两者相减即得控制区域的平均降噪量。
另外，如图6所示，其自适应算法主要包含FxLMS、FuLMS和FeLMS。本控制系统的算法特点是选择前馈和反馈复合控制的方式，同时增加次级通路延时补偿和“次级声源-参考信号”声反馈抵消。由于用噪声源作为参考信号，当控制系统进行控制时，次级噪声不可避免的被参考传声器拾取到信号，形成反馈回路，导致系统产生发散或啸叫的现象。本控制系统在自适应算法中对次级声源-参考信号的反馈回路进行了抵消抑制，保证了系统的稳定性，同时对次级信号进行延时补偿，提高系统对噪声的控制效果。
另外，轨道机车局部空间有源噪声控制系统设备，实现了技术方案的应用，并验证可行；本控制系统体积小，便于安装，布局以对称美观并兼顾噪声控制效果的前提下进行布放，不影响司机的正常操作区域和乘员的活动区域；目前本系统在某轨道机车上已完成效果验证试验，局部区域低频段噪声降噪指标明显，人耳测点头部活动区域降噪量达到4.8dB(A)。采用本局部空间有源控制技术可以大大降低车体噪声优化成本代价，以“锦上添花”的方式做低频噪声自适应控制，与无源噪声控制形成良好的“互补”，从而优化轨道机车噪声问题；长期处于低频噪声环境对人体健康危害极大，本系统对低频噪声进行了有效控制，改善司机和乘员的噪声环境，提高人员乘坐轨道机车的舒适性。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过采集初级噪声目标控制区域的噪声信号，并将噪声信号转换为电信号输送至有源控制器获取与初级噪声信号大小相同相位相反的反相次级噪声，实现与初级噪声相互抵消以达到降噪目的，不仅降低车体噪声优化成本代价，对低频噪声进行了有效控制，而且控制系统体积小，便于安装，布局以对称美观并兼顾噪声控制效果的前提下进行布放，不影响司机的正常操作区域和乘员的活动区域，改善司机和乘员的噪声环境，提高人员乘坐轨道机车的舒适性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于轨道机车的局部空间有源噪声控制系统，其特征在于，包括有源控制器(1)、控制盒(2)、误差传声器(3)、参考传声器(4)和次级声源(5)，其中；
所述误差传声器(3)，用于采集初级噪声目标控制区域的噪声信号，并将噪声信号转换为电信号输送至有源控制器(1)作为有源控制器(1)的噪声输入信号；
所述参考传声器(4)，用于将轨道机车参考信号类型选取声信号作为参考，并将参考声信号转换为电信号后输送至有源控制器(1)，作为有源控制器(1)的参考信号；
所述有源控制器(1)，接收采集的初级噪声信号和参考信号进行处理，获取与初级噪声信号大小相同相位相反的反相次级噪声；
所述控制盒(2)，用于作为外部控制设备提供服务支持；
所述次级声源(5)，用于重放获取的与初级噪声信号大小相同相位相反的反相次级噪声，实现与初级噪声相互抵消以达到降噪目的。
2.根据权利要求1所述的基于轨道机车的局部空间有源噪声控制系统，其特征在于，所述有源控制器(1)包括由FPGA模块和DSP模块集成的自适应算法系统用于将采集的初级噪声信号和参考信号进行自适应计算。
3.根据权利要求1所述的基于轨道机车的局部空间有源噪声控制系统，其特征在于，所述自适应算法包含FxLMS算法、FuLMS算法和FeLMS算法。
4.根据权利要求3所述的基于轨道机车的局部空间有源噪声控制系统，其特征在于，所述有源控制器(1)和所述控制盒(2)装配于轨道机车的座椅下方。
5.根据权利要求4所述的基于轨道机车的局部空间有源噪声控制系统，其特征在于，所述次级声源(5)装配于轨道机车的头枕上方。
6.根据权利要求5所述的基于轨道机车的局部空间有源噪声控制系统，其特征在于，所述误差传声器(3)装配于所述次级声源(5)的上方。
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