CN208607016U - 一种基于总线网络的车辆主动噪声控制系统综合实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及实验装置技术领域，公开了一种基于总线网络的车辆主动噪声控制系统综合实验装置,包括模拟轨道车场环境的车辆系统、模拟噪声源的初级声源系统、主动消声的次级声源系统、至少两个次级通道传感器以及主动噪声控制分析主机；所述次级声源系统与次级通道传感器均设置于车辆系统内；所述主动噪声控制分析主机通过总线实现对初级声源系统、次级声源系统以及次级通道传感器的控制。本实用新型能用于主动噪声控制算法调试与验证、整体系统测试与实验，操作便捷、效率高。

Description

一种基于总线网络的车辆主动噪声控制系统综合实验装置

技术领域

本实用新型涉及实验装置技术领域，更具体地，涉及一种基于总线网络的车辆主动噪声控制系统综合实验装置。

背景技术

近年来，随着我国高速列车制造技术水平不断提高，列车运行速度快速提升，轨道交通车辆在满足动力性要求后，舒适性要求也逐渐提高到同等地位，而噪声控制水平是衡量车辆舒适性的关键指标之一。

城市轨道交通领域中，隧道空间使得噪声主观感受更为强烈。无论是乘客，还是地铁运营单位对于列车噪声问题的抱怨也逐渐显现。特别是在地铁开通时间久、线路和车辆老化的城市，轮轨和车辆噪声问题更加突出。而这些噪声通过一般的传统的被动噪声控制方法或产品难以消除或者成本过高。

传统的轨道交通车辆噪声控制多采用被动噪声控制(或称为无源噪声控制)。被动噪声控制主要是采用隔声、吸声、隔振、阻尼减振等方法，利用材料属性或结构特性来降噪，该方法对控制中高频噪声较为有效，早期物理实现方便，但是存在对低频噪声的控制效果不明显，噪声诊断及定位周期较长，特别是对于已经设计定型的车辆系统，通过结构和材料优化来降噪的过程非常复杂的问题。

由此，主动噪声控制(或称为有源噪声控制)得以发展。主动噪声控制是指在特定空间实时产生与噪声源在该处噪声频率相同、幅值相等而相位相反的二次声，使其与源噪声叠加相消以实现降噪。该方法具有低频噪声控制效果好、不受限于噪声激励及诊断的优点。主动噪声控制系统一般包括两个大的部分：控制器部分和声振部分。控制器主要对参考信号和误差信号进行处理，输出驱动信号，驱动次级声源。声振主要包括次级声源(即电声器件等)、初级通道传感器(即参考传感器)和次级通道传感器(即误差传感器)。主动噪声控制方式又可以概分为前馈控制方式、反馈控制方式以及混合控制方式等。

然而，无论采用何种控制方式或方式组合，均需要对设计的主动噪声控制算法及系统的真实降噪效果进行测试及验证。对于噪声传感器以及受控次级声源数量增多，大量数据的接入、传输及控制问题需要解决。现有试验技术一般仅能利用Matlab/Simulink和dSPACE等做算法或半实物仿真，而这种仿真分析系统往往存在较大局限性，不能完全真实地反映实际应用时的效果。若是直接在实际应用中到车辆现场进行效果验证，现场调试不仅过程复杂、效率低，而且成本高、可重复性差。此外，目前也没有专门应用于车辆主动噪声控制的实验装置。

实用新型内容

本实用新型为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种基于总线网络的车辆主动噪声控制系统综合实验装置。本实验装置能用于车辆主动噪声控制算法调试与验证、整体系统测试与实验。

提供一种基于总线网络的车辆主动噪声控制系统综合实验装置，包括模拟轨道车场环境的车辆系统、模拟噪声源激励的初级声源系统、主动消声的次级声源系统、至少两个次级通道传感器以及主动噪声控制分析主机；所述次级声源系统与次级通道传感器均设置于车辆系统内；所述主动噪声控制分析主机通过总线实现对初级声源系统、次级声源系统以及次级通道传感器的控制。

本方案中，车辆系统模拟实际车辆环境，初级声源系统模拟车辆及周围环境噪声，由次级通道传感器采集车辆内部中的噪声信息，并通过总线反馈给主动噪声控制分析主机进行主动噪声算法控制，输出噪声抵消信号给次级声源系统，次级声源系统发出抵消声频消除噪声，并由主动噪声控制分析主机测试并显示控制结果。

进一步地，所述车辆系统包括模拟车体结构、车辆中央控制单元；所述模拟车体结构包括车体防护基础层和设于车体防护基础层上方的车厢；所述车体防护基础层中设有伺服可变支撑，伺服可变支撑与车辆中央控制单元连接，由车辆中央控制单元控制伺服可变支撑运行动作，以模拟车辆真实的运动姿态。

进一步地，为了确保车体防护层的高度，并使得伺服支撑的控制更简便，所述车体防护基础层还包括固定支撑。所述固定支撑的个数和设定在车体防护基础层的位置可以根据需要进行调整。

进一步地，所述初级声源系统包括扬声器以及功率放大器；所述功率放大器接收噪声源信号，经过功率放大器进行放大后驱动扬声器，发出模拟车辆及周围环境的噪声。

进一步地，所述次级通道传感器至少两个，多方位采集车辆系统内的噪声，并作为主动噪声控制的误差信号，提高主动噪声控制的精度。

进一步地，为了使模拟噪声更加贴近实际中的噪声，所述初级声源系统的扬声器包括全频扬声器和低频扬声器。

进一步地，所述次级声源系统包括功率放大器和至少两个扬声器；所述扬声器设置在车辆系统内。本方案中，次级声源系统设有多个扬声器，可根据需要在车辆不同部位进行降噪，使得噪声控制更加精准。

进一步地，为了扩大本实验装置的应用范围，实验装置还包括用于检测初级声源系统噪声的初级通道传感器，所述初级通道传感器通过总线与主动噪声控制分析主机连接，用于提供噪声参考信号。本方案中，由初级通道传感器和次级通道传感器分别采集车辆外部及内部中的噪声信息。本方案既可以用于无前置参考传感器，也可以用于有前置参考传感器的噪声控制算法的验证。

进一步地，所述主动噪声控制分析主机包括依次连接的多路总线输入模块、低噪声放大器、模数转换器、复用器、噪声分析与主动控制模块、分路器、数模转换器以及多路总线输出模块；所述多路总线输入模块接收外部传感器信号；所述多路总线输出模块分别与初级声源、次级声源的功率放大器连接。

进一步优选地，所述主动噪声控制分析主机中设有多路低噪声放大器、多路模数转换器通道以及多路数模转换器通道。

进一步地，试验装置包括初级通道传感器；所述总线包括一级总线和二级总线，主动噪声控制分析主机通过一级总线与车辆中央控制单元连接；所述次级声源系统、次级通道传感器、初级通道传感器分别通过二级总线与车辆中央控制单元连接。

相较于现有技术，本实用新型的有益效果如下：

在进行实验时，在主动噪声控制分析主机中设计、运行、并验证的主动噪声控制算法，开发便捷、实验效率高；主动噪声控制分析主机中又将设计好的主动噪声控制算法，通过总线加载在车辆中央控制单元中，可进一步验证单机独立运行时的车辆实际主动降噪效果；通过总线网络结构解决主动噪声控制系统中当传感器、受控次级声源数量大幅增加时，大量数据的接入、传输及控制问题；且高度的近似模拟运动的车辆系统，还原车辆噪声真实传递路径，并通过传感器和次级声源扬声器数量的设计，降低了实验装置本身的误差，提高了对主动噪声控制算法的验证准确度。

附图说明

图1为实施例1基于总线的车辆主动噪声控制综合实验装置及拓扑示意图。

图2为实施例1的主动噪声控制分析主机结构示意图。

图3为实施例1的车辆内次级通道传递路径试验系统示意图。

图4为实施例2基于两级总线的车辆运动模拟和主动噪声控制试验系统及拓扑示意图。

附图标号为，1-车辆系统、11-车厢、12-车体防护基础层、121-伺服可变支撑一、122-伺服可变支撑二、123-伺服可变支撑三、124-固定支撑、13-车辆中央控制单元、2-初级声源系统、21-全频扬声器、22-低频扬声器、23-功率放大器一、 3-次级声源系统、31-扬声器一、32-扬声器二、33-功率放大器二、4-初级通道传感器、41-初级通道传感器一、42-初级通道传感器二、5-次级通道传感器、51- 次级通道传感器一、52-次级通道传感器二、53-次级通道传感器三、5n-次级通道传感器N、6、主动噪声控制分析主机、7-总线、71-一级总线、72-二级总线。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；本文中的“连接”可以为直接连接，也可以为间接连接；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型的具体含义。下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种基于总线网络的车辆主动噪声控制系统综合实验装置，包括模拟轨道车场环境的车辆系统1、模拟噪声源的初级声源系统2、主动消声的次级声源系统3、次级通道传感器5以及主动噪声控制分析主机6；所述次级声源系统3与次级通道传感器5均设置于车辆系统1内；所述主动噪声控制分析主机6通过总线7实现对初级声源系统2、次级声源系统3以及次级通道传感器5的控制。本实施例中，所述初级声源系统2、次级声源系统3、次级通道传感器5均通过总线7与主动噪声控制分析主机6连接。

作为本实施例的一个具体实施方式，所述车辆系统1包括模拟车体结构、车辆中央控制单元13；所述模拟车体结构包括车体防护基础层12和设于车体防护基础层12上方的车厢11；所述车体防护基础层12中设有固定支撑124和伺服可变支撑，伺服可变支撑与车辆中央控制单元13连接，由车辆中央控制单元13 控制伺服可变支撑动作，模拟车辆真实的运动姿态。

可以理解的是，车体防护基础层12设有一定的高度，以保护车辆系统1和实验人员安全；固定支撑124和伺服可变支撑的数量和位置可以根据具体需求进行设定。作为本实施例的一个具体实施方式，固定支撑124和伺服可变支撑均设置在车体防护基础层12的四周，用以支撑和调节车体防护基础层的高度，以实现模拟车体结构的运动姿态。更具体地，固定支撑124设置在车体防护基础层的其中1个角落，伺服可变支撑设置在其他3个角落，分别为伺服可变支撑一121、伺服可变支撑二122以及伺服可变支撑三123。

所述初级声源系统2包括扬声器以及功率放大器一23；所述功率放大器一 23接收噪声源信号，经过功率放大器一23进行放大后驱动扬声器，模拟车辆及周围环境噪声。

为了使模拟噪声更加贴近实际中的噪声，所述初级声源系统2的扬声器包括全频扬声器21和低频扬声器22。

所述次级通道传感器5至少两个，本实施例中包括次级通道传感器一51、次级通道传感器二52，可根据需要设置在车辆系统1的多个位置，以多方位采集车辆系统1内的噪声，提高了噪声信息采集的准确度。

所述次级声源系统3包括功率放大器二33和至少两个扬声器，如扬声器一 31和扬声器二32；所述扬声器设置在车辆系统1内。本实施例中，次级声源系统3设有多个扬声器，可根据需要在车辆不同部位进行降噪，使得噪声控制更加精准。每个扬声器通过支架安装在车辆的不同位置和角度。

如图2所示，基于总线的主动噪声控制分析主机结构示意图。所述主动噪声控制分析主机6包括依次连接的多路总线输入模块、低噪声放大器、模数转换器、复用器、噪声分析与主动控制模块、分路器、数模转换器以及多路总线输出模块；所述多路总线输入模块接收外部传感器信号；所述多路总线输出模块分别与初级声源、次级声源的功率放大器连接。

本实施例的工作原理为：主动噪声控制分析主机6将设计并运行主动噪声控制算法；车辆系统1通过车辆中央控制单元13控制伺服可变支撑动作，模拟实际车辆运行状态时的车辆场景；初级声源系统2通过接收主动噪声控制分析主机 6的噪声源信号，经功率放大器一23后驱动全频扬声器21和/或低频扬声器22 模拟车辆及周围环境噪声；由次级通道传感器5采集车辆系统1中的噪声信息，并通过总线7反馈给主动噪声控制分析主机6进行主动噪声算法控制，输出噪声抵消信号给次级声源系统3，次级声源系统3发出抵消声频消除噪声。

可以理解的是，本实施例还可以包括初级通道传感器4，如初级通道传感器一41和初级通道传感器二42；初级通道传感器4通过总线7连接主动噪声控制分析主机6。初级通道传感器4的个数可以根据具体需求来设定。

初级通道传感器4采集初级声源系统2模拟的车辆及周围环境噪声，获取噪声参考信号并通过总线7输入主动噪声控制分析主机6，主动噪声控制分析主机 6根据噪声参考信号以及主动噪声控制算法，通过总线7输出控制信号经过模数转换器后传送给次级声源系统3；同时由次级通道传感器5采集车辆系统1内的噪声信号，并通过总线7反馈给主动噪声控制分析主机6进行主动噪声控制算法调节，并输出噪声抵消信号通过数模转换器后，经由次级声源系统3的功率放大器二33驱动扬声器发出抵消声频消除噪声。

本实施例的实验装置，既可以用于基于初级通道传感器(即参考传感器)，也可以用于基于次级通道传感器(即误差传感器)，或者两者混合的主动噪声控制算法的验证，扩大本实验装置的应用范围。

传统的基于初级通道(即基于参考传感器)的前馈主动噪声控制实验系统存在车辆降噪时存在很大局限：一是对于内、外部噪声源需要先验已知，二是要在噪声源合适位置事先安装好参考传感器，但是在实际工程应用中，自然世界噪声源多种多样，噪声传递路径千变万化，人或者物体任何位置和角度变化都可能导致原有基于初级通道的主动噪声控制算法失效，因此需要有不依赖于初级通道噪声源的诊断及信号采集，而直接研究与人耳感知与控制效果相关的次级通道传递路径的试验系统，即基于总线的车辆内次级通道传递路径试验系统，如图3所示。

本实施例中，可以设有多个次级通道传感器，如图3所示。如设有次级通道传感器一51、次级通道传感器二52、次级通道传感器三53、次级通道传感器N5n，每个次级通道传感器均分别通过同一总线与主动噪声控制分析主机连接，并且次级声源也通过相同的总线连接主动噪声控制分析主机。通过对多个次级通道传感器呈总线链式布置，构成次级通道噪声传递路径的试验系统，可逐级确认噪声信号传递函数，并通过次级通道的辨识建立相关模型，从而实现主动噪声控制。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例中的控制总线7包括两级。如图4所示，所述总线包括一级总线71和二级总线72，主动噪声控制分析主机 6通过一级总线71与车辆中央控制单元13连接；所述次级声源系统3、次级通道传感器5、初级通道传感器4分别通过二级总线72与车辆中央控制单元13连接；车辆中央控制单元13通过二级总线72独立实现初、次级通道噪声信号采集及次级声源控制；可以理解的是，车辆中央控制单元13应包含总线接口、传输、解析及控制功能。本实施例中，所述主动噪声控制分析主机6通过一级总线71 控制车辆中央控制单元13，并通过二级总线72间接完成次级声源系统3、次级通道传感器5、初级通道传感器4的监督控制。

本实施例的工作原理如下：将经由主动噪声控制分析主机6前期设计并试验完成的控制算法通过一级总线71加载到车辆系统1的车辆中央控制单元13中，并且一级总线71可用于被试验车体的扩展重联。初级通道传感器4采集初级声源系统2模拟的车辆及周围环境噪声，并通过模数转换器后将采集的噪声参考信号给车辆中央控制单元13，车辆中央控制单元13根据噪声参考信号以及主动噪声控制算法，通过二级总线72输出控制信号经过模数转换器、功率放大器后传送给次级声源系统3，同时次级通道传感器5采集车辆系统1中的噪声信息，并通过二级总线72反馈给车辆中央控制单元13进行主动噪声算法控制的动态调节，再进一步输出噪声抵消信号通过数模转换器后，经由次级声源系统3的功率放大器二33驱动扬声器发出抵消声频消除噪声，从而测试车辆主动噪声控制系统独立运行时真实主动降噪效果。

此外，车辆中央控制单元13亦可以通过二级总线72来控制多个实现车体伺服可变支撑的动态调节，以质心变化来等效模拟试验车辆运动姿态及其对噪声控制的影响。

本实施例为基于两级总线的车辆运动模拟和主动噪声控制试验系统，采用车辆中央控制单元独立实现对初级通道传感器、次级通道传感器、次级声源系统的控制，更加符合真实车辆主动降噪的过程，测试准确度更高。

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于总线网络的车辆主动噪声控制系统综合实验装置,其特征在于，包括模拟轨道车场环境的车辆系统、模拟噪声源的初级声源系统、主动消声的次级声源系统、至少两个次级通道传感器以及主动噪声控制分析主机；所述次级声源系统与次级通道传感器均设置于车辆系统内；所述主动噪声控制分析主机通过总线实现对初级声源系统、次级声源系统以及次级通道传感器的控制。

2.根据权利要求1所述的基于总线网络的车辆主动噪声控制系统综合实验装置，其特征在于，所述车辆系统包括模拟车体结构、车辆中央控制单元；所述模拟车体结构包括车体防护基础层和设于车体防护基础层上方的车厢；所述车体防护基础层中设有伺服可变支撑，伺服可变支撑与车辆中央控制单元连接，由车辆中央控制单元控制伺服可变支撑动作，模拟车辆真实运动姿态。

3.根据权利要求2所述的基于总线网络的车辆主动噪声控制系统综合实验装置，其特征在于，所述车体防护基础层还包括固定支撑。

4.根据权利要求3所述的基于总线网络的车辆主动噪声控制系统综合实验装置，其特征在于，所述初级声源系统包括扬声器以及功率放大器；所述功率放大器接收噪声源信号，经过功率放大器进行放大后驱动扬声器，模拟车辆及周围环境噪声。

5.根据权利要求4所述的基于总线网络的车辆主动噪声控制系统综合实验装置，其特征在于，所述初级声源系统的扬声器包括全频扬声器和低频扬声器。

6.根据权利要求5所述的基于总线网络的车辆主动噪声控制系统综合实验装置，其特征在于，所述次级声源系统包括功率放大器和至少两个扬声器；所述扬声器设置在车辆系统内。

7.根据权利要求6所述的基于总线网络的车辆主动噪声控制系统综合实验装置，其特征在于，还包括用于检测初级声源系统噪声的初级通道传感器；所述初级通道传感器通过总线与主动噪声控制分析主机连接。

8.根据权利要求1至6任意一项所述的基于总线网络的车辆主动噪声控制系统综合实验装置，其特征在于，所述主动噪声控制分析主机包括依次连接的多路总线输入模块、低噪声放大器、模数转换器、复用器、噪声分析与主动控制模块、分路器、数模转换器以及多路总线输出模块；所述多路总线输入模块接收外部传感器信号；所述多路总线输出模块分别与初级声源、次级声源的功率放大器连接。

9.根据权利要求8所述的基于总线网络的车辆主动噪声控制系统综合实验装置，其特征在于，所述主动噪声控制分析主机中设有多路低噪声放大器、多路模数转换器通道以及多路数模转换器通道。

10.根据权利要求9所述的基于总线网络的车辆主动噪声控制系统综合实验装置，其特征在于，还包括初级通道传感器，所述总线包括一级总线和二级总线，主动噪声控制分析主机通过一级总线与车辆中央控制单元连接；所述次级声源系统、次级通道传感器、初级通道传感器分别通过二级总线与车辆中央控制单元连接。