進氣與排氣系統(tǒng)的主動與半主動噪聲控制

1、第七章 進氣與排氣系統(tǒng)的主動與半主動噪聲控制第一節(jié) 噪聲控制基礎一 概述主動控制的概念是1933年由Lueg提出。他的設想很簡單，就是在管道中安裝一個傳感器提取聲學信號，然后經(jīng)過一個控制器產(chǎn)生一個大小與管道聲壓幅值相等但是相位相反的聲信號來抵消管道中的聲音。圖7.1為Lueg的設計。圖7.1 Lueg的主動消音控制設想五十年代，Olson做了許多主動消音的研究，他試圖用這種方法消除管道中、房間內和防護耳塞的噪聲。從那以后的幾十年內，很多學者開始從事這方面的研究。八十年代后，很多人申請專利。但是這方面研究和應用的進展卻非常緩慢，原因有三方面。第一是受到電子技術發(fā)展的制約。在這項技術中，控制是最關

2、鍵的，當快速控制系統(tǒng)沒有發(fā)明之前，要實現(xiàn)主動噪聲與振動控制是非常困難的。第二主動噪聲與振動控制要涉及到很多方面，比如電子技術、振動噪聲理論、信號處理等等。第三是當電子和控制技術成熟，實現(xiàn)主動噪聲與振動控制是可行的時候，卻受到成本因素的限制。所以即使到了二十世紀的最后年代，主動噪聲與振動控制多半還是停留在學術和研究階段。近十年來，電子和控制設備成本以及控制軟件價格的大幅度下降，主動噪聲與振動控制在汽車上的廣泛應用才變得現(xiàn)實。為什么要使用主動噪聲與振動控制呢？這里有兩個原因，第一是政府，第二是顧客。政府法規(guī)對汽車的排放污染和噪聲污染限制越來越嚴。比如在以往的三十多年里，歐洲的通過噪聲標準不斷提高。

3、關于通過噪聲的詳情請參考第二十一章“汽車噪聲與振動的評價”?，F(xiàn)在發(fā)動機的功率越來越大，產(chǎn)生的振動與噪聲也在增加，可是顧客對汽車的安靜與舒適要求卻越來越高。為了滿足這兩方面的要求，就必須采用更多的噪聲與振動控制設備，而且消音器的容積越來越大?？墒侵亓吭黾訒绊懙狡囆旭偟慕?jīng)濟性能，體積的增加又受到安裝空間的限制。於是主動控制慢慢地在汽車上應用起來。二開環(huán)控制和閉環(huán)控制圖7.2表示一個開環(huán)控制系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)內，控制對象的特征是確定的，系統(tǒng)的輸出完全取決于輸入。對于某個特點的輸入，就有相應的輸出，。圖7.2 開環(huán)控制系統(tǒng)圖7.3表示一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)。輸出與輸入的關系沒有開環(huán)控制那么簡單，也就是說

4、，假定輸入給定了，一般得不到所需要的輸出。系統(tǒng)的實際輸出為：，而理想輸出為：。為了使實際輸出盡可能的接近理想輸出，就必須將實際輸出反饋回來與理想輸出進行比較。將兩者的差值，再乘上一個放大系數(shù)，作為控制系統(tǒng)的輸入。這個放大系數(shù)通常叫著控制增益因子，用K表示。圖7.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)在汽車控制中，閉環(huán)控制是用得最為廣泛的。對主動控制系統(tǒng)來說基本是都是閉環(huán)控制，而對于半主動控制系統(tǒng)來說，有閉環(huán)控制也有開環(huán)控制。三反饋控制與超前控制汽車噪聲與振動控制中有兩種最基本的方法：反饋控制與超前控制。圖7.4表示一個反饋控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)包括誤差傳感器，控制裝置和揚聲器。誤差傳感器測量信號，輸入到控制裝置，再

5、推動揚聲器，產(chǎn)生一個與前行主聲源的聲波幅度相等而相位相反的次聲源。主聲源的聲波與次聲源的聲波在誤差傳聲器的位置抵消，從而達到消音目的。圖7.4 反饋控制系統(tǒng)圖7.5表示一個超前控制系統(tǒng)。這個系統(tǒng)中有誤差傳感器，控制裝置、揚聲器和參考傳感器。參考信號與誤差信號同時傳遞到控制裝置，然后再推動揚聲器產(chǎn)生次聲源。超前控制系統(tǒng)與反饋系統(tǒng)的根本不同是超前系統(tǒng)采用了參考信號。這樣系統(tǒng)遇到微小的干擾時，它可以自我調節(jié)。超前控制系統(tǒng)是一個自適應系統(tǒng)。而反饋控制是一個非自適應系統(tǒng)。圖7.5 超前控制系統(tǒng)控制的方法非常多，如最優(yōu)控制、雙狀態(tài)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等等。但目前在汽車上使用的控制多半還是傳統(tǒng)和經(jīng)典

6、的控制，如比例控制、微分控制、積分控制等等。四主動控制與半主動控制在汽車噪聲與振動控制系統(tǒng)中，都有主動控制與半主動控制。圖7.6表示一個動力裝置主動振動控制系統(tǒng)。動力裝置通過隔振器安放在車架上，其振動通過隔振器傳到車架，同時路面的振動也通過車胎等部件傳遞到車架。為了減小這些振動，一個主動控制系統(tǒng)裝在車架上，并產(chǎn)生一個相位與振動相差1800的力來抵消一部分振動。這個控制力是由一個額外能量供應系統(tǒng)來提供的。圖7.6 動力裝置主動振動控制系統(tǒng)主動控制的好處是可以有效地控制振動與噪聲，但是其缺陷是成本高、需要額外的能源供應系統(tǒng)、增加重量、系統(tǒng)的可靠性降低、維修困難等。半主動控制能夠克服主動控制的這些弱

7、點。圖7.7表示一個閉環(huán)的半主動控制系統(tǒng)。比較圖7.7與圖7.6，其差別是在半主動控制系統(tǒng)中，沒有額外的能源供應系統(tǒng)。半主動控制中的激勵力來自振動系統(tǒng)本身的能量。當系統(tǒng)振動時，一部分能量儲存起來，經(jīng)過控制器調節(jié)后，在適當?shù)臅r候釋放出來抵消傳遞到框架上的振動。圖7.7 閉環(huán)的半主動控制系統(tǒng)半主動振動控制也可以是開環(huán)的，如圖7.8所示。圖中沒有了傳感器來反饋車架的振動信號。只要發(fā)動機的振動特性確定了，通過激勵裝置作用到車架上的力也就確定了。圖7.8 開環(huán)半主動振動控制系統(tǒng)半主動控制的成本低，結構簡單，沒有額外的能源供應系統(tǒng)，但是其應用受到限制。半主動控制對低頻控制效果好，對高頻噪聲振動很難控制。五

8、 狀態(tài)空間分析在系統(tǒng)的動力分析中，通常是用二階的微分方程來表示。如圖3.2中的單自由度阻尼系統(tǒng)，假設基礎不運動，那么運動方程可以寫成：(7.1)用下面的式子代表上式中的變量：(7.2)將上面兩式代入方程(7.1)中得到下面兩個方程：(7.3)(7.4)或者寫成矩陣形式：(7.5)式中，為控制力。經(jīng)過公式(7.3)和(7.4)或者公式(7.5)的變換，公式(7.1)中的二階微分方程就變?yōu)榱艘浑A微分方程。這種用一階微分方程表示一個系統(tǒng)的方程就是系統(tǒng)的狀態(tài)方程。一般來說，對於一個多自由度系統(tǒng)，狀態(tài)方程可以寫成：(7.6)式中，X是狀態(tài)矢量，Y是輸出矢量，u是輸入矢量，A和C是系統(tǒng)矩陣，B和D是系統(tǒng)增

9、益因子。將系統(tǒng)的動力方程寫成了狀態(tài)方程，就可以對系統(tǒng)實行實時計算、識別、分析與控制?，F(xiàn)在主動噪聲與振動控制在汽車上的應用越來越多，而且這種趨勢還在繼續(xù)。隨著電子控制系統(tǒng)成本的大幅度下降，主動控制不僅在豪華車上應用，而且開始在普通汽車上應用。主動控制的好處在于：它能在一定寬的頻率范圍內控制振動與噪聲。被動控制一旦設計好了，其作用效果的頻率范圍也就卻定了，但有多個頻率需要控制時，就需要多個被動控制系統(tǒng)?？墒且惶字鲃涌刂葡到y(tǒng)可以隨著頻率變化而調節(jié)。這樣主動控制可以減輕設備重量和體積，還可以進行聲音質量的體調節(jié)和設計。但主動控制也有缺陷：系統(tǒng)的可靠性降低、維修困難；在排氣等高溫系統(tǒng)中受到溫度環(huán)境的限制

10、。主動控制提供的次級聲源能量還受到限制。比如在發(fā)動機主動隔振中，目前基本上是對怠速狀態(tài)效果好，在高速狀態(tài)時，由于需要的推動功率大，所以很難實現(xiàn)。雖然控制設備的成本在大幅度降低，但是與被動控制相比，成本還是顯得高了。第二節(jié) 主動與半主動噪聲控制在進氣與排氣系統(tǒng)中，有兩個指標往往是相互沖突的。這兩個指標是噪聲與功率損失。如果要求噪聲低，那么功率損失就大。比如進氣管道直徑小，擴張比就大，空氣過濾器的聲音傳遞損失就大，噪聲就低，可是由于直徑小，影響到空氣的流通，所以功率損失就大。如果要減少功率損失，就必須把進氣管口的直徑加大，但是噪聲也隨之增加。所以降低噪聲與減少功率損失往往是一對矛盾體。在進排氣系統(tǒng)

11、消音設計的時候，還遇到另外一個問題，就是安裝空間。汽車進氣與排氣噪聲主要是靠消音器來實現(xiàn)，但是通常要求消音器達到一定的容積才能消除特定頻率的噪聲，特別是低頻噪聲。比如低頻時，要求赫爾姆共振器容積大，但是安裝空間往往不允許。現(xiàn)在汽車設備越來越多，安裝空間限制也越來越嚴，靠被動控制的方法要達到通過噪聲標準和顧客的要求也越來越難。在這兩方面的推動下，最近十多年來，主動與半主動噪聲控制開始在汽車里應用。目前用得最多的地方是進氣系統(tǒng)主動噪聲控制、排氣系統(tǒng)主動噪聲控制、車體內主動噪聲控制和聲音質量控制。另外，也有少數(shù)主動控制用在車胎-路面摩擦噪聲和風激噪聲方面。噪聲主動噪聲控制基本上是針對40赫茲到700

12、赫茲的低頻噪聲。一進氣系統(tǒng)主動與半主動噪聲控制1進氣管道消音進排氣系統(tǒng)中的聲波波長比直徑大得多，這樣管道中的聲波就可以假設為平面波。我們已經(jīng)在第十二章中講述了管道聲學的特征。圖7.9表示一個進氣主動噪聲控制系統(tǒng)。來自發(fā)動機的參考信號與進氣口附近的壓力信號一起輸入到控制裝置中，控制系統(tǒng)經(jīng)過識別和運算，由控制揚聲器產(chǎn)生一個次聲源。次聲源發(fā)出一個與進氣口主聲源聲波幅值相等但是相位相反的聲波。這樣主聲源與次聲源聲波相互抵消。這個控制系統(tǒng)采用了參考信號和誤差信號，因此這是一個超前控制系統(tǒng)。圖7.9 進氣系統(tǒng)的主動噪聲控制圖7.10表示一個四缸發(fā)動機進氣口噪聲比較圖。上面一個圖是原系統(tǒng)噪聲頻率-階次圖，即

13、沒有控制時的噪聲。下圖是加入了控制系統(tǒng)后的頻率-階次圖。圖中，顏色的深淺表示聲壓級的大小，顏色越深聲壓越大。從這張圖中可以知道，加了控制系統(tǒng)后，進氣口的整體噪聲降低。二階噪聲降低最明顯，其他階次噪聲也降低。圖7.10 一個四缸發(fā)動機進氣口噪聲比較：沒有控制與有控制2主動與半主動赫爾姆茲消音器在進氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)中都用到了赫爾姆茲消音器。從第十二章第三節(jié)“消音元件聲學分析”中，我們知道赫爾姆茲消音器的傳遞損失是針對某一個頻率和以這個頻率為中心的窄帶噪聲。比如對一個四缸發(fā)動機，在2000rpm的時候，進氣系統(tǒng)發(fā)出鼓鳴聲(boom)。發(fā)動機噪聲主要是二階成分，鼓鳴聲的頻率為66.7赫茲。通常這么低的

14、噪聲是用赫爾姆茲消音器來消除。而對於頻率較高的噪聲是用四分之一波長管消除。假設除了66.7赫茲噪聲外，還存在100赫茲和120赫茲的兩個噪聲峰值，這樣就必須再用二個赫爾姆茲消音器來消除。但是在一個進氣系統(tǒng)中安裝三個赫爾姆茲消音器是不現(xiàn)實的。為了解決這個問題，有人就想出了一種可調的赫爾姆茲消音器。赫爾姆茲消音器的消音頻率和傳遞損失取決于三個因素：體積，連接管道的長度和截面積。如果這三個因素中的某一個是可以調節(jié)的，那么就得到了可調的赫爾姆茲消音器。圖7.11所示是一個體積可調的赫爾姆茲消音器。在這個消音器中，保持管道長度和直徑不變，而調節(jié)它的體積。消音器的底部是可以滑動的，通過一個控制機構來控制。

15、這樣消音器底部的聲學阻抗隨著轉速而變化，也就是隨著頻率而變。在低頻的時候，體積大，而頻率升高，體積相應地減小。這樣只用一個可調節(jié)的赫爾姆茲消音器，就可以降低許多頻率的噪聲。圖7.11 可調節(jié)的赫爾姆茲消音器(一)圖7.12是另外一種改變體積的可調赫爾姆茲消音器。在這個結構中，管道是可以調節(jié)的，消音器的體積是由幾個空腔組成。在不同的發(fā)動機轉速下，連接管道就與不同的空腔連接，這樣體積就改變了。圖7.12 可調節(jié)的赫爾姆茲消音器(二)3閥門半主動控制：汽車在低速運轉或者是巡航狀態(tài)下，往往要求噪聲低，但是在加速的時候則要求功率大。半主動控制可以實現(xiàn)這個目的。圖7.13(A)為一個特別的進氣系統(tǒng)，它與一

16、般的進氣系統(tǒng)最大的差別是空氣過濾器上有個控制閥門。這個閥門的一邊是用彈簧與過濾器連接，而另外三邊是自由狀態(tài)。在發(fā)動機低轉速的情況下，空氣的流量也低，這個閥門關閉。這時與普通的進氣系統(tǒng)一樣，可以達到所要求的低噪聲水平。當發(fā)動機轉速高的時候，空氣的流量大，就把這個閥門打開，如圖7.13(B)所示。這時，空氣不僅從進器口進入進氣系統(tǒng)，也還從這個閥門進入。這樣進入發(fā)動機的空氣量大增，因此發(fā)動機的功率也增加，當然噪聲也大。這樣就協(xié)調了低速噪聲低和高速功率大的問題。在馬自達J56車上就采用了這套系統(tǒng)。(A)(B)圖7.13 可調節(jié)的空氣過濾器在這個閥門開關過程中，沒有任何控制系統(tǒng)也沒有額外的能量。開關閥門

17、的力完全來自進氣系統(tǒng)本身的氣流，因此這是一個開環(huán)的半主動控制系統(tǒng)。二 排氣系統(tǒng)的主動與半主動控制1排氣系統(tǒng)的雙模態(tài)消音器在排氣系統(tǒng)中，我們已經(jīng)介紹了消音器和消音容積對降低噪聲的重要性。消音器的容積越大對降低噪聲越好。要達到良好的消音效果，消音器里面往往設計得非常復雜，比如有針對不同頻率的赫耳姆消音器和四分一波長管等。但是復雜的內部結構會使得氣流不通暢，這樣就增加排氣系統(tǒng)的背壓，從而增加了功率損失。如果把消音器設計得簡單，雖然空氣流通暢，阻力小，功率損失小，但消音效果也差。對排氣系統(tǒng)來說，降低噪聲與減少功率損失也是一對矛盾。在設計的時候，要平衡好這對關系。不同的公司有著不同的設計思想，比如豐田雅

18、閣(Camry)比福特金牛星(Taurus)安靜，但是雅閣排氣系統(tǒng)的功率損失達11%，而金牛星的排氣損失僅為6%。在八十年代，人們提出了雙模態(tài)消音器來解決這對矛盾。圖7.14(A)表示一個雙模態(tài)消音器。與進氣系統(tǒng)過濾器上的閥門一樣，在這個消音器里面也安裝了一個閥門。在低轉速的時候，閥門關閉，消音效果好。在高轉速的時候(通常是大于3000rpm)，在氣流的沖擊下，這個閥門打開，如圖7.14(B)。這時空氣流通阻力減小，因此功率損失降低。我們知道，排氣尾管噪聲由兩部分組成：發(fā)動機燃燒引起的噪聲和摩擦噪聲。在低轉速的時候，發(fā)動機燃燒引起的噪聲在尾管噪聲中占主要成分，而在高速的時候，尾管噪聲主要是氣流

19、的摩擦噪聲。當閥門打開之后，尾管中發(fā)動機的燃燒噪聲量會增加，但是氣流摩擦噪聲卻減小。這兩者綜合，在高轉速的時候，合成噪聲卻降低，因為占主要成分的摩擦噪聲降低。(A)(B)圖7.14 (A) 雙模態(tài)消音器(閥門關閉狀態(tài)) (B) 雙模態(tài)消音器(閥門打開狀態(tài))圖7.15和圖7.16分別表示一個排氣系統(tǒng)采用了雙模態(tài)消音器之后，當閥門開啟和關閉時的尾管噪聲曲線和壓力曲線。從曲線可以知道，在低速時，閥門關閉，噪聲低，而在高速時，閥門開啟，噪聲低，壓力比閥門關閉時下降了許多。這個速度的轉折點一般在3000rpm左右。圖7.15 采用雙模態(tài)消音器的尾管噪聲圖7.16 采用雙模態(tài)消音器的排氣背壓上面介紹的雙模

20、態(tài)消音器的控制閥門是在消音器里面。控制閥門也可以安裝在外面，如圖7.17所示。它的工作原理與控制閥門在消音器里面的雙模態(tài)消音器是一樣的。圖7.17 控制閥門在外面的雙模態(tài)消音器這兩種雙模態(tài)消音器都沒有控制系統(tǒng)和額外能量供應系統(tǒng)，但是對尾管噪聲與排氣系統(tǒng)的功率損失都起到了調節(jié)作用，因此這是一種開環(huán)的半主動控制系統(tǒng)。雙模態(tài)消音器主要是日本車和歐洲車上采用。1987年尼桑的Cedric, Gloria和Cima等系列汽車首先采用了雙模態(tài)消音器。隨后，豐田、馬自達、BMW、大眾、法拉利等汽車都采用了這種消音器。尼桑的一部車在采用了這種消音器后，在6000rpm時，尾管噪聲降低了十多分貝，而背壓減小了1

21、50mmHg。一般來說，如果消音器的容積相等，那么雙模態(tài)消音器比一般消音器多降低5到10分貝噪聲，而功率損失也減少約30%。如果噪聲與功率損失相等，那么雙模態(tài)消音器的容積就可以減小越5到10升。但是雙模態(tài)消音器由于多了一個控制閥門，因此成本增加，內置閥門約5到10美元，外置閥門約10到20美元。另外系統(tǒng)的可靠性降低、維修難度增加。除了半主動控制的雙模態(tài)消音器外，還有主動控制的雙模態(tài)消音器。發(fā)動機轉速信號傳給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)推動閥門的開關。在不同的轉速下，閥門開關的大小可以由控制系統(tǒng)來控制。2排氣系統(tǒng)的主動噪聲控制排氣系統(tǒng)的主動噪聲控制有兩種。第一種是在半主動中加上電子控制系統(tǒng)組成。也就是說，

22、消音器或者是排氣管道上的閥門不是靠氣流產(chǎn)生的壓力大小來打開或者關閉，而是靠電子控制系統(tǒng)來控制。這種控制往往是與發(fā)動機的轉速有關。在這種控制中沒有揚聲器。第二種排氣系統(tǒng)的主動控制與圖7.9中的進氣系統(tǒng)類似。在尾管口附件安裝一個麥克風測量排氣噪聲，作為誤差信號，與發(fā)動機信號一起輸入到控制器中?？刂破骺刂茡P聲器產(chǎn)生一個與主聲源幅值相等而相位相差1800的次級聲波。排氣系統(tǒng)的主動控制的頻率一般從50赫茲到700赫茲。圖7.18表示一個排氣系統(tǒng)有控制與沒有控制時的尾管噪聲。在4000rpm以下轉速時，噪聲降低10dB以上，在4000rpm以上，噪聲降低為3dB。圖7.18 一個排氣系統(tǒng)尾管的噪聲比較：控

23、制關閉和控制打開排氣尾管的溫度通常達到三百多度甚至更高，這樣對揚聲器來說是一個考驗。所以只有特別設計的揚聲器才能適應這么高的溫度。三車內噪聲的主動控制當聲源噪聲無法解決的時候，就必須從傳遞通道和接受體來考慮。在車廂內實行主動噪聲控制，就是從接受體來抑制噪聲。近年來，為了提高汽車節(jié)油性能，一些公司推出了一種新型的可變汽缸發(fā)動機。這種發(fā)動機在加速和爬坡等狀況時正常工作，可是在巡航和減速狀態(tài)時，一部分汽缸熄火。圖7.19表示一個六缸發(fā)動機的這種工作狀況，加速和爬坡時，六個汽缸都工作，而在巡航和減速時，三個汽缸熄火，只有另外三個汽缸工作。汽車噪聲與振動系統(tǒng)是根據(jù)六缸發(fā)動機的特征來設計的，即以第三階發(fā)火

24、階次為依據(jù)設計?？墒侵挥腥齻€缸工作時，發(fā)動機本身的動態(tài)平衡不好，而且發(fā)火階次轉變?yōu)?.5階。也就是說它的振動與聲學特性與六缸都工作時完全不同，因此三缸工作時產(chǎn)生的噪聲就是一種異常噪聲。為了減少車內的這種噪聲，現(xiàn)在一些汽車上使用了車內主動噪聲控制技術。圖7.19 可變汽缸發(fā)動機的工作狀況圖7.20表示一個車內主動噪聲控制系統(tǒng)。這個系統(tǒng)包括：主動控制裝置，音響系統(tǒng)和麥克風。主動控制裝置安裝在汽車前圍板里面，包括電子控制元件、麥克風等。產(chǎn)生次級聲源的揚聲器使用汽車本身的音響。如果要降低后排坐位的噪聲，那么在乘客附近安放一個獨立的麥克風。發(fā)動機的轉速信號與麥克風的信號一起輸入到控制裝置內?？刂蒲b置發(fā)出一個與車內聲場幅值相等但反相位的聲波來抵消車內噪聲。這個系統(tǒng)采用了自適應超前控制。圖7.20 車內主動噪聲控