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CN108597489A - 一种高速列车车内噪声主动控制系统 - Google Patents

一种高速列车车内噪声主动控制系统 Download PDF

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CN108597489A
CN108597489A CN201810362897.0A CN201810362897A CN108597489A CN 108597489 A CN108597489 A CN 108597489A CN 201810362897 A CN201810362897 A CN 201810362897A CN 108597489 A CN108597489 A CN 108597489A
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CN
China
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noise
active
seat
source signal
control
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Application number
CN201810362897.0A
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赵艳菊
帅仁忠
宋士轲
潘光亮
林鹏
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Original Assignee
CRRC Qingdao Sifang Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种高速列车车内噪声主动控制系统，包括座椅；噪声采集装置，布置在车厢内能够引起降噪目标区域噪声的不同噪声激励源位置，用于采集不同位置的噪声源信号；主动发声装置，安装在座椅上，与主动控制器连接用于发出抗噪源信号；主动控制器，包括参考噪声提取单元和控制模式生成单元，参考噪声提取单元用于接收多个参考传感器采集的噪声源信号并提取用于预测控制模式的噪声源信号x(n)，控制模式生成单元用于通过主动控制算法对噪声源特性进行分析并自动生成控制模式，控制主动发声装置实时生成与噪声源信号x(n)幅值相等相位相反的抗噪源信号y(n)。本发明既可以有效降低车内噪声，提高乘坐舒适度，又对原结构的附加质量小，满足车辆轻量化要求。

Description

一种高速列车车内噪声主动控制系统
技术领域
本发明属于高速列车降噪技术领域，特别涉及一种高速列车车内噪声主动控制系统。
背景技术
随着轨道交通的快速发展以及车辆行驶速度的大幅提升，列车内噪声分贝随着车速的提高也随之增加，直接影响到旅客乘坐的舒适度。现在公知的噪声控制技术主要包括被动噪声控制和主动噪声控制两类，被动控制技术主要有控制噪声源强度、隔绝传播路径等方法。其中，噪声源控制是最有效的途径，但是对于高速列车车外轮轨噪声和气动噪声很难降低，目前高速列车的降噪设计只能采用提高隔声量、增加吸声材料、喷涂阻尼减小振动声辐射等措施，但是这些措施都会增加整车重量，与整车轻量化设计的思想相违背。
发明内容
本发明主要觖决的技术问题是，提供一种既可以有效降低车内噪声，提高乘坐舒适度，又对原结构的附加质量小，满足车辆轻量化要求的高速列车车内噪声主动控制系统。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种高速列车车内噪声主动控制系统，包括：
安装在车厢内的座椅；
噪声采集装置，布置在车厢内能够引起降噪目标区域噪声的不同噪声激励源位置，用于采集不同位置的噪声源信号；
主动发声装置，安装在座椅上，与主动控制器连接用于发出抗噪源信号；
主动控制器，包括参考噪声提取单元和控制模式生成单元，所述参考噪声提取单元与参考传感器连接，用于接收多个参考传感器采集的噪声源信号并提取用于预测控制模式的噪声源信号x(n)，所述控制模式生成单元与参考噪声提取单元和主动发声装置连接，用于通过主动控制算法对噪声源特性进行分析并自动生成控制模式，控制主动发声装置实时生成与噪声源信号x(n)幅值相等相位相反的抗噪源信号y(n)，以使抗噪源信号y(n)与噪声源信号x(n)叠加实现降噪。
进一步，所述主动控制器为Dspace控制器。
进一步，所述主动发声装置安装在座椅头部区域的两人耳处位置。
进一步，所述主动发声装置为嵌入安装在座椅头部区域内部的两个喇叭，两个喇叭分设在两个人耳处。
进一步，每个所述喇叭安装有狭长形的发声共振箱，所述共振箱嵌入安装在座椅内部。
进一步，所述噪声激励源位置包括车顶、侧墙、车门及地板，在所述座椅周围的车顶区域、侧墙区域、车门区域及地板区域内分别安装有噪声采集装置。
进一步，所述噪声采集装置为参考传感器，在所述车顶区域内安装至少3个参考传感器，在侧墙区域、车门区域内分别安装至少1个参考传感器，在地板区域内安装至少3个参考传感器。
进一步，安装在车顶区域内的3个参考传感器设置在位于座椅正前方、侧部及后侧部的车顶板上，安装在地板区域的3个参考传感器设置在位于座椅的正后方、侧部及前侧部的地板上，安装在侧墙区域的1个参考传感器设置在侧窗上方的侧墙板上，安装在车门区域的1个参考传感器设置在位于座椅正前方的端门一侧的端墙板上。
进一步，所述主动控制器还包括目标区域噪声监测单元，所述目标区域噪声监测单元用于实时监测降噪目标区域在降噪控制后的噪声信号，该噪声信号的获取过程是将提取的噪声源信号x(n)与抗噪源信号y(n)分别乘以参考传感器到降噪目标区域的路径传递函数H(n)和主动发声装置到降噪目标区域的路径传递函数H1(n)后叠加获得。
进一步，所述参考传感器到降噪目标区域的路径传递函数H(n)和主动发声装置到降噪目标区域的路径传递函数H1(n)的获取步骤包括；
在车辆调试时，在降噪目标区域安装多个误差传感器，在静态下采集主动发声装置到误差传感器的多条传递路径的路径传递函数，并进一步获取用于计算降噪控制后的噪声信号所需的路径传递函数H1(n)；在车辆运行状态下采集参考传感器到误差传感器的多条传递路径的路径传递函数，并进一步获取用于计算降噪控制后的噪声信号所需的路径传递函数H(n)，将获取的路径传递函数H1(n)和路径传递函数H(n)存储于主动控制器中。
综上所述，本发明提供的一种高速列车车内噪声主动控制系统，与现有技术相比较，具有如下优点：
(1)本发明依据噪声主动控制声场叠加相消原理，通过主动控制器控制主动发声装置在降噪目标区域主动发出与原有波形叠架相消的声音，进而改变目标区域的声场环境，降低目标区域的声压等级，达到控制噪声的目的，提高了乘客乘坐的舒适度。
(2)本发明将主动发声装置嵌入到座椅内部，不需要更改车辆的原有设计，只对座椅进行改进，结构设计简单，投入成本少，便于工程化应用，而且由于对原结构的附加质量小，满足了高速列车对轻量化的更高要求。
(3)本发明根据高速轨道车辆运行时的噪声特点，精确分析引起乘客头部区域噪声的激励源，将参考传感器分设在车厢的车顶、侧墙、车门及地板的不同区域内，用以获取车厢内不同区域内的噪声源信号，使参考通道能最大限度的采集到噪声源信息，进而利于提升噪声控制的精确度。
(4)本发明中利用误差虚拟传感器技术，对降噪效果进行监测，只在车辆调试时安装误差传感器，而在实车运行时无需安装误差传感器，不但可以有效避免由于人的头部经常活动磨蹭到误差传感器而使误差传感器损坏，有利于提高噪声监控的准确性，同时，也可使座椅结构更加简单，使座椅重量进一步降低。
附图说明
图1是本发明控制系统的控制原理图；
图2是本发明控制系统中座椅的结构图。
如图1和图2所示，座椅1，靠背2，座垫3，腿靠4，扶手5，喇叭6，参考传感器7，误差传感器8，主动控制器9。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
如图1和图2所示，本发明提供的一种高速列车车内噪声主动控制系统，包括：座椅1、噪声采集装置、误差传感器8、主动控制器9及主动发声装置。
其中，如图2所示，座椅1为安装在车厢内的座椅，本实施例中，以紧邻于司机室的商务车厢为例，座椅由靠背2、座垫3、腿靠4、扶手5、底座、传动机构及控制单元组成，座椅1的靠背2、座垫3、腿靠4可在传动机构的带动下在坐姿和卧姿之间进行转换。座椅1在车厢过道的两侧各设置一组，每组中包括一个或两个并排设置的座椅。当然该系统也可以安装在一等座车厢、二等座车厢或司机室内，每组中包含并排设置的一到3个座椅。
针对每组座椅1在车厢内安装一组噪声采集装置，噪声采集装置采用参考传感器7，每组噪声采集装置中包括多个参考传感器7，用于分别获取车厢内座椅周围不同噪声激励源位置的噪声源信号。不同组座椅的噪声采集装置分开设置，以提高噪声源信号的检测精度降噪效果的控制精度。
对自适应噪声主动控制系统来说，噪声源信号是其主要的输入参量，噪声源信号的选择直接影响噪声主动控制的降噪效果，因此参考传感器7布置方式显得相当重要。
高速列车的噪声源非常复杂，尤其是商务车厢位于高速列车的头车位置，噪声源更加复杂，噪声源主要来自于轮轨噪声、设备噪声、受电弓噪声、车体外的气动噪声等，对于商务车厢，还有来自于司机室的设备噪声。本实施例中，优选将多个参考传感器7直接布置在可以直接获取引起乘客头部区域(即降噪目标区域)噪声的激励源位置处，即在车顶区域、侧墙区域、车门区域和地板区域内分别安装一个或多个参考传感器7，用以获取引起噪声的不同区域内的噪声源信号，本实施例中通过布置在不同噪声激励源位置的多个参考传感器7采集多个原有噪声源信号，可通过多个参考通道最大限度地采集到不同区域内的噪声源信息，提高噪声源信号的采集精度。
本实施例根据大量的试验对比，优选针对每组座椅1配置八个参考传感器7。每组中的八个参考传感器7分别安装在车顶区域、侧墙区域、车门区域及地板区域，八个参考传感器7围绕座椅布置。其中，在车顶区域内安装3个参考传感器7，在侧墙区域、车门区域内分别安装1个参考传感器7，在地板区域内安装3个参考传感器7。在车顶区域内设置的3个参考传感器7，分别安装在座椅1正前方、座椅1侧部及座椅1后侧部的车顶板上。在地板区域内安装的3个参考传感器7，分别设置在座椅1正后方、侧部、前侧部的地板上，安装在侧墙区域内的1个参考传感器7设置在位于座椅1一侧的侧窗上方的侧墙板上，安装在门区域的1个参考传感器7设置在位于座椅1正前方的端门一侧的端墙板上。
主动发声装置，采用两个喇叭6，因为从喇叭发出声音到达主动降噪目标区域也就是人的头部区域需要一定的时间，如果距离比较远发出的声音会受到周围环境的影响而会使效果变差，本实施例中，为了达到好的降噪效果，将两个发声的喇叭6分别嵌入安装到座椅1头部区域正面的两人耳处位置的内部。同时，因为车厢内的噪声以低频噪声为主，为提高降噪效果，在每个喇叭6处安装一个具有一定体积容量的共振箱，本实施例中，根据座椅1的结构特点，设计了一个体积容量是1.5升的狭长形的发声共振箱，以使喇叭6发出低频的声音，共振箱沿纵向嵌入安装在座椅1内部，通过螺钉固定在座椅骨架上，外表面用座椅1的蒙布覆盖，从外面看不到喇叭6，不影响座椅1的整体外观效果，且座椅的原有结构基本保持不变。为了能够更好的保护喇叭6，还可以蒙布与喇叭6之间再安装一层薄的海绵等材料。
主动控制器9，是该主动控制系统中的核心环节，其功能主要是接收参考噪声源信号、进行A/D与D/A转换、通过主动控制算法生成自动控制模式并控制主动发声装置发声。主动控制器9安装在座椅座垫3下方的底座内部。
本实施例中，主动控制器9优选采用Dspace控制器，包括参考噪声提取单元和控制模式生成单元，参考噪声提取单元与八个参考传感器7连接，控制模式生成单元与八个参考传感器7和两个喇叭6连接，形成八个输入通道和两个输出通道。主动控制器9用于分析八个参考传感器7采集的车厢不同区域内的八个噪声源信号，并根据接收的八个噪声源信号通过声源重构算法还原成可用于预测噪声控制模式的噪声源信号x(n)，再通过Dspace主动控制算法自动生成控制模式，并同时控制两个喇叭6生成与噪声源幅值相等相位相反的抗噪源信号y(n)，以使抗噪源信号y(n)与噪声源信号x(n)叠加进而实现降噪。
如图1所示，噪声主动控制(ANC)系统流程如下：
通过八个参考传感器7采集引起头部区域噪声的噪声源信号，将八个噪声源信号输入到主动控制器9中，主动控制器9根据接收的八个噪声源信号通过声源重构算法还原成可用于预测噪声控制模式的噪声源信号x(n)，再利用Dspace中的主动控制算法对声源特性进行分析，自动生成控制模式，并将控制信号发送给两个喇叭6，两个喇叭6在主要降噪频率处产生与噪声源幅值相等相位相反的抗噪源y(n)，通过叠加后使主要噪声频率幅值衰减，进而改变乘客头部区域的声场环境，降低座椅头部区域的噪声，达到降噪效果。
本实施例中，主动控制器9还包括目标区域噪声监测单元，用于实时监测降噪目标区域在降噪控制后的噪声信号，进而实时监控ANC系统运行情况和降噪目标区域的降噪效果。
该降噪控制后的噪声信号的获取过程是，将提取的噪声源信号x(n)与抗噪源信号y(n)分别乘以参考传感器到降噪目标区域的路径传递函数H(n)和主动发声装置到降噪目标区域的路径传递函数H1(n)后叠加获得，即通过公式x(n)*H(n)+y(n)*H1(n)计算得出的数据即为误差传感器8位置处的近似信号。这样采用虚拟传感器技术就可以代替真实的检测数据，利于有效保证噪声监测数据的精确度。
其中，参考传感器7到降噪目标区域的路径传递函数H(n)和主动发声装置到降噪目标区域的路径传递函数H1(n)的获取步骤包括：
在车辆调试时，在降噪目标区域安装多个误差传感器8，即在座椅1头部区域的正面两人耳处分别安装一个误差传感器8。
在车辆处于静态状态下，采集主动发声装置到误差传感器8的多条传递路径的路径传递函数，主动发声装置包括两个喇叭6，误差传感器8也设置为两个，所以主动发声装置到误差传感器8之间形成4条传递路径，主动控制器9分析出4条传递路径的路径传递函数后，得到于计算降噪控制后的噪声信号所需的主动发声装置到误差传感器8之间的路径传递函数H1(n)。
在车辆运行状态下，采集参考传感器7到误差传感器8的多条传递路径的路径传递函数，参考传感器7包括八个，误差传感器8设置为两个，所以八个参考传感器7到两个误差传感器8之间形成16条传递路径，主动控制器9分析出16条传递路径的路径传递函数后，即获取了用于计算降噪控制后的噪声信号所需的参考传感器7至误差传感器8之间的路径传递函数H1(n)。
将获取的路径传递函数H1(n)和路径传递函数H(n)存储于主动控制器9中，在车辆实际运行过程中，将获取的路径传递函数H1(n)和路径传递函数H(n)直接应用于公式x(n)*H(n)+y(n)*H1(n)中得出误差传感器8位置处的近似信号。
在获取路径传递函数H1(n)和H(n)后，拆下误差传感器8，在实车运行时座椅1上不安装误差传感器8。
本实施例中，利用误差虚拟传感器技术，对降噪效果进行监测，只在车辆调试时安装误差传感器8，而在实车运行时无需安装误差传感器8，不但可以有效避免由于人的头部经常活动磨蹭到误差传感器8而使误差传感器8损坏，有利于提高噪声监控的准确性，同时，也可使座椅1结构更加简单，使座椅1重量进一步降低，满足车辆轻量化要求。
在检测时，将误差传感器8嵌入在座椅1的内部，采用玻璃丝棉包裹，用蒙布覆盖，误差传感器8与周围部分持平，避免其表面突起引起噪声的急剧变化。
本发明将噪声主动控制技术应用到高速列车的座椅设计中，依据噪声主动控制声场叠加相消原理，改变座椅头部区域的声场环境，降低人耳处的声压等级，实现了对座椅头部区域的主动降噪，特别对中低频噪声控制效果更好，达到控制噪声的目的，提高了乘客的座椅舒适度。
本发明将主动降噪系统嵌入到座椅内部，在座椅头部区域嵌入主动发声的喇叭，主动控制系统通过头部区域的喇叭主动发出与原有波形叠架相消的声音，达到控制噪声的目的，不需要更改车辆的原有设计，只对座椅进行改进，结构设计简单，投入成本少，便于工程化应用。该发明对原结构的附加质量小，符合轻量化设计的原则。
如上所述，结合附图所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种高速列车车内噪声主动控制系统，其特征在于,包括：
安装在车厢内的座椅；
噪声采集装置，布置在车厢内能够引起降噪目标区域噪声的不同噪声激励源位置，用于采集不同位置的噪声源信号；
主动发声装置，安装在座椅上，与主动控制器连接用于发出抗噪源信号；
主动控制器，包括参考噪声提取单元和控制模式生成单元，所述参考噪声提取单元与参考传感器连接，用于接收多个参考传感器采集的噪声源信号并提取用于预测控制模式的噪声源信号x(n)，所述控制模式生成单元与参考噪声提取单元和主动发声装置连接，用于通过主动控制算法对噪声源特性进行分析并自动生成控制模式，控制主动发声装置实时生成与噪声源信号x(n)幅值相等相位相反的抗噪源信号y(n)，以使抗噪源信号y(n)与噪声源信号x(n)叠加实现降噪。
2.根据权利要求1所述的一种高速列车车内噪声主动控制系统，其特征在于：所述主动控制器为Dspace控制器。
3.根据权利要求1所述的一种高速列车车内噪声主动控制系统，其特征在于：所述主动发声装置安装在座椅头部区域的两人耳处位置。
4.根据权利要求3所述的一种高速列车车内噪声主动控制系统，其特征在于：所述主动发声装置为嵌入安装在座椅头部区域内部的两个喇叭，两个喇叭分设在两个人耳处。
5.根据权利要求4所述的一种高速列车车内噪声主动控制系统，其特征在于：每个所述喇叭安装有狭长形的发声共振箱，所述共振箱嵌入安装在座椅内部。
6.根据权利要求1所述的一种高速列车车内噪声主动控制系统，其特征在于：所述噪声激励源位置包括车顶、侧墙、车门及地板，在所述座椅周围的车顶区域、侧墙区域、车门区域及地板区域内分别安装有噪声采集装置。
7.根据权利要求6所述的一种高速列车车内噪声主动控制系统，其特征在于：所述噪声采集装置为参考传感器，在所述车顶区域内安装至少3个参考传感器，在侧墙区域、车门区域内分别安装至少1个参考传感器，在地板区域内安装至少3个参考传感器。
8.根据权利要求7所述的一种高速列车车内噪声主动控制系统，其特征在于：安装在车顶区域内的3个参考传感器设置在位于座椅正前方、侧部及后侧部的车顶板上，安装在地板区域的3个参考传感器设置在位于座椅的正后方、侧部及前侧部的地板上，安装在侧墙区域的1个参考传感器设置在侧窗上方的侧墙板上，安装在车门区域的1个参考传感器设置在位于座椅正前方的端门一侧的端墙板上。
9.根据权利要求1至8任一项所述的一种高速列车车内噪声主动控制系统，其特征在于：所述主动控制器还包括目标区域噪声监测单元，所述目标区域噪声监测单元用于实时监测降噪目标区域在降噪控制后的噪声信号，该噪声信号的获取过程是将提取的噪声源信号x(n)与抗噪源信号y(n)分别乘以参考传感器到降噪目标区域的路径传递函数H(n)和主动发声装置到降噪目标区域的路径传递函数H1(n)后叠加获得。
10.根据权利要求9所述的一种高速列车车内噪声主动控制系统，其特征在于：所述参考传感器到降噪目标区域的路径传递函数H(n)和主动发声装置到降噪目标区域的路径传递函数H1(n)的获取步骤包括；
在车辆调试时，在降噪目标区域安装多个误差传感器，在静态下采集主动发声装置到误差传感器的多条传递路径的路径传递函数，并进一步获取用于计算降噪控制后的噪声信号所需的路径传递函数H1(n)；在车辆运行状态下采集参考传感器到误差传感器的多条传递路径的路径传递函数，并进一步获取用于计算降噪控制后的噪声信号所需的路径传递函数H(n)，将获取的路径传递函数H1(n)和路径传递函数H(n)存储于主动控制器中。
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