1.為什么要研究汽車噪聲控制
在汽車領域，有一個詞叫NVH，是噪聲（Noise）、振動（Vibration）和不舒適（Harshness）三個英文單詞首字母的縮寫。為什么要研究NVH呢？主要原因有四個：第一、政府法規要求。以車身為邊界，汽車噪聲可以分為車內噪聲和車外噪聲，目前政府法規對車外噪聲限值有明確要求。第二、客戶要求。對客戶而言，從打開車門開始體驗到關閉車門結束體驗，NVH伴隨著每一個體驗環節。隨著發動機、傳動系統和外觀設計水平的不斷提高，客戶將更多的注意力放在了NVH性能上，可以毫不夸張地講，NVH水平甚至直接決定了客戶的購買意向。第三、市場競爭的結果[1]。為了使自己的車型在市場上更有競爭力，全世界各整車廠不斷推陳出新，探索新的NVH問題解決方案。第四、品牌塑造的需要。對汽車品牌來講，聲音是品牌的DNA[2]，擁有自己的品牌聲音是所有汽車品牌的夢想，為了達到這個目標，各整車廠在NVH技術方面不斷投入研發力量，在競爭的同時共同推動了整個行業的發展。
2.車內噪聲來源
本文提及的噪聲控制特指車內噪聲控制。車內噪聲來源主要有三個：動力系統噪聲、路面-輪胎噪聲和風噪聲，三個主要聲源對車內噪聲的貢獻量是隨著車速、外部環境（如風速、天氣等）和路況變化的。汽車在怠速和低速行駛時，車內主要噪聲來自發動機和其它動力輔助系統（如進氣系統和排氣系統）。當車速達到50km/h時，路面-輪胎噪聲增加并隨車速的提高而升高；當車速超過80km/h時，路面-輪胎噪聲可能會比發動機噪聲大，甚至掩蔽發動機噪聲，成為主要聲源。特別是在粗糙路面上，路面-輪胎噪聲更加突出。當車速達到100km/h時，風噪就開始出現。當車速達到120km/h時，風噪成為汽車的主要聲源。當車速進一步提高時，風噪有可能完全掩蓋發動機噪聲和路面-輪胎噪聲，圖1為汽車車速與發動機噪聲源、路面-輪胎噪聲源和風噪聲源的關系示意圖。有一點需要說明的是這里所提及的車速僅是一個范圍，具體數值因外部環境、路況和車型等因素有所不同。
圖1車速與發動機噪聲源、路面-輪胎噪聲源和風噪聲源的關系示意圖
3.汽車噪聲控制技術
根據是否需要能量輸入，車內噪聲控制技術可以分為被動噪聲控制和主動噪聲控制兩類（主動噪聲控制又稱為有源噪聲控制）。被動噪聲控制技術依靠修改結構設計、增加阻尼材料或使用減振器和吸振器來降低噪聲，這些技術對降低中高頻（高于500 Hz)）噪聲非常有效[4]，是汽車行業目前使用的主流技術，具體如表1所示。但是，被動噪聲控制技術也有其難以克服的不足。
第一、被動噪聲控制在低頻段控制效果差，控制頻帶窄，且附加質量大。
第二、被動噪聲控制效果對調校要求較高，在某一頻率下調校好的設計也許對其它頻率的噪聲并不適用。例如，對于混合動力汽車和可變缸汽車來講，在某一動力源或者某個缸數下調校好的系統，當動力源改變或氣缸數變化時，原來調校好的系統有可能失效。
第三、被動噪聲控制技術往往需要經過多次迭代才能實現設計的聲學目標，設計周期長，時間成本高。
第四、被動噪聲控制一致性差，同一型號的汽車噪聲水平相差較大。
第五、不同年齡段、不同種族的人對車內聲音的感知也不盡相同。如果使用被動方法調校同一款車以滿足不同市場客戶對車內聲音的期望，成本將大幅提高，主動噪聲控制方法則只需要調整控制器參數即可。
第六、對于純電動汽車，車內聲音較小，導致駕駛體驗不佳，主動噪聲控制技術在解決這個問題上有非常大的發展空間，并且目前已經取得了一定的研究成果[5;6]。
綜上所述，被動噪聲控制技術是汽車重量、噪聲控制效果、復雜度和成本的折中。主動噪聲控制基于聲波相消干涉原理，通過與汽車音響系統集成，在車內引入與初級噪聲等幅反相的次級聲源來抵消或大幅降低噪聲。與被動噪聲控制相比，主動控制技術適合控制低頻噪聲，且設計限制條件少，控制目標靈活，切換方便，不僅可以降低車內噪聲，而且還可以修正噪聲頻譜，改善車內聲品質[7;8]。
4.發動機噪聲主動控制系統原理
車內噪聲主動控制系統根據噪聲來源可分為發動機噪聲控制系統和路面-輪胎噪聲控制系統兩類。發動機噪聲頻率成分簡單，研究起步較早，目前已經有成熟的產品，并且已在多個量產車型上應用，僅2018年北京車展上展出的車型就有別克昂科威、新君越，凱迪拉克XTS、CT6，本田思鉑睿、CR-V、UR-V、第十代雅閣，英菲尼迪Q70L，福特蒙迪歐，林肯MKC、MKZ，謳歌CDX等。路面-輪胎噪聲控制系統目前主要集中在研究和試驗階段，2018年韓國平昌冬奧會上，現代為其燃料電池汽車Nexo配置了主動噪聲控制系統來降低其路噪。Bose在2019年1月的CES展上發布了其路噪主動控制系統并宣稱預計在2021年底實現量產。
根據是否需要參考傳感器，車內噪聲主動控制系統可以分為前饋控制系統和反饋控制系統，典型的車內噪聲前饋主動控制系統示意圖如圖2所示。
圖2車內噪聲前饋主動控制示意圖
發動機噪聲主動控制系統主要由四部分組成
(1)參考傳感器，為控制器提供與車內噪聲相關的參考信號，一般為轉速傳感器。需要指出的是只有前饋控制系統需要參考傳感器，反饋控制不需要。
(2)誤差傳感器，用來實時監測車內噪聲，為控制器提供輸入，一般為聲壓傳感器。為了在降噪性能和成本之間取得平衡，現有的商用化汽車噪聲主動控制系統使用3個或4個誤差傳感器比較常見。例如別克昂科威的發動機噪聲主動控制系統中有三個麥克風作為誤差傳感器，兩個分別位于前排頂棚把手處，一個位于后排頂棚中央，如圖3和圖4所示。
(3)主動噪聲控制器，接收來自參考傳感器和誤差傳感器的信號，根據控制目標和控制算法自動生成驅動信號，驅動執行器（一般為車內揚聲器）工作，控制器是整個系統的核心。
(4)執行器，將控制器產生的驅動信號轉換為聲信號，與車內初級噪聲（不想聽到的噪聲）發生相消干涉，從而達到控制車內噪聲的目的，執行器一般為車內揚聲器。
發動機噪聲主動控制系統系統主要由四部分組成
(1)參考傳感器，為控制器提供與車內噪聲相關的參考信號，一般為轉速傳感器。需要指出的是只有前饋控制系統需要參考傳感器，反饋控制不需要。
(2)誤差傳感器，用來實時監測車內噪聲，為控制器提供輸入，一般為聲壓傳感器。為了在降噪性能和成本之間取得平衡，現有的商用化汽車噪聲主動控制系統使用3個或4個誤差傳感器比較常見。例如別克昂科威的發動機噪聲主動控制系統中有三個麥克風作為誤差傳感器，兩個分別位于前排頂棚把手處，一個位于后排頂棚中央，如圖3和圖4所示。
(3)主動噪聲控制器，接收來自參考傳感器和誤差傳感器的信號，根據控制目標和控制算法自動生成驅動信號，驅動執行器（一般為車內揚聲器）工作，控制器是整個系統的核心。
(4)執行器，將控制器產生的驅動信號轉換為聲信號，與車內初級噪聲（不想聽到的噪聲）發生相消干涉，從而達到控制車內噪聲的目的，執行器一般為車內揚聲器。
5.發動機噪聲主動控制效果
與路噪相比，發動機噪聲頻率成份比較簡單，主要由發動機點火頻率及其諧波組成，噪聲頻率與發動機轉速嚴格相關，因此控制起來相對比較容易，圖5為四缸發動機噪聲典型頻譜。圖6為車輛定置發動機轉速為1300 RPM時駕駛員右耳處聲壓信號時域波形圖。圖6中主動控制系統的狀態為關閉—打開—關閉，由圖6可知駕駛員右耳處的聲壓在發動機噪聲主動控制系統打開時大大降低，幅值大約降低到原來的一半。圖7為與圖6對應的A計權聲壓級，從圖7中可以看出，駕駛員右耳處的聲壓級在主動控制系統打開時降低了約５dB(A)。
圖5 4缸發動機噪聲典型頻譜
圖6發動機主動噪聲控制系統打開和關閉時聲壓對比圖
圖7發動機主動噪聲控制系統打開和關閉時聲壓級對比圖
從測試數據上來看，汽車發動機噪聲主動控制系統有非常明顯的降噪效果，但最終效果還是需要通過人耳主觀感受來評價，畢竟所有的NVH工作是為人服務的。筆者實車體驗了某發動機噪聲主動控制系統，當系統打開時，車內噪聲有非常明顯的改善，壓耳感完全消失。
參考文獻
[1]龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動:理論與應用[M].北京:北京理工大學出版社，2006.
[2]Abe T，Clapper M L，Mccarthy M W，et al.Sound Quality in automobiles-Brand"DNA"Approach and Development Techniques[C].The 18th International Congress on Acoustics，2004.
[3]龐劍.汽車車身噪聲與振動控制[M].機械工業出版社，2015.
[4]Li M，Duan J，Lim T C.Active Noise Cancellation Systems for Vehicle Interior Sound Quality Refinement[J].Recent Patents on Mechanical Engineering，2010，3:163-173.
[5]劉鋒，吳鳴，楊軍.量產車型噪聲主動控制系統性能實測與分析[J].汽車工程，2019，41(06):676-681+710.
[6]Wang X.Vehicle noise and vibration refinement[M].Boca Raton:Woodhead Publishing，2010:xiii，434 p.
[7]Liu F，Mills J K，Dong M，et al.Active broadband sound quality control algorithm with accurate predefined sound pressure level[J].Applied Acoustics，2017，119:78-87.
[8]Wang Y，Gu L，Liu F，et al.An adaptive algorithm for nonstationary active sound-profiling[J].Applied Acoustics，2018，137:51-61.
鳴謝作者：中國科學院聲學研究所博士后：劉鋒
來源：劉鋒 21dB
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