发动机排气噪声有源消声技术研究

发动机排气噪声有源消声技术研究

李

伟

453002）

（河南机电高等专科学校机电工程系，河南新乡

摘

要：排气噪声是发动机主要的噪声源之一。有源消声技术是运用数字信号处理技术实现声波相消干涉达到

电控消声目的，它已成为近年来发动机排气噪声治理领域备受关注的一个热点。为此，主要研究了有源消声技术在发动机排气降噪方面的应用，并对其进行了模拟实验。结果表明，有源消声技术具有明显的降噪效果。关键词：有源消声；发动机排气降噪；LMS算法；数字信号处理中图分类号：TK44；TB53

文献标识码：B

文章编号：1003－188X（2011）10－0202－03

0引言

有源消声（ANC）技术是运用数字信号处理技术

1

1．1

有源消声控制系统硬件设计

系统硬件整体设计

利用TMS320VC02DSP和ATS51单片机组

实现声波相消干涉，达到电控消声的目的。目前，世界上主要的工业国纷纷开展ANC技术的研究，如南安普敦大学的声振研究所、澳洲Adelaide大学、美国Nel-son公司以及我国的南京大学、西北工业大学、中科院声学所等。

20世纪末期，有源消声概念被引入到发动机排气降噪中。发动机排气噪声ANC技术是去掉传统的消声器或简化其内部结构，在排气管道的某个环节引入有源消声技术，通过实时信号采集与自适应信号处理技术实现实时控制，获得频率范围较宽的低频消声效果，在降噪的同时不会造成大的排气阻力，从而达到降低排气噪声的目的。实践中一般采用与发动机排气噪声中相关的振动加速度信号或点火信号等作为参考信号。如英国Essex大学的Chaplin等人提出根据发动机转速同步脉冲信号和误差传感器传来的发动机排气管下游残余噪声信号，通过数字滤波和频道补偿后实时产生控制信号，驱动次级声源产生抵消声波，达到实时消声的目的，并率先应用于对柴油机排气噪声低频成分的治理。清华大学与日本交通部合作，采用该方法对卡车在加速工况下的发动机排气进行了有源消声研究，在发动机转速1200～2400r/min范围加速时取得了3～10dB的消声效果。ANC技术较无源消声有更大的灵活性，随着电子技术的不断提高，其性价比会不断提高，现已成为发动机排气噪声治理领域近年来备受关注的热点

［1］

成双处理器系统实现对数据的采集和运算。DSP完成自适应控制算法，单片机处理来自ECU等非声学参数，判断出最佳的消声算法、参数及工作模式等，并控制其他芯片，使系统处于最佳控制效果。音频编码芯片选用TLV320AIC10，内置抗混叠滤波器和重构滤波器，能与DSP芯片相连，其内部电路的配置及性能参数均可改写。滤波模块插在板上便于调整改动，滤波板采用巴特沃斯低通滤波器。通过实验，得出工况与排气噪声特性间的关系，再将此关系在单片机中进行转换，最后用消声控制系统验证此关系的效果，分析并修正，达到最优消声效果

［2］

。

系统采用分块化设计，分为DSP最小目标板、单音频编码板和滤波板，如图1所示。块片机处理板、

间用接插件相联，便于扩展、测试和更换。

。

图1

Fig．1

有源消声控制器硬件结构示意图

收稿日期：2009－11－02

（E－mail）liwei_作者简介：李伟（1981－），男，河南新乡人，助教，硕士，

19811106@163．com。

Schematicdiagramofactivenoisecontrollerhardware

·202·

2011年10月1．2

最小目标板设计

农机化研究第10期

方式使用硬件通信时，单片机的外部中断引脚INT0INT0接高电平。在手动接低电平；使用软件通信时，

由单片机控制DSP改变响应的改变硬件工作方式时，

控制字并在软件上做出调整。将DSP及单片机的部分引脚引出，以便接受ECU信号、扩展和测试使用。1．4

单片机控制板设计及滤波器硬件实现

通过接插件插在语音编码板上，将单片机的引脚引到语音编码板上，通过编码板实现与DSP及模拟开关的引脚相连。P1口用于控制输入及通讯模式选择；P2口与DSP的前5个数据线及前两个地址线相连，用P0口引出，于与DSP间传输数据；P3口、用于外部扩展、测试。设计的滤波器板用于对采集进来的声波进行抗混叠滤波，以及对AIC10数模变换以后的输出信号进行平滑滤波。

TMS320VC02DSP芯片采用内核电压和I/O电I/O电源电压3．3V，内核1．8V。压分开供电的方式，

采用TI公司的TPS73HD301两路输出电源芯片，一路为3．3V，另一路可通过外部电路匹配输出（1．2～9.75V）。R1阻值122k，R2阻值233k，同时芯片提供两个宽度为200ms的低电压复位脉冲。采用内部振荡电路方式给DSP提供工作时钟。外部晶体为10MHz，DSP复位时钟模式设置引脚CLKMD3～CLK-MD1为100，则复位时DSP的工作频率为100MHz；还可根据需要重新设置CLKMD的值，使DSP的工作频率在10～100MHz之间可调。工作模式MP/MC引脚DSP片内的程序ROM的4k字内容被自动接低电平，

映射在程序空间，随后DSP开始引导装载程序。JTAG接口连接DSP仿真器，实现DSP的实时软件调试，便于对应用DSP的设备进行现场调试及软件的升级，选用SEED－XDSUSB仿真器。JTAG的接口电路如图2所示。

2有源消声控制器软件设计

DSP的软件完成的主要功能为DSP、AIC10和自

适应参数初始化、自适应算法实现。编程工具采用CCS，开发语言为C语言，仿真工具是合众达公司的SEEC－XDSPCI型仿真器。单片机中的程序是对外部信号初步处理，经过多次实验得到的处理后信号与各算法及系统各工作模式的选择关系，采用KeilC51进行编程。2．1

芯片的初始化

系统初始化程序主要有DSP初始化和AIC10初始化。前者包括状态和控制寄存器初始化、工作时钟

图2Fig．2

JTAG接口电路JTAGInterfaceCircuit

设置及McBSP串口初始化等，如图3所示；后者采用软件请求的方式。

1．3音频编码硬件设计

DAC通道部音频编码设计包括ADC通道部分、

分、控制信号部分、外部滤波器接口以及AIC10与DSP时钟连接等部分。

有源消声控制器中，编号为U1的AIC10芯片其模拟信号输入为前馈参考传声器的输出信号，模拟输出为发送给扬声器的次声源信号，它与DSP的通信是使用DSP的串行接口McBSP0；编号为U2的AIC10芯使用的片的模拟输入是反馈误差传声器的输出信号，是DSP的串行接口McBSP1。各工作模式硬件切换由手动完成时，本电路会自动向单片机发出中断信号。具体使用的中断是：前馈通道使用AUR组引脚时，单片机外部中断引脚INT2接低电平；前馈通道使用ININT2外部中断引脚接高电平；反馈通道使组引脚时，

用AUR组引脚时，单片机外部中断引脚INT1接低电INT1接高电平；通信平；反馈通道使用IN组引脚时，

·203·

图3Fig．3

DSP初始化程序框图DSPinitializationblockdiagram

2011年10月2．2

单片机控制程序设计

农机化研究第10期

对单片机的引脚分配情况及控制框架提出了初步P0．2和方案。P0．0和P0．1接收发动机的转速信号，P0．3接收发动机点火提前角信号，中断INT0接收怠速状态信号。单片机程序框架图如图4所示。

图4

Fig．4

单片机程序框架图

MicrocontrollerApplicationFrameworkChart

3模拟实验结果分析

本文做了锡柴6DL1－26E3发动机（缸径×行程

110×135，排量7．7L，增压中冷，排放标准为国II）3个典型工况下（额定功率、最大扭矩点、怠速）排气噪声干涉消声实验。

音箱平行放置，用CoolEditPro2．1软件将发动机3个典型工况时的声波保存为“消声前．wav”文件，并生成与其幅值相等、相位相反的同频率波形，保存为“处理后．wav”文件。在全封闭消声室中，使用漫步者R201T06音箱，分别播放两个wav文件，并进行采集和比较。当播放消声前的波形文件只有一个音箱发出声音时，作为原始的音频信号记录下来；当播放消声后的波形文件时，两个音箱发出的是实时的、等幅反相的波形，其一可看作噪声源，另一个可看作有源消声的次声源，两声源在传播到拾声器过程中会产生声波的反相相消干涉现象

［3］

图5发动机3种典型工况下排气噪声相消干涉实验频域分析图Threetypicaloperatingconditionstheengineexhaustnoise

analysisdiagram

Fig．5

interferenceexperimentrelativetoconsumptionfrequencydomain

4结束语

通过对有源消声控制结构的研究，开发了具有双

CPU结构的有源消声控制器，排气降噪实验取得了较好效果，为有源消声排气降噪的后续研究提供了软硬件平台。参考文献：

［1］陈可安．有源噪声控制［M］．北京：国防工业出版社，

2003．

。

根据消声前后的频域特性图（如图5所示），得到发动机额定功率（2800r/min）和最大扭矩点（1800r/min）时相消干涉消声量平均为15dB，怠速时为20dB。

（下转第235页）

·204·

2011年10月农机化研究第10期

［7］王志．联合收割机可靠性问题的研究［J］．农业机械学

2002，33（2）：44－46．报，

［8］尹朝庆，．北京：中国水尹皓．人工智能与专家系统［M］

2001．利水电出版社，

DevelopmentofaRiceandWheatCombineLectotypeDecision

SupportSystem

GaoHongwei1，HeRuiyin2

（1．CollegeofMechanicalandElectronicEngineering，QingdaoAgriculturalUniversity，Qingdao266109，China；2．CollegeofEngineering，NanjingAgriculturalUniversity，Nanjing210031，China）

Abstract：ThispaperdevelopsDecisionSupportSystem（DSS）ofriceandwheatcombinelectotypebasedontheagri-culturalintelligentsystemPAID4．0．TheDSSiscomposedoffivecomponents，includinguserinterface（personandcomputerdialoguingsystem），intelligentdecisionmodule，databaseanditsmanagementsystem，knowledgebaseanditsmanagementsystemanddata－queryingmodule．Byusingthecomputertechnologyandtheknowledgeandexperienceoftheexperts，thesystemcansuggestusersomericeandwheatcombinemodels（probablymorethanone）thatsatisfiestherequirement，andthencalculatesthesecombines’harvestingunitcosts．Theexampleshowsthattheobtainedsystemcanbeoperatedconvenientlyandthecombinelectotypeiswithhighdependability．Keywords：combine；lectotype；decisionsupportsystem；expertsystem（上接第204页）

［2］陈端石，．关元洪．噪声主动控制研究的发展与动向［J］

2001，20（4）：1－5．应用声学，

［3］张今朝，张今阳．发动机排气噪声有源控制的模拟实验

［J］．农机化研究，2005（5）：176－178．

AbstractID：1003－188X（2011）10－0202－EA

StudyonActiveControlNoiseTechniqueforEngineExhaustNoise

LiWei

（DepartmentofMechanicalandElectronicEngineeringofHenanMechanicalandElectricalEngineeringCollege，Xinxiang453003，China）

Abstract：Engineexhaustnoiseisanimportantsourceoftheenginenoise．Theactivecontrolnoise（ANC）techniquecanoffsetthelimitationsofmuffers，whicheliminatethenoisebyinterferenceofsoundwaveunderthehelpofDigitalSignalProcessingtechnique．ANCtechniquehasbecomeahotspotinnoisereigningregionofengineexhaustinrecentyears．Theapplicationsofactivecontrolnoisetechniqueinreducingtheengineexhaustnoisewillbemainlyresearchedinthispa-per．Finallyexperimentsoninterferencenoiseeliminationtechnologyofsoundwavehavebeencarriedout．Theanalysisresultsindicatedthatinterferencenoiseeliminationtechnologyhasobviouseffectsonnoisereducting．Keywords：ANC；engineexhaustnoise；LMSalgorithm；DSP

·235·