148基于ANC技术的车载主动降噪系统设计基于ANC技术的车载主动降噪系统设计
孟凡姿1张瑜2王铮1关显卓1张超1张东上1
（1吉林建筑科技学院，吉林长春130114；2中国第一汽车股份有限公司，吉林长春130000）
摘要：该设计使用ANC主动降噪技术来实现车载主动降噪。在自适应噪声主动控制理论的基础上，针对汽车驾驶室内的噪声状况，给出一种针对车内噪声的自适应有源噪声控制系统的设计方案，ANC主动降噪技术在汽车原有被动隔音降噪的基础上增加了主动降噪，在车内增加扬声器、ANC主动控制系统等，并把它们分别安置在汽车合适位置，通过安装的装置计算出反波形，进行声音降噪，所以该方案能够适应于任何噪声环境，由于车体各方位都增加了音响，所以各音响也可连接车载音响，在播放音乐时能够实现车内环绕音，增强听音乐时的体验感遥
关键词：主动降噪；ANC；控制系统
近年来，环境噪声污染问题日趋严重，环保部门每年收到数十万件环境噪声投诉案件，占全年环境投诉案件总量的三分之一到二分之一。寝室中，上网产生的声音（包括敲击键盘、点鼠标、音频视频设备等的声音），使得室友难以入睡或者安静学习；吃零食声、轻微的说话声、晾晒衣服滴水声等都会使人在睡觉时感到不适。噪音已经成为影响生活的重要因素。据调查所知，46.8%的噪音是社会生活噪音,34.9
%是交通噪音，11.8%是建筑施工噪音,6.5%是工业噪音。超过46.8%的城市噪音来自社会生活，也就是说，社会生活噪音才是噪音污染最大的“元凶”。
自20世纪80年代以来，国外部分汽车公司及科研院所尝试将主动噪声控制技术引入到车辆领域。近年来，许多国产汽车厂商开始重视车内的声学舒适性，搭建起汽车声学性能试验室，尝试在多款车型中应用ANC系统，以改善产品的NVH性能。ANC技术目前已在风机管道、有源降噪耳机、电力变压器等噪声控制领取得了诸多成功的应用实践，但车内ANC技术目前仍不够成熟，相关理论及实际应用经验仍有待不断完善，在ANC 的控制算法的优化、系统位置布局、控制器设计等研究要点方面均有待更为深入的探索。
1车载ANC技术硬件系统设计
ANC系统按照其控制器输入信号的不同可分为，前馈控制系统和反馈控制系统，不同的控制系统有各自不同的特点：1）前馈控制系统又称开环式噪声控制系统，参考信号与误差信号同时传递到控制装置，经过控制装置的处理，产生一个相应的控制信号，然后通过扬声器产生次声源。前馈控制系统不会引起任何的闭环振荡和啸叫，因此可以独立地调试电路，使降噪的效果达到最佳；
2）反馈控制系统又称闭环式噪声控制系统，它比前馈控制系统少了一个参考传感器。虽然系统上得到了简化，但是应用范围大大缩小。该系统不需要预先得到声音信息，而是通过控制器调整误差信号，
从而降低噪声；
我们采取的是前馈控制系统。根据信号的处理过程，主要可分为参考信号的采集、电压信号的转换、相关信号的放大、抵消信号的输岀、误差信号的获取，将信号在系统中的传递过程绘制成流程图，如图1所示。
建立次级通道传递函数辨识模型。对次级声源至误差传感器的物理通路传递函数进行估计。然后建立自适应控制器模型，可采用FXLMS算法进行自适应控制。采集误差信号和参考信号。由参考信号和滤波器权系数进行卷积运算并输岀次级声源信号，根据估计的物理通路传递函
数和噪声源信号计算经过补偿通路
后的噪声信号（即滤波信号），根据
误差信号及滤波信号更新滤波器的
权系数。再经过信号的处理和放大,
转换后进行信号的输岀。
2A/D转换电路设计
2.1A/D转换芯片的选择
汽车在行驶过程中，室内包含
着大量的声音信号，在对这些声音
产生的弱电信号进行测量时，其中
最为重要的就是高精度的采集。所
以我们选用ADS8364作为控制器
的A/D转换芯片。
ADS8364是一款低能耗、高性
能、6通道同步采样的16位高速并
行接口模数转换器，工作电压+5V,
内置+2.5V基准电压源作为芯片的
参考电压；并设有80dB共模抑制图1信号传递示意图
■•窃tn
的全差分输入通道、6个差分采样放大器以及6个4滋s连续近似的模数转换器，可以最大限度地消除由于温度漂移带来的影响，显著降低系统噪声，提高系统采样分辨率。
汽车漂移
2.2 A/D转换前端运放调理电路的设计
由于噪声信号模拟输入量的变化范围比较大，而ADS8364对采样信号电压的要求在-0.3V-+5.3V之间，为了匹配输入模拟信号与A/D采样所需信号，通常需要在A/D采样电路前端设置调理运放电路，用来平移和缩放采样目标信号，从而使调理后的信号与A/D转换器所需的输入信号电压相匹配。因此选用OP07作为集成运算放大器，并配以合适的电阻使其电压范围满足该芯片对输入电压的要求。图2为ADS8364前端运放调理电路设计原理图
3D/A转换电路设计
3.1D/A转换芯片的选择
因为车内的噪声信号具有转瞬即逝的特点，考虑到如果要对初始噪声信号进行有效抵消时，能够高精
度、快速地建立抵消信号就显得极为重要。所以我们选用PCM56U作为控制器的D/A转换芯片。PCM56U是一款低能耗、4通道16位低噪声高速串行接口的数模转换器，供电电压±5V~±12V，工作温度-25益~+70益
,
《工业控制计算机》2021年第34卷第4期149
图2ADS8364前端运放调理电路原理图
电压建立时间1.5滋S。
3.2D/A转换后置重构滤波电路的设计
从采样定理可知，重构滤波器可以用来滤除模拟输岀信号中高于二分之一采样频率以上的成分，以确保数模转换后的时间信号在频谱上不发生混叠。考虑到主动控制中对噪声信号线性相位的需求，采用集成运算放大器OP07设计了一款重量轻、体积小、兼顾缓冲和电压放大功能的压控低通有源重构滤波器。图3为PCM56U与压控低通有源重构滤波器连接电路设计原理图。
图3PCM56U与重构滤波器连接电路原理图
4权值更新以及误差计算模块
首先进行次级通道建模模块的设计，本文以LMS算法为基础对次级通道建模滤波器采用VSS-LMS算法。考虑到在算法中权值更新需要大量的乘累加运算，导致在模块中反复调用乘法器和加法器会造成代码可读性查、占用资源多，本文将乘法器和加法器封装起来，设计一个用于权值更新的模块。
根据权值更新计算式w(a+1)=w(a)+滋;(a)a(a)，该模块应该包括两个乘法器和一个加法器以完成单个权值的计算，一个锁存器完成上一时刻权值的存储以及初值的确定。
误差计算模块通过例化减法器，使接收到的期望信号和滤波器输岀信号相减得到误差信号，减法器通过Quartus II软件的IP核生成。
5结束语
在完成所有的控制系统的安装之后，对各项系统参数进行模拟试验。在通常情况下试验由专业人员来完成，类似于音响系统的调试。本方案所引用的理论基础理解较为容易，但在现实中进行应用的时候，与理想目标有一定的差距，这不仅取决于控制系统的好坏，还取决于专业人员的经验和对软硬件的操作能力。
通过大量的模拟分析表明，基于ANC技术的车载主动降噪系统对车内噪声的控制和改善是可行的，而且效果显著。在使用ANC控制之后的车内噪声环境得到改善，基本消除了车内低频噪声的峰值，并且解决了车内轰鸣声的问题，能达到10到20dB左右的降噪效果。
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[收稿日期：202125]
(上接第147页)
端3端通过10赘电阻下拉到低，保证其输入为低电平。如图8
该方案运用比较器和NE555两个核心器件就完成了开盖报警的实现，而且应用场合广泛遥方案具备通用性较强的特点，可快速嵌入到工业控制当中，满足客户的需求，保证工业控制现场的安全性。方案为纯硬件设计实现，节约了重新用软件开发的时间，而且可以随时为需要开盖报警的机器实现稳定安装遥
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[收稿日期：202128
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