提高发动机排气噪声有源控制中误差通道辨识精度的仿真研究
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第１１卷第１期 ２０１２年３月 南通航运职业技术学院学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＮＡＮＴＯＮＧ ＶＯＣＡＴＩＯＮＡＬ＆ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＳＨＩＰＰＩＮＧ ＣＯＬＬＥＧＥ Ｖｏ１．１１ Ｎｏ．１ Ｍａｔ＂．２Ｏ１２
ｄｏｉ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１６７１—９８９１．２０１２．０１．０１６
提高发动机排气噪声有源控制中
误差通道辨识精度的仿真研究
陈松 ，王爱国 ，孙旭。
（１．南通航运职业技术学院交通工程系，江苏南通２２６０１０；２．南通出入境检验检疫局，江苏南通２２６０１０）
摘要：文章通过给误差通道的输入端外加伪随机信号序列，实现在线辨识该通道，来＂ｆ￣＂ｂＹ－Ｆｉｌｔｅｒｅｄ—ＸＬＭＳ算法快 速收敛。通过分析并利用ＭＡＴＬＡＢ建立了仿真模型，由仿真结果与ＳＹ１５６ＦＭ型摩托车发动机采集的数据对比分析发 现，该方法具有收敛速度快，实时性强，能够起到很好的辨识效果，从而使整个系统取得了很好的降噪效果。 关键词：发动机排气噪声；系统辨识；误差通道；ＦｉｌｔｅｒｅｄＸＬＭＳ算法；ＭＡＴＬＡＢ 中图分类号：ＴＫ４１１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１．９８９１（２０１２｝０１．００５３—０４
０ 引言
针对无源消声器在进行低频噪声治理时存在内部结构相对复杂、外形尺寸大、气流阻力大、无法随发动
机工况变化进行实时调节而导致降噪效果较差的缺点，可以采用有源消声器来治理发动机排气低频噪声，克
服无源消声器所存在的以上问题，并可降低发动机的排气背压，提高发动机的燃油经济性和动力性。在发动
机的排气噪声有源控制中，采用较多为Ｆｉｌｔｅｒｅｄ．ＸＬＭＳ算法，该算法需已知误差通道的传递函数，即从次级声
源的输入端至误差传感器输出端之间的声学通道的传递函数。从次级声源的输入端至误差传感器的输出端
问的通道，称为误差通道，又称为次级声路径。在次级通道的辨识过程中，通常采用离线方法预先确定次级
通道模型，在控制的过程中保持不变。ｎ 由于系统工作条件的改变、次级声源和传感器参数变化等因素都
对次级通道产生影响，故实际系统的次级通道经常是随时间变化的，从而真实的次级通道模型与一开始辨识
的模型之间存在辨识误差。如误差较大时则会导致系统不稳定，从而限制了自适应算法的应用。【３ 发动机
排气系统中，由于温度、气流流速等因素是时变的，同时由于该系统中次级通道存在较大的不确定性问题。
针对这种情况，本文将一伪随机信号序列同时地输出给误差通道的输入端，对该通道进行在线辨识，等自适
应辨识滤波器收敛之后，误差通道频率响应的数字表现形式即为它的各权函数，辅助滤波器在线“拷贝”这
些系数，保证自适应滤波器按Ｆｉｌｔｅｒｅｄ－－ＸＬＭＳ算法收敛，最后通过仿真结果与ＳＹ１５６ＦＭ型摩托车发动机采
集的数据对比分析来验证该方法的有效性。
１ 在线自适应辨识原理分析及仿真模型建立
１．１在线自适应辨识原理分析
由于存在的各声学通道可能会引起控制系统的不稳定，噪声的有源控制不能直接应用于基于ＬＭＳ算法
的自适应滤波器。针对由于声学通道的存在造成的各信号间幅频、相频特性的不匹配，采用改进的Ｆｉｌｔｅｒｅｄ．
ＸＬＭＳ算法进行补偿，从而能保证控制系统的收敛。应用Ｆｉｋｅｒｅｄ．ＸＬＭＳ算法的难点在于它需要知道误差通
道的传递函数，故在排气噪声有源控制的系统中应对此通道进行辨识。 实际上ＬＭＳ算法是通过不断修正
权函数ｗ的值来逼近主通道的传递函数。故只需在整个自适应滤波系统中再加一个辅助自适应滤波器，用
于对误差通道传递函数进行滤波，Ｆｉｌｔｅｒｅｄ－－ＸＬＭＳ有源消声系统中的误差通道在线辨识的具体系统框图如
图１所示。
收稿日期：２０１１—１２—１９ 作者简介：陈松（１９８１一），男，江苏南通人，南通航运职业技术学院交通工程系讲师，硕士。
南通航运职业技术学院学报
图１ Ｆｉｌｔｅｒｅｄ一×ＬＭＳ有源消声系统中的误差通道在线辨识 图中Ｈ 表示误差通道的频响特性，控制系统的核心为自适应滤波器１。系统工作时，信号序列ｃｋ由自适
应滤波器１输出到误差通道的输入端，驱动次级源的工作。外加的一伪随机信号序列输出给误差通道的输
入端，以实现对该通道在线辨识。待自适应辨识滤波器收敛之后，它的各权函数就是误差通道频率响应的数
字表现形式，辅助滤波器疗２在线“拷贝”这些系数，来保证自适应滤波器按Ｆｉｌｔｅｒｅｄ－－ＸＬＭＳ算法收敛。在图
１中，自适应滤波器的权系数向量为Ｂｋ，输入的伪随机信号为ｓｋ，滤波器的输出信号为ｃ ，在该滤波器中，由于
误差信号与输入信号间没有受到任何声学通道的影响，故可直接采用ＬＭＳ算法来确定其权系数的收敛方
式。权系数收敛的具体算法如式（１）．（４）所示，式中“ 表示卷积：
Ｂｋ＋１＝Ｂｋ＋ ｅ ｋＳｋ （１）
ｅｎ， ＝ｍ 一 （２）
ｍｋ＝ ＋（ ＋ｓ ） （３）
Ｂｋ＋１＝Ｂｋ＋ ＋（ｆ ＋ ） 一夕 ＝ＪＥ｝ ＋ 一夕 ＋ ＋ｃｋ＊Ｈｅ］ｓ （４）
１．２在线自适应辨识仿真模型建立
在建立自适应有源控制仿真模型之前，需要确定各声学路径的传递函数。根据Ｄａｖｉｄ Ｈ Ｃ和Ｒｏｂｅ￣Ｗ
Ｓ提出的有源消声的仿真系统，主噪声路径传递函数及次级声路径的传递函数分别如式（５）、（６）所示。御
Ｈ３（ｚ）＝Ｏ．０５—０．Ｏ０１ｘ一 ＋０．００１ｚ一。＋Ｏ．＆一。＋Ｏ．６ 一
－０．２ 一 一０．５ 一 一０．１ｚ一 ＋Ｏ．４ｚ一８－０．Ｏ０５ｚ一９ （５）
ｊ： （ ）：０．００５—０．Ｏｌｚ ＋０．９５ －２＋０．Ｏｌｚ＿’一０．９ ．４ （６）
用ＭＡＴＬＡＢ语言建立仿真控制模型如图２所示。
图２
仿真控制模型图 第ｌ期 陈松，王爱国，孙旭：提高发动机排气噪声有源控制中误差通道辨识精度的仿真研究 ５５
２ 参考信号与噪声源声信号采集
在发动机的有源控制中，常用振动信号作为参考信号，故笔者在录取噪声信号时，也同步录取了发动机
上某点的振动信号来研究发动机排气噪声在如上所构建的仿真模型下所取得的消声效果。旧
（１）实验说明。整个实验系统的构成如图３所示。采用ＳＹ１５６ＦＭ型摩托车发动机，在发动机的排气管
末端（未加消声器），放置一个声传感器。该传感器与声级计相连，声级计的信号由数据线输出至磁带机。加
速度传感器置于发动机油底壳上，振动信号通过数据线，通过电荷放大器放大，输出至磁带机，用磁带录取这
两个信号。处理数据时，可通过Ａ／Ｄ转换板和数据处理软件ＣＲＡＳ，将磁带中的数据采集到计算机中。
图３ 噪声及振动信号采集实验装置图 （２）实验仪器。ＳＹ１５６ＦＭ型摩托车发动机，磁带记录仪，加速度传感器，精密声级计，电荷放大器，４８６微
机和Ａ／Ｄ卡，示波器，信号采集与分析软件。
（３）实验中仪器的相关读数。在实验中，纪录加速度传感器的灵敏度，电荷放大器的档位，声级计读数及
衰减的档位，两个通道的磁带机衰减系数等，以便计算换算系数。
（４）数据的处理。将磁带中的数据经Ａ／Ｄ转换板和ＣＲＡＳ进行采样。由于发动机的频率范围较宽，最高
可达几千赫兹，故将采样的频率设为１２ ８００Ｈｚ。所采集的信号需进行去均值化，来消除直流分量。
３在线辨识系统仿真分析
图２为发动机有源控制系统的仿真模型，用于辨识的Ｍ序列信号的幅值分别为０．１，０．１５，数据的长度取
为采样的次数。发动机的噪声信号为参考信号，经３阶低通滤波器，自适应滤波器阶数为１３阶，辅助滤波器
阶数为５阶，截止频率系数为０－２。自适应滤波器的收敛因子为０．０５／ｅｘｘｈ，辅助滤波器收敛因子为０．０３／
ｅｘｘｉｉ１，ｅｘｘｈ、ｅｘｘｍ分别如式（７）、（８）所示，其中ｈ，ｍ分别为主滤波和辅助滤波器的阶数。 ｈ ｅｘ：ｃｈ＝ Ｅ『Ｘ （『）］ （７） …
ｍ ￡船 ＝ Ｅ『Ｍｚ（『）］ （８） 一
图４—７仿真结果表明自适应滤波器可起到较好的辨识结果，可使整个系统快速收敛。从图５，７中可以看
出发动机的噪声在某些频率有峰值，控制后峰值的功率很明显下降，尤其在０－５００Ｈｚ低频段尤为明显。
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图５控制前后频域上的降噪量曲线图（Ｍ＝０．１）
南通航运职业技术学院学报 ２０１２年
∞ ２０
Ｏ ２。
图６控制前后的时域上的声压信号曲线图（Ｍ＝０．１５） 图７控制前后频域上的降噪量曲线图（Ｍ＝０．１５） ４ 结束语
通过理论分析与仿真研究表明，采用外加一伪随机信号的在线辨识法来提高发动机排气有源消声系统
误差通道辨识精度的方法具有收敛速度快，实时性强，可以提高次级通道的辨识精度，从而使整个系统取得
了很好的降噪效果。
参考文献：
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Ａ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ Ｅｒｒｏｒ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ
Ａｃｃｕｒａｃｙ ｉｎ Ａｃｔｉｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅ Ｅｘｈａｕｓｔ Ｎｏｉｓｅ
ＣＨＥＮ Ｓｏｎｇ ，ＷＡＮＧ Ａｉ—ｇｕｏ２，ＳＵＮ Ｘｕ‘
（１．Ｄｅｐｔ．ｏｆＴｒａｆｆｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｔｏｎｇ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ＆Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｓｈｉｐｐｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｎａｎｔｏｎｇ ２２６０１０，Ｃｈｉｎａ；
２．ＮａｎＴｏｎｇ Ｅｎｔｒｙ－Ｅｘｉｔ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｑｕａｒａｎｔｉｎｅ Ｂｕｒｅａｕ，Ｎａｎｔｏｎｇ ２２６０１０，Ｃｈｉｎａ）
