挖掘机驾驶室结构声和空气声混合主动控制系统及控制方法与流程

1.本发明涉及主动噪声控制领域，具体涉及一种挖掘机驾驶室结构声和空气声混合主动控制系统及控制方法。


背景技术：

2.随着城市化进程的进一步加快，挖掘机等工程机械的需求量也日益增多，同时环保的可持续发展理念深入人心，人们不再只关注于挖掘机的使用性能，而对挖掘机的nvh性能提出了更高的要求。挖掘机工作时发动机振动较大，振动通过发动机悬置传递至车架，再传递至驾驶室。挖掘机驾驶室存在很多薄板结构，在外界激励下容易产生振动，从而辐射出低频结构噪声。此外，挖掘机驾驶室通常距离发动机较近，驾驶室隔声效果较差，发动机噪声未能得到有效的衰减，而传递入驾驶室，驾驶员长期处于高噪声的工作环境下，轻则影响工作效率，重则危害身心健康。
3.为了降低驾驶室的结构声和空气声，通常可以从激励源，激励源传递路径和接受者三个方面入手，激励源即发动机，激励源的传递路径即发动机悬置和车架，接受者即驾驶室的薄壁面板。对于结构声，优化发动机振动、发动机悬置和车架能一定程度上减少传递至驾驶面板的振动，单需重新匹配发动机悬置和设计车架，因此优化周期长，且成本高昂。此外，即使减少了传递至驾驶室的振动，但发动机振动峰值频率与点火阶次和发动机转速相关，在发动机运转过程中，主要阶次的振动峰值频率很容易接近驾驶室面板共振频率，从而引起驾驶室面板的振动，辐射出低频结构声。对于空气声，可通过加强驾驶室密封性，对驾驶室进行声学包设计等措施予以改进，但以上方法不仅设计对挖掘机驾驶室整体结构的更改，因而优化周期长，成本高，且对于发动机低频噪声效果并不明显。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术问题，本发明提供1.一种挖掘机驾驶室结构声和空气声混合主动控制系统，其特征在于，包括功率放大器，以及同时与功率放大器连接的扬声器、作动器和控制器；控制器还通过fir低通滤波器与振动传感器连接，声压传感器也与控制器连接；所述振动传感器、作动器以及扬声器设置在挖掘机驾驶室上，声压传感器设置在挖掘机驾驶室内。
5.在上述的挖掘机驾驶室结构声和空气声混合主动控制系统，系统包含两种模式，可同时对挖掘机驾驶室的结构噪声和控制噪声进行主动控制。
6.在系统辨识模式下，不运转挖掘机发动机，控制器先后输出两个独立的随机信号施加于作动器和扬声器，作动器使驾驶室面板振动，振动信号被振动传感器采集并输入控制器；扬声器产生的声音信号被声压传感器采集并输入控制器。控制器根据输出的作动力和输入的振动信号，得到被控制驾驶室面板的结构声频率；控制器根据输出的噪声信号和输入的噪声信号，得到扬声器与声压传感器之间的脉冲响应函数，该函数将作为控制器在控制模式下，使扬声器发出抵消噪声传递到声压传感器的延时的补偿。
7.在系统控制模式下，运转挖掘机发动机，控制器接收来自传感器的振动信号，输出目标频率的振动信号，经功率放大器后施加于作动器，以抵消驾驶室面包板的振动，从而降低结构声；控制器同时还接收发动机曲轴转角信号，以识别发动机转速，从而得到被控制发动机噪声的频率，控制器输出经过补偿的目标频率的声压信号，经功率放大器后施加于扬声器，以抵消驾驶室内的发动机噪声，从而降低空气声。如此，便实现了挖掘机驾驶室结构声和空气声的混合控制。
8.在上述的挖掘机驾驶室结构声和空气声混合主动控制系统，在系统辨识模式下，控制器可以根据作动器的输出和传感器采集的输入信号计算出驾驶室面板的结构声频率，从而生成目标频率的控制信号。
9.在上述的挖掘机驾驶室结构声和空气声混合主动控制系统，低通滤波器截止频率可调，在获得驾驶室面板的结构声频率后，低通滤波器截止频率设置值将高于驾驶室面板的第一阶结构声频率。
10.在上述的挖掘机驾驶室结构声和空气声混合主动控制系统，挖掘机驾驶室结构声和空气声混合主动控制系统的工作过程为：
11.步骤1、将振动传感器和作动器安装于面板模态振型的反节点位置；将声压传感器安装于驾驶员座椅头枕处。
12.步骤2、将挖掘机发动机关闭，此时驾驶室不受外界振动激励和噪声干扰。控制器为系统辨识模式，控制器输出白噪声，经放大器作用于作动器，作动器激励挖掘机驾驶室面板，使面板产生振动；
13.步骤3、传感器采集面板振动信号，经过fir滤波器后，输入控制器。控制器根据输出的白噪声信号和输入的振动信号计算出挖掘机驾驶面板的结构声频率；第一阶频率即为结构声的目标控制频率；设置使fir低通滤波器的截止频率高于第一阶结构声频率，以尽可只保留第一阶共振频率的振动信息；
14.步骤4、保持挖掘机发动机关闭。控制器停止向作动器输出白噪声控制信号。控制器输出白噪声，经放大器作用于扬声器，扬声器产生的噪声被声压传感器采集并输入控制器。控制器根据输出的白噪声信号和输入的噪声信号计算出扬声器到声压传感器的脉冲响应函数，该函数将作为控制器在控制模式下，使扬声器发出抵消噪声传递到声压传感器的延时的补偿。
15.步骤5、挖掘机发动机开始工作，其振动传递至驾驶室面板，面板振动信号被传感器采集，经过滤波器后，作为控制器的输入，控制器自动计算目标频率的控制信号，经功率放大器作用于作动器，作动器产生反向振动抑制驾驶面板的振动辐射出噪声，从而实现挖掘机驾驶室结构声的控制；其噪声传递至驾驶室内，噪声信号被传声器采集，并输入控制器，控制同时接收发动机曲轴转角信号，从而得到发动机转速，进而得到被控制发动机噪声的频率，控制器自动计算目标频率的控制信号，经功率放大器作用于扬声器发出抵消噪声，抵消传声器所处位置的发动机噪声，从而实现挖掘机驾驶室空气声的控制。
16.本发明提出的挖掘机驾驶室结构声和空气声混合主动控制系统，能够自动识别驾驶室面板的结构声频率。在挖掘机工作过程中，通过传感器采集振动信号和声压信号，控制器根据输入的振动信号和声压信号产生相应的输出，施加于作动器和扬声器，以分别抵消驾驶室面板的振动产生的结构声和发动机传入驾驶室内的空气声，从而实现挖掘机驾驶室
结构声和空气声的混合主动控制。与现有技术相比，本发明提出的挖掘机驾驶室结构声和空气声的混合主动控制系统，无需对挖掘机原有结构进行任何的更改，大大降低了优化周期和优化成本；同时，该系统具有易于实现，噪声控制效果好，成本低等优点，非常适合挖掘机等工程机械的应用。
附图说明
17.图1为本发明挖掘机驾驶室结构声和空气声混合主动控制系统示意图。
18.图2为本发明的结构声控制的系统辨识与主动控制系统框图。
19.图3为本发明的空气声控制的系统辨识与主动控制系统框图。
20.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
21.应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
22.参照图1，本优选实施例中，挖掘机驾驶室结构声和空气声混合主动控制系统，包括振动传感器、声压传感器、fir低通滤波器、控制器、功率放大器、作动器和扬声器。
23.挖掘机驾驶室结构声和空气声混合主动控制系统，其工作过程为：
24.(1)将振动传感器和作动器安装于面板模态振型的反节点位置；将声压传感器安装于驾驶员座椅头枕处。
25.(2)将挖掘机发动机关闭，此时驾驶室不受外界振动激励和噪声干扰。控制器进行结构声主动控制模块的系统辨识，结构声控制和系统辨识原理框图如图2所示。控制器输出带宽为1024hz的白噪声信号v
a
，经放大器作用于作动器，作动器激励挖掘机驾驶室面板，使面板产生振动信号v
s
；
26.(3)传感器采集面板振动信号，经过fir滤波器后(此时fir滤波器截止频率设置为1024hz)，输入控制器。控制器对输出的白噪声信号v
a
和输入振动信号v
s
进行快速傅里叶变换，并计算v
s
/v
a
，将其计算结果输出曲线，曲线第一个峰值对应的频率f即为第一阶结构声频率。
27.(4)保持挖掘机发动机关闭。控制器停止向作动器输出白噪声控制信号。控制器进行空气声主动控制模块的系统辨识，空气声控制和系统辨识原理框图如图3所示。控制器输出带宽为1024hz的白噪声，经放大器作用于扬声器，扬声器产生的噪声被声压传感器采集并输入控制器。控制器自动根据输出的白噪声信号和输入的噪声信号计算出扬声器到声压传感器的脉冲响应函数h
s
，h
s
将作为控制器在控制模式下，使扬声器发出抵消噪声传递到声压传感器的延时的补偿。
28.(5)挖掘机发动机开始工作，其振动传递至驾驶室面板，面板振动信号v
s
被传感器采集，经过滤波器(此时滤波器截止频率设置值应大于f)后，作为控制器的输入，此时控制器中结构声控制模块的传递函数为：其中g为放大系数，ζ为阻尼比。控制器按照目标频率f自动计算并输出结构声控制信号，经功率放大器作用于作动器，作动器产生反向振动抑制驾驶面板的振动辐射出噪声，从而实现挖掘机驾驶室结构声
的控制；发动机噪声传递至驾驶室内，噪声信号被传声器采集，并输入控制器，控制同时接收发动机曲轴转角信号，从而得到发动机转速n，进而得到被控制发动机噪声的频率f0，f0与的n的关系为：其中i为发动机气缸数。控制器按照目标频率f0自动计算并输出空气声控制信号，经功率放大器作用于扬声器发出抵消噪声，抵消传声器所处位置的发动机噪声，从而实现挖掘机驾驶室空气声的控制。
29.以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。