一种列车主动降噪系统及方法与流程

本发明涉及轨道交通技术领域，尤其是涉及一种应用于列车的主动降噪系统及方法，能够实现列车主动降噪，有效地避免投入过量的隔音材料。

背景技术：

列车在行进过程中，车厢内的声音在对乘客的乘坐舒适度和司机的驾控体验方面的影响起着非常重要的作用。列车的主要声源可分为三个主要方面：动力系统噪声、机械噪声源和气动噪声。声源的具体来源包括轮轨滚动噪声、冲击噪声、摩擦噪声、牵引电机、通风机和压缩机等设备的噪声，以及列车头部、转向架、受电弓等部位引起的气动噪声等。有大量资料表明，当列车运行于300km/h速度下时，列车的主要噪声源在轮轨处，在受电弓处也比较突出，但与轮轨噪声相比受电弓处的噪声提供了较少的噪声能量。因此，为了提高旅客和司机的乘坐舒适度，车厢内部的噪声问题亟待解决。

在现有技术中，列车的降噪措施主要集中体现在以下几个方面：

（1）首先，在轨道结构设计上采用重型、无缝化钢轨以及较大半径曲线线路；

（2）其次，在车辆上采用隔音、吸音材料，改善车体结构以及采用新型减震器；

（3）最后，在传递接收方面采用铺设吸声桥面、路面和天棚等措施达到降低列车噪音的目的。

在轨道交通领域，对于列车车体内部地降噪处理，现有技术主要采用的是通过在列车车体上大量使用塑料、泡沫、硅橡胶或其它材料来达到降噪的目的。为了满足对日益提高的噪声控制水平要求，需要将更多的降噪材料安装在车体内，但是过多的在列车车体上使用隔音材料在降低车体内部噪声的同时也大大提高了车体的自身重量和制造成本。同时，列车在行进过程中，虽然当今车体内采用的隔音吸音降噪材料对高频噪声具有较好的降噪效果，并可以消除大部分的高频噪声，但是对于轮轨震动、气动噪声及牵引噪声等低频噪声仍然没有较好消除和处理方法，这些噪声大大影响了乘客和司机的乘坐体验。

因此，如何在现有列车降噪设计的基础上降低车厢内噪声的水平是当前亟待研究和解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种列车主动降噪系统及方法，能够有效避免因投入过量的隔音材料而增加车体的自身重量和制造成本，并通过主动降噪方式对列车车体内部进行降噪。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种列车主动降噪系统的技术实现方案，一种列车主动降噪系统，包括：噪声采集单元、噪声处理单元、麦克风、扬声器和MVB总线。所述噪声采集单元安装在列车的车体内，用于采集所述车体内的噪声信号。所述噪声采集单元连接所述麦克风，并将采集到的噪声信号通过所述MVB总线传输至所述噪声处理单元。所述噪声处理单元对所述噪声采集单元采集到的噪声信号进行分析和处理，产生频率、幅值与所述噪声信号相等，相位相反的抵消声波信号，并控制安装在所述列车车体内的扬声器产生反向声波以降低或抵消所述车体内的噪声。

优选的，所述系统还包括中央控制单元和WTB总线，所述噪声采集单元将所述麦克风采集到的噪声信号通过所述MVB总线传输至所述中央控制单元，再经由所述WTB总线实现噪声数据的列车级传输和汇总存储。

优选的，所述列车包括车厢，所述麦克风布置在所述车厢内的两端连接处、所述车厢内的顶部，以及所述车厢的地板上。位于所述车厢内的两端连接处的麦克风用于采集所述车厢之间摩擦产生的噪声信号。位于所述车厢地板的麦克风用于采集轮轨震动产生的噪声信号。位于车厢内顶部的麦克风用于采集列车行进过程中由于机械震动传输至所述车厢内的噪声信号。所述噪声采集单元连接布置在所述车厢各处的麦克风，所述麦克风采集到的噪声信号由所述噪声采集单元经所述MVB总线传输至所述噪声处理单元，所述噪声处理单元控制布置在所述车厢内的扬声器产生反向声波，该节车厢的噪声数据经由所述WTB总线实现列车级传输和汇总存储。

优选的，所述列车包括驾控室，所述麦克风布置在所述驾控室内座椅的后背上，用于采集司机座位区域的噪声信号。

优选的，所述扬声器布置在所述座椅的前上方50°～70°位置，所述列车主动降噪系统开始工作后，所述噪声采集单元通过所述麦克风实时采集来自于所述座椅附近的噪声信号，经过小波降噪和频谱分析后控制并驱动位于所述座椅前上方的扬声器产生反向声波以降低司机座椅区域的噪声分贝值。

优选的，所述噪声处理单元进一步包括降噪单元、频谱分析单元和控制单元，所述噪声采集单元通过所述麦克风实时采集车体内的噪声信号，噪声信号经所述降噪单元进行小波变换处理之后消除不规则的高频噪声信号，所述频谱分析单元对所述降噪单元输出的信号进行频谱分析获取噪声信号的信息属性，通过所述频谱分析单元将噪声信号的频谱信息参数传输至所述控制单元，再由所述控制单元根据频谱信息参数的不同控制所述扬声器不同的发声状态，使得所述扬声器发出的反向声波与车体内的噪声进行叠加，叠加之后的声音信息继续进入所述列车主动降噪系统进行处理，直到达到车体内的噪声水平达到最低状态。

优选的，所述列车行进过程中产生的高频、低频噪声信号经车体上的吸音降噪材料衰减大部分的高频噪声信号，剩余夹杂有少量高频噪声信号的低频噪声信号经过所述降噪单元进行小波变换降噪处理，剔除高频噪声信号后剩余低频噪声信号。剩余低频噪声信号再通过所述频谱分析单元进行频谱分析在一系列基本正弦信号和/或余弦信号中识别出振幅达到一定幅值的噪声频率信号，进而再由所述控制单元控制并通过驱动单元驱动所述扬声器产生与振幅达到一定幅值的噪声频率信号相位相反的反向声波，通过所述反向声波的叠加降低该区域的噪声水平。

本发明还另外具体提供了一种基于上述系统的列车主动降噪方法的技术实现方案，一种列车主动降噪方法，包括以下步骤：

A）噪声采集单元通过麦克风采集所述列车车体内的噪声信号；

B）所述噪声采集单元将所述麦克风采集到的噪声信号通过MVB总线传输至噪声处理单元；

C）所述噪声处理单元对采集到的噪声信号进行分析和处理，产生频率、幅值与所述噪声信号相等，相位相反的抵消声波信号，并控制安装在所述列车车体内的扬声器产生反向声波以降低或抵消所述车体内的噪声。

优选的，所述方法还包括以下步骤：

所述噪声采集单元将所述麦克风采集到的噪声信号通过所述MVB总线传输至中央控制单元，再经由WTB总线实现噪声数据的列车级传输和汇总存储。

优选的，所述方法还包括：

在所述列车的车厢内的两端连接处、所述车厢内的顶部，以及所述车厢的地板上布置所述麦克风；

位于所述车厢内的两端连接处的麦克风用于采集所述车厢之间摩擦产生的噪声信号；

位于所述车厢地板的麦克风用于采集轮轨震动产生的噪声信号；

位于车厢内顶部的麦克风用于采集列车行进过程中由于机械震动传输至所述车厢内的噪声信号；

所述噪声采集单元连接布置在所述车厢各处的麦克风，所述麦克风采集到的噪声信号由所述噪声采集单元经所述MVB总线传输至所述噪声处理单元，所述噪声处理单元控制布置在所述车厢内的扬声器产生反向声波，该节车厢的噪声数据经由所述WTB总线实现列车级传输和汇总存储。

优选的，所述方法还包括：

在所述列车的驾控室内座椅的后背上布置所述麦克风，用于采集司机座位区域的噪声信号。

优选的，所述扬声器布置在所述座椅的前上方50°～70°位置，当所述列车主动降噪系统开始工作后，所述噪声采集单元通过所述麦克风实时采集来自于所述座椅附近的噪声信号，经过小波降噪和频谱分析后控制并驱动位于所述座椅前上方的扬声器产生反向声波以降低司机座椅区域的噪声分贝值。

优选的，所述步骤C）进一步包括以下过程：

C1）所述噪声采集单元通过所述麦克风实时采集车体内的噪声信号，噪声信号经过小波变换降噪处理之后消除不规则的高频噪声信号；

C2）对经过降噪处理后的噪声信号进行频谱分析获取噪声信号包括的频谱信息参数在内的信息属性；

C3）根据频谱信息参数的不同控制所述扬声器不同的发声状态，使得所述扬声器发出的反向声波与车体内的噪声进行叠加，叠加之后的声音信息继续进入所述列车主动降噪系统进行处理，直到达到车体内的噪声水平达到最低状态。

优选的，所述列车在行进过程中产生的高频、低频噪声信号经车体上的吸音降噪材料衰减大部分的高频噪声信号，剩余夹杂有少量高频噪声信号的低频噪声信号经过小波变换降噪处理，剔除高频噪声信号后剩余低频噪声信号。剩余低频噪声信号再通过频谱分析在一系列基本正弦信号和/或余弦信号中识别出振幅达到一定幅值的噪声频率信号，进而控制并驱动所述扬声器产生与振幅达到一定幅值的噪声频率信号相位相反的反向声波，通过所述反向声波的叠加降低该区域的噪声水平。

通过实施上述本发明提供的列车主动降噪系统及方法，具有如下有益效果：

（1）本发明降低了对车载吸音降噪材料增加的要求，仅通过增加少量设备就能大幅降低车厢内噪声，在提高噪声控制水平的同时降低了车载吸音降噪材料的使用，大幅降低了车体重量及制造成本；

（2）本发明依托于现有列车的结构，仅需增加少量的车载设备就能完成主动降噪技术在列车上的覆盖，列车核心的噪声处理算法由软件实现，对硬件成本要求较低，能够实现更加灵活的覆盖和更加低廉的成本；

（3）本发明应用于列车主动降噪领域，也可以应用于矿车、公交车和制造车间等各种对现场噪声要求较高的行业，在产生巨大经济效益的同时，能够更加充分地发挥密封大区域主动降噪技术的辐射覆盖作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

图1是本发明列车主动降噪系统一种具体实施例的系统结构框图；

图2是本发明列车主动降噪系统一种具体实施例在车厢内的安装结构示意图；

图3是本发明列车主动降噪系统一种具体实施例在驾控室内的安装结构示意图；

图4是本发明列车主动降噪系统一种具体实施例中噪声处理单元的结构原理框图；

图中：1-噪声采集单元，2-噪声处理单元，3-麦克风，4-扬声器，5-中央控制单元，6- MVB总线，7-WTB总线，8-驱动单元，9-座椅，10-列车，11-降噪单元，12-频谱分析单元，13-控制单元，14-后背，20-车厢，30-驾控室。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：

MVB：Multifunction Vehicle Bus，多功能列车总线，是一种主要用于对有互操作性和互换性要求的互连设备之间的串行数据通信总线；

WTB：Wired Train Bus，绞线式列车总线；

CCU：Central Control Unit，中央控制单元。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1至附图4所示，给出了本发明列车主动降噪系统及方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如附图1所示，一种列车主动降噪系统的具体实施例，包括：噪声采集单元1、噪声处理单元2、麦克风3、扬声器4和MVB总线6。若干个麦克风3安装在列车10的车体内，用于采集车体内的噪声信号，麦克风3进一步采用拾音麦克风。噪声采集单元1将麦克风3采集到的噪声信号通过MVB总线6传输至噪声处理单元2。噪声处理单元2对采集到的噪声信号进行分析和处理，产生频率、幅值与噪声信号相等，相位相反的抵消声波信号，并控制安装在列车10车体内的扬声器4产生反向声波以降低或抵消车体内的噪声。

系统还进一步包括中央控制单元5和WTB总线7，噪声采集单元1将麦克风3采集到的噪声信号通过MVB总线6传输至中央控制单元5，再经由WTB总线7实现噪声数据的列车级传输和汇总存储，以为后续的列车噪声研究及降噪材料的使用提供数据支撑。

列车10进一步包括车厢20，麦克风3进一步布置在车厢20内的两端连接处、车厢20内的顶部，以及车厢20的地板上，如附图2所示。其中，位于车厢20内的两端连接处的麦克风3用于采集车厢20之间摩擦产生的噪声信号。位于车厢20地板的麦克风3用于采集轮轨震动产生的噪声信号。位于车厢20内顶部的麦克风3用于采集列车10行进过程中由于机械震动传输至车厢20内的噪声信号。噪声采集单元1连接布置在车厢20各处的麦克风3，麦克风3采集到的噪声信号由噪声采集单元1经MVB总线6传输至噪声处理单元2。噪声处理单元2控制并经驱动单元8驱动布置在车厢20内的扬声器4产生反向声波，该节车厢20的噪声数据经由WTB总线7实现列车级的数据传输和汇总存储。列车主动降噪系统的扬声器4可以依赖车厢20内部现有的音响设备。

列车10进一步包括驾控室30，为了给司机营造一个安静的驾驶环境，车头车厢只对两端的驾控室30进行局部主动降噪。司机驾控室30内存在的噪声相对复杂，受电弓、轮轨、气动和牵引等都是列车10在行进过程中的噪声源。为了提高司机的驾控体验，需要在驾控室30内创造一个局部安静的区域。在驾控室30内，两个麦克风3进一步布置驾控室30内司机座椅9的后背14上，用于采集司机座位区域的噪声信号。如附图3所示，扬声器4进一步布置在座椅9（具体为噪声作用于司机人耳的位置）的前上方60°位置（如附图中角度α所示，50°～70°范围均可），列车主动降噪系统开始工作后，噪声采集单元1通过麦克风3实时采集来自于座椅9附近的噪声信号，经过小波降噪和频谱分析后控制并驱动位于座椅9前上方的扬声器4产生反向声波以降低司机座椅区域（如附图3中区域A所示）的噪声分贝值。

如附图4所示，噪声处理单元2进一步包括对噪声信号进行预处理的降噪单元11、对噪声信号进行频谱分析的频谱分析单元12，以及实现降噪控制的控制单元13。噪声采集单元1通过麦克风3实时采集车体内的噪声信号，噪声信号经降噪单元11进行一次小波变换处理之后消除不规则的高频噪声信号，频谱分析单元12对降噪单元11输出的信号进行频谱分析获取噪声信号的信息属性，通过频谱分析单元12将噪声信号的频谱信息参数传输至控制单元13，再由控制单元13的扬声器驱动程序根据频谱信息参数的不同控制并通过驱动单元8（附图中未示出）驱动扬声器4工作于不同的发声状态，使得扬声器4发出的反向声波与车体内的噪声进行叠加，叠加之后的声音信息继续进入列车主动降噪系统进行处理，直到达到车体内的噪声水平达到最低状态。在本发明具体实施例的技术方案中，对噪声数据进行预处理的方法以小波降噪为例进行介绍说明，对噪声数据进行预处理的方法也可以采用其它降噪方法实现。此外，在具体实施例的技术方案中，对噪声进行分析使用的是频谱分析方法来达到区分识别车厢20内的高能量噪声信号部分的目的，也可以使用信号处理中常见的时域分析、频域分析等方法来实现噪声识别分析的目的。

列车10在行进过程中产生的高频、低频噪声信号经车体上的吸音降噪材料衰减大部分的高频噪声信号，剩余夹杂有少量高频噪声信号的低频噪声信号经过降噪单元11进行小波变换降噪处理，剔除高频噪声信号后剩余低频噪声信号。剩余低频噪声信号再通过频谱分析单元12进行频谱分析在一系列基本正弦信号和/或余弦信号中识别出振幅达到一定幅值的噪声频率信号，进而再由控制单元13控制并通过驱动单元8驱动扬声器4产生与振幅达到一定幅值的噪声频率信号相位相反的反向声波，通过反向声波的叠加降低该区域的噪声水平。

实施例1给出了一种列车主动降噪系统的详细技术方案，该系统通过将由麦克风3采集到的噪声声源信号通过噪声采集单元1输入至高速处理芯片（即噪声处理单元2），经过对噪声信号源的频谱分析，控制驱动单元8驱动扬声器4产生频率、幅值相等，相位相差180度的抵消声波信号。列车10车体内的噪声信号与控制单元13通过驱动单元8驱动扬声器4发出的幅值相等、相位相差180度的信号叠加和抵消之后能够有效地降低车体内的噪声信号分贝值。

实施例2

一种列车主动降噪方法的具体实施例，包括以下步骤：

A）噪声采集单元1通过麦克风3采集列车10车体内的噪声信号；

B）噪声采集单元1将麦克风3采集到的噪声信号通过MVB总线6传输至噪声处理单元2；

C）噪声处理单元2对采集到的噪声信号进行分析和处理，产生频率、幅值与噪声信号相等，相位相反的抵消声波信号，并控制安装在列车10车体内的扬声器4产生反向声波以降低或抵消车体内的噪声。

列车主动降噪方法还包括以下步骤：

噪声采集单元1将麦克风3采集到的噪声信号通过MVB总线6传输至中央控制单元5，再经由WTB总线7实现噪声数据的列车级传输和汇总存储。

列车主动降噪方法还包括：

在列车10的车厢20内的两端连接处、车厢20内的顶部，以及车厢20的地板上布置麦克风3；

位于车厢20内的两端连接处的麦克风3用于采集车厢20之间摩擦产生的噪声信号；

位于车厢20地板的麦克风3用于采集轮轨震动产生的噪声信号；

位于车厢20内顶部的麦克风3用于采集列车10行进过程中由于机械震动传输至车厢20内的噪声信号；

噪声采集单元1连接布置在车厢20各处的麦克风3，采集到的噪声信号由噪声采集单元1经MVB总线6传输至噪声处理单元2，噪声处理单元2控制布置在车厢20内的扬声器4产生反向声波，该节车厢20的噪声数据经由WTB总线7实现列车级传输和汇总存储。

列车主动降噪方法还包括：

在列车10的驾控室30内座椅9的后背14上布置麦克风3，用于采集司机座位区域的噪声信号。

作为本发明一种较佳的具体实施例，扬声器4进一步布置在座椅8的前上方60°（50°～70°范围均可）位置，当列车主动降噪系统开始工作后，噪声采集单元1通过麦克风3实时采集来自于座椅9附近的噪声信号，经过小波降噪和频谱分析后控制并驱动位于座椅8前上方的扬声器4产生反向声波以降低司机座椅区域的噪声分贝值。

步骤C）进一步包括以下过程：

C1）噪声采集单元1通过麦克风3实时采集车体内的噪声信号，噪声信号经过小波变换降噪处理之后消除不规则的高频噪声信号；

C2）对经过降噪处理后的噪声信号进行频谱分析获取噪声信号包括的频谱信息参数在内的信息属性；

C3）根据频谱信息参数的不同控制扬声器4不同的发声状态，使得扬声器4发出的反向声波与车体内的噪声进行叠加，叠加之后的声音信息继续进入列车主动降噪系统进行处理，直到达到车体内的噪声水平达到最低状态。

列车10在行进过程中产生的高频、低频噪声信号经车体上的吸音降噪材料衰减大部分的高频噪声信号，剩余夹杂有少量高频噪声信号的低频噪声信号经过小波变换降噪处理，剔除高频噪声信号后剩余低频噪声信号。剩余低频噪声信号再通过频谱分析在一系列基本正弦信号和/或余弦信号中识别出振幅达到一定幅值的噪声频率信号，进而控制并驱动扬声器4产生与振幅达到一定幅值的噪声频率信号相位相反的反向声波，通过反向声波的叠加降低该区域的噪声水平。

本发明具体实施例描述的列车主动降噪系统及方法通过在列车上应用基于反向声波叠加降噪的主动降噪技术，能够大大降低列车车体内的低频震动噪声。本发明具体实施例对噪声信号数据预处理采用小波降噪。列车在行进过程中产生的高频、低频噪声经车上的吸音降噪材料可以衰减很大部分的高频噪声，剩余夹杂有少量高频噪声信号的低频噪声信号经过小波降噪剔除高频部分之后剩余的基本都是低频噪声，以便后续的噪声分析及反向声波的生成。本发明具体实施例采用频谱分析方法对车体内的噪声信号进行分析，在看似杂乱的车厢噪声信号中，通过频谱分析在一系列基本的正（余）弦信号中找出振幅较大的噪声频率信号，进而通过控制单元控制，并通过驱动单元驱动扬声器产生与该能量较大的噪声信号相反的反相声波信号，通过反向声波的叠加降低该区域的噪声水平。

通过实施本发明具体实施例描述的列车主动降噪系统及方法的技术方案，能够产生如下技术效果：

（1）本发明具体实施例描述的列车主动降噪系统及方法降低了对车载吸音降噪材料增加的要求，仅通过增加少量设备就能大幅降低车厢内噪声，在提高噪声控制水平的同时降低了车载吸音降噪材料的使用，大幅降低了车体重量及制造成本；

（2）本发明具体实施例描述的列车主动降噪系统及方法依托于现有列车的结构，仅需增加少量的车载设备就能完成主动降噪技术在列车上的覆盖，列车核心的噪声处理算法由软件实现，对硬件成本要求较低，能够实现更加灵活的覆盖和更加低廉的成本；

（3）本发明具体实施例描述的列车主动降噪系统及方法应用于列车主动降噪领域，也可以应用于矿车、公交车和制造车间等各种对现场噪声要求较高的行业，在产生巨大经济效益的同时，能够更加充分地发挥密封大区域主动降噪技术的辐射覆盖作用。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。