一种用于汽车排气系统的主动噪声控制系统及其控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于汽车排气系统的主动噪声控制系统，包括连接在所述汽车的发动机上的排气管、连接在所述发动机和所述排气管的尾管之间的三元催化器及与所述发动机和所述尾管均相连的控制系统，所述主动噪声控制系统还包括连接在所述三元催化器和所述尾管之间的主动消声器，所述主动消声器具有振动板，所述控制系统输出的控制信号传输至所述主动消声器用于控制所述振动板的振动产生反声来消除中低频噪声。本发明的主动噪声控制系统采用主动消声器内振动板的振动产生反声，不仅解决了传统主动消声器中扬声器的可靠耐久性问题，同时可以进一步减小排气系统的消声容积和重量，提高车辆的燃烧效率。
【专利说明】一种用于汽车排气系统的主动噪声控制系统及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于声学领域，涉及一种用于汽车排气系统的主动噪声控制系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002]在车辆行驶过程中，由于内燃机连续发生的工作循环(特别是吸入和压缩燃料-空气混合物，点燃/膨胀以及排放燃烧的燃料-空气混合物)生成了噪声。这些噪声一方面作为固体载声通过内燃机并且作为空气载声放射到内燃机的外部。另一方面，噪声作为空气载声与燃烧的燃料-空气混合物一起通过内燃机的排气系统排出。
[0003]这些噪声常常被认为是不利的。作为固体载声通过内燃机的噪声会以高效率衰减并且因此通常不构成作为噪声控制的问题。但作为空气载声需要在排气系统入口之前布置的消声器来减小。目前，传统消声器按其消声机理，可分为阻性消声器、抗性消声器和阻抗复合消声器等。阻性消声器的消声原理是利用管道内的吸声材料，部分地吸收沿管道传播的声能。抗性消声器是利用各种形状、尺寸的管道及穿孔管共振吸声结构等，造成声波在系统中阻抗失配，使声波在管道和共振腔内来回反射、耗损，从而达到消声的目的。阻抗复合消声器是将阻性消声器和抗性消声器结合起来，从而实现宽频消声的目的。目前这些消声器具有这样的缺点:在需要高衰减效率的情况下，它们需要一个较大的体积并且给燃烧的燃料-空气混合物施加相对高的阻力。降低了车辆的燃烧效率并且燃料消耗增加。
[0004]作为替代的或补充消声器，所谓的主动噪声控制系统(如附图1所示)已经发展了一段时日，其将电声学生成的反声(与将取消的噪声具有相同振幅但是具有相反相位(反向)的声波)叠加到由内燃机生成的并且在排气系统中传导的空气载声。
[0005]附图1为现有技术中的主动噪声控制系统的方块图，包括扬声器3、连接在内燃机6上的排气管4及与扬声器3的壳体和排气管4均相连的尾管1，尾管I的一端具有2个连接口，2个连接口分别与排气管4的出气口端和扬声器3的壳体相连，尾管I的另一端具有一个口 2以将在排气管4中传导的废气释放到外部，在排气管4和内燃机6之间还连接有催化转化器7。该主动噪声控制还包括与内燃机6电连接的用于控制内燃机6工作的发动机控制8及反声控制10，反声控制10与发动机控制8单一地形成，并且因此集成到发动机控制8中，反声控制10与扬声器3相连，在扬声器3和反声控制10之间连接有放大器11。在尾管I内设置有误差传声器5，误差传声器5电连接到反声控制10，在排气管4中设置用于确定废气温度的温度探针9，温度探针9连接到反声控制10上。
[0006]通过采用主动噪声控制系统作为替代的或补充消声器，排气系统的结构体积可以减小到60%，重量可以减少到40%，以及排气背压可以减小到150毫巴(mbar)。但由于排气系统内部高温及易腐蚀性等问题，扬声器的可靠耐久性很难得到解决。
【发明内容】
[0007]本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种用于汽车排气系统的主动噪声控制系统。
[0008]本发明还提供一种用于汽车排气系统的主动噪声控制系统的控制方法 为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案:
一种用于汽车排气系统的主动噪声控制系统，包括连接在所述汽车的发动机上的排气管、连接在所述发动机和所述排气管的尾管之间的三元催化器及与所述发动机电连接的控制系统，所述主动噪声控制系统还包括连接在所述三元催化器和所述尾管之间的主动消声器，所述主动消声器具有振动板，所述控制系统输出的控制信号传输至所述主动消声器用于控制所述振动板的振动产生反声来消除中低频噪声，所述中低频噪声为频率在O?IOOOHz的噪声。
[0009]所述主动消声器包括壳体，所述振动板固定设置在所述壳体内并将所述壳体分隔成第一腔室和第二腔室，所述主动消声器还包括设置在所述振动板上并与所述控制系统相连的压电晶片，所述压电晶片被所述控制系统输出的控制信号控制产生振动，所述压电晶片的振动带动所述振动板振动产生相应频率和相位的辐射噪声来消除所述中低频噪声。
[0010]所述主动消声器还包括固定设置在所述壳体两端的进气管和出气管，所述进气管的一端位于所述壳体外并与所述排气管相连，所述进气管的另一端穿过所述第一腔室直通所述第二腔室；所述出气管的一端位于所述壳体外并与所述尾管相连，所述出气管的另一端连接在所述壳体上并与所述第二腔室连通。
[0011]所述主动消声器还包括固定设置在所述第二腔室内的过滤网，所述过滤网用于过滤尾排气体中的颗粒，所述进气管的另一端穿过所述过滤网。
[0012]所述振动板上沿所述振动板的圆周方向均匀排布开设有用于平衡所述第一腔室和所述第二腔室气压的多个透气孔，所述第一腔室和所述第二腔室只通过所述透气孔相连通。
[0013]所述控制系统包括与所述发动机电连接的控制单元、与所述控制单元电连接并可布置在所述主动消声器后端的误差传声器及连接在所述控制单元和所述主动消声器之间的变频器，所述变频器分别与所述控制单元和所述压电晶片电连接，所述变频器接收所述控制单元输出的控制信号，然后用于控制所述压电晶片的振动而带动所述振动板振动产生相应频率和相位的辐射噪声来消除所述中低频噪声；所述误差传声器用于实时反馈所述主动消声器的消声效果并指导所述控制单元修正所述控制信号；
其中，所述控制单元中存储有特征曲线，所述特征曲线的数据根据所述发动机的工作状态的参数变量进行实车测试进行确定；所述控制单元将从所述误差传声器接收的信号与阀值比较从而确定选择的特征曲线是否适合于在所述排气系统内传导的废气的各个温度，当超出所述阀值时改变所述特征曲线或根据实时计算结果对所述控制信号进行修正。
[0014]所述控制单元包括集成在一起的控制芯片、处理器和存储器，所述控制芯片用于根据所述误差传声器反馈的反馈信号或通过所述发动机反馈的所述发动机工作状态信号控制所述变频器产生相应频率和相位的反声信号；所述处理器用于实时处理所述误差传声器或所述发动机反馈的原始信号，并把计算结果反馈到所述控制芯片；所述存储器用于储存实验测得的原始发生特征曲线或者存储所述处理器计算的实时控制数据，所述控制系统还包括蓄电池，所述蓄电池用于给所述控制单元供电，所述蓄电池还用于为所述变频器驱动所述压电晶片振动提供动力。[0015]所述控制单元检测的所述发动机的温度信息可间接表征所述主动消声器附近的温度状态，所述温度信息包括从所述发动机接收到的冷却水温度、油温度或λ探针的输出信号中的至少一个。
[0016]所述三元催化器和所述主动消声器之间还设置有阻性消声器，所述阻性消声器用于被动消除高频率噪声，所述高频率噪声为频率在1000Hz以上的噪声。
[0017]一种上述主动噪声控制系统的控制方法，所述控制方法包括以下步骤:
所述控制单元从所述发动机上接收运行参数确定所述汽车的运行状态，所述运行参数包括进气量、油耗、所述发动机的转速、温度信息，其中，所述温度信息包括从所述发动机接收到的冷却水温度、油温度或λ探针的输出信号中的至少一个；
从所述控制单元中调用合适的特征曲线；
所述控制单元从所述误差传声器接收信号，将所述误差传声器输出的信号与阀值进行比较从而确定选择的所述特征曲线是否适合于在所述排气系统内传导的废气的各个温度，当超出所述阀值时改变所述特征曲线或根据实时计算结果对所述控制信号进行修正；
所述变频器接收所述控制信号用于控制所述主动消声器的所述压电晶片的振动，所述压电晶片的振动带动所述振动板振动产生相应频率和相位的辐射噪声来消除所述中低频噪声。
[0018]由于上述技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点:
本发明的主动噪声控制系统采用振动板的振动产生反声，不仅解决了现有技术中的扬声器的可靠耐久性问题，同时可以进一步减小排气系统的消声容积和重量，提高车辆的燃烧效率。
[0019]本发明的控制方法的控制单元简单的通过接收发动机运行参数选择合适的特征曲线，然后通过误差传感器反馈的信号来修正控制单元输出的控制信号，控制信号进而控制振动板产生反声来消除中低频噪声，控制方法简单。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为现有技术中的主动噪声控制系统的方框图；
图2为本发明的主动噪声控制系统的方框图；
图3为本发明主动噪声控制系统的主动消声器的结构示意图；
图2?3中数字所表示的名称为:
1、发动机；2、三兀催化器；3、阻性消声器；4、排气管；5、主动消声器；6、尾管；7、误差传声器；8、变频器；9、控制单元；10、控制芯片；11、处理器；12、储存器；13、蓄电池；14、进气管；15、壳体；16、出气管；17、振动板；18、压电晶片；19、透气孔；20、过滤网；21、第一腔
室；22、第二腔室。
【具体实施方式】
[0021 ] 下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。
[0022]如图2?3所示，一种用于汽车排气系统的主动噪声控制系统，包括连接在汽车的发动机I上的排气管4、连接在发动机I和排气管4的尾管6之间的三元催化器2、与发动机I电连接的控制系统、连接在三元催化器2和尾管6之间的主动消声器5，主动消声器5具有振动板17,控制系统输出的控制信号传输至主动消声器5用于控制振动板17的振动产生反声来消除中低频噪声，中低频噪声为频率在O?IOOOHz的噪声。该主动噪声控制系统还包括设置在三元催化器2和主动消声器5之间的阻性消声器3，阻性消声器3用于被动消除高频率噪声高频率噪声为频率在1000Hz以上的噪声。
[0023]如图3所不,主动消声器5包括壳体15,振动板17固定设置在壳体15内并将壳体15分隔成第一腔室21和第二腔室22，主动消声器5还包括设置在振动板17上并与控制系统相连的压电晶片18，压电晶片18设置有多个，多个压电晶片18沿振动板17圆周方向均匀排布，压电晶片18被控制系统输出的控制信号控制产生振动，压电晶片18的振动带动振动板17产生相应频率和相位的辐射噪声来消除中低频噪声。
[0024]本实施例中主动消声器还包括固定设置壳体两端的进气管14和出气管16，进气管14的一端位于壳体15外并与排气管4相连，进气管14的另一端穿过第一腔室21直通第二腔室22 ;出气管16的一端位于壳体15外并与尾管6相连，出气管16的另一端连接在壳体15上并与第二腔室22连通。该主动消声器5还包括固定设置在第二腔室22内的过滤网20，过滤网20用于过滤尾排气体中的颗粒以防止颗粒腐蚀压电晶片18和振动板17，进气管14的另一端穿过过滤网20。
[0025]为了平衡第一腔室21和第二腔室22的气压，在振动板17上沿振动板17的圆周方向均匀排布开设多个透气孔19，第一腔室21和第二腔室22只通过透气孔19相连通。
[0026]本实施例中的控制系统包括与发动机I电连接的控制单元9、与控制单元9电连接并可布置在主动消声器5后端的误差传声器7及连接在控制单元9和主动消声器5之间的变频器8，变频器8分别与控制单元9和压电晶片18电连接，变频器8接收控制单元9输出的控制信号，然后用于控制压电晶片18的振动而带动振动板17振动产生相应频率和相位的辐射噪声来消除中低频噪声；误差传声器7用于实时反馈主动消声器5的消声效果并指导控制单元9修正控制信号。
[0027]其中，控制单元9中存储有特征曲线，特征曲线的数据根据发动机I的工作状态的参数变量进行实车测试进行确定；控制单元9将从误差传声器7接收的信号与阀值比较从而确定选择的特征曲线是否适合于在排气系统内传导的废气的各个温度，当超出阀值时改变特征曲线或根据实时计算结果对控制信号进行修正。
[0028]本实施例中的控制单元包括集成在一起的控制芯片10、处理器11和储存器12，控制芯片10用于根据误差传声器7反馈的反馈信号或通过发动机I反馈的发动机I工作状态信号控制变频器8产生相应频率和相位的反声信号；处理器11用于实时处理误差传声器7或发动机I反馈的原始信号，并把计算结果反馈到控制芯片10 ;存储器12用于储存实验测得的原始发生特征曲线或者存储处理器11计算的实时控制数据，控制系统还包括蓄电池13，蓄电池13用于给控制单元9供电，蓄电池13还用于为变频器8驱动压电晶片18振动提供动力。
[0029]本实施例的控制单元9检测的发动机I的温度信息可间接表征主动消声器5附近的温度状态，这样就可以不用单独再安装温度传感器进行测试，该温度信息包括从发动机I接收到的冷却水温度、油温度或λ探针的输出信号中的至少一个。
[0030]上述主动噪声控制系统的控制方法，步骤如下:
控制单元9从发动机I上接收运行参数确定汽车的运行状态，运行参数包括进气量、油量、发动机I的转速、温度信息，其中，温度信息包括从发动机I接收到的冷却水温度、油温度或λ探针的输出信号中的至少一个；
从控制单元9中调用合适的特征曲线；
控制单元9从误差传声器7接收信号，将误差传声器7输出的信号与阀值进行比较从而确定选择的特征曲线是否适合于在排气系统内传导的废气的各个温度，当超出阀值时改变特征曲线或根据实时计算结果对控制信号进行修正；
变频器8接收控制信号用于控制主动消声器5的压电晶片18的振动，压电晶片18的振动带动振动板17振动产生相应频率和相位的辐射噪声来消除中低频噪声。
[0031]以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种用于汽车排气系统的主动噪声控制系统，包括连接在所述汽车的发动机上的排气管、连接在所述发动机和所述排气管的尾管之间的三元催化器及与所述发动机电连接的控制系统，其特征在于，所述主动噪声控制系统还包括连接在所述三元催化器和所述尾管之间的主动消声器，所述主动消声器具有振动板，所述控制系统输出的控制信号传输至所述主动消声器用于控制所述振动板的振动产生反声来消除中低频噪声，所述中低频噪声为频率在O~1000Hz的噪声。
2.根据权利要求1所述的主动噪声控制系统，其特征在于，所述主动消声器包括壳体，所述振动板固定设置在所述壳体内并将所述壳体分隔成第一腔室和第二腔室，所述主动消声器还包括设置在所述振动板上并与所述控制系统相连的压电晶片，所述压电晶片被所述控制系统输出的控制信号控制产生振动，所述压电晶片的振动带动所述振动板振动产生相应频率和相位的辐射噪声来消除所述中低频噪声。
3.根据权利要求2所述的主动噪声控制系统，其特征在于，所述主动消声器还包括固定设置在所述壳体两端的进气管和出气管，所述进气管的一端位于所述壳体外并与所述排气管相连，所述进气管的另一端穿过所述第一腔室直通所述第二腔室；所述出气管的一端位于所述壳体外并与所述尾管相连，所述出气管的另一端连接在所述壳体上并与所述第二腔室连通。
4.根据权利要求3所述的主动噪声控制系统，其特征在于，所述主动消声器还包括固定设置在所述第二腔室内的过滤网，所述过滤网用于过滤尾排气体中的颗粒，所述进气管的另一端穿过所述过滤网。
5.根据权利要求2所述的主动噪声控制系统，其特征在于，所述振动板上沿所述振动板的圆周方向均匀排布开设有用于平衡所述第一腔室和所述第二腔室气压的多个透气孔，所述第一腔室和所述第二腔室只通过所述透气孔相连通。
6.根据权利要求2所述的主动噪声控制系统，其特征在于，所述控制系统包括与所述发动机电连接的控制单元、与所述控制单元电连接并可布置在所述主动消声器后端的误差传声器及连接在所述控制单元和所述主动消声器之间的变频器，所述变频器分别与所述控制单元和所述压电晶片电连接，所述变频器接收所述控制单元输出的控制信号，然后用于控制所述压电晶片的振动而带动所述振动板振动产生相应频率和相位的辐射噪声来消除所述中低频噪声；所述误差传声器用于实时反馈所述主动消声器的消声效果并指导所述控制单元修正所述控制信号； 其中，所述控制单元中存储有特征曲线，所述特征曲线的数据根据所述发动机的工作状态的参数变量进行实车测试进行确定；所述控制单元将从所述误差传声器接收的信号与阀值比较从而确定选择的特征曲线是否适合于在所述排气系统内传导的废气的各个温度，当超出所述阀值时改变所述特征曲线或根据实时计算结果对所述控制信号进行修正。
7.根据权利要求6所述的主动噪声控制系统，其特征在于，所述控制单元包括集成在一起的控制芯片、处理器和存储器，所述控制芯片用于根据所述误差传声器反馈的反馈信号或通过所述发动机反馈的所述发动机工作状态信号控制所述变频器产生相应频率和相位的反声信号；所述处理器用于实时处理所述误差传声器或所述发动机反馈的原始信号，并把计算结果反馈到所述控制芯片；所述存储器用于储存实验测得的原始发生特征曲线或者存储所述处理器计算的实时控制数据，所述控制系统还包括蓄电池，所述蓄电池用于给所述控制单元供电，所述蓄电池还用于为所述变频器驱动所述压电晶片振动提供动力。
8.根据权利要求6所述的主动噪声控制系统，其特征在于，所述控制单元检测的所述发动机的温度信息可间接表征所述主动消声器附近的温度状态，所述温度信息包括从所述发动机接收到的冷却水温度、油温度或λ探针的输出信号中的至少一个。
9.根据权利要求1所述的主动噪声控制系统，其特征在于，所述三元催化器和所述主动消声器之间还设置有阻性消声器，所述阻性消声器用于被动消除高频率噪声，所述高频率噪声为频率在1000Hz以上的噪声。
10.如权利要求广9中任一项权利要求所述的主动噪声控制系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤: 所述控制单元从所述发动机上接收运行参数确定所述汽车的运行状态，所述运行参数包括进气量、油耗、所述发动机的转速、温度信息，其中，所述温度信息包括从所述发动机接收到的冷却水温度、油温度或λ探针的输出信号中的至少一个； 从所述控制单元中调用合适的特征曲线； 所述控制单元从所述误差传声器接收信号，将所述误差传声器输出的信号与阀值进行比较从而确定选择的所述特征曲线是否适合于在所述排气系统内传导的废气的各个温度，当超出所述阀值时 改变所述特征曲线或根据实时计算结果对所述控制信号进行修正； 所述变频器接收所述控制信号用于控制所述主动消声器的所述压电晶片的振动，所述压电晶片的振动带动所述振动板振动产生相应频率和相位的辐射噪声来消除所述中低频噪声。
【文档编号】F01N9/00GK103982281SQ201410239184
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】柳仲达, 郑四发 申请人:清华大学苏州汽车研究院（相城）