费艳锋1 庄展提2 谢裕明3
（1. 深圳时空壶技术有限公司，广东 深圳 518055；2. 昆山海菲曼科技集团股份有限公司，江苏 昆山 215311；3. 深圳市谙声科技有限公司，广东 深圳 518110）
摘要：本文围绕汽车座舱主动噪声控制（ANC）技术，系统梳理其发展历程、基本原理与工程实现路径，重点分析前馈—反馈混合架构、车内反馈/误差麦克风的布置与选型、多通道分区闭环控制、FxLMS自适应算法及系统测试评价方法。结合发动机阶次噪声、轮胎路噪、风噪和结构振动等典型噪声源，归纳不同工况、转速、路面与车窗状态下的降噪特性，并讨论ANC与隔声、吸声、减振等被动措施的协同关系。研究可为车载ANC系统的方案设计、参数标定与工程验证提供参考。
关键词：主动降噪；ANC；车载声学；前馈控制；反馈控制；FxLMS算法；分区闭环；路噪降噪
1 引言
主动噪声控制（ANC）基于声波相消原理：系统通过麦克风采集噪声，经控制器计算生成与原噪声幅值相近、相位相反的控制信号，再驱动扬声器辐射控制声，从而降低目标区域的残余噪声。20世纪30年代，主动噪声控制理论逐步形成[13]；20世纪80年代末，航空降噪耳机开始商业化应用；1991年，日产 Bluebird 被公开资料广泛认为是较早量产搭载 ANC 系统的车型；2000年前后，消费级 ANC 耳机逐渐普及[1]。
耳机 ANC 的控制思路能否用于汽车座舱？二者均可采用 FF 前馈、FB 反馈或前馈—反馈混合控制，但耳机面向耳部小范围空间，汽车则需协调全座舱的多麦克风、多扬声器和多区域控制，声学路径更复杂。因此，通道建模、时延控制及系统稳定性仍需结合车载场景进一步分析[2][3]。
本文以燃油车座舱为主要研究对象，重点分析发动机阶次噪声、低频路噪等典型噪声的 ANC 控制方法。同时，针对新能源汽车，简要讨论电机—减速器噪声、轮胎路噪、风噪和结构振动等新的控制对象。汽车座舱 NVH 性能的改善需要 ANC 与隔声、吸声、减振等被动措施协同实现。本文将在耳机 ANC 原理的基础上，进一步分析汽车 ANC 的系统架构、FF/FB 控制、麦克风布置、分区控制及测试评价方法[3][5]。
2 车载ANC主要供应商与技术路线
表1 车载ANC主要供应商与技术路线[6][7][8]
本文聚焦系统架构、FB 反馈/误差麦克风、分区闭环、FxLMS算法与测试评价，数据以公开资料和工程经验估算为主，供方案设计与验证参考。
3 车载ANC系统架构：前馈—反馈混合控制
座舱噪声按来源和频谱可分为发动机、轮胎路噪、风噪及结构振动等类型，主要特性见表2[3]。
表2 车载主要噪声源特性与ANC适配性
ANC主要覆盖20～500Hz低频；200Hz以上风噪和中高频路噪仍需依靠吸音棉、双层玻璃、密封胶条和阻尼垫等被动措施，二者互补才能实现全频段控制[3]。 ANC主动降噪声波抵消原理如图1所示。
图1 ANC主动降噪声波抵消原理示意图
3.1 前馈控制
前馈麦克风布置在发动机舱、轮拱或底盘等位置，提前采集发动机与路噪原始波形，为控制器提供参考信号。
控制器根据参考信号提前生成反向声波，在噪声到达人耳前开始抵消。
优点：时延小，适合发动机怠速和匀速胎噪等稳定低频噪声。
3.2 反馈控制
FB 反馈/误差麦克风安装于顶棚、头枕或B柱附近，采集人耳位置的残余噪声并闭环修正。
误差信号回传DSP，实时修正抵消波形，补偿前馈模型误差。
优点：可适应车窗状态、载员变化和车速变化。
3.3 前馈与反馈的分工与协同
表3 前馈控制与反馈控制对照
综合比较可知，纯前馈控制难以适应环境变化，纯反馈控制在高频段易发生振荡并影响系统稳定性；因此，车载ANC宜采用前馈—反馈混合系统[2][3]。 车载ANC前馈—反馈混合系统架构如图2所示。
图2 车载ANC前馈+反馈混合系统架构原理图
FF 前馈路径：车外参考麦克风 → FF 前馈滤波器 → DSP → 扬声器
FB 反馈路径：车内 FB 反馈/误差麦克风 → FB 反馈滤波器 → DSP → 误差修正
4 车内反馈/误差麦克风设计与技术要求
4.1 反馈/误差麦克风功能定位
车内麦克风在当前架构下均作为 FB 反馈/误差麦克风，采集人耳附近残余噪声并送入 DSP；发动机舱、轮拱等车外麦克风属于前馈参考麦克风。
本文中，车内误差麦克风用于采集人耳附近的残余噪声，并将其作为反馈控制信号输入。因此，在当前系统架构下，FB 反馈麦克风与误差麦克风由同一物理麦克风承担；二者分别从控制通路和信号功能角度进行描述。若采用独立的反馈传感器和误差检测麦克风，则应在系统图中分别标注。
4.2 典型布置方案与特性对比
4.2.1 头枕内置麦克风（主驾/副驾专属反馈/误差麦克风）
位置：头枕两侧，距离人耳 5～12cm，为降噪黄金点。
功能定位：专属单点闭环，只保证人耳极小范围形成安静区；对发动机低频 20～200Hz 修正精度最高；车窗开闭、车内人数变化时自适应修正最强。
技术要求：
频响：低频平直，低频截止约 25Hz，不能切掉发动机低频；普通语音麦克风低频一般截止 100Hz 以上，不能混用。
AOP 高声过载点：≥130dB SPL，靠近车内扬声器，防止大音量失真。该指标为工程选型建议。
抗振动：内置减振胶垫，隔绝座椅震动带来的干扰信号。
灵敏度一致性：±1dB 以内，多通道匹配。
缺点：只能照顾单个座位，无法兼顾后排，成本最高。
此处的技术要求与ANC耳机设计思路基本一致[2]。
头枕附近或头枕内置误差麦克风属于部分车型采用的分区 ANC 布置方案，并非所有车型的统一配置。其优点是靠近人耳、便于主驾和副驾独立闭环控制；实际车型也可能将误差麦克风布置在顶棚、B 柱或车门内饰板等位置，具体取决于声学布局、座椅结构和成本要求。
4.2.2 顶棚内衬中央麦克风（全车通用反馈/误差麦克风）
位置：车顶内衬中间、天窗四周，为全车声场中心点。
功能定位：负责整车平均残余噪声，作为全车总反馈基准；兼顾怠速、匀速稳定噪声，弥补头枕麦克风覆盖不足。
技术特点：
全指向拾音，拾取整个座舱混合噪声。
信噪比 SNR≥66dB，抵抗空调风声、气流扰动。该指标为工程选型建议。
高信噪比，高AOP。再次验证技术要求与ANC耳机设计思路基本一致[2]。
抗高温：-40℃～105℃车规温度等级（AEC-Q100）。该参数为工程建议值，具体数值以器件数据手册和实车验证为准。
低频滚降平缓，专门针对胎噪、发动机轰鸣。
缺陷：距离人耳远，人耳位置降噪精度不如头枕麦克风；高速风噪干扰更大。
4.2.3 B柱、后排顶棚麦克风（后排反馈/误差麦克风）
位置：B 柱上沿、后排车顶两角。
功能定位：专门修正后排路噪、后轮胎噪；补充后排独立闭环，避免前排降噪完美、后排效果差。
技术差异：
对 200～500Hz 路噪优化。
更容易受后轮振动、后备箱共鸣干扰，需额外增加机械滤波。
线缆全部屏蔽，防止车身电气干扰。 典型车内反馈/误差麦克风布置如图3所示。
图3 车内 FB 反馈/误差麦克风布局示意图（座舱俯视图）
4.2.4 三种位置麦克风对比
表4 车内三种 FB 反馈/误差麦克风位置对比
4.3 ANC专用麦克风选型技术规范
ANC FB 反馈/误差麦克风与车载语音麦克风存在严格的选型区分，以下为统一硬性技术要求：
表5 ANC 专用 FB 反馈/误差麦克风技术要求
选型注意事项：语音麦克风不宜用作 ANC FB 反馈/误差麦克风。语音麦克风通常设置高通滤波，低频响应被削弱，难以满足低频降噪需求；应根据 ANC 频响要求选用专用麦克风[4]。
5 多通道分区独立闭环控制策略
5.1 分区控制基本原理
主流车载 ANC 采用分区独立闭环控制：麦克风分组，扬声器对应分组，并非全部信号统一混在一起运算。以 6 个车内 FB 反馈/误差麦克风为例，一般分为左前区、右前区、左后区、右后区四组独立闭环。（6 个此处的6是最小基数，如把反馈和误差麦克风分开，就可以最少扩展到2个）[5-7] 分区独立闭环控制框图如图4所示。
5.2 两种控制架构对比
表6 分区独立闭环与全局平均算法对比
图4 多通道分区独立闭环控制框图（6麦克风4分区）
分组方案示例（6 麦克风）：
主驾头枕麦克风 + 主驾上方顶棚麦克风 → 左前反馈组
副驾头枕麦克风 + 副驾上方顶棚麦克风 → 右前反馈组
后排左侧两个麦克风 → 左后反馈组
后排右侧两个麦克风 → 右后反馈组
5.3 四分区系统设计与工作流程
- 6 支车内 FB 反馈/误差 MEMS 麦克风同时采集残余噪声；
- DSP 按座位分区，每组 1-2 支麦克风做加权计算（头枕麦克风权重最高，顶棚辅助修正）；
- 四个分区各自独立闭环负反馈，各自生成专属反相位波形；
- 左前扬声器输出左前修正信号，右前、左后、右后扬声器分别独立输出；
- 各组之间互不干扰。
5.4 关键设计要点
车外前馈麦克风（发动机、轮拱麦克风）是全局统一参考信号，整台车共用一套前馈原始噪声数据，不分前后左右分区；前馈信号所有人共用，反馈信号按座位分区独立运算。
为何不能全部统一汇总运算：负反馈闭环非常敏感，若将后排嘈杂噪声与前排安静噪声混在一起平均，算法会给出折中波形，导致前排降噪不足、后排产生共振、啸叫甚至噪声增强。
头枕麦克风权重最高：同一分区内，头枕麦克风权重 70% 以上，顶棚辅助麦克风仅占 30%，优先保证人耳位置降噪精度。
6 ANC控制原理与数学模型
6.1 主动降噪基本原理
主动降噪的核心是声波叠加干涉原理：两个幅值相等、相位相反的声波在空间中叠加后，声压相互抵消，残余噪声趋近于零。设原始噪声为 d(n)，ANC系统生成的反相声波为 y(n)，则人耳位置残余误差信号为：
e(n) = d(n) + y(n) (1)
当 y(n) = -d(n) 时，e(n) = 0，实现完全抵消。实际系统中由于次级路径（扬声器→人耳）传递函数 S(z) 的存在，反相声波需经过次级路径滤波后才能与原始噪声叠加，因此控制器需对次级路径进行补偿。
6.2 前馈控制传递函数
前馈控制中，参考麦克风采集到的参考信号 x(n) 经过前馈滤波器 W(z) 生成抵消信号，再经次级路径 S(z) 到达人耳。理想情况下，抵消信号应与原始噪声 d(n) 等幅反相，因此最优前馈滤波器为：
W_opt(z) = -P(z) / S(z) (2)
其中 P(z) 为初级路径（噪声源→人耳）传递函数，S(z) 为次级路径（扬声器→人耳）传递函数。前馈控制的优势在于参考信号 x(n) 与噪声 d(n) 强相关，可在噪声到达人耳之前提前生成抵消信号。
6.3 反馈控制与误差信号
反馈控制不依赖外部参考麦克风，而是通过车内 FB 反馈/误差麦克风直接采集人耳位置的残余噪声 e(n)，将其作为控制器输入来修正抵消波形。反馈控制器的目标是使 e(n) 最小化，其闭环传递函数为：
e(n) = d(n) / [1 + W(z)·S(z)] (3)
当 W(z)·S(z) >> 1 时，e(n) ≈ 0，降噪效果显著。但反馈系统存在稳定性约束：环路增益 W(z)·S(z) 过大时容易引发闭环震荡，尤其在高频段相位裕度不足时更为明显，因此反馈控制通常仅用于低频段（20～500Hz）。
6.4 FxLMS自适应算法
车载ANC通常采用滤波-x最小均方（FxLMS）算法[3][9][10]，根据误差信号实时更新滤波器系数：
w(n+1) = w(n) + μ·e(n)·x'(n) (4)
其中 w(n) 为滤波器系数向量，μ 为收敛步长（学习率），e(n) 为FB 反馈/误差麦克风采集的残余噪声，x'(n) 为经过次级路径模型 Ŝ(z) 滤波后的参考信号（即滤波-x）。收敛步长 μ 的取值需在收敛速度与稳态误差之间权衡：μ 过大则收敛快但容易震荡，μ 过小则稳态误差小但收敛慢。车载场景通常取 μ = 0.001～0.01。
FxLMS相比标准LMS的关键改进在于：将参考信号先经过次级路径估计模型 Ŝ(z) 滤波后再用于权重更新，从而补偿次级路径相位延迟对算法收敛性的影响，保证多通道闭环系统稳定[2][3][9][10]。
6.5 降噪量评价指标
主动降噪效果通常用降噪量（Noise Reduction, NR）来量化评价，定义为降噪前后声压级的差值：
NR = L_p,before - L_p,after = 20·log10(p_rms,before / p_rms,after) (dB) (5)
其中 L_p 为A计权声压级（dB(A)），p_rms 为声压有效值。工程评价中还需关注：①最大降噪量（峰值频段）；②有效降噪带宽（NR≥3dB的频率范围）；③各座位位置降噪量一致性；④系统开启后是否出现局部噪声放大（即负降噪量）[12]。
7 系统测试调试与性能评价
7.1 系统调试流程
车载ANC系统的调试是一个从硬件校准到算法调优的递进过程，标准调试流程如下：
（1） 硬件布点与通道检查：按设计方案安装前馈参考麦克风（发动机舱/轮拱/底盘）和车内FB 反馈/误差麦克风（头枕/顶棚/B柱），逐一检查各通道PDM信号输出、线束屏蔽接地、麦克风极性（正接/反接），确保无断路、短路或相位反接。
（2） 次级路径辨识（S(z)建模）：在每个座位位置播放白噪声或对数扫频信号（20～1000Hz），通过 FB 反馈/误差麦克风采集响应，使用自适应辨识或频谱分析法获得各通道次级路径传递函数 S(z)，作为FxLMS算法中滤波-x的参考模型。
（3） 频响与相位匹配：调校各麦克风通道的低频响应（确认25Hz以下无异常滚降）、AOP过载阈值（≥130dB SPL）、多通道相位一致性（同批次相位差<5°），确保各通道在目标频段内幅频/相频特性一致。
（4） 自适应参数调优：设置FxLMS收敛步长 μ（初始0.005）、滤波器阶数（通常256～1024阶，视DSP算力而定）、泄漏系数（防止系数漂移），在怠速工况下观察收敛曲线，调整至收敛时间<2秒且稳态无震荡[11]。
（5） 分区权重与扬声器校准：按座位分区设置头枕麦克风（权重70%）与顶棚麦克风（权重30%）的加权比例，校准各分区扬声器输出增益与延时，确保四分区独立闭环互不串扰。
（6） 实车多工况验证：在怠速、60km/h、100km/h、120km/h等工况下，分别在主驾、副驾、后排左、后排右四个位置测量降噪前后声压级，评估各工况、各座位、各频段的降噪量，排查局部噪声放大点。
7.2 调试关键参数
表7 ANC系统调试关键参数与取值范围
7.3 常见问题排查方法
表8 ANC系统调试常见问题与排查方法
7.4 典型工况降噪效果分析
以下结果为作者基于工程经验的模拟估算（非实车测量），用于说明评价思路，量产验收以实车测试为准。燃油车怠速、60/100/120km/h匀速及3000rpm等工况下，ANC对发动机低频噪声的控制效果最好，前排约10～12dB，后排通常低3～4dB；随车速升高，风噪和轮胎路噪的中高频成分增加，降噪量下降。怠速主驾20～200Hz为主要控制频段，50～100Hz约10.8dB，500Hz以上通常低于2dB，说明ANC宜负责20～500Hz低频，中高频由隔声、吸声等被动措施承担。100km/h下，四分区独立闭环较全局平均算法使各座位提升约1.6～2.5dB，整体平均提升约2.1dB。发动机转速由800rpm升至4000rpm时，总体降噪约由12.3dB降至4.4dB，怠速二阶谐波约14.5dB。60km/h关窗时，光滑沥青、普通水泥和粗糙路面约为8.3、7.3和5.4dB；100km/h时，车窗全关、主驾半开、主驾全开和天窗全开约为7.2、4.3、2.2和2.7dB。结果表明，路面粗糙和开窗会使路噪、风噪中高频增加，需结合轮胎吸音棉、轮拱隔音、底盘阻尼及车窗状态检测等被动和策略措施。
7.5 降噪效果综合评价体系
7.5.1 客观评价指标体系
车载ANC降噪效果的客观评价不应仅看A计权总声压级[12]。耳机ANC客观评价也不以A计权方式[2]，车载系统应建立多维度指标体系：
A计权声压级（LpA）：最常用的总降噪量指标，反映人耳感知的总噪声水平，ANC系统通常要求怠速降噪≥10dB、60km/h≥7dB。
阶次降噪量：针对发动机特定阶次（二阶、四阶、六阶）的窄带降噪量，是ANC系统核心性能指标，优秀系统二阶降噪量可达12～15dB。
有效降噪带宽：降噪量≥3dB的频率范围，车载ANC典型有效带宽为20～500Hz，带宽越宽系统性能越强。
响度（Zwicker Loudness，sone）：反映人耳对噪声响度的感知，比声压级更贴近主观感受，ANC可降低总响度15%～30%。
尖锐度（Sharpness，acum）：反映高频成分占比，ANC主要降低低频，尖锐度通常变化不大甚至略有上升（低频减少后高频占比相对增加）。
语言清晰度指数（AI/STI）：衡量语音可懂度，ANC降低低频掩蔽后可提升AI值0.05～0.12，对应交谈清晰度明显改善。
噪声品质指标（PNC/NC）：综合评价噪声的频率分布和波动度，ANC改善低频段NC曲线平直度。
在耳机ANC中，如果测试手段和算法参数设置不合理，会出现“数据不可靠”[2]的问题；在车载ANC中同样可能出现，因此客观降噪数据与主观听感必须结合并相互对应。
7.6 系统性能极限与约束
车载ANC系统的降噪效果存在物理和工程上的极限，主要受以下因素约束：
表9 ANC系统性能极限与约束因素
综合上述约束，当前量产车载ANC系统的典型性能水平为：怠速总降噪量8～12dB，60km/h 6～9dB，100km/h 4～7dB，120km/h 3～5dB；有效带宽20～500Hz；二阶谐波峰值降噪12～15dB。超越此范围需要在扬声器、麦克风、DSP算力等硬件上显著升级，或采用头枕式近场ANC等新架构。（性能范围为基于工程经验的模拟估算，非实车测量）
7.7 与被动隔音的协同机制
优秀的汽车座舱的 NVH 性能应由ANC与被动隔音互补协同完成[3][14]。被动隔音对中高频（>500Hz）有效但对低频效果差（低频波长长、穿透性强，需厚重材料），ANC恰好擅长低频但对中高频无效。二者结合可实现全频段静音，且ANC的存在可降低被动隔音的材料厚度和重量，有利于整车轻量化。
典型协同方案：ANC负责20～500Hz发动机和路噪低频抵消（降噪8～12dB），双层隔音玻璃负责500～4000Hz风噪和中高频路噪（降噪3～6dB），内饰吸音棉负责1000Hz以上高频混响（降噪2～4dB），底盘阻尼垫抑制结构振动传声。全频段综合降噪后，座舱总声压级可降低5～8dB(A)，主观感受接近"安静图书馆"级别。
8 结论与展望
8.1 主要结论
分析表明，汽车 ANC 与耳机 ANC 在基本控制框架上具有一致性，均可采用前馈控制、反馈控制或前馈—反馈混合控制，通过参考麦克风或误差麦克风采集噪声，经数字控制器计算后驱动扬声器产生与原噪声相位相反的控制声[2][3][13]。
二者的主要差异体现在应用空间和声学路径上：耳机属于近耳局部闭环系统，汽车则属于多麦克风、多扬声器、多区域的分布式闭环系统。因此，汽车 ANC 对次级通道建模、通道隔离、系统时延控制及多座位降噪一致性提出了更高要求。
噪声控制对象还会随动力系统类型发生变化。对燃油车而言，发动机阶次噪声通常是低频 ANC 的主要控制对象；对新能源汽车而言，发动机燃烧噪声减少，电机—减速器阶次噪声、轮胎路噪、风噪和结构振动的相对影响上升。因此，新能源汽车 ANC 应由单一的发动机噪声控制，扩展为电机阶次、结构振动与路噪的综合控制[5][6]。
近年来，车载 ANC 已由少数高端车型逐步向更多车型普及，国内声学团队和相关供应链也开始参与系统设计与工程应用。随着麦克风、扬声器、DSP 及标定（开发、生产）工具不断成熟，车载 ANC 仍具有进一步普及和优化的空间，且市场运用会加大[5-7]。
8.2 研究局限与展望
本文为个人技术学习与工程方法整理，文中部分数据属于模拟估算，不能替代实车测量、台架试验或正式工程验证。受测试条件限制，本文尚未开展充分的实车测试和系统实操，这是本文的主要局限。相关分析主要用于说明车载 ANC 的设计思路与评价方法，具体结论仍需通过实际测试进一步验证。希望本文能够为关注车载 ANC 技术的读者和工程人员提供参考。 后续工作应通过实车道路试验、硬件在环测试与多工况数据采集，对模型参数和降噪性能进行验证，并进一步研究新能源汽车电驱系统与路噪的协同控制。
致谢
感谢所有在资料检索、技术讨论与文本审阅过程中给予帮助的相关人员。特别感谢广州市美真音响韩新建在技术交流与声学测试方面提供的支持和建议。
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