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您当前的位置： 一种车载主动噪声控制装置及方法与流程
2021-01-28 17:01:00|
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本发明属于车载降噪技术领域，涉及一种车载主动噪声控制装置及方法。
背景技术：
随着车辆智能化程度的提高，驾乘人员对车内声学环境的要求愈发严格。车内噪声会降低驾乘人员的舒适性，引起车内人员的烦躁，疲劳；也会影响交流通话的清晰度，甚至影响驾驶员对车外信号声的感知，增加交通隐患。汽车nvh(noise,vibration,harshness)是车厂关心的重要问题。通过修改结构设计，增加阻尼材料或者使用减震弹簧等装置来降低噪声，统称为被动噪声控制，这类控制方式对中高频的噪声有比较好的降噪效果。但是这类控制方式对低频的效果比较差，特别是车厢内发动机的噪声，路面和轮胎碰撞摩擦带来的路噪，甚至气流风噪，这些噪声往往集中在低频。而驾乘人员主要关注的车内的噪声来源主要是发动机噪声，进排气噪声，路面轮胎噪声和风激励引起的噪声。此外，被动噪声控制需要较长的调教时间，而且难以控制成本。相反，主动降噪的方案利用车载音频系统，有效降低车厢内噪声，但是几乎不会给汽车增加额外的配重，有助于降低尾气排放，是一种绿色的节能的解决方案。
目前已有专利文献披露了车载主动降噪方法，列举如下：
cn107600011a公开了一种汽车发动机噪声的主动控制降噪系统及方法，接受发动机的转速信号，将该方波信号进行滤波，得到基波作为参考信号；参考信号需要与传递函数做卷积，应用通用的fxlms算法；构建参考信号的方式相对容易实现。
cn101473370b公开了利用自适应滤波器泄露调节的主动降噪，主动降噪系统接受发动机转速的高延迟信号，提供与发动机转速相关的参考频率处的信号，生成对应于参考频率预定倍数频率处的音频信号；或者从音频娱乐系统相关联的总线接收发动机转速信号；根据频率生成正弦波信号，应用通用的fxlms算法。
cn101473371b公开了主动降噪引擎速度的确定，从交通工具数据总线接受表示引擎速度的低延迟信号，从娱乐总线传送表示引擎速度的高延迟信号；根据频率生成正弦波信号，应用通用的fxlms算法。
cn105164748b公开了机动车辆的自适应前馈降噪，正弦波发生器输入与发动机谐波相关的信号(包括rpm，扭矩，油门踏板位置，歧管绝对压力map)，由此确定待被消除的谐波的频率；根据频率生成正弦波信号，应用通用的fxlms算法。
cn106089361a公开了一种车内发动机主动降噪系统及方法，介绍了引入发动机转速作为参考信号；没有详细的说明如何通过发动机转速构建参考信号。
cn106128449a公开了一种汽车主动降噪方法，在发动机舱布置传声器(也就是麦克风)，采集发动机舱的噪声信号作为参考信号；舱内声信号混杂其余不相关的噪声，会影响降噪效果。
cn106382143b公开了一种基于发动机转速的主动降噪装置及方法，预先标定发动机转速和发动机噪声的对应关系，采集发动机附近的噪声信号，存储参考噪声信号；系统正常工作的时候通过总线读取发动机转速信号；标定的过程比较复杂，并且没有考虑到发动机在不同负载情况下噪声的差别；存储噪声信号也需要比较大的存储空间。
cn107642426a公开了一种汽车发动机噪声主动控制方法及系统，获得发动机的转速信号，对转速信号进行分频积分，构造出发动机阶次噪声参考信号的频率，用余弦函数生成参考信号；准确描述了构建参考信号的方法，但是积分运算的计算量很大。
cn110246481a公开了一种预测发动机转速的汽车主动降噪方法，根据刹车信号，油门开度信号，油门踏板信号，结合bp神经网络估计发动机转速；根据发动机转速调取存储好的拟合噪声音频播放实现降噪；系统计算复杂度太大，难以在车载嵌入式平台实施实现。
上述专利文献公开的主动降噪方法，存在以下缺陷：
1、对于构建参考信号或其频率，部分的上述专利文献介绍了通过发动机转速构建参考信号的方法，最为简单的就是滤波处理，得到基频信号。但是工程中，得到信噪比较高的基频信号，滤波器的设计实现是比较复杂的；所以现有的方案构造参考信号的方式都比较复杂。
2、对于生成参考信号，主动噪声控制系统均在离散数字域处理。现有方案通过正弦信号产生或者模拟信号经过模拟数字转换器采样，都是基于既定的采样率进行。不同的频率的噪声信号，在同样采样率下，频率分辨率是不同的；对超低频，采样点过多，对稍高的频率，采样点就偏少；而且需要较高的采样率来满足足够的频率分辨率，这也会进一步增加处理器的资源消耗。
3、对于降噪算法的选择，现有的方案或者明确说明，或者引用现有的文献资料，均采用fxlms之类的前馈自适应算法。其要点就在于需要估计次级通道的传递函数(或者称为响应)，并用该传递函数特性的滤波器对参考信号进行滤波处理；这样需要较大的计算量，特别是涉及到空间多个位置的多通道控制系统，计算量将呈指数级增加。
技术实现要素：
正对上述技术问题中至少一个，本发明的目的是提供一种车载主动噪声控制装置及方法，计算量较少，显著降低了计算资源消耗。
为达到上述目的，本发明采用的一种技术方案为：
一种车载主动噪声控制装置，包括：
转速测量模块，其用于获取车辆发动机的转速信号；
整形模块，其用于对所述转速信号进行整形；
时钟信号产生模块，其用于根据整形后的转速信号产生时钟信号；
处理单元，其用于根据所述时钟信号产生参考信号并对所述参考信号进行滤波处理以生成控制信号；
功放模块，其用于根据所述控制信号驱动扬声器发声；及
麦克风，其用于采集所述扬声器的声响应信号；
其中，所述处理单元，还用于根据所述声响应信号计算当前时钟周期的剩余噪声的功率，并与前一时钟周期的剩余噪声的功率进行比较而相应调整滤波器的系数。
优选地，所述处理单元包括：
信号生成模块，其用于根据所述时钟信号触发而更新寻址地址，以从预存的正弦信号查找表中读取信号幅度值，产生正弦信号和余弦信号，作为所述参考信号；
自适应滤波模块，其用于对所述参考信号进行滤波处理；
噪声功率监测模块，其用于计算当前时钟周期的剩余噪声的功率，并与前一时钟周期的剩余噪声的功率进行比较而相应调整所述自适应滤波模块的系数。
进一步地，所述处理单元还包括：
乘法模块，其用于所述自适应滤波模块的系数更新迭代。
更进一步地，所述乘法模块的输入端和噪声功率监测模块电性连接，所述乘法模块的输入端还通过模数转换模块和所述麦克风电性连接，所述乘法模块的输出端和所述自适应滤波模块电性连接。
进一步地，所述自适应滤波模块包括能够随所述剩余噪声的功率变化的趋势而发生变化的自适应滤波器。
进一步地，所述时钟信号产生模块为锁相环分频器。
本发明还采用如下技术方案：
一种车载主动噪声控制方法，包括如下步骤：
s1、获取车辆发动机的转速信号；
s2、对所述转速信号进行整形；
s3、根据整形后的转速信号产生时钟信号；
s4、根据所述时钟信号产生参考信号并对所述参考信号进行滤波处理以生成控制信号；采集扬声器的声响应信号，根据采集的所述声响应信号计算当前时钟周期的剩余噪声的功率，并与前一时钟周期的剩余噪声的功率进行比较而相应调整滤波器的系数。
进一步地，所述步骤s4具体包括：
s41、生成参考信号，所述参考信号包括正弦信号和余弦信号，从第1个时钟周期的时刻，计数器cnt开始计数，正弦信号x1(k)＝sig(k)，余弦信号
s42、产生控制信号y(k)＝w1*x1(k)+w2*x2(k)，其中，w1、w2分别表示滤波器系数；
s43、拾取扬声器的声响应信号，记作剩余噪声信号e(k)；
s44、更新滤波器的系数为w1＝w1+sign*μ*e(k)*x1(k)；w2＝w2+sign*μ*e(k)*x2(k)，其中，sign为表示正负数的一个常数，如sign＝+1或sign＝-1，μ为用于调整算法的收敛步长的常数，影响算法的收敛效果和稳定性；
s45、监测噪声变化趋势，累加剩余噪声功率e1＝e1+[e(k)]2，直至一个完整的周期t结束；在下一个周期，累加剩余噪声功率e2＝e2+[e(k)]2；比较e1和e2的大小，如果e2＞e1，变更符号数sign＝-sign；否则，符号数保持不变；两个周期t结束，清零e1和e2，在下个周期t重新累加监测。
进一步地，所述步骤s4进一步包括步骤s45、引入泄露因子λ到滤波器系数更新中，w1＝(1-λ)*w1+sign*μ*λ*e(k)*x1(k)；w2＝(1-λ)*w2+sign*μ*λ*e(k)*x2(k)。
进一步地，所述步骤s3中，通过锁相环分频器产生所述时钟信号。
本发明采用以上方案，相比现有技术具有如下优点中的至少一个：
本发明的车载主动噪声控制装置及方法中，提出采样率时变的主动噪声控制系统，系统的时钟会随发动机转速发生变化，进而保证系统的跟踪性能；
采样率随发动机转速变化而变化，保证每个需要控制的噪声频率的采样精度都是一致的，从而实现较少的降噪量；
不需要采用sin或者cos的函数产生正弦信号作为参考信号，减少计算资源消耗；
不需要测量次级通道的传递函数，减少了调教的复杂度；
不需要对参考信号进行滤波处理，减少了计算量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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附图。
图1为本发明实施例的一种车载主动噪声控制装置的结构框图；
图2为本发明实施例的一个时钟周期内自适应处理运行的流程图；
图3为本发明实施例的一个循环周期t内自适应处理运行的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。
本发明旨在关注发动机噪声和进排气噪声，该噪声频率分布在低频段，适合采用主动降噪的方案，且该噪声频率成分相对简单，主要是线谱噪声，并且噪声频率与发动机转速严格相关。基于此，本实施例提供一种车载主动噪声控制装置。本实施例的车载主动噪声控制装置，包括：转速测量模块、整形模块、时钟信号产生模块、处理单元、功放模块、扬声器及麦克风。下面参照图1对该装置进行详细说明。
转速测量模块，用于获取车辆发动机的转速信号。本实施例中，转速测量模块为车辆自带的传感器，如曲轴信号传感器和/或点火脉冲信号传感器。
整形模块具体为方波整形模块，其输入端和转速测量模块的输出端电性连接。发动机的转速信号是一个方波信号，但是由于传感器的本底噪声、传输线的传输损耗等，波形可能会有一些杂波，不够规整。本实施例中，通过整形模块对该信号进行整形，滤除杂波，干扰波等。具体选择通用的电压比较器，进一步为施密特触发器。
时钟信号产生模块，用于根据整形后的转速信号产生时钟信号，其输入端和整形模块的输出端电性连接。本实施例中，时钟信号产生模块具体为锁相环分频器。将方波信号经过锁相环分频器，产生时钟信号。该时钟信号是由方波信号的周期特性决定的，发动机转速变化会导致方波信号的周期变化，也就导致时钟信号的频率发生变化。时钟信号的周期与方波信号的周期不是完全对应的，本实施例通过锁相环分频器的分频数这一参数对其进行调节。
处理单元，用于根据所述时钟信号产生参考信号并对所述参考信号进行滤波处理以生成控制信号；同时，还用于根据所述声响应信号计算当前时钟周期的剩余噪声的功率，并与前一时钟周期的剩余噪声的功率进行比较并相应调整滤波器的系数。
功放模块，用于根据所述处理单元输出的控制信号驱动扬声器发声。其中，功放模块的输入端通过数模转换模块电性连接至处理单元的输出端。处理单元输出的控制信号为数字格式的扫频信号，数模转换模块用于将该控制信号转换为模拟信号。本实施例中的扬声器具体为安装在汽车门板上的门板扬声器，将电信号转化为声信号，在车内声场空间中重放。
麦克风，用于同步实时采集所述扬声器的声响应信号。麦克风通过模数转换模块电性连接至处理单元的输入端，用于将麦克风采集到的为模拟信号的声响应信号转换为数字信号。
上述的处理单元包括信号生成模块、自适应滤波模块、噪声功率监测模块及乘法模块。信号生成模块，其输入端和锁相环分频区的输出端电性连接，其根据每一个时钟信号触发，更新寻址地址，从存储单元预存的正弦信号查找表中读取信号幅度值，产生正弦信号和余弦信号，作为参考信号。自适应滤波模块，其输入端和信号生成模块的输出端电性连接，用于将参考信号进行滤波处理，并且该滤波器的系数随着剩余噪声信号及参考信号的大小更新；特别地，在本实施例中，滤波器的系数也受到剩余噪声功率变化的趋势而发生变化。本实施例中，选择通用的自适应滤波器，例如lms，rls等；或adaptivenotchfilter，其特别适用于发动机降噪。噪声功率检测模块，其输入端和上述的模数转换模块的输出端电性连接，用于在固定的周期内，计算剩余噪声的功率，并与前一周期内的噪声功率进行比较，判断主动降噪系统的降噪性能，并相应地调整自适应滤波器的更新参数，保证降噪系统工作稳定正常，不会产生发散或者啸叫。乘法模块，完成信号相乘的功能，用于所述自适应滤波模块的系数更新迭代，乘法模块的一个输入端和噪声功率监测模块的输出端电性连接，乘法模块的另一个输入端还通过所述模数转换模块和所述麦克风电性连接，乘法模块的输出端和自适应滤波模块的一个输入端电性连接。
本实施例还相应提供一种车载主动噪声控制方法，包括如下步骤：
s1、获取车辆发动机的转速信号；
s2、对所述转速信号进行整形；
s3、根据整形后的转速信号产生时钟信号；
s4、根据所述时钟信号产生参考信号并对所述参考信号进行滤波处理以生成控制信号；采集扬声器的声响应信号，根据采集的所述声响应信号计算当前时钟周期的剩余噪声的功率，并与前一时钟周期的剩余噪声的功率进行比较并相应调整滤波器的系数。
所述步骤s4具体包括：
s41、生成参考信号，所述参考信号包括正弦信号和余弦信号，从第1个时钟周期的时刻，计数器cnt开始计数，正弦信号x1(k)＝sig(k)，余弦信号
s42、产生控制信号y(k)＝w1*x1(k)+w2*x2(k)，其中，w1、w2分别表示滤波器系数；
s43、拾取扬声器的声响应信号，记作剩余噪声信号e(k)；
s44、更新滤波器的系数为w1＝w1+sign*μ*e(k)*x1(k)；w2＝w2+sign*μ*e(k)*x2(k)，其中，sign为表示正负数的一个常数，μ为用于调整算法的收敛步长的常数；
s45、监测噪声变化趋势，累加剩余噪声功率e1＝e1+[e(k)]2，直至一个完整的周期t结束；在下一个周期，累加剩余噪声功率e2＝e2+[e(k)]2；比较e1和e2的大小，如果e2＞e1，变更符号数sign＝-sign；否则，符号数保持不变；两个周期t结束，清零e1和e2，在下个周期t重新累加监测。
所述步骤s4进一步包括步骤s45、引入泄露因子λ到滤波器系数更新中，w1＝(1-λ)*w1+sign*μ*λ*ek*x1k；w2＝1-λ*w2+sign*μ*λ*ek*x2k。
本实施例的主动噪声控制具体过程如下：
(1)、正弦信号查找表生成。离线产生正弦信号序列，从
序列共有2π/δf个数值，考虑到正弦波的特征，仅仅需要产生1/4个周期内的幅度值，就可以推算出所有采样点的幅度。同样利用对称特性，还可以推算出余弦信号的所有采样点的幅度。值得注意的是，这里的采样点都是将采样率归一化后的频点。频率分辨率越小，序列点数就越高，就需要占用处理器更大的存储空间，但是产生的信号就越精细，平滑，这需要在具体工程中进行权衡折中。另外，正弦信号序列在pc端产生，不需要消耗主动噪声控制系统的计算资源；正弦信号序列存贮到处理器的存储单元，就是正弦信号查找表。
(2)、初始化参数。设置计数器cnt，清零计数器；设置滤波器系数w1,w2，清零滤波器系数；设置符号数sign＝1。
(3)、以下是主动噪声控制系统的处理步骤：
1)、获得发动机的转速信号。尽量从源头获得发动机转速的信号，例如从车辆自带的传感器获得，如曲轴传感器、点火脉冲信号等。发动机的转速信号是一个方波信号，其周期随着发动机转速的变化而变化，本实施例从源头获得发动机转速的信号，避免了从车辆通信总线例如can线获得的转速信号存在的延时(至少10ms以上)及处理急加速的工况，从而避免降噪系统的追踪性能减弱及降噪性能受影响。
2)、对发动机转速信号整形。发动机的转速信号是一个方波信号，但是由于传感器的本底噪声，传输线的传输损耗等，波形可能会有一些杂波，不够规整，本实施例采用如施密特触发器的电压比较器对该信号进行整形，滤除杂波，干扰波等。
3)、时钟信号生成。将方波信号经过锁相环分频器，产生时钟信号；该时钟信号是与方波信号的周期特性决定的，发动机转速变化会导致方波信号的周期变化，也就导致时钟信号的频率发生变化；时钟信号的周期与方波信号的周期不是完全对应的，可以通过锁相环分频器的分频数这一参数进行调节。
4)、时钟信号驱动处理单元。时钟信号馈给处理单元，处理单元是mcu，dsp或者fpga等多种形式的嵌入式处理平台；或，处理单元是集成在车载音频系统上的一个模块，也可以是独立的一个部件。处理单元按照时钟信号的周期开始运行，主要运行自适应滤波算法。结合图2和图3所示，具体步骤如下：
i、参考信号生成，主要生成正弦信号和余弦信号。从第1个时钟周期的时刻，计数器cnt开始计数；正弦信号x1(k)＝sig(k)；余弦信号
ii、控制信号产生，主噪声控制系统的输出信号计算得到y(k)＝w1*x1(k)+w2*x2(k)；
iii、同步拾取麦克风信号，记作剩余噪声信号e(k)；
iv、更新滤波器的系数为w1＝w1+sign*μ*e(k)*x1(k)；w2＝w2+sign*μ*e(k)*x2(k)；
v、监测噪声变化趋势，累加剩余噪声功率e1＝e1+[e(k)]2，直至一个完整的周期t结束；在下一个周期，累加剩余噪声功率e2＝e2+[e(k)]2；比较e1和e2的大小，如果e2＞e1，变更符号数sign＝-sign；否则，符号数保持不变；两个周期t结束，清零e1和e2，在下个周期t重新累加监测；
vi、引入泄露因子到滤波器系数更新中，如：
w1＝(1-λ)*w1+sign*μ*λ*e(k)*x1(k)；
w2＝(1-λ)*w2+sign*μ*λ*e(k)*x2(k)；
以保持主动降噪系统的稳定性。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，是一种优选的实施例，其目的在于熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限定本发明的保护范围。凡根据本发明的精神实质所作的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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