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一种用于车辆的降噪方法及装置与流程

2021-01-28 17:01:56|343|起点商标网
一种用于车辆的降噪方法及装置与流程

本发明属于车载降噪技术领域,涉及一种用于车辆的降噪方法及装置。



背景技术:

随着车辆智能化的提高,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,引起车内乘员的烦躁,疲劳;也会影响交流通话的清晰度,甚至影响驾驶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。这种被动噪声控制方法对中高频的噪声有比较好的降噪效果,但是这种方法对低频效果比较差,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。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。

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。从集成度和成本考虑,一般车载主动降噪系统使用车上现有的车载音频系统,包括门板扬声器、低音炮扬声器、车载功放等。考虑功放和扬声器等部件的非线性特性。考虑到功放和扬声器等部件的动态范围,音频信号的电压幅度不能过大。特别是扬声器,以常用的动圈扬声器为例,当电压幅度过大,音圈位移偏离中间位置过大,磁场力发生变化,带来非线性问题,导致失真,影响重放声音质量,不仅影响主动降噪的控制效果,甚至会导致整个控制系统发散,产生异常音甚至更大的噪声。

现有方法中,ep1143411a2通过麦克风检测噪音返回值,高于预定的阈值,使噪声控制单元失活。cn104081451b特别针对反馈控制方式的主动降噪系统,设置阈值保证控制信号的幅度不能放大噪声;当控制信号幅度超过阈值,就将控制信号的幅度设置成阈值;该阈值被认为是跟不同的发动机转速和负载(换言之,速度rpm)决定的。这些阈值被储存在表格中,通过发动机的rpm值索引得到。cn109587618a采集控制后的噪声信号,比较前后时刻的声压差是否超过设定值;如果超过设定值就重置主动降噪系统。现有方法存在如下缺陷:

1、当前的技术主要考虑主动控制系统的发散风险,通过实时检测噪声场的变化来判断系统发散的风险;这样的处理方法需要仔细调教相关参数;

2、通过检测噪声场变化来控制,具有不可避免的延后特性,因为要等到声压抬升,出现发散的迹象才能控制,所以难免会出现异常音;

3、通过检测噪声场变化来控制,如果过早抑制,可能会对主动降噪系统的降噪性能产生影响;

4、检测到主动降噪系统发散的风险后,往往采取重置主动控制系统的方法;在某些声学条件下,系统发散的风险并没有消除,系统会重新进入发散的僵局;导致整个主动控制系统发出周期性的高低间断的蜂鸣声;这也是当前不少量产方案存在的问题。



技术实现要素:

针对上述技术问题,本发明的目的是提供一种改进的用于车辆的降噪方法及装置。

为实现上述目的,本发明的第一方面提供一种用于车辆的降噪方法,包括如下步骤:

s1、分别测量车载音频系统的每个声重放通道的扬声器,得到频域上的每一个频点对应的信号非失真的最大输出幅度;

s2、产生参考信号,并使所述参考信号经过自适应滤波器进行滤波产生控制信号;

s3、比较所述控制信号和所述最大输出幅度,若所述控制信号不大于所述最大输出幅度的最大值,则所述控制信号直接被转换为模拟信号,经功放馈给各相应声重放通道的扬声器;若所述控制信号大于所述最大输出幅度的最大值,则对所述控制信号进行功率压缩,经过功率压缩后的控制信号被转换为模拟信号,经功放馈给各相应声重放通道的扬声器。

进一步地,所述步骤s1具体包括如下步骤:

s11、生成扫频信号,将所述扫频信号馈给所述声重放系统的其中一路通道;

s12、同步采集所述声重放系统的输出音频信号,根据所述输出音频信号得到所述声重放系统的线性脉冲响应和高次谐波脉冲响应,并分别转换到频域得到相应的幅频响应;

s13、构建所述声重放系统的总谐波失真和所述声重放系统的输入信号的幅度之间的关系;

s14、在每一个频点求解最大输出幅度,该最大输出幅度满足使所述总谐波失真小于设定值;

重复步骤s11至s14,直至测量得到所述声重放系统的所有声重放通道的扬声器。

更进一步地,所述步骤s12中,通过m个麦克风同步采集所述声重放系统的输出音频信号;所述步骤s13中,所述声重放系统的总谐波失真和所述输入信号的幅度之间的关系如下式:

式中,thdml(f)表示总谐波失真,aml(f)表示所述输入信号的幅度,hml1、hml2、hml3、hml4、hml5分别表示所述声重放系统的线性脉冲相应、二次谐波脉冲相应、三次谐波脉冲响应、四次谐波脉冲响应及五次谐波脉冲响应的频域的幅频响应,m=1,…m,l=1,…l,l表示声重放通道的数量。

更进一步地,所述步骤s13中,基于一维volterra滤波器模型,构建所述声重放系统的总谐波失真和所述输入信号的幅度之间的关系。

更进一步地,所述步骤s14中,所述设定值为10%。

进一步地,所述步骤s2中,控制信号如下式:cl(f)=w*x(f),其中,cl(f)表示第l个声重放通道的控制信号,l=1,…l,l表示声重放通道的数量,w表示自适应滤波器,x(f)表示参考信号。

进一步地,所述步骤s3中,若所述控制信号大于所述最大输出幅度的最大值,将所述自适应滤波器的系数乘以增益因子,增益因子为所述最大输出幅度的最大值与所述控制信号的比值。

更进一步地,所述步骤s3中,依据下式实时更新所述滤波器的系数:wn+1=wn+κ×δw(xk,em,hml1),其中,wn+1和wn分别表示更新后和更新前的滤波器系数,n表示表示时间上的采样点,κ表示增益因子,δw(xk,em,hml1)为关于参考信号、次级通道的传递函数、剩余噪声信号的函数,xk、em、hml1分别表示第k路参考信号、第m个麦克风拾取的剩余噪声、从l路声重放通道到第m个麦克风之间的线性传递函数。

进一步地,所述降噪方法还包括根据噪声场对所述最大输出幅度进行调整的步骤。

进一步地,所述降噪方法还包括根据主观听音感受对所述最大输出幅度进行调整的步骤。进一步结合主观感知来调整主动控制系统的输出幅度阈值,更加适应实际应用场景,具有更现实的工程意义。

本发明的第二个方面提供一种用于车辆的降噪装置,用于执行如上所述的降噪方法,所述降噪装置包括:

第一信号发生器,用于生成扫频信号;

模数转换模块,用于将所述扫频信号转化为模拟信号;

功放模块,用于将模拟的扫频信号进行功率放大并输出;

l个声重放通道开关,分别和声重放系统的l个声重放通道一一对应,仅当前测试声重放通道的声重放通道开关导通,其余声重放通道开关处于断开状态;

多个扬声器,用于根据所述功放模块的输出将电信号转化为声信号,每个所述声重放通道至少具有一个所述扬声器;

麦克风,用于实时采集所述扬声器的声响应信号;

模数转换模块,用于将所述声响应信号转化为数字信号;

脉冲响应计算模块,用于根据所述扫频信号和所述模数转换模块转化后的声响应信号得到所述声重放系统的线性脉冲响应和谐波脉冲响应;

幅频响应计算模块,用于将时域的所述线性脉冲响应和所述谐波脉冲响应进行傅里叶变换,变换到频域,得到频域的幅频响应;

总谐波失真计算模块,用于计算分析频段内各个频点的总谐波失真与幅度之间的关系;

最大输出计算模块,用于得到频域上每一个频点的频率对应的信号非失真的最大输出幅度,满足总谐波失真小于设定值;

第二信号发生器,用于产生参考信号;

自适应滤波器,用于对所述参考信号进行滤波产生控制信号;

功率监测模块,用于比较所述控制信号和所述最大输出幅度;

功率压缩模块,用于在所述控制信号大于所述最大输出幅度的最大值时,对所述控制信号进行功率压缩;

增益控制模块,用于在所述控制信号不大于所述最大输出幅度的最大值时,设定所述自适应滤波器的增益因子为1;在所述控制信号大于所述最大输出幅度的最大值时,设定所述自适应滤波器的增益因子为所述最大输出幅度的最大值与所述控制信号的比值;

固定系数滤波器,用于对所述参考信号进行滤波;

乘法模块,用于将所述模数转换模块输出的音频信号和所述固定系数滤波器滤波后的参考信号相乘以用于所述自适应滤波器的系数更新迭代;

所述降噪装置还包括模式选择开关,所述降噪装置具有正常运作模式和参数调试模式,当处于正常运作模式时,所述功率压缩模块输出的信号馈给所述模数转换模块,所述麦克风采集的声响应信号馈给所述乘法模块;当处于参数调制模式时,所述第一信号发生器的扫频信号馈给所述数模转换模块,所述麦克风采集的声响应信号馈给所述脉冲响应计算模块。

本发明采用以上方案,相比现有技术具有如下优点:

本发明的用于车辆的降噪方法及装置,检测降噪系统的输出不超过阈值,从源头进行监测,及早避免产生异常音;车载音频系统的非线性声重放特性考虑,从根本上解决降噪系统发散的可能性,具有科学的理论依据;输出超出阈值后,不是简单重置,而是对降噪系统的参数进行适当调整,保证系统有连续的输出,但不增加噪声场的声压。

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最大输出幅度的测量流程图;

图2为本发明实施例的一种自适应滤波器的系数更新流程图;

图3为本发明实施例的一种降噪装置的结构示意图。

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。

本实施例提供一种用于车辆的降噪方法,具体是一种主动降噪方法,主要包括如下步骤:

s1、分别测量车载音频系统的每个声重放通道的扬声器,得到频域上的每一个频点对应的信号非失真的最大输出幅度;

s2、产生参考信号,并使所述参考信号经过自适应滤波器进行滤波产生控制信号;

s3、比较所述控制信号和所述最大输出幅度,若所述控制信号不大于所述最大输出幅度的最大值,则所述控制信号直接被转换为模拟信号,经功放馈给各相应声重放通道的扬声器;若所述控制信号大于所述最大输出幅度的最大值,则对所述控制信号进行功率压缩,经过功率压缩后的控制信号被转换为模拟信号,经功放馈给各相应声重放通道的扬声器。

具体过程描述如下。

一、确定麦克风位置。

根据噪声场的分布,布置麦克风。麦克风布置的依据是:该位置噪声场幅度较大;门板扬声器到麦克风的声辐射响应增益较大,不会受车厢声场模态的影响形成幅度响应谷点;该位置距离驾乘人员人耳处比较近,间距小于噪声频率的1/10个波长;工程安装可操作。

二、确定麦克风数量。

根据降噪需求,确定m个麦克风。降噪需求即需要处理哪些位置,本实施例中,在车辆的m个驾乘位置就需要m个麦克风。

三、确定扬声器通道。

根据车载音频系统的配置,明确系统独立的声重放通道l。需要注意的是,声重放通道个数并不完全等同于扬声器单元个数,例如多个扬声器单元通过一路音频信号驱动,属于同一路声重放通道。

四、产生扫频信号。

在数字音频处理器(dsp或者mcu处理器等)中产生一个任意幅度的扫频信号x(n),具体方法可以参考专利文献cn106199185b。将该信号馈给声重放系统的第一路声重放通道,该第一路声重放通道包括数字模拟转换电路、功放电路和扬声器单元。

五、同步采集声响应信号。

麦克风1至m同步采集声信号,计算得到该声重放系统的线性脉冲响应[h111(n)…hm11(n)]t和二次、三次直到五次谐波脉冲响应[h112(n)…hm12(n)]t…[h115(n)…hm15(n)]t,具体方法参考专利文献cn106331951b。

六、根据设定的频域采样率,将时域的线性脉冲响应和高次谐波脉冲响应经过傅里叶变换,得到频域的幅频响应hm1q(f),m=1,...m,q=1,...5,f是频率。

七、基于一维volterra滤波器模型,构建整个声重放系统的总谐波失真thdm1(f)和输入信号幅度a之间的关系,具体如下式:

八、在每一个频点f,求解最大输出幅度a以满足以下不等式,可以得到频域上每一个频点的f对应的信号非失真的最大幅度am1(f),m=1,…m;

thdm1(f)≤10%。

人耳主观感知失真的机理很复杂,由于音频信号成分复杂,心理声学中的掩蔽效应等诸多因素会影响失真的主观感受测量谐波失真的方法。究竟百分之多少的失真能够被感知,到目前来说都是研究的热点。但是通常认为小于1%的失真是人耳不会感知的,也就是听不见的。而超过10%的失真,是会让人感觉不舒服的,心理产生烦躁的。因此,本实施例的设定值选择10%。

九、重复上述步骤三至八,将扫频信号馈给声重放系统的第二路声重放通道,计算得到am2(f),m=1,…m;

十、重复上述步骤,直到测量过车载音频系统的所有通道的扬声器,得到aml(f),m=1,…m,l=1,…l,参见图1所示。

十一、产生参考信号x(f)。

可以根据汽车车速、发动机转速、档位和载荷工况等信息合成参考信号;也可以通过转速传感器、加速度传感器、振动传感器、传声器(麦克风)等直接获得参考信号。参考信号可以是单独1路信号,也可以是多路信号k个,记作xk(f),k=1,…k。

十二、参考信号经过自适应滤波器的进行滤波,产生控制信号cl(f),cl(f)=w*x(f)。自适应滤波器w在单通道控制中是多阶fir滤波器或者iir滤波器。在一般性的多通道控制中,是l×k路滤波器组;滤波器组中每个滤波器是多阶的fir或者iir滤波器。自适应滤波器的系数是变化的,由参考信号、次级通道的传递函数、剩余噪声信号的大小等决定。自适应滤波器可以是lms,rls等滤波器。

十三、比较控制信号cl(f)和此前测量得到的最大输出幅度aml(f),m=1,…m。如果控制信号cl(f)≤max(aml(f)),输出信号不经过功率压缩,直接通过数字模拟转换电路,并经过功放馈给扬声器单元,此时增益因子k=1。如果控制信号cl(f)>max(aml(f)),输出信号需要经过功率压缩,压缩比为cl(f)/max(aml(f)),滤波器的系数需要进行增益变化,即滤波器系数缩小,乘以增益因子κ=max(aml(f))/cl(f)。

十四、麦克风实时拾取剩余噪声信号记作em(n),m=1,…m。

十五、如图2所示,实时更新滤波器系数wn+1=wn+κ×δw(xk,em,hml1),其中δw(xk,em,hml1)是关于参考信号、次级通道的传递函数、剩余噪声信号的函数。

该降噪方法还包括根据噪声场对所述最大输出幅度进行调整的步骤十六。考虑到车门打开,车窗或天窗全开等重大声学环境的变化,导致主动控制系统的基础参数失效,导致发散的可能性,最大输出的幅度可以在aml(f)的基础上,根据噪声场特性做一些调整。具体步骤如下:

1、在实际工况下,利用上述步骤设置的m路麦克风实时采集车厢内的噪声信号,记作dm(f),m=1,…m;实际工况包括怠速空挡急加速,怠速空挡缓加速,路面测试各种档位下的全油门和半油门加速,以及各种载荷条件等;

2、计算可能输出噪声信号其中,η是增益因子,一般来说,可以取η=1,在物理意义上就是输出控制声信号幅度与原始噪声相当;在主动噪声控制系统处于不稳定甚至发散状态,输出的控制声信号的相位是不可控的,此时可能与原始噪声反相位,就有较好的降噪效果,或者有一定的相位差,也存在部分降噪效果;最坏的情况是与原始噪声同相位,此时整个声场的噪声增加6db;但是采用在本实施例提出的主动噪声控制结构下,噪声增加会保持在6db以下;可以调整增益因子η,保证最坏情况下的噪声增加量小于6db;

3、比较和上述步骤得到的aml(f)的大小,控制系统的输出信号的最大幅度始终小于和aml(f);具体的,如果取信号输出幅度阈值为aml(f);否则,取信号输出幅度阈值为

该降噪方法还包括根据主观听音感受对所述最大输出幅度进行调整的步骤十七。具体步骤如下:

1、在实际工况下,利用上述步骤设置的m路麦克风实时采集车厢内的噪声信号,记作dm(f),m=1,…m;实际工况包括怠速空挡急加速,怠速空挡缓加速,路面测试各种档位下的全油门和半油门加速,以及各种载荷条件等;

2、控制系统输出与噪声信号同相位的信号,其幅度为叠加到噪声场中;其背后的物理意义在于主动噪声控制系统处于不稳定甚至发散状态,输出的控制声信号的相位是不可控的,此时可能与原始噪声反相位,就有较好的降噪效果,或者有一定的相位差,也存在部分降噪效果;最坏的情况是与原始噪声同相位,此时整个声场的噪声增加;

3、调整信号幅度的大小,进行主观听音评价,在可以听到噪声增加的情况下,记录下最终的幅度

4、比较和上述步骤得到的aml(f)的大小,控制系统的输出信号的最大幅度始终小于和aml(f);具体的,如果取信号输出幅度阈值为aml(f);否则,取信号输出幅度阈值为

参照图3所示,本实施例还提供一种用于车辆的降噪装置,用于执行如上所述的降噪方法,所述降噪装置包括:

第一信号发生器,用于生成扫频信号;

模数转换模块,用于将数字化的扫频信号或控制信号转化为模拟信号;

功放模块,用于将模拟的扫频信号或控制信号进行功率放大并输出;

l个声重放通道开关,分别和声重放系统的l个声重放通道一一对应,每个声重放通道包括一个声重放通道开关,仅当前测试声重放通道的声重放通道开关导通,其余声重放通道开关处于断开状态;

多个扬声器,用于根据功放模块的输出将电信号转化为声信号,每个声重放通道至少具有一个扬声器;

m个麦克风,用于实时采集扬声器的声响应信号;

模数转换模块,用于将声响应信号转化为数字信号;

脉冲响应计算模块,用于根据扫频信号和模数转换模块转化后的声响应信号得到声重放系统的线性脉冲响应和谐波脉冲响应;

幅频响应计算模块,用于将时域的线性脉冲响应和谐波脉冲响应进行傅里叶变换,变换到频域,分析频段为[0,2π],得到频域的幅频响应;

总谐波失真计算模块,用于计算分析频段内各个频点的总谐波失真与幅度之间的关系;

最大输出计算模块,用于得到频域上每一个频点的频率对应的信号非失真的最大输出幅度,满足总谐波失真小于设定值(即10%);

第二信号发生器,用于产生参考信号,作为自适应滤波器的输入,同时作为固定系数滤波器的输入;可以根据汽车车速、发动机转速、档位和载荷工况等信息合成信号;也可以通过转速传感器、加速度传感器、振动传感器、传声器(麦克风)等直接获得信号;参考信号可以是单独1路信号,也可以是多路信号k个,记作xk(f),k=1,…k;

自适应滤波器,用于对参考信号进行滤波产生控制信号,第二信号发生器产生的参考信号经过自适应滤波器的进行滤波,产生控制信号cl(f),cl(f)=w*x(f);自适应滤波器w是l×k路滤波器组;滤波器组中每个滤波器是多阶的fir或者iir滤波器;自适应滤波器的系数是变化的,由参考信号、次级通道的传递函数、剩余噪声信号的大小等决定;自适应滤波器可以是lms,rls等滤波器;实时更新滤波器系数wn+1=wn+κ×δw(xk,em,hml1),其中δw(xk,em,hml1)是关于参考信号、次级通道的传递函数、剩余噪声信号的函数;

功率监测模块,用于比较控制信号和最大输出幅度;

功率压缩模块,用于在控制信号大于最大输出幅度的最大值时,对控制信号进行功率压缩;如果控制信号cl(f)≤max(aml(f)),输出信号不经过功率压缩,直接通过数字模拟转换电路,并经过功放馈给扬声器单元;如果控制信号cl(f)>max(aml(f)),输出信号需要经过功率压缩,压缩比为cl(f)/max(aml(f));

增益控制模块,用于在控制信号不大于最大输出幅度的最大值时,设定自适应滤波器的增益因子为1;在控制信号大于最大输出幅度的最大值时,设定自适应滤波器的增益因子为最大输出幅度的最大值与控制信号的比值;如果控制信号cl(f)≤max(aml(f)),表明控制信号处于正常范围,增益因子κ=1;如果控制信号cl(f)>max(aml(f)),滤波器的系数需要进行增益变化,即滤波器系数缩小,乘以增益因子κ=max(aml(f))/cl(f);

固定系数滤波器,用于对参考信号进行滤波,将第二信号发生器产生的参考信号进行滤波,滤波器表征的频率响应是估计得到的次级通道的传递函数,其系数是固定不变的;滤波后的信号馈给乘法模块,用作自适应滤波器的系数更新迭代;

乘法模块,用于将模数转换模块输出的音频信号和固定系数滤波器滤波后的参考信号相乘以用于自适应滤波器的系数更新迭代。

该降噪装置还包括模式选择开关,降噪装置具有正常运作模式和参数调试模式,当处于正常运作模式时,功率压缩模块输出的信号馈给模数转换模块,麦克风采集的声响应信号馈给乘法模块;当处于参数调制模式时,第一信号发生器的扫频信号馈给数模转换模块,麦克风采集的声响应信号馈给脉冲响应计算模块。模式选择开关的数量为两个,其中一个模式选择开关和功率压缩模块的输出端、第一信号发生器的输出端电性连接并和数模转换模块的输入端电性连接,另一个模式选择开关和m个麦克风电性连接并和乘法模块的输入端、脉冲响应计算魔块的输入端电性连接。

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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