CN101031957A - 能动型振动噪音控制装置 - Google Patents

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Abstract

在前座的评价点设置麦克风(101)，从前座的扬声器(103)发送用以控制该位置的振动噪音的信号，同时从后座的扬声器(104)发送用于消除前座的次级声对于后座的影响的次级声，并且在后座的评价点设置麦克风(102)，从扬声器(104)发送用以控制该位置的振动噪音的次级声，同时从前座的扬声器(103)发送用以消除后座的次级声对于前座的影响的次级声。

Description

能动型振动噪音控制装置
技术领域
本发明涉及能动型振动噪音控制装置，其通过输出次级声(secondarysound)，彼此干扰消除诸如车厢内或飞机内的客舱内等发生的噪音。
背景技术
作为现有的能动型振动噪音控制装置，在特开第2005-084500号公报中揭示了，在车厢内等的密闭空间，设置作为次级声发生部的多个扬声器和作为误差信号检测部的麦克风，通过使用补偿滤波器在与麦克风相分离的位置抑制噪音，从而能动地降低模拟评价点的噪音的装置。
该现有的装置，如图4所示，使用作为次级声发生部的多个扬声器11、12。然后，通过来自前座的扬声器11的次级声和来自后座的扬声器12的次级声、逐次更新适应型滤波器14的滤波器系数，以使通过作为评价点的麦克风13检测出的误差信号变为最小，从而可以获得评价点处的最佳的振动噪音抑制性能。
而且，补偿滤波器15的滤波器系数，基于从前座的扬声器11到设定在与麦克风13相分离的位置的后座的模拟评价点的传输特性与，从后座的扬声器12到模凝评价点的传输特性之比而求出。因此，在后座的模拟评价点处，可以通过来自后座的扬声器12的次级声消除来自前座的扬声器11的次级声，从而可以抑制由于前座的扬声器11而在后座的模拟评价点发生的振动或噪音。
但是，通过补偿滤波器15来自后座的扬声器12输出的次级声仅可以消除模拟评价点处的来自前座扬声器11的输出信号对于模拟评价点的影响。即在模拟评价点处，由于没有麦克风等误差信号检测部，无法检测到残留的振动噪音即误差信号，因此无法跟随模拟评价点的噪音的变化。因此，在由于扬声器的特性变化或车窗的开关等的因素而引起从扬声器到模拟评价点的传输特性变化的情况下，模拟评价点处无法获得有效的降低噪音的效果。
发明内容
本发明的能动型振动噪音控制装置包括：基准信号产生部，生成从引擎等的噪音源所发生的噪音的频率中所选择的谐波的基准信号；第一适应型滤波器，基于基准信号输出第一控制信号；第二适应型滤波器，基于基准信号输出第二控制信号；第一次级声发生部，基于第一控制信号生成消除噪音的次级声；第二次级声发生部，基于第二控制信号生成消除噪音的次级声；第一误差信号检测部和第二误差信号检测部，检测次级声和噪音的干扰结果作为误差信号；第一补正滤波器，以模拟从第一次级声发生部到第一误差信号检测部的传输特性的特性处理基准信号，并输出第一参照信号；第二补正滤波器以模拟从第二次级声发生部到第二误差信号检测部的传输特性的特性处理基准信号，并输出第二参照信号；第一滤波器系数更新部，基于第一参照信号和来自第一误差信号检测部的误差信号更新第一适应型滤波器的系数；第二滤波器系数更新部，基于第二参照信号和来自第二误差信号检测部的误差信号更新第二适应型滤波器的系数。能动型振动噪音控制装置还包括根据各自的滤波器系数补正第一控制信号和第二控制信号，并分别输出第一补偿信号和第二补偿信号的第一补偿滤波器和第二补偿滤波器。第一次级声发生部输出从第一适应型滤波器输出的第一控制信号和从第二适应型滤波器输出的由第二补偿滤波器补正的第二补偿信号的和作为次级声。第二次级声发生部输出从第二适应型滤波器输出的第二控制信号和从第一适应型滤波器输出的并经由第一补偿滤波器补正的第一补偿信号的和作为次级声。第一补偿滤波器的滤波器系数，基于从第一次级声发生部到第二误差信号检测部的传输特性与从第二次级声发生部到第二误差信号检测部的传输特性之比而得到。第二补偿滤波器的滤波器系数，基于从第二次级声发生部到第一误差信号检测部的传输特性与从第一次级声发生部到第一误差信号检测部的传输特性之比而得到。
通过该构成，可以降低车厢内等的密闭空间的全部区域的振动或噪音。而且，即使在从次级声发生部到误差信号检测部的传输特性变化的情况下，也可以跟随并降低振动或噪音。
附图说明
图1为表示本发明的实施例1的能动型振动噪音控制装置的构成的示意图，为在安装于车辆的状态下的平面图。
图2为表示本发明的实施例1的能动型振动噪音控制装置的构成的实例的框图。
图3为表示本发明实施例2的SAN型能动型振动噪音控制装置的构成的实例的框图。
图4为表示现有的能动型振动噪音控制装置的构成的框图。
附图标记说明
101，102    麦克风(误差信号检测部)
103，104    扬声器(次级声发生部)
105a，105b  补正滤波器
106         控制部
107a，107b  基准信号产生部
108a，108b  适应型滤波器
109a，109b  补偿滤波器
110         引擎ECU
111a，111b  滤波器系数更新部
112         汽车
113         车厢
120         余弦波发生器
121         正弦波发生器
具体实施方式
下面，参照本发明的附图说明本发明的实施例。
(实施例1)
图1是表示本发明的实施例1中能动型振动噪音控制装置的构成的示意图，其为安装于车辆上的状态下的平面图。在汽车112的前进方向的前部，安装使用诸如汽油作为燃料的4缸4行程(cycle)内燃机(下文中内燃机称为“引擎”)。引擎是车辆中主要的噪声源。在车厢113内安装有能动型振动噪音控制装置。本实施例中的能动型振动噪音控制装置具有控制部106，由2组扬声器103、104组成的次级声发生部，由2个麦克风101、102组成的误差信号检测部。
如图所示，能动型振动噪音控制装置设置有：控制部106、容纳于前座两侧的门板内的作为第一次级声发生部的1组扬声器103、容纳于后座两侧的门板内的作为第二次级声发生部的1组扬声器104、埋设于前座中央的正上部位置处的顶板内的作为第一误差信号检测部的麦克风101、埋设于后座中央的正上部位置处的顶板内的作为第二误差信号检测部的麦克风102。控制部106为一种微型计算机(microcomputer)，包括CPU、存储器、计数器(counter)等(未图示)。
引擎具有与其连接的引擎电气控制部(下文中也称为引擎ECU)110。由点火信号产生表示引擎转速的脉冲信号，即NE脉冲并发送到控制部106。控制部106由输入的脉冲信号产生通过引擎转速选择的谐波频率，诸如第二谐波，作为基准信号。
车厢内噪音的主要因素为低沉声音，低沉声音为由引擎气缸内的气体燃烧所产生的引擎的振动传输到车体并激励(excite)车体的面板所发出的声音。通常，低沉声音的频率相当于4气缸引擎的引擎转速的约2倍、6气缸引擎的3倍。因此，低沉声音的频率依安装引擎的气缸数而不同并基于引擎转速的谐波。低沉声音主要由引擎导致，并与引擎的转动同步，因此可以根据在汽车上安装的引擎ECU110发生的脉冲信号确定基准信号的周期。
图2为表示本发明实施例1的能动型振动噪音控制装置的构成的实例的框图。
如图所示，能动型振动噪音控制装置具有控制部106、作为第一次级声发生部的1组扬声器103、作为第二次级声发生部的1组扬声器104、作为第一误差信号检测部的麦克风101，以及作为第二误差信号检测部的麦克风102。
控制部106包括；基于来自引擎ECU110的输入信号，生成第一基准信号的第一基准信号产生部107a和生成第二基准信号的第二基准信号产生部107b；输入从第一基准信号产生部107a输出的第一基准信号并将第一控制信号X0输出到扬声器103的第一适应型滤波器108a；输入从第二基准信号产生部107b输出的第二基准信号并将第二控制信号X1输出到扬声器104的第二适应型滤波器108b；输入第一控制信号X0并输出第一补偿信号的第一补偿滤波器109a；输入第二控制信号X1并输出第二补偿信号的第二补偿滤波器109b；输入第一基准信号并输出第一参照信号的第一补正滤波器105a；输入第二基准信号并输出第二参照信号的第二补正滤波器105b；根据第一参照信号和来自麦克风101的误差信号更新第一适应型滤波器108a的系数的第一滤波器系数更新部111a；以及根据第二参照信号和来自麦克风102的误差信号更新第二适应型滤波器108b的系数的第二滤波器系数更新部111b。
接着说明如上述那样构成的本实施例的能动型振动噪音控制装置的动作。
与引擎的转动同步的电气信号，即引擎脉冲从引擎ECU110输入到控制部106。然后，控制部106基于该信号决定要由基准信号产生部107a、107b输出的第一和第二基准信号的频率，即车厢内要消除的噪音的频率。这些基准信号可以相同。引擎脉冲可以通过上止点传感器(下面称为TDC传感器)的输出信号或转速器脉冲(tachopulse)计算。特别地，转速器脉冲经常作为转速器的输入信号提供于车辆侧，因此通常不需要设置特别的装置。
第一基准信号乘以第一适应型滤波器108a的滤波器系数W0得到第一控制信号X0，之后通过信号放大器(未图示)放大。接着，第一控制信号X0输入到作为第一次级声发生部的扬声器103，并作为用以降低评价点噪音的次级声从扬声器103发出，其中在评价点上设置有作为第一误差信号检测器的麦克风101。
同样地，第二基准信号乘以第二适应型滤波器108b的滤波器系数W1得到第二控制信号X1，并通过信号放大器(未图示)放大。然后，第二控制信号X1输入到作为第二次级声发生部的扬声器104，并作为用以降低评价点噪音的次级声从扬声器104发出，其中在评价点上设置有作为第二误差信号检测器的麦克风102。
另一方面，第一控制信号X0乘以第一补偿滤波器109a的滤波器系数F0得到第一补偿信号，加上第二控制信号X1，之后通过信号放大器(未图示)放大。然后，第一补偿信号输入到作为第二次级声发生部的扬声器104，并作为用以抵消不必要的次级声的次级声而从扬声器104发出，其中不必要的次级声是由于从扬声器103输出的次级声对于作为评价点的麦克风102的影响而产生的，即其是由于图2所示的路径C01而产生的。
同样地，第二控制信号X1乘以第二补偿滤波器109b的滤波器系数F1得到第二补偿信号，加上第一控制信号X0，之后通过信号放大器(未图示)放大。然后，第二补偿信号输入到作为第一次级声发生部的扬声器103，并作为用以抵消不必要的次级声的次级声而从扬声器103发出，其中不必要的次级声是由于从扬声器104输出的次级声对于作为评价点的麦克风101的影响而产生的，即其是由于图2所示的C10的路径而产生的。
麦克风101、102通过电线与控制部106相连接，检测噪音并传送检测值到控制部106。控制部106基于这些输入值，使用第一和第二适应型滤波器108a、108b以及第一和第二补偿滤波器109a、109b，为降低噪音计算第一和第二控制信号X0、X1。然后，第一和第二控制信号X0、X1分别变换为2组扬声器103、104的驱动信号，通过电线从2组扬声器103、104输出用以抵消噪音的次级声。这种情况下，前座侧的2个扬声器103分别由相同的驱动信号驱动，同样地后座侧的2个扬声器104也分别由相同的驱动信号驱动。另外，四个扬声器103、104兼用作车载的音频装置的扬声器。
然后，说明第一补正滤波器105a和第二补正滤波器105b的动作。如图2所示，设定第一补正滤波器105a的滤波器系数为c^0，第二补正滤波器105b的滤波器系数为c^1，从前座的扬声器103到前座麦克风101的传输特性为C00，从前座的扬声器103到后座的麦克风102的传输特性为C01，从后座的扬声器104到前座的麦克风101的传输特性为C10、从后座的扬声器104到后座的麦克风102的传输特性为C11。
如上所述，通过分别设定各构成的传输特性，到达前座的麦克风101时，来自前座的扬声器103的次级声Y0可以表示为Y0＝(X0+F1·X1)·C00。同样地，到达前座的麦克风101时，来自后座的扬声器104的次级声Y1可以表示为Y1＝(X1+F0·X0)·C10。
另外，到达后座的麦克风102时，来自前座的扬声器103的次级声Y3可以表示为Y3＝(X0+F1·X1)·C01。同样地，到达后座的麦克风102时，来自后座的扬声器104的次级声Y4可以表示为Y4＝(X1+F0·X0)·C11。
通过麦克风101加上上述各次级声并输入到第一滤波器系数更新部111a，因此第一滤波器系数更新部111a的输入信号(Y0+Y1)通过下式表示。
Y0+Y1＝(X0+X1·F1)·C00+(X1+X0·F0)·C10
     ＝(C00+F0·C10)·X0+(C10+F1·C00)·X1    ……(1)
此处，为了渐次降低麦克风101的噪音，设计第一补正滤波器105a的滤波器系数c^0以示出从第一适应型滤波器108a的输出X0到第一滤波器系数更新部111a的传输特性。如此定义该滤波器系数c^0时，第一补正滤波器105a的第一滤波器系数c^0在式(1)中仅影响第一控制信号X0有贡献的项，因此可以通过下式表示。
c^0＝(C00+F0·C10)                            ……(2)
同样地，通过麦克风102加上上述各次级声并输入到第二滤波器系数更新部111b，因此第二滤波器系数更新部111b的输入信号(Y3+Y4)用下式表示。
Y3+Y4＝(C01+F0·C11)·X0+(C11+F1·C01)·X1    ……(3)
此处，同样地，为了渐次降低麦克风102的噪音，设计第二补正滤波器105b的滤波器系数c^1以表示从第二适应型滤波器108b的输出X1到第二滤波器系数更新部111b的传输特性。当如此定义该滤波器系数c^1时，第二补正滤波器105b的滤波器系数c^1在式(3)中仅影响第二控制信号X1有贡献的项，因此可以表示为下式。
c^1＝C11+F1·C01                              ……(4)
这样，对于本实施例的能动型振动噪音控制装置，设计第一补正滤波器105a的补正值为(C00+F0·C10)，其中C00为从前座侧的扬声器103到前座侧的麦克风101的传输特性，F0为补偿滤波器109a的滤波器系数并且C10为从后座侧的扬声器104到前座侧的麦克风101的传输特性。并且设计第二补正滤波器105b的补正值为(C11+F1·C01)，其中C11为从后座侧的扬声器104到后座侧的麦克风102的传输特性，F1为补偿滤波器109b的滤波器系数并且C01为从前座侧的扬声器103到后座側的麦克风102的传输特性。
而且，在本实施例的能动型振动噪音控制装置中，在前座的评价点设置作为第一误差信号检测部的麦克风101，从前座的扬声器103发送控制该位置的振动噪音的信号，同时从后座的扬声器104发送用以消除前座的次级声对后座的影响的次级声；并且在后座的评价点设置作为第二误差信号检测部的麦克风102，从后座的扬声器104发送控制该位置的振动噪音的信号，同时从前座的扬声器103发送用以消除后座次级声对于前座的影响的次级声。
为了如此使该能动型振动噪音控制装置动作，设计补偿滤波器109a、109b的滤波器系数F0、F1以满足下面的式(5)和式(6)。
C01＝-C11·F0                 ……(5)
C10＝-C00·F1                 ……(6)
这样，通过如此设计各补偿滤波器109a、109b，式(1)和式(3)分别表示如下。
Y0+Y1＝(C00+F0·C10)·X0
     ＝c^0·X0                ……(7)
Y3+Y4＝(C11+F1·C01)·X1
     ＝c^1·X1                ……(8)
如式(7)、式(8)所示，从麦克风101输入到第一滤波器系数更新部111a的信号(Y0+Y1)仅根据第一控制信号X0而变化。同样地，从麦克风102输入到第二滤波器系数更新部111b的信号(Y3+Y4)仅根据第二控制信号X1而变化。因此，通过如上述那样设计补偿滤波器109a、109b，可以抑制在降低前座侧的噪音时在后座侧发生的噪音，以及在降低后座侧的噪音时在前座侧发生的噪音。
如上所述，在本实施例的能动型振动噪音控制装置中，第一补偿滤波器109a的滤波器系数F0基于从作为第一次级声发生部的扬声器103到作为第二误差信号检测部的麦克风102的传输特性C01，与从作为第二次级声发生部的扬声器104到作为第二误差信号检测部的麦克风102的传输特性C11之比而得到。另外，第二补偿滤波器109b的滤波器系数F1基于从作为第二次级声发生部的扬声器104到作为第一误差信号检测部的麦克风101的传输特性C10，与从作为第一次级声发生部的扬声器103到作为第一误差信号检测部的麦克风101的传输特性C00之比而得到。
但是，第一适应型滤波器108a的滤波器系数W0，通过第一滤波器系数更新部111a，基于从第一补正滤波器105a输出的第一参照信号和来自麦克风101的误差信号而逐次更新。另外第二适应型滤波器108b的滤波器系数W1，通过第二滤波器系数更新部111b，基于从第二补正滤波器105b输出的第二参照信号和来自麦克风102的误差信号而逐次更新。本实施例中，使用通常地作为滤波器系数更新部的算法(algorithm)的一种最速下降法(steepest descent method)的LMS(Least Mean Square：最小均方)，更新滤波器系数W0和W1。将作为第一补正滤波器105a的输出第一参照信号设定为r0，作为第二补正滤波器105b的输出第二参照信号设定为r1，将从麦克风101得到误差信号设定为e0，将从麦克风102得到的误差信号设定为e1。然后，将LMS使用的作为微小值的步长参数(step sizeparameter)设定为μ，这样的话滤波器系数W0(n+1)和W1(n+1)可以通过下面的式(9)和式(10)递归地表示。
W0(n+1)＝W0(n)-μ·e0(n)·r0(n)    ……(9)
W1(n+1)＝W1(n)-μ·e1(n)·r1(n)    ……(10)
通过该方法，根据适应型控制，滤波器系数W0、W1可以递归地收敛到最佳值，从而使得误差信号e0、e1变小，即使得作为噪音抑制部的麦克风101和102的噪音减小。
如上所述，本实施例的能动型振动噪音控制装置，在从扬声器103、104到麦克风101、102的位置的各传输特性变化的情况下也可以跟随噪音的变化从而降低噪音。而且不仅降低前座处的振动噪音，还可以降低车厢内全部区域的(前座和后座)的振动噪音。
另外，本实施例的能动型振动噪音控制装置具有两个次级声发生部和两个误差信号检测部，但是其各为三个或其以上也是可以的。这样的构成亦使得即使在次级声发生部和误差信号检测部之间的传输特性分别变化的情况下，也可以跟随噪音的变化从而降低噪音。因此，可以在更广的范围内降低噪音。
(实施例2)
下面说明本发明实施例2的能动型振动噪音控制装置。本实施例的能动型振动噪音控制装置构成为，将补正滤波器和补偿滤波器的滤波器系数按照各个频率预先求出后存储在存储器内，并使其可以根据基准信号的频率自由检索(free retrieval)。图3中基准信号在分解为正弦波和余弦波的状态下画出，其余构成均与图2的相同。
图3为表示本实施例的能动型振动噪音控制装置的构成的框图。如图所示，从引擎ECU110，NE脉冲从控制部106送出。与引擎转动同步的低沉声音具有窄频带，即与正弦波的波形近似，该频率的低沉声音可以以正弦波(sin波)和余弦波(cos波)的和表示出来。即低沉声音通过正弦波和余弦波的和表示出来，与其对应基于引擎ECU110生成的基准信号也同样地可以分解为正弦波和余弦波而生成。
如图3所示，从余弦波发生器120输出的基准信号的余弦波成分和从正弦波发生器121输出的正弦波成分如图3那样分别乘以信号传输特性的系数C0、C1、C2、C3，并通过加法器相加以生成参照信号。像前述那样，参照信号乘以误差信号e0(n)、e1(n)和步长参数μ，并从适应型滤波器108a、108b的滤波器系数W0a、W0b、W1a、W1b的当前值减去所得的积以算出W0a、W0b、W1a、W1b的下回值(参照式(9)、(10))。
来自适应型滤波器108a、108b的输出分别通过加法器相加，并从作为次级声发生部的扬声器103、104输出。补偿信号也同样，如图3所示，其正弦波和余弦波分别乘以补偿滤波器的系数F0、F1、F2、F3，并分别通过加法器相加。
通过该构成，本实施例的能动型振动噪音控制装置，即使在从扬声器103、104到麦克风101、102的位置的各传输特性变化的情况下，也可以跟随噪音的变化从而降低噪音。另外，不仅可以减小前座的振动噪音，还可以减小车厢内全部区域(前座和后座)的振动噪音。
此处，本方法为，将在除去窄频带的频率的低沉声音时所使用的陷波滤波器利用于适应控制算法，并通过数字信号处理使得与正交信号的系数相对应的滤波器系数W0a、W0b和W1a、W1b跟随引擎转速的变化，该方法也称为SAN(Single-Frequency Adaptive Notch：单频自适应陷波)方法。通过该构成，可以减小运算部的负荷，因此可以通过使用低价的微处理芯片等而实现，而不用高价的DSP。
工业适用性
本发明的能动型振动噪音控制装置，通过使用多个作为次级声输出部的扬声器和多个作为误差信号检测部的麦克风，不仅可以降低车厢内的一部分的振动噪音，也可以降低包含前座和后座的车厢内全部区域的振动噪音，因此可以适用于汽车等。

Claims (1)

1.一种能动型振动噪音控制装置，其包括：
基准信号产生部，用以生成从引擎等噪声源发生的噪音的频率中选择的谐波的基准信号，
第一适应型滤波器，基于所述基准信号输出第一控制信号，
第二适应型滤波器，基于所述基准信号输出第二控制信号，
第一次级声发生部，基于所述第一控制信号发生消除所述噪音的次级声，
第二次级声发生部，基于所述第二控制信号发生消除所述噪音的次级声，
第一误差信号检测部和第二误差信号检测部，用以检测作为误差信号的所述次级声和所述噪音的干扰结果，
第一补正滤波器，以模拟从所述第一次级声发生部到所述第一误差信号检测部的传输特性的特性处理所述基准信号并输出第一参照信号，
第二补正滤波器，以模拟从所述第二次级声发生部到所述第二误差信号检测部的传输特性的特性处理所述基准信号并输出第二参照信号，
第一滤波器系数更新部，基于所述第一参照信号和来自于所述第一误差信号检测部的误差信号更新所述第一适应型滤波器的系数，
第二滤波器系数更新部，基于所述第二参照信号和来自于所述第二误差信号检测部的误差信号更新所述第二适应型滤波器的系数，其中
所述能动型振动噪音控制装置包括，将所述第一控制信号和所述第二控制信号通过各滤波器系数补正，并输出第一补偿信号和第二补偿信号的第一补偿滤波器和第二补偿滤波器，而且
所述第一次级声发生部将从所述第一适应型滤波器输出的所述第一控制信号，与从所述第二适应型滤波器输出并经所述第二补偿滤波器补正的所述第二补偿信号的和作为次级声输出，
所述第二次级声发生部将从所述第二适应型滤波器输出的所述第二控制信号，与从所述第一适应型滤波器输出并经所述第一补偿滤波器补正的所述第一补偿信号的和作为次级声输出，
所述第一补偿滤波器的滤波器系数基于从所述第一次级声发生部到所述第二误差信号检测部的传输特性与从所述第二次级声发生部到所述第二误差信号检测部的传输特性之比而得到，以及
所述第二补偿滤波器的滤波器系数基于从所述第二次级声发生部到所述第一误差信号检测部的传输特性与从所述第一次级声发生部到所述第一误差信号检测部的传输特性之比而得到。
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