CN105051810A - 来自多个旋转设备的谐波噪声的主动降低 - Google Patents

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Abstract

一种用于通过接收具有与两个或更多旋转设备的旋转速率相关的频率的输入信号、并且致使一个或多个扬声器产生在与由所述旋转设备导致的噪声大约相同的频率处的并且具有基本上相反相的声音而降低所述噪声的系统和方法。存在与每个旋转设备相关联的噪声消除器。每个噪声消除器包括谐波频率计算器，其计算并且向生成输出正弦波的正弦谐波生成器提供谐波频率。每个噪声消除器还具有自适应滤波器以产生被用来驱动一个或多个换能器以减小由旋转设备导致的噪声的降噪信号。存在重叠检测器，其比较所述谐波频率并且基于它们的接近度而改变一个或多个自适应滤波器的操作。

Description

来自多个旋转设备的谐波噪声的主动降低
技术领域
本公开涉及来自两个或更多旋转设备的谐波噪声的主动降低。
背景技术
发动机谐波消除系统是在机动车中(例如在车厢中或者在消声器组件中)使用的自适应前馈降噪系统，以用来降低或消除发动机谐波噪声。在待被消除的频率处的正弦波被用作自适应滤波器的输入。发动机谐波消除系统还使用一个或多个麦克风作为误差输入换能器。自适应滤波器可以改变输入正弦波的幅度和/或相位。自适应滤波器的输出被应用到产生声音的一个或多个换能器(即扬声器)，该声音与待被消除的不理想的发动机谐波声学相反。本系统的目标是通过自适应地最小化跨所有的误差麦克风输入信号的总能量而消除在感兴趣的频率或多个频率处的噪声。为了这样做，扬声器输出具有负增益。
谐波噪声消除系统还被用来消除或降低由除了发动机之外的其它旋转设备导致的噪声。机动车中的一个附加的噪声源是螺桨轴，其也被称为驱动轴。因为齿轮传动装置被用来将发动机旋转传递为螺桨轴旋转，螺桨轴旋转速率相对于发动机旋转速率不是固定的。发动机和螺桨轴因而可以是在不同频率处的车厢中的噪声源。
为了消除来自发动机和螺桨轴两者的噪声，降噪系统需要两个前馈自适应滤波器。当在被消除的两个频率重合或者靠近时，滤波器的稳定裕度可能会受到损害。这增加了滤波器算法的发散的可能性，其可导致响亮且明显的噪声伪影的产生。
发明内容
本公开的系统和方法用来降低可听的伪影是有效的，该伪影可在被消除的两个频率彼此过于靠近时由自适应前馈降噪系统产生。这可以通过确定被消除的频率的接近度并且基于该接近度改变一个或多个自适应滤波器的操作而实现。
以下提及的所有示例和特征可以以任何技术上可行的方式进行结合。
在一个方面，一种用于通过接收具有与多个旋转设备的旋转速率相关的频率的多个输入信号、并且致使一个或多个扬声器产生在与由旋转设备导致的噪声大约相同的频率处的并且具有基本上相反相的声音而降低噪声的系统，该系统包括多个噪声消除器，每个噪声消除器包括谐波频率计算器和自适应滤波器，该谐波频率计算器从输入信号计算谐波频率并且向生成输出正弦波的正弦谐波生成器提供谐波频率，该自适应滤波器使用正弦波来产生被用来驱动一个或多个换能器的降噪信号，其中该一个或多个换能器的输出被引导以降低由旋转设备导致的噪声。还存在重叠检测器，其比较谐波频率并且基于谐波频率的接近度而改变自适应滤波器中的一个或多个的操作。
各个实施例可以包括以下特征中的一个，或者其任意组合。重叠检测器可以通过改变自适应滤波器的一个或多个可变参数的值而改变一个或多个自适应滤波器的操作；可变参数可以包括自适应滤波器的自适应步长，其中该步长在频率的接近度靠近时被减小。例如，当两个输入信号频率大致上重合时，自适应步长可以被减小大约一半。该系统还可以包括存储频率的接近度与自适应滤波器参数的值的产生的变化之间的关系的计算机存储器。换能器输出可以被引导到机动车的车厢中。旋转设备可以是车辆发动机以及车辆螺桨轴。
在另一方面，一种用于通过接收具有与机动车的多个旋转设备的旋转速率相关的频率的多个输入信号、并且致使一个或多个扬声器产生在与由旋转设备导致的噪声大约相同的频率处的并且具有基本上相反相的声音而降低噪声的系统，该系统包括多个噪声消除器，每个噪声消除器包括谐波频率计算器和自适应滤波器，该谐波频率计算器从输入信号计算谐波频率并且向生成输出正弦波的正弦谐波生成器提供谐波频率，该自适应滤波器使用正弦波来产生被用来驱动一个或多个换能器的降噪信号，其中该一个或多个换能器的输出被引导以便于降低由旋转设备导致的车厢中的噪声。存在重叠检测器，其比较谐波频率并且基于谐波频率的接近度而改变自适应滤波器中的一个或多个的操作，其中该重叠检测器通过改变自适应滤波器的一个或多个可变参数的值而改变自适应滤波器中的一个或多个的操作，其中可变参数包括自适应滤波器的自适应步长，并且该步长在频率的接近度靠近时被减小。计算机存储器存储频率的接近度与自适应滤波器参数的值的产生的变化之间的关系。旋转设备可以是车辆发动机以及车辆螺桨轴。
在又一方面，一种用于操作主动降噪系统的方法，主动降噪系统被适配为降低由多个旋转设备导致的噪声，其中存在具有与旋转设备的旋转速率相关的频率的系统输入信号，并且其中主动降噪系统包括与输入信号中的每个输入信号相关联的单独的自适应滤波器，自适应滤波器具有影响其输出的调整参数，自适应滤波器输出被用来驱动一个或多个换能器的降噪信号，其中该一个或多个换能器的输出被引导以降低由旋转设备导致的噪声，该方法包括：确定输入信号的频率的接近度，并且基于输入信号的频率的所确定的接近度而改变一个或多个可变参数的值。
各个实施例可以包括以下特征中的一个，或者其任意组合。该方法可以进一步包括在计算机存储器中存储频率的接近度与自适应滤波器参数的值的产生的变化之间的关系。可变参数可以包括自适应滤波器的自适应步长，并且步长在频率的接近度靠近时可以被减小。当两个输入信号频率大致上重合时，自适应步长可以被减小大约一半。可变参数的值可以被计算并且提供至自适应滤波器。这些频率的接近度可以由重叠检测器所确定，该重叠检测器提供控制信号以影响可变参数的值的计算。换能器输出可以被引导到机动车的车厢中。旋转设备可以包括车辆发动机以及车辆螺桨轴。
在另一方面，一种用于操作主动降噪系统的方法，主动降噪系统被适配为降低由机动车的多个旋转设备导致的噪声，其中存在具有与旋转设备的旋转速率相关的频率的系统输入信号，并且其中主动降噪系统包括与输入信号中的每个输入信号相关联的单独的自适应滤波器，自适应滤波器具有影响其输出的调整参数，自适应滤波器输出被用来驱动一个或多个换能器的降噪信号，其中它们的输出被引导到机动车的车厢中以便于减小由旋转设备导致的车厢中的噪声，该方法包括确定输入信号的频率的接近度。一个或多个可变参数的值基于输入信号的频率的所确定的接近度而被改变，其中可变参数包括自适应滤波器的自适应步长，并且步长在频率的接近度靠近时被减小，其中可变参数的值被计算并且被提供至自适应滤波器，并且其中频率的接近度由重叠检测器确定，重叠检测器提供控制信号以影响可变参数的值的计算。计算机存储器存储频率的接近度与自适应滤波器参数的值的产生的变化之间的关系。旋转设备可以是车辆发动机以及车辆螺桨轴。
附图说明
图1是可以被用来实现本发明的系统、设备和方法的谐波消除系统的示意性框图。
图2图示了车厢中的噪声。
具体实施方式
附图中的图1的元素作为框图中的离散元素被示出及描述。这些可以被实施为一个或多个模拟电路或者数字电路。可替代地或者附加地，它们可以利用执行软件指令的一个或多个微处理器来实现。该软件指令可包括数字信号处理指令。通过模拟电路或通过微处理器执行进行模拟运算的等效物的软件，可以执行各种操作。信号线可以被实施作为离散模拟或数字信号线，作为具有能够处理单独信号的适当信号处理的离散数字信号线，作为多路复用数字信号总线，和/或作为无线通信系统的元件。
当处理在框图中被表示或者被暗指时，这些步骤可以被一个元件或者多个元件执行。这些步骤可以被一起执行或者在不同时间执行。执行活动的元件可以在物理上相同的或者接近于彼此，或者可以在物理上分开。一个元件可以执行多于一个框的动作。音频信号可以被编码或不被编码，并且可以以数字或者模拟的形式进行传输。在一些情况下从附图中省略了传统的音频信号处理装置和运作。
图1是体现了本公开发明的谐波噪声消除系统10的简化示意图。该非限制性示例系统10被设计为消除在机动车的车厢中的发动机噪声和螺桨轴噪声两者。然而，系统10可以被用来降低源于任意两个或更多旋转设备(例如，电动机)的谐波噪声。系统10还可以被用来在除了机动车之外的地方以及在除了机动车车厢之外的空间中降低谐波噪声。作为一个非限制性示例，系统10可被用来消除发动机谐波、螺桨轴谐波和由于机动车中的空调压缩机造成的谐波。在图1中，信号流以实线箭头指示并且控制信号由具有箭头的虚线/点线指示。
在该情况下，系统10具有两个平行的谐波噪声消除器：发动机噪声消除器44降低或消除在车厢12中的发动机谐波噪声，而螺桨轴噪声消除器46降低或消除在车厢12中的螺桨轴谐波噪声。每个消除器可以被实施作为用来实现自适应滤波器的数字信号处理器中的计算机代码。在该非限制性示例中，自适应算法是滤波的x自适应算法。然而，如将对本领域技术人员来说明显的是，这并不是对本发明的限制，因为也可以使用其它自适应算法。
每个消除器44和46计算来自输入RPM的待被消除的谐波频率：消除器44具有以发动机RPM作为输入的谐波频率计算器24，并且消除器46具有以螺桨轴RPM作为输入的谐波频率计算器31。每个消除器具有生成在待被消除的频率处的正弦波的正弦谐波生成器(相应地为25和32)。正弦波生成器25和32被输入有基于来自待被消除的旋转设备的输入而计算出的谐波频率。自适应滤波器20和36相应地向一个或多个输出换能器14供应换能器驱动信号，该一个或多个输出换能器14使得它们的输出被导向车厢12中。在换能器的输出之后的剩余噪声(如由车厢传递函数16所修改的)与车厢中的发动机噪声和螺桨轴噪声结合并且由输入误差换能器(例如，麦克风)18所拾取。
正弦波生成器25向自适应滤波器20提供降噪参考信号，该降噪参考信号包括待使用自适应滤波器20而被消除的发动机频率的谐波。正弦波生成器25的输出(其被称为“x信号”)也被提供至建模的车厢传递函数26，以用来产生经滤波的x信号。经滤波的x信号和麦克风输出信号被一起相乘27，并且作为控制输入被提供至自适应滤波器20。类似地，正弦波生成器32向自适应滤波器36提供降噪参考信号，该降噪参考信号包括待使用自适应滤波器36而被消除的螺桨轴频率的谐波。正弦波生成器32的输出也被提供至建模的车厢传递函数33，以用来产生经滤波的x信号。经滤波的x信号和麦克风输出信号被一起相乘38，并且作为控制输入被提供至自适应滤波器36。本领域技术人员能很好地理解自适应前馈谐波噪声消除系统的运作。
重叠检测器42从频率计算器24和31接收作为控制信号的将要被消除的谐波频率，并且做出何时这些品类足够接近以影响稳定裕度的决定。如果如此，其致使自适应滤波器以自动地改变自适应算法的一个或多个变量的值。在经滤波的x自适应算法被使用的情况下，被改变的变量可以是自适应步长和泄漏参数中的一者或两者。在自适应算法中的自适应步长和泄漏在美国专利8,194,873、8,204,242、8,355,512和8,306,240中被公开，其公开内容通过引用而被并入本文。
更一般地，具有维持稳定裕度从而保持系统的性能接近将利用单个消除器得到的性能的目标，由系统对一个或多个滤波算法做出改变。当重叠发生时性能可以被维持到可接受的水平的原因在于多个消除器在相同的频率区域工作而不是一个消除器。通常，检测器可以具有多个重叠的度，针对每一个其可以具有从合适的自适应算法参数的预定值中选择的能力。
作为一个非限制性示例：如果螺桨轴消除器被设置为消除一阶螺桨轴谐波频率并且螺桨RPM是3000，该一阶螺桨谐波频率是50Hz(1*3000/60)。如果发动机消除器被设置为消除1.5阶发动机谐波频率并且在现在的齿轮中发动机RPM是2000，该1.5阶发动机频率将会是50Hz(1.5*2000/60)。在该示例中，待被消除的两个频率完全相同，所以自适应滤波器20和36两者将产生相同的消除频率。发动机频率和螺桨频率重叠的度将随着齿轮比而变化，或者在相同的齿轮中可以具有变矩器滑移，其也可致使频率重叠。
通常，工作在相同频率处的两个消除器意味着消除更加有效，因为消除系统的自适应步长被有效地翻倍。然而，更大的自适应步长意味着在系统将变得不稳定以及可能发散之前对于传递函数变化存在较小的裕量。
本发明可以在正在被消除的两个频率彼此重合或接近时导致消除算法自适应步长的增大。在上面刚刚描述的，通过自动地减小自适应步长0.5，原始的单个消除器性能得以维持，因此重新获得原始的稳定裕度。
可能有利的是在估计的传递函数中允许裕量，因为在真实世界中由于部件容差、温度变化、乘客/车厢负载等，每个生产的汽车将具有与用来进行原始调整的汽车变化。在实践中，自适应步长的降低不会是正好0.5。更具体地，一个或多个可调节滤波器参数可以根据经验选择以便于维持最优消除和稳定裕度。这些参数可以在调整的时候根据经验被确定，从而实现处理重叠状况的最佳权衡。诸如噪声源位置之类的其它状况将确定最优的将会是什么。此外，消除器可以具有调节诸如泄漏之类的其它自适应算法参数的能力，其是必要的以维持性能与稳定裕度的正确平衡。在除了经滤波的x自适应算法之外的算法被用在自适应滤波器中的情况下，具有维持原始的单个消除器的性能并且因而重新获得原始稳定裕度的目标，相互有效的其它变量可以被选择以相似的方式被修改。
以上示例是针对存在完美重叠的理想化情况。更一般地，稳定裕度在频率接近时可丢失。所以，重叠检测器42可以被设定以用于两个(或更多)频率的接近，多个频率是在调整的时候根据经验被确定的另外的可调参数。同样地，该系统可以导致多于一个重叠带。该系统可扩展到多级重叠，每个具有所选择的滤波器参数的独立变化，这些值通常根据经验被先验确定，然后基于两个频率的接近，在该系统的运行期间存储在计算机存储器中并且检索。更一般地，在本文描述的示例中，自适应步长的变化可以被设定为两个频率的接近度的函数。当存在多于两个被消除的频率时，将使用所有频率的成对的比较。
本发明的一个结果在于，谐波消除系统较不可能发散。另一个益处在于由于系统不稳定造成的可检测的噪声伪影被最小化。
本发明可以运作的方式的理想化的、非限制性的示例参照图2进行说明，其图示了由于在诸如图1中所示的被设计及操作用来消除机动车车厢中的发动机谐波和螺桨轴谐波的噪声消除系统中的重叠的消除频率造成的算法调节的示例。发动机RPM(来自车辆的转速计)沿着x轴线被设置，而车厢噪声声压级(SPL)以dB在y轴线上被设置。曲线102图示了基线噪声，并且曲线104图示了在车厢发动机和螺桨轴谐波噪声消除系统被开启时的降噪，其中两个消除器在相同频率处操作。曲线104图示了跨大多数正常的汽车操作范围的大约10dB的降低。
曲线106(以虚线)图示了在发动机和螺桨轴噪声消除系统两者皆开启并且在车厢传递函数中存在导致产生在对应于大约3000RPM的频率附近极大地增大声音级的噪声伪影的变化时的声音的偏移。本文公开的系统将被允许改变自适应滤波器算法的一个或多个参数以将运行带回更接近于在若仅使用一个消除器处将产生的曲线104。
以上相对于车厢中的噪声消除进行了描述。然而，本公开也应用于在其它车辆位置处的噪声消除。一个附加的示例在于该系统可以被设计为消除消声器组件中的噪声。这样的噪声可以是发动机谐波噪声，但也可以时其它发动机运行相关的噪声和/或由车辆中的其它旋转设备造成的噪声。
以上描述的这些设备、系统和方法的实施例包括计算机部件和计算机实施的步骤，其对本领域技术人员而言将是明显的。例如，应当被本领域技术人员所理解的是，计算机实施的步骤可以作为计算机可读介质上的计算机可执行指令被存储，该计算机可读介质诸如举例而言是软盘、硬盘、光盘、闪存ROMS、非易失性ROM以及RAM。此外，应当由本领域技术人员理解的，计算机可执行指令可以在各种处理器上被执行，该处理器诸如举例而言为微处理器、数字信号处理器、门阵列等。为了便于说明，不是以上描述的系统和方法的每个步骤或元件都在本文中被描述为计算机系统的一部分，但本领域技术人员将认识到，每个步骤或元件可以具有对应的计算机系统或软件构件。因此，这样的计算机系统和/或软件构件通过描述其对应的步骤或元件(即，它们的功能)而被启用，并且处于本公开的范围之内。
本公开的各种特征可以在与本文描述的那些方式不同的方式被使能，并且可以在与本文描述的那些方式不同的方式被组合。若干实施方式已经被描述。然而，将理解的是，可以做出附加的修改而不偏离本文描述的发明构思的范围，并且相应地，其它实施例也处于以下权利要求书的范围以内。

Claims (18)

1.一种用于通过接收具有与多个旋转设备的旋转速率相关的频率的多个输入信号、并且致使一个或多个扬声器产生在与由所述旋转设备导致的噪声大约相同的频率处的并且具有基本上相反相的声音而降低所述噪声的系统，所述系统包括：
多个噪声消除器，每个噪声消除器包括谐波频率计算器和自适应滤波器，所述谐波频率计算器从输入信号计算谐波频率并且向生成输出正弦波的正弦谐波生成器提供所述谐波频率，所述自适应滤波器使用正弦波来产生被用来驱动一个或多个换能器的降噪信号，其中所述一个或多个换能器的输出被引导以降低由所述旋转设备导致的噪声；以及
重叠检测器，所述重叠检测器比较所述谐波频率，并且基于所述谐波频率的接近度而改变所述自适应滤波器中的一个或多个自适应滤波器的操作。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述重叠检测器通过改变自适应滤波器的一个或多个可变参数的值而改变所述自适应滤波器中的一个或多个自适应滤波器的操作。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述可变参数包括所述自适应滤波器的自适应步长，并且所述步长在所述频率的所述接近度靠近时被减小。
4.根据权利要求3所述的系统，其中当两个输入信号频率大致上重合时，所述自适应步长被减小大约一半。
5.根据权利要求2所述的系统，进一步包括计算机存储器，所述计算机存储器存储所述频率的所述接近度与所述自适应滤波器参数的值的产生的变化之间的关系。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述换能器输出被引导到机动车的车厢中。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述旋转设备包括车辆发动机以及车辆螺桨轴。
8.一种用于通过接收具有与机动车的多个旋转设备的旋转速率相关的频率的多个输入信号、并且致使一个或多个扬声器产生在与由所述旋转设备导致的噪声大约相同的频率处的并且具有基本上相反相的声音而降低所述噪声的系统，所述系统包括：
多个噪声消除器，每个噪声消除器包括谐波频率计算器和自适应滤波器，所述谐波频率计算器从输入信号计算谐波频率并且向生成输出正弦波的正弦谐波生成器提供所述谐波频率，所述自适应滤波器使用正弦波来产生被用来驱动一个或多个换能器的降噪信号，其中所述一个或多个换能器的输出被引导以便降低由所述旋转设备导致的车厢中的噪声；
重叠检测器，所述重叠检测器比较所述谐波频率并且基于所述谐波频率的接近度而改变所述自适应滤波器中的一个或多个自适应滤波器的操作，其中所述重叠检测器通过改变自适应滤波器的一个或多个可变参数的值而改变所述自适应滤波器中的一个或多个自适应滤波器的操作，其中所述可变参数包括所述自适应滤波器的自适应步长，并且所述步长在所述频率的所述接近度靠近时被减小；以及
计算机存储器，所述计算机存储器存储所述频率的所述接近度与所述自适应滤波器参数的值的产生的变化之间的关系。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述旋转设备包括车辆发动机以及车辆螺桨轴。
10.一种用于操作主动降噪系统的方法，所述主动降噪系统被适配为降低由多个旋转设备导致的噪声，其中存在具有与所述旋转设备的旋转速率相关的频率的系统输入信号，并且其中所述主动降噪系统包括与所述输入信号中的每个输入信号相关联的单独的自适应滤波器，所述自适应滤波器具有影响所述自适应滤波器的输出的调整参数，所述自适应滤波器输出被用来驱动一个或多个换能器的降噪信号，其中所述一个或多个换能器的输出被引导以降低由所述旋转设备导致的噪声，所述方法包括：
确定所述输入信号的所述频率的接近度；以及
基于确定的所述输入信号的所述频率的所述接近度，改变一个或多个可变参数的值。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括在计算机存储器中存储所述频率的所述接近度与所述自适应滤波器参数的值的产生的变化之间的关系。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述可变参数包括所述自适应滤波器的自适应步长，并且所述步长在所述频率的所述接近度靠近时被减小。
13.根据权利要求12所述的方法，其中当两个输入信号频率大致上重合时，所述自适应步长被减小大约一半。
14.根据权利要求10所述的方法，其中所述可变参数的所述值被计算并且被提供至所述自适应滤波器。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述频率的所述接近度由重叠检测器确定，所述重叠检测器提供控制信号以影响所述可变参数的所述值的所述计算。
16.根据权利要求10所述的方法，其中所述换能器输出被引导到机动车的车厢中。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述旋转设备包括车辆发动机以及车辆螺桨轴。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述可变参数包括所述自适应滤波器的自适应步长，并且所述步长在所述频率的所述接近度靠近时被减小，其中所述可变参数的所述值被计算并且被提供至所述自适应滤波器，并且其中所述频率的所述接近度由重叠检测器确定，所述重叠检测器提供控制信号以影响所述可变参数的所述值的计算，并且所述方法进一步包括在计算机存储器中存储所述频率的所述接近度与所述自适应滤波器参数的值的产生的变化之间的关系。
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