CN106128449B - 一种汽车主动降噪方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种汽车主动降噪方法，包括：在发动机舱内设置参考传声器，利用参考传声器采集发动机舱噪声x(n)；在驾驶舱内设置扬声器，利用扬声器发出用于抵消发动机舱噪声x(n)的声音信号y(n)；在驾驶舱内设置误差传声器，利用误差传声器采集残留噪声e(n)；将参考传声器采集的发动机舱噪声x(n)作为输入信号、误差传声器采集的残留噪声e(n)作为误差信号传输至自适应滤波器，根据LMS算法更新自适应滤波器的特征阵W，以连续调节扬声器发出的声音信号y(n)，使残留噪声e(n)最小化。当驾驶舱内的声学环境发生变化时仍然能够较好的降噪，因而不限于特定的车型，有较大的适用范围。

Description

一种汽车主动降噪方法
技术领域
本发明涉及噪声控制领域，特别涉及一种汽车主动降噪方法。
背景技术
随着工业生产、交通运输、城市建筑的发展以及人口密度的增加，环境噪声日益严重，已成为污染人类社会环境的一大公害。噪声具有局部性、暂时性和多发性的特点。噪声不仅会在生理上影响听力和神经系统，而且在心理上使人烦躁容易造成安全隐患。
在乘坐汽车时，特别是车速较高时，车内噪声很高，主要是发动机舱噪声、胎噪声、空气涡流噪声等几个方面，在打开车窗时，风噪声会非常严重。强烈的噪声不利于乘客在车内沟通交流，且较长时间在噪声环境下驾驶，非常容易引起疲劳。
现有的降噪方案多使用固定系数滤波器，只能适用于特定型号的车型，为了避免车体间差异，降噪滤波器设计还要留有较多的余量，整个方案的降噪量和普适性不好。特别是当打开车窗后，车内声学环境会有较大的变化，使用固定系数滤波器方案不能达到降噪的效果，反而可能会产生额外的噪声。
发明内容
为了解决现有的降噪方案只能适用于特定型号的车型，降噪量和普适性不好，并且不能很好地适应车内声学环境的变化的问题，本发明提供了一种汽车主动降噪方法，包括：
在发动机舱内设置参考传声器，利用所述参考传声器采集发动机舱噪声x(n)；
在驾驶舱内设置扬声器，利用所述扬声器发出用于抵消发动机舱噪声x(n)的声音信号y(n)；
在驾驶舱内设置误差传声器，利用所述误差传声器采集残留噪声e(n)；
将所述参考传声器采集的发动机舱噪声x(n)作为输入信号、所述误差传声器采集的残留噪声e(n)作为误差信号传输至自适应滤波器，根据LMS算法更新所述自适应滤波器的特征阵W，以连续调节所述扬声器发出的声音信号y(n)，使所述残留噪声e(n)最小化。
其中，所述利用所述扬声器发出用于抵消发动机舱噪声x(n)的声音信号y(n)，具体包括：
对应发送机的不同转速预先存储若干主通道传递函数，根据发送机当前的转速选择对应的主通道传递函数，作为对当前环境下主通道传递函数的估计所述主通道传递函数表征声音信号从发动机舱传递到所述误差传声器的路径特征；
对应不同的车窗开关状态预先存储若干次级通道传递函数，根据当前的车窗开关状态选择对应的次级通道传递函数，作为对当前环境下次级通道传递函数的估计所述次级通道传递函数表征声音信号从所述扬声器传递到所述误差传声器的路径特征；
利用所述扬声器发出声音信号y(n)，使得所述发动机舱噪声x(n)传递到所述误差传声器处的信号x(n)与所述声音信号y(n)传递到所述误差传声器处的信号y(n)/>相互抵消。
其中，所述根据当前的车窗开关状态选择对应的次级通道传递函数，作为对当前环境下次级通道传递函数的估计具体包括：
对应不同的车窗开关状态分别设置一个状态标志，每一个所述状态标志对应预先存储的一个次级通道传递函数；
从汽车主控系统中获取当前的车窗开关状态对应的状态标志，选择该状态标志对应的次级通道传递函数作为对当前环境下次级通道传递函数的估计
其中，所述根据当前的车窗开关状态选择对应的次级通道传递函数，作为对当前环境下次级通道传递函数的估计具体包括：
对应不同的车窗开关状态分别设置一个状态标志，每一个所述状态标志对应预先存储的一个次级通道传递函数；
设置一个采样判定点数M，遍历所有状态标志，如果某一个状态标识对应的次级通道传递函数使得所述残留噪声e(n)在所述采样判定点数M内没有收敛，则放弃该状态标志；否则对比所述残留噪声e(n)收敛后的误差，选择误差最小的状态标志对应的次级通道传递函数作为对当前环境下次级通道传递函数的估计
其中，所述根据当前的车窗开关状态选择对应的次级通道传递函数，作为对当前环境下次级通道传递函数的估计还包括：
实时循环记录每一个计数时段i内所述残留噪声e(n)在所述采样判定点数M下的误差均值
只有当车窗开关的状态发生变化，导致所述误差均值的变化满足预先设定的条件时，才重新遍历所有状态标志。
其中，所述预先设定的条件具体为：连续3个所述误差均值比上一计数时段的连续3个所述误差均值扩大6dB以上，即
其中，所述根据LMS算法更新所述自适应滤波器特征阵W的公式为：其中，n为离散时间采样，μ为收敛因子，Wn为n时刻的滤波器特性，/>为对当前环境下次级通道传递函数的估计；
当车窗开关状态由关闭状态变为打开状态时，或者车窗开关状态由打开较小的状态变为打开较大的状态时，减小所述收敛因子μ。
其中，所述方法还包括：
将所述声音信号y(n)传递到所述误差传声器处的信号y(n)与所述残留噪声e(n)相减的结果作为输入信号、所述残留噪声e(n)作为误差信号传输至所述自适应滤波器，根据LMS算法更新所述自适应滤波器的特征阵W，以连续调节所述扬声器发出的声音信号y(n)，使所述残留噪声e(n)最小化。
其中，所述方法还包括：设置固定系数滤波器C；
利用所述固定系数滤波器C将误差传声器采集的残留噪声e(n)反馈叠加到所述扬声器发出的声音信号y(n)，从而将次级通道传递函数G(z)变为G'(z)，其中以减小因车窗开关状态改变导致的次级通道传递函数发生变化的幅度。
本发明实施例的有益效果是：采用自适应滤波器替代现有降噪方案中的固定系数滤波器，根据参考传声器采集的发动机舱噪声和误差传声器采集的残留噪声，动态更新自适应滤波器的特征阵，连续调节扬声器发出的声音信号，使残留噪声最小化，当驾驶舱内的声学环境发生变化时仍然能够较好的降噪，因而不限于特定的车型，有较大的适用范围；在发动机舱内设置参考传声器，在驾驶舱内设置扬声器，利用汽车结构隔开扬声器和参考传声器，进而避免了声反馈难题。在进一步的优选实施例中，根据当前的车窗开关状态选择对应的次级通道传递函数，作为对当前环境下次级通道传递函数的估计，矫正由于次级通道随车窗开关状态变化造成的降噪量波动。在进一步的优选实施例中，通过设置一个固定系数滤波器，增强次级通道的稳定性，减小车窗开关状态改变对次级通道传递函数的影响幅度，使整个降噪系统更稳定。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种汽车主动降噪方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的汽车主动降噪方法应用在汽车内部的示意图；
图3为本发明实施例提供的汽车主动降噪方法中自适应降噪的原理图；
图4为两个不同的状态标志下的噪声残留的对比图；
图5为本发明实施例提供的汽车主动降噪方法中反馈控制自适应降噪的原理图；
图6为本发明实施例提供的汽车主动降噪方法中固定系数滤波器的工作原理图。
具体实施方式
本发明的设计构思是：利用自适应滤波器代替现有降噪方案中的固定系数滤波器，当车内声学环境发生变化时，如车窗的开关状态变化导致驾驶舱内的声学环境变化时，更新自适应滤波器的特征阵，根据残留的噪声调节用于抵消噪声的声音信号，使驾驶舱内的残留噪声最小化。本方案可以适用于各种型号的车型，并且可以适应车内声学环境的变化，不会发生产生额外的噪声的情况。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图1为本发明实施例提供的一种汽车主动降噪方法的流程图；图2为本发明实施例提供的汽车主动降噪方法应用在汽车内部的示意图。结合图1与图2，本发明实施例提供的汽车主动降噪方法包括：
步骤S110：在发动机舱内设置参考传声器，利用参考传声器采集发动机舱噪声x(n)。
步骤S120：在驾驶舱内设置扬声器，利用扬声器发出用于抵消发动机舱噪声x(n)的声音信号y(n)，声音信号y(n)与驾驶舱内的噪声相叠加，从而实现对驾驶舱内区域的主动降噪。
参考传声器设置在发动机舱内，从主要的噪声源采集噪声，分析噪声的特征，扬声器设置在驾驶舱内，利用汽车结构隔开了扬声器和参考传声器，进而避免了声反馈难题。
步骤S130：在驾驶舱内设置误差传声器，利用误差传声器采集残留噪声e(n)。
步骤S140：将参考传声器采集的发动机舱噪声x(n)作为输入信号、误差传声器采集的残留噪声e(n)作为误差信号传输至自适应滤波器，根据LMS算法更新自适应滤波器的特征阵W，以连续调节扬声器发出的声音信号y(n)，使残留噪声e(n)最小化。
假设误差传声器到达用户耳部之间的传递函数为R(z)，误差传声器采集的残留噪声e(n)传递到用户耳部时的信号为e(n)R(z)，因此应当将误差传声器设置在靠近用户耳部的位置，此时调节扬声器发出的声音信号y(n)，使残留噪声e(n)最小化，才能够使传递到用户耳部的残留噪音很小。在实际应用中，可以在驾驶员和乘客的位置分别设置误差传声器，分别实时监测驾驶员和乘客所在位置的噪声残留情况。
采用自适应滤波器，根据参考传声器采集的发动机舱噪声x(n)和误差传声器采集的残留噪声e(n)，动态更新自适应滤波器的特征阵W，连续调节扬声器发出的声音信号y(n)，使残留噪声e(n)最小化，当驾驶舱内的声学环境发生变化时仍然能够较好的降噪，因而不限于特定的车型，有较大的适用范围。
图3为本发明实施例提供的汽车主动降噪方法中自适应降噪的原理图。如图3所示，在本发明的一个优选实施例中，定义主通道函数P(z)表征声音信号从发动机舱传递到误差传声器的路径特征，由于发送机的转速会影响主通道函数，因此对应发送机的不同转速预先存储若干个主通道传递函数再根据发送机当前的转速选择对应的主通道传递函数，作为对当前环境下主通道传递函数的估计/>再定义次级通道传递函数G(z)表征声音信号从扬声器传递到误差传声器的路径特征，车窗开关状态不同驾驶舱内的声学环境也不同，因此对应不同的车窗开关状态预先存储若干次级通道传递函数/>再根据当前的车窗开关状态选择对应的次级通道传递函数，作为对当前环境下次级通道传递函数的估计/>矫正由于次级通道随车窗开关状态变化造成的降噪量波动；获取了当前环境下的主通道传递函数的估计/>与次级通道传递函数的估计/>之后，据此控制扬声器发出声音信号y(n)，使得发动机舱噪声x(n)传递到误差传声器处的信号x(n)/>与声音信号y(n)传递到误差传声器处的信号y(n)/>相互抵消。
对于如何根据当前的车窗开关状态选择对应的次级通道传递函数，作为对当前环境下次级通道传递函数的估计本发明提供了如下两种方案：
在一个优选实施例中，对应不同的车窗开关状态分别设置一个状态标志，每一个状态标志对应预先存储的一个次级通道传递函数。如果机车主控系统可以提供车窗开关状态信息，那么直接从汽车主控系统中获取当前的车窗开关状态对应的状态标志，选择该状态标志对应的次级通道传递函数作为对当前环境下次级通道传递函数的估计
在另一个优选实施例中，对应不同的车窗开关状态分别设置一个状态标志，每一个状态标志对应预先存储的一个次级通道传递函数，设置一个采样判定点数M，遍历所有状态标志：如果某一个状态标识对应的次级通道传递函数使得残留噪声e(n)在采样判定点数M内没有收敛，则放弃该状态标志；否则对比残留噪声e(n)收敛后的误差，选择误差最小的状态标志对应的次级通道传递函数作为对当前环境下次级通道传递函数的估计如图4所示，设置采样判定点数M＝10000，状态标志1下噪声残留小于状态标志2，因此选择标志1对应的次级通道传递函数作为对当前环境下次级通道传递函数的估计/>采样判定点数M如果设置太小，那么各状态标志下噪声残留对比不明显，如果设置太大可能会被用户感受到状态切换，因此优选的，设置合适的采样判定点数使其对应到时间上小于3s。
车窗开关状态可以仅简单设置为开窗和关窗两个状态，也可以根据车窗开启的程度不同设置为n个不同的状态。
为了保证系统的稳定性，在本发明的一个优选实施例中，实时循环记录每一个计数时段i内残留噪声e(n)在采样判定点数M下的误差均值只有当车窗开关的状态发生变化，导致误差均值的变化满足预先设定的条件时，才重新遍历所有状态标志。在一个具体的实施例中，上述条件具体为：连续3个误差均值比上一计数时段的连续3个误差均值扩大6dB以上，即/>也就是说，当车窗开关状态发生变化时，若误差均值的变化并不满足上述条件，即使当前状态标志N0对应的次级通道传递函数不是最优，为了保证系统的稳定性，仍然使用该状态标志N0对应的次级通道传递函数，不必重新遍历状态标志。
在获取了对当前环境下次级通道传递函数的估计之后，即可根据如下公式更新自适应滤波器特征阵：/>其中，n为离散时间采样，μ为收敛因子，Wn为n时刻的滤波器特性。当车窗开关状态由关闭状态变为打开状态时，或者车窗开关状态由打开较小的状态变为打开较大的状态时，虽然主通道传递函数和次级通道传递函数都会有变化，但是为了减少不确定的维度，前馈降噪部分权系数不做更新，相应减小收敛因子μ，让系统主要工作在反馈部分。
图5为本发明实施例提供的汽车主动降噪方法中反馈控制自适应降噪的原理图。如图5所示，将声音信号y(n)传递到误差传声器处的信号y(n)与残留噪声e(n)相减的结果作为输入信号、残留噪声e(n)作为误差信号传输至自适应滤波器，根据LMS算法更新自适应滤波器的特征阵W，以连续调节扬声器发出的声音信号y(n)，使误差传声器处采集的残留噪声e(n)最小化。此过程中，自适应滤波器的输入信号不再是参考传声器采集的发动机舱噪声x(n)，而是根据误差传声器采集的残留噪声e(n)以及对当前环境下次级通道传递函数的估计/>计算得出的噪声信号，其中也包含了由于开窗而引入的风噪声等其他噪声，该反馈部分与上述前馈部分并行工作，可以获得更好的降噪体验。
在本发明的一个优选实施例中，还设置了一个固定系数滤波器C。利用该固定系数滤波器C将误差传声器采集的残留噪声e(n)反馈叠加到扬声器发出的声音信号y(n)上，从而将次级通道传递函数G(z)变为G'(z)，其中通过负反馈减小因车窗开关状态改变导致的次级通道传递函数发生变化的幅度，如图6所示。在不增加固定系数滤波器C的情况下，当窗开关状态发生变化时，不同状态下的次级通道传递函数可能变化特别剧烈，一旦相位差异超过90度，就会发生反馈系统不稳定的现象，因此设置固定系数滤波器C可以使次级通道更加稳定，减小车窗开关状态改变对其的影响，增强整个系统的稳定性。
综上所述，本发明提供的一种汽车主动降噪方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、采用自适应滤波器替代现有降噪方案中的固定系数滤波器，根据参考传声器采集的发动机舱噪声和误差传声器采集的残留噪声，动态更新自适应滤波器的特征阵，连续调节扬声器发出的声音信号，使残留噪声最小化，当驾驶舱内的声学环境发生变化时仍然能够较好的降噪，因而不限于特定的车型，有较大的适用范围。
2、在发动机舱内设置参考传声器，在驾驶舱内设置扬声器，利用汽车结构隔开扬声器和参考传声器，进而避免了声反馈难题。
3、根据当前的车窗开关状态选择对应的次级通道传递函数，作为对当前环境下次级通道传递函数的估计，矫正由于次级通道随车窗开关状态变化造成的降噪量波动。
4、通过设置一个固定系数滤波器，增强次级通道的稳定性，减小车窗开关状态改变对次级通道传递函数的影响幅度，使整个降噪系统更稳定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种汽车主动降噪方法，其特征在于，所述方法包括：
在发动机舱内设置参考传声器，利用所述参考传声器采集发动机舱噪声x(n)；
在驾驶舱内设置扬声器，利用所述扬声器发出用于抵消发动机舱噪声x(n)的声音信号y(n)，
在驾驶舱内设置误差传声器，利用所述误差传声器采集残留噪声e(n)；
其中，
所述利用所述扬声器发出用于抵消发动机舱噪声x(n)的声音信号y(n)，具体包括：
对应发动机的不同转速预先存储若干主通道传递函数，根据发动机当前的转速选择对应的主通道传递函数，作为对当前环境下主通道传递函数的估计所述主通道传递函数表征声音信号从发动机舱传递到所述误差传声器的路径特征；
对应不同的车窗开关状态预先存储若干次级通道传递函数，根据当前的车窗开关状态选择对应的次级通道传递函数，作为对当前环境下次级通道传递函数的估计所述次级通道传递函数表征声音信号从所述扬声器传递到所述误差传声器的路径特征，其中，
所述根据当前的车窗开关状态选择对应的次级通道传递函数，作为对当前环境下次级通道传递函数的估计具体包括：
对应不同的车窗开关状态分别设置一个状态标志，每一个所述状态标志对应预先存储的一个次级通道传递函数；
设置一个采样判定点数M，遍历所有状态标志，如果某一个状态标识对应的次级通道传递函数使得所述残留噪声e(n)在所述采样判定点数M内没有收敛，则放弃该状态标志；否则对比所述残留噪声e(n)收敛后的误差，选择误差最小的状态标志对应的次级通道传递函数作为对当前环境下次级通道传递函数的估计
利用所述扬声器发出声音信号y(n)，使得所述发动机舱噪声x(n)传递到所述误差传声器处的信号与所述声音信号y(n)传递到所述误差传声器处的信号/>相互抵消；
将所述参考传声器采集的发动机舱噪声x(n)作为输入信号、所述误差传声器采集的残留噪声e(n)作为误差信号传输至自适应滤波器，根据LMS算法更新所述自适应滤波器的特征阵W，以连续调节所述扬声器发出的声音信号y(n)，使所述残留噪声e(n)最小化。
2.如权利要求1所述的汽车主动降噪方法，其特征在于，所述根据当前的车窗开关状态选择对应的次级通道传递函数，作为对当前环境下次级通道传递函数的估计具体包括：
对应不同的车窗开关状态分别设置一个状态标志，每一个所述状态标志对应预先存储的一个次级通道传递函数；
从汽车主控系统中获取当前的车窗开关状态对应的状态标志，选择该状态标志对应的次级通道传递函数作为对当前环境下次级通道传递函数的估计
3.如权利要求1所述的汽车主动降噪方法，其特征在于，所述根据当前的车窗开关状态选择对应的次级通道传递函数，作为对当前环境下次级通道传递函数的估计还包括：
实时循环记录每一个计数时段i内所述残留噪声e(n)在所述采样判定点数M下的误差均值
只有当车窗开关的状态发生变化，导致所述误差均值的变化满足预先设定的条件时，才重新遍历所有状态标志。
4.如权利要求3所述的汽车主动降噪方法，其特征在于，所述预先设定的条件具体为：连续3个所述误差均值比上一计数时段的连续3个所述误差均值扩大6dB以上，即
5.如权利要求1所述的汽车主动降噪方法，其特征在于，所述根据LMS算法更新所述自适应滤波器特征阵W的公式为：其中，n为离散时间采样，μ为收敛因子，Wn为n时刻的滤波器特性，/>为对当前环境下次级通道传递函数的估计；
当车窗开关状态由关闭状态变为打开状态时，或者车窗开关状态由打开较小的状态变为打开较大的状态时，减小所述收敛因子μ。
6.如权利要求1所述的汽车主动降噪方法，其特征在于，所述方法还包括：
将所述声音信号y(n)传递到所述误差传声器处的信号与所述残留噪声e(n)相减的结果作为输入信号、所述残留噪声e(n)作为误差信号传输至所述自适应滤波器，根据LMS算法更新所述自适应滤波器的特征阵W，以连续调节所述扬声器发出的声音信号y(n)，使所述残留噪声e(n)最小化。
7.如权利要求1所述的汽车主动降噪方法，其特征在于，所述方法还包括：设置固定系数滤波器C；
利用所述固定系数滤波器C将误差传声器采集的残留噪声e(n)反馈叠加到所述扬声器发出的声音信号y(n)，从而将次级通道传递函数G(z)变为G'(z)，其中以减小因车窗开关状态改变导致的次级通道传递函数发生变化的幅度。
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