CN107464552B - 一种分布式车载主动降噪系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种分布式车载主动降噪系统，该系统包括若干个子系统以及子系统一同连接的系统自检模块，子系统包括电源系统、输入模块、输出模块和计算模块，输入模块连接计算模块，计算模块连接输出模块，输入模块具体是噪声信息输入模块，计算模块包括DSP芯片，输出模块包括DAC模块、D类放大器和扬声器，噪声信息输入模块包括麦克风阵列和ADC模块，麦克风阵列连接ADC模块，麦克风阵列包括采集噪声信息的麦克风、前置放大模块和音频放大器，音频放大器、ADC模块、DSP芯片、DAC模块和D类放大器分别与ARM最小系统连接，本发明通过集成麦克风阵列、专用降噪扬声器阵列和降噪芯片及电路，在扬声器周围形成小范围的降噪区域，并保证对降噪区域外的范围不增加噪声影响。

Description

一种分布式车载主动降噪系统及方法

技术领域

本发明涉及汽车领域，尤其涉及一种分布式车载主动降噪系统及方法。

背景技术

现有主动降噪系统采用汽车自带的喇叭进行降噪，所以要求对不同汽车的音响型号进行适配后才能安装，只能进行汽车厂商预先集成安装不能支持用户加装，车载扬声器作为降噪声波的发生源距离目标降噪位置较远，降噪效果差，算法复杂度较高，麦克风需要安装在车舱的四周，而麦克风作为噪声的采集和感应设备距离目标降噪位置较远，所以误差大，整体效果较差，因为麦克风需要开孔，以便采集到噪声，所以只能采取集成预装的方式。

发明内容

本发明旨在提供一种分布式车载主动降噪系统及方法。

为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案，一种分布式车载主动降噪系统，该系统包括若干个子系统以及子系统一同连接的系统自检模块，系统自检模块接收并处理每个子系统报告的自身系统信息来判定出是否有子系统增减，同时系统自检模块内设有定时系统检测模块，检测到子系统信息发生变化后会进行系统矫正，如果有新增或新减少的子系统，总系统会以新的子系统数量为标准，重新启动整体的计算过程，更新整体总系统和各个子系统新的评价条件和方程，随后系统自检模块会计算出降噪误差控制函数发布到各子系统中，所述的子系统的工作模块和流程是相同的，子系统包括电源系统、输入模块、输出模块和计算模块，输入模块连接计算模块，计算模块连接输出模块，输入模块具体是噪声信息输入模块，计算模块包括DSP芯片，输出模块包括DAC模块、D类放大器和扬声器，噪声信息输入模块包括麦克风阵列和ADC模块，麦克风阵列连接ADC模块，麦克风阵列包括采集噪声信息的麦克风、前置放大模块和音频放大器，多组麦克风阵列将采集到的噪声信息经前置放大模块和音频放大器放大后输送至ADC模块将模拟信号转换为数字信号，上述音频放大器、ADC模块、DSP芯片、DAC模块和D类放大器分别与ARM最小系统连接，音频放大器与D类放大器通过和ARM最小系统的连接可以精确控制信号的放大参数控制，噪声信息输送至ADC模块后由ARM最小系统对麦克风阵列采集的多通道噪声信息即对每个麦克风阵列监测点对应的一路信号均进行进行预处理，在进过数模转换后先进行数据切片，即按时间均匀切分采集信号，并保证每段时间片有叠加部分，随后对每个时间片的数据进行FFT傅立叶变换，使每个时间片得到一组频率分布的频率域函数，再对所有时间片的频率域函数做均值计算得到麦克风阵列对应监测点的统计声压数据阵列，输入模块将监测点的声压信号频率域数据阵列输送至计算模块的DSP芯片，DSP芯片加载有ARM最小系统的降噪算法，具体是将整个系统按照子系统来划分，每个子系统对应一个降噪目标区域，那么每个子系统对应的降噪区域的声场，应该为自己区域内的所有扬声器产生的声场，叠加上其他每个子系统区域的每一个扬声器声场的组合，算法的目的是保证自己的降噪目标区域降噪效果最好的同时保证对其他工作的子系统区域的声场影响足够小，首先就是结合扬声器的电信号输入驱动与传递函数构建扬声器的声音影响表达式，由于子系统中构建的是扬声器阵列，此处电信号输入驱动是一个电信号向量，传递函数本身就是扬声器出厂时的映射函数，扬声器的电信号驱动声场的映射函数在该扬声器的硬件制作出厂时就已确定，通过测量可以得到，此时构建目标子系统的声音影响公式，即目标子系统的麦克风阵列采集到的噪声声场叠加目标子系统的扬声器阵列对目标子系统自身的声音影响表达式，同时还要构建目标子系统扬声器发声影响其余子系统的声音影响公式，具体是先通过结合目标子系统的扬声器阵列传递函数以及输入电信号向量对其余某个子系统的麦克风阵列声音影响的叠加得到对某个其余子系统的声音影响，再将目标子系统对其余全部子系统分别得出的声音影响进行叠加得到声音影响公式，在传递函数通过对扬声器测试可以测出的情况下，对目标子系统自身的声音影响公式求最小解和使目标子系统对其余子系统的声音影响公式小于一个阈值，该阈值的数值也尽量小，这样解上述对上述两个公式求解即可得到最合适的电信号输入驱动向量，每个子系统独立完成以上步骤，解出每一个子系统的电信号输入驱动向量，完成整体系统计算，DSP芯片将所述的每个扬声器电信号驱动向量发送至各自的输出模块，经DAC模块转换为模拟信号后再经过D类放大器按ARM最小系统加载的放大参数放大后输送至扬声器发出反相降噪声波形成噪声控制声场完成降噪，此时各个噪声信息输入模块会测量降噪的结果并判断降噪效果是否达标，进行误差反馈，若不达标则计算新的噪声声场并重复上述降噪过程。

一种分布式车载主动降噪方法，该方法包括如下步骤：

S1、系统自检，系统自检模块接收并处理每个子系统报告的自身系统信息来判定出是否有子系统增减，同时系统自检模块内设有定时系统检测模块，检测到子系统信息发生变化后会进行系统矫正，重新进行自检，如果有新增或新减少的子系统，总系统会以新的子系统数量为标准，重新启动整体的计算过程，更新整体总系统和各个子系统新的评价条件和方程，随后系统自检模块会计算出降噪误差控制函数发布到各子系统中；

S2、目标子系统麦克阵列采集噪声信息，麦克风将采集到的环境噪声信息经前置放大模块和音频放大器放大后输送至ADC模块将模拟信号转换为数字信号，ARM最小系统连接音频放大器以控制放大系数；

S3、目标子系统多通道噪声信息预处理，步骤S2得到的噪声信息输送至ADC模块后由ARM最小系统对每个麦克风阵列监测点对应的一路信号均进行进行预处理，在进过数模转换后先进行数据切片，即按时间均匀切分采集信号，并保证每段时间片有叠加部分，随后对每个时间片的数据进行FFT傅立叶变换，使每个时间片得到一组频率分布的频率域函数，再对所有时间片的频率域函数做均值计算得到麦克风阵列对应监测点的统计声压数据阵列，最后将监测点的声压信号频率域数据阵列输送至DSP芯片；

S4、运行降噪算法实时计算出适用于扬声器阵列的电信号驱动输入向量，具体是将整个系统按照子系统来划分，每个子系统对应一个降噪目标区域，那么每个子系统对应的降噪区域的声场，应该为自己区域内的所有扬声器产生的声场，叠加上其他每个子系统区域的每一个扬声器声场的组合，算法的目的是保证自己的降噪目标区域降噪效果最好的同时保证对其他工作的子系统区域的声场影响足够小，首先就是结合扬声器的电信号输入驱动与传递函数构建扬声器的声音影响表达式，由于子系统中构建的是扬声器阵列，此处电信号输入驱动是一个电信号向量，传递函数本身就是扬声器出厂时的映射函数，扬声器的电信号驱动声场的映射函数在该扬声器的硬件制作出厂时就已确定，通过测量可以得到，此时构建目标子系统的声音影响公式，即目标子系统的麦克风阵列采集到的噪声声场叠加目标子系统的扬声器阵列对目标子系统自身的声音影响表达式，同时还要构建目标子系统扬声器发声影响其余子系统的声音影响公式，具体是先通过结合目标子系统的扬声器阵列传递函数以及输入电信号向量对其余某个子系统的麦克风阵列声音影响的叠加得到对某个其余子系统的声音影响，再将目标子系统对其余全部子系统分别得出的声音影响进行叠加得到声音影响公式，在传递函数通过对扬声器测试可以测出的情况下，对目标子系统自身的声音影响公式求最小解和使目标子系统对其余子系统的声音影响公式小于一个阈值，该阈值的数值也尽量小，这样解上述对上述两个公式求解即可得到最合适的电信号输入驱动向量，每个子系统独立完成以上步骤，解出每一个子系统的电信号输入驱动向量，完成整体系统计算；

S5、子系统驱动扬声器发出反相降噪声波，每个子系统的DSP芯片将所述的每个扬声器电信号驱动向量发送至各自的输出模块，经DAC模块转换为模拟信号后再经过D类放大器按ARM最小系统加载的放大参数放大后输送至扬声器发出反相降噪声波形成噪声控制声场完成降噪；

S6、误差反馈，噪声信息输入模块会测量降噪的结果并判断降噪效果是否达标，进行误差反馈，若不达标则计算新的噪声声场并重复上述自步骤S4开始的降噪过程；

S7、若步骤S6的误差反馈结果达标，则结束流程。

进一步地，步骤S2得到的目标子系统麦克风阵列的对应监测点的统计声压数据阵列为P(X⁽ⁱ⁾ _j，f)，j：1，2，3，…m；X⁽ⁱ⁾ _j是i区内第j个麦克风监测点的位置坐标，m是监测点的个数，f是监测点采集到信号的频率域统计声压值。

进一步地，步骤S4中系统是由R个子系统组成，则对应有R个目标降噪区域，每个子系统的麦克风和扬声器个数如下表示：

Region1： M₁ mics N₁loundspeakers

… … … ；

RegionR： M_R mics N_Rloundspeakers

麦克风测量到的噪声数据，整个系统如下表示：

其中每个子系统分别：

其中X⁽ⁱ⁾ _j表示i区域中的第j个麦克风，上标表示区域，下标表示麦克风编号，整个系统按照子系统来划分，每个子系统对应一个降噪目标区域，确定一组基用于描述噪声，基相当于坐标轴，用不同的坐标轴的形式来描述整个空间，根据应用场景不同可以选取声音辐射模态、空腔模态、多级子等多种不同的基来描述整个声场，那么每个子系统对应的降噪区域的声场，应该为自己区域内的所有扬声器产生的声场，叠加上其他每个子系统区域的每一个扬声器声场的组合，于是我们描述第i个子系统，对第j个子系统的声音影响，用以下表达式：

其中

为第i个子系统中的扬声器阵列的电信号驱动输入，由于第i个子系统有多个扬声器组成的阵列，所以

为一个向量，向量的每一个元素代表其中的一个扬声器电信号驱动：

在声学上会用传递函数描述一个扬声器到一个麦克风的声音场影响，所以上式中T^(i,j)是一个传递函数矩阵：

表示第i个子系统中每一个扬声器，分别对第j个子系统每一个麦克风的传递函数，由于第i个子系统对应第i号目标区域，包含Mi个麦克风和Ni个扬声器，而由于第j个子系统对应第j号目标区域，包含Mj个麦克风和Nj个扬声器，所以T^(i,j)是一个Mj行Ni列的矩阵，其中的H是对应的扬声器到麦克风的传递函数，通过测量计算获得，即H^(i,j) _Mj，Ni表示第i个子系统中的第Ni号扬声器，对第j个子系统中第Mj号麦克风的传递函数，所以系统的目标就是对第i号子系统求出一组向量

使得目标区域i的叠加声场值最小和对其他每个子系统的目标区域声场影响小于一个阈值β，该阈值是一个表达子系统之间相互影响的阈值，是声音的能量值，和分贝之间的关系是(logβ)/10＝N分贝，该阈值的选取方法是：选取一批用户来进行听觉测试，确定用户能接受多少分贝以下的音量而不会觉得烦躁，根据目标场景的目标用户样本体验统计得到一个确定的分贝值即N分贝，然后转换成β能量值，对应成表达式：

is minimized；

于是系统目标转变为求解一个在有约束条件下的最优化解的数学问题：

用数学公式表达即寻求一个解向量

满足下列数学表达式：

这里转变成一个标准的约束条件下的最优化解数学问题，应用Karush-Kuhn-

Tucker数学理论模型来求解，简称K-K-T理论：

上面三个方程就是k-k-T的标准形式，其中，

和

中

为求导的数学符号，

是是K-K-T模型求解过程中引入的一个变量，具体指第k个子系统的麦克风数量，mk为第k号子系统的麦克风标号，通过K-K-T理论算法解上述方程得到最优解

向量：

每个子系统独立完成以上步骤，解出每一个子系统的驱动电信号向量，完成整体系统计算。

进一步地，步骤S2中应保证每段时间片有50％的叠加部分。

进一步地，除了基于统计法得到影响阈值β，还有基于心理声学指标、工业指标和语音干涉度指标的方法来确定β阈值。

本发明通过集成麦克风阵列、专用降噪扬声器阵列和降噪芯片及电路，在扬声器周围形成小范围的降噪区域，并保证对降噪区域外的范围不增加噪声影响，所以不需要针对汽车音响型号进行适配，可用户选择车内任意座位头枕位置(或其他位置)安装，本系统对降噪目标区域空间内通过麦克采集噪声，实时计算出区域噪声声场，驱动扬声器发出小区域的反相降噪声场同时不增加降噪目标区域以外空间的声能量，由于需控制的降噪区域范围小，能提高算法效率和降噪效果，独立的设备，装备降噪专用的喇叭，不需要针对不同汽车的音响型号进行适配，即装即用，麦克风和喇叭可以集中在同一个设备上，不需要将麦克风单独安装在车舱的四周。可以支持用户加装，不需要汽车厂商预先集成，设备可以直接以外挂的形式装在需要降噪的座位的头枕或者靠背位置，可实现在设备目标区域内针对性的主动降噪，又因为每个设备的降噪目标区域相对较小，所以效果会更加明显，而对于芯片的要求会相对降低，成本也就会降低，设备具有理活性，可根据个人的需要的不同，选择设备的数量及安装的位置，操作简单，安装拆卸方便。

附图说明

图1是本发明分布式车载主动降噪系统的示意图；

图2是本发明分布式车载主动降噪方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面参照图1描述根据本发明实施例的一种分布式车载主动降噪系统，该系统包括若干个子系统以及子系统一同连接的系统自检模块，系统自检模块接收并处理每个子系统报告的自身系统信息来判定出是否有子系统增减，同时系统自检模块内设有定时系统检测模块，检测到子系统信息发生变化后会进行系统矫正，如果有新增或新减少的子系统，总系统会以新的子系统数量为标准，重新启动整体的计算过程，更新整体总系统和各个子系统新的评价条件和方程，随后系统自检模块会计算出降噪误差控制函数发布到各子系统中，所述的子系统的工作模块和流程是相同的，子系统包括电源系统、输入模块、输出模块和计算模块，输入模块连接计算模块，计算模块连接输出模块，输入模块具体是噪声信息输入模块，计算模块包括DSP芯片，输出模块包括DAC模块、D类放大器和扬声器，噪声信息输入模块包括麦克风阵列和ADC模块，麦克风阵列连接ADC模块，麦克风阵列包括采集噪声信息的麦克风、前置放大模块和音频放大器，多组麦克风阵列将采集到的噪声信息经前置放大模块和音频放大器放大后输送至ADC模块将模拟信号转换为数字信号，上述音频放大器、ADC模块、DSP芯片、DAC模块和D类放大器分别与ARM最小系统连接，音频放大器与D类放大器通过和ARM最小系统的连接可以精确控制信号的放大参数控制，噪声信息输送至ADC模块后由ARM最小系统对麦克风阵列采集的多通道噪声信息即对每个麦克风阵列监测点对应的一路信号均进行进行预处理，在进过数模转换后先进行数据切片，即按时间均匀切分采集信号，并保证每段时间片有叠加部分，随后对每个时间片的数据进行FFT傅立叶变换，使每个时间片得到一组频率分布的频率域函数，再对所有时间片的频率域函数做均值计算得到麦克风阵列对应监测点的统计声压数据阵列，输入模块将监测点的声压信号频率域数据阵列输送至计算模块的DSP芯片，DSP芯片加载有ARM最小系统的降噪算法，具体是将整个系统按照子系统来划分，每个子系统对应一个降噪目标区域，那么每个子系统对应的降噪区域的声场，应该为自己区域内的所有扬声器产生的声场，叠加上其他每个子系统区域的每一个扬声器声场的组合，算法的目的是保证自己的降噪目标区域降噪效果最好的同时保证对其他工作的子系统区域的声场影响足够小，首先就是结合扬声器的电信号输入驱动与传递函数构建扬声器的声音影响表达式，由于子系统中构建的是扬声器阵列，此处电信号输入驱动是一个电信号向量，传递函数本身就是扬声器出厂时的映射函数，扬声器的电信号驱动声场的映射函数在该扬声器的硬件制作出厂时就已确定，通过测量可以得到，此时构建目标子系统的声音影响公式，即目标子系统的麦克风阵列采集到的噪声声场叠加目标子系统的扬声器阵列对目标子系统自身的声音影响表达式，同时还要构建目标子系统扬声器发声影响其余子系统的声音影响公式，具体是先通过结合目标子系统的扬声器阵列传递函数以及输入电信号向量对其余某个子系统的麦克风阵列声音影响的叠加得到对某个其余子系统的声音影响，再将目标子系统对其余全部子系统分别得出的声音影响进行叠加得到声音影响公式，在传递函数通过对扬声器测试可以测出的情况下，对目标子系统自身的声音影响公式求最小解和使目标子系统对其余子系统的声音影响公式小于一个阈值，该阈值的数值也尽量小，这样解上述对上述两个公式求解即可得到最合适的电信号输入驱动向量，每个子系统独立完成以上步骤，解出每一个子系统的电信号输入驱动向量，完成整体系统计算，DSP芯片将所述的每个扬声器电信号驱动向量发送至各自的输出模块，经DAC模块转换为模拟信号后再经过D类放大器按ARM最小系统加载的放大参数放大后输送至扬声器发出反相降噪声波形成噪声控制声场完成降噪，此时各个噪声信息输入模块会测量降噪的结果并判断降噪效果是否达标，进行误差反馈，若不达标则计算新的噪声声场并重复上述降噪过程。

一种分布式车载主动降噪方法，该方法包括如下步骤：

S1、系统自检，系统自检模块接收并处理每个子系统报告的自身系统信息来判定出是否有子系统增减，同时系统自检模块内设有定时系统检测模块，检测到子系统信息发生变化后会进行系统矫正，重新进行自检，如果有新增或新减少的子系统，总系统会以新的子系统数量为标准，重新启动整体的计算过程，更新整体总系统和各个子系统新的评价条件和方程，随后系统自检模块会计算出降噪误差控制函数发布到各子系统中；

S2、目标子系统麦克阵列采集噪声信息，麦克风将采集到的环境噪声信息经前置放大模块和音频放大器放大后输送至ADC模块将模拟信号转换为数字信号，ARM最小系统连接音频放大器以控制放大系数；

S3、目标子系统多通道噪声信息预处理，步骤S2得到的噪声信息输送至ADC模块后由ARM最小系统对每个麦克风阵列监测点对应的一路信号均进行进行预处理，在进过数模转换后先进行数据切片，即按时间均匀切分采集信号，并保证每段时间片有叠加部分，随后对每个时间片的数据进行FFT傅立叶变换，使每个时间片得到一组频率分布的频率域函数，再对所有时间片的频率域函数做均值计算得到麦克风阵列对应监测点的统计声压数据阵列，最后将监测点的声压信号频率域数据阵列输送至DSP芯片；

S4、运行降噪算法实时计算出适用于扬声器阵列的电信号驱动输入向量，具体是将整个系统按照子系统来划分，每个子系统对应一个降噪目标区域，那么每个子系统对应的降噪区域的声场，应该为自己区域内的所有扬声器产生的声场，叠加上其他每个子系统区域的每一个扬声器声场的组合，算法的目的是保证自己的降噪目标区域降噪效果最好的同时保证对其他工作的子系统区域的声场影响足够小，首先就是结合扬声器的电信号输入驱动与传递函数构建扬声器的声音影响表达式，由于子系统中构建的是扬声器阵列，此处电信号输入驱动是一个电信号向量，传递函数本身就是扬声器出厂时的映射函数，扬声器的电信号驱动声场的映射函数在该扬声器的硬件制作出厂时就已确定，通过测量可以得到，此时构建目标子系统的声音影响公式，即目标子系统的麦克风阵列采集到的噪声声场叠加目标子系统的扬声器阵列对目标子系统自身的声音影响表达式，同时还要构建目标子系统扬声器发声影响其余子系统的声音影响公式，具体是先通过结合目标子系统的扬声器阵列传递函数以及输入电信号向量对其余某个子系统的麦克风阵列声音影响的叠加得到对某个其余子系统的声音影响，再将目标子系统对其余全部子系统分别得出的声音影响进行叠加得到声音影响公式，在传递函数通过对扬声器测试可以测出的情况下，对目标子系统自身的声音影响公式求最小解和使目标子系统对其余子系统的声音影响公式小于一个阈值，该阈值的数值也尽量小，这样解上述对上述两个公式求解即可得到最合适的电信号输入驱动向量，每个子系统独立完成以上步骤，解出每一个子系统的电信号输入驱动向量，完成整体系统计算；

S5、子系统驱动扬声器发出反相降噪声波，每个子系统的DSP芯片将所述的每个扬声器电信号驱动向量发送至各自的输出模块，经DAC模块转换为模拟信号后再经过D类放大器按ARM最小系统加载的放大参数放大后输送至扬声器发出反相降噪声波形成噪声控制声场完成降噪；

S6、误差反馈，噪声信息输入模块会测量降噪的结果并判断降噪效果是否达标，进行误差反馈，若不达标则计算新的噪声声场并重复上述自步骤S4开始的降噪过程；

S7、若步骤S6的误差反馈结果达标，则结束流程。

进一步地，步骤S2得到的目标子系统麦克风阵列的对应监测点的统计声压数据阵列为P(X⁽ⁱ⁾ _j，f)，j：1，2，3，…m；X⁽ⁱ⁾ _j是i区内第j个麦克风监测点的位置坐标，m是监测点的个数，f是监测点采集到信号的频率域统计声压值。

进一步地，步骤S4中系统是由R个子系统组成，则对应有R个目标降噪区域，每个子系统的麦克风和扬声器个数如下表示：

麦克风测量到的噪声数据，整个系统如下表示：

其中每个子系统分别：

其中X⁽ⁱ⁾ _j表示i区域中的第j个麦克风，上标表示区域，下标表示麦克风编号，整个系统按照子系统来划分，每个子系统对应一个降噪目标区域，确定一组基用于描述噪声，基相当于坐标轴，用不同的坐标轴的形式来描述整个空间，根据应用场景不同可以选取声音辐射模态、空腔模态、多级子等多种不同的基来描述整个声场，那么每个子系统对应的降噪区域的声场，应该为自己区域内的所有扬声器产生的声场，叠加上其他每个子系统区域的每一个扬声器声场的组合，于是我们描述第i个子系统，对第j个子系统的声音影响，用以下表达式：

其中

为第i个子系统中的扬声器阵列的电信号驱动输入，由于第i个子系统有多个扬声器组成的阵列，所以

为一个向量，向量的每一个元素代表其中的一个扬声器电信号驱动：

在声学上会用传递函数描述一个扬声器到一个麦克风的声音场影响，所以上式中T^(i,j)是一个传递函数矩阵：

表示第i个子系统中每一个扬声器，分别对第j个子系统每一个麦克风的传递函数，由于第i个子系统对应第i号目标区域，包含Mi个麦克风和Ni个扬声器，而由于第j个子系统对应第j号目标区域，包含Mj个麦克风和Nj个扬声器，所以T^(i,j)是一个Mj行Ni列的矩阵，其中的H是对应的扬声器到麦克风的传递函数，通过测量计算获得，即H^(i,j) _Mj，Ni表示第i个子系统中的第Ni号扬声器，对第j个子系统中第Mj号麦克风的传递函数，所以系统的目标就是对第i号子系统求出一组向量

使得目标区域i的叠加声场值最小和对其他每个子系统的目标区域声场影响小于一个阈值β，该阈值是一个表达子系统之间相互影响的阈值，是声音的能量值，和分贝之间的关系是(logβ)/10＝N分贝，该阈值的选取方法是：选取一批用户来进行听觉测试，确定用户能接受多少分贝以下的音量而不会觉得烦躁，根据目标场景的目标用户样本体验统计得到一个确定的分贝值即N分贝，然后转换成β能量值，对应成表达式：

is minimized；

于是系统目标转变为求解一个在有约束条件下的最优化解的数学问题：

用数学公式表达即寻求一个解向量

满足下列数学表达式：

这里转变成一个标准的约束条件下的最优化解数学问题，应用Karush-Kuhn-

Tucker数学理论模型来求解，简称K-K-T理论：

上面三个方程就是k-k-T的标准形式，其中，

和

中

为求导的数学符号，

是是K-K-T模型求解过程中引入的一个变量，具体指第k个子系统的麦克风数量，mk为第k号子系统的麦克风标号，通过K-K-T理论算法解上述方程得到最优解

向量：

每个子系统独立完成以上步骤，解出每一个子系统的驱动电信号向量，完成整体系统计算。

进一步地，步骤S2中应保证每段时间片有50％的叠加部分。

进一步地，除了基于统计法得到影响阈值β，还有基于心理声学指标、工业指标和语音干涉度指标的方法来确定β阈值。

本发明通过集成麦克风阵列、专用降噪扬声器阵列和降噪芯片及电路，在扬声器周围形成小范围的降噪区域，并保证对降噪区域外的范围不增加噪声影响，所以不需要针对汽车音响型号进行适配，可用户选择车内任意座位头枕位置(或其他位置)安装，本系统对降噪目标区域空间内通过麦克采集噪声，实时计算出区域噪声声场，驱动扬声器发出小区域的反相降噪声场同时不增加降噪目标区域以外空间的声能量，由于需控制的降噪区域范围小，能提高算法效率和降噪效果，独立的设备，装备降噪专用的喇叭，不需要针对不同汽车的音响型号进行适配，即装即用，麦克风和喇叭可以集中在同一个设备上，不需要将麦克风单独安装在车舱的四周。可以支持用户加装，不需要汽车厂商预先集成，设备可以直接以外挂的形式装在需要降噪的座位的头枕或者靠背位置，可实现在设备目标区域内针对性的主动降噪，又因为每个设备的降噪目标区域相对较小，所以效果会更加明显，而对于芯片的要求会相对降低，成本也就会降低，设备具有理活性，可根据个人的需要的不同，选择设备的数量及安装的位置，操作简单，安装拆卸方便。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种分布式车载主动降噪系统，其特征在于，该系统包括若干个子系统以及子系统一同连接的系统自检模块，系统自检模块接收并处理每个子系统报告的自身系统信息来判定出是否有子系统增减，同时系统自检模块内设有定时系统检测模块，检测到子系统信息发生变化后会进行系统矫正，如果有新增或新减少的子系统，总系统会以新的子系统数量为标准，重新启动整体的计算过程，更新整体总系统和各个子系统新的评价条件和方程，随后系统自检模块会计算出降噪误差控制函数发布到各子系统中，所述的子系统的工作模块和流程是相同的，子系统包括电源系统、输入模块、输出模块和计算模块，输入模块连接计算模块，计算模块连接输出模块，输入模块具体是噪声信息输入模块，计算模块包括DSP芯片，输出模块包括DAC模块、D类放大器和扬声器，噪声信息输入模块包括麦克风阵列和ADC模块，麦克风阵列连接ADC模块，麦克风阵列包括采集噪声信息的麦克风、前置放大模块和音频放大器，多组麦克风阵列将采集到的噪声信息经前置放大模块和音频放大器放大后输送至ADC模块将模拟信号转换为数字信号，上述音频放大器、ADC模块、DSP芯片、DAC模块和D类放大器分别与ARM最小系统连接，音频放大器与D类放大器通过和ARM最小系统的连接可以精确控制信号的放大参数控制，噪声信息输送至ADC模块后由ARM最小系统对麦克风阵列采集的多通道噪声信息即对每个麦克风阵列监测点对应的一路信号均进行预处理，在经过模数转换后先进行数据切片，即按时间均匀切分采集信号，并保证每段时间片有叠加部分，随后对每个时间片的数据进行FFT傅立叶变换，使每个时间片得到一组频率分布的频率域函数，再对所有时间片的频率域函数做均值计算得到麦克风阵列对应监测点的统计声压数据阵列，输入模块将监测点的统计声压数据阵列输送至计算模块的DSP芯片，DSP芯片加载有ARM最小系统的降噪算法，具体是将整个系统按照子系统来划分，每个子系统对应一个降噪目标区域，那么每个子系统对应的降噪区域的声场，应该为自己区域内的所有扬声器产生的声场，叠加上其他每个子系统区域的每一个扬声器声场的组合，算法的目的是保证自己的降噪目标区域降噪效果最好的同时保证对其他工作的子系统区域的声场影响足够小，首先就是结合扬声器的电信号输入驱动与传递函数构建扬声器的声音影响表达式，由于子系统中构建的是扬声器阵列，此处电信号输入驱动是一个电信号向量，传递函数本身就是扬声器出厂时的映射函数，扬声器的电信号驱动声场的映射函数在该扬声器的硬件制作出厂时就已确定，通过测量可以得到，此时构建目标子系统的声音影响公式，即目标子系统的麦克风阵列采集到的噪声声场叠加目标子系统的扬声器阵列对目标子系统自身的声音影响表达式，同时还要构建目标子系统扬声器发声影响其余子系统的声音影响公式，具体是先通过结合目标子系统的扬声器阵列传递函数以及电信号驱动向量对其余某个子系统的麦克风阵列声音影响的叠加得到对某个其余子系统的声音影响，再将目标子系统对其余全部子系统分别得出的声音影响进行叠加得到声音影响公式，在传递函数通过对扬声器测试可以测出的情况下，对目标子系统自身的声音影响公式求最小解和使目标子系统对其余子系统的声音影响公式小于一个阈值，该阈值的数值也尽量小，这样对上述两个公式求解即可得到最合适的电信号驱动向量，每个子系统独立完成以上步骤，解出每一个子系统的电信号驱动向量，完成整体系统计算，DSP芯片将所述的每个扬声器电信号驱动向量发送至各自的输出模块，经DAC模块转换为模拟信号后再经过D类放大器按ARM最小系统加载的放大参数放大后输送至扬声器发出反相降噪声波形成噪声控制声场完成降噪，此时各个噪声信息输入模块会测量降噪的结果并判断降噪效果是否达标，进行误差反馈，若不达标则计算新的噪声声场并重复上述降噪过程。

2.如权利要求1所述系统的一种分布式车载主动降噪方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1、系统自检，系统自检模块接收并处理每个子系统报告的自身系统信息来判定出是否有子系统增减，同时系统自检模块内设有定时系统检测模块，检测到子系统信息发生变化后会进行系统矫正，重新进行自检，如果有新增或新减少的子系统，总系统会以新的子系统数量为标准，重新启动整体的计算过程，更新整体总系统和各个子系统新的评价条件和方程，随后系统自检模块会计算出降噪误差控制函数发布到各子系统中；

S2、目标子系统麦克风阵列采集噪声信息，麦克风将采集到的环境噪声信息经前置放大模块和音频放大器放大后输送至ADC模块将模拟信号转换为数字信号，ARM最小系统连接音频放大器以控制放大系数；

S3、目标子系统多通道噪声信息预处理，步骤S2得到的噪声信息输送至ADC模块后由ARM最小系统对每个麦克风阵列监测点对应的一路信号均进行预处理，在经过模数转换后先进行数据切片，即按时间均匀切分采集信号，并保证每段时间片有叠加部分，随后对每个时间片的数据进行FFT傅立叶变换，使每个时间片得到一组频率分布的频率域函数，再对所有时间片的频率域函数做均值计算得到麦克风阵列对应监测点的统计声压数据阵列，最后将监测点的统计声压数据阵列输送至DSP芯片；

S4、运行降噪算法实时计算出适用于扬声器阵列的电信号驱动向量，具体是将整个系统按照子系统来划分，每个子系统对应一个降噪目标区域，那么每个子系统对应的降噪区域的声场，应该为自己区域内的所有扬声器产生的声场，叠加上其他每个子系统区域的每一个扬声器声场的组合，算法的目的是保证自己的降噪目标区域降噪效果最好的同时保证对其他工作的子系统区域的声场影响足够小，首先就是结合扬声器的电信号输入驱动与传递函数构建扬声器的声音影响表达式，由于子系统中构建的是扬声器阵列，此处电信号输入驱动是一个电信号向量，传递函数本身就是扬声器出厂时的映射函数，扬声器的电信号驱动声场的映射函数在该扬声器的硬件制作出厂时就已确定，通过测量可以得到，此时构建目标子系统的声音影响公式，即目标子系统的麦克风阵列采集到的噪声声场叠加目标子系统的扬声器阵列对目标子系统自身的声音影响表达式，同时还要构建目标子系统扬声器发声影响其余子系统的声音影响公式，具体是先通过结合目标子系统的扬声器阵列传递函数以及电信号驱动向量对其余某个子系统的麦克风阵列声音影响的叠加得到对某个其余子系统的声音影响，再将目标子系统对其余全部子系统分别得出的声音影响进行叠加得到声音影响公式，在传递函数通过对扬声器测试可以测出的情况下，对目标子系统自身的声音影响公式求最小解和使目标子系统对其余子系统的声音影响公式小于一个阈值，该阈值的数值也尽量小，这样对上述两个公式求解即可得到最合适的电信号驱动向量，每个子系统独立完成以上步骤，解出每一个子系统的电信号驱动向量，完成整体系统计算；

S5、子系统驱动扬声器发出反相降噪声波，每个子系统的DSP芯片将所述的每个扬声器电信号驱动向量发送至各自的输出模块，经DAC模块转换为模拟信号后再经过D类放大器按ARM最小系统加载的放大参数放大后输送至扬声器发出反相降噪声波形成噪声控制声场完成降噪；

S6、误差反馈，噪声信息输入模块会测量降噪的结果并判断降噪效果是否达标，进行误差反馈，若不达标则计算新的噪声声场并重复上述自步骤S4开始的降噪过程；

S7、若步骤S6的误差反馈结果达标，则结束流程。

3.如权利要求2所述的一种分布式车载主动降噪方法，其特征在于，步骤S3得到的目标子系统麦克风阵列的对应监测点的统计声压数据阵列为P(X(i)j，f)，j：1，2，3，…m；X(i)j是i区域内第j个麦克风监测点的位置坐标，m是监测点的个数，f是监测点采集到信号的频率域统计声压值。

4.如权利要求3所述的一种分布式车载主动降噪方法，其特征在于，步骤S4中系统是由R个子系统组成，则对应有R个目标降噪区域，每个子系统的麦克风和扬声器个数如下表示：

麦克风测量到的噪声数据，整个系统如下表示：

其中每个子系统分别：

其中X(i)j表示i区域中的第j个麦克风监测点的位置坐标，上标表示区域，下标表示麦克风编号，整个系统按照子系统来划分，每个子系统对应一个降噪目标区域，确定一组基用于描述噪声，基相当于坐标轴，用不同的坐标轴的形式来描述整个空间，根据应用场景不同可以选取包括声音辐射模态、空腔模态、多级子的多种不同的基来描述整个声场，那么每个子系统对应的降噪区域的声场，应该为自己区域内的所有扬声器产生的声场，叠加上其他每个子系统区域的每一个扬声器声场的组合，于是我们描述第i个子系统，对第j个子系统的声音影响，用以下表达式：

其中

为第i个子系统中的扬声器阵列的电信号驱动向量，由于第i个子系统有多个扬声器组成的阵列，所以中

为一个向量，向量的每一个元素代表其中的一个扬声器的驱动电信号：

在声学上会用传递函数描述一个扬声器到一个麦克风的声音场影响，所以上式中T^(i,j)是一个传递函数矩阵：

表示第i个子系统中每一个扬声器，分别对第j个子系统每一个麦克风的传递函数，由于第i个子系统对应第i号目标区域，包含Mi个麦克风和Ni个扬声器，而由于第j个子系统对应第j号目标区域，包含Mj个麦克风和Nj个扬声器，所以T^(i,j)是一个Mj行Ni列的矩阵，其中的H是对应的扬声器到麦克风的传递函数，通过测量计算获得，即H^(i,j) _Mj，Ni表示第i个子系统中的第Ni号扬声器，对第j个子系统中第Mj号麦克风的传递函数，所以系统的目标就是对第i号子系统求出一组向量

使得目标区域i的叠加声场值最小和对其他每个子系统的目标区域声场影响小于一个阈值β，该阈值是一个表达子系统之间相互影响的阈值，是声音的能量值，和分贝之间的关系是(logβ)/10＝N分贝，该阈值的选取方法是：选取一批用户来进行听觉测试，确定用户能接受多少分贝以下的音量而不会觉得烦躁，根据目标场景的目标用户样本体验统计得到一个确定的分贝值即N分贝，然后转换成β能量值，对应成表达式：

最小化

对于任意的m和k≠i；

于是系统目标转变为求解一个在有约束条件下的最优化解的数学问题：

用数学公式表达即寻求一个解向量

满足下列数学表达式：

这里转变成一个标准的约束条件下的最优化解数学问题，应用Karush-Kuhn-Tucker数学理论模型来求解，简称K-K-T理论：

上面三个方程就是k-k-T的标准形式，其中，

和

中

为求导的数学符号，

是K-K-T模型求解过程中引入的一个变量，具体指第k个子系统的麦克风数量，mk为第k号子系统的麦克风标号，通过K-K-T理论算法解上述方程得到最优解

向量：

每个子系统独立完成以上步骤，解出每一个子系统的电信号驱动向量，完成整体系统计算。

5.如权利要求2所述的一种分布式车载主动降噪方法，其特征在于，步骤S2中应保证每段时间片有50％的叠加部分。

6.如权利要求4所述的一种分布式车载主动降噪方法，其特征在于，除了基于统计法得到影响阈值β，还有基于心理声学指标、工业指标和语音干涉度指标的方法来确定β阈值。

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