CN107600011A - 一种汽车发动机噪声的主动控制降噪系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车发动机噪声的主动控制降噪系统及方法，该系统包括：车辆信息识别系统，用于接收整车CAN网络通讯中的发动机转速、车门、车窗、车内外温度、湿度、娱乐系统的信号，判定车辆状态，完成初始化监测；主动控制发声系统,用于实时自适应控制计算，向汽车扬声器系统发出多路控制信号，控制扬声器发出相应频率、相位和能量的声波，实现车内的主动控制消声；车内环境监测系统，用于实时监测车内各关键点的声能量，将声能量信号作为输入信号反馈给主动控制发声系统，作为参考信号，实时监测车内噪声变化情况。主动控制降噪方法参见说明书，本发明利用主动控制方法降低了发动机噪声对于车内乘客的干扰，提升汽车车内声品质。

Description

一种汽车发动机噪声的主动控制降噪系统及方法

技术领域

本发明涉及车内主动降噪技术领域，尤其是涉及一种汽车发动机噪声的主动控制降噪系统及方法。

背景技术

当前主动降噪技术，对于车内的降噪是基于提取噪声信号的频率信息作为控制输入，无法进行实时精确的消声效果处理。

申请号为201611087346.5，公开日为2017年02月08日，专利名称为“一种基于发动机转速的主动降噪装置及方法”的发明专利，其提取前舱中发动机附近的噪声信号作为消声频率输入，实际上前舱中混杂压缩机、启动电机、冷却风扇、进气系统等多种系统产生的噪声，麦克风无法自动识别发动机的有效噪声频率，无法实现车内发动机噪声的有效消减。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种汽车发动机噪声的主动控制降噪系统及方法，其针对当前主动降噪的控制精度，与发动机CAN网络建立通讯协议，精确捕捉发动机消声频率及相位，实现了自适应非线性实时控制发声系统的能量自调节功能，利用主动控制方法降低了发动机噪声对于车内乘客的干扰，提升汽车车内声品质。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种汽车发动机噪声的主动控制降噪系统，其包括：车辆信息识别系统，用于接收整车CAN网络通讯中的发动机转速、车门、车窗、车内外温度、湿度、娱乐系统的信号，判定车辆状态，完成初始化监测；主动控制发声系统,用于实时自适应控制计算，向汽车扬声器系统发出多路控制信号，控制扬声器发出相应频率、相位和能量的声波，实现车内的主动控制消声；车内环境监测系统，用于实时监测车内各关键点的声能量，将声能量信号作为输入信号反馈给主动控制发声系统，作为参考信号，实时监测车内噪声变化情况。

进一步，主动控制发声系统基于自适应LMS算法开发的多通道耦合控制系统。

进一步，主动控制发声系统包括：

主动控制系统，用于实时自适应控制计算，向汽车扬声器系统发出多路控制信号；

主动发声系统，用于控制扬声器发射反相声波。

进一步，扬声器为汽车配备的低音主扬声器和外置功放。

进一步，主动控制系统还包括：

声音监测系统，用于实时监测车内声能量的合理分布和能量，将监测信号反馈给主动控制发声系统，为主动发声系统提供必要的输入参考。

一种汽车发动机噪声的主动控制降噪方法，该主动控制降噪方法包括：

S1、利用车辆信息识别系统接收整车CAN网络通讯中的发动机转速、车门、车窗、车内外温度、湿度、娱乐系统的信号，判定车辆状态，完成初始化监测，同时将启动信号传递给主动控制发声系统；

S2、主动控制发声系统接收到启动信号后，进行实时自适应控制计算，向汽车扬声器系统发出多路控制信号，控制扬声器发出相应频率、相位和能量的声波，实现车内的主动控制消声；

S3、车内环境监测系统实时监测车内各关键点的声能量，将声能量信号作为输入信号反馈给主动控制发声系统，作为参考信号，实时监测车内噪声变化情况；

S4、当参考信号与标定信号在容差范围内，则主动发声系统正常工作；

当参考信号与标定信号超出容差范围则经过判定后，主动发声系统开始自诊断修复功能；修复成功后，主动发声系统重新工作；否则主动发声系统中断工作，待下一次车子重新点火启动后，整个主动控制系统重新初始化，准备工作。

进一步，主动控制发声系统包括如下步骤：

T1、输入发动机转速参考信号；

T2、将输入的方波信号滤波得到基波并将其放入向量X的最前面；

T3、通过AD转换得到麦克风信号e；

T4、将当前权值向量W和参考输入向量X做卷积计算得到当前的输出y；

T5、将计算得到的输出y转换成电压数值并通过DA转换后输出给扬声器发声；

T6、将参考输入向量X和传函C向量做卷积得到向量X'，计算公式如下：

T7、将向量X'右移一个数，然后将计算得到的x'(n)放到第一个数据中形成更新后的X'；

T8、将X’带入公式，wi(n+1)＝wi(n)-μe(n)x'(n-i)调整权值向量W；

T9、将参考输入X向量右移一个数据，一个计算循环结束，为下一轮计算做准备。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：直接与发动机CAN网络建立通讯协议，精确捕捉发动机消声频率及相位，同时实现了自适应非线性实时控制发声系统的能量自调节功能，利用主动控制方法降低了乘客舱内发动机噪声，提升汽车车内声品质。

附图说明

图1为主动降噪控制原理框图；

图2为汽车发动机噪声的主动控制降噪系统实现的结构框图；

图3为麦克风在汽车上的分布图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

一种汽车发动机噪声的主动控制降噪系统，其包括车辆信息识别系统、主动控制发声系统和车内环境监测系统。而车辆信息识别系统用于接收整车CAN网络通讯中的发动机转速、车门、车窗、车内外温度、湿度、娱乐系统的信号，判定车辆状态，完成初始化监测；主动控制发声系统用于实时自适应控制计算，向汽车扬声器系统发出多路控制信号，控制扬声器发出相应频率、相位和能量的声波，实现车内的主动控制消声；车内环境监测系统用于实时监测车内各关键点的声能量，将声能量信号作为输入信号反馈给主动控制发声系统，作为参考信号，实时监测车内噪声变化情况。

主动控制发声系统基于自适应LMS算法开发的多通道耦合控制系统。而主动控制发声系统包括：主动控制系统，用于实时自适应控制计算，向汽车扬声器系统发出多路控制信号；主动发声系统，用于控制扬声器发射反相声波，扬声器为汽车配备的低音主扬声器和外置功放。而主动控制系统还包括：声音监测系统，用于实时监测车内声能量的合理分布和能量，将监测信号反馈给主动控制发声系统，为主动发声系统提供必要的输入参考。

一种汽车发动机噪声的主动控制降噪方法，该主动控制降噪方法包括：

S1、利用车辆信息识别系统接收整车CAN网络通讯中的发动机转速、车门、车窗、车内外温度、湿度、娱乐系统的信号，判定车辆状态，完成初始化监测，同时将启动信号传递给主动控制发声系统；

S2、主动控制发声系统接收到启动信号后，进行实时自适应控制计算，向汽车扬声器系统发出多路控制信号，控制扬声器发出相应频率、相位和能量的声波，实现车内的主动控制消声；

S3、车内环境监测系统实时监测车内各关键点的声能量，将声能量信号作为输入信号反馈给主动控制发声系统，作为参考信号，实时监测车内噪声变化情况；

S4、当参考信号与标定信号在容差范围内，则主动发声系统正常工作；

当参考信号与标定信号超出容差范围则经过判定后，主动发声系统开始自诊断修复功能；修复成功后，主动发声系统重新工作；否则主动发声系统中断工作，待下一次车子重新点火启动后，整个主动控制系统重新初始化，准备工作。

前文提到的主动控制发声系统包括如下步骤：

T1、输入发动机转速参考信号；

T2、将输入的方波信号滤波得到基波并将其放入向量X的最前面；

T3、通过AD转换得到麦克风信号e；

T4、将当前权值向量W和参考输入向量X做卷积计算得到当前的输出y；

T5、将计算得到的输出y转换成电压数值并通过DA转换后输出给扬声器发声；

T6、将参考输入向量X和传函C向量做卷积得到向量X'，计算公式如下：

T7、将向量X'右移一个数，然后将计算得到的x'(n)放到第一个数据中形成更新后的X'；

T8、将X’带入公式，wi(n+1)＝wi(n)-μe(n)x'(n-i)调整权值向量W；

T9、将参考输入X向量右移一个数据，一个计算循环结束，为下一轮计算做准备。

本发明将发动机转速、车门窗的开启信息作为启动输入信号，在预标定的发动机转速下，主动降噪控制系统通过汽车配备的低音主扬声器和外置功放生成反相声波，利用正向声波和反相声波的叠加原理实现车内噪声的消减。

主动控制发声系统是基于自适应LMS算法开发的多通道耦合控制系统，实现多个校正麦克风的监控，同时控制多通道扬声器的实时控制，其结构原理如图1所示。

其中x(n)表示初始的发动机噪声源，e(n)是麦克风接收到的主动控制后的总能量。

P(z)是发动机至麦克风的路径传递函数，d(n)则是麦克风收到的发动机噪声信号。W(z)是自适应算法控制调节的权值；y(n)为控制后的扬声器输出的反相声波；H(z)是扬声器至麦克风的传递函数；y’(n)是麦克风接收到的扬声器的能量数值。

因此发动机噪声传递到麦克风后的能量与主动发声系统控制扬声器发出的反相声波进行干涉叠加，得到干涉叠加后的信号：

E(z)＝X(z)P(z)+X(z)W(z)H(z)

控制目标为E(z)＝0，即噪声能被完全抵消。因此将e(n)的平方对权值W求偏导得到：

进行离散化，并引入一个小于1的步长因子μ，得到权值调整公式如下：

Wn(z)＝Wn-1(z)–μE(z)X(z)H(z)

C(z)是扬声器至麦克风的离线辨识得到的传递函数，替换H(z)；W(z)是权值，LMS算法实时调整得到W(z)，从而实现自适应实时控制。

我们的目标是E(z)＝0，即噪声能被完全抵消，得到：

X(z)P(z)+X(z)W(z)H(z)＝0

整理后得到：

P(z)＝-W(z)H(z)

具体算法的步骤如下

第一步：输入发动机转速参考信号(方波模拟信号)；

第二步：将输入的方波信号滤波得到基波(发动机二阶信号)并将其放入向量X的最前面；

第三步：通过AD转换得到麦克风信号e；

第四步：将当前权值向量W和参考输入向量X做卷积计算得到当前的输出y；

第五步：将计算得到的输出y转换成电压数值并通过DA转换后输出给扬声器发声；

第六步：将参考输入向量X和传函C向量做卷积得到向量X'，计算公式如下：

第七步：将向量X'右移一个数，然后将计算得到的x'(n)放到第一个数据中形成更新后的X'；

第八步：将X’带入公式，wi(n+1)＝wi(n)-μe(n)x'(n-i)调整权值向量W；

第九步：将参考输入X向量右移一个数据，一个计算循环结束，为下一轮计算做准备。

为了实现自适应主动控制，主动控制系统包括声音监测系统，实时监测车内声能量的合理分布和能量，将监测信号反馈给主动控制发声系统，为主动发声系统提供必要的输入参考。

参见图2，该图示出了汽车发动机噪声的主动控制降噪系统实现的结构框图，该图示包括DSP、DAC、低通滤波(RR)、低通滤波(RF)、低通滤波(LR)、低通滤波(LF)、功放芯片(PA)、混音单元。混音单元的作用将ANC计算出来的音频信号通过模拟电路混合与功放芯片进行声音混合，驱动扬声器发声，同时播放出娱乐系统的声音和ANC所需的反向声波，而对于娱乐系统的声音信号不做任何更改，最终实现主动消声功能。

右后麦克风、右前麦克风、左后麦克风、左前麦克风(参见图3)各自通过滤波及放大电路后输入DSP，发动机转速方波通过整形电路后输入DSP，CAN总线通过CAN收发器而接于DSP，DSP接于低通滤波(RR)、低通滤波(RF)、低通滤波(LR)、低通滤波(LF)，低通滤波(RR)、低通滤波(RF)、低通滤波(LR)、低通滤波(LF)与功放芯片(PA)相连，功放芯片(PA)接于混音单元，混音单元通过扬声器输出反相声波。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种汽车发动机噪声的主动控制降噪系统，其特征在于，其包括：

车辆信息识别系统，用于接收整车CAN网络通讯中的发动机转速、车门、车窗、车内外温度、湿度、娱乐系统的信号，判定车辆状态，完成初始化监测；

主动控制发声系统,用于实时自适应控制计算，向汽车扬声器系统发出多路控制信号，控制扬声器发出相应频率、相位和能量的声波，实现车内的主动控制消声；

车内环境监测系统，用于实时监测车内各关键点的声能量，将声能量信号作为输入信号反馈给主动控制发声系统，作为参考信号，实时监测车内噪声变化情况。

2.根据权利要求1所述的一种汽车发动机噪声的主动控制降噪系统，其特征在于，所述主动控制发声系统基于自适应LMS算法开发的多通道耦合控制系统。

3.根据权利要求1所述的一种汽车发动机噪声的主动控制降噪系统，其特征在于，所述主动控制发声系统包括：

主动控制系统，用于实时自适应控制计算，向汽车扬声器系统发出多路控制信号；

主动发声系统，用于控制扬声器发射反相声波。

4.根据权利要求3所述的一种汽车发动机噪声的主动控制降噪系统，其特征在于，所述扬声器为汽车配备的低音主扬声器和外置功放。

5.根据权利要求3所述的一种汽车发动机噪声的主动控制降噪系统，其特征在于，所述主动控制系统还包括：

声音监测系统，用于实时监测车内声能量的合理分布和能量，将监测信号反馈给主动控制发声系统，为主动发声系统提供必要的输入参考。

6.一种汽车发动机噪声的主动控制降噪方法，其特征在于，该主动控制降噪方法包括：

S1、利用车辆信息识别系统接收整车CAN网络通讯中的发动机转速、车门、车窗、车内外温度、湿度、娱乐系统的信号，判定车辆状态，完成初始化监测，同时将启动信号传递给主动控制发声系统；

S2、主动控制发声系统接收到启动信号后，进行实时自适应控制计算，向汽车扬声器系统发出多路控制信号，控制扬声器发出相应频率、相位和能量的声波，实现车内的主动控制消声；

S3、车内环境监测系统实时监测车内各关键点的声能量，将声能量信号作为输入信号反馈给主动控制发声系统，作为参考信号，实时监测车内噪声变化情况；

S4、当参考信号与标定信号在容差范围内，则主动发声系统正常工作；

当参考信号与标定信号超出容差范围则经过判定后，主动发声系统开始自诊断修复功能；修复成功后，主动发声系统重新工作；否则主动发声系统中断工作，待下一次车子重新点火启动后，整个主动控制系统重新初始化，准备工作。

7.根据权利要求6所述的一种汽车发动机噪声的主动控制降噪方法，其特征在于，所述主动控制发声系统包括如下步骤：

T1、输入发动机转速参考信号；

T2、将输入的方波信号滤波得到基波并将其放入向量X的最前面；

T3、通过AD转换得到麦克风信号e；

T4、将当前权值向量W和参考输入向量X做卷积计算得到当前的输出y；

T5、将计算得到的输出y转换成电压数值并通过DA转换后输出给扬声器发声；

T6、将参考输入向量X和传函C向量做卷积得到向量X'，计算公式如下：

<mrow> <msup> <mi>x</mi> <mo>,</mo> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mi>M</mi> </msubsup> <mi>c</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

T7、将向量X'右移一个数，然后将计算得到的x'(n)放到第一个数据中形成更新后的X'；

T8、将X’带入公式，wi(n+1)＝wi(n)-μe(n)x'(n-i)调整权值向量W；

T9、将参考输入X向量右移一个数据，一个计算循环结束，为下一轮计算做准备。