CN108140375A - 噪声和振动感测 - Google Patents

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Abstract

一种示例性主动道路噪声控制，包括：利用传感器布置来产生表示在第一位置处出现的加速度、运动和振动中的至少一个的主要感测信号，以及通过根据自适应操作模式或非自适应操作模式来处理所述主要感测信号而提供降噪信号；还包括在所述车体内在第二位置处从所述降噪信号产生降噪声音，以及评估所述主要感测信号且控制对所述主要感测信号的所述处理，使得在所述主要感测信号的幅度低于第一阈值时，在所述自适应操作模式中处理所述主要感测信号，而在所述主要感测信号的所述幅度超过第二阈值时，在所述非自适应操作模式中处理所述主要感测信号，所述第一阈值等于或小于所述第二阈值。

Description

噪声和振动感测
技术领域
本公开涉及主动道路噪声控制系统以及噪声和振动测量方法。
背景技术
陆路车辆在道路和其他路面上行驶时会产生称为道路噪声的低频噪声。即使在现代车辆中，车内乘员也可能会置身于通过结构传输(例如，轮胎-悬架-车身-车内路径，以及通过空气传播路径，例如，轮胎-车身-车内路径)到车内的道路噪声中。希望降低车内乘员感受到的道路噪声。主动噪声、振动和声振粗糙度(NVH)控制技术(也称为主动道路噪声控制(RNC)系统)可用于减少这些噪声成分，而不像主动振动技术中那样改变车辆结构。然而，用于道路噪声消除的主动声音技术可能需要在整个车辆结构中具有非常具体的噪声和振动(N&V)传感器布置，以观察与道路噪声相关的噪声和振动信号。
发明内容
示例性主动道路噪声控制系统包括：传感器布置，其被构造成产生表示在车体上的第一位置处出现的加速度、运动和振动中的至少一个的主要感测信号，所述感测信号具有幅度；和主动道路噪声控制模块，其被构造成通过根据某一时间的自适应操作模式或非自适应操作模式来处理主要感测信号而提供降噪信号。所述系统还包括：至少一个扬声器，其被构造成在车体内的第二位置处从降噪信号产生降噪声音，所述至少一个扬声器被设置在车体内的第三位置处；和过载检测模块，其被构造成评估主要感测信号并控制主动道路噪声控制模块，使得在主要感测信号的幅度低于第一阈值时，主动道路噪声控制模块在自适应操作模式中操作，而在主要感测信号的幅度超过第二阈值时，主动道路噪声控制模块在非自适应操作模式中操作，第一阈值等于或小于第二阈值。
示例性主动道路噪声控制方法包括：利用传感器布置来产生表示在车体上的第一位置处出现的加速度、运动和振动中的至少一个的主要感测信号，其中感测信号具有幅度；以及通过根据自适应操作模式或非自适应操作模式来处理主要感测信号而提供降噪信号。所述方法还包括在车体内在第二位置处从降噪信号产生降噪声音，以及评估主要感测信号且控制对主要感测信号的处理，使得在主要感测信号的幅度低于第一阈值时，在自适应操作模式中处理主要感测信号，而在主要感测信号的幅度超过第二阈值时，在非自适应操作模式中处理主要感测信号，第一阈值等于或小于第二阈值。
附图说明
通过阅读以下参照附图对非限制性实施例的描述，可以更好地理解本公开，在附图中，相同的元件用相同的附图标记表示，其中：
图1是示出示例性简单单声道主动道路噪声控制系统的示意图；
图2是示出示例性简单多声道主动道路噪声控制系统的示意图；
图3是示出具有过载检测模块的噪声和振动传感器布置的示意图；
图4是示出对加速度传感器信号的评估的图形；
图5是示出自适应主动道路噪声控制模块的图；
图6是示出具有自适应和非自适应操作模式的自适应滤波器的框图；和
图7是示例性主动道路噪声控制方法的流程图。
具体实施方式
噪声和振动传感器为主动道路噪声控制(RNC)系统(例如，多声道前馈主动RNC系统)提供参考输入，作为产生减少或消除道路噪声的抗噪声的基础。噪声和振动传感器可以包括加速度传感器，例如加速度计、测力计、称重传感器等。例如，加速度计是一种可以测量固有加速度的设备。固有加速度与坐标加速度不是指同一概念，坐标加速度是速度的变化率。可使用加速度计的单轴和多轴模型来检测固有加速度的幅度和方向，并可用于感测方向、坐标加速度、运动、振动和冲击。
由噪声和振动传感器监测空气传播的和结构传播的噪声源，以便在0Hz和1kHz之间提供尽可能高的道路降噪(消除)性能。例如，可以在整个车辆上设置用作输入噪声和振动传感器的加速度传感器，以监测悬架和其他轴部件的结构行为，以便进行全面的RNC。在从0Hz到大约500Hz的频率范围之外，可以使用测量空气传播的道路噪声的声传感器，作为参考控制输入。此外，还可在靠近乘客耳朵的一个或多个头枕中放置一个或多个麦克风，以在双耳降噪或消声的情况下提供一个或多个误差信号。前馈滤波器被调谐或调整为在两个耳朵处实现最大的降噪或噪声消除。
简单的单声道前馈主动RNC系统可以如图1所示构建。由悬架加速度传感器102检测由在路面上移动的车轮101产生的振动，悬架加速度传感器102与机动车辆104的悬架装置103机械联接，并输出表示检测到的振动并因此与车内可听到的道路噪声相关联的噪声和振动信号x(n)。同时，由安置在车内座位的(例如，驾驶座)头枕106中的声传感器(例如，麦克风105)检测表示车辆104的驾驶室中存在的噪声的误差信号e(n)。根据传递特性P(z)，源自车轮101的道路噪声被机械地传递到麦克风105。
可控滤波器108的传递特性W(z)由自适应滤波器控制器109控制，自适应滤波器控制器109可以基于误差信号e(n)和道路噪声信号x(n)，根据已知的最小均方(LMS)算法进行操作，x(n)由滤波器110利用传递特性F'(z)滤波，其中W(z)＝-P(z)/F(z)。F'(z)＝F(z)和F(z)表示扬声器和麦克风105之间的传递函数。由自适应滤波器基于如此识别的传递特性W(z)和噪声和振动信号x(n)生成具有与车内可听见的道路噪声相位相反的波形的信号y(n)，自适应滤波器至少由可控滤波器108和滤波器控制器109形成。然后，由扬声器111(可以布置在车内)从信号y(n)产生与车内可听见的道路噪声相位相反的波形，从而降低车内的道路噪声。为了简单起见，上述示例性系统采用具有简单单声道前馈x滤波LMS控制结构的主动RNC模块107，但是也可以应用其他控制结构，例如具有多个附加声道、多个附加噪声传感器112、多个附加麦克风113以及多个附加扬声器114的多声道结构。
图1所示的系统还包括过载检测模块115，过载检测模块115评估一起形成简单传感器布置的加速度传感器102和可选的麦克风105的操作状态。在该实例中，过载检测模块115评估来自加速度传感器102和可选麦克风105的感测信号，例如噪声和振动信号x(n)以及可选的误差信号e(n)，并控制主动道路噪声控制模块，其包括自适应滤波器116，使得自适应滤波器116在主要感测信号的幅度低于第一阈值时在自适应操作模式中操作，而在主要感测信号的幅度超过第二阈值时，在非自适应操作模式中操作，第一阈值等于或小于第二阈值。如果第一阈值和第二阈值相等，则确立简单的切换行为。如果第一阈值小于第二阈值，则确立滞后行为。信号的幅度在此应理解为信号的瞬时值的绝对值。可选地，附加加速度传感器112和附加麦克风113可以连接到过载检测模块115以用于进行进一步评估(连接未在图1中示出)。
图2示出了一种主动道路噪声控制系统200，它是能够抑制来自多个噪声和振动源的噪声的多声道型主动RNC系统。主动RNC系统200包括多个(n)噪声和振动传感器201、多个(l)扬声器202、多个(m)麦克风203(声传感器)以及自适应多声道主动RNC模块204，其操作以最小化来自噪声和振动源的噪声(主要噪声)和抵消噪声(次要噪声)之间的误差。RNC模块204可以包括为每个扬声器202提供的多个控制电路，这些控制电路产生抵消来自相应噪声和振动源的噪声的抵消信号(即，抗噪声)。
图2所示的系统还包括多声道过载检测模块205，多声道过载检测模块205评估一起形成另一传感器布置的加速度传感器201(和可选的麦克风203)的操作状态。在该实例中，过载检测模块205评估来自多个加速度传感器201(和多个麦克风203)的感测信号，并控制由例如RNC模块204形成的主动道路噪声控制模块，使得RNC模块204在主要感测信号的幅度低于第一阈值时在自适应操作模式中操作，而在主要感测信号的幅度超过第二阈值时在非自适应操作模式中操作，其中第一阈值等于或小于第二阈值。
在传统的主动RNC系统中，仅一个传感器的过载就会严重影响系统的性能，甚至会产生不必要的可听见的人为伪声。因此，在传统的系统中，提供了相当大的感测信号动态余量，然而这会降低传感器的可用动态性。此外，成功的过载检测所面临的挑战是如何处理这些信息，而不仅仅是关闭整个系统。关于如何进行的决定可能取决于以下信息，例如有多少传感器表现出过载情况，哪些以及哪种传感器表现出过载情况，检测到的过载情况有多重要，以及它们对系统的具体影响。示例性过载检测模块115和205评估传感器的过载状态，基于其评估来确定一个或多个传感器是否表现出过载，并且可选地确定过载有多严重。
图3中示出了评估、确定和/或检测过载情况的示例性方式。传感器布置301包括多个噪声和振动传感器302(包括加速度传感器309)以及声传感器303(包括麦克风310)以提供输出信号308。示例性的内置过载检测模块304可以集成在每个噪声和振动传感器302中，并且可选地集成在至少一些声传感器303中以测试相应的传感器。如果内置过载检测模块304中的至少一个检测到过载，则它会产生指示过载情况的过载(指示)信号305，并将过载的传感器通知到过载处理模块306，过载处理模块306输出表示传感器过载的信号311。内置过载检测模块304可以包括至少一个阈值，将感测信号与该阈值进行比较，以便检测过载，并可选地识别过载类型，例如接近阈值、完全过载等。
如图3所示的示例性过载检测和处理布置可操作以例如利用上面结合图3描述的内置自测模块304来测试每个传感器本身。基于测试结果，额外地，过载处理模块306可以评估传感器组的过载状态或者，简单地，评估主动道路噪声系统的所有传感器的过载状态。可以根据不同的标准形成传感器组，例如纯声传感器组、纯噪声和振动传感器组、相邻传感器组、声传感器和噪声和振动传感器配对组等。噪声和振动传感器302中的内置自测模块304可产生至少一个额外的信号或比特，其可作为单独的信号/比特被评估，或者可与噪声和振动传感器的输出信号307进行组合(例如，作为附加比特)。类似地，声传感器303中的内置自测模块304可以产生至少一个附加信号或比特，其可作为单独的信号被评估，或者可与声传感器的输出信号305进行组合。
图4是示出加速度传感器的传感器诊断方法的一个实例操作的加速度(a)与时间(t)的关系图。在该实例中，感测信号401以加速度的物理单位来表示，即1g＝9.81m/s2。预定范围402在对应于0和4g之间的幅度的正4g和负4g之间延伸。应该理解的是，预定范围402的大小可以基于传感器的类型、传感器的灵敏度以及车辆的预期驾驶条件而变化。感测信号401可能首先在预定范围402内。感测信号401在正方向上的点403处离开预定范围402，即超过阈值4g，导致过载信号411被置位。在点404处，感测信号401返回到预定范围402，并且过载信号411被重置。感测信号401在负方向上的点405处离开预定范围402，即，低于阈值-4g，导致过载信号411被再次置位。在点406处，感测信号401返回到预定范围402，并且过载信号411被再次重置。
在图4所示的实例中，传感器信号继续振荡进出预定范围402，并且过载信号411相应地指示过载状态。可以提供另一个预定范围413，其在对应于0和4g之间的幅度的正5g和负5g之间延伸。感测信号401在正方向上的点407处离开预定范围413，即在超过阈值4g之后超过阈值5g，导致过载信号412被置位，而过载信号411在不久之前被置位。在点408处，感测信号401返回到预定范围413并且随后返回到预定范围402，使得过载信号412被重置，随后，过载信号411被重置。感测信号401在负方向上的点409处离开预定范围413，即，在低于阈值-4g之后，低于阈值-5g，导致过载信号412被再次置位，而过载信号411在不久之前被置位。在点410处，感测信号401返回到预定范围413并且随后返回到预定范围402，使得过载信号412被再次重置，而过载信号411在不久之前被重置。通过当信号401离开范围413时，置位例如过载信号411，以及当信号401返回到范围402时，置位过载信号411，可以确立滞后行为。
参考图5，当检测到至少一个传感器的过载时，控制主动道路噪声控制模块507从自适应模式变为非自适应模式。主动道路噪声控制模块507可以经由传递相应的感测信号503的输出信号线和传递相应的过载信号504的过载指示线，连接到(至少一个)噪声和振动传感器501。主动道路噪声控制模块507还可以经由传递相应的感测信号505的输出信号线和传递相应的过载信号506的过载指示线，连接到(至少一个)声传感器502。感测信号503和505用于主动道路噪声控制模块507的自适应，并用于生成抗噪声信号508，而过载信号504和506选择主动道路噪声控制模块507的操作模式，即，自适应模式或非自适应模式。
主动道路噪声控制模块507可以包括如下面结合图6所描述的自适应滤波器601。自适应滤波器601可以包括可控滤波器602和滤波器控制器603。输出抗噪声信号606的可控滤波器602具有由滤波器系数604确定的传递函数，滤波器系数604由滤波器控制器603提供、控制或适配，以改变可控滤波器602的传递函数，并因此改变自适应滤波器601的传递函数。向可控滤波器602和滤波器控制器603提供输入信号605，输入信号605可以表示来自图5所示的噪声和振动传感器501的感测信号503。滤波器控制器603还接收可以表示图5所示的声传感器502的感测信号505的输入信号607和可以表示噪声和振动传感器501的过载信号504的过载信号608。滤波器控制器603可以可选地还接收可表示声传感器502的过载信号506的过载信号609。
例如，当没有检测到过载时，自适应滤波器601处于其自适应模式，并且在成功自适应时，即在完全适应的状态下，可具有第一传递函数。当随后噪声和振动传感器501指出过载时，自适应滤波器601被控制以保持(冻结)第一传递函数并停止自适应过程。在返回到非过载状态之后，自适应滤波器601开始从第一传递函数开始再次调整其传递函数。当再次发生过载情况时，自适应滤波器601可能已被适配为例如第二传递函数。当此时检测到过载时，自适应滤波器601被控制以保持(冻结)第二传递函数并停止自适应过程。或者，当检测过载情况时，每当检测到过载，可控滤波器602都可以被设置为默认(预定)传递函数，并可以停止自适应过程。当从默认设置返回到自适应操作模式时，自适应滤波器可以被重置。在又一替代方案中，可以采用两个重叠的预定范围，例如上面结合图4所述的预定范围402和413，由此使用较小的预定范围(例如预定范围402)会触发最新传递函数的冻结，而使用较大的预定范围(例如，预定范围413)会将传递函数设置为默认传递函数。当进入两个预定范围时，该过程可以颠倒。
参考图7，可以在上文参考图1、图2和图6所描述的系统中实现的示例性的方法可以包括：利用传感器布置来产生表示在车体上的第一位置处出现的加速度、运动和振动中的至少一个的主要感测信号(过程701)，以及通过根据自适应操作模式或非自适应操作模式来处理主要感测信号而提供降噪信号(过程702)。该方法还包括在车体内在第二位置处从降噪信号产生降噪声音(过程703)，并评估主要感测信号，并控制对主要感测信号的处理，使得在主要感测信号的幅度低于第一阈值时，在自适应操作模式中处理主要感测信号，而在主要感测信号的幅度超过第二阈值时，在非自适应操作模式中处理主要感测信号，第一阈值等于或小于第二阈值(过程704)。
可选地，如上所述，该方法还可以包括生成表示在第二位置处出现的声音的次要感测信号，并且通过处理主要感测信号和次要感测信号来提供降噪信号。另一种选择可以包括提供多个主要感测信号，并将多个主要感测信号与多个第一和第二阈值进行比较，并控制主动道路噪声控制模块，使得在第一数量的主要感测信号的幅度低于它们相应的第一阈值时，该方法在自适应操作模式中操作，而在第二数量的主要感测信号的幅度超过它们相应的第二阈值时，该方法在非自适应操作模式中操作。利用可变传递函数来执行自适应滤波，其中在另一选项中，非自适应操作模式包括停止自适应，并在停止自适应时保持自适应滤波器的传递函数，或者在另一选项中，非自适应操作模式包括停止自适应，并将自适应滤波器的传递函数设置为默认传递函数。当从默认设置返回到自适应操作模式时，自适应滤波器可以可选地被重置。
已经出于说明和描述的目的给出了各实施例的描述。根据上面的描述可以对各实施例进行适当的修改和变化，或者可以通过实施这些方法来获得这些修改和变化。例如，除非另有说明，所描述的方法中的一个或多个可以由合适的设备和/或设备的组合来执行。除了本申请中描述的顺序之外，所描述的方法和相关联的动作还可以以各种顺序并行地和/或同时地执行。所描述的系统本质上是示例性的，并且可以包括附加元件和/或省略元件。
如在本申请中所使用的，以单数列举并且前面有词语“一个”的元件或步骤应当被理解为不排除多个所述元件或步骤，除非声明了这种排除。此外，对本公开的“一个实施例”或“一个实例”的引用不意指被解释为排除也合并了所列举的特征的额外实施例的存在。术语“第一”、“第二”和“第三”等仅被用作标签，并不旨在对其对象强加数字要求或特定的位置顺序。

Claims (15)

1.一种主动道路噪声控制系统，包括：
传感器布置，其被配置成产生表示在车体上的第一位置处出现的加速度、运动和振动中的至少一个的主要感测信号，所述感测信号具有幅度；
主动道路噪声控制模块，其被配置成通过根据某一时间的自适应操作模式或非自适应操作模式来处理所述主要感测信号而提供降噪信号；
至少一个扬声器，其被配置成在所述车体内的第二位置处基于所述降噪信号产生降噪声音，所述至少一个扬声器被设置在所述车体内的第三位置处；以及
过载检测模块，其被配置成评估所述主要感测信号并控制所述主动道路噪声控制模块，使得在所述主要感测信号的幅度低于第一阈值时，所述主动道路噪声控制模块在所述自适应操作模式中操作，而在所述主要感测信号的所述幅度超过第二阈值时，所述主动道路噪声控制模块在所述非自适应操作模式中操作，所述第一阈值等于或小于所述第二阈值。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述传感器布置还被配置成产生表示在所述第二位置处出现的声音的次要感测信号；并且
所述主动道路噪声控制模块还被配置成通过处理所述主要感测信号和所述次要感测信号来提供所述降噪信号。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述过载检测模块还被配置成在所述第一阈值和所述第二阈值之间呈现滞后行为。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述传感器布置包括至少一个噪声和振动传感器以及至少一个声传感器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其中
所述传感器布置包括提供多个主要感测信号的多个噪声和振动传感器；并且
所述过载检测模块还被配置成将所述多个主要感测信号与多个第一阈值和第二阈值进行比较，并控制所述主动道路噪声控制模块，使得在第一数量的主要感测信号的幅度低于它们相应的第一阈值时，所述主动道路噪声控制模块在所述自适应操作模式中操作，而在第二数量的主要感测信号的所述幅度超过它们相应的第二阈值时，所述主动道路噪声控制模块在所述非自适应操作模式中操作。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中所述主动道路噪声控制模块包括具有可变传递函数的自适应滤波器；并且
所述非自适应操作模式包括停止自适应，以及在停止所述自适应时保持所述自适应滤波器的传递函数。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中所述主动道路噪声控制模块包括具有可变传递函数的自适应滤波器；并且
所述非自适应操作模式包括停止自适应，以及将所述自适应滤波器的所述传递函数设置为默认传递函数。
8.根据权利要求7所述的系统，其中从所述非自适应操作模式到所述自适应操作模式的改变包括所述主动道路噪声控制模块的重置。
9.一种主动道路噪声控制方法，包括：
利用传感器布置产生表示在车体上的第一位置处出现的加速度、运动和振动中的至少一个的主要感测信号，所述感测信号具有幅度；
通过根据自适应操作模式或非自适应操作模式来处理所述主要感测信号而提供降噪信号；
在所述车体内在第二位置处基于所述降噪信号产生降噪声音；以及
评估所述主要感测信号并控制对所述主要感测信号的处理，使得在所述主要感测信号的所述幅度低于第一阈值时，在所述自适应操作模式中处理所述主要感测信号，而在所述主要感测信号的所述幅度超过第二阈值时，在所述非自适应操作模式中处理所述主要感测信号，所述第一阈值等于或小于所述第二阈值。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：
产生表示在所述第二位置处出现的声音的次要感测信号；以及
通过处理所述主要感测信号和所述次要感测信号来提供所述降噪信号。
11.根据权利要求9或10所述的方法，还包括所述第一阈值和所述第二阈值之间的滞后行为。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，还包括：
提供多个主要感测信号；以及
将所述多个主要感测信号与多个第一阈值和第二阈值进行比较，并控制所述主动道路噪声控制模块，使得在第一数量的主要感测信号的幅度低于它们相应的第一阈值时，所述方法在所述自适应操作模式中操作，而在第二数量的主要感测信号的幅度超过它们相应的第二阈值时，所述方法在所述非自适应操作模式中操作。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，还包括利用可变传递函数进行自适应滤波；并且
所述非自适应操作模式包括停止自适应，以及在停止所述自适应时保持所述自适应滤波器的所述传递函数。
14.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，还包括利用可变传递函数进行自适应滤波；并且
所述非自适应操作模式包括停止自适应，以及将所述自适应滤波器的所述传递函数设置为默认传递函数。
15.根据权利要求14所述的方法，其中从所述非自适应操作模式到所述自适应操作模式的改变包括所述主动道路噪声控制模块的重置。
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