CN108140376A - 发动机阶次和道路噪声控制 - Google Patents

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Abstract

示例性发动机阶次和道路噪声控制系统和方法包括：直接从车辆的结构元件获取道路噪声以生成表示所述道路噪声的第一感测信号，检测所述车辆的发动机的谐波以生成表示所述发动机谐波的第二感测信号，以及组合所述第一感测信号和所述第二感测信号以提供表示所述第一感测信号和所述第二感测信号的组合的组合信号。所述系统和方法还包括：宽频带有源噪声控制滤波以从所述组合信号生成滤波后组合信号，并且将来自所述有源噪声控制滤波的所述滤波后组合信号转换成抗噪声并将所述抗噪声发射到所述车辆的内部中的收听位置。所述滤波后组合信号被配置成使得所述抗噪声降低所述收听位置处的所述道路噪声和发动机声音。

Description

发动机阶次和道路噪声控制
技术领域
本公开涉及发动机阶次和道路噪声控制系统和方法。
发明背景
与有源噪声控制(ANC)技术的方式类似，道路噪声控制(RNC)技术通过生成抗噪声(即与待降低的声波相位相反的声波)降低汽车内不需要的道路噪声。RNC技术使用噪声和振动传感器来获取由引起或传递噪声和振动的轮胎、车身部件以及粗糙路面产生的不需要的噪声和振动。消除这种噪声的结果是一个更愉快的旅程，并且它使汽车制造商能够使用轻质底盘材料，从而增加燃料里程并减少排放。发动机阶次噪声消除(EOC)技术使用非声学信号，诸如表示发动机噪声的每分钟重复次数(RPM)传感器，作为参考来生成与汽车内部可听见的发动机噪声相位相反的声波。因此，EOC使得更易于减少常规阻尼材料的使用。在这两种系统中，安装在汽车内部的附加误差麦克风可提供幅值和相位的反馈以改善降噪效果。然而，这两种技术需要不同的传感器和不同的信号处理以便观察发动机阶次和道路噪声相关的噪声，因此通常两个单独的系统并排使用。
发明内容
一种示例性发动机阶次和道路噪声控制系统包括：第一传感器，其被配置来直接从车辆的结构元件获取道路噪声并且生成表示所述道路噪声的第一感测信号；第二传感器，其被配置来检测所述车辆的发动机的谐波并且生成表示所述发动机谐波的第二感测信号；以及加法器，其被配置来组合所述第一感测信号和所述第二感测信号以提供表示所述第一感测信号和所述第二感测信号的组合的组合信号。所述系统还包括：宽频带有源噪声控制滤波器，其被配置来从所述组合信号生成滤波后组合信号；以及扬声器，其被配置来将由所述有源噪声控制滤波器提供的所述滤波后组合信号转换成抗噪声并且将所述抗噪声发射到所述车辆的内部中的收听位置。所述滤波后组合信号被配置成使得所述抗噪声降低所述收听位置处的所述道路噪声和发动机声音。
一种示例性发动机阶次和道路噪声控制方法包括：直接从车辆的结构元件获取道路噪声以生成表示所述道路噪声的第一感测信号，检测所述车辆的发动机的谐波以生成表示所述发动机谐波的第二感测信号，以及组合所述第一感测信号和所述第二感测信号以提供表示所述第一感测信号和所述第二感测信号的组合的组合信号。所述方法还包括宽频带有源噪声控制滤波以从所述组合信号生成滤波后组合信号，并且将通过所述有源噪声控制滤波提供的所述滤波后组合信号转换成抗噪声并将所述抗噪声发射到所述车辆的内部中的收听位置。所述滤波后组合信号被配置成使得所述抗噪声降低所述收听位置处的所述道路噪声和发动机声音。
附图说明
通过结合附图阅读以下对非限制性实施方案的描述可更好地理解本公开，在附图中用类似的参考数字指代类似的元件，其中以下是：
图1是示出简单示例性发动机阶次和道路噪声控制系统的示意图；
图2是示出使用滤波的x最小均方算法的示例性发动机阶次和道路噪声控制系统的示意图；和
图3是示出加速度传感器和RPM传感器的示例性组合的示意图；
图4是示出具有方波RPM输入的示例性多通道有源发动机噪声控制系统的示意图；
图5是示出具有谐波输入而不是方波RPM输入的图4中所示系统的示意图。
图6是示出具有总和谐波输入而不是方波RPM输入的图4中所示系统的示意图。
图7是示出示例性多通道发动机阶次和道路噪声控制系统的示意图；和
图8是示出示例性发动机阶次和道路噪声控制方法的流程图。
具体实施方式
噪声一般是用于指定并不有助于接收器的信息性内容而被认为会干扰期望信号的音频质量的声音的术语。噪声的演变过程通常分成三个阶段。这些阶段是噪声的生成、传播(发出)以及感知。可以看出，试图成功降噪的最初目标在于噪声源本身，例如，通过衰减并且随后通过抑制噪声信号的传播。然而，在许多情况下，无法将噪声信号的发出降低到期望的程度。在这种情况下，通过叠加补偿信号来去除不期望声音的概念被应用。
用于消除或降低所发出噪声的已知方法和系统通过生成消除声波以叠加在不需要的信号上来抑制不需要的噪声，所述消除声波的幅值和频率值在很大程度上与噪声信号的幅值和频率值相同，但是所述消除声波的相位相对于噪声移位180度。在理想的情况下，这种方法完全消除了不需要的噪声。这种针对性地降低噪声信号的声级的作用通常称作相消干扰或噪声控制。在车辆中，不需要的噪声可由车辆的发动机、轮胎、悬架和其他单元的作用引起，并且因此随速度、路况和车辆中的操作状态而变化。
常见的EOC系统，针对发动机噪声控制，利用窄频带前馈有源噪声控制(ANC)框架以便通过对表示待消除的发动机谐波的参考信号进行自适应滤波来生成抗噪声。在经由次级路径从抗噪声源发送到收听位置之后，抗噪声与由发动机生成并通过从发动机延伸到收听位置的主路径进行滤波的信号具有相同的幅值但相反的相位。因此，在误差麦克风驻留在空间中的位置处(即在收听位置处或附近)，覆盖声学结果在理想情况下将变为零，使得由误差麦克风获取的误差信号将仅记录除由发动机生成的(消除的)谐波噪声信号之外的声音。通常，使用非声学传感器(例如，测量每分钟重复次数(RPM)的传感器)作为参考。
包括曲轴传感器的RPM传感器可以是例如与旋转钢盘相邻放置的霍尔传感器。可以采用其他检测原理，例如光学传感器或电感式传感器。曲轴传感器是基本上用于内燃机中以监测曲轴的位置或转速的电子装置。此信息被发动机管理系统用来控制点火系统定时和其他发动机参数。因此，曲轴位置传感器的功能目标是确定曲轴的位置和/或转速(RPM)。它也常用作测量每分钟转数(RPM)的发动机速度的主要来源。来自RPM传感器的信号可用作用于生成任意数量的与发动机谐波对应的合成谐波的同步信号。合成谐波形成由随后的窄频带前馈ANC系统生成的噪声消除信号的基础。
在常见RNC系统中，空气传播和结构传播的噪声源通过噪声和振动传感器(诸如加速度传感器)来监测以提供最高可能的道路噪声降低性能。例如，用作输入噪声和振动传感器的加速度传感器可被遍布车辆安置以监测悬架和其他轴部件的结构行为。RNC系统利用宽频带前馈有源噪声控制(ANC)框架，以便通过对来自噪声和振动传感器的表示待消除的道路噪声的信号进行自适应滤波来生成抗噪声。噪声和振动传感器可包括加速度传感器，诸如加速计、测力计、测压元件等。例如，加速计是测量固有加速度的装置。固有加速度与坐标加速度不同，坐标加速度是速度的变化率。单轴和多轴模型的加速计可用于检测固有加速度的大小和方向，并且可用于感测定向、坐标加速度、运动、振动和冲击。可以看出，EOC和RNC系统中的噪声传感器和后续信号处理是不同的。
参考图1，简单的发动机阶次和道路噪声控制系统包括：RPM传感器101，所述RPM传感器101提供表示发动机的谐波并因此表示相当大的发动机噪声份额的方波RPM信号；和加速度传感器102，所述加速度传感器102被设置来直接获取道路噪声。直接获取包括基本上获取考虑中的信号而不受其他信号的显著影响。由传感器101和102输出的信号103和104分别表示发动机阶次噪声和道路噪声，并且由加法器105对其组合例如求和以形成表示组合的发动机阶次和道路噪声的和信号106。组合信号的替代方式可包括相减、混合、分频滤波等。和信号106被提供给宽频带ANC滤波器107，其向扬声器109提供滤波后的和信号108。当由扬声器109广播到收听位置(未示出)时，滤波后的和信号108在收听位置处生成抗噪声，即与收听位置处出现的发动机和道路噪声具有相同幅值但相反相位的声音，以降低或甚至消除收听位置处的不需要的噪声。宽频带ANC滤波器107可具有固定或自适应传递函数，并且可以是反馈系统或前馈系统或其组合。加速度传感器102可在某些条件下由声学传感器代替。此外，可采用误差麦克风110，其在收听位置处获取残余噪声并提供表示残余噪声的误差信号111。
当使用声学传感器来获取发动机噪声时，传感器不应倾向于从扬声器获取声学反馈信号。但是，如果与扬声器的隔音足够好，这可能是假设麦克风在优选位置(例如，曲轴和阀门附近)直接安装到发动机缸体上并且通过前控制台和发动机盖与内部中的声音足够好地分离的情况，则也可以使用类似于听诊器的声学传感器以便专门获取宽频带发动机噪声信号。
在图1中所示的发动机阶次和道路噪声系统中，RPM传感器与相应调节的宽频带信号处理结合使用来获取由发动机谐波引起的发动机噪声，这与使用窄频带前馈ANC的常见EOC系统形成对比。此外，在这个发动机阶次和道路噪声系统中，相同的宽频带ANC算法与用于RNC的附加传感器结合使用。由于EOC中使用的窄频带前馈ANC系统的适应率通常较高，因此宽频带发动机噪声控制系统的可追溯性质可能会比EOC系统差，除非采取某些措施。然而，宽频带RNC以及EOC和RNC在一个通用框架中的组合提高了整个系统的效率。能够获取宽频带发动机噪声信号的传感器需要除了先前使用的无法应对宽频带参考信号的窄频带前馈ANC系统之外的后续信号处理。例如，合适的ANC系统是采用最小均方(LMS)算法的宽频带前馈ANC框架。如果为此任务选择了滤波的x最小均方(FXLMS)算法，这两种算法的一种有效组合可能如图2中所示。
具有FXLMS算法的单通道前馈有源发动机阶次和道路噪声系统如图2中所示。源自在路面上移动的车轮201的噪声(和振动)由加速度传感器202直接获取，所述加速度传感器202与机动车辆204的悬架装置203机械联接并且输出表示检测到的噪声(和振动)并因此与车厢内可听见的道路噪声相关的噪声和振动信号x1(n)。源自车轮201的道路噪声根据传递特性P1(z)经由第一主路径机械地和/或声学地传递到麦克风205。发动机阶次控制包括安装到车辆204的发动机215上的RPM传感器214。源自发动机215的谐波的噪声由输出RPM信号x2(n)的RPM传感器214检测，所述RPM信号表示发动机噪声并因此与车厢内可听见的发动机噪声相关。RPM信号x2(n)可以是具有发动机基波频率、作为个别信号的谐波或个别谐波的总和的方波信号。根据传递特性P2(z)，发动机噪声经由第二主路径机械地和/或声学地传递到麦克风205。由于第一主路径和第二主路径非常相似，因此传递特性P1(z)和P2(z)可以假设为P(z)。由于信号x1(n)和x2(n)都通过传递函数P(z)传递，因此两个信号可以例如通过提供和信号x(n)的加法器216来求和。
同时，表示存在于车辆204的车厢中的包括噪声的声音的误差信号e(n)由麦克风205检测，所述麦克风205可布置在车厢内在座椅(例如，司机的座椅)的头枕206中。可控滤波器208的传递特性W(z)由自适应滤波器控制器209控制，所述自适应滤波器控制器209可基于误差信号e(n)和由滤波器210利用传递特性S'(z)进行滤波的和信号x(n)根据已知的最小均方(LMS)算法来操作，其中W(z)＝-P(z)/S(z)。S'(z)＝S(z)，并且S(z)表示扬声器211与麦克风205之间的传递函数，即次级路径的传递函数S(z)。信号y(n)，在已行进通过次级路径之后，具有与车厢内可听见的发动机阶次和道路噪声的相位相反的波形，其通过由可控滤波器208和滤波器控制器209形成的自适应滤波器基于因此识别的传递特性W(z)和和信号x(n)生成。从已行进通过次级路径之后的信号y(n)，可布置在车厢中的扬声器211生成具有与车厢内可听见的发动机阶次和道路噪声的相位相反的波形的声音，以从而降低车厢内的发动机阶次和道路噪声。
图2中示出的示例性系统采用简单的单通道前馈滤波的x LMS控制结构207，但是也可应用其他控制结构，例如，具有多个附加通道、多个附加麦克风212和多个附加扬声器213的多通道结构。例如，总共可采用L个扬声器和M个麦克风。然后，进入滤波器控制器209的麦克风输入通道的数量是M，来自滤波器208的输出通道的数量是L，并且滤波器210与滤波器控制器209之间的通道的数量是L·M。
为了获取发动机噪声，加速度传感器301可与RPM传感器302组合，如图3中所示。由加速度传感器301输出的感测信号303由随后的低通滤波器304进行滤波，并且由RPM传感器302输出的感测信号305由随后的高通滤波器306进行滤波。由低通滤波器304输出的滤波后感测信号307和由高通滤波器306输出的滤波后感测信号308通过加法器309求和以提供参考信号310。低通滤波器304和高通滤波器306形成分频网络，使得参考信号310的较低频率范围中的信号分量源自加速度传感器301，并且参考信号310的较高频率范围中的信号分量源自RPM传感器302。在图3中示出的示例中，RPM传感器302输出具有与发动机的RPM对应的单一频率的方波信号。或者，高通滤波器306可由谐波发生器代替，所述谐波发生器生成与发动机的RPM对应的单一频率的谐波，其中谐波可以仅限于较高频率处的谐波。
图4示出了有源发动机噪声控制系统，其是能够抑制来自多个传感器的噪声的多通道型系统。图4中示出的系统包括n个加速度传感器401、l个扬声器402、m个麦克风403以及自适应有源噪声控制模块404，所述自适应有源噪声控制模块404用于使来自发动机的噪声和振动源的噪声(主要噪声)与消除噪声(次级噪声)之间的误差最小化。自适应有源噪声控制模块404可包括为麦克风403和扬声器402的每个组合提供的多个控制电路，其中扬声器402生成消除来自噪声和振动源的噪声的消除信号。有源发动机噪声控制系统还包括连接到自适应有源噪声控制模块404的RPM传感器405。RPM传感器405可向自适应有源噪声控制模块404提供与发动机的RPM对应的方波信号。加速度传感器401每一个可链接到麦克风402之一和扬声器402之一的特定(矩阵式)组合，这每一个都可以看作是单通道系统。
参考图5，可修改图4中示出的系统，使得由RPM传感器405输出的方波经由谐波发生器501被提供给自适应有源噪声控制模块404，所述谐波发生器501从基频(即一次谐波f0)合成谐波f0至fF，所述基频由来自RPM传感器405的方波信号确定。所有的谐波或者被单独输入到自适应有源噪声控制模块404中，如图5所示，或者被加法器601求和以提供单一输入，如图6所示。在上面结合图4至图6描述的系统中，可提供加速度传感器中的至少一个来获取道路噪声，使得这些系统可以用于发动机阶次、发动机噪声和道路噪声的组合控制。
图7示出了多通道有源发动机阶次和道路噪声控制系统，其是能够抑制来自多个传感器的噪声的多通道型系统。图7中示出的系统包括n个加速度传感器701、l个扬声器702、m个麦克风703和自适应有源噪声控制模块704，所述自适应有源噪声控制模块704用于使来自道路的噪声和振动源的噪声(主要噪声)与消除噪声(次级噪声)之间的误差最小化。自适应有源噪声控制模块704可包括为麦克风703和扬声器702的每个组合提供的多个控制电路，其中扬声器702生成消除来自道路噪声和振动源的噪声的消除信号。有源发动机阶次和道路噪声控制系统还包括连接到自适应有源噪声控制模块704的RPM传感器705。RPM传感器705可向自适应有源噪声控制模块704提供与发动机的RPM对应的信号，并且所述信号可以是具有发动机基波频率、作为个别信号的谐波或个别谐波的总和的方波。加速度传感器701和RPM传感器705可各自链接到麦克风703之一和扬声器702之一的特定组合，其各自形成单通道系统。
参考图8，可由图1和图2中示出的系统中的一个执行的示例性发动机阶次和道路噪声控制方法可包括直接从车辆的结构元件获取道路噪声以生成表示道路噪声的第一感测信号(过程801)并且检测车辆的发动机的谐波以生成表示发动机谐波的第二感测信号(过程802)。第一感测信号和第二感测信号被组合(例如，求和)以提供表示第一感测信号和第二感测信号的总和的和信号(过程803)。和信号经历例如根据FXLMS算法的自适应宽频带ANC滤波以从和信号生成滤波后的和信号(过程804)。然后，将从有源噪声控制滤波得到的滤波后的和信号(例如，利用扬声器)转换成抗噪声并且将抗噪声发射到车辆的内部中的收听位置(过程805)。滤波后的和信号被配置成使得抗噪声降低收听位置处的道路噪声和发动机声音。此外，可在收听位置处或附近(例如，利用麦克风)获取误差信号(过程806)。误差信号和利用对扬声器与麦克风之间的路径建模的滤波器进行滤波的和信号用于控制自适应宽频带ANC滤波的FXLMS算法(过程807)。
已经出于说明和描述的目的呈现了各实施方案的描述。对各实施方案的合适修改和变更可根据以上描述来执行或者可通过实践各方法来获取。例如，除非另外指明，否则所述方法中的一个或多个可由合适的装置和/或装置组合执行。所述方法和相关联的动作也可以以除了本申请中所述的顺序之外的各种顺序、并行地和/或同时地执行。所述系统本质上是示例性的，并且可包括附加元件和/或省略元件。
如本申请中所使用的，以单数形式列举并且通过字词“一个(a/an)”引出的元件或步骤应理解为并不排除多个所述元件或步骤，除非陈述这种排除情况。此外，对本公开的“一个实施方案”或“一个示例”的引用并不旨在解释为排除存在也结合所述特征的附加实施方案。术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标签，而并不旨在对其对象强加数值要求或特定位置顺序。

Claims (15)

1.一种发动机阶次和道路噪声控制系统，其包括：
第一传感器，所述第一传感器被配置来直接从车辆的结构元件获取道路噪声，并且生成表示所述道路噪声的第一感测信号；
第二传感器，所述第二传感器被配置来检测所述车辆的发动机的谐波，并且生成表示所述发动机谐波的第二感测信号；
组合器，所述组合器被配置来组合所述第一感测信号和所述第二感测信号以提供表示所述第一感测信号和所述第二感测信号的组合的组合信号；
宽频带有源噪声控制滤波器，所述宽频带有源噪声控制滤波器被配置来从所述组合信号生成滤波后组合信号；以及
扬声器，所述扬声器被配置来将由所述有源噪声控制滤波器提供的所述滤波后组合信号转换成抗噪声并且将所述抗噪声发射到所述车辆的内部中的收听位置；其中
所述滤波后组合信号被配置成使得所述抗噪声降低所述收听位置处的所述道路噪声和发动机声音。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述宽频带有源噪声控制滤波器包括：
可控滤波器，所述可控滤波器连接到所述组合器的下游和所述扬声器的上游；以及
滤波器控制器，所述滤波器控制器被配置来接收所述组合信号并且根据所述组合信号控制所述可控滤波器。
3.如权利要求2所述的系统，其还包括麦克风，所述麦克风被安置在所述车辆的内部靠近所述收听位置处或邻近所述收听位置，其中所述麦克风被配置来提供麦克风信号，并且所述滤波器控制器被配置来根据所述麦克风信号进一步控制所述可控滤波器。
4.如权利要求2或3所述的系统，其中所述滤波器控制器被配置来根据最小均方算法控制所述可控滤波器。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述组合器被配置来对所述第一感测信号和所述第二感测信号求和以提供表示所述第一感测信号和所述第二感测信号的总和的和信号。
6.如权利要求1至5中任一项所述的系统，其中所述第一传感器是附接到所述车辆的所述结构元件的加速度传感器。
7.如权利要求1至6中任一项所述的系统，其中所述第二传感器是电连接或机械连接到所述车辆的所述发动机的RPM传感器。
8.如权利要求1至6中任一项所述的系统，其中所述第二传感器与安置在所述车辆的所述发动机处或邻近所述车辆的所述发动机的声学传感器组合。
9.一种发动机阶次和道路噪声控制方法，其包括：
直接从车辆的结构元件获取道路噪声以生成表示所述道路噪声的第一感测信号；
检测所述车辆的发动机的谐波以生成表示所述发动机谐波的第二感测信号；
组合所述第一感测信号和所述第二感测信号以提供表示所述第一感测信号和所述第二感测信号的组合的组合信号；
进行宽频带有源噪声控制滤波以从所述组合信号生成滤波后组合信号；以及
将通过所述有源噪声控制滤波提供的所述滤波后组合信号转换成抗噪声并将所述抗噪声发射到所述车辆的内部中的收听位置；其中
所述滤波后组合信号被配置成使得所述抗噪声降低所述收听位置处的所述道路噪声和发动机声音。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述宽频带有源噪声控制滤波包括对所述组合信号进行受控滤波以提供待转换成抗噪声的所述滤波后组合信号，其中根据所述组合信号控制所述滤波。
11.如权利要求10所述的方法，其还包括：获取所述车辆的所述内部中靠近或邻近所述收听位置的声音以提供麦克风信号，其中根据所述麦克风信号进一步控制所述滤波。
12.如权利要求10或11所述的方法，其中根据最小均方算法控制所述滤波。
13.如权利要求12所述的方法，其中组合包括所述第一感测信号和所述第二感测信号以提供表示所述第一感测信号和所述第二感测信号的总和的和信号。
14.如权利要求9至13中任一项所述的方法，其中利用附接到所述车辆的所述结构元件的加速度传感器从所述车辆的所述结构元件获取所述道路噪声。
15.如权利要求9至14中任一项所述的方法，其中所述发动机的所述谐波由机械连接或电连接到所述车辆的所述发动机的RPM传感器提供，和/或发动机噪声由声学连接到所述车辆的所述发动机的声学传感器提供。
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