CN108538304B - 车内噪声主动控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种车内噪声主动控制系统，包括：参考信号形成单元、信道辨识单元、自适应滤波器单元、扬声器、误差信号拾取与分析单元；所述自适应滤波器单元连接所述参考信号形成单元、所述信道辨识单元及所述扬声器；应用本技术方案可有效避免次级声噪音污染，方便滤波器根据实际情况进行重新辨识，缩短开发周期；有效地在三维空间内提高系统降噪效果。

Description

车内噪声主动控制系统
技术领域
本发明涉及降低噪音的领域，具体是指一种车内噪声主动控制系统。
背景技术
随着汽车行业的发展和人们对高质量生活的追求，车内噪声水平越来越成为影响产品竞争力的主要因素之一。传统上采用被动的方式降低车内噪声，通过优化汽车结构减少噪声产生，和采用吸声材料在物理上进行降噪，被动降噪占用空间大，灵活性差，开发周期长。现有主动降噪系统一般采用麦克风直接在驾驶舱内拾取参考信号，但由扬声器发出的次级声会逆向传播至参考信号麦克风，造成次级声污染，影响参考信号的准确性，降低了降噪效果和系统稳定性；且在三维空间中，降噪后残余的噪声会向各个方向传播，采用单个误差传感器采集残余噪声并不准确，同样会降低降噪效果。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种车内噪声主动控制系统；有效避免了次级声噪音污染，方便滤波器根据实际情况进行重新辨识，缩短开发周期；有效地在三维空间内提高系统降噪效果。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种车内噪声主动控制系统，包括：参考信号形成单元、信道辨识单元、自适应滤波器单元、扬声器、误差信号拾取与分析单元；所述自适应滤波器单元连接所述参考信号形成单元、所述信道辨识单元及所述扬声器；
所述参考信号形成单元获取噪声产生部件工作状态，所述噪声产生部件包括汽车发动机舱及各个由于振动而产生辐射噪声的部件；电子控制单元连接所述参考信号形成单元，所述电子控制单元发送发动机的转速及负载信息至所述参考信号形成单元根据预先标定关系形成参考信号x1(k)；利用加速度传感器获取部件振动状态，再根据预先标定关系实时形成参考信号x2(k)、x3(k)、…xL(k)；
汽车座椅靠背靠近乘客耳朵位置为噪声接收处，所述信道辨识单元采用自适应辨识方式辨识各噪声源至噪声接收处的声传播通道，及所述滤波器输出控制信号至扬声器对信号传播通道进行辨识；运用主成分分析方法对辨识的传递矩阵进行降维，得到与噪声源对应的初级通道模型Pn(z),(n＝1.2.3...L)和次级通道模型S(z)；
所述自适应滤波器单元的输入信号包括各参考信号xn(k),(n＝1.2.3...L)与所述参考信号xn(k),(n＝1.2.3...L)对应的初级通道模型Pn(z),(n＝1.2.3...L)的卷积之和，并生成控制信号y(k)驱动扬声器生成次级声；所述误差信号拾取与分析单元利用多个误差传感器拾取残余噪声，并提取主噪声成分e(k)；自适应滤波器单元根据输入信号xS(k)和主噪声成分e(k)，基于Fx-RLS算法对结构参数w(k)进行调整，直至主噪声成分e(k)达到最小值。
在一较佳的实施例中，所述输入信号包括用于生成控制信号的第一输入信号xP(k)及用于调整自适应滤波器单元结构参数w(k)的第二输入信号xS(k)；所述第一输入信号xP(k)由各参考信号xn(k),(n＝1.2.3...L)与对应初级通道模型Pn(z),(n＝1.2.3...L)进行卷积运算后求和获得
Figure GDA0003173716170000021
所述第二输入信号由第一输入信号xP(k)与次级通道模型S(z)进行卷积运算获得xS(k)＝xP(k)·S(Z)。
在一较佳的实施例中，所述扬声器设置于噪声接收处，滤波器接收第一输入信号xP(k)，并与自适应滤波器单元结构参数w(k)进行卷积计算获得控制信号y(k)＝xP(k)·w(k)；所述控制信号y(k)驱动扬声器发出次级声，并与传播至乘客耳朵处的原噪声进行抵消，以达到降噪效果。
在一较佳的实施例中，所述误差传感器具体为误差麦克风，所述误差麦克风设置于座椅靠背各方向边沿，用于多方位拾取初级声与次级声抵消后残余的噪声ei(k),(i＝1.2.3...M)；将各误差麦克风采集的残余噪声组成误差信号向量，采用主成分分析方法对误差向量进行处理，以获得主噪声成分e(k)。
在一较佳的实施例中，所述自适应辨识方式基于RLS算法进行，同时对声传播通道和自适应滤波器单元输入相同信号，将二者输出信号进行比较获得误差信号eb(k)，根据RLS算法调整滤波器结构参数wb(k)，依照wb(k+1)＝wb(k)+Kb(k)·eb(k)进行更新，其中增益向量
Figure GDA0003173716170000031
由遗忘因子γ、输入信号向量x(k)和输入信号逆相关矩阵Qb(k-1)确定，直到误差信号eb(k)降至最低，滤波器的结构参数向量即代表对应信道特征；式中H表示埃尔米特转置；将辨识的结构参数向量用主成分分析法进行降维，得到各初级通道模型Pn(z),(n＝1.2.3...L)和次级通道模型S(z)。
在一较佳的实施例中，所述误差信号拾取与分析单元用于获取误差信号，扬声器与传播至噪声接收处的原噪声进行抵消，在三维空间中残余的噪声会向各个方向传播，采用多个误差麦克风安置在座椅靠背各方向边沿，以从多方位拾取残余噪声，将残余的噪声组成误差向量，采用主成分分析法降低误差向量维数，获得主要残余噪声成分，作为主要误差成分输入自适应滤波器单元。
在一较佳的实施例中，所述用于生成控制信号的自适应滤波器根据输入信号和误差信号,采用Fx-RLS算法调整滤波器结构参数w(k)，w(k+1)＝w(k)+K(k)·e(k)进行更新，其中增益向量
Figure GDA0003173716170000032
由遗忘因子γ、输入信号向量x(k)和输入信号逆相关矩阵Q(k-1)确定，直至误差信号e(k)降到最低值，此时通过输出信号驱动扬声器发出的次级声能最大限度抵消原噪声，达到降噪效果。
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
1.通过预先标定关系这种间接的方式获得各噪声源参考信号，能避免直接用麦克风采集参考信号中，由于扬声器发出的次级声逆向传播至麦克风导致的次级声污染。
2.采用自适应滤波器辨识初级通道与次级通道模型，当噪声源或噪声接收位置发生变化时，可以很方便地进行重新辨识，有效地缩短了开发周期。
3.同时通过设置多个误差传感器，可使在三维空间中，残余噪声会向各个方向辐射，采用多个误差传感器能准确获取残余噪声信息，基于主成分分析法获取主噪声成分降低运算复杂度，从而有效提高系统降噪效果。
附图说明
图1为本发明优选实施例中车内噪声主动控制系统结构框图；
图2为本发明优选实施例中车内噪声主动控制系统工作流程图；
图3为本发明优选实施例中扬声器与误差麦克风安装示位置意图；
图4为本发明优选实施例中FIR滤波器结构。
具体实施方式
下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
一种车内噪声主动控制系统，参考图1至4，主要包括：参考信号形成单元、信道辨识单元、自适应滤波器单元1、扬声器2、误差信号拾取与分析单元；所述自适应滤波器单元1连接所述参考信号形成单元、所述信道辨识单元及所述扬声器2；所述参考信号形成单元获取噪声产生部件工作状态，所述噪声产生部件包括汽车发动机舱及各个由于振动而产生辐射噪声的部件(包括汽车底盘)；电子控制单元连接所述参考信号形成单元，所述电子控制单元发送发动机的转速及负载信息至所述参考信号形成单元根据汽车发动机舱转速及负载信息与辐射噪声预先标定关系形成参考信号x1(k)；利用加速度传感器获取部件振动状态，再根据部件振动状态与辐射噪声预先标定关系实时形成参考信号x2(k)、x3(k)、…xL(k)；这样通过预先标定关系这种间接的方式获得各噪声源参考信号，能避免直接用误差传感器采集参考信号中，由于扬声器2发出的次级声逆向传播至误差传感器导致的次级声污染，从而提高降噪效率。
由上述参考信号形成单元形成参考信号后，开始辨识声传播通道；设定汽车座椅靠背靠近乘客耳朵位置为噪声接收处，所述信道辨识单元采用自适应辨识方式辨识各噪声源至噪声接收处的声传播通道，及所述滤波器输出控制信号至扬声器2对信号传播通道进行辨识；运用主成分分析方法对辨识的传递矩阵进行降维，得到与噪声源对应的初级通道模型Pn(z),(n＝1.2.3...L)和次级通道模型S(z)；这样采用自适应滤波器辨识初级通道与次级通道模型，当噪声源或噪声接收位置发生变化时，可以很方便地进行重新辨识，有效地缩短了开发周期，从而提高降噪效率，获得更好的降噪效果。
得到初级通道模型Pn(z),(n＝1.2.3...L)与次级通道模型S(z)后实施以下步骤：所述自适应滤波器单元1以各参考信号xn(k),(n＝1.2.3...L)与所述参考信号xn(k),(n＝1.2.3...L)对应的初级通道模型Pn(z),(n＝1.2.3...L)的卷积之和作为输入信号，并生成控制信号y(k)驱动扬声器2生成次级声；所述误差信号拾取与分析单元利用多个误差传感器拾取残余噪声，并提取主噪声成分e(k)；自适应滤波器单元1根据输入信号和主噪声成分e(k)，基于Fx-RLS算法对结构参数w(k)进行调整，直至主噪声成分e(k)达到最小值。同时通过设置多个误差传感器，可使在三维空间中，残余噪声会向各个方向辐射，采用多个误差传感器能准确获取残余噪声信息，基于主成分分析法3获取主噪声成分降低运算复杂度，从而有效提高系统降噪效果。
以下讲述所述输入信号具体如何生成：所述输入信号包括用于生成控制信号的第一输入信号xP(k)及用于调整自适应滤波器单元1结构参数w(k)的第二输入信号xS(k)；所述第一输入信号xP(k)由各参考信号xn(k),(n＝1.2.3...L)与对应初级通道模型Pn(z),(n＝1.2.3...L)进行卷积运算后求和获得
Figure GDA0003173716170000061
所述第二输入信号由第一输入信号xP(k)与次级通道模型S(z)进行卷积运算获得xS(k)＝xP(k)·S(Z)。
以下讲述所述控制信号y(k)具体如何生成：所述扬声器2设置于噪声接收处，滤波器接收第一输入信号xP(k)，并与自适应滤波器单元1结构参数w(k)进行卷积计算获得控制信号y(k)＝xP(k)·w(k)；所述控制信号y(k)驱动扬声器2发出次级声，并与传播至乘客耳朵处的原噪声进行抵消，以达到降噪效果。
具体来说，所述误差传感器具体为误差麦克风4，所述误差麦克风4设置于座椅靠背各方向边沿，用于多方位拾取初级声与次级声抵消后残余的噪声ei(k),(i＝1.2.3…M)；将各误差麦克风4采集的残余噪声组成误差信号向量，采用主成分分析方法对误差向量进行处理，以获得主噪声成分e(k)。
以下说明所述自适应辨识方式具体如何运用：所述自适应辨识方式基于RLS算法进行，同时对声传播通道和自适应滤波器单元1输入相同信号，将二者输出信号进行比较获得误差信号eb(k)，根据RLS算法调整滤波器结构参数wb(k)，依照wb(k+1)＝wb(k)+Kb(k)·eb(k)进行更新，其中增益向量
Figure GDA0003173716170000062
由遗忘因子γ、输入信号向量x(k)和输入信号逆相关矩阵Qb(k-1)确定，直到误差信号eb(k)降至最低，滤波器的结构参数向量即代表对应信道特征；式中H表示埃尔米特转置；将辨识的结构参数向量用主成分分析法3进行降维，得到各初级通道模型Pn(z),(n＝1.2.3...L)和次级通道模型S(z)。所述误差信号拾取与分析单元用于获取误差信号，扬声器2与传播至噪声接收处的原噪声进行抵消，在三维空间中残余的噪声会向各个方向传播，采用多个误差麦克风4安置在座椅靠背各方向边沿，以从多方位拾取残余噪声，将残余的噪声组成误差向量，采用主成分分析法3降低误差向量维数，获得主要残余噪声成分，作为主要误差成分输入自适应滤波器单元1。所述用于生成控制信号的自适应滤波器根据输入信号和误差信号,采用Fx-RLS算法调整滤波器结构参数w(k)，w(k+1)＝w(k)+K(k)·e(k)进行更新，其中增益向量
Figure GDA0003173716170000071
由遗忘因子γ、输入信号向量x(k)和输入信号逆相关矩阵Q(k-1)确定，直至误差信号e(k)降到最低值，此时通过输出信号驱动扬声器2发出的次级声能最大限度抵消原噪声，达到降噪效果。通过本系统实现的降噪效果明显，效率显著提高。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (7)

1.一种车内噪声主动控制系统，其特征在于包括：
参考信号形成单元、信道辨识单元、自适应滤波器单元、扬声器、误差信号拾取与分析单元；所述自适应滤波器单元连接所述参考信号形成单元、所述信道辨识单元及所述扬声器；
所述参考信号形成单元获取噪声产生部件工作状态，所述噪声产生部件包括汽车发动机舱及各个由于振动而产生辐射噪声的部件；电子控制单元连接所述参考信号形成单元，所述电子控制单元发送发动机的转速及负载信息至所述参考信号形成单元根据汽车发动机舱转速及负载信息与辐射噪声预先标定关系形成参考信号x1(k)；利用加速度传感器获取部件振动状态，再根据部件振动状态与辐射噪声预先标定关系实时形成参考信号x2(k)、x3(k)、…xL(k)；
汽车座椅靠背靠近乘客耳朵位置为噪声接收处，所述信道辨识单元采用自适应辨识方式辨识各噪声源至噪声接收处的声传播通道，及所述滤波器输出控制信号至扬声器对信号传播通道进行辨识；运用主成分分析方法对辨识的传递矩阵进行降维，得到与噪声源对应的初级通道模型Pn(z),(n＝1.2.3...L)和次级通道模型S(z)；
所述自适应滤波器单元的输入信号包括以各参考信号xn(k),(n＝1.2.3...L)与所述参考信号xn(k),(n＝1.2.3...L)对应的初级通道模型Pn(z),(n＝1.2.3...L)的卷积之和，并生成控制信号y(k)驱动扬声器生成次级声；所述误差信号拾取与分析单元利用多个误差传感器拾取残余噪声，并提取主噪声成分e(k)；自适应滤波器单元根据输入信号和主噪声成分e(k)，基于Fx-RLS算法对结构参数w(k)进行调整，直至主噪声成分e(k)达到最小值。
2.根据权利要求1所述车内噪声主动控制系统，其特征在于所述输入信号包括用于生成控制信号的第一输入信号xP(k)及用于调整自适应滤波器单元结构参数w(k)的第二输入信号xS(k)；所述第一输入信号xP(k)由各参考信号xn(k),(n＝1.2.3...L)与对应初级通道模型Pn(z),(n＝1.2.3...L)进行卷积运算后求和获得
Figure FDA0003173716160000021
所述第二输入信号xS(k)由第一输入信号xP(k)与次级通道模型S(z)进行卷积运算获得xS(k)＝xP(k)·S(Z)。
3.根据权利要求2所述车内噪声主动控制系统，其特征在于，所述扬声器设置于噪声接收处，滤波器接收第一输入信号xP(k)，并与自适应滤波器单元结构参数w(k)进行卷积计算获得控制信号y(k)＝xP(k)·w(k)；所述控制信号y(k)驱动扬声器发出次级声，并与传播至乘客耳朵处的原噪声进行抵消，以达到降噪效果。
4.根据权利要求1所述车内噪声主动控制系统，其特征在于，所述误差传感器具体为误差麦克风，所述误差麦克风设置于座椅靠背各方向边沿，用于多方位拾取初级声与次级声抵消后残余的噪声ei(k),(i＝1.2.3...M)；将各误差麦克风采集的残余噪声组成误差信号向量，采用主成分分析方法对误差向量进行处理，以获得主噪声成分e(k)。
5.根据权利要求1所述的车内噪声主动控制系统，其特征在于，所述自适应辨识方式基于RLS算法进行，同时对声传播通道和自适应滤波器单元输入相同信号，将二者输出信号进行比较获得误差信号eb(k)，根据RLS算法调整滤波器结构参数wb(k)，依照wb(k+1)＝wb(k)+Kb(k)·eb(k)进行更新，其中增益向量
Figure FDA0003173716160000022
由遗忘因子γ、输入信号向量x(k)和输入信号逆相关矩阵Qb(k-1)确定，直到误差信号eb(k)降至最低，滤波器的结构参数向量即代表对应信道特征，式中H表示埃尔米特转置；将辨识的结构参数向量用主成分分析法进行降维，得到各初级通道模型Pn(z),(n＝1.2.3...L)和次级通道模型S(z)。
6.根据权利要求1所述的车内噪声主动控制系统，其特征在于，所述误差信号拾取与分析单元用于获取误差信号，扬声器与传播至噪声接收处的原噪声进行抵消，在三维空间中残余的噪声会向各个方向传播，采用多个误差麦克风安置在座椅靠背各方向边沿，以从多方位拾取残余噪声，将残余的噪声组成误差向量，采用主成分分析法降低误差向量维数，获得主要残余噪声成分，作为主要误差成分输入自适应滤波器单元。
7.根据权利要求1所述的车内噪声主动控制系统，其特征在于，所述用于生成控制信号的自适应滤波器根据输入信号和误差信号,采用Fx-RLS算法调整滤波器结构参数w(k)，w(k+1)＝w(k)+K(k)·e(k)进行更新，其中增益向量
Figure FDA0003173716160000031
由遗忘因子γ、输入信号向量x(k)和输入信号逆相关矩阵Q(k-1)确定，直至误差信号e(k)降到最低值，此时通过输出信号驱动扬声器发出的次级声能最大限度抵消原噪声，达到降噪效果。
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