CN110022513A - 一种车辆内声品质主动控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种车辆内声品质主动控制方法及系统，该方法为：获取原始噪声信号：发动机实时噪声信号及人耳头部区域的噪声信号；根据设定的目标声品质噪声信号，对原始噪声信号采用主动降噪及声学补偿的方法进行处理；将处理后的噪声信号与原始噪声信号进行声波合成，实现车辆内声品质主动控制。该系统包括多功能组合控制器及分别与其连接的发动机噪声信号采集装置、人耳头部区域的噪声信号采集装置和扬声器，多功能组合控制器包括主控模块、音频解码模块、噪声接收模块及次级声源信号生成模块。本发明提供目标声品质作为标准，避免了因缺少目标声品质的输入，无法保证声品质控制效果的好坏，需要在后期人为评判后，反复进行调试的缺陷。
Description
技术领域
本发明属于汽车技术领域，具体涉及一种车辆内声品质主动控制方法及系统。
背景技术
声品质的好坏直接影响着驾乘人员的舒适性，已经被各个厂商作为汽车产品舒适性的一个重要指标因素。声品质的评价通常采用噪声的大小(即响度)和声音特性(尖锐度、粗糙度等)。传统的声学包装等技术手段对500Hz以上的中、高频噪声有很好控制效果，但对车内500Hz以下的低频噪声的控制效果不理想，更不能有选择性地对特定频段的噪声进行修饰。在噪声大小控制方面，近年来新兴的主动降噪技术对500Hz以下的低频噪声有很好的控制效果。在声音特性控制方面，主动声学补偿技术可以根据预先设定的声音特性目标，分析车内现有声音中能量不足的频率成份，加以能量补偿，从而使车内声品质达到预设的声音特性目标。
目前来说，主动降噪技术和主动声学补偿技术分别在国内外乘用车上有成功的应用案例，但将二者融合起来以期达到理想声品质效果控制的成功应用暂未出现。此外，与乘用车相比，客车车内空间较大，噪声能量也较大，而原车自带扬声器距离人头部较远，很难发出足够的超低频能量满足车内噪声控制的需求。
公告号为CN101552939B的中国发明专利《车内声品质自适应主动控制系统和方法》公开了一种车内声品质自适应主动控制系统和方法。该系统包括自适应主动控制装置、残余噪声信号采集装置、次级声源装置和振动信号装置。其控制方法为，通过采集发动机本体和悬置安装点的振动信号作为输入，次级声源装置发出的声音信号为输出，两路残余噪声信号为反馈，在车辆行驶各工况下自适应跟踪车内噪声变化，对影响车内声品质的噪声有选择性地进行控制。然而该系统存在以下问题：1、因现有大多车用扬声器50Hz以下的发声能量不足，其硬件布置方式无法保证在扬声器与座椅头枕区之间存在一定距离时提供足够的超低频能量，因此，不适用于车内空间较大的客车声品质控制；2、专利中虽提到了采用声学补偿来提升声品质的控制方法，但缺少目标声品质的输入，因此无法保证声品质控制效果的好坏。
发明内容
本发明提供了一种车辆内声品质主动控制方法及系统，用于解决现有的声品质控制技术无法保证声品质控制效果的好坏的问题。
为解决上述技术问题，本发明的车辆内声品质主动控制方法包括以下八个单元方案：
单元方案一，该方法包括以下步骤：
1)采集发动机实时噪声信号及人耳头部区域的噪声信号，记为原始噪声信号；
2)根据设定的目标声品质噪声信号，对于原始噪声信号中能量超过目标声品质噪声信号的噪声频率成分，采用主动降噪的方法进行反相位处理；对于能量低于目标声品质噪声信号的噪声频率成分，采用声学补偿方法进行加强；
3)将经过步骤2)处理后的噪声信号与原始噪声信号进行声波合成，实现车辆内声品质主动控制。
单元方案二，在单元方案一的基础上，将步骤3)中声波合成后的噪声信号与目标声品质噪声信号进行误差计算，当声波合成后的噪声信号未达到目标声品质，则对声波合成后的噪声信号进行主动降噪或/和声学补偿处理，形成闭环控制，最终使车内声品质达到预设的目标声品质。
单元方案三、四，分别对应在单元方案一、二的基础上，事先设置车辆各个工况下的目标声品质噪声信号，所述设定的目标声品质噪声信号为车辆当前工况下的目标声品质噪声信号。
单元方案五、六，分别对应在单元方案三、四的基础上，所述发动机实时噪声信号为发动机实时转速信号。
单元方案七、八，分别对应在单元方案三、四的基础上，所述目标声品质噪声信号为发动机阶次噪声。
本发明的车辆内声品质主动控制系统包括以下十五个单元方案：
单元方案一，该系统包括多功能组合控制器及分别与其连接的发动机噪声信号采集装置、人耳头部区域的噪声信号采集装置和扬声器，所述多功能组合控制器包括主控模块、音频解码模块、噪声接收模块及次级声源信号生成模块，所述噪声接收模块用于将其接收到的噪声信号经音频解码模块处理后发送给主控模块，主控模块将发动机实时噪声信号及人耳头部区域的噪声信号经过处理后与预先设置在其内部的目标声品质噪声信号进行比较后实现主动降噪及主动声学补偿处理；将处理后的发动机实时噪声信号及人耳头部区域的噪声信号由次级声源信号生成模块生成次级声源信号经扬声器发出，与原始发动机实时噪声信号及人耳头部区域的噪声信号进行声波合成，实现车辆内声品质主动控制。
单元方案二，在单元方案一的基础上，所述发动机噪声信号采集装置为一个集成式插口，该集成式插口用于与整车CAN总线连接，主控模块中的转速读取模块通过该集成式插口从整车CAN总线上获取的发动机转速信号。
单元方案三，在单元方案二的基础上，所述主控模块将采集到的声波合成后的噪声信号与目标声品质噪声信号进行误差计算，当声波合成后的噪声信号未达到目标声品质，再次对接收到的噪声信号进行主动降噪及主动声学补偿处理，直至车内声品质达到预设的目标声品质。
单元方案四、五、六，分别对应在单元方案一、二、三的基础上，所述多功能组合控制器中存储有车辆各个工况下的目标声品质噪声信号，所述设定的目标声品质噪声信号为车辆当前工况下的目标声品质噪声信号。
单元方案七、八、九，分别对应在单元方案四、五、六的基础上，所述多功能组合控制器还包括稳压模块，用于对电压信号进行稳压处理，为整个系统提供稳定的工作电压。
单元方案十、十一、十二，分别对应在单元方案七、八、九的基础上，所述多功能组合控制器还包括功率放大模块，用于将次级声源信号生成模块生成次级声源信号进行放大。
单元方案十三，在单元方案二的基础上，所述集成式插口还用于与电源连接。
单元方案十四，在单元方案一的基础上，所述目标声品质噪声为发动机阶次噪声。
单元方案十五，在单元方案一的基础上，所述人耳头部区域的噪声信号采集装置为麦克风。
本发明的有益效果是：本发明的控制方法及系统事先设定好目标声品质的噪声信号，然后针对车内噪声中能量超过目标声音的频率成份，采用主动降噪技术，针对车内噪声中能量低于目标声音的频率成份，采用声学补偿技术，最终使得车内的声品质达到预设声品质目标。本发明提供目标声品质作为标准，保证了声品质控制达到预设效果，避免了因缺少目标声品质的输入，无法保证声品质控制效果的好坏，需要在后期人为评判后，反复进行调试的缺陷。
本发明设置了各个工况下的目标声品质噪声信号，可以根据车辆工况的不同选取相应的目标声品质噪声信号，进一步保证了良好的控制效果。
本发明的控制系统中设置有一个用于与整车CAN总线连接集成式插口，通过该集成式插口能够直接获取发动机的噪声信号，从而不必要设置专门的采集装置，节省了成本，而且也可通过该插口连接电源，可以实现在不同的车型上直接搭载使用，通用性好。
附图说明
图1为本发明的车辆内声品质主动控制方法的流程图；
图2为某车辆工况下声品质控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案作进一步详细介绍。
本发明的车辆内声品质主动控制方法实施例
如图1所示，本实施例的声品质主动控制方法包括以下步骤：1)采集发动机实时噪声信号及人耳头部区域的噪声信号，记为原始噪声信号；
2)根据设定的目标声品质噪声信号，对于原始噪声信号中能量超过目标声品质噪声信号的噪声频率成分，采用主动降噪的方法进行反相位处理；对于能量低于目标声品质噪声信号的噪声频率成分，采用主动声学补偿算法进行加强；
3)将经过步骤2)处理后的噪声信号与原始噪声信号进行声波合成，实现车辆内声品质主动控制。
其中，发动机实时噪声信号为发动机的转速信号，当然还可以如公告号为CN101552939B的中国发明专利《车内声品质自适应主动控制系统和方法》一样采集加速度信号。
为了达到良好的控制效果，事先设置了车辆各个工况下的目标声品质噪声信号，根据当前采集的车辆信息，选择车辆当前工况下的目标声品质噪声信号进行主动降噪及声学补偿处理。这里的目标声品质噪声信号的类型可以为发动机阶次噪声，此时目标声品质噪声信号就为设定的发动机阶次噪声。
对接收到的发动机实时噪声信号及人耳头部区域的噪声信号进行相应的处理，经过处理后的噪声信号中能量超过目标声品质噪声信号的频率成份，采用主动降噪技术，通过次级声源发射特定幅值反相位的声音进行干涉相消；针对车内噪声中能量低于目标声品质噪声信号的频率成份，采用声学补偿技术，通过次级声源主动发声进行能量补充，如图2所示。其中，声学补偿技术采用的物理原理同主动降噪类似，同为声波干涉，只是不在控制上采用反相位处理。将经过主动降噪处理和/或声学补偿处理的信号由次级声源信号生成模块生成次级声源信息，该次级声源信号与原始噪声信号进行声波合成；最终，使得车内的声品质达到预设声品质目标。
本实施例还可包括步骤4)将步骤3)中声波合成后的噪声信号与目标声品质噪声信号进行误差计算，当声波合成后的噪声信号未达到目标声品质，则对声波合成后的噪声信号进行主动降噪处理和/或声学补偿处理，如此形成闭环控制，最终使车内声品质达到预设的目标声品质。
本发明的车辆内声品质主动控制系统实施例
本实施例的控制系统包括多功能组合控制器及分别与其连接的发动机噪声信号采集装置、人耳头部区域的噪声信号采集装置和扬声器，多功能组合控制器包括主控模块、音频解码模块、噪声接收模块及次级声源信号生成模块，所述噪声接收模块用于将其接收到的噪声信号经音频解码模块处理后发送给主控模块，主控模块将发动机实时噪声信号及人耳头部区域的噪声信号经过处理后与预先设置在其内部的目标声品质噪声信号进行比较后实现主动降噪及主动声学补偿处理；将处理后的发动机实时噪声信号及人耳头部区域的噪声信号由次级声源信号生成模块生成次级声源信号经扬声器发出，与原始发动机实时噪声信号及人耳头部区域的噪声信号进行声波合成，实现车辆内声品质主动控制。
其中的发动机噪声信号采集装置可以采用公告号为CN101552939B的中国发明专利《车内声品质自适应主动控制系统和方法》中的加速度传感器，然后经过控制器的处理得到发动机噪声信号。优选的，本实施例的发动机噪声信号为发动机的转速信号，为了获取发动机的转速信号，可以设置一个与多功能组合控制器连接的集成式插口，该插口用于与整车CAN总线相连，多功能组合控制器中相应的设置一个噪声信号读取模块，从整车CAN总线上读取车辆的发动机转速信号。那么，此处的集成式插口就可称为发动机噪声信号采集装置。
当然，集成式插口还可以与整车电源相连，用于为整个声品质控制系统供电。
多功能组合控制器还包括稳压模块，用于对电压信号进行稳压处理，为整个系统提供稳定的工作电压。多功能组合控制器还包括功率放大模块，用于将次级声源信号生成模块生成次级声源信号进行放大。
人耳头部区域的噪声信号采集装置一般采用麦克风。
下面给出该车辆内声品质主动控制系统在车辆中的具体应用。
该控制系统包括2个扬声器、2个麦克风、扬声器线束、麦克风线束、1个多功能组合控制器、1个集成式插口，将扬声器与麦克风在车内布置好后，扬声器和麦克风分别通过线束与控制器连接在一起。多功能组合控制器由稳压模块、DSP主控芯片、音频解码芯片、转速读取模块、噪声接收模块、次级声源信号生成模块和功率放大器构成。集成式插口与整车CAN总线和电源相连，用于获取车辆的发动机转速信号和为整个声品质控制系统供电。具体工作过程为：
1)将车辆各工况下的目标声品质噪声信号(发动机阶次噪声等)烧录至多功能控制器中；
2)座椅安装在车上，将集成式插口与整车CAN总线和电源相连接；
3)多功能控制器中的稳压模块对从车辆上获取到电压信号进行稳压处理，为整个声品质控制系统提供稳定的工作电压，避免因车辆供电电压的不稳造成扬声器低频发声信号的不稳；
4)多功能控制器中的转速读取模块采集发动机实时转速信号后发送至DSP主控芯片，用于计算发动机相关阶次信息；
5)多功能控制器中的噪声接收模块用于获取麦克风采集到的人耳头部区域噪声信号，并发送至音频解码芯片中进行处理；
6)多功能控制器中的音频解码芯片对噪声信号处理后，将结果发送至DSP主控芯片；
7)DSP主控芯将经过处理噪声信号(发动机阶次噪声等)与目标声品质信号进行对比处理：针对能量超过目标声品质信号的噪声频率成份，采用主动降噪算法进行反相位消除。针对能量低于目标声品质信号的噪声频率成份，采用主动声学补偿算法进行加强；
8)DSP主控芯计算完成后，由次级声源信号生成模块生成次级声源信息，再经功率放大器发送至扬声器，由扬声器发出次级声源信号，生成的次级声源信号与原始噪声信号进行声波合成；
9)麦克风会再次采集合成后的噪声信号，发送至多功能控制器中的音频解码芯片中进行处理，并发送至DSP主控芯中与目标阶次声品质信号进行误差计算，当声波合成后的噪声信号未达到目标声品质，将会对麦克风采集的合成后的噪声信号进行步骤7)的处理，如此形成闭环控制，最终使得车内声品质达到预设的目标声品质。
Claims (10)
1.一种车辆内声品质主动控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)采集发动机实时噪声信号及人耳头部区域的噪声信号，记为原始噪声信号；
2)根据设定的目标声品质噪声信号，对于原始噪声信号中能量超过目标声品质噪声信号的噪声频率成分，采用主动降噪的方法进行反相位处理；对于能量低于目标声品质噪声信号的噪声频率成分，采用声学补偿方法进行加强；
3)将经过步骤2)处理后的噪声信号与原始噪声信号进行声波合成，实现车辆内声品质主动控制。
2.根据权利要求1所述的车辆内声品质主动控制方法，其特征在于，将步骤3)中声波合成后的噪声信号与目标声品质噪声信号进行误差计算，当声波合成后的噪声信号未达到目标声品质，则对声波合成后的噪声信号进行主动降噪或/和声学补偿处理，形成闭环控制，最终使车内声品质达到预设的目标声品质。
3.根据权利要求1或2所述的车辆内声品质主动控制方法，其特征在于，事先设置车辆各个工况下的目标声品质噪声信号，所述设定的目标声品质噪声信号为车辆当前工况下的目标声品质噪声信号。
4.一种车辆内声品质主动控制系统，该系统包括多功能组合控制器及分别与其连接的发动机噪声信号采集装置、人耳头部区域的噪声信号采集装置和扬声器，其特征在于，所述多功能组合控制器包括主控模块、音频解码模块、噪声接收模块及次级声源信号生成模块，所述噪声接收模块用于将其接收到的噪声信号经音频解码模块处理后发送给主控模块，主控模块将发动机实时噪声信号及人耳头部区域的噪声信号经过处理后与预先设置在其内部的目标声品质噪声信号进行比较后实现主动降噪及主动声学补偿处理；将处理后的发动机实时噪声信号及人耳头部区域的噪声信号由次级声源信号生成模块生成次级声源信号经扬声器发出，与原始发动机实时噪声信号及人耳头部区域的噪声信号进行声波合成，实现车辆内声品质主动控制。
5.根据权利要求4所述的车辆内声品质主动控制系统，其特征在于，所述发动机噪声信号采集装置为一个集成式插口，该集成式插口用于与整车CAN总线连接，主控模块中的转速读取模块通过该集成式插口从整车CAN总线上获取的发动机转速信号。
6.根据权利要求5所述的车辆内声品质主动控制系统，其特征在于，所述主控模块将采集到的声波合成后的噪声信号与目标声品质噪声信号进行误差计算，当声波合成后的噪声信号未达到目标声品质，再次对接收到的噪声信号进行主动降噪及主动声学补偿处理，直至车内声品质达到预设的目标声品质。
7.根据权利要求4-6任意一项所述的车辆内声品质主动控制系统，其特征在于，所述多功能组合控制器中存储有车辆各个工况下的目标声品质噪声信号，所述设定的目标声品质噪声信号为车辆当前工况下的目标声品质噪声信号。
8.根据权利要求7所述的车辆内声品质主动控制系统，其特征在于，所述多功能组合控制器还包括稳压模块，用于对电压信号进行稳压处理，为整个系统提供稳定的工作电压。
9.根据权利要求8所述的车辆内声品质主动控制系统，其特征在于，所述多功能组合控制器还包括功率放大模块，用于将次级声源信号生成模块生成次级声源信号进行放大。
10.根据权利要求5所述的车辆内声品质主动控制系统，其特征在于，所述集成式插口还用于与电源连接。
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