CN111564151B - 一种车内发动机阶次噪声的窄带主动降噪优化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种车内发动机阶次噪声的窄带主动降噪优化系统，针对汽车在实际行驶过程中发动机转速存在波动的情况，通过指数平滑公式对获取的转速信号进行平滑，利用平滑后的转速信号来构造更加平稳的内部参考信号，根据所述内部参考信号得到窄带主动降噪系统的输出信号，而后更新滤波器的权值系数从而对输出信号进行不断更新。该系统能够改善实际情况中由于发动机转速的波动引起内部参考信号呈现明显非稳态特性从而导致系统降噪性能下降的问题，对于车内主动降噪领域具有推广应用的潜力。

Description

一种车内发动机阶次噪声的窄带主动降噪优化系统
技术领域
本发明涉及车内主动噪声控制技术领域，更具体的是，本发明涉及一种车内发动机阶次噪声的窄带主动降噪优化系统。
背景技术
传统上，噪声的被动控制主要通过控制噪声源、切断传播途径、保护接收者三种方法进行降噪，但这些方法只对车内波长较短的中、高频噪声能有效降噪，而对于波长较长的低频噪声，要想取得良好的降噪效果，则需要更加厚重的材料即更加高昂的成本。而噪声主动控制(Active Noise Control,ANC)技术是利用声波干涉的原理，通过在场景中合理布置麦克风及次级声源的方式来达到降噪目的的一种方法，它能够在基本不增加目标对象重量的条件下，有效地抑制其噪声水平，进而改善整体环境的声品质，是一种高效、高性价比的噪声控制方法。
当前针对车内ANC系统的研究主要聚焦于发动机阶次噪声消除(Engine OrderCancellation，EOC)与路噪主动控制(Road Noise Cancellation，RNC)两项技术。其中，发动机阶次噪声通常是通过基于滤波-x最小均方(Filter-x Least Mean square,FxLMS)算法的窄带主动降噪(Narrowband ANC,NANC)系统来实现对阶次噪声的选择性控制，利用转速传感器获得转速信号，然后通过阶次噪声的频率与转速之间的关系为窄带主动降噪系统构造内部参考信号。然而，实际情况中发动机的工作状态并非绝对平稳，即便车辆运行在相对平稳的匀速工况下，发动机的转速仍在一定范围波动，这将导致所构造的内部参考信号具有明显的非稳态特性，使得算法的收敛性能和降噪效果下降。而指数平滑法(Exponential Smoothing，ES)恰好主要应用于平滑或预测时间序列，其原理为任一期的指数平滑值都是本期实际观察值与前一期指数平滑值的加权平均。若能将该方法应用于降低发动机阶次噪声的窄带主动降噪系统中对发动机转速信号进行平滑处理，将有助于构造更加平稳的内部参考信号，进而提升系统的性能、推进实际应用。
发明内容
本发明的目的是设计开发了一种车内发动机阶次噪声的窄带主动降噪优化系统，针对发动机转速存在波动的情况，通过指数平滑公式对获取的转速信号进行平滑，利用平滑后的转速信号来构造更加平稳的内部参考信号，根据内部参考信号得到窄带主动降噪系统的输出信号，而后更新滤波器的权值系数以对输出信号进行更新，从而改善窄带主动降噪算法的收敛性能和降噪性能。
本发明提供的技术方案为：
一种车内发动机阶次噪声的窄带主动降噪优化系统，包括如下步骤：
步骤一、获取发动机转速信号；
步骤二、将所述发动机转速信号转化为平滑转速信号：
R(t)＝λ·R(t-1)+(1-λ)·r(t)；
式中，R(t)为平滑转速信号，t为时间指数，且t＝1、2、3…n，λ为平滑指数，且λ的取值范围为[0.9，1)，r(t)为转速信号；
步骤三、根据平滑转速信号获得发动机阶次噪声的频率、第一内部参考信号和第二内部参考信号，由此得到窄带主动降噪优化系统的扬声器输出信号：
Figure BDA0002489617940000021
式中，yN(t)为第t时刻的输出信号，i为目标阶次数，且i＝1、2、3…q，q是目标窄带成分的角频率总数，
Figure BDA0002489617940000022
为第t时刻的滤波器第一权值系数，
Figure BDA0002489617940000023
为第t时刻的滤波器第二权值系数，xai(t)为第一内部参考信号，xbi(t)为第二内部参考信号。
优选的是，所述发动机阶次噪声的频率满足：
ωi＝2πR(t)ηi/60；
式中，ωi为系统参考噪声信号中第i个目标阶次成分对应的角频率，ηi为第i个阶次成分对应的谐波数。
优选的是，所述第一内部参考信号满足：
xai(t)＝cos(ωit)；
式中，xai(t)为第一内部参考信号，ωi为系统参考噪声信号中第i个目标阶次成分对应的角频率，t为时间指数，且t＝1、2、3…n。
优选的是，所述第二内部参考信号满足：
xbi(t)＝sin(ωit)；
式中，xbi(t)为第二内部参考信号。
优选的是，所述滤波器第一权值系数能够自适应更新为：
Figure BDA0002489617940000031
式中，
Figure BDA0002489617940000032
为第t时刻的滤波器第一权值系数，
Figure BDA0002489617940000033
为第t+1时刻的滤波器第一权值系数，μN为窄带主动降噪算法的滤波器的权值更新步长，
Figure BDA0002489617940000034
为第一内部参考信号经估计的次级通路滤波后得到的滤波信号，eN(t)为残余噪声。
优选的是，所述滤波器第二权值系数能够自适应更新为：
Figure BDA0002489617940000035
式中，
Figure BDA0002489617940000036
为第t时刻的滤波器第二权值系数，
Figure BDA0002489617940000037
为第t+1次时刻的滤波器第二权值系数，
Figure BDA0002489617940000038
为第二内部参考信号经估计的次级通路滤波后得到的滤波信号。
优选的是，所述第一内部参考信号经估计的次级通路滤波后得到的滤波信号满足：
Figure BDA0002489617940000039
式中，
Figure BDA00024896179400000310
为次级通路传递函数的估计的脉冲响应。
Figure BDA00024896179400000311
式中，
Figure BDA00024896179400000312
为次级通路传递函数的估计的脉冲响应。
优选的是，所述残余噪声满足：
eN(t)＝dN(t)-y′N(t)；
式中，dN(t)为初级期望信号，y′N(t)为第t时刻的输出信号经过次级通路的次级抵消信号。
优选的是，还包括：
指数平滑模块，其用于对采集的转速信号进行指数平滑处理，将得到的结果用来构造第一内部参考信号和第二内部参考信号；
二权值更新模块，其用于实时更新滤波器的第一权值系数和第二权值系数；
预测滤波器模块，其用于接收所述二权值更新模块的结果和计算输出信号；
误差合成模块，其用于对初级期望信号和次级抵消信号的相反数进行求和，并且所述误差合成模块能够将所得结果传输至所述二权值更新模块。
本发明所述的有益效果：
本发明设计开发的一种车内发动机阶次噪声的窄带主动降噪优化系统，与传统的用于车内的窄带主动降噪系统相比，其优势在于仅通过一个计算量很小的平滑公式，便可以显著地改善算法在发动机转速存在波动的情况下的收敛性能和降噪性能，使得车内的降噪效果更优越。
附图说明
图1为本发明所述的一种针对车内发动机阶次噪声的窄带主动降噪优化系统的原理框图。
图2为本发明所述的对比试验中车速为30km/h的匀速工况下采集的车内噪声参考信号的时域图。
图3为本发明所述的对比试验中车速为30km/h的匀速工况下采集的同步转速信号图。
图4为本发明所述的对比试验中车速为30km/h的匀速工况下采集的车内噪声参考信号的频域图。
图5为本发明所述的对比试验中车速为60km/h的匀速工况下采集的车内噪声参考信号的时域图。
图6为本发明所述的对比试验中车速为60km/h的匀速工况下采集的同步转速信号图。
图7为本发明所述的对比试验中车速为60km/h的匀速工况下采集的车内噪声参考信号的频域图。
图8为本发明所述的对比试验中采用的初级通道与次级通道的幅频响应曲线图。
图9为本发明所述的对比试验中采用的初级通道与次级通道的相频响应曲线图。
图10为本发明所述的对比试验中优化窄带主动降噪系统的指数平滑模块对车速为30km/h的匀速工况下采集的转速信号的平滑效果图。
图11为本发明所述的对比试验中对车速为30km/h的匀速工况下采集的车内噪声降噪的频域降噪效果图。
图12为本发明所述的对比试验中优化窄带主动降噪系统的指数平滑模块对车速为60km/h的匀速工况下采集的转速信号的平滑效果图。
图13为本发明所述的对比试验中对车速为60km/h的匀速工况下采集的车内噪声降噪的频域降噪效果图。
图14为本发明所述的对比试验中对车速为30km/h的匀速工况下采集的车内噪声降噪的误差信号的均方值(MSE)曲线图。
图15为本发明所述的对比试验中对车速为60km/h的匀速工况下采集的车内噪声降噪的误差信号的均方值(MSE)曲线图。
具体实施方式
下面结合对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1所示，本发明提供的一种车内发动机阶次噪声的窄带主动降噪优化系统包括：指数平滑模块、二权值更新模块、预测滤波器模块、误差合成模块。其中，所述指数平滑模块用于对采集的转速信号进行指数平滑处理，将得到的结果用来构造第一内部参考信号和第二内部参考信号；所述二权值更新模块，采用自适应迭代公式来实时更新预测滤波器系数，并将所得结果传输到预测滤波器模块；所述预测滤波器模块用于计算输出信号，作为优选的是，所述预测滤波器采用有限脉冲响应滤波器(FIR滤波器)；所述误差合成模块对初级期望信号和次级抵消信号的相反数进行求和，并将所得结果传输到二权值更新模块。
如图1所示，主动噪声控制系统的基本原理是声波的叠加相消，有主动降噪系统的算法迭代计算，通过扬声器发出一列与目标噪声或初级期望噪声幅值相同相位相反的信号。其中，扬声器与目标降噪区域之间的通道的传递函数为次级通路传递函数，它代表通道对声音幅值和相位的影响；
Figure BDA0002489617940000061
是次级通路传递函数的估计，S(z)为次级通路传递函数，并且设定
Figure BDA0002489617940000062
次级通路传递函数代表现实存在的一种对声音信号的影响，它是客观存在，不需要获取，而次级通路传递函数的估计可以通过次级通路建模辨识来获得；dN(t)是初级期望信号，也叫做初级噪声，即车内目标降噪区域的噪声，yN(t)是降噪系统的输出信号，y′N(t)是输出信号经过次级通路的次级抵消信号，eN(t)是初级噪声与次级抵消信号在目标降噪区域叠加后的残余噪声信号，也叫做误差信号，用于反馈至二权值更新模块进行权值更新。
在窄带主动降噪子系统中，xai(t)为子系统第一内部参考信号，xbi(t)为子系统第二内部参考信号，
Figure BDA0002489617940000063
为第一内部参考信号经估计的次级通路滤波后得到的滤波信号，
Figure BDA0002489617940000064
为第二内部参考信号经估计的次级通路滤波后得到的滤波信号。
在针对车内发动机阶次噪声进行主动降噪时，降噪过程如下：
首先，对由转速传感器提供的同步信号，即为转速信号进行指数平滑处理得到平滑转速信号：
R(t)＝λ·R(t-1)+(1-λ)·r(t)；
式中，R(t)为平滑转速信号，t为时间指数，且t＝1、2、3…n，λ为平滑指数，它是一个常数，且λ的取值范围为[0.9，1)，r(t)为转速信号。
由此计算目标窄带成分的频率，即发动机阶次噪声的频率为：
ωi＝2πR(n)i/60；
式中，ωi为系统参考噪声信号中第i个目标阶次成分对应的角频率，ηi为第i个阶次成分对应的谐波数，i为目标阶次数，且i＝1、2、3…q，q是目标窄带成分的角频率总数。
窄带主动降噪子系统据此合成第一内部参考信号和第二内部参考信号，结果如下：
xai(t)＝cos(ωit)；
xbi(t)＝sin(ωit)；
式中，xai(t)为第一内部参考信号，xbi(t)为第二内部参考信号。
第一内部参考信号和第二内部参考信号分别经估计的次级通路滤波后，得到滤波信号，结果如下：
Figure BDA0002489617940000071
Figure BDA0002489617940000072
式中，
Figure BDA0002489617940000073
为第一内部参考信号经估计的次级通路滤波后得到的滤波信号，
Figure BDA0002489617940000074
为第二内部参考信号经估计的次级通路滤波后得到的滤波信号，
Figure BDA0002489617940000075
为次级通路传递函数的估计的脉冲响应，s(t)为次级通道传递函数的脉冲响应。
预测滤波器模块将所得滤波器第一权值系数和滤波器第二权值系数分别与第一内部参考信号和第二内部参考信号进行卷积并求和作为子系统输出信号，表示如下：
Figure BDA0002489617940000076
式中，yN(t)为t时刻的输出信号，i为目标阶次数，且i＝1、2、3…q，q是目标窄带成分的角频率总数，
Figure BDA0002489617940000077
为t时刻的滤波器第一权值系数，
Figure BDA0002489617940000078
为t时刻的滤波器第二权值系数，xai(t)为第一内部参考信号，xbi(t)为第二内部参考信号。
误差合成模块将初级期望信号和次级抵消信号的相反数进行求和，得到误差信号，结果如下：
eN(t)＝dN(t)-y′N(t)；
式中，dN(t)为初级期望信号，y′N(t)为第t次输出信号经过次级通路的次级抵消信号。
将误差信号和滤波信号带入二权值更新模块中的自适应迭代公式，进行权值更新。
二权值更新模块中的自适应迭代公式基于最速下降原理，表示为：
Figure BDA0002489617940000079
Figure BDA0002489617940000081
其中，
Figure BDA0002489617940000082
为第t时刻预测滤波器的第一权值系数，
Figure BDA0002489617940000083
为第t+1时刻预测滤波器的第一权值系数；
Figure BDA0002489617940000084
为第t时刻预测滤波器的第二权值系数，
Figure BDA0002489617940000085
为第t+1时刻预测滤波器的第二权值系数，μN为窄带主动降噪子系统的滤波器的权值更新步长，Ja(t)为自适应迭代公式的第一代价函数，Jb(t)为自适应迭代公式的第二代价函数，
Figure BDA0002489617940000086
为第一代价函数的梯度，
Figure BDA0002489617940000087
为第二代价函数的梯度。
并且第一代价函数和第二代价函数满足：
Ja(t)＝Jb(t)＝E[eN 2(t)]；
第一代价函数的梯度和第二代价函数的梯度表示如下：
Figure BDA0002489617940000088
Figure BDA0002489617940000089
其中，eN(t)为误差信号，即误差合成子模块的输出信号。
可得出预测滤波器的第一权值系数和第二权值系数的更新结果如下：
Figure BDA00024896179400000810
Figure BDA00024896179400000811
不断重复上述过程，即可实现目标场景中发动机阶次噪声的有效控制。
为检验本发明所提系统对车内发动机阶次噪声的降噪性能，将本发明中提供的针对车内发动机阶次噪声的优化窄带主动降噪系统与现有技术中的传统窄带主动降噪系统进行对比试验如下：
如图2-4所示，车速为30km/h的匀速工况下车内噪声以及同步的转速信号的测试结果，图5-7所示，车速为60km/h的匀速工况下车内噪声以及同步的转速信号的测试结果，其中，图2与图5车速为30km/h和60km/h两工况下采集的车内噪声信号，图3与图6为两工况下采集的对应的同步转速信号，图4与图7为两工况下采集的车内噪声信号的频谱图。
实验中，P(z)为初级通路传递函数，S(z)为次级通路传递函数，两者均以阶数为64阶的FIR滤波器表示，两个通路的频率响应如附图8与图9所示，其中，图8为两个通路的幅频响应曲线，图9为两个通路的相频响应曲线。
本发明所提供的系统中的二权值更新模块和预测滤波器模块中所涉及的滤波器均为阶数为1的FIR滤波器。其中，二权值更新模块中的步长参数在车速为30km/h的工况下为μN＝9.6×10-4，在60km/h的工况下对应的步长为μN＝1.6×10-3，系统降噪的目标窄带成分频率对应发动机阶次噪声的一阶和二阶，即η1＝1，η2＝2。
由图10-13所示，可以从频域上看出，传统窄带主动降噪系统对于实车中发动机阶次噪声的控制并不是十分理想，在目标窄带成分频率附近的频带甚至呈现出声压级升高的现象，降噪性能不佳。相比之下，本发明所提的系统则对发动机阶次噪声的抑制具有更优越的降噪效果，并且不会引起附近频带的噪声声压级的增大。
根据计算，传统主动窄带主动降噪系统在30km/h和60km/h两种匀速工况下分别能实现0.62dB和0.86dB的总降噪量，而本发明所提系统在两工况下分别能实现1.77dB和1.40dB的总降噪量，具有更突出的降噪性能。
此外，如图14、图15所示，为两系统误差信号的均方值曲线，可以看出，两系统在收敛性能中的稳态误差方面的表现与在其在频域上的降噪能力基本一致，并且本发明所提系统呈现出更好的稳定性。
本发明设计开发的车内发动机阶次噪声的窄带主动降噪优化系统，与传统的用于车内的窄带主动降噪系统相比，其优势在于仅通过一个计算量很小的平滑公式，便可以显著地改善算法在发动机转速存在波动的情况下的收敛性能和降噪性能，具体为，通过指数平滑公式对获取的转速信号进行平滑，利用平滑后的转速信号来构造更加平稳的内部参考信号，根据所述内部参考信号得到窄带主动降噪系统的输出信号，而后更新滤波器的权值系数以对输出信号进行更新，使得车内的降噪性能更优越。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。

Claims (4)

1.一种车内发动机阶次噪声的窄带主动降噪优化系统，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、获取发动机转速信号；
步骤二、将所述发动机转速信号转化为平滑转速信号：
R(t)＝λ·R(t-1)+(1-λ)·r(t)；
式中，R(t)为平滑转速信号，t为时间指数，且t＝1、2、3…n，λ为平滑指数，且λ的取值范围为[0.9，1)，r(t)为转速信号；
步骤三、根据平滑转速信号获得发动机阶次噪声的频率、第一内部参考信号和第二内部参考信号：
ωi＝2πR(t)ηi/60；
xai(t)＝cos(ωit)；
xbi(t)＝sin(ωit)；
式中，ωi为系统参考噪声信号中第i个目标阶次成分对应的角频率，ηi为第i个阶次成分对应的谐波数，xai(t)为第一内部参考信号，xbi(t)为第二内部参考信号；
由此得到窄带主动降噪优化系统的扬声器输出信号：
Figure FDA0003749869780000011
式中，yN(t)为第t时刻的输出信号，i为目标阶次数，且i＝1、2、3…q，q是目标窄带成分的角频率总数，
Figure FDA0003749869780000012
为第t时刻的滤波器第一权值系数，
Figure FDA0003749869780000013
为第t时刻的滤波器第二权值系数，xai(t)为第一内部参考信号，xbi(t)为第二内部参考信号；
其中，所述滤波器第一权值系数能够自适应更新为：
Figure FDA0003749869780000014
式中，
Figure FDA0003749869780000015
为第t时刻的滤波器第一权值系数，
Figure FDA0003749869780000016
为第t+1时刻的滤波器第一权值系数，μN为窄带主动降噪算法的滤波器的权值更新步长，
Figure FDA0003749869780000017
为第一内部参考信号经估计的次级通路滤波后得到的滤波信号，eN(t)为残余噪声；
所述滤波器第二权值系数能够自适应更新为：
Figure FDA0003749869780000021
式中，
Figure FDA0003749869780000022
为第t时刻的滤波器第二权值系数，
Figure FDA0003749869780000023
为第t+1时刻的滤波器第二权值系数，
Figure FDA0003749869780000024
为第二内部参考信号经估计的次级通路滤波后得到的滤波信号；
其中，所述车内发动机阶次噪声的窄带主动降噪优化系统包括：
指数平滑模块，其用于对采集的发动机转速信号进行指数平滑处理，将得到的结果用来构造所述第一内部参考信号和所述第二内部参考信号；
二权值更新模块，其用于实时更新滤波器的第一权值系数和第二权值系数；
预测滤波器模块，其用于接收所述二权值更新模块的结果和计算输出信号；
误差合成模块，其用于对初级期望信号和次级抵消信号的相反数进行求和，并且所述误差合成模块能够将所得结果传输至所述二权值更新模块。
2.如权利要求1所述的车内发动机阶次噪声的窄带主动降噪优化系统，其特征在于，所述第一内部参考信号经估计的次级通路滤波后得到的滤波信号满足：
Figure FDA0003749869780000025
式中，
Figure FDA0003749869780000026
为次级通路传递函数的估计的脉冲响应。
3.如权利要求2所述的车内发动机阶次噪声的窄带主动降噪优化系统，其特征在于，所述第二内部参考信号经估计的次级通路滤波后得到的滤波信号满足：
Figure FDA0003749869780000027
式中，
Figure FDA0003749869780000028
为次级通路传递函数的估计的脉冲响应。
4.如权利要求3所述的车内发动机阶次噪声的窄带主动降噪优化系统，其特征在于，所述残余噪声满足：
eN(t)＝dN(t)-y′N(t)；
式中，dN(t)为初级期望信号，y′N(t)为第t时刻的输出信号经过次级通路的次级抵消信号。
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