CN111723415B - 一种车辆降噪系统的性能评估方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种车辆降噪系统的性能评估方法及装置。该性能评估方法包括如下步骤：将扫频信号馈给车辆降噪系统的扬声器，测量得到扬声器频域上的每一个频点对应的信号非失真的最大输出幅度；根据最大输出幅度计算车辆降噪系统的声重放通道到其控制点之间的非失真条件下可以发出的最大声信号；实时采集车厢内的噪声信号并变换为频域的噪声信号；对每一个降噪位置，判断所述频率的噪声信号是否小于或等于所述最大声信号在每个频点的最大值，若判断结果为是，则判定车辆降噪系统可以将目标噪声降低到环境噪声的声压级；若判断结果为否，则判定车辆降噪系统发出的最大声压级比噪声声压级小，无法达到足够的降噪量。本发明吻合实际工况且操作便捷。
Description
技术领域
本发明属于车载降噪技术领域，涉及一种车辆降噪系统的性能评估方法及装置。
背景技术
随着车辆智能化的提高，驾乘人员对车内声学环境的要求愈发严格。车内噪声会降低驾乘人员的舒适性，引起车内乘员的烦躁，疲劳；也会影响交流通话的清晰度，甚至影响驾驶对车外信号声的感知，增加交通隐患。汽车NVH(Noise,Vibration,Harshness)是车厂关心的重要问题。通过修改结构设计，增加阻尼材料或者使用减震弹簧等装置来降低噪声，统称为被动噪声控制；这种方法对中高频的噪声有比较好的降噪效果。但是这种方法对低频效果比较差，特别是车厢内发动机的噪声，路面和轮胎碰撞摩擦带来的路噪，甚至气流风噪，往往集中在低频。此外，被动噪声控制需要较长的调教时间，而且难以控制成本。
主动降噪的方案利用车载音频系统，有效降低车厢内噪声，但是几乎不会给汽车增加额外的配重，有助于降低尾气排放，是一种绿色的节能的解决方案。从集成度和成本考虑，一般车载主动降噪系统使用车上现有的车载音频系统，包括门板扬声器、低音炮扬声器、车载功放等。在车载主动降噪系统的设计，有待解决的一个问题就是，如何评估车载声重放系统是否满足降噪的需求。目前，尚未有针对这一问题的解决方案
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种车辆降噪系统的性能评估方法及装置。
为实现上述目的，本发明的第一方面提供一种车辆降噪系统的性能评估方法，包括如下步骤：
S1、分别将扫频信号馈给车辆降噪系统的每个声重放通道的扬声器，分别测量得到每个扬声器频域上的每一个频点对应的信号非失真的最大输出幅度；
S2、根据所述最大输出幅度计算车辆降噪系统的每个声重放通道到其控制点之间的非失真条件下可以发出的最大声信号；
S3、实时采集车厢内的噪声信号；
S4、计算噪声谱，将时域的所述噪声信号变换为频域的噪声信号，得到噪声在各个频点和空间位置的分布情况；
S5、对每一个降噪位置，判断所述频率的噪声信号是否小于或等于所述最大声信号在每个频点的最大值，若判断结果为是，则判定车辆降噪系统可以将目标噪声降低到环境噪声的声压级；若判断结果为否，则判定车辆降噪系统发出的最大声压级比噪声声压级小，无法达到足够的降噪量。
进一步地，所述步骤S5中，如果Dm(f)>max_Ym(f)，则依据下式估计降噪量R(f)：
其中，Dm(f)表示所述频率的噪声信号，max_Ym(f)表示所述最大声信号在每个频点的最大值。
进一步地，所述步骤S1中，分别将扫频信号馈给车辆降噪系统的每个声重放通道的扬声器，分别测量得到每个扬声器频域上的每一个频点对应的信号非失真的最大输出幅度；所述步骤S2中，根据所述最大输出幅度计算车辆降噪系统的每个声重放通道到其控制点之间的非失真条件下可以发出的最大声信号。
更进一步地，所述步骤S1具体包括如下步骤：
S11、生成扫频信号，将所述扫频信号馈给所述车辆降噪系统的其中一路声重放通道；
S12、同步采集所述车辆降噪系统的输出音频信号，根据所述输出音频信号得到所述车辆降噪系统的线性脉冲响应和高次谐波脉冲响应，并分别转换到频域得到相应的幅频响应；
S13、构建所述车辆降噪系统的总谐波失真和所述车辆降噪系统的输入信号的幅度之间的关系；
S14、在每一个频点求解最大的幅度，该最大的幅度满足使所述总谐波失真小于设定值；
重复步骤S11至S14，直至测量得到所述车辆降噪系统的所有声重放通道的扬声器。
更进一步地，所述步骤S12中，通过M个麦克风同步采集所述车辆降噪系统的输出音频信号；所述步骤S13中，所述车辆降噪系统的总谐波失真和所述输入信号的幅度之间的关系如下式：
式中，THDml(f)表示总谐波失真，Aml(f)表示所述输入信号的幅度，Hml 1、Hml 2、Hml 3、Hml 4、Hml 5分别表示所述车辆降噪系统的线性脉冲相应、二次谐波脉冲相应、三次谐波脉冲响应、四次谐波脉冲响应及五次谐波脉冲响应的频域的幅频响应，m＝1，…M，l＝1，…L，L表示声重放通道的数量。
更进一步地，所述步骤S13中，基于一维Volterra滤波器模型，构建所述车辆降噪系统的总谐波失真和所述输入信号的幅度之间的关系。
更进一步地，所述步骤S14中，所述设定值为10％。
更进一步地，所述步骤S2中，最大声信号Yml(f)＝Aml(f)Hml 1,m＝1，…M，l＝1，…L。
进一步地，所述步骤S2中，所述控制点为监测麦克风。
进一步地，所述步骤S3中，所述噪声信号为发动机噪声和排气噪声；或，所述噪声信号为路噪和胎噪；或，所述噪声信号为风噪。
本发明的第二个方面提供一种用于车辆降噪系统的性能评估装置，用于执行如上所述的性能评估方法。所述性能评估装置包括：
第一信号发生器，用于生成扫频信号；
模数转换模块，用于将所述扫频信号转化为模拟信号；
功放模块，用于将模拟的扫频信号进行功率放大并输出；
L个声重放通道开关，分别和车辆降噪系统的L个声重放通道一一对应，仅当前测试声重放通道的声重放通道开关导通，其余声重放通道开关处于断开状态；
多个扬声器，用于根据所述功放模块的输出将电信号转化为声信号，每个所述声重放通道至少具有一个所述扬声器；
麦克风，用于实时采集所述扬声器的声响应信号；
模数转换模块，用于将所述声响应信号转化为数字信号；
脉冲响应计算模块，用于根据所述扫频信号和所述模数转换模块转化后的声响应信号得到所述车辆降噪系统的线性脉冲响应和谐波脉冲响应；
幅频响应计算模块，用于将时域的所述线性脉冲响应和所述谐波脉冲响应进行傅里叶变换，变换到频域，得到频域的幅频响应；
总谐波失真计算模块，用于计算分析频段内各个频点的总谐波失真与幅度之间的关系；
最大输出计算模块，用于得到频域上每一个频点的频率对应的信号非失真的最大输出幅度，满足总谐波失真小于设定值；
最大声信号计算模块，用于计算车辆降噪系统的每个声重放通道到其控制点之间的非失真条件下可以发出的最大声信号；
噪声波形记录模块，用于记录所述麦克风实时采集的车厢内的噪声信号；
噪声频谱分析模块，用于将时域的所述噪声信号变换为频域的噪声信号Dm(f)，得到噪声在各个频点和空间位置的分布情况；
比较模块，用于对每一个降噪位置比较频率的噪声信号和所述最大声信号在每个频点的最大值的大小；及
降噪量计算模块，用于计算当前车辆降噪系统对目标噪声理论上的最大降噪量；
所述性能评估装置还包括模式选择开关，所述性能评估装置具有车内实况噪声测试模式和车辆降噪系统性能测试模式，当处于车内实况噪声测试模式时，所述麦克风采集的声响应信号馈给所述噪声波形记录模块；当处于车辆降噪系统性能测试模式时，所述麦克风采集的声响应信号馈给所述脉冲响应计算模块。
本发明采用以上方案，相比现有技术具有如下优点：
本发明的车辆降噪系统的性能评估方法及装置，采用扫频信号测量的方法来评估车辆降噪系统的降噪能力，具有严格的理论依据，科学合理，吻合实际工况，对实际工程具有现实的指导意义。且测量时间少，测试准确性好；操作便捷，复杂度小，不需要预知扬声器的特征参数等。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的一种最大声信号的计算流程图；
图2为本发明实施例的一种降噪评估的流程图；
图3为本发明实施例的一种性能评估装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
本实施例提供一种车辆降噪系统的性能评估方法，该车辆降噪系统为基于车辆现有的车载音频系统构建的主动降噪系统，包括由车辆的门板扬声器、低音炮扬声器及车载功放等构成的声重放系统。该性能评估方法的具体过程描述如下。
一、确定麦克风位置。
根据噪声场的分布，布置麦克风。麦克风布置的依据是：该位置噪声场幅度较大；门板扬声器到麦克风的声辐射响应增益较大，不会受车厢声场模态的影响形成幅度响应谷点；该位置距离驾乘人员人耳处比较近，间距小于噪声频率的1/10个波长；工程安装可操作。
二、确定麦克风数量。
根据降噪需求，确定M个麦克风。降噪需求即需要处理哪些位置，本实施例中，在车辆的M个驾乘位置就需要M个麦克风。
三、确定扬声器通道。
根据车载音频系统的配置，明确车辆降噪系统独立的声重放通道L。需要注意的是，声重放通道个数并不完全等同于扬声器单元个数，例如多个扬声器单元通过一路音频信号驱动，属于同一路声重放通道。
四、产生扫频信号。
在数字音频处理器(DSP或者MCU处理器等)中产生一个任意幅度的扫频信号x(n)，n表示时间上的采样点数，具体方法可以参考专利文献CN106199185B。将该信号馈给车辆降噪系统的第一路声重放通道，该第一路声重放通道包括数字模拟转换电路、功放电路和扬声器单元。
五、同步采集声响应信号。
麦克风1至M同步采集声信号，计算得到该车辆降噪系统的线性脉冲响应[h111(n)…hM 11(n)]T和二次、三次直到五次谐波脉冲响应[h112(n)…hM 12(n)]T…[h115(n)…hM 15(n)]T，具体方法参考专利文献CN106331951B。
六、根据设定的频域采样率，将时域的线性脉冲响应和高次谐波脉冲响应经过傅里叶变换，得到频域的幅频响应Hm 1q(f)，m＝1，…M,q＝1，…5，f是频率。
七、基于一维Volterra滤波器模型，构建整个车辆降噪系统的总谐波失真THDm 1(f)和输入信号幅度A之间的关系，具体如下式：
八、在每一个频点f，求解最大输出幅度A以满足以下不等式，可以得到频域上每一个频点的f对应的信号非失真的最大输出幅度Am 1(f),m＝1，…M；
THDm 1(f)≤10％。
人耳主观感知失真的机理很复杂，由于音频信号成分复杂，心理声学中的掩蔽效应等诸多因素会影响失真的主观感受测量谐波失真的方法。究竟百分之多少的失真能够被感知，到目前来说都是研究的热点。但是通常认为小于1％的失真是人耳不会感知的，也就是听不见的。而超过10％的失真，是会让人感觉不舒服的，心理产生烦躁的。因此，本实施例的设定值选择10％。
九、重复上述步骤三至八，将扫频信号馈给车辆降噪系统的第二路声重放通道，计算得到Am 2(f),m＝1，…M；
十、重复上述步骤，直到测量过车载音频系统的所有通道的扬声器，得到Aml(f),m＝1，…M，l＝1，…L。
十一、计算车载音频系统每一个通道到每一路主动降噪的控制点，即监测麦克风之间，非失真条件下可以发出的最大声信号Yml(f)＝Aml(f)Hml 1,m＝1，…M，l＝1，…L，参见图1所示。
十二、根据相应工况，实时采集车厢内的噪声信号，例如以下情形：
1、针对发动机噪声和排气噪声的降噪，在实际工况下，利用上述步骤设置的M路麦克风实时采集车厢内的噪声信号，记作dm(n)，m＝1，…M。实际工况包括怠速空挡急加速，怠速空挡缓加速，路面测试各种档位下的全油门和半油门加速，以及各种载荷条件等。
2、针对路噪和胎噪的降噪，在实际工况下，利用上述步骤设置的M路麦克风实时采集车厢内的噪声信号，记作dm(n)，m＝1，…M。实际工况包括各种粗糙路面下的多个速度的匀速行驶，加速和滑行，以及各种载荷条件等。
3、针对风噪的降噪，在实际工况下，利用上述步骤设置的M路麦克风实时采集车厢内的噪声信号，记作dm(n)，m＝1，…M。实际工况包括在风洞试验中不同风速等。
十三、计算噪声谱。
将时域的噪声信号变换到频域，可以得到噪声在各个频点和空间位置的分布情况，记作Dm(f)，m＝1，…M。
十四、对每一个降噪位置，比较其噪声信号Dm(f)和max_Ym(f)的大小。max_Ym(f)是Yml(f)，l＝1，…L在每个频点的最大值。如果Dm(f)<max_Ym(f)，可以认为噪声可以被完全抑制，实际工程中，可以将目标噪声降低到环境噪声的声压级。如果Dm(f)>max_Ym(f)，意味着声重放系统发出的最大声压级比噪声声压级小，噪声并不能被完全压制。此时的降噪量R(f)可以用如下公式估计：
在一具体应用实例中，某频点某位置处噪声声压80dB，用麦克风测量得到其噪声信号幅度1v，而车内声重放系统在该频点输出的控制信号的非失真的最大幅度是0.5V。根据上面公式就可以估计采用车载音频系统可以实现6dB的降噪量，降噪后该频点在该位置处的噪声为74dB，具体流程见图2。
参照图3所示，本实施例还提供一种用于车辆降噪系统的性能评估装置，用于执行如上所述的性能评估方法。所述性能评估装置包括：
第一信号发生器，用于生成扫频信号；
模数转换模块，用于将数字化的扫频信号或控制信号转化为模拟信号；
功放模块，用于将模拟的扫频信号或控制信号进行功率放大并输出；
L个声重放通道开关，分别和车辆降噪系统的L个声重放通道一一对应，每个声重放通道包括一个声重放通道开关，仅当前测试声重放通道的声重放通道开关导通，其余声重放通道开关处于断开状态；
多个扬声器，用于根据功放模块的输出将电信号转化为声信号，每个声重放通道至少具有一个扬声器；
M个麦克风，用于实时采集扬声器的声响应信号；
模数转换模块，用于将声响应信号转化为数字信号；
脉冲响应计算模块，用于根据扫频信号和模数转换模块转化后的声响应信号得到车辆降噪系统的线性脉冲响应和谐波脉冲响应；
幅频响应计算模块，用于将时域的线性脉冲响应和谐波脉冲响应进行傅里叶变换，变换到频域，分析频段为[0,2π]，得到频域的幅频响应；
总谐波失真计算模块，用于计算分析频段内各个频点的总谐波失真与幅度之间的关系；
最大输出计算模块，用于得到频域上每一个频点的频率对应的信号非失真的最大输出幅度，满足总谐波失真小于设定值(即10％)；
最大声信号计算模块，用于计算车辆降噪系统的每个声重放通道到每一路主动降噪的控制点(即监测麦克风)之间的非失真条件下可以发出的最大声信号Yml(f)＝Aml(f)Hml 1,m＝1，…M，l＝1，…L；
噪声波形记录模块，用于记录M路麦克风实时采集的车厢内的噪声信号；
噪声频谱分析模块，用于将时域的所述噪声信号变换为频域的噪声信号Dm(f)，得到噪声在各个频点和空间位置的分布情况；
比较模块，用于对每一个降噪位置比较噪声信号Dm(f)和max_Ym(f)的大小，max_Ym(f)是所述最大声信号在每个频点的最大值；如果Dm(f)<max_Ym(f)，可以认为噪声可以被完全抑制，实际工程中，可以将目标噪声降低到环境噪声的声压级；如果Dm(f)>max_Ym(f)，意味着声重放系统发出的最大声压级比噪声声压级小，噪声并不能被完全压制；
降噪量计算模块，用于在Dm(f)>max_Ym(f)时计算当前车辆降噪系统对目标噪声理论上的最大降噪量。
该降噪装置还包括模式选择开关。所述性能评估装置具有车内实况噪声测试模式和车辆降噪系统性能测试模式，当处于车内实况噪声测试模式时，麦克风采集的声响应信号馈给噪声波形记录模块；当处于车辆降噪系统性能测试模式时，麦克风采集的声响应信号馈给所述脉冲响应计算模块。模式选择开关和模数转换模块的输出端电性连接，并和脉冲响应计算模块的输入端、噪声波形记录模块的输入端电性连接。
该性能评估方法及装置，具有如下优点：
(1)采用扫频信号测量的方法来评估车载音频系统的降噪能力，具有严格的理论依据，科学合理，吻合实际工况，对实际工程具有现实的指导意义。
(2)评估方法测量时间少，测试准确性好。
(3)评估方法操作便捷，复杂度小，不需要预知扬声器的特征参数等。
还需要说明的是，虽然上述实施例特别给出针对多通道的扬声器系统的降噪能力评估，也同样适用于单通道的扬声器系统。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，是一种优选的实施例，其目的在于熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限定本发明的保护范围。凡根据本发明的精神实质所作的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种车辆降噪系统的性能评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将扫频信号馈给车辆降噪系统的扬声器，测量得到扬声器频域上的每一个频点对应的信号非失真的最大输出幅度；
S2、根据所述最大输出幅度计算车辆降噪系统的声重放通道到其控制点之间的非失真条件下可以发出的最大声信号；
S3、实时采集车厢内的噪声信号；
S4、计算噪声谱，将时域的所述噪声信号变换为频域的噪声信号，得到噪声在各个频点和空间位置的分布情况；
S5、对每一个降噪位置，判断所述频域的噪声信号是否小于或等于所述最大声信号在每个频点的最大值，若判断结果为是，则判定车辆降噪系统可以将目标噪声降低到环境噪声的声压级；若判断结果为否，则判定车辆降噪系统发出的最大声压级比噪声声压级小，无法达到足够的降噪量。
2.根据权利要求1所述的性能评估方法，其特征在于，所述步骤S5中，若判断结果为否，则依据下式估计降噪量R(f)：
其中，Dm(f)表示所述频域的噪声信号，max_Ym(f)表示所述最大声信号在每个频点的最大值。
3.根据权利要求1所述的性能评估方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括如下步骤：
S11、生成扫频信号，将所述扫频信号馈给所述车辆降噪系统的其中一路声重放通道；
S12、同步采集所述车辆降噪系统的输出音频信号，根据所述输出音频信号得到所述车辆降噪系统的线性脉冲响应和高次谐波脉冲响应，并分别转换到频域得到相应的幅频响应；
S13、构建所述车辆降噪系统的总谐波失真和所述车辆降噪系统的输入信号的幅度之间的关系；
S14、在每一个频点求解最大的幅度，该最大的幅度满足使所述总谐波失真小于设定值；
重复步骤S11至S14，直至测量得到所述车辆降噪系统的所有声重放通道的扬声器。
4.根据权利要求3所述的性能评估方法，其特征在于，所述步骤S12中，通过M个麦克风同步采集所述车辆降噪系统的输出音频信号；所述步骤S13中，所述车辆降噪系统的总谐波失真和所述输入信号的幅度之间的关系如下式：
式中，THDml(f)表示总谐波失真，Aml(f)表示所述输入信号的幅度，Hml1、Hml2、Hml3、Hml4、Hml5分别表示所述车辆降噪系统的线性脉冲相应、二次谐波脉冲相应、三次谐波脉冲响应、四次谐波脉冲响应及五次谐波脉冲响应的频域的幅频响应，m＝1，…M，l＝1，…L，L表示声重放通道的数量。
5.根据权利要求3所述的性能评估方法，其特征在于，所述步骤S13中，基于一维Volterra滤波器模型，构建所述车辆降噪系统的总谐波失真和所述输入信号的幅度之间的关系。
6.根据权利要求3所述的性能评估方法，其特征在于，所述步骤S14中，所述设定值为10％。
7.根据权利要求4所述的性能评估方法，其特征在于，所述步骤S2中，最大声信号Yml(f)＝Aml(f)Hml1，m＝1，…M，l＝1，…L。
8.根据权利要求1所述的性能评估方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述控制点为监测麦克风。
9.根据权利要求1所述的性能评估方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述噪声信号为发动机噪声和排气噪声；或，所述噪声信号为路噪和胎噪；或，所述噪声信号为风噪。
10.一种用于车辆降噪系统的性能评估装置，其特征在于，用于执行如权利要求1至9任一项所述的性能评估方法，所述性能评估装置包括：
第一信号发生器，用于生成扫频信号；
模数转换模块，用于将所述扫频信号转化为模拟信号；
功放模块，用于将模拟的扫频信号进行功率放大并输出；
L个声重放通道开关，分别和车辆降噪系统的L个声重放通道一一对应，仅当前测试声重放通道的声重放通道开关导通，其余声重放通道开关处于断开状态；
多个扬声器，用于根据所述功放模块的输出将电信号转化为声信号，每个所述声重放通道至少具有一个所述扬声器；
麦克风，用于实时采集所述扬声器的声响应信号；
模数转换模块，用于将所述声响应信号转化为数字信号；
脉冲响应计算模块，用于根据所述扫频信号和所述模数转换模块转化后的声响应信号得到所述车辆降噪系统的线性脉冲响应和谐波脉冲响应；
幅频响应计算模块，用于将时域的所述线性脉冲响应和所述谐波脉冲响应进行傅里叶变换，变换到频域，得到频域的幅频响应；
总谐波失真计算模块，用于计算分析频段内各个频点的总谐波失真与幅度之间的关系；
最大输出计算模块，用于得到频域上每一个频点的频率对应的信号非失真的最大输出幅度，满足总谐波失真小于设定值；
最大声信号计算模块，用于计算车辆降噪系统的每个声重放通道到其控制点之间的非失真条件下可以发出的最大声信号；
噪声波形记录模块，用于记录所述麦克风实时采集的车厢内的噪声信号；
噪声频谱分析模块，用于将时域的所述噪声信号变换为频域的噪声信号，得到噪声在各个频点和空间位置的分布情况；
比较模块，用于对每一个降噪位置比较频率的噪声信号和所述最大声信号在每个频点的最大值的大小；
降噪量计算模块，用于计算当前车辆降噪系统对目标噪声理论上的最大降噪量；
所述性能评估装置还包括模式选择开关，所述性能评估装置具有车内实况噪声测试模式和车辆降噪系统性能测试模式，当处于车内实况噪声测试模式时，所述麦克风采集的声响应信号馈给所述噪声波形记录模块；当处于车辆降噪系统性能测试模式时，所述麦克风采集的声响应信号馈给所述脉冲响应计算模块。
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