CN111754968A - 一种用于车辆的风噪控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于车辆的风噪控制方法及装置。一种用于车辆的风噪控制方法，包括如下步骤：S1、实时或定时对车窗开度信息进行采样；S2、根据所述车窗开度信息计算车厢和车窗形成的亥姆霍兹共鸣器的固有频率；S3、根据所述固有频率确定是否产生了风振噪声模态标志信号，当所述风振噪声模态标志信号产生，执行下述步骤S4；S4、根据所述固有频率产生参考信号，并根据所述参考信号及车内的噪声信号更新滤波器参数，输出稳定的控制信号；及S5、根据所述稳定的控制信号驱动扬声器产生主动控制声场，并与噪声场相干叠加。本发明采用主动降噪方式解决风振噪声，车辆结构不需过多改动。
Description
技术领域
本发明属于车辆降噪技术领域，涉及一种用于车辆的风噪控制方法及装置。
背景技术
噪声是汽车NVH(Noise，Vibration，Harshness)中的关键问题。目前主动控制应用在汽车中降低车内噪声成为热点。但是当前的研究主要是关注密封的车内的噪声控制的问题。然而在实际驾驶环境中，车内驾乘人员往往会打开车窗通风，这时候就会有比较明显的噪声，称之为风振噪声(wind buffeting noise)，简称为风噪。
风振噪声的原理如下：当车窗打开，车厢内形成空腔；当汽车高速行驶时候，车外高速流过的气流和车内相对静止的空气之间形成一个剪切层；剪切层会周期性地形成涡流，并扩散，随着气流向后运动，撞击车窗开口的后缘破碎，产生四周扩散的压力波；当涡流的扩散频率和车厢内空气的固有振动频率一致，也就是特征模态，就会发生亥姆霍兹共振，进而形成了风振噪声。
目前对开车窗引起的风振噪声，并没有太多的抑制手段。主要的抑制手段是通过带槽孔的导风条，引导涡流离开。但是导风条的设计很难完成，尤其是车窗开合的大小变化往往是不可预期的，所以很难通过固定样式的导风条解决所有的问题。
对于由车窗打开所引起的噪声的主动控制的相关文献较少。专利文献CN107195294虽然提供了一种用于车辆的主动降噪方法及装置，但是该方法是针对通过打开的车窗传播到车内车外的环境噪声的主动控制，该方法降低的是车外的环境噪声。上述的风振噪声不同于车外环境噪声，风振噪声不是车外的环境噪音，而是车厢内部由于亥姆霍兹共鸣原理产生的，也不同于一般普通意义上的风噪。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种用于车辆的风噪控制方法及装置，其采用主动降噪方式解决风振噪声，车辆结构不需过多改动。
为达到上述目的，本发明一方面提供一种用于车辆的风噪控制方法，包括如下步骤：
S1、实时或定时对车窗开度信息进行采样；
S2、根据所述车窗开度信息计算车厢和车窗形成的亥姆霍兹共鸣器的固有频率；
S3、根据所述固有频率确定是否产生了风振噪声模态标志信号，当所述风振噪声模态标志信号产生，执行下述步骤S4；
S4、根据所述固有频率产生参考信号，并根据所述参考信号及车内的噪声信号更新滤波器参数，输出稳定的控制信号；及
S5、根据所述稳定的控制信号驱动扬声器产生主动控制声场，并与噪声场相干叠加。
优选地，所述步骤S4具体包括如下步骤：
S41、根据采样的车窗开度信息计算所述固有频率，并根据该固有频率产生参考信号；
S42、根据所述参考信号及滤波器参数产生控制信号；
S43、根据所述控制信号及实时或定时检测得到的噪声信号获得误差信号；
S44、根据所述误差信号及滤波器参考信号更新滤波器参数；
其中，重复上述步骤S41至S44，直至所述滤波器参数不再更新，输出所述稳定的控制信号。
更优选地，所述步骤S41中，根据所述固有频率构建正弦信号或余弦信号作为所述参考信号。
更优选地，所述步骤S42中，所述控制信号由下式产生：Y＝W*X，其中，Y表示控制信号，W表示滤波器参数，X表示参考信号。
更优选地，所述步骤S43中，所述误差信号由下式产生：E＝D-Y，其中，E表示误差信号，D表示噪声信号，Y表示控制信号。
更优选地，所述步骤S44中，滤波器参数根据下式更新：
其中，W表示滤波器参数，μ是收敛因子，E表示误差信号，
表示滤波器参考信号；
所述滤波参考信号
由下式产生：
其中，S表示各扬声器到对应的声音采集装置的传递函数，X表示参考信号。声音采集装置可以为麦克风。
进一步地，所述风噪控制方法还包括初始化滤波器参数W的步骤，其中W＝[w1(n)…wL(n)]T，wi(n)＝[wi(n)…wi(n-J)]T，n表示剪切波模态数，L表示扬声器的个数，1≤i≤L，J表示滤波器参数的长度。
在一优选的实施例中，所述步骤S3中，当车厢内的所述固有频率与涡流发散频率相当时，产生所述风振噪声模态标志信号。
优选地，根据下式计算固有频率f：
其中，c是声速，为一个常量；A是亥姆霍兹共鸣器颈部的截面积，也就是车窗打开后的开口面积；V是亥姆霍兹共鸣器的体积，也就是车厢的体积，可以测量得到；L是亥姆霍兹共鸣器颈部的长度，也就是车门外边框和车内饰件内边缘之间的厚度距离，可以测量得到。
更优选地，根据下式计算涡流发散频率fb：
其中，u是来流速度，一般也就是车速；n是剪切波模态数，n＝1,2,3；Ln是天窗开度。
在另一优选的实施例中，所述步骤S3中，根据所述固有频率产生参考信号，将该参考信号与实时或定时检测到的噪声信号进行常相干分析，当常相干系数大于或等于设定值时，产生所述风振噪声模态标志信号。
更优选地，常相干分析的公式如下
其中，Gxy是两个信号的互功率谱；Gxx是参考信号x(n)的自功率谱；Gyy是噪声信号d(n)的自功率谱。当常相干系数Cxy大于或等于0.9，就说明产生了目标噪声信号，从而产生风振噪声模态标志信号。
优选地，所述风噪控制方法还包括清除所述风振噪声模态标志信号的步骤，当车辆的车速低于设定车速、车窗关闭或车门打开时清除所述风振噪声模态标志信号。
优选地，所述步骤S1中，通过车载通信协议获取所述车窗开度信息。
更优选地，所述扬声器包括车载门板扬声器的低音扬声器单元和后排的低音炮单元。
更优选地，通过麦克风获取所述噪声信号，至少在驾乘位置布放有所述麦克风。
本发明另一方面提供一种用于车辆的风噪控制装置，包括：
通信模块，用于获取所述车窗开度信息；
参考信号生成模块，用于根据所述车窗开度信息计算车厢和车窗形成的亥姆霍兹共鸣器的固有频率，并根据所述固有频率产生参考信号；
主动降噪使能模块，用于根据所述固有频率与涡流发散频率或所述参考信号与噪声信号确定是否产生了风振噪声模态标志信号并在产生了风振噪声模态标志信号后发出使能信号；
自适应滤波器，用于在接收到所述使能信号后，将所述参考信号滤波而输出控制信号，及随着所述噪声信号调整滤波器的系数；
数模转换模块，用于将所述控制信号转换为模拟信号；
重构滤波器，用于对所述数模转换模块输出的模拟信号进行滤波处理；
功放模块，用于对所述重构滤波器输出的模拟信号进行功率放大；
扬声器，用于由所述功放模块驱动而将电信号转化为声信号，在车厢内重放产生主动控制声场，并与噪声场相干叠加；及
声音采集装置，用于采集车厢内的噪声信号。
本发明采用以上方案，相比现有技术具有如下优点：
本发明，采用主动降噪的方式降低车辆的风振噪声，不需要额外开发导风条等汽车配件，只需要利用汽车门板自有的扬声器重放系统，就可以搭建主动降噪控制系统，因而具有更高的集成度；开发成本更低，开发周期和调试周期更短；可以在汽车定型后进行功能性添加，对汽车开发的改动要求小。
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为本发明实施例的风噪控制方法的示意图；
图2为本发明实施例的风噪控制装置的结构框图。
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。
本实施例提供一种用于车辆的风噪控制方法，下面结合图1该方法进行详细说明。
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M个驾乘位置设置M个麦克风，每个驾乘位置处至少设置一个麦克风。
三、确定扬声器数量。
根据车载门板扬声器的性能和配置，选择扬声器的个数L。有些扬声器到目标位置的声辐射性能不满足降噪要求，就舍弃不用。本实施例中，由四个门板的低音扬声器单元和后排的低音炮单元构成L个扬声器单元，本实施例中也将其称之为次级声源。
四、实时获取车窗开口面积A。
根据车载通信协议，例如CAN通信，实时获取车窗开口面积A。CAN通信中可以直接包含车窗开度信息；或者根据CAN通信协议中开车窗关车窗的命令周期和升降电机的转速来估计窗玻璃的形成，进而推算车窗开口面积A。
五、实时获取车速u。
根据车载听信协议，例如CAN通信，实时获取车速信息。
六、计算车厢和车窗形成的亥姆霍兹共鸣器的固有频率f。
根据下式计算：
其中，c是声速，为一个常量；A是亥姆霍兹共鸣器颈部的截面积，也就是车窗打开后的开口面积；V是亥姆霍兹共鸣器的体积，也就是车厢的体积，可以测量得到；L是亥姆霍兹共鸣器颈部的长度，也就是车门外边框和车内饰件内边缘之间的厚度距离，可以测量得到。
七、计算涡流发散频率fb。
根据下式计算：
其中，u是来流速度，一般也就是车速；n是剪切波模态数，n＝1,2,3；Ln是天窗开度。
八、确定风振噪声模态标志信号。
确定风振噪声模态标志有以下两种方法：
1、根据上述步骤，当车厢内空气的固有频率f和涡流发散频率fb相当，表示产生了风振噪声，从而产生风振噪声模态标志信号。
2、根据步骤六估计的固有频率f，构造一个正弦波信号，也称其为参考信号x(n)。将该参考信号与麦克风实时检测得到的噪声信号d(n)进行常相干分析。常相干分析的公式如下
其中，Gxy是两个信号的互功率谱；Gxx是参考信号x(n)的自功率谱；Gyy是噪声信号d(n)的自功率谱。当常相干系数Cxy大于或等于0.9，就说明产生了目标噪声信号，从而产生风振噪声模态标志信号。
九、开启主动降噪功能。
一旦检测到风振噪声模态标志信号，就开启主动降噪功能。具体步骤如下：
1、测量次级通道传递函数S，即每一个次级声源到每一个监测麦克风之间的声辐射响应，其中
sml是指第m个监测麦克风到第l个次级声源之间的传递函数，其中m＝1,2,…M；l＝1,2,…L；由这些通道之间的传递函数构成一个矩阵，记作S；
2、初始化滤波器参数W，其中W＝[w1(n)…wL(n)]T，wi(n)＝[wi(n)…wi(n-J)]T，J是滤波器参数的长度，一般是2以上，如果是自适应陷波器，滤波器的长度就是2；
3、产生参考信号X，其中X＝[x(n)…x(n-J)]T；根据每个采样时刻计算得到的固有频率f，构建正弦信号或者余弦信号；
4、产生控制信号Y，Y＝W*X；
5、获得误差信号E，E＝D-Y，其中D＝[d1(n)…dM(n)]T；dm是第m个监测麦克风所在空间位置的噪声信号，其中m＝1,2,…M；所有监测位置处的噪声信号构成一个数组(或向量)，记作D；
6、获得滤波参考信号
其中
7、更新滤波器参数W，
其中μ是收敛因子，是一个常数，就是最小均方自适应算法，也可以是随时间变化的参数，就是变步长的最小均方自适应算法；
8、返回步骤3，重复上述步骤，直至最后误差信号E较小，滤波器参数W不再更新而得到稳定的控制效果。
十、清除风振噪声标志信号。
通过车载通信协议，例如CAN通信，检测到车速较低，车窗关闭，车门打开等清除该标志信号。
汽车点火发动后，该标志信号保持清除状态。
本实施例还提供一种执行上述风噪控制方法的用于车辆的风噪控制装置。参照图2所示，用于车辆的风噪控制装置，包括：
通信模块，用于获取所述车窗开度信息；
参考信号生成模块，用于根据所述车窗开度信息计算车厢和车窗形成的亥姆霍兹共鸣器的固有频率，并根据所述固有频率产生参考信号；
主动降噪使能模块，用于根据所述固有频率与涡流发散频率或所述参考信号与噪声信号确定是否产生了风振噪声模态标志信号并在产生了风振噪声模态标志信号后发出使能信号；
自适应滤波器，用于在接收到所述使能信号后，将所述参考信号滤波而输出控制信号，及随着所述噪声信号调整滤波器的系数；
数模转换模块，用于将所述控制信号转换为模拟信号；
重构滤波器，用于对所述数模转换模块输出的模拟信号进行滤波处理；
功放模块，用于对所述重构滤波器输出的模拟信号进行功率放大；
扬声器，用于由所述功放模块驱动而将电信号转化为声信号，在车厢内重放产生主动控制声场，并与噪声场相干叠加；及
声音采集装置，用于采集车厢内的噪声信号。
上述通信模块具体为CAN通信模块，跟汽车主机进行通信，获取车速、车门开关、车窗开关状态、车窗开关命令等信息，实时传递给主动降噪使能模块和参考信号生成模块。
上述参考信号生成模块具体为正弦信号生成模块，其根据CAN信息得到的车窗开关信息，获得车窗开合度大小，从而计算车厢内空气的共振频率，并构建此频率的正弦波信号。
上述主动降噪使能模块，当汽车点火发动时候，保证主动降噪使能模块关闭，即关闭主动降噪功能；当检测车门关闭，车窗打开，车速满足条件，即涡流发散模态频率和车厢内空气共振频率相同；或者正弦信号与噪声信号的常相干系数大于0.9；这两种情况均可以认为有风振噪声产生，发出使能信号，使能主动降噪功能。
上述自适应滤波器在使能信号作用下，开始工作。主要有两个功能，其一是滤波，将正弦信号生成模块产生的信号进行滤波，也就是幅度和相位的调整后输出控制信号；其二是自适应，滤波器的系数随着噪声信号的大小逐渐调整，当噪声信号为0或者微小接近0的时候，滤波器的系数就停止更新。
上述数模转换模块，将自适应滤波器输出的数字信号转化为模拟信号。
上述重构滤波器，是一种模拟电路构成的滤波器，将高频的带外信号和数字信号内包含的量化噪声等滤除，避免产生杂音，甚至影响主动降噪的控制效果。
上述功放模块，将模拟的控制信号进行功率方法，以驱动扬声器单元。
上述扬声器，将电信号转化为声信号，在车厢内重放产生主动控制声场，与原始的噪声场相干叠加。选用声辐射性能满足要求的门板扬声器和低音炮扬声器单元，在目标降噪频带内具有较好的频响特性；
上述麦克风，实时采集车厢内的噪声信号，包括原始噪声信号和主动控制后的噪声场残留噪声信号；麦克风需要安装在靠近目标降噪区域的位置，即驾乘人员的头部或者耳朵附近。
本实施例中，相比被动方式，主动降噪的方法不需要额外开发导风条等汽车配件，只需要利用汽车门板自有的扬声器重放系统，就可以搭建主动降噪控制系统。所以主动控制系统具有更高的集成度。相比被动方法，开发成本更低，开发周期和调试周期更短。被动的方法需要在汽车开发的前期就规划，甚至改动汽车的结构和外观。但是主动控制的方法可以在汽车定型后进行功能性添加，对汽车开发的改动要求小。
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)
1.一种用于车辆的风噪控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、实时或定时对车窗开度信息进行采样；
S2、根据所述车窗开度信息计算车厢和车窗形成的亥姆霍兹共鸣器的固有频率；
S3、根据所述固有频率确定是否产生了风振噪声模态标志信号，当所述风振噪声模态标志信号产生，执行下述步骤S4；
S4、根据所述固有频率产生参考信号，并根据所述参考信号及车内的噪声信号更新滤波器参数，输出稳定的控制信号；及
S5、根据所述稳定的控制信号驱动扬声器产生主动控制声场，并与噪声场相干叠加。
2.根据权利要求1所述的风噪控制方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括如下步骤：
S41、根据采样的车窗开度信息计算所述固有频率，并根据该固有频率产生参考信号；
S42、根据所述参考信号及滤波器参数产生控制信号；
S43、根据所述控制信号及实时或定时检测得到的噪声信号获得误差信号；
S44、根据所述误差信号及滤波器参考信号更新滤波器参数；
其中，重复上述步骤S41至S44，直至所述滤波器参数不再更新，输出所述稳定的控制信号。
3.根据权利要求2所述的风噪控制方法，其特征在于，所述步骤S41中，根据所述固有频率构建正弦信号或余弦信号作为所述参考信号；所述步骤S42中，所述控制信号由下式产生：Y＝W*X，其中，Y表示控制信号，W表示滤波器参数，X表示参考信号；所述步骤S43中，所述误差信号由下式产生：E＝D-Y，其中，E表示误差信号，D表示噪声信号，Y表示控制信号。
4.根据权利要求2所述的风噪控制方法，其特征在于，所述步骤S44中，滤波器参数根据下式更新：
其中，W表示滤波器参数，μ是收敛因子，E表示误差信号，
表示滤波器参考信号；
所述滤波参考信号
由下式产生：
其中，S表示各扬声器到对应的声音采集装置的传递函数，X表示参考信号。
5.根据权利要求4所述的风噪控制方法，其特征在于，所述风噪控制方法还包括初始化滤波器参数W的步骤，其中W＝[w1(n)…wL(n)]T，wi(n)＝[wi(n)…wi(n-J)]T，n表示剪切波模态数，L表示扬声器的个数，1≤i≤L，J表示滤波器参数的长度。
6.根据权利要求1所述的风噪控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，
当车厢内的所述固有频率与涡流发散频率相当时，产生所述风振噪声模态标志信号；或，
根据所述固有频率产生参考信号，将该参考信号与实时或定时检测到的噪声信号进行常相干分析，当常相干系数大于或等于设定值时，产生所述风振噪声模态标志信号。
7.根据权利要求1所述的风噪控制方法，其特征在于，所述风噪控制方法还包括清除所述风振噪声模态标志信号的步骤，当车辆的车速低于设定车速、车窗关闭或车门打开时清除所述风振噪声模态标志信号。
8.根据权利要求1至7任一项所述的风噪控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，通过车载通信协议获取所述车窗开度信息。
9.根据权利要求1至7任一项所述的风噪控制方法，其特征在于，所述扬声器包括车载门板扬声器的低音扬声器单元和后排的低音炮单元；通过麦克风获取所述噪声信号，至少在驾乘位置布放有所述麦克风。
10.一种用于执行如权利要求1至9任一项所述的风噪控制方法的用于车辆的风噪控制装置，其特征在于，包括：
通信模块，用于获取所述车窗开度信息；
参考信号生成模块，用于根据所述车窗开度信息计算车厢和车窗形成的亥姆霍兹共鸣器的固有频率，并根据所述固有频率产生参考信号；
主动降噪使能模块，用于根据所述固有频率与涡流发散频率或所述参考信号与噪声信号确定是否产生了风振噪声模态标志信号并在产生了风振噪声模态标志信号后发出使能信号；
自适应滤波器，用于在接收到所述使能信号后，将所述参考信号滤波而输出控制信号，及随着所述噪声信号调整滤波器的系数；
数模转换模块，用于将所述控制信号转换为模拟信号；
重构滤波器，用于对所述数模转换模块输出的模拟信号进行滤波处理；
功放模块，用于对所述重构滤波器输出的模拟信号进行功率放大；
扬声器，用于由所述功放模块驱动而将电信号转化为声信号，在车厢内重放产生主动控制声场，并与噪声场相干叠加；及
声音采集装置，用于采集车厢内的噪声信号。
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