CN112115594A - 一种座舱有源降噪设备次级声源和误差传声器故障检测方法 - Google Patents

一种座舱有源降噪设备次级声源和误差传声器故障检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种座舱有源降噪设备次级声源和误差传声器故障检测方法，包括：S1.有源控制器馈给次级声源预设信号，次级声源依次发声；S2.利用信号间相干性关系诊断次级声源、误差传声器故障状态。本发明中的次级声源的输出信号可按照需求进行选择，可选择单频信号或多频信号等，选择更为“动听”的音乐，能够提升乘员的主观舒适性；利用信号间相干性系数的取值形成故障诊断矩阵M，通过M元素的取值范围对次级声源和误差传声器的故障状态进行检测；本发明仅需要在软件系统和存储模块进行优化，不增加产品本身重量和硬件成本，具有较好的可替换性和较高的经济价值。

Description

一种座舱有源降噪设备次级声源和误差传声器故障检测方法
技术领域
本发明涉及座舱有源降噪技术领域，更具体地说是一种座舱有源降噪设备次级声源和误差传声器故障检测方法。
背景技术
座舱有源降噪设备主要用于降低工作舱内的噪声声级，改善工作舱噪声环境，提高工作人员乘坐舒适性和人机功效。有源降噪是通过有源噪声控制系统实现的，其原理是在空间某一点，通过初级声波与次级声波的相消性干涉达到降噪目的的噪声控制方式。座舱有源降噪设备由有源控制器、控制盒、I只次级声源和J只误差传声器等部件组成。有源降噪设备具有故障检测功能，对次级声源和误差传声器进行故障检测，并将故障代码显示在控制盒上。
针对故障检测功能现有相关技术主要包含两种：一种是增加硬件检测电路，实现对所有次级声源和误差传声器的故障检测，此种方式必然引起原电路系统的复杂程度提高，同时增加硬件设备会导致实施成本提高，产品自重增加，甚至不满足安装要求等情况；另一种也是通过软件实现，但现有技术主要是利用传递函数特性判断或者通过比较声压级阈值进行故障检测，传递函数判断易受到外界因素的干扰而影响准确性，声压级阈值判断虽然准确性有所提高，但低频输出信号对人体的主观感受产生非常难受的影响，大大降低了乘员的主观舒适性。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种座舱有源降噪设备次级声源和误差传声器故障检测方法。本故障检测方法是一种对软件系统的优化，集成于座舱有源降噪设备的有源控制器软件系统，结合设备硬件系统，利用信号的相干性关系实现对次级声源和误差传声器的一种故障检测方法。不受外界因素影响，也不需要进行次级通路建模，提高故障诊断的准确性，本方法所存储的输出信号可以是单频信号或者多频信号，也可选择一段“动听的音乐”作为输出信号，提高乘员的主观感受和舒适性。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种座舱有源降噪设备次级声源和误差传声器故障检测方法，利用信号的相干性关系，针对座舱有源降噪设备软件进行优化，集成于座舱有源降噪设备的有源控制器软件系统，结合设备硬件系统，通过计算误差传声器接收到的信号和存储模块中的输出信号之间的相干性系数，当相干性系数为接近1的高值时，两个信号相干，当相干性系数为接近0的低值时，两个信号不相干；
信号X(n)和Y(n)之间的相干性系数定义为：
Figure BDA0002668270050000021
式(1)中，X(n)为有源控制器馈给次级声源的预设输出信号，Y(n)为误差传声器接收到的输入信号，n为1s系统的采样点数，γo表示X(n)和Y(n)之间的相干性系数，
Figure BDA0002668270050000022
为X(n)和Y(n)互功率谱平均，
Figure BDA0002668270050000023
和
Figure BDA0002668270050000024
分别为X(n)和Y(n)自功率谱平均；相干性系数反映的是X(n)和Y(n)两信号之间的同步相似性，或者两信号的变化规律的一种线性关系，可以反映多分量组成的输出信号中最大能量与输出信号中总能量的比值。
包括以下步骤：
S1.有源控制器馈给次级声源预设信号，次级声源依次发声
a)将座舱有源降噪设备系统进行连接，启动系统故障检测功能，开始自检；
b)由有源控制器馈给次级声源预设输出信号，第I只次级声源发出预设的输出信号XI(n)，每只次级声源发声1s，所有误差传声器接收的信号可表示为Y1J(n),Y2J(n),…YiJ(n)；
c)系统包含I只次级声源，J只误差传声器；则第1,2，…I只次级声源对应的输出信号分别为X1(n),X2(n),…XI(n)，所有信号存储在有源控制器中的存储模块中，有源控制器通过向每只次级声源馈给已存储的信号XI(n)，则误差传声器可接收到所有信号可表示为如下式(2)的矩阵形式：
Figure BDA0002668270050000031
式中行元素表示第I只次级声源发声时所有误差传声器(共J只)接收到的信号，列元素表示所有次级声源发声完毕后第J只误差传声器(仅1只)接收到的信号；
S2.利用信号间相干性关系诊断次级声源、误差传声器故障状态
a)相干性关系的判断依据：相干性系数的取值范围在0和1之间；
b)根据式(1)和式(2)，计算预设输出信号和误差传声器接收到的输入信号之间的相干性系数，得到相干性系数诊断矩阵M见下式(3)：
Figure BDA0002668270050000032
c)次级声源检测方法：诊断矩阵M中，当第I行中存在一项满足0.75≤γoIJ(n)≤1时，则第I只次级声源正常，反之，当第I行中所有元素满足0≤γoIJ<0.75时，则第I只次级声源故障；
d)误差传声器检测方法：诊断矩阵M中，当第J列中存在一项满足0.75≤γoIJ(n)≤1时，则第J只误差传声器正常，反之，当第J列中所有元素满足0≤γoIJ<0.75时，则第J只误差传声器故障；
e)检测完成后，通过向控制盒发送故障检测结果，最终显示于控制盒显示屏上。
进一步的，所存储的输出信号可选取较为悦耳的多频信号，利用信号的相干性关进行故障诊断，提升检测准确度，同时提高在故障检测过程中的人员舒适性。
进一步的，应用于座舱有源降噪设备次级声源和误差传声器故障检测时，规定当0.75≤γoIJ≤1时，认为两信号“完全相干”，当0≤γoIJ<0.75时，认为两信号“不相干”。
本发明的技术效果和优点：
1、本发明中的次级声源的输出信号可按照需求进行选择，可选择单频信号或多频信号等，选择更为“动听”的音乐，能够提升乘员的主观舒适性；
2、本发明的故障诊断方法利用信号间相干性系数的取值形成故障诊断矩阵M，通过M元素的取值范围对次级声源和误差传声器的故障状态进行检测；
3、本发明仅需要在软件系统和存储模块进行优化，不增加产品本身重量和硬件成本，具有较好的可替换性和较高的经济价值。
附图说明
图1为本发明座舱有源降噪设备组成及连接系统图；
图2为本发明方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本故障检测方法是利用信号的相干性关系，针对座舱有源降噪设备软件进行优化，集成于座舱有源降噪设备的有源控制器软件系统，结合设备硬件系统，通过计算误差传声器接收到的信号和存储模块中的输出信号之间的相干性系数(取值范围为0到1)，当相干性系数为接近1的高值时，两个信号相干，当相干性系数为接近0的低值时，两个信号不相干。
信号X(n)和Y(n)之间的相干性系数定义为：
Figure BDA0002668270050000051
式(1)中，X(n)为有源控制器馈给次级声源的预设输出信号，Y(n)为误差传声器接收到的输入信号，n为1s系统的采样点数，γo表示X(n)和Y(n)之间的相干性系数，
Figure BDA0002668270050000052
为X(n)和Y(n)互功率谱平均，
Figure BDA0002668270050000053
和
Figure BDA0002668270050000054
分别为X(n)和Y(n)自功率谱平均。
相干性系数反映的是X(n)和Y(n)两信号之间的同步相似性，或者两信号的变化规律的一种线性关系，可以反映多分量组成的输出信号中最大能量与输出信号中总能量的比值。通常用于检测由别的通道信号功率引起的某一测量通道的功率，评估输入输出关系，并且可以用来评估多个通道信号之间的相干关系。
本故障检测方法流程如下，流程图见图2：
1.有源控制器馈给次级声源预设信号，次级声源依次发声
a)按照图1，将座舱有源降噪设备系统进行连接，启动系统故障检测功能，开始自检；
b)由有源控制器馈给次级声源预设输出信号，第I只次级声源发出预设的输出信号XI(n)，每只次级声源发声1s，所有误差传声器接收的信号可表示为Y1J(n),Y2J(n),…YiJ(n)；
c)系统包含I只次级声源，J只误差传声器。则第1,2，…I只次级声源对应的输出信号分别为X1(n),X2(n),…XI(n)，所有信号存储在有源控制器中的存储模块中，有源控制器通过向每只次级声源馈给已存储的信号XI(n)，则误差传声器可接收到所有信号可表示为如下式(2)的矩阵形式：
Figure BDA0002668270050000061
式中行元素表示第I只次级声源发声时所有误差传声器(共J只)接收到的信号，列元素表示所有次级声源发声完毕后第J只误差传声器(仅1只)接收到的信号。
2.利用信号间相干性关系诊断次级声源、误差传声器故障状态
a)相干性关系的判断依据：相干性系数的取值范围在0和1之间，本文应用于座舱有源降噪设备次级声源和误差传声器故障检测时，规定当0.75≤γoIJ≤1时，认为两信号“完全相干”，当0≤γoIJ<0.75时，认为两信号“不相干”；
b)根据式(1)和式(2)，计算预设输出信号和误差传声器接收到的输入信号之间的相干性系数，得到相干性系数诊断矩阵M见下式(3)：
Figure BDA0002668270050000071
c)次级声源检测方法：诊断矩阵M中，当第I行中存在一项满足0.75≤γoIJ(n)≤1时，则第I只次级声源正常，反之，当第I行中所有元素满足0≤γoIJ<0.75时，则第I只次级声源故障；
d)误差传声器检测方法：诊断矩阵M中，当第J列中存在一项满足0.75≤γoIJ(n)≤1时，则第J只误差传声器正常，反之，当第J列中所有元素满足0≤γoIJ<0.75时，则第J只误差传声器故障；
e)检测完成后，通过向控制盒发送故障检测结果，最终显示于控制盒显示屏上。
本发明中所存储的输出信号可选取较为悦耳的多频信号，利用信号的相干性关进行故障诊断，提升检测准确度，同时提高在故障检测过程中的人员舒适性。
实例一：座舱有源降噪系统的次级声源和误差传声器均为6个，第2只次级声源故障，第5只误差传声器故障，则诊断矩阵M如下表示：
Figure BDA0002668270050000072
结合次级声源和误差传声器检测方法，可以看出诊断矩阵M中第2行和第5列中所有项均在0到0.75之间，则第2只次级声源和第5只误差传声器为故障状态，其他行与列中均存在一项的取值范围在0.75到1之间，则第1、3、4、5和6只次级声源和第1、2、3、4和6只误差传声器均正常，最终将故障结果通过控制盒显示在显示屏上。
最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中,需要说明的是,除非另有规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,可以是机械连接或电连接,也可以是两个元件内部的连通,可以是直接相连,“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种座舱有源降噪设备次级声源和误差传声器故障检测方法，其特征在于：
信号X(n)和Y(n)之间的相干性系数定义为：
Figure FDA0002668270040000011
式(1)中，X(n)为有源控制器馈给次级声源的预设输出信号，Y(n)为误差传声器接收到的输入信号，n为1s系统的采样点数，γo表示X(n)和Y(n)之间的相干性系数，
Figure FDA0002668270040000012
为X(n)和Y(n)互功率谱平均，
Figure FDA0002668270040000013
和
Figure FDA0002668270040000014
分别为X(n)和Y(n)自功率谱平均；相干性系数反映的是X(n)和Y(n)两信号之间的同步相似性，或者两信号的变化规律的一种线性关系，可以反映多分量组成的输出信号中最大能量与输出信号中总能量的比值；
本检测方法包括：
S1.有源控制器馈给次级声源预设信号，次级声源依次发声
a)将座舱有源降噪设备系统进行连接，启动系统故障检测功能，开始自检；
b)由有源控制器馈给次级声源预设输出信号，第I只次级声源发出预设的输出信号XI(n)，每只次级声源发声1s，所有误差传声器接收的信号可表示为Y1J(n),Y2J(n),…YiJ(n)；
c)系统包含I只次级声源，J只误差传声器；则第1,2，…I只次级声源对应的输出信号分别为X1(n),X2(n),…XI(n)，所有信号存储在有源控制器中的存储模块中，有源控制器通过向每只次级声源馈给已存储的信号XI(n)，则误差传声器可接收到所有信号可表示为如下式(2)的矩阵形式：
Figure FDA0002668270040000021
式中行元素表示第I只次级声源发声时所有误差传声器(共J只)接收到的信号，列元素表示所有次级声源发声完毕后第J只误差传声器(仅1只)接收到的信号；
S2.利用信号间相干性关系诊断次级声源、误差传声器故障状态
a)相干性关系的判断依据：相干性系数的取值范围在0和1之间，当相干性系数为接近1的高值时，两个信号相干，当相干性系数为接近0的低值时，两个信号不相干；
b)根据式(1)和式(2)，计算预设输出信号和误差传声器接收到的输入信号之间的相干性系数，得到相干性系数诊断矩阵M见下式(3)：
Figure FDA0002668270040000022
c)次级声源检测方法：诊断矩阵M中，当第I行中存在一项满足0.75≤γoIJ(n)≤1时，则第I只次级声源正常，反之，当第I行中所有元素满足0≤γoIJ<0.75时，则第I只次级声源故障；
d)误差传声器检测方法：诊断矩阵M中，当第J列中存在一项满足0.75≤γoIJ(n)≤1时，则第J只误差传声器正常，反之，当第J列中所有元素满足0≤γoIJ<0.75时，则第J只误差传声器故障；
e)检测完成后，通过向控制盒发送故障检测结果，最终显示于控制盒显示屏上。
2.根据权利要求1所述的一种座舱有源降噪设备次级声源和误差传声器故障检测方法，其特征在于：所存储的输出信号可选取较为悦耳的多频信号，利用信号的相干性关进行故障诊断，提升检测准确度，同时提高在故障检测过程中的人员舒适性。
3.根据权利要求1所述的一种座舱有源降噪设备次级声源和误差传声器故障检测方法，其特征在于：应用于座舱有源降噪设备次级声源和误差传声器故障检测时，规定当0.75≤γoIJ≤1时，认为两信号“完全相干”，当0≤γoIJ<0.75时，认为两信号“不相干”。
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