CN112328949A - 一种汽车发动机主动降噪系统的参考信号生成方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于汽车发动机主动降噪系统的参考信号生成方法及装置，保证发动机主动降噪控制系统在整个转速范围内具有很好的降噪量，同时提升了急加速工况下的降噪性能。该汽车发动机主动降噪系统的参考信号生成方法，其包括如下步骤：A、实时获取汽车发动机的转速值；B、根据所述转速值，结合所述发动机的缸数，实时计算所述发动机的转速对应的阶次噪声信号的频率值，并根据所述频率值构建正弦信号和余弦信号作为两路基础信号；C、结合所述基础信号和上一时刻参考信号的值，计算当前时刻的修正信号的估计值；D、结合所述当前时刻的修正信号的估计值和所述基础信号当前时刻的估计值，计算当前时刻的参考信号。
Description
技术领域
本发明属于车载降噪技术领域，涉及一种汽车发动机主动降噪系统的参考信号生成方法及装置。
背景技术
随着汽车制造行业的技术进步和人们生活水平的不断提高，汽车舱内背景噪声的品质水平开始受到众多车厂NVH(Noise,Vibration,Harshness)研发部门和广大消费者的普遍关注，车厂NVH部门针对车内背景噪声进行全面严格的指标考核，确保舱内声学环境达到舒适性要求。由于汽车发动机震动噪声会通过车身结构传递到舱内，如果车身结构设计不合理，没有阻断噪声传递路径，会引起舱内产生与发动机阶次相同的背景噪声成份残留。在舱内进行语音通话或者欣赏音乐的场景下，过多的发动机阶次噪声，也会引起语音通话清晰度下降，音乐的重放声品质变差；同时，过多的发动机阶次残留噪声，会引发驾乘人员烦躁、疲劳，严重情况下会引发人员的头晕、头疼。
车厂NVH部门对于发动机阶次噪声，会考虑修改车身底盘结构、增加阻尼材料、增加减震弹簧装置进行被动噪声控制，但是这种被动噪声控制方法对于舱内中高频噪声具有较好的降噪效果，但是对于低频噪声的控制效果较差。四缸机燃油汽车的转速一般在600rpm至6000rpm的范围内变化，二阶噪声的频率一般在20Hz至200Hz的范围内变化。这种发动机低频阶次噪声通过被动噪声控制方案很难消除，因此国内外学者和研发人员开始转向主动噪声控制方案在汽车发动机阶次噪声控制领域的应用研究，取得了很大的成功。车载主动降噪系统，利用车内现有的扬声器和主机/功放系统，在没有增加开发成本的情况下，实现了对发动机阶次噪声非常明显的降噪控制效果。
车内主动降噪控制系统，需要实时获取汽车转速信号，由转速信号和汽车发动机缸数计算获得阶次噪声的频率，通过计算的频率生成参考信号。参考信号与发动机转速信号是实时关联的，转速信号在瞬时变化时，需要保证参考信号也跟随转速快速变化。如果参考信号的生成方法设计不合理，会引起如下两方面的问题。1)、如图1所示，参考信号的频率在跟随转速信号的频率变化时出现迟滞，当前参考信号的频率与当前转速信号所对应频率不一致，造成参考信号频率与当前阶次噪声真实频率出现偏差，参考信号经过降噪控制器加权后产生合成信号，此合成信号用于对消阶次噪声，如果频率偏差在3Hz以内，仍然有降噪效果，但是降噪量会有折扣。如果频率偏差过大，造成控制器失去降噪效果。2)、如图2所示，参考信号在跟随转速信号快速变化的过程中，参考信号的波形连续性损坏，引起参考信号波形出现跳变。参考信号波形所产生的跳变，会造成控制器合成信号在经过车载扬声器重放后，出现明显杂音信号。此外，现有参考信号生成方案，对于急加速工况，转速急剧变化的情况下，因为参考信号的频率迟滞，造成急加速工况的降噪性能变差，不能满足急加速工况的应用需求。
参考信号的频率精确性和波形连续性，是保证汽车发动机主动降噪控制系统降噪性能的关键条件。因此需要一种汽车发动机主动降噪系统的参考信号生成方法和装置，能够保证发动机主动降噪控制系统在整个转速范围内具有很好的降噪量，同时提升了急加速工况下的降噪性能
CN101473371B和CN105164748A提到了参考信号是由发动机引擎转速关联产生，但是这种由转速直接产生参考信号的方法，存在波形跳变的问题，这种波形跳变会引起降噪控制系统送至扬声器的信号出现杂音。
发明内容
本发明旨在从参考信号的频率精确性和波形连续性角度，提出了一种用于汽车发动机主动降噪系统的参考信号生成方法及装置，保证发动机主动降噪控制系统在整个转速范围内具有很好的降噪量，同时提升了急加速工况下的降噪性能。
本发明的第一个方面提供一种汽车发动机主动降噪系统的参考信号生成方法，其包括如下步骤：
A、实时获取汽车发动机的转速值；
B、根据所述转速值，结合所述发动机的缸数，实时计算所述发动机的转速对应的阶次噪声信号的频率值，并根据所述频率值构建正弦信号和余弦信号作为两路基础信号；
C、结合所述基础信号和上一时刻参考信号的值，计算当前时刻的修正信号的估计值；
D、结合所述当前时刻的修正信号的估计值和所述基础信号当前时刻的估计值，计算当前时刻的参考信号。
优选地，所述步骤C具体包括：
C1、设置修正信号的初始值如下：
Δref1(f0，t0)＝0
Δref2(f0，t0)＝1
其中，Δref1(f0，t0)和Δref2(f0，t0)分别为对应两路基础信号的修正信号的初始值，f0为t0时刻的参考信号的频率值；
C2、计算当前时刻的修正信号的估计值：
tk时刻参考信号的频率为fk，tk+1时刻参考信号的频率为fk+1，在tk时刻的两路参考信号为S1(fk，tk)和S2(fk，tk)，在tk+1时刻，两路参考信号为S1(fk+1，tk+1)和S2(fk+1，tk+1)，
tk时刻两路参考信号通过下式(1和(2))生成：
S1(fk，tk)＝ref2(fk+1，tk)*Δref1(fk+1，tk+1)+ref1(fk+1，tk)*Δref2(fk+1，tk+1)(1)
S2(fk，tk)＝-ref1(fk+1，tk)*Δref1(fk+1，tk+1)+ref2(fk+1，tk)*Δref2(fk+1，tk+1)(2)
其中，ref1(fk+1，tk)和ref2(fk+1，tk)是用于参考信号合成的两路基础信号，Δref1(fk+1，tk+1)和Δref2(fk+1，tk+1)是对两路基础信号进行修正的修正信号，为了获得S1(fk，tk)和S2(fk，tk)的估计值，我们首先需要获得Δref1(fk+1，tk+1)的估计值
和Δref2(fk+1，tk+1)的估计值
具体如下：
根据式(1)和(2)，计算出修正信号的估计值
和
分别如下式(3)和(4)所示：
更优选地，所述步骤D具体包括：
根据ref1(fk+1，tk)在tk时刻的数值，递推出tk+1时刻的ref1(fk+1，tk+1)的数值，根据ref2(fk+1，tk)在tk时刻的数值，递推出tk+1时刻的ref2(fk+1，tk+1)的数值，具体递推公式如下：
ref1(fk+1，tk+1)＝ref1(fk+1，tk)*cos(2*π*fk+1*Ts)_ref2(fk+1，tk)*sin(2*π*fk+1*Ts)
ref2(fk+1，tk+1)＝ref2(fk+1，tk)*cos(2*π*fk+1*Ts)+ref1(fk+1，tk)*sin(2*π*fk+1*Ts)
其中，Ts为系统设置的采样周期，同时ref1(f0，t0)和ref2(f0，t0)的初始值设置如下：
ref1(f0，t0)＝1
ref2(f0，t0)＝0；
结合公式(1)、(2)、(3)和(4)，计算出两路参考信号在tk+1的值
和
如式(5)和(6)：
本发明的第二个方面提供了一种汽车发动机主动降噪系统的参考信号生成装置，包括：
转速获取模块，其用于实时获取汽车发动机的转速值；
频率生成模块，其用于根据所述转速值结合所述发动机的缸数，实时计算所述发动机的转速所对应的阶次噪声信号的频率值；
基础信号估计模块，其用于结合上一时刻的基础信号估计值和当前时刻的递推参数，计算出基础信号当前时刻的估计值；
修正信号估计模块，其用于结合所述基础信号和上一时刻参考信号的值，计算当前时刻的修正信号的估计值；
参考信号生成模块，其用于结合所述当前时刻的修正信号的估计值和所述基础信号当前时刻的估计值，计算当前时刻的参考信号。
优选地，所述修正信号的估计模块用于根据下式(3)和(4)计算出修正信号的估计值
和
其中，tk时刻两路参考信号S1(fk+1，tk+1)和S2(fk+1，tk+1)分别由下式(1和(2))生成；
S1(fk，tk)＝ref2(fk+1，tk)*Δref1(fk+1，tk+1)+ref1(fk+1，tk)*Δref2(fk+1，tk+1)(1)
S2(fk，tk)＝-ref1(fk+1，tk)*Δref1(fk+1，tk+1)+ref2(fk+1，tk)*Δref2(fk+1，tk+1)(2)
ref1(fk+1，tk)和ref2(fk+1，tk)是用于参考信号合成的两路基础信号，Δref1(fk+1，tk+1)和Δref2(fk+1，tk+1)是对两路基础信号进行修正的修正信号。
更优选地，所述参考信号生成模块用于根据式(5)和(6)计算出两路参考信号在tk+1的值
和
本发明采用以上方案，相比现有技术具有如下优点：
本发明的参考信号生成方法及装置，参考信号的频率值与发动机阶次噪声的真实频率值一致，解决了参考信号与真实阶次噪声信号的频率偏差，保证了降噪控制器在所有转速范围内具有很好的降噪性能。针对参考信号的波形跳变问题，通过修正信号的修正计算，解决了波形的跳变问题，保证了参考信号的波形连续性，保证降噪控制器产生合成信号的波形连续性，合成信号从降噪控制器送至扬声器后，不会产生杂音。针对发动机转速快速变化的情况，本发明所生成参考信号的频率更为准确，参考信号的频率与发动机阶次噪声的频率一致性较好，在急加速工况、发动机转速快速变化时，降噪性能较好。
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为采用现有技术生成的参考信号的频率与发动机二阶噪声真实频率的对比图；
图2为采用现有技术生成的参考信号的波形图；
图3为本发明实施例的一种参考信号生成方法的流程图；
图4为本发明实施例的一种参考信号生成装置的结构框图；
图5为本发明实施例的时间迭代示意图。
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。
本实施例提供一种汽车发动机主动降噪系统的参考信号生成方法，其流程大体如图3所示，具体过程描述如下。
(1)、设置修正信号的初始值。
假设tk时刻参考信号的频率为fk，在初始状态(k＝0)，设置修正信号Δref1(f0，t0)和Δref2(f0，t0)的初始值，如下：
Δref1(f0，t0)＝0
Δref2(f0，t0)＝1
(2)、计算修正信号的估计值。
假设tk时刻参考信号的频率为fk，那么tk+1时刻参考信号的频率为fk+1，在tk时刻用于主动降噪控制的两路参考信号可以表示为：S1(fk，tk)和S2(fk，tk)，那么在tk+1时刻，两路参考信号可以表示为：S1(fk+1，tk+1)和S2(fk+1，tk+1)。
假设tk时刻两路参考信号可以通过如下表达式进行计算生成：
S1(fk，tk)＝ref2(fk+1，tk)*Δref1(fk+1，tk+1)+ref1(fk+1，tk)*Δref2(fk+1，tk+1)(1)
S2(fk，tk)＝-ref1(fk+1，tk)*Δref1(fk+1，tk+1)+ref2(fk+1，tk)*Δref2(fk+1，tk+1)(2)
其中，ref1(fk+1，tk)和ref2(fk+1，tk)是用于参考信号合成的两路基础信号，Δref1(fk+1，tk+1)和Δref2(fk+1，tk+1)是对两路基础信号进行修正的修正信号，为了获得S1(fk，tk)和S2(fk，tk)的估计值，我们首先需要获得Δref1(fk+1，tk+1)的估计值
和Δref2(fk+1，tk+1)的估计值
具体如下：
在tk时刻，S1(fk，tk)、S2(fk，tk)、ref1(fk+1，tk)和ref2(fk+1，tk)四个参量均为已知量，根据公式(1)和(2)，可以计算出修正信号的估计值，具体表达式如下：
(3)、计算两路参考信号的生成值。
根据ref1(fk+1，tk)在tk时刻的数值，可以递推出tk+1时刻的ref1(fk+1，tk+1)的数值，同理，根据ref2(fk+1，tk)在tk时刻的数值，可以递推出tk+1时刻的ref2(fk+1，tk+1)的数值，具体递推公式如下：
ref1(fk+1，tk+1)＝ref1(fk+1，tk)*cos(2*π*fk+1*Ts)-ref2(fk+1，tk)*sin(2*π*fk+1*Ts)
ref2(fk+1，tk+1)＝ref2(fk+1，tk)*cos(2*π*fk+1*Ts)+ref1(fk+1，tk)*sin(2*π*fk+1*Ts)
其中，Ts为系统设置的采样周期，同时ref1(f0，t0)和ref2(f0，t0)的初始值设置如下：
ref1(f0，t0)＝1
ref2(f0，t0)＝0
结合公式(1)、(2)、(3)和(4)，可以计算出两路参考信号在tk+1的估计值，具体如下：
根据公式(5)和(6)，可以计算出两路参考信号的生成值。
本实施例还提供一种汽车主动降噪系统的参考信号生成装置。如图4所示，该参考信号生成装置具体包括：
转速获取模块1，其用于实时获取汽车发动机的转速值；
频率生成模块2，其用于根据转速值结合发动机的缸数，实时计算发动机的转速所对应的阶次噪声信号的频率值，该频率值用于构建正弦信号和余弦信号作为两路基础信号；
基础信号估计模块3，其用于结合上一时刻的基础信号估计值和当前时刻的递推参数，计算出基础信号当前时刻的估计值；
修正信号估计模块4，其用于结合基础信号和上一时刻参考信号的值，计算当前时刻的修正信号的估计值；
参考信号生成模块5，其用于结合当前时刻的修正信号的估计值和基础信号估计模块给出的基础信号当前时刻的估计值，计算当前时刻的参考信号。
结合图4和图5所示，转速获取模块1的输入端和汽车的车载控制系统电性连接，获取当前时刻的转速值信号。频率生成模块2的输入端和转速获取模块1的输出端电性连接，接收转速获取模块获取的转速值，实时计算发动机的转速所对应的阶次噪声信号的频率值。基础信号估计模块3，其输入端和频率生成模块2的输出端电性连接，以接收频率生成模块当前时刻的输出，获得当前时刻的递推参数，并结合上一时刻的基础信号的估计值，生成基础信号的估计值。修正信号估计模块4的输入端和基础信号估计模块3的输出端电性连接，以接收当前时刻的基础信号的估计值，并结合上一时刻的参考信号的值，按照上述式(3)和(4)计算当前时刻的修正信号的估计值。参考信号生成模块5的一个输入端和修正信号估计模块4的输出端电性连接，以接收当前时刻的修正信号的估计值；参考信号生成模块5的另一个输入端和基础信号估计模块3的输出端电性连接，以接收基础信号的当前时刻的估计值，按照上述式(5)和(6)计算当前时刻的参考信号。
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 (7)
1.一种汽车发动机主动降噪系统的参考信号生成方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、实时获取汽车发动机的转速值；
B、根据所述转速值，结合所述发动机的缸数，实时计算所述发动机的转速对应的阶次噪声信号的频率值，并根据所述频率值构建正弦信号和余弦信号作为两路基础信号；
C、结合所述基础信号和上一时刻参考信号的值，计算当前时刻的修正信号的估计值；
D、结合所述当前时刻的修正信号的估计值和所述基础信号当前时刻的估计值，计算当前时刻的参考信号。
2.根据权利要求1所述的参考信号生成方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：
C1、设置修正信号的初始值如下：
Δref1(f0，t0)＝0
Δref2(f0，t0)＝1
其中，Δref1(f0，t0)和Δref2(f0，t0)分别为对应两路基础信号的修正信号的初始值，f0为t0时刻的参考信号的频率值；
C2、计算当前时刻的修正信号的估计值：
tk时刻参考信号的频率为fk，tk+1时刻参考信号的频率为fk+1，在tk时刻的两路参考信号为S1(fk，tk)和S2(fk，tk)，在tk+1时刻，两路参考信号为S1(fk+1，tk+1)和S2(fk+1，tk+1)，
tk时刻两路参考信号通过下式(1和(2))生成：
S1(fk，tk)＝
ref2(fk+1，tk)*Δref1(fk+1，tk+1)+ref1(fk+1，tk)*Δref2(fk+1，tk+1) (1)
S2(fk，tk)＝-ref1(fk+1，tk)*Δref1(fk+1，tk+1)+ref2(fk+1，tk)* Δref2(fk+1，tk+1)(2)
其中，ref1(fk+1，tk)和ref2(fk+1，tk)是用于参考信号合成的两路基础信号，Δref1(fk+1，tk+1)和Δref2(fk+1，tk+1)是对两路基础信号进行修正的修正信号；
根据式(1)和(2)，计算出修正信号的估计值
和
分别如下式(3)和(4)所示：
3.根据权利要求2所述的参考信号生成方法，其特征在于，所述步骤D具体包括：
根据ref1(fk+1，tk)在tk时刻的数值，递推出tk+1时刻的ref1(fk+1，tk+1)的数值，根据ref2(fk+1，tk)在tk时刻的数值，递推出tk+1时刻的ref2(fk+1，tk+1)的数值
结合公式(1)、(2)、(3)和(4)，计算出两路参考信号在tk+1的值
和
如式(5)和(6)：
4.根据权利要求3所述的参考信号生成装置，其特征在于，所述步骤D中，分别依据下式递推出ref1(fk+1，tk+1)和ref2(fk+1，tk+1)：
ref1(fk+1，tk+1)
＝ref1(fk+1，tk)*cos(2*π*fk+1*Ts)-ref2(fk+1，tk)*sin(2*π*fk+1*Ts)
ref2(fk+1，tk+1)
＝ref2(fk+1，tk)*cos(2*π*fk+1*Ts)+ref1(fk+1，tk)*sin(2*π*fk+1*Ts)
其中，Ts为系统设置的采样周期。
5.一种汽车发动机主动降噪系统的参考信号生成装置，其特征在于，包括：
转速获取模块，其用于实时获取汽车发动机的转速值；
频率生成模块，其用于根据所述转速值结合所述发动机的缸数，实时计算所述发动机的转速所对应的阶次噪声信号的频率值；
基础信号估计模块，其用于结合上一时刻的基础信号估计值和当前时刻的递推参数，计算出基础信号当前时刻的估计值；
修正信号估计模块，其用于结合所述基础信号和上一时刻参考信号的值，计算当前时刻的修正信号的估计值；
参考信号生成模块，其用于结合所述当前时刻的修正信号的估计值和所述基础信号当前时刻的估计值，计算当前时刻的参考信号。
6.根据权利要求5所述的参考信号生成装置，其特征在于，所述修正信号的估计模块用于根据下式(3)和(4)计算出修正信号的估计值
和
其中，tk时刻两路参考信号S1(fk+1，tk+1)和S2(fk+1，tk+1)分别由下式(1和(2))生成；
S1(fk，tk)＝
ref2(fk+1，tk)*Δref1(fk+1，tk+1)+ref1(fk+1，tk)*Δref2(fk+1，tk+1) (1)
S2(fk，tk)＝-ref1(fk+1，tk)*Δref1(fk+1，tk+1)+ref2(fk+1，tk)*Δref2(fk+1，tk+1) (2)
ref1(fk+1，tk)和ref2(fk+1，tk)是用于参考信号合成的两路基础信号，Δref1(fk+1，tk+1)和Δref2(fk+1，tk+1)是对两路基础信号进行修正的修正信号。
7.根据权利要求6所述的参考信号生成装置，其特征在于，所述参考信号生成模块用于根据式(5)和(6)计算出两路参考信号在tk+1的值
和
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