CN112509546B - 一种针对汽车动态变化声场的主动降噪系统 - Google Patents

一种针对汽车动态变化声场的主动降噪系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种针对汽车动态变化声场的主动降噪系统，包括参考信号输入系统、信号处理系统以及降噪信号输出系统，所述参考信号输入系统由CAN总线控制信号模块、车内噪声信号模块与路面振动信号模块组成，所述信号处理系统由车内动态声场标定模块与ANC控制模块组成，所述降噪信号输出系统由娱乐主机、外置功放以及扬声器组成。本发明结构合理，其采用收敛速度快得多但计算量也更大的RLS算法，几乎能达到瞬间收敛的效果，而且稳态误差也更小，即降噪的及时性和降噪深度均优于传统的LMS算法。

Description

一种针对汽车动态变化声场的主动降噪系统
技术领域
本发明涉及汽车技术领域，尤其涉及一种针对汽车动态变化声场的主动降噪系统。
背景技术
随着汽车的推广和普及，乘客对于车内舒适度的要求越来越高，汽车发动机的主动降噪技术也逐渐得到市场认可和普及。当前凯迪拉克、昂科威全系车型、英菲尼迪等大部分车型以及吉利、长城等国内自主品牌中高配车型都配置了针对汽车发动机的主动降噪技术；随着国内汽车主动降噪市场逐渐火热，国内一些公司开始加大投入到汽车主动降噪技术研发及应用中。
当前公开的汽车主动降噪技术都是通过把发动机转速作为参考信号，同时参考监控麦克风信号，通过控制器计算输出次级声波实现噪声控制。这些技术把发动机转速信号作为ANC控制的参考信号，通过跟踪发动机转速对车内声场变化来进行噪声控制。实际上，汽车行驶过程中，仅靠发动机转速信号来跟踪车内声场变化是不够的，车内声场还会受到汽车档位、发动机负荷、路面粗糙度、上下坡、刹车、车门窗、空调等各种因素影响，仅依靠发动机转速信号不能准确捕捉到汽车车内多变声场的动态变化，无法满足ANC技术应用到汽车车内主动降噪的实际工程需求。
目前汽车主动降噪基本都采用的是LMS(最小均方算法)，LMS算法的稳定性很好，但是收敛速度慢，汽车工况多变导致车内声场经常在短时间内发生很大变化，如果算法收敛速度跟不上，则容易导致发出的反相声波的频率、相位和幅值跟不上噪声的变化，从而达不到及时消除噪声的目的。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种针对汽车动态变化声场的主动降噪系统，真正满足汽车行驶中动态变化的声场降噪要求，其采用收敛速度快得多但计算量也更大的RLS算法，几乎能达到瞬间收敛的效果，而且稳态误差也更小，即降噪的及时性和降噪深度均优于传统的LMS算法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种针对汽车动态变化声场的主动降噪系统，包括参考信号输入系统、信号处理系统以及降噪信号输出系统，所述参考信号输入系统由CAN总线控制信号模块、车内噪声信号模块与路面振动信号模块组成，所述信号处理系统由车内动态声场标定模块与ANC控制模块组成，所述降噪信号输出系统由娱乐主机、外置功放以及扬声器组成；
所述CAN总线控制信号模块由两种信号组成，分别为动力系统控制信号与整车控制信号；所述动力系统控制信号针对不同动力系统类型采集不同的信号；所述整车控制信号包括油门踏板位置信号、车速信号、刹车信号、车内外温度信号、车门窗开关信号、空调开关信号与空调风扇转速信号；
所述车内动态声场标定模块与动力系统控制信号模块以及整车控制信号电性连接，所述ANC控制模块与车内信号模块以及路面振动模块电性连接，所述ANC控制模块与娱乐外机或者外置功放电性连接。
优选地，所述动力系统控制信号针对燃油车时的参考信号为：发动机转速信号、节气门开度信号、扭矩信号与档位信号。
优选地，所述动力系统控制信号针对混合动力车时的参考信号为：发动机转速信号、充电功率信号与动力驱动逻辑信号。
优选地，所述动力系统控制信号针对增程式新能源车时的参考信号为：发动机转速信号与充电功率信号。
优选地，所述动力系统控制信号针对新能源车时的参考信号为：电机转速信号、电机扭矩信号与输出功率信号。
优选地，所述车内噪声信号模块通过麦克风采集，其输出的模拟信号直接通过麦克风音频线接入，数字信号通过汽车A2B总线接入。
优选地，所述路面振动信号模块通过采集路面特性信号，通过布置在汽车底盘关键位置的振动加速度传感器输出。
优选地，所述车内动态声场标定模块接收汽车CAN中的动力系统信号和整车控制信号，进行车内声场计算，匹配实车NVH特性，输出主动降噪控制因子：麦克风增益因子、遗忘因子、扬声器增益因子到ANC控制器进行主动降噪算法计算。
优选地，所述ANC控制信号模块采用RLS算法实时处理计算输出降噪声波信号。
优选地，所述降噪声信号输出系统输出的降噪信号、模拟信号通过娱乐主机、外置功放混音输出到汽车对应扬声器，数字信号通过A2B音频总线输出到对应扬声器
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
1、除了跟踪发动机转速信号外，跟踪汽车档位、发动机扭矩、节气门开启度、路面激励信号、发动机负荷、刹车、车速、车门窗开关、空调开关及风扇转速等关键信号，结合麦克风实时捕捉汽车内部实际工作过程中变化的声场，通过动态声场标定模块输出关键的主动降噪算法因子，从而精准地实现对汽车发动机噪声和路噪噪声的主动降噪功能，真正满足汽车主动降噪技术量产应用需求。
2、采用收敛速度更快的RLS算法，替代传统收敛速度缓慢LMS算法，能够精准地控制车内动态声场，实现更好的主动降噪功能。
附图说明
图1为本发明提出的一种针对汽车动态变化声场的主动降噪系统的系统框图；
图2为本发明提出的一种针对汽车动态变化声场的主动降噪系统的信号处理系统图；
图3为本发明提出的一种针对汽车动态变化声场的主动降噪系统的娱乐主机混音方案图；
图4为本发明提出的一种针对汽车动态变化声场的主动降噪系统的外置功放混音方案图；
图5为本发明提出的一种针对汽车动态变化声场的主动降噪系统的数字混音模式图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
参照图1-4，一种针对汽车动态变化声场的主动降噪系统，包括参考信号输入系统、信号处理系统以及降噪信号输出系统，所述参考信号输入系统由CAN总线控制信号模块、车内噪声信号模块与路面振动信号模块组成，车内噪声信号模块通过麦克风采集，模拟信号直接通过麦克风音频线接入，或者数字信号通过汽车A2B总线接入，路面振动信号模块采集路面特性信号，通过布置在汽车底盘关键位置的振动加速度传感器输出。
所述信号处理系统由车内动态声场标定模块与ANC控制模块组成，车内动态声场标定模块：接收汽车CAN中的动力系统信号和整车控制信号，进行车内声场计算，匹配实车NVH特性，输出主动降噪控制因子：麦克风增益因子、遗忘因子、扬声器增益因子到ANC控制器进行主动降噪算法计算。ANC控制模块：依据输入的参考信号，实时跟踪车内变化的声场，采用RLS算法实时处理计算输出降噪声波信号。
RLS算法是用采用二乘方的时间平均准则来代替LMS算法所采用的最小均方准则，RLS算法公式如下：
Figure GDA0002916100150000051
e(k)＝d(k)-y(k) (2)
上式中，e(k)为麦克风位置的叠加噪声，d(k)为噪声源传递到麦克风位置的噪声，y(k)为消噪扬声器发出的降噪声传到麦克风位置的噪声。
对于非平稳的随机信号，为了更好地跟踪，引入一个指数加权因子对(1)式进行如下修正：
Figure GDA0002916100150000061
上式中，λ为遗忘因子，是个小于1的正数，就是麦克风采集到的数据序列乘以权重，越新的数据权重越大，越老的数据权重越小，因为新数据比老数据更重要。
(3)式推导为
Figure GDA0002916100150000062
上式中x(n)是参考输入，通常是发动机转速信号或振动加速度信号，w(n)是n时刻的滤波器权值。
(4)式就是性能函数，需要让它最小(噪声最小)，它是权值w的函数，将(4)式对w求偏导并整理后得到如下权值调整公式：
w(n+1)＝w(n)-g(n)[d(n)-x(n)*w(n)]＝w(n)-g(n)*e(n)
上式中
w(n+1)：下个时刻的权系数。
w(n)：当前时刻的权系数。
g(n)：权值调整步长函数。
d(n)：麦克风位置初级噪声(噪声源传递到麦克风位置的噪声量)。
x(n)*w(n)：当前时刻的输出(扬声器反相声波)。
e(n)：当前时刻采集的麦克风数值。
上式中：
Figure GDA0002916100150000063
RLS递推算法步骤如下：
1.初始化权值w(0)＝0，C(0)＝δ-1I，δ为一个比较小的正实数(比如0.001)，I为单位阵。
2.采样取得麦克风信号e(n)和参考信号x(n)。
3.计算y＝x(n)*w(n)并输出给扬声器发出反相声波。
4.更新增益矢量μ(n)＝xT(n)C(n-1)x(n)以及
Figure GDA0002916100150000071
5.更新权值w(n+1)＝w(n)-g(n)*e(n)
6、更新逆矩阵C(n)＝λ-1[C(n-1)-g(n)xTC(n-1)]。
所述降噪信号输出系统由娱乐主机、外置功放以及扬声器组成，输出的降噪信号，混音后输出到指定扬声器。
所述CAN总线控制信号模块由两种信号组成，分别为动力系统控制信号与整车控制信号，所述整车控制信号包括油门踏板位置信号、车速信号、刹车信号、车内外温度信号、车门窗开关信号、空调开关信号与空调风扇转速信号，所述动力系统控制信号针对燃油车时的参考信号为：发动机转速信号、节气门开度信号、扭矩信号与档位信号，所述动力系统控制信号针对混合动力车时的参考信号为：发动机转速信号、充电功率信号与动力驱动逻辑信号，所述动力系统控制信号针对增程式新能源车时的参考信号为：发动机转速信号与充电功率信号，所述动力系统控制信号针对新能源车时的参考信号为：电机转速信号、电机扭矩信号与输出功率信号。
所述车内动态声场标定模块与动力系统控制信号模块以及整车控制信号电性连接，所述ANC控制模块与车内信号模块以及路面振动模块间电性连接，所述车内动态声场标定模块与ANC控制模块间通过降噪控制因子电性连接，所述ANC控制模块与娱乐外机以及外置功放通过降噪声波信号连接。
参照图2，x(n)是控制系统参考输入信号，它和车内原始噪声相关性非常强，比如发动机转速信号、路面激励信号(能通过结构直接传递到车内导致噪声)；
W(z)是自适应算法控制调节的权值，通过RLS算法来实时调整；C(z)为系统
辨识出的从降噪扬声器到麦克风处的路径传递函数；
H(z)是扬声器至麦克风的实际的路径传递函数，未知，用C(z)代替；
Y(z)是计算后输出的反相声波信号(同y(n)信号)，用于驱动扬声器降噪；
y(n)为控制后的扬声器输出的反相声波；
y’(n)是降噪扬声器发出的声音传递到麦克风位置的分量；
e(n)是麦克风接收到的总的噪声信号(各种噪声在此位置的叠加)；
E(z)是麦克风采集数据Z变换。
本发明实施步骤如下：
一、引入汽车控制信号：通过汽车CAN总线解析动力系统信号和整车控制信号；
二、引入车内麦克风噪声信号：通过麦克风采集，模拟信号直接通过麦克风音频线接入，数字信号通过汽车A2B总线接入；麦克风布置位置尽量靠近乘员头部以达到最佳降噪效果；
三、引入路面振动传感器信号：振动传感器布置在汽车底盘的关键位置，需要通过实车试验测试数据确定，筛选出对车内噪声相关性最强的点作为布置位置；
四、实车测试，采集整车所有工况下的动态声场特征。
五、参考步骤一信号，同时参考步骤四采集的动态声场特征，通过标定模块实时计算降噪控制因子：遗忘因子、麦克风增益因子、扬声器增益因子以及发动机转速(仅针对有燃油发动机车型)输出给ANC控制器模块；
六、步骤二车内原始噪声信号叠加ANC控制输出信号y’(n),乘以步骤五的麦克风增益因子后输出e(n)到RLS算法模块；
七、路面振动信号叠加变换后的发动机转速信号(仅针对燃油发动机车型)生成参考输入信号x(n)；
八、参考信号x(n)和当前RLS滤波器权值W(z)做卷积得到数值乘以养扬声器增益因子，得到y(n)并输出给扬声器；
九、扬声器的输出经过H(z)传递到麦克风出得到y’(n)，进行步骤六操作；
十、参考信号x(n)和C(z)做卷积得到数值和步骤六得到的e(n)同时输出给RLS算法进行计算处理；
十一、RLS算法动态更新下一时刻的滤波器权值w(n+1)；
十二、下个控制时刻跳转到步骤一重复
步骤八y(n)信号依据汽车是否配置外置功放，采用以下两种方式输出方式：
参照图3，未配置外置功放的车型：采用娱乐主机后模拟信号混音方案，即汽车娱乐主机输出的差分信号经高转低变为单端信号，在ANC控制器模块内部和消声信号混合后，通过ANC控制器模块的功放驱动扬声器系统。
参照图4，已配置外置功放的车型：采用在功放芯片后模拟信号混音方案，车机输出的差分信号和ANC控制器输出的差分信号通过混音电路混合输出到外置功放，由外置功放驱动扬声器系统。
参照图5，数字混音模式，数字音频信号输出后，和ANC模块输出的降噪数字信号进行混音后，输出到DAC芯片中，然后经功放芯片输出到扬声器系统。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种针对汽车动态变化声场的主动降噪系统，其特征在于，包括参考信号输入系统、信号处理系统以及降噪信号输出系统，所述参考信号输入系统由CAN总线控制信号模块、车内噪声信号模块与路面振动信号模块组成，所述信号处理系统由车内动态声场标定模块与ANC控制模块组成，所述降噪信号输出系统由娱乐主机、外置功放以及扬声器组成；
所述CAN总线控制信号模块由两种信号组成，分别为动力系统控制信号与整车控制信号，所述整车控制信号包括油门踏板位置信号、车速信号、刹车信号、车内外温度信号、车门窗开关信号、空调开关信号与空调风扇转速信号；
所述车内动态声场标定模块与动力系统控制信号模块以及整车控制信号电性连接，所述ANC控制模块与车内信号模块以及路面振动模块间电性连接，所述ANC控制模块与娱乐外机或者外置功放电性连接；
所述动力系统控制信号针对燃油车时的参考信号为：发动机转速信号、节气门开度信号、扭矩信号与档位信号；
所述动力系统控制信号针对混合动力车时的参考信号为：发动机转速信号、充电功率信号与动力驱动逻辑信号；
所述动力系统控制信号针对增程式新能源车时的参考信号为：发动机转速信号与充电功率信号；
所述动力系统控制信号针对新能源车时的参考信号为：电机转速信号、电机扭矩信号与输出功率信号；
所述车内动态声场标定模块接收汽车CAN中的动力系统信号和整车控制信号，进行车内声场计算，匹配实车NVH特性，输出主动降噪控制因子：麦克风增益因子、遗忘因子、扬声器增益因子到ANC控制器进行主动降噪算法计算；
基于主动降噪系统实现的主动降噪步骤为：
步骤一、引入汽车控制信号、车内麦克风噪声信号和路面振动传感器信号；
步骤二、实车测试，采集整车所有工况下的动态声场特征；
步骤三、参考步骤一的信号，同时参考步骤二采集的动态声场特征，通过车内动态标定模块实时计算降噪控制因子和发动机转速输出给ANC控制模块；降噪控制因子包括遗忘因子、麦克风增益因子、扬声器增益因子；
步骤四、参考信号x(n)和当前RLS滤波器权值W(z)做卷积得到的数值乘以扬声器增益因子，得到y(n)并输出给扬声器；
步骤五、扬声器的输出经过H(z)传递到麦克风得到y’(n)；
步骤六、车内原始噪声信号叠加ANC控制输出信号y’(n)，乘以步骤五的麦克风增益因子后输出e(n)；
步骤七、参考输入信号x(n)和C(z)做卷积得到的数值和步骤六得到的e(n)应用RLS算法进行计算处理，输出降噪声波信号；
步骤八、RLS算法动态更新下一时刻的滤波器权值w(n+1)；
步骤九、下个控制时刻跳转到步骤一重复执行降噪步骤；
W(z)是自适应算法控制调节的权值，通过RLS算法来实时调整；C(z)为系统辨识出的从降噪扬声器到麦克风处的路径传递函数；H(z)是扬声器至麦克风的实际的路径传递函数；y(n)为控制后的扬声器输出的反相声波；y’(n)是降噪扬声器发出的声音传递到麦克风位置的分量；e(n)是麦克风接收到的总的噪声信号。
2.根据权利要求1所述的一种针对汽车动态变化声场的主动降噪系统，其特征在于，所述车内噪声信号模块通过麦克风采集，支持模拟和数字两种信号输入，模拟信号直接通过麦克风音频线接入，数字信号通过汽车A2B总线接入。
3.根据权利要求1所述的一种针对汽车动态变化声场的主动降噪系统，其特征在于，所述路面振动信号模块通过采集路面特性信号，通过布置在汽车底盘关键位置的振动加速度传感器输出。
4.根据权利要求1所述的一种针对汽车动态变化声场的主动降噪系统，其特征在于，所述ANC控制模块采用RLS算法实时处理计算输出降噪声波信号。
5.根据权利要求1所述的一种针对汽车动态变化声场的主动降噪系统，其特征在于，所述降噪信号输出系统支持模拟和数字两种降噪信号输出，其中模拟信号通过娱乐主机、外置功放混音输出到汽车对应扬声器，数字信号通过A2B音频总线输出到对应扬声器。
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