CN113112981A - 一种路噪主动控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种路噪主动控制方法，用于在汽车的乘员舱内实现路噪主动消除，路噪主动控制方法为：在汽车内的实测点采集实测点声信号，在汽车内获取参考信号，获取汽车内设置的扬声器的激励信号，将实测点声信号和扬声器的激励信号送入虚拟多点映射估计环节而获得虚拟点声信号，其中，扬声器的激励信号由参考信号和虚拟点声信号送入时频双线程自适应滤波环节而获得。本发明通过时频双线程的自适应滤波的方式降低了算法的算力消耗，保证了算法能够在成本较低的芯片上有效搭载；通过虚拟多点映射估计的方式解决了路噪控制中传声器与乘客的干涉问题，保证了算法能够产业化实施。

Description

一种路噪主动控制方法
技术领域
本发明属于噪声的主动控制领域，特别涉及一种能够在汽车乘员舱内实现路噪主动消除的控制方法。
背景技术
在轻量化和电动化的大趋势下，各大主机厂对路噪的治理皆“少策难为”，在均衡成本、重量、性能和开发周期之后，主被动结合的路噪开发逐步成为主流的解决方案。
主动噪声控制技术(Active Noise Control，简称：ANC)最先在1933年由德国物理学家Paul提出，之后受现代控制理论和电子技术水平的限制陷入了发展的空白期。1980年代之后，大规模集成电路和数字信号处理技术的飞速发展使得实现主动噪声控制得到了空前的发展。
在算法研究方面，ANC的目标函数有多种，包括离散采样声压平方和、声场声能量密度。与之对应的迭代算法也有多种，包括牛顿迭代法、最速下降法。广泛使用FxLMS(Filtered-x Least Mean Square)算法通过对参考信号滤波的方式引入次级通道的影响，以误差点声压的最小均方误差为目标函数，并采用最速下降法进行迭代求解。为了获得更快的收敛速度和更低的运算消耗，有学者在频域实现主动噪声控制算法，取得了很好的算法效果。
在技术应用方面，南安普顿大学的Elliott等最早将ANC应用于车内发动机噪声控制，日本日产公司最早将ANC系统应用于量产车上，当前多款车型都搭载了发动机噪声的ANC系统，包括讴歌、英菲尼迪、林肯和凯迪拉克的全系车型。韩国科学技术院、英国南安普顿大学、日本本田公司等都尝试引入ANC进行路噪的主动控制，取得了一定的进展。目前尚无量产车型搭载路噪ANC系统。
为了解决传声器和听音者的位置干涉问题，虚拟传感技术被融合在了主动噪声控制之中。常用的虚拟传声器算法有虚拟传声器布置法、远程传声器法、前向差分预测法、自适应LMS虚拟传声器法、卡尔曼滤波虚拟传感法和随机优纯音扩散声场法。在保证控制效果的前提下，这些方法都一定程度地解决了位置干涉问题。
经过多年的发展，在ANC领域已有丰硕的研究成果，而汽车路噪的主动控制又给ANC提出了新的挑战。一方面，四个车轮和不规则路面的相互作用产生路噪，这种多相干声源和不确定随机激励对算法的鲁棒性要求更加严苛，也给虚拟传感的映射方法提出了更高的要求；另一方面，产业化的应用场景要求ANC系统极度简洁和ANC算法的十分高效，这对算法的效率设计和系统的优化提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够降低算力消耗、保证控制效果的路噪主动控制方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种路噪主动控制方法，用于在汽车的乘员舱内实现路噪主动消除，所述路噪主动控制方法为：在所述汽车内的实测点采集实测点声信号ep(n)，在所述汽车内获取参考信号x(n)，获取所述汽车内设置的扬声器的激励信号y(n)，将所述实测点声信号ep(n)和所述扬声器的激励信号y(n)送入虚拟多点映射估计环节而获得虚拟点声信号
Figure BDA00029947271600000217
其中，所述扬声器的激励信号y(n)由所述参考信号x(n)和所述虚拟点声信号
Figure BDA0002994727160000022
送入时频双线程自适应滤波环节而获得。
所述实测点声信号ep(n)包括所述汽车内设置的扬声器发出的次级控制声信号y′p(n)和初级噪声信号dp(n)。
所述参考信号x(n)为所述汽车的悬架系统上采集的振动信号、所述汽车的悬架系统上的应变信号、所述汽车车身侧的振动信号或所述汽车车身侧的应变信号。
利用所述时频双线程自适应滤波环节获得所述扬声器的激励信号y(n)的方法为：将所述参考信号x(n)分为两路，一路所述参考信号x(n)与当前时刻的时域自适应滤波器w(n)进行卷积滤波得到所述扬声器的激励信号y(n)，另一路所述参考信号x(n)通过N点延迟得到参考延迟信号
Figure BDA00029947271600000216
所述参考延迟信号
Figure BDA0002994727160000024
通过快速傅里叶变换转换到频域而得到频域参考信号X(n)，所述频域参考信号X(n)通过次级通道到所述汽车内的虚拟点的传递函数
Figure BDA0002994727160000025
获得滤波后信号
Figure BDA00029947271600000215
所述虚拟点声信号
Figure BDA0002994727160000027
通过快速傅里叶变换转换到频域而得到频域误差信号
Figure BDA00029947271600000214
所述滤波后信号
Figure BDA0002994727160000029
和所述频域误差信号
Figure BDA00029947271600000210
共同送入复数最小二乘算法环节得到下一时刻的频域自适应滤波器W(n+1)，所述下一时刻的频域自适应滤波器W(n+1)通过快速傅里叶逆变换得到下一时刻的时域自适应滤波器w(n+1)，在下一时刻则利用所述下一时刻的时域自适应滤波器w(n+1)更新当前时刻的时域自适应滤波器w(n)后进行下一时刻的时频双线程自适应滤波。
所述次级通道到所述汽车内的虚拟点的传递函数
Figure BDA00029947271600000211
为所述扬声器的激励信号y(n)到所述虚拟点声信号
Figure BDA00029947271600000212
之间的传递函数。
通过H1方法估计所述次级通道到所述汽车内的虚拟点的传递函数
Figure BDA00029947271600000213
利用所述虚拟多点映射估计环节获得所述虚拟点声信号
Figure BDA0002994727160000031
的方法为：将所述扬声器的激励信号y(n)分为两路，一路所述扬声器的激励信号y(n)与次级通道到所述汽车内的实测点的单位脉冲响应函数
Figure BDA0002994727160000032
做卷积而得到实测点的次级控制声估计信号
Figure BDA00029947271600000326
另一路所述扬声器的激励信号y(n)与次级通道到所述汽车内的虚拟点的单位脉冲响应函数
Figure BDA0002994727160000034
做卷积而得到虚拟点的次级控制声估计信号
Figure BDA00029947271600000324
所述虚拟点的次级控制声估计信号
Figure BDA0002994727160000036
通过N点延迟得到次级控制声估计延迟信号
Figure BDA00029947271600000325
所述实测点声信号ep(n)减去所述实测点的次级控制声估计信号
Figure BDA0002994727160000038
而得到实测点的初级噪声估计信号
Figure BDA00029947271600000323
所述实测点的初级噪声估计信号
Figure BDA00029947271600000310
通过N点延迟得到实测点的初级噪声估计延迟信号
Figure BDA00029947271600000322
所述实测点的初级噪声估计延迟信号
Figure BDA00029947271600000312
通过多点映射滤波器h得到虚拟点的初级噪声估计信号
Figure BDA00029947271600000321
所述虚拟点的次级控制声估计信号
Figure BDA00029947271600000314
与所述虚拟点的初级噪声估计信号
Figure BDA00029947271600000315
相加得到所述虚拟点声信号
Figure BDA00029947271600000320
所述次级通道到所述汽车内的实测点的单位脉冲响应函数
Figure BDA00029947271600000319
所述次级通道到所述汽车内的虚拟点的单位脉冲响应函数
Figure BDA00029947271600000318
通过最小二乘法估计。
所述多点映射滤波器h通过下式求取：
h＝iFFT[Sup(Spp+βI)-1]
其中，iFFT[·]表示快速傅里叶逆变换，(·)-1表示矩阵求逆，Sup为虚拟点初级噪声和实测点初级噪声之间的互功率谱密度，Spp为实测点初级噪声的自功率谱密度，I为单位矩阵，β为正则化参数。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明通过时频双线程的自适应滤波的方式降低了算法的算力消耗，保证了算法能够在成本较低的芯片上有效搭载；通过虚拟多点映射估计的方式解决了路噪控制中传声器与乘客的干涉问题，保证了算法能够产业化实施。
附图说明
附图1为本发明的路噪主动控制方法的控制框图。
附图2为本发明的路噪主动控制方法中时频双线程自适应滤波流程图。
附图3为本发明的路噪主动控制方法中虚拟多点映射估计流程图。
附图4为实施本发明的路噪主动控制方法的路噪主动控制系统示意图。
附图5为本发明的路噪主动控制方法的路噪控制效果图。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：立足于产业化需求，以更低的运算消耗为目标，提出了一种结合虚拟多点映射的路噪主动控制方法，来解决传声器和听音者的位置干涉问题。
一种用于在汽车的乘员舱内实现路噪主动消除的路噪主动控制方法如附图1所示，在图1中，1为用于控制的扬声器，2为用于采集声信号的传声器，传声器2所在位置即为汽车内的实测点。汽车内还具有若干虚拟点，虚拟点的位置分布于乘客双耳附近。
该路噪主动控制方法为：通过传声器2在汽车内的实测点采集实测点声信号ep(n)，在汽车内获取参考信号x(n)，获取汽车内设置的扬声器1的激励信号y(n)。将实测点声信号ep(n)和扬声器1的激励信号y(n)送入虚拟多点映射估计环节而获得虚拟点声信号
Figure BDA00029947271600000416
其中，扬声器1的激励信号y(n)由参考信号x(n)和虚拟点声信号
Figure BDA0002994727160000042
送入时频双线程自适应滤波环节而获得。实测点声信号ep(n)包括汽车内设置的扬声器1发出的次级控制声信号y′p(n)和初级噪声信号dp(n)。参考信号x(n)包括但不限于汽车的悬架系统上采集的振动信号、汽车的悬架系统上的应变信号、汽车车身侧的振动信号或汽车车身侧的应变信号。
接下来分别对时频双线程自适应滤波和虚拟多点映射估计两个环节进行详细介绍。
1、时频双线程自适应滤波环节
如附图2所示，利用时频双线程自适应滤波环节获得扬声器的激励信号y(n)的方法为：将参考信号x(n)分为两路，一路参考信号x(n)与当前时刻的时域自适应滤波器w(n)进行卷积滤波得到扬声器的激励信号y(n)，另一路参考信号x(n)通过N点延迟得到参考延迟信号
Figure BDA00029947271600000415
参考延迟信号
Figure BDA0002994727160000044
通过快速傅里叶变换转换到频域而得到频域参考信号X(n)，频域参考信号X(n)通过次级通道到汽车内的虚拟点的传递函数
Figure BDA0002994727160000045
获得滤波后信号
Figure BDA00029947271600000414
虚拟点声信号
Figure BDA0002994727160000047
通过快速傅里叶变换(FFT)转换到频域而得到频域误差信号
Figure BDA00029947271600000413
滤波后信号
Figure BDA0002994727160000049
和频域误差信号
Figure BDA00029947271600000410
共同送入复数最小二乘算法环节(CLMS)得到下一时刻的频域自适应滤波器W(n+1)，下一时刻的频域自适应滤波器W(n+1)通过快速傅里叶逆变换(iFFT)得到下一时刻的时域自适应滤波器w(n+1)，在下一时刻则利用下一时刻的时域自适应滤波器w(n+1)更新当前时刻的时域自适应滤波器w(n)后进行下一时刻的时频双线程自适应滤波。
在复数最小二乘算法环节中，频域参考信号
Figure BDA00029947271600000411
和频域误差信号
Figure BDA00029947271600000412
共同确定梯度方向，而频域自适应滤波器再沿着负梯度方向进行更新而获得下一时刻的频域自适应滤波器W(n+1)，进而得到下一时刻的时域自适应滤波器w(n+1)。则下一时刻时，利用当前时刻的时域自适应滤波器w(n+1)对上一时刻时域自适应滤波器w(n)的进行更新，在让当前时刻的参考信号x(n+1)和虚拟点声信号
Figure BDA0002994727160000051
送以上循环，如此往复。
其中，次级通道到汽车内的虚拟点的传递函数
Figure BDA0002994727160000052
为扬声器的激励信号y(n)到虚拟点声信号
Figure BDA0002994727160000053
之间的传递函数，可以通过传统的H1方法估计次级通道到汽车内的虚拟点的传递函数
Figure BDA00029947271600000523
2、虚拟多点映射估计环节
如附图3所示，利用虚拟多点映射估计环节获得虚拟点声信号
Figure BDA0002994727160000055
的方法为：将扬声器的激励信号y(n)分为两路，一路扬声器的激励信号y(n)与次级通道到汽车内的实测点的单位脉冲响应函数
Figure BDA0002994727160000056
做卷积而得到实测点的次级控制声估计信号
Figure BDA00029947271600000524
另一路扬声器的激励信号y(n)与次级通道到汽车内的虚拟点的单位脉冲响应函数
Figure BDA0002994727160000058
做卷积而得到虚拟点的次级控制声估计信号
Figure BDA00029947271600000525
虚拟点的次级控制声估计信号
Figure BDA00029947271600000510
通过N点延迟得到次级控制声估计延迟信号
Figure BDA00029947271600000526
实测点声信号ep(n)减去实测点的次级控制声估计信号
Figure BDA00029947271600000512
而得到实测点的初级噪声估计信号
Figure BDA00029947271600000527
实测点的初级噪声估计信号
Figure BDA00029947271600000514
通过N点延迟得到实测点的初级噪声估计延迟信号
Figure BDA00029947271600000528
实测点的初级噪声估计延迟信号
Figure BDA00029947271600000516
通过多点映射滤波器h得到虚拟点的初级噪声估计信号
Figure BDA00029947271600000529
虚拟点的次级控制声估计信号
Figure BDA00029947271600000518
与虚拟点的初级噪声估计信号
Figure BDA00029947271600000519
相加得到虚拟点声信号
Figure BDA00029947271600000530
其中，次级通道到汽车内的实测点的单位脉冲响应函数
Figure BDA00029947271600000531
次级通道到汽车内的虚拟点的单位脉冲响应函数
Figure BDA00029947271600000522
通过最小二乘法估计。
多点映射滤波器h通过下式求取：
h＝iFFT[Sup(Spp+βI)-1] (1)
式(1)中，iFFT[·]表示快速傅里叶逆变换，(·)-1表示矩阵求逆，Sup为虚拟点初级噪声和实测点初级噪声之间的互功率谱密度，Spp为实测点初级噪声的自功率谱密度，I为单位矩阵，β为正则化参数。
实施本发明方法所采用的路噪主动控制系统和所获得的控制效果分别如附图4、5所示。
路噪主动控制系统包括六个扬声器1、四个传声器2和控制器7，控制器7采用ADSP21565，其与各个扬声器1之间通过铜导线5连接、与各个传声器2之间通过A2B总线6连接，串联在A2B总线上的还有四个加速度传感器4，加速度传感器4用于为控制器提供所需的参考信号。需要注意的是，四个传声器2位于顶棚靠近B柱或C柱处，四个虚拟点3的位置分布于乘客双耳附近。本发明的方法目的是降低虚拟点3位置处路噪的声压级。
在本实施例中，车辆在普通粗糙道路上以40公里/小时匀速行驶，本发明的方法开启和关闭时一个虚拟点处的路噪对比如图5所示，虚线为控制方法关闭时虚拟点处路噪的自功率谱，实线为控制方法开启时虚拟点处路噪的自功率谱。由图可见，本方法介入后路噪的声压级降低了5dB(A)，说明本发明所给出的方法有效。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种路噪主动控制方法，用于在汽车的乘员舱内实现路噪主动消除，其特征在于：所述路噪主动控制方法为：在所述汽车内的实测点采集实测点声信号ep(n)，在所述汽车内获取参考信号x(n)，获取所述汽车内设置的扬声器的激励信号y(n)，将所述实测点声信号ep(n)和所述扬声器的激励信号y(n)送入虚拟多点映射估计环节而获得虚拟点声信号
Figure FDA0002994727150000011
其中，所述扬声器的激励信号y(n)由所述参考信号x(n)和所述虚拟点声信号
Figure FDA0002994727150000012
送入时频双线程自适应滤波环节而获得。
2.根据权利要求1所述的一种路噪主动控制方法，其特征在于：所述实测点声信号ep(n)包括所述汽车内设置的扬声器发出的次级控制声信号y′p(n)和初级噪声信号dp(n)。
3.根据权利要求1所述的一种路噪主动控制方法，其特征在于：所述参考信号x(n)为所述汽车的悬架系统上采集的振动信号、所述汽车的悬架系统上的应变信号、所述汽车车身侧的振动信号或所述汽车车身侧的应变信号。
4.根据权利要求1所述的一种路噪主动控制方法，其特征在于：利用所述时频双线程自适应滤波环节获得所述扬声器的激励信号y(n)的方法为：将所述参考信号x(n)分为两路，一路所述参考信号x(n)与当前时刻的时域自适应滤波器w(n)进行卷积滤波得到所述扬声器的激励信号y(n)，另一路所述参考信号x(n)通过N点延迟得到参考延迟信号
Figure FDA0002994727150000013
所述参考延迟信号
Figure FDA0002994727150000014
通过快速傅里叶变换转换到频域而得到频域参考信号X(n)，所述频域参考信号X(n)通过次级通道到所述汽车内的虚拟点的传递函数
Figure FDA0002994727150000015
获得滤波后信号
Figure FDA0002994727150000016
所述虚拟点声信号
Figure FDA0002994727150000017
通过快速傅里叶变换转换到频域而得到频域误差信号
Figure FDA0002994727150000018
所述滤波后信号
Figure FDA0002994727150000019
和所述频域误差信号
Figure FDA00029947271500000110
共同送入复数最小二乘算法环节得到下一时刻的频域自适应滤波器W(n+1)，所述下一时刻的频域自适应滤波器W(n+1)通过快速傅里叶逆变换得到下一时刻的时域自适应滤波器w(n+1)，在下一时刻则利用所述下一时刻的时域自适应滤波器w(n+1)更新当前时刻的时域自适应滤波器w(n)后进行下一时刻的时频双线程自适应滤波。
5.根据权利要求4所述的一种路噪主动控制方法，其特征在于：所述次级通道到所述汽车内的虚拟点的传递函数
Figure FDA00029947271500000111
为所述扬声器的激励信号y(n)到所述虚拟点声信号
Figure FDA00029947271500000112
之间的传递函数。
6.根据权利要求5所述的一种路噪主动控制方法，其特征在于：通过H1方法估计所述次级通道到所述汽车内的虚拟点的传递函数
Figure FDA00029947271500000113
7.根据权利要求1所述的一种路噪主动控制方法，其特征在于：利用所述虚拟多点映射估计环节获得所述虚拟点声信号
Figure FDA0002994727150000021
的方法为：将所述扬声器的激励信号y(n)分为两路，一路所述扬声器的激励信号y(n)与次级通道到所述汽车内的实测点的单位脉冲响应函数
Figure FDA0002994727150000022
做卷积而得到实测点的次级控制声估计信号
Figure FDA0002994727150000023
另一路所述扬声器的激励信号y(n)与次级通道到所述汽车内的虚拟点的单位脉冲响应函数
Figure FDA0002994727150000024
做卷积而得到虚拟点的次级控制声估计信号
Figure FDA0002994727150000025
所述虚拟点的次级控制声估计信号
Figure FDA0002994727150000026
通过N点延迟得到次级控制声估计延迟信号
Figure FDA0002994727150000027
所述实测点声信号ep(n)减去所述实测点的次级控制声估计信号
Figure FDA0002994727150000028
而得到实测点的初级噪声估计信号
Figure FDA0002994727150000029
所述实测点的初级噪声估计信号
Figure FDA00029947271500000210
通过N点延迟得到实测点的初级噪声估计延迟信号
Figure FDA00029947271500000211
所述实测点的初级噪声估计延迟信号
Figure FDA00029947271500000212
通过多点映射滤波器h得到虚拟点的初级噪声估计信号
Figure FDA00029947271500000213
所述虚拟点的次级控制声估计信号
Figure FDA00029947271500000214
与所述虚拟点的初级噪声估计信号
Figure FDA00029947271500000215
相加得到所述虚拟点声信号
Figure FDA00029947271500000216
8.根据权利要求7所述的一种路噪主动控制方法，其特征在于：所述次级通道到所述汽车内的实测点的单位脉冲响应函数
Figure FDA00029947271500000217
所述次级通道到所述汽车内的虚拟点的单位脉冲响应函数
Figure FDA00029947271500000218
通过最小二乘法估计。
9.根据权利要求7所述的一种路噪主动控制方法，其特征在于：所述多点映射滤波器h通过下式求取：
h＝iFFT[Sup(Spp+βI)-1]
其中，iFFT[·]表示快速傅里叶逆变换，(·)-1表示矩阵求逆，Svp为虚拟点初级噪声和实测点初级噪声之间的互功率谱密度，Spp为实测点初级噪声的自功率谱密度，I为单位矩阵，β为正则化参数。
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