CN116917982A - 主动噪声消除系统的不稳定性检测和自适应调整 - Google Patents

主动噪声消除系统的不稳定性检测和自适应调整 Download PDF

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Abstract

一种主动噪声消除(ANC)系统设置有：至少一个扬声器，其用于响应于接收到抗噪声信号而将抗噪声声音投射到车辆的乘客舱内；以及至少一个传声器，其用于提供指示乘客舱内的噪声和抗噪声声音的误差信号。自适应滤波器控制器被编程为对误差信号进行滤波以获得降噪比，并基于降噪比与噪声阈值的比较来调整步长大小参数和/或泄漏参数。可控滤波器基于调整后的步长大小参数和/或泄漏参数来产生抗噪声信号。

Description

主动噪声消除系统的不稳定性检测和自适应调整
技术领域
本公开涉及一种主动噪声消除系统，并且更具体地，涉及调整滤波器参数以限制噪声增强和/或系统不稳定性。
背景技术
主动噪声消除(ANC)系统使用前馈结构和/或反馈结构来衰减不期望的噪声，以自适应地去除收听环境内(诸如，车辆车厢内)的不期望的噪声。ANC系统通常通过产生消除声波以相消干涉不想要的可听到的噪声来消除或减少不想要的噪声。当噪声和“抗噪声”(与噪声相比幅度很大程度上相同但相位相反)降低某个位置处的声压级(SPL)时，就会产生相消干涉。在车辆车厢收听环境中，潜在的不期望的噪声源来自发动机、排气系统、车辆轮胎和车辆行驶的道路表面之间的相互作用和/或由车辆的其他部件的振动辐射的声音。因此，不想要的噪声随着车辆的速度、道路状况和操作状态而变化。
道路噪声消除(RNC)系统是在车辆上实施的特定ANC系统，以便最小化车辆车厢内不期望的道路噪声。RNC系统使用振动传感器来感测由轮胎与道路界面产生的道路引起的振动，所述振动导致不想要的可听见的道路噪声。然后，通过使用扬声器产生理想状况下与一个或多个收听者的耳朵处要降低的噪声相位相反且幅度相同的声波，来消除车厢内的这种不想要的道路噪声或降低其水平。消除此类道路噪声为车辆乘客带来更愉悦的乘坐体验，并且使得车辆制造商能够使用轻质材料，从而降低能耗并减少排放。
发动机阶次消除(EOC)系统是实施在车辆上以便使车辆车厢内部的不期望的发动机噪声最小化的特定ANC系统。EOC系统使用非声学传感器(诸如发动机转速传感器)来产生表示以每分钟转数(RPM)为单位的发动机曲轴旋转速度的信号作为参考。此参考信号用于产生与在车辆内部可听到的发动机噪声相位相反的声波。由于EOC系统使用来自RPM传感器的信号，因此它们不需要振动传感器。
RNC系统通常被设计成消除宽带信号，而EOC系统被设计和优化成消除窄带信号，诸如单独的发动机阶次。车辆内的ANC系统可以提供RNC技术和EOC技术两者。此类基于车辆的ANC系统通常是基于噪声输入(例如，来自RNC系统中的振动传感器的加速度输入)和位于车辆车厢内部的各种位置的物理传声器的信号来不断地调适W滤波器的最小均方(LMS)自适应前馈系统。基于LMS的前馈ANC系统和对应算法的特征是系统中每个物理传声器和每个抗噪声扬声器之间的脉冲响应或次级路径的存储。次级路径是抗噪声产生扬声器和物理传声器之间的传递函数，本质上表征电抗噪声信号如何变成从扬声器辐射的声音，行进通过车辆车厢到达物理传声器，并变成传声器输出信号。
远程或虚拟传声器技术是这样一种技术，其中ANC系统基于从一个或多个真实物理传声器接收的误差信号来估计由虚构或虚拟传声器在没有真实物理传声器位于其中的位置处产生的误差信号。这种虚拟传声器技术可以改善收听者耳朵处的噪声消除，即使没有物理传声器实际位于那里。
ANC系统采用建模的传递特性来调适W滤波器，所述传输特性估计各种次级路径。如果存储在ANC系统中的次级路径的建模的传递特性与车辆内的实际次级路径不同，则可能导致噪声消除性能降级、噪声增益或实际不稳定性。当车辆在几何形状、乘客数量、行李装载等方面变得基本上不同于参考车辆或系统时，实际的次级路径可以偏离存储的次级路径模型，所述存储的次级路径模型通常由经训练的工程师在“黄金系统”上测量。其他差异可能包括扬声器或传声器单元之间的差异、老化或故障、传声器或扬声器阻塞、扬声器更换不同或接线错误。
发明内容
在一个实施方案中，一种主动噪声消除(ANC)系统设置有：至少一个扬声器，其用于响应于接收到抗噪声信号而将抗噪声声音投射到车辆的乘客舱内；以及至少一个传声器，其用于提供指示乘客舱内的噪声和抗噪声声音的误差信号。自适应滤波器控制器被编程为对误差信号进行滤波以获得降噪比，并基于降噪比与噪声阈值的比较来调整步长大小参数。可控滤波器基于调整后的步长大小参数来产生抗噪声信号。
在另一个实施方案中，一种主动噪声消除(ANC)系统设置有至少一个扬声器，以响应于接收到抗噪声信号而将抗噪声声音投射在车辆的乘客舱内。控制器被配置为：对指示乘客舱内的噪声和抗噪声声音的误差信号进行滤波以获得降噪比；基于降噪比与噪声阈值的比较来调整步长大小参数和泄漏参数；并且基于调整后的步长大小参数和调整后的泄漏参数来产生抗噪声信号。
在又一个实施方案中，提供了一种用于控制主动噪声消除(ANC)系统中的稳定性的方法。从传声器接收指示乘客舱内的噪声和抗噪声声音的误差信号。对误差信号进行滤波以获得降噪比。基于降噪比与噪声阈值的比较来检测噪声增强的发生。响应于检测到噪声增强而减小步长大小参数。基于减小的步长大小参数来产生要从乘客舱内的扬声器辐射作为抗噪声声音的抗噪声信号。
附图说明
图1是根据一个或多个实施方案的具有包括道路噪声消除(RNC)和虚拟传声器的主动噪声消除(ANC)系统的车辆的示意图。
图2是展示RNC系统的相关部分的样本示意图，所述RNC系统被缩放为包括R个加速度计信号和L个扬声器信号。
图3是包括发动机阶次消除(EOC)系统和RNC系统的ANC系统的样本示意性框图。
图4是表示根据本公开的一个或多个实施方案的包括信号分析控制器的ANC系统的示意性框图。
图5是描绘根据一个或多个实施方案的用于调整ANC系统中的滤波器参数的方法的流程图。
图6是示出由图4的ANC系统根据图5的方法产生的添加的声音所产生的频率响应的曲线图。
图6A是图6的一部分的放大图。
图7是进一步示出图6的频率响应的曲线图。
图8是进一步示出图6的频率响应的曲线图。
图9是表示根据一个或多个实施方案的虚拟传声器ANC系统的示意性框图。
具体实施方式
根据需要，本文公开了本公开的详细实施方案；然而，应当理解，所公开的实施方案仅仅是可以以各种和替代形式实施的本公开的示例。附图不一定按比例绘制；一些特征可能被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文所公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅应解释为代表性基础。
参考图1，示出了根据一个或多个实施方案的并且整体由标号100表示的道路噪声消除(RNC)系统。RNC系统100被描绘为在具有一个或多个振动传感器104的车辆102内。振动传感器104设置在整个车辆102中，以监测车辆悬架、副车架以及其他车桥和底盘部件的振动行为。RNC系统100可以与宽带自适应前馈主动噪声消除(ANC)系统106集成在一起，所述ANC系统通过使用一个或多个物理传声器108来对来自振动传感器104的信号进行自适应滤波来产生抗噪声。ANC系统106评估信号并基于不稳定性检测自适应地调整一个或多个LMS自适应参数，诸如步长大小和泄漏，以限制或消除受影响的频率范围中的噪声增强。抗噪声信号然后可以通过一个或多个扬声器110进行播放以变成声音。S(z)表示单个扬声器110和单个传声器108之间的传递函数。
虽然图1出于简化的目的仅示出了单个振动传感器104、传声器108和扬声器110，但是应当注意，典型的RNC系统使用多个振动传感器104(例如，十个或更多个)、传声器108(例如，四至六个)和扬声器110(例如，四至八个)。根据一个或多个实施方案，ANC系统106还可以包括一个或多个虚拟传声器112、114，所述虚拟传声器用于调适针对车辆102中的乘员而优化的抗噪声信号。
振动传感器104可以包括但不限于加速度计、测力计、地震检波器、线性可变差动变压器、应变计和测压元件。例如，加速度计是其输出信号振幅与加速度成比例的装置。各种加速度计可用于RNC系统中。这些加速度计包括在一个、两个和三个典型地正交的方向上对振动敏感的加速度计。这些多轴加速度计通常具有用于在其X方向、Y方向和Z方向上感测到的振动的单独电输出(或信道)。因此，单轴和多轴加速度计可以用作振动传感器104以检测加速度的幅度和相位，并且还可以用于感测取向、运动和振动。
源自在道路表面118上移动的车轮116的噪声和振动可以由机械地联接到车辆102的悬架装置119或底盘部件的振动传感器104中的一个或多个进行感测。振动传感器104可以输出噪声信号X(n)，所述噪声信号是表示检测到的道路引起的振动的振动信号。应注意，多个振动传感器是可行的，并且它们的信号可以单独地使用，或可以进行组合。在某些实施方案中，可以使用传声器代替振动传感器来输出指示由车轮116与道路表面118的相互作用产生的噪声的噪声信号X(n)。噪声信号X(n)可以由次级路径滤波器120利用建模的传递特性进行滤波，所述建模的传递特性估计次级路径(即，抗噪声扬声器110和物理传声器108之间的传递函数)。
源自车轮116和道路表面118的相互作用的道路噪声也被机械地和/或声学地传递到乘客舱中，并且由车辆102内的一个或多个传声器108接收。一个或多个传声器108可以例如定位在车辆102的车顶内衬中或者定位在某个其他合适的位置，以感测由车辆102内部的乘员(诸如坐在后排座椅125上的乘员)听到的声学噪声场。根据表示初级路径的传递特性P(z)(即，实际噪声源与物理传声器之间的传递函数)，将源自道路表面118与车轮116的相互作用的道路噪声传递到传声器108。
传声器108可以输出误差信号e(n)，所述误差信号表示如由传声器108检测的存在于车辆102的车厢中的声音，包括噪声和抗噪声。在RNC系统100中，可控滤波器126的自适应传递特性W(z)可以由自适应滤波器控制器128控制，所述自适应滤波器控制器可以根据已知的最小均方(LMS)算法基于误差信号e(n)和噪声信号X(n)来操作，所述噪声信号由次级路径滤波器120利用建模的传递特性来滤波。可控滤波器126通常被称为W滤波器。抗噪声信号Y(n)可以由一个或多个可控滤波器126和振动信号或振动信号X(n)的组合产生。抗噪声信号Y(n)在理想情况下具有的波形是使得当通过扬声器110播放时，在乘员的耳朵和传声器108附近产生抗噪声，所述抗噪声与车辆车厢的乘员可听见的道路噪声基本上相位相反且幅度相同。来自扬声器110的抗噪声可以在传声器108附近与车辆车厢中的道路噪声组合，从而使得此位置处的道路噪声引起的声压级(SPL)降低。在某些实施方案中，RNC系统100可以从乘客舱中的其他声学传感器(诸如声能传感器、声强传感器或声粒子速度或加速度传感器)接收传感器信号以产生误差信号e(n)。
图1所描绘的简化RNC系统示意图示出了扬声器110与传声器108之间的由S(z)表示的一个次级路径。如前所述，RNC系统通常具有多个扬声器、传声器和振动传感器。因此，具有六个扬声器、六个传声器的RNC系统将总共具有三十六个次级路径(即，6×6)。对应地，具有六个扬声器、六个传声器的RNC系统可以同样具有估计针对每个次级路径的传递函数的三十六个滤波器(即，次级路径滤波器120)。如图1所示，RNC系统还将在来自振动传感器(即，加速度计)104的每个噪声信号X(n)与每个扬声器110之间具有一个W(z)滤波器(即，可控滤波器126)。因此，具有十二个加速度计信号、六个扬声器的RNC系统可以具有七十二个W(z)滤波器。加速度计信号、扬声器和W(z)滤波器的数量之间的关系在图2中示出。
图2是展示被缩放为包括来自加速度计204的R个加速度计信号[X1(n)、X2(n)、……XR(n)]和来自扬声器210的L个扬声器信号[Y1(n)、Y2(n)、……YL(n)]的RNC系统200的相关部分的样本示意图。因此，RNC系统200可以包括位于加速度计信号中的每一个与扬声器中的每一个之间的R×L个可控滤波器(或W滤波器)226。作为示例，具有十二个加速度计输出(即，R＝12)的RNC系统可以采用六个双轴加速度计或四个三轴加速度计。因此，在同一示例中，具有用于再现抗噪声的六个扬声器(即，L＝6)的车辆总共可以使用七十二个W滤波器。在L个扬声器的每个扬声器处，R个W滤波器输出被求和以产生扬声器的抗噪声信号Y(n)。L个扬声器中的每个扬声器可以包括放大器(未示出)。在一个或多个实施方案中，对由R个W滤波器进行滤波的R个加速度计信号求和以产生电抗噪声信号y(n)，所述电抗噪声信号被馈送到放大器以产生经放大的抗噪声信号Y(n)，所述经放大的抗噪声信号被发送到扬声器。
图1所示的ANC系统106还可以包括发动机阶次消除(EOC)系统。如上文所提及，EOC技术使用非声学信号(诸如表示发动机曲轴旋转速度的发动机转速信号)作为参考，以便产生与在车辆内部可听到的发动机噪声相位相反的声音。EOC系统可以利用窄带前馈ANC框架来使用发动机转速信号产生抗噪声，以引导产生与要消除的发动机阶次频率相同的发动机阶次信号，并对其进行自适应滤波以产生抗噪声信号。在经由次级路径从抗噪声源传输到收听位置或物理传声器之后，抗噪声在理想状况下与在由初级路径进行滤波之后由发动机和排气管产生的组合声音振幅相同但相位相反，所述初级路径从发动机延伸到收听位置并且从排气管出口延伸到收听位置或物理或虚拟传声器位置。因此，在物理传声器在车辆车厢中所处的位置处(即，最可能位于或靠近收听位置处)，发动机阶次噪声和抗噪声的叠加将在理想状况下变为零，使得由物理传声器接收的声学误差信号将仅记录除了由发动机和排气口产生的一个或多个发动机阶次(理想状况下被消除)之外的声音。
通常，使用非声学传感器(例如发动机转速传感器)作为参考。发动机转速传感器可为例如邻近旋转钢盘放置的霍尔效应传感器。可采用其他检测原理，诸如光学传感器或感应传感器。来自发动机转速传感器的信号可以用作用于产生对应于发动机阶次中的每一个的任意数量的参考发动机阶次信号的引导信号。参考发动机阶次形成噪声消除信号的基础，所述噪声消除信号由形成EOC系统的一个或多个窄带自适应前馈LMS块产生。
图3是示出包括RNC系统300和EOC系统340两者的ANC系统306的示例的示意性框图。类似于RNC系统100，RNC系统300可以包括振动传感器304、物理传声器308、w滤波器326、自适应滤波器控制器328、次级路径滤波器320和扬声器310，它们分别与上面讨论的振动传感器104、物理传声器108、w滤波器126、自适应滤波器控制器128、次级路径滤波器120和扬声器110的操作一致。
EOC系统340可以包括可以提供发动机转速信号344(例如，方波信号)的发动机转速传感器342，所述发动机转速信号指示发动机曲轴或其他旋转轴(诸如驱动轴、半轴或其旋转速率与耦合到车辆部件的导致乘客车厢内产生噪声的振动一致的其他轴)的旋转。在一些实施方案中，发动机转速信号344可以从车辆网络总线(未示出)获得。由于辐射的发动机阶次与曲轴RPM成正比，因此发动机转速信号344表示由发动机和排气系统产生的频率。因此，来自发动机转速传感器342的信号可以用于产生对应于车辆的每个发动机阶次的参考发动机阶次信号。因此，发动机转速信号344可以与发动机转速(RPM)对发动机阶次频率的查找表346结合使用，所述查找表提供在每个发动机转速下辐射的发动机阶次的列表。频率发生器348可以将发动机转速(RPM)作为输入，并且基于该查找表346为每个阶次产生正弦波。
可以将如从查找表346中检索到的在感测到的发动机转速(RPM)下的给定发动机阶次的频率供应给频率发生器348，从而在给定频率下产生正弦波。此正弦波表示指示给定发动机阶次的发动机阶次噪声的噪声信号X(n)。类似于RNC系统300，来自频率发生器348的此噪声信号X(n)可以被发送到自适应可控滤波器326或W滤波器，所述自适应可控滤波器或W滤波器向扬声器310提供对应的抗噪声信号Y(n)。如图所示，此窄带EOC系统340的各种部件可以与宽带RNC系统300相同，包括物理传声器308、自适应滤波器控制器328和次级路径滤波器320。由扬声器310广播的抗噪声信号Y(n)在收听者耳朵的位置(其可以非常接近物理传声器308)处产生与实际发动机阶次噪声基本上异相但幅度相同的抗噪声，从而降低发动机阶次的声音振幅。由于发动机阶次噪声是窄带的，因此误差信号e(n)可以在传递到基于LMS的自适应滤波器控制器328之前由带通滤波器350滤波。在实施方案中，当使用相同的带通滤波器参数对由频率发生器348输出的噪声信号X(n)进行带通滤波时，实现了LMS自适应滤波器控制器328的正确操作。
为了同时减小多个发动机阶次的振幅，EOC系统340可以包括多个频率发生器348，以用于基于发动机转速(RPM)信号344为每个发动机阶次产生噪声信号X(n)。作为示例，图3示出了具有两个此类频率发生器的两阶EOC系统，所述频率发生器用于基于发动机转速为每个发动机阶次产生唯一噪声信号(例如，X1(n)、X2(n)等)。因为两个发动机阶次的频率有所不同，所以带通滤波器350(标记为BPF和BPF2)具有不同的高通和低通滤波器拐角频率。频率发生器和对应的噪声消除部件的数量将基于对于车辆的特定发动机要消除的发动机阶次的数量而变化。当二阶EOC系统340与RNC系统300组合以形成ANC系统306时，从三个可控滤波器326输出的抗噪声信号Y(n)被求和并发送到扬声器310作为扬声器信号S(n)。类似地，来自物理传声器308的误差信号e(n)可以被发送到三个LMS自适应滤波器控制器328。
如果存储在ANC系统中的表示次级路径的估计值的建模的传递特性与系统的实际次级路径不匹配，则可能导致噪声消除性能降级、噪声增益或实际不稳定性。如前所述，次级路径是抗噪声产生扬声器与物理传声器之间的传递函数。因此，它本质上表征了电抗噪声信号Y(n)如何变成从扬声器辐射的声音，行进通过车厢到达物理传声器，并变成ANC系统中的传声器输出或误差信号e(n)的一部分。当车辆在几何形状、乘客数量、行李装载等方面变得基本上不同于参考车辆或系统时，实际的次级路径S(z)可以偏离存储的次级路径模型/>所述存储的次级路径模型通常由经训练的工程师在“黄金系统”上测量。
图4是基于车辆的ANC系统406的示意性框图，示出了许多关键ANC系统参数，所述参数可以用于响应于检测到一个或多个误差传声器信号的不稳定性或增强来调适或调整w滤波器参数(诸如步长大小和/或泄漏)，以限制或消除受影响的频率范围内的噪声增强。为了便于说明，图4所示的ANC系统406被示出为具有RNC系统400和EOC系统440的部件和特征。因此，ANC系统406是RNC和/或EOC系统的示意性表示，诸如结合图1-图3描述的那些，其特征在于ANC系统406的附加系统部件包括集成到误差传声器信号路径中的附加信号处理块460。类似的部件可以使用类似的惯例来编号。
例如，类似于ANC系统106，ANC系统406可以包括加速度计或振动传感器404、物理传声器408、w滤波器426、自适应滤波器控制器428、次级路径滤波器420和扬声器410，它们分别与上面讨论的振动传感器104、物理传声器108、w滤波器126、自适应滤波器控制器128、次级路径滤波器120和扬声器110的操作一致。出于说明目的，图4还以块的形式示出了初级路径P(z)、次级路径S(z)、用于将信号转换到频域的快速傅立叶变换(FFT)块以及用于将信号转换到时域的逆FFT(IFFT)块。
ANC系统406在信号处理块460中估计频域中的降噪比NRR(f)。ANC系统406通过估计的次级路径对抗噪声信号y(n)进行滤波(其中n是样本数)，以产生估计的抗噪声信号/>如等式1所示：
ANC系统406使用FFT将估计的抗噪声信号转换到频域以提供/>然后，ANC系统406在块462处将/>与误差信号E(f)组合以提供每个传声器处的估计噪声/>如等式2所示：
然后，在块464处，ANC系统406通过从每个传声器处的估计噪声减去估计的误差信号E(f)来计算降噪比NRR(f)，如等式3所示：
在块466处，ANC系统406评估降噪比NRR(f)以确定系统是否正在增强噪声水平而不是降低噪声水平。ANC系统406可以通过将NRR(f)与噪声阈值进行比较来检测噪声增强或不稳定性。在块468处，ANC系统406基于不稳定性检测来自适应地调整一个或多个自适应滤波器控制器参数，诸如步长大小和泄漏。自适应地调整自适应滤波器控制器参数有三种不同的模式：1)正常模式，其中参数保持不变；2)攻击模式，其中降低参数以维持系统稳定性；以及3)释放模式，其中增加参数以维持系统性能。然后，自适应滤波器控制器428基于调整后的w滤波器参数来控制w滤波器426调适。
图5是描绘根据本公开的一个或多个实施方案的用于基于ANC系统不稳定性来调整自适应滤波器控制器参数的方法500的流程图。所公开的方法的各个步骤可以由自适应滤波器控制器428单独执行，或者与ANC系统406的其他部件组合执行。
在步骤502处，ANC系统406将频率相关降噪比NRR(f)与频率相关噪声阈值进行比较，以确定系统是否在任何频率下增强噪声。在一个或多个实施方案中，噪声阈值等于1，并且小于1的NRR(f)值指示噪声水平的不期望的增加，这是噪声增强。如果ANC系统406确定NRR(f)小于或等于噪声阈值(其指示在某个频率处或在某个频率范围内噪声增强)，则ANC系统406进行到步骤504并且根据攻击模式自适应地调整自动调谐步长大小参数μ自动(f)和/或自动调谐泄漏参数γ自动(f)。这些参数μ自动(f)和γ自动(f)是算法自动调整以减少一个或多个频率下的噪声增强的参数。然后在步骤506处，自适应滤波器控制器428基于攻击模式调整的w滤波器自适应参数μ自动(f)和γ自动(f)来控制w滤波器426，所述自适应参数被分配回μ(f)和γ(f)以供自适应滤波器控制器428使用。在实施方案中，NRR(f)在所有频率下具有相同的值。
如果ANC系统406在步骤502处确定频率相关降噪比NRR(f)大于预定的频率相关噪声阈值，这指示不存在噪声增强，则其进行到步骤508并将自动调谐步长大小参数μ自动(f)与最小步长大小参数μ最小进行比较，和/或将自动调谐泄漏参数γ自动(f)与最小泄漏参数γ最小进行比较。最小步长大小参数μ最小和最小泄漏参数γ最小定义自动调谐步长大小参数μ自动(f)和自动调谐泄漏参数的最小值γ自动(f)。
如果μ自动(f)小于μ最小(f)，或者如果γ自动(f)小于γ最小(f)，ANC系统406进行到步骤510并且根据释放模式自适应地调整步长大小参数和/或泄漏参数。然后在步骤506处，自适应滤波器控制器428基于释放模式调整的自适应参数γ自动(f)和μ自动(f)来控制w滤波器426，所述自适应参数被分配回γ(f)和μ(f)以供自适应滤波器控制器428使用来更新w滤波器426。在实施方案中，噪声阈值在每个频率下具有相同的值。在实施方案中，μ最小(f)等于系统存储器中存储的μ(f)的预定原始值；并且在ANC系统406通电时使用。在实施方案中，γ最小(f)等于系统存储器中存储的μ(f)的预定原始值；并且在ANC系统406通电时使用。
如果ANC系统406在步骤508处确定自动调谐步长大小参数μ自动(f)或自动泄漏参数γ自动(f)大于或等于对应的最小步长大小参数μ最小(f)或最小泄漏参数γ最小(f)，则ANC系统406进行到步骤512并且根据正常模式自适应地调整步长大小参数和/或泄漏参数。即，μ自动(f)再次被设置为μ(f)，并且γ自动(f)被设置为γ(f)。然后在步骤506处，自适应滤波器控制器428基于正常模式调整的w滤波器参数来控制w滤波器426。
在一个或多个实施方案中，ANC系统406在不同频率或模式下自适应地调整步长大小参数μ(f)和泄漏参数γ(f)。例如，在一个实施方案中，ANC系统406在高于500Hz的频率下自适应地调整步长大小参数μ(f)，并且在低于500Hz的频率下自适应地调整泄漏参数γ(f)。在另一实施方案中，ANC系统406在攻击模式下自适应地调整步长大小参数μ(f)，并且在释放模式下自适应地调整泄漏参数γ(f)。
在一个实施方案中，ANC系统406通过自适应地调整步长大小参数μ(f)而不是泄漏参数γ(f)来执行方法500。自适应滤波器控制器408根据等式(4)基于频率值下的W滤波器参数(W(f,n))、泄漏参数(γ(f))、滤波后的参考加速度计信号(Fx(f,n))、估计的误差信号(E(f,n))和更新的步长大小参数μ(f)来计算更新的W滤波器参数(W(f,n+1))，所述更新的步长大小参数是基于自动调谐步长大小参数：
W(f,n+1)＝W(f,n)*γ(f)+μ(f)*Fx(f,n)*E(f,n) (4)
在此步长大小参数调整实施方案中，ANC系统406在步骤504(攻击模式)处根据等式5基于当前步长大小(μ(f))和自动步长大小调谐因子(δμ)来计算新的自动调谐步长大小参数(μ自动(f))。在实施方案中，δμ的预定值是0.99。
μ自动(f)＝μ(f)*δμ (5)
在步骤510(释放模式)处，在此步长大小参数调整实施方案中，ANC系统406根据等式6基于步长大小(μ(f))和自动步长大小调谐因子(δμ)来计算自动调谐步长大小参数(μ自动(f))：
μ自动(f)＝μ(f)/δμ (6)
在步骤512(正常模式)处，在此步长大小参数调整实施方案中，ANC系统406根据等式7基于先前的步长大小参数(μ(f))来计算自动调谐步长大小参数(μ自动(f))：
μ自动(f)＝μ(f) (7)
在另一个实施方案中，ANC系统406通过自适应地调整泄漏参数γ(f)而不是步长大小参数μ(f)来执行方法500。ANC系统406根据等式(8)基于频率值下的W滤波器参数(W(f,n))、步长大小参数(μ(f))、滤波后的参考加速度计信号(Fx(f,n))、估计的误差信号(E(f,n))和更新的调谐泄漏参数γ(f)来计算更新的W滤波器参数(W(f,n+1))，所述更新的调谐泄漏参数是基于自动调谐泄漏参数：
W(f,n+1)＝W(f,n)*γ(f)+μ(f)*Fx(f,n)*E(f,n) (8)
在此泄漏参数调整实施方案中，ANC系统406在步骤504(攻击模式)处根据等式9基于泄漏参数(γ(f))和自动泄漏调谐因子(δγ)来计算自动调谐泄漏参数(γ自动(f,n))。在实施方案中，δγ的预定值为0.99。在另一实施方案中，等式8的W(f,n)*γ(f)部分可以替换为W(f,n)*(1-μ(f))γ(f)，在该情况下，δγ是1.01，并且步骤508中的逻辑比较也用大于(>)替换小于(<)。
γ自动(f)＝γ(f)*δγ (9)
在步骤510(释放模式)处，在此泄漏参数调整实施方案中，ANC系统406根据等式10基于泄漏参数(γ(f))和自动泄漏调谐因子(δγ)来计算自动调谐泄漏参数(γ自动(f))：
γ自动(f)＝γ(f)/δγ (10)
在步骤512(正常模式)处，在此泄漏参数调整实施方案中，ANC系统406根据等式11基于先前的泄漏参数(γ(f))来计算自动调谐泄漏参数(γ自动(f))：
γ自动(f)＝γ(f) (11)
在另一实施方案中，ANC系统406通过自适应地调整步长大小参数μ(f)和泄漏参数γ(f)来执行方法500。ANC系统406根据等式12基于频率值下的W滤波器参数(W(f,n))、基于自动调谐泄漏参数更新的泄漏γ(f)、基于自动调谐步长大小参数更新的步长大小μ(f)、滤波后的参考加速度计信号(Fx(f,n))和估计的误差信号(E(f,n))来计算更新的W滤波器参数(W(f,n+1))：
W(f,n+1)＝W(f,n)*γ(f)+μ(f)*Fx(f,n)*E(f,n) (12)
在此步长大小参数和泄漏参数调整实施方案中，在步骤504(攻击模式)处，ANC系统406根据等式5基于步长大小参数(μ(f))和自动步长大小调谐因子(δμ)来计算自动调谐步长大小参数(μ自动(f))。ANC系统406还根据等式9基于泄漏参数(γ(f))和自动泄漏调谐因子(δγ)来计算自动调谐泄漏参数(γ自动(f))。
在步骤510(释放模式)处，在此步长大小参数和泄漏参数调整实施方案中，ANC系统406根据等式6基于步长大小参数(μ(f))和自动步长大小调谐因子(δμ)来计算自动调谐步长大小参数(μ自动(f))。ANC系统406还根据等式10基于步长大小参数(γ(f))和自动泄漏调谐因子(δγ)来计算自动调谐泄漏参数(γ自动(f))。
在步骤512(正常模式)处，在此步长大小参数和泄漏参数调整实施方案中，ANC系统406根据等式7基于步长大小参数(μ(f))来计算自动调谐步长大小参数(μ自动(f))。ANC系统406还根据等式11基于泄漏参数(γ(f))来计算自动调谐泄漏参数(γ自动(f))。
在实施方案中，δγ和/或δμ是存储在查找表中的预定值。在另一实施方案中，δγ和/或δμ是由存储在查找表中的标称值以预定方式按NRR(f)值缩放确定的值。在另一实施方案中，首先对δμ进行缩放，并且一旦所述值达到预定噪声阈值，则以预定方式从一缩放δγ的值。在实施方案中，δγ和/或δμ是频率相关的。缩放这两个变量的其他方法也是可行的。其他实施方案包括图5的方法500的简化版本，其仅包括攻击模式，或者包括攻击模式与释放模式和正常模式中的一者。
图6-图8是示出与不调整步长大小参数和/或泄漏参数的现有ANC系统相比，当ANC系统406调整步长大小参数和/或泄漏参数时方法500的影响的曲线图。
图6是包括五条曲线602、604、606、608、610的曲线图600，其示出了在车辆内在物理传声器408的位置处测量的以分贝(dB)为单位的声压级的频率响应。图6A是曲线图600在480-560Hz之间的一部分的放大图。曲线图600包括第一曲线602，所述第一曲线示出了当ANC系统406关闭时测量的声音。第二曲线604示出了使用不调整步长大小参数也不调整泄漏参数的现有ANC系统(未示出)在车辆中测量的声音。第三曲线606示出了当ANC系统406激活并且调整步长大小参数但不调整泄漏参数时测量的声音。第四曲线608示出了当ANC系统406激活并且调整泄漏参数但不调整步长大小参数时测量的声音。第五曲线610示出了当ANC系统406激活并且调整步长大小参数和泄漏参数时测量的声音。在曲线606、608和610中，通过采用自动调整自适应参数的ANC系统(诸如406)，曲线604中所示的噪声增强被显著降低，或转变为噪声消除。
图7是包括三条曲线704、706和710的曲线图700，其示出了在车辆内在物理传声器408的位置处的以分贝(dB)为单位的声压级的频率响应。第一曲线704示出了现有ANC系统(未示出)的恒定(未调整)步长大小参数。第二曲线706示出了根据方法500的步长大小参数的自动调整。第三曲线710示出了根据方法500的步长大小参数和泄漏参数的自动调整。
图8是包括三条曲线804、808、810的曲线图800，其示出了在车辆内在物理传声器408的位置处的声压级的频率响应。第一曲线804示出了现有ANC系统(未示出)的恒定(未调整)泄漏参数。第二曲线808示出了根据方法500的泄漏参数的自动调整。第三曲线810示出了根据方法500的步长大小参数和泄漏参数的自动调整。
参考图6-图6A，第三曲线606、第四曲线608和第五曲线610示出了ANC系统406如何在攻击模式、释放模式和正常模式之间切换以限制噪声增强。ANC开启曲线606、608、610与ANC关闭曲线602之间的差异指示每种方法的性能，其中小的差异指示较高的性能。第三曲线606(步长大小参数调整)和第五曲线610(步长大小参数和泄漏参数调整)在所示实施方案中重叠，这指示两种方法在所示频率范围内具有相似的性能。第二曲线604示出了现有ANC系统的性能，示出了在480-540Hz处的噪声增强。
攻击模式被示出为在520-530Hz之间，其中三条ANC开启曲线606、608、610都大于ANC关闭曲线602。ANC系统406减小攻击模式下的步长大小参数和泄漏参数以维持稳定性并限制噪声增强。第四曲线608(泄漏参数调整)与第一曲线602(ANC关闭)之间的差异大于第三曲线606(步长大小参数调整)与第一曲线602(ANC关闭)之间的差异，这指示在攻击模式下，在此示例中步长大小参数调整比泄漏参数调整表现更好。
释放模式被示出为在480-500Hz之间，其中三条ANC开启曲线606、608、610都小于ANC关闭曲线602。在释放模式下ANC系统406增大步长大小参数和泄漏参数以维持系统性能。第四曲线608(泄漏参数调整)与第一曲线602(ANC关闭)之间的差异小于第三曲线606(步长大小参数调整)与第一曲线602(ANC关闭)之间的差异，这指示在释放模式下，泄漏参数调整比步长大小参数调整表现更好。这是释放模式，因为在攻击模式下使用降低的步长大小或泄漏，或同时使用降低的步长大小和泄漏两者，减少或消除噪声增强，从而实现噪声消除。这意指NRR的值现在大于噪声阈值，并且因此步长大小和/或泄漏值两者都向上递增。
正常模式被示出为在400-460Hz之间，其中三条ANC开启曲线606、608、610都大致等于ANC关闭曲线602。ANC系统406维持δγ和/或δμ为一，以将步长大小参数和泄漏参数返回到它们在正常模式下的标称值，以维持系统性能。
参考图7，攻击模式被示出为在520-530Hz之间，其中步长大小参数减小并且步长大小曲线706上升，如标号712所示，以维持稳定性并限制噪声增强。释放模式被示出为在480-500Hz之间，其中步长大小参数增大并且步长大小曲线706下降，如标号714所示，以维持系统性能。正常模式被示出为在400-460Hz之间，其中步长大小参数不改变，步长大小曲线706大致是平坦的，如标号716所示。
参考图8，攻击模式被示出为在520-530Hz之间，其中泄漏参数减小并且泄漏曲线808上升，如标号812所示，以维持稳定性并限制噪声增强。释放模式被示出为在480-500Hz之间，其中泄漏参数增大并且泄漏曲线808下降，如标号814所示，以维持系统性能。正常模式被示出为在400-460Hz之间，其中步长大小参数不改变，泄漏曲线808大致是平坦的，如标号816所示。
图9是基于车辆的虚拟传声器(VM)ANC系统906的示意性框图，其示出了自适应滤波器块428，所述自适应滤波器块包含可以用于调整w滤波器参数的许多关键ANC系统参数，诸如步长大小和/或泄漏，以优化ANC系统性能。为了便于说明，图9所示的VM ANC系统906被示出为具有RNC系统900和EOC系统940的部件和特征。因此，VM ANC系统906为RNC和/或EOC系统(诸如结合图1-图4描述的系统)的示意性表示，其特征在于VM ANC系统906的附加系统部件，包括虚拟传声器912和虚拟传声器信号处理块970。类似的部件可以使用类似的惯例来编号。
例如，类似于ANC系统406，VM ANC系统906可以包括振动传感器904、物理传声器908、w滤波器926、自适应滤波器控制器928、次级路径滤波器920、扬声器910以及不稳定性检测和自适应调整信号处理块960，它们分别与上面讨论的振动传感器404、物理传声器408、w滤波器426、自适应滤波器控制器428、次级路径滤波器420、扬声器410和附加信号处理块460的操作一致。出于说明的目的，图9还以块的形式示出了初级路径P(z)和次级路径S(z)，如关于图4所描述的。在EOC系统940的情况下，振动传感器904被RPM传感器342、查找表346和频率发生器348替代，如上面参考图3所描述的。
虚拟传声器912表示位于虚拟传声器位置处的传声器，其将类似地感测虚拟传声器的虚拟位置处的所有声音，诸如除要消除的干扰信号dv(n)之外的抗噪声信号的估计，所述干扰信号包括道路噪声、发动机噪声和排气噪声，加上来自扬声器910的抗噪声，以及外来声音。虚拟传声器位置处的压力从物理传声器位置处的压力估计，以形成估计的误差信号
在块948处，VM ANC系统906估计要在物理传声器位置处消除的干扰噪声VMANC系统906从物理误差信号ep(n)中减去物理传声器位置处的抗噪声的估计值/>以估计物理传声器位置处的干扰噪声/>在块950处，VM ANC系统906然后通过将物理传声器位置处的估计的干扰噪声/>与物理和虚拟传声器位置之间的传递函数/>950进行卷积，来估计要在虚拟传声器位置处消除的干扰噪声/>在块954处，VM ANC系统906通过从要在虚拟传声器位置处消除的估计的干扰噪声/>减去抗噪声在此位置处的估计值来估计将出现在虚拟传声器处的虚拟传声器误差信号/>
尽管参考车辆描述了ANC系统，但是本文所述的技术可适用于非车辆应用。例如，房间可以具有固定的座位，所述座位限定收听位置，在收听位置使用参考传感器、误差传感器、扬声器和LMS自适应系统来使干扰声音静音。需注意，要消除的干扰噪声可能属于不同类型，诸如HVAC噪声或来自相邻房间或空间的噪声。此外，房间可能有其位置随时间变化的乘员，并且随后必须依赖本文描述的座椅传感器或头部追踪技术来确定一个或多个收听者的位置，以便可以选择虚拟传声器的3维位置。
尽管图1、图3、图4和图9分别示出了基于LMS的自适应滤波器控制器128、328、428和928，但用于调适或创建最优的可控W滤波器126、326、426和926的其他方法和装置是可行的。例如，在一个或多个实施方案中，可以采用神经网络代替LMS自适应滤波器控制器来创建和优化W滤波器。在其他实施方案中，可以使用机器学习或人工智能代替LMS自适应滤波器控制器来创建最佳W滤波器。
本文所述的任何一个或多个控制器或装置包括可以从使用各种编程语言和/或技术创建的计算机程序编译或解释的计算机可执行指令。通常，处理器(诸如微处理器)例如从存储器、计算机可读介质等接收指令，并且执行这些指令。处理单元包括能够执行软件程序的指令的非暂时性计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以是但不限于电子存储装置、磁存储装置、光存储装置、电磁存储装置、半导体存储装置或它们的任何合适的组合。
例如，在任何方法或过程权利要求中叙述的步骤可以以任何顺序执行，并且不限于权利要求中呈现的具体顺序。等式可以用滤波器来实施，以最小化信号噪声的影响。另外，任何设备权利要求中列述的部件和/或元件可以被组装或以其他方式操作性配置成各种排列并且因此并不仅限于权利要求书中所列述的特定配置。
此外，功能上等同的处理步骤可以在时域或频域中进行。因此，虽然在图中没有明确说明每个信号处理块，但是信号处理可以发生在时域、频域或它们的组合中。此外，虽然以数字信号处理的典型术语解释了各种处理步骤，但是在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用模拟信号处理来执行等同的步骤。
上面已经就特定的实施方案描述了益处、优点和问题的解决方案。然而，任何益处、优点、问题的解决方案或可能导致任何特定益处、优点或解决方案发生或变得更显著的任何要素不应被解释为任何或所有权利要求的关键的、所需的或基本的特征或部件。
术语“包括”、“具有”、“包含”或其任何变体旨在指代非排他性的包括，使得包括一系列要素的过程、方法、制品、组合物或设备不仅包括所叙述的那些要素，还可以包括未明确列出的或此类过程、方法、制品、组合物或设备固有的其他要素。除了没有特定叙述的那些之外，在本发明主题的实践中使用的上述结构、布置、应用、比例、要素、材料或部件的其他组合和/或修改也可以在不脱离其一般原理的情况下被改变或以其他方式特别适应特定环境、制造规格、设计参数或其他操作要求。
尽管上面描述了示例性实施方案，但这些实施方案并不意图描述本公开的所有可能形式。相反，说明书中使用的词语是描述性词语而不是限制性词语，并且应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以进行各种改变。另外，各种实施实施方案的特征可以被组合以形成另外的实施方案。

Claims (20)

1.一种主动噪声消除(ANC)系统，其包括：
至少一个扬声器，所述至少一个扬声器用于响应于接收到抗噪声信号而将抗噪声声音投射到车辆的乘客舱内；
至少一个传声器，所述至少一个传声器用于提供指示所述乘客舱内的噪声和所述抗噪声声音的误差信号；
自适应滤波器控制器，所述自适应滤波器控制器被编程为：
对所述误差信号进行滤波以获得降噪比，并且
基于所述降噪比与噪声阈值的比较来调整步长大小参数；以及可控滤波器，所述可控滤波器基于调整后的步长大小参数来产生所述抗噪声信号。
2.如权利要求1所述的ANC系统，其中所述自适应滤波器控制器还被编程为：
基于所述降噪比与所述噪声阈值的所述比较来检测噪声增强的发生；并且
响应于检测到噪声增强而减小所述步长大小参数。
3.如权利要求1所述的ANC系统，其中所述自适应滤波器控制器还被编程为响应于所述降噪比小于或等于所述噪声阈值而减小所述步长大小参数。
4.如权利要求1所述的ANC系统，其中所述自适应滤波器控制器还被编程为响应于所述降噪比大于所述噪声阈值并且自动调谐步长大小参数小于最小步长大小参数而增大所述步长大小参数。
5.如权利要求1所述的ANC系统，其中所述自适应滤波器控制器还被编程为响应于所述降噪比大于所述噪声阈值并且自动调谐步长大小参数大于最小步长大小参数而维持所述步长大小参数。
6.如权利要求1所述的ANC系统，其中所述自适应滤波器控制器还被编程为：
使用传递函数对所述误差信号进行滤波以获得估计的虚拟传声器误差信号；并且
对所述估计的虚拟传声器误差信号进行滤波以获得所述降噪比。
7.如权利要求1所述的ANC系统，其中所述自适应滤波器控制器还被编程为基于所述降噪比与所述噪声阈值的所述比较来调整所述步长大小参数和泄漏参数。
8.如权利要求7所述的ANC系统，其中所述自适应滤波器控制器还被编程为响应于所述降噪比小于或等于所述噪声阈值而减小所述步长大小参数和所述泄漏参数。
9.如权利要求7所述的ANC系统，其中所述自适应滤波器控制器还被编程为：
响应于所述降噪比大于所述噪声阈值并且自动调谐步长大小参数小于最小步长大小参数而增大所述步长大小参数；并且
响应于所述降噪比大于所述噪声阈值并且自动调谐泄漏参数小于最小泄漏参数而增大所述泄漏参数。
10.如权利要求7所述的ANC系统，其中所述自适应滤波器控制器还被编程为：
响应于所述降噪比大于所述噪声阈值并且自动调谐步长大小参数大于最小步长大小参数而维持所述步长大小参数；并且
响应于所述降噪比大于所述噪声阈值并且自动调谐泄漏参数大于最小泄漏参数而维持所述泄漏参数。
11.如权利要求7所述的ANC系统，其中所述自适应滤波器控制器还被编程为：
将所述误差信号的频率与频率阈值进行比较；
响应于所述误差信号的所述频率大于所述频率阈值，而调整所述步长大小参数；并且
响应于所述误差信号的所述频率小于所述频率阈值，而调整所述泄漏参数。
12.一种主动噪声消除(ANC)系统，其包括：
至少一个扬声器，所述至少一个扬声器用于响应于接收到抗噪声信号而将抗噪声声音投射到车辆的乘客舱内；以及
控制器，所述控制器被配置为：
对指示所述乘客舱内的噪声和所述抗噪声声音的误差信号进行滤波以获得降噪比；
基于所述降噪比与噪声阈值的比较来调整步长大小参数和泄漏参数，并且
基于调整后的步长大小参数和调整后的泄漏参数来产生所述抗噪声信号。
13.如权利要求12所述的ANC系统，其中所述控制器还被配置为：
基于所述降噪比与所述噪声阈值的所述比较来检测噪声增强的发生；并且
响应于检测到噪声增强而减小所述步长大小参数和所述泄漏参数中的至少一者。
14.如权利要求13所述的ANC系统，其中所述控制器还被配置为响应于所述降噪比小于或等于所述噪声阈值而检测噪声增强的所述发生。
15.如权利要求12所述的ANC系统，其中所述控制器还被配置为：
基于所述降噪比与所述噪声阈值的所述比较来检测没有噪声增强发生；
响应于检测到没有噪声增强以及自动调谐步长大小参数小于最小步长大小参数而增大所述步长大小参数；并且
响应于检测到没有噪声增强以及自动调谐泄漏参数小于最小泄漏参数而增大所述泄漏参数。
16.如权利要求15所述的ANC系统，其中所述控制器还被配置为响应于所述降噪比大于所述噪声阈值而检测到没有噪声增强发生。
17.一种用于控制主动噪声消除(ANC)系统中的稳定性的方法，所述方法包括：
从传声器接收指示乘客舱内的噪声和抗噪声声音的误差信号；
对所述误差信号进行滤波以获得降噪比；
基于所述降噪比与噪声阈值的比较来检测噪声增强的发生；
响应于检测到噪声增强而减小步长大小参数；以及
基于所述减小的步长大小参数来产生要从所述乘客舱内的扬声器辐射作为所述抗噪声声音的抗噪声信号。
18.如权利要求17所述的方法，其还包括响应于所述降噪比小于或等于所述噪声阈值而检测到噪声增强的所述发生。
19.如权利要求17所述的方法，其还包括：
基于所述降噪比与所述噪声阈值的所述比较来检测没有噪声增强发生；
响应于检测到没有噪声增强而增大所述步长大小参数；以及
基于增大的步长大小参数来产生所述抗噪声信号。
20.如权利要求19所述的方法，其还包括响应于所述降噪比大于所述噪声阈值而检测到没有噪声增强发生。
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