一种多通道独立阶数滤波器的汽车车厢噪声主动控制方法

1.本发明涉及了一种噪声主动控制系统和方法，尤其是涉及了一种多通道独立最优阶数滤波器的汽车车厢噪声主动控制系统和方法。

背景技术：

2.随着汽车工业的不断发展，汽车的振动噪声舒适性越来越受到消费者的关注。汽车车厢内的噪声主要由发动机噪声、路面激励噪声以及风激励噪声组成。以往的车内噪声控制方法主要以被动控制为主，主要包括优化发动机悬置减小发动机噪声，增大车声板件结构阻尼以及在车厢内部布置吸声材料等。近年来随着汽车电气化智能化的发展以及各汽车厂商对汽车经济性和轻量化要求的不断提高，主动控制得到了极大的发展和应用，噪声主动控制越来越受到重视。
3.噪声主动控制技术利用次级声源发出与主级噪声同幅值反相位的声波实现降噪。目前针对道路噪声的车内噪声主动控制技术得到快速发展，主动道路噪声控制系统通过布置在车轮或者悬架杆件处的振动加速度传感器采集参考信号，使用前馈控制滤波器进行滤波控制驱动头枕或者车门扬声器发声实现降噪。
4.汽车车厢内是一个典型的混响场，在低频道路噪声的激励下存在大量难以控制的混响分量，因此针对道路噪声主动控制应重点关注参考点处激励引起的直达声与前期反射声。现有的汽车车厢噪声主动控制方法没有考虑不同参考点的激励特性，每个控制滤波器均为相同阶数，未能实现对不同参考信号的最优控制，控制滤波器的阶数对系统收敛速度以及降噪效果有很大影响，针对不同参考点处的激励特性确定最优滤波器阶数能有效提高系统收敛速度以及降噪效果。

技术实现要素：

5.本发明的目的是针对汽车车厢内的混响特性而设计的针对不同参考通道采用不同阶数控制滤波器的噪声主动控制方法和系统，根据各参考点至目标点麦克风ntf(noise transfer function噪声传递函数)测试结果确定各控制滤波器的最优阶数，排除混响对主动控制系统的干扰，提高系统收敛速度，增加系统降噪量。
6.本发明针对不同参考通道确定了不同滤波器阶数，构建了多通道独立阶数控制滤波器，设计了针对道路噪声的多通道独立阶数滤波器主动控制方法及系统，包括算法设计以及硬件系统布置。
7.本发明的技术方案包括：
8.本发明提供了一种基于参考通道特性的多通道独立阶数滤波器汽车车厢噪声主动控制方法，其包括以下步骤：
9.s1：ntf测试
10.s11：在汽车振动参考点处布置振动加速度传感器，在座椅头枕处布置麦克风，使用力锤激励汽车振动参考点，采集力锤力信号、振动参考点处振动信号以及座椅头枕处声
压信号，计算脉冲响应函数；
11.s12：根据ntf测试计算得到的脉冲响应函数，确定参考点处振动激励引起的直达声与车厢内混响声持续时刻，从而确定振动参考点k对应的滤波器阶数ik，使自适应前馈控制器内对应的fir滤波器仅对前ik个时刻的参考信号滤波计算，使之仅对直达声进行控制；其中，下标k取1，2，3..，k，其中k为振动加速度传感器的数量；
12.s2：车厢噪声主动控制
13.s21：采用步骤s11中的传感器布置方式，在汽车车轮轮毂及悬架杆件处布置k个振动加速度传感器，采集振动加速度信号，获得参考信号x(n)；
14.s22：在车内座椅头枕处布置麦克风，获取误差麦克风信号e(n)；
15.s23：所有参考信号x(n)经次级通路传递函数滤波后堆叠长度ik，生成滤波后的参考信号矩阵r(n)，自适应前馈控制器w(n)根据r(n)和误差麦克风信号e(n)自适应更新w(n)的系数，自适应前馈控制器内第k个滤波器的阶数为ik；
16.s24：每个参考信号xk(n)堆叠前i
k-1个时刻值得到ik个参考信号值，与对应阶数为ik的自适应前馈控制滤波器w(n)进行卷积计算，所有参考信号计算结果相加生成次级扬声器控制信号u(n)，驱动次级扬声器发出信号，与头枕处初级噪声d(n)进行抵消。
17.作为本发明的优选方案，所述的步骤s12中，通过计算脉冲响应函数峭度值确定参考点振动激励引起的直达声持续时刻，确定其对应的采样点数ik，从而确定各滤波器阶数为ik，使之仅对ik个时刻的参考信号进行滤波计算。
18.作为本发明的优选方案，s23中所述的所有参考信号x(n)经次级通路传递函数滤波，具体为：对k个振动参考信号x1(n)，x2(n)...xk(n)堆叠长度j，用于计算经次级通路传递函数g滤波后的参考信号r(n)，其中j为次级通路传递函数阶数。
19.作为本发明的优选方案，s23中所述的生成滤波后的参考信号矩阵r(n)，具体为：根据各振动参考点对应的滤波器阶数ik，分别将滤波后的参考信号r(n)堆叠长度ik生成滤波后的参考信号矩阵r(n)，结合误差麦克风信号e(n)更新对应的独立阶数滤波器w(n)系数，第k个参考信号对应的滤波器w(n)阶数为ik。
20.作为本发明的优选方案，s24中所述的生成次级扬声器控制信号u(n)，具体为：根据各振动参考点对应的滤波器阶数ik，将k个振动参考信号x1(n)，x2(n)...xk(n)分别堆叠长度ik，然后分别经其对应的长度为ik的最优阶数fir控制滤波器滤波后相加得到第m个次级扬声器的控制信号um(n)：
[0021][0022]
其中，w
mki
为第k个参考信号对应的第i阶滤波器系数，xk(n-i)为第k个参考信号的第前i个时刻值。
[0023]
作为本发明的优选方案，s24中，生成基于道路噪声控制产生的次级扬声器控制信号矩阵u(n)，表示为：
[0024]
其中m为噪声主动控制系统所使用次级扬声器的个数；
[0025]
次级扬声器控制信号经传播后在误差麦克风处得到次级信号y(n)，从而与主级噪
声d(n)进行抵消，实现噪声主动控制；
[0026][0027]
其中，e
l
(n)为第l个误差麦克风处的误差麦克风信号，d
l
(n)为第l个误差麦克风处的初级噪声信号，y
l
(n)为第l个误差麦克风处的次级信号；g
lmj
为第m个次级扬声器到第l个误差麦克风的传递函数第j阶系数。
[0028]
本发明针对汽车车厢内的混响特性，结合振动参考点到座椅麦克风处的ntf测试结果确定各参考点的最优滤波器阶数，基于fxlms算法搭建噪声主动控制系统，能有效实现汽车车内道路噪声主动控制。
[0029]
本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
[0030]
利用多通道独立阶数滤波器噪声主动控制算法对汽车车内道路噪声进行控制，针对不同参考信号通道确定最优滤波器阶数，排除了车内混响特性对控制效果的干扰，提高了控制系统的收敛速度，优化了整个控制系统的降噪性能。
附图说明
[0031]
图1为本发明的ntf测试系统示意图。
[0032]
图2为本发明的多通道独立阶数滤波器的汽车车厢噪声主动控制系统示意图。
[0033]
图3为本发明的多通道独立阶数滤波器的汽车车厢噪声主动控制方法示意图。
[0034]
图4为实施案例中应用本发明后的噪声主动控制系统降噪收敛速度示意图。
[0035]
图5为实施案例中应用本发明后的噪声主动控制系统降噪性能示意图。
[0036]
图中标识为：1力锤，2a、2b、2c、2d均为布置在四个车轮轮毂内侧的三轴式振动加速度传感器，3a、3b、3c、3d、3e均为布置在五个座椅头枕处的误差传声器，4功放，5a、5b、5c、5d为四个全频车门扬声器，5e为置于汽车后部的一个低频扬声器。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0038]
本实施例提供了一种多通道独立阶数滤波器的汽车车厢噪声主动控制方法，包括下列步骤：
[0039]
步骤s1 ntf测试：
[0040]
如图1所示，在汽车振动参考点处(本实施例选择车轮轮毂处及悬架杆件处)布置振动加速度传感器，在车内座椅头枕处布置麦克风；使用力锤依次敲击各振动参考点，振动加速度传感器和麦克风分别拾取振动响应信号以及声压信号，采集力锤力信号、振动响应信号以及声压信号，根据测试数据计算各振动参考点至各麦克风处的脉冲响应函数，根据脉冲响应函数确定直达声传播时长，从而确定各振动参考点的最优滤波器阶数ik。
[0041]
在本实施例中，通过计算脉冲响应函数峭度值确定参考点振动激励引起的直达声持续时刻，确定其对应的采样点数ik，从而确定各滤波器阶数为ik，使之仅对ik个时刻的参考信号进行滤波计算。
[0042]
步骤s2车厢噪声主动控制：
[0043]
车厢噪声主动控制在硬件上采用噪声主动控制系统进行，噪声主动控制系统包括信号采集模块、信号前处理模块、自适应控制模块、信号后处理模块以及次级声源模块。
[0044]
可选的，所述信号采集模块由振动加速度传感器、麦克风组成。通过布置在车轮轮毂以及悬架杆件处的振动加速度传感器采集实时振动加速度信号，通过布置在座椅头枕处的麦克风采集乘员耳旁的误差麦克风信号(控制后的实时残余噪声信号)。
[0045]
可选的，所述信号前处理模块由a/d转换器、降采样模块组成。a/d转换器用于将信号采集模块采集到的振动加速度信号和误差麦克风信号转换为数字信号；降采样模块用于对转换得到的数字信号进行降采样到2000hz后输入至自适应控制模块。
[0046]
可选的，所述自适应控制模块由dsp控制器组成。自适应控制模块根据输入的经滤波的参考信号矩阵r(n)和误差麦克风信号e(n)更新控制滤波器系数w(n)，并根据参考信号x(n)生成次级扬声器控制信号u(n)后将其输入信号后处理模块。
[0047]
可选的，所述信号后处理模块由升采样模块、d/a转换器组成。其中升采样模块对自适应控制模块输入的次级扬声器控制信号升采样至44k hz，然后经d/a转换器将数字信号转换为模拟信号。
[0048]
可选的，所述次级声源模块由车门扬声器和功放组成。次级扬声器控制信号经信号后处理模块输入至功放，经功放放大后驱动车门扬声器发声，与误差麦克风处噪声抵消，实现降噪。
[0049]
s2具体包括如下步骤：
[0050]
s21：如图2所示，在车轮轮毂及悬架杆件等参考点处布置振动加速度传感器，采集振动加速度信号；在座椅头枕处布置麦克风采集误差麦克风信号。根据采集的车轮轮毂及悬架杆件处多个振动加速度信号，生成参考信号矩阵，x(n)＝[x1(n)，x2(n)...xk(n)]
t
；
[0051]
步骤s22：根据采集的经控制后的误差麦克风信号，生成误差信号矩阵e(n)＝[e1(n)，e2(n)...e
l
(n)]
t
，其中l为误差麦克风个数；
[0052]
步骤s23：如图3所示，将k个振动参考信号x1(n)，x2(n)...xk(n)堆叠长度j，经次级通道传递函数g滤波后得到参考信号r(n)；根据各振动参考点对应的自适应滤波器独立最优阶数ik，分别将滤波后的参考信号r(n)堆叠长度ik生成滤波后的参考信号矩阵r(n)，结合误差麦克风信号e(n)更新对应的独立阶数滤波器w(n)系数，第k个参考信号对应的滤波器w(n)阶数为ik。
[0053]
所述的步骤s23中，道路参考信号矩阵r(n)可以表示为：
[0054]
r(n)＝[r1(n)，r2(n)...r
l
(n)...r
l
(n)]
t
，
[0055]
其中r
l
(n)＝[r
l1
(n)，r
l2
(n)...r
lm
(n)...r
lm
(n)]
t
，式中r
lm
(n)可以表示为：
[0056][0057]rlmk
(n)由第k个振动加速度信号经第m个次级传声器到第l个误差麦克风之间传递函数的估计值滤波得到：
[0058]
[0059]
其中j为设定的传递函数阶数。
[0060]
所述的步骤s23中，为m个次级扬声器和l个误差麦克风之间估计的传递函数矩阵。
[0061]
所述的步骤s23中，基于道路噪声控制产生的次级扬声器控制信号矩阵u(n)，可以表示为，
[0062][0063]
其中um(n)＝[um(n)，um(n-1)...um(n-j+1)]
t
[0064]
所述的步骤s23中，误差麦克风信号e(n)，可以表示为：
[0065][0066]
所述的步骤s23中，初始时刻时，次级扬声器控制信号矩阵u(n)为零矩阵。
[0067]
步骤s23中，将生成的经滤波的道路参考信号矩阵r(n)和误差麦克风信号e(n)输入自适应控制滤波器中，利用fxlms算法更新宽带滤波器w(n)的系数。
[0068]
所述的步骤s5中，控制滤波器w(n)的系数的更新可以表示为：
[0069]
w(n+1)＝w(n)+ar
t
(n)e(n)，w(n)∈c
mki
×1[0070]
其中a为滤波器收敛因子，通过调试的方法得到。
[0071]
步骤s24：将k个振动参考信号x1(n)，x2(n)...xk(n)分别堆叠长度ik，然后分别经其对应的长度为ik的最优阶数fir控制滤波器滤波得到次级扬声器的控制信号u(n)，次级扬声器控制信号矩阵u(n)经次级通路传播后，得到基于道路噪声控制产生的次级通道抵消信号y(n)。
[0072]
步骤s25：更新下一时刻基于道路噪声控制的次级扬声器控制信号矩阵u(n)，次级扬声器控制信号经传播后在误差麦克风处得到次级信号y(n)，从而与主级噪声d(n)进行抵消，实现噪声主动控制；
[0073]
所述的步骤s25中，道路噪声控制信号矩阵u(n)更新方式为：
[0074]
u(n+1)＝w
′
(n+1)x
′
(n)
[0075]
其中矩阵w
′
∈cm×
ki
，由矩阵w(n)分解变换得到，x
′
(n)∈c
ki
×1，包含了在当前及i
k-1之前时刻参考信号矢量；
[0076]
所述的步骤s25中，次级信号矢量y(n)可以表示为：
[0077]
y(n)＝gm(n)u(n)，y(n)∈c
l
×1[0078]
其中gm(n)为m个次级扬声器和l个误差麦克风之间真实的传递函数矩阵。所述的步骤s25中，所述的主级噪声d(n)为当次级扬声器不工作时，误差传声器测得的噪声信号。
[0079]
本实施例对某车厢内座椅头枕处噪声进行控制，测试结果如图4和5所示。图4中横坐标为时间，纵坐标为头枕处噪声降噪量，从图中可见，本发明提出的多通道独立阶数滤波器的噪声主动控制方法跟常规统一阶数噪声主动控制方法相比能有效提高系统收敛速度，快速实现降噪。图5为原始噪声和两种方法控制后误差麦克风噪声声压级结果，从图中可见，本发明提出的多通道独立阶数滤波器的噪声主动控制方法在控制频段内能实现更好的降噪效果。
[0080]
综上所述，本发明提出的一种多通道独立阶数滤波器的汽车车厢噪声主动控制方法和系统具有如下作用：根据各参考点至头枕处麦克风ntf测试结果确定各参考通道对应
滤波器最优阶数，仅对参考点处振动激励引起的直达声进行控制，可以有效提高控制系统收敛速度，提高系统降噪效果。

技术特征：

1.一种基于参考通道特性的多通道独立阶数滤波器汽车车厢噪声主动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：s1:ntf测试s11:在汽车振动参考点处布置振动加速度传感器，在座椅头枕处布置麦克风，使用力锤激励汽车振动参考点，采集力锤力信号、振动参考点处振动信号以及座椅头枕处声压信号，计算脉冲响应函数；s12:根据ntf测试计算得到的脉冲响应函数，确定参考点处振动激励引起的直达声与车厢内混响声持续时刻，从而确定振动参考点k对应的滤波器阶数i
k
，使自适应前馈控制器内对应的fir滤波器仅对前i
k
个时刻的参考信号滤波计算，使之仅对直达声进行控制；其中，下标k取1,2,3..,k，其中k为振动加速度传感器的数量；s2:车厢噪声主动控制s21:采用步骤s11中的传感器布置方式，在汽车车轮轮毂及悬架杆件处布置k个振动加速度传感器，采集振动加速度信号，获得参考信号x(n)；s22:在车内座椅头枕处布置麦克风，获取误差麦克风信号e(n)；s23:所有参考信号x(n)经次级通路传递函数滤波后堆叠长度i
k
，生成滤波后的参考信号矩阵r(n)，自适应前馈控制器w(n)根据r(n)和误差麦克风信号e(n)自适应更新w(n)的系数，自适应前馈控制器内第k个滤波器的阶数为i
k
；s24:每个参考信号x
k
(n)堆叠前i
k-1个时刻值得到i
k
个参考信号值，与对应阶数为i
k
的自适应前馈控制滤波器w(n)进行卷积计算，所有参考信号计算结果相加生成次级扬声器控制信号u(n)，驱动次级扬声器发出信号，与头枕处初级噪声d(n)进行抵消。2.根据权利要求1所述的多通道独立阶数滤波器汽车车厢噪声主动控制方法，其特征在于，所述的步骤s12中，通过计算脉冲响应函数峭度值确定参考点振动激励引起的直达声持续时刻，确定其对应的采样点数i
k
，从而确定各滤波器阶数为i
k
，使之仅对i
k
个时刻的参考信号进行滤波计算。3.根据权利要求1-2所述的多通道独立阶数滤波器汽车车厢噪声主动控制方法，其特征在于：s23中所述的所有参考信号x(n)经次级通路传递函数滤波，具体为：对k个振动参考信号x1(n),x2(n)
…
x
k
(n)堆叠长度j，用于计算经次级通路传递函数g滤波后的参考信号r(n)，其中j为次级通路传递函数阶数。4.根据权利要求3所述的多通道独立阶数滤波器汽车车厢噪声主动控制方法，其特征在于：s23中所述的生成滤波后的参考信号矩阵r(n)，具体为：根据各振动参考点对应的滤波器阶数i
k
，分别将滤波后的参考信号r(n)堆叠长度i
k
生成滤波后的参考信号矩阵r(n)，结合误差麦克风信号e(n)更新对应的独立阶数滤波器w(n)系数，第k个参考信号对应的滤波器w(n)阶数为i
k
。5.根据权利要求1-4所述的多通道独立阶数滤波器汽车车厢噪声主动控制方法，其特征在于：s24中所述的生成次级扬声器控制信号u(n)，具体为：根据各振动参考点对应的滤波器阶数i
k
，将k个振动参考信号x1(n),x2(n)
…
x
k
(n)分别堆叠长度i
k
，然后分别经其对应的长度为i
k
的最优阶数fir控制滤波器滤波后相加得到第m个次级扬声器的控制信号u
m
(n)：
其中，w
mki
为第k个参考信号对应的第i阶滤波器系数，x
k
(n-i)为第k个参考信号的第前i个时刻值。6.根据权利要求5所述的多通道独立阶数滤波器汽车车厢噪声主动控制方法，其特征在于，s24中，生成基于道路噪声控制产生的次级扬声器控制信号矩阵u(n)，表示为：其中m为噪声主动控制系统所使用次级扬声器的个数；次级扬声器控制信号经传播后在误差麦克风处得到次级信号y(n),从而与主级噪声d(n)进行抵消，实现噪声主动控制；其中，e
l
(n)为第l个误差麦克风处的误差麦克风信号，d
l
(n)为第l个误差麦克风处的初级噪声信号，y
l
(n)为第l个误差麦克风处的次级信号；g
lmj
为第m个次级扬声器到第l个误差麦克风的传递函数第j阶系数。

技术总结

本发明公开了一种基于参考通道特性的多通道独立阶数滤波器汽车车厢噪声主动控制方法。方法包括根据NTF测试获取各振动参考点至各座椅处目标点麦克风脉冲响应函数，根据每个参考信号处的脉冲响应函数中直达声与混响声组成确定该参考点对应的控制滤波器阶数，从而确定主动控制系统中各振动参考点FIR控制滤波器最优阶数，控制滤波器接收经滤波的参考信号和误差麦克风信号更新滤波器系数；利用控制器输出信号之和驱动次级扬声器发声在车内座椅头枕处实现降噪。与传统方法比较，本发明提出的基于参考通道特性的多通道独立阶数滤波器主动控制算法能减小计算量提高收敛速度，同时得到更好的降噪效果。得到更好的降噪效果。得到更好的降噪效果。