CN107195294B - 一种用于车辆的主动降噪方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于车辆的主动降噪方法及装置，属于噪声控制技术领域。本发明的主动降噪方法，包括如下步骤：在车辆的侧围处设置至少一个参考传声器，利用参考传声器采集车窗的窗口噪声；在车窗的窗框处设置至少一个控制声源，利用控制声源发出用于抵消窗口噪声的声音信号；根据参考传声器采集的窗口噪声获取参考信号；将参考信号和控制声源发出的声音信号相互叠加，通过求解前馈ANC控制的控制增益，使得叠加后的声音信号的声功率最小化。本发明方案的降噪方法能够显著降低开窗状态下的车内噪声，降低驾驶员和乘客耳边的声压，提高了乘车体验以及行车舒适性。

Description

一种用于车辆的主动降噪方法及装置

技术领域

本发明涉及噪声控制技术领域，特别是涉及一种用于车辆的主动降噪方法及装置。

背景技术

噪声、振动与声振粗糙度(Noise、Vibration、Harshness，NVH)是衡量车辆制造质量的一个综合性问题。车辆的NVH问题是国际汽车业各大整车制造企业和零部件企业关注的问题之一。然而，在车辆的NVH问题中，研发人员基本上只关注车辆在关窗状态下的车内外NVH性能。这是由于在开窗后车内声场结构遭到破坏，噪声会严重恶化，并且玻璃升降器的起升幅度、车速等会直接影响车内噪声，因此，开窗状态的车内噪声一般不被列入NVH的开发流程中。

然而在实际行车过程中，开窗是一项使用率非常高的开车习惯，因为在天气适宜的情况下，相较于空调，车主更倾向于自然通风。但是，在汽车开启侧窗或天窗的时候，车内噪声的明显恶化成为了令车主烦恼的事情。现有技术中存在着利用主动噪声控制(ActiveNoise Control，ANC)来降低车内的噪声。ANC是利用声波叠加原理，针对信号源(主波)，产生一个与其幅值相同、相位相反的参考源(次波)，两个声波相互叠加，达到消声的目的。

目前ANC在汽车行业已有较大范围的应用，比如思铂睿、凯迪拉克XTS等。以XTS为例，它是通过位于发动机转速和车舱内的麦克风来判定并收集环境噪音，同时通过音响来发出相反的波抵消，原理类似于现有的主动降噪耳机。但是，这种车载ANC主要针对发动机二谐次噪声，无法对开窗噪声进行降噪。在建筑降噪中，开窗噪声主动控制已有报道，即在开窗状态下，研发人员采用16个扬声器进行噪声的主动控制，并在每个扬声器前布置一个误差传感器，但是由于扬声器和传感器过多，可应用性不高。

发明内容

本发明的一个目的是要提供一种用于车辆的主动降噪方法，采用传声器检测窗口的噪声特性后，通过声源的主动调整，降低窗口的噪声特性，使得驾驶员和乘客耳旁的声压级减小，实现开窗状态的车内噪声主动控制，提升车主的行车舒适性。

本发明的用于车辆的主动降噪方法，用于利用前馈ANC控制方法来降低所述车辆在开窗状态下的噪声，包括如下步骤：

在所述车辆的侧围处设置至少一个参考传声器，利用所述参考传声器采集车窗的窗口噪声；

在所述车窗的窗框处设置至少一个控制声源，利用所述控制声源发出用于抵消所述窗口噪声的声音信号；

根据所述参考传声器采集的所述窗口噪声获取参考信号；

将所述参考信号和所述控制声源发出的所述声音信号相互叠加，通过求解所述前馈ANC控制的控制增益，使得所述叠加后的声音信号的声功率最小化。

进一步地，所述参考传感器与所述车窗具有预设距离。

进一步地，根据所述参考传声器采集的所述窗口噪声获取参考信号，包括如下步骤：

按照以下公式估算出所述参考信号

其中，

表示第i个参考传感器所采集的窗口噪声的声音信号，N表示参考传感器的数量，τ_i表示车外噪声从第i个参考传感器传导到车窗中心的传导时间，t表示时间。

进一步地，通过求解所述前馈ANC控制的控制增益，使得所述叠加后的声音信号的声功率最小化，包括如下步骤：

定义以下损失函数J(ω)，以评价车外噪声通过车窗传递到车内的声功率，

其中，pn表示开窗形成的噪声源的声压，

表示第i个控制声源发出的声音信号的声压，ρ₀表示空气密度，c表示声速，m表示控制声源的数量，ω表示圆频率；

按照以下公式计算得到第i个控制声源发出的声音信号的声压

其中，k_i表示第i个控制声源针对某一频率的控制增益；G表示自由声场格林函数，其中

表示第i个控制声源的位置；q₀表示控制声源的参考强度，其与噪声源的入射声波的幅值相关；

求解所述k_i(ω)的平均数k₀(ω)，以使得所述损失函数J(ω)最小化，从而使得所述叠加后的声音信号的声功率最小化。

进一步地，按照以下公式求解所述k₀(ω)，

k₀(ω)＝-(∫_sG^H·G|ωρ₀q₀|²dS)^-1(∫_sG^H(jωρ₀q₀)^Hp_ndS)

其中，上标T和H分别表示向量的转置和共轭。

进一步地，按照以下公式求解开窗形成的噪声源的声压p_n，

其中，j表示虚部单位；R表示车窗内表面上某点到半球面上某点的距离；d_t表示玻璃厚度；SW表示车窗开口面积；U_z表示z向的速度分布；

其中，所述半球面能够包覆所述车窗。

进一步地，将所述噪声源的入射波简化为平面波，并以任意角度到达车窗表面，按照以下公式求解z向的速度分布U_z，

其中，k_x、k_y和k_z分别表示x、y和z向的波数，k_x、k_y和k_z的值与入射声波的入射方向有关；p₀表示坐标系(x，y，z)原点的入射平面波幅值。

进一步地，在所述车辆的侧围处设置四个参考传声器，利用所述参考传声器采集车窗的窗口噪声。

进一步地，按照如下公式计算第i个参考传感器传导到车窗中心的传导时间τ_i，

其中，θ和

分别表示入射波的方位角和仰角，d_s表示参考传声器到车窗的垂直距离。

特别地，本发明还提供了一种用于车辆的主动降噪装置，包括：

布置在所述车辆的侧围处的至少一个参考传声器，用于采集车窗的窗口噪声；

布置在所述车辆的窗框处的至少一个控制声源，用于发出能够抵消所述窗口噪声的声音信号；

与所述参考传声器相连的接收器，用于接收所述参考传声器传输的窗口噪声的声音信号；

计算机，用于利用如上述的主动降噪方法来求解前馈ANC控制的控制增益；

与所述计算机相连的发声器，用于根据所述控制增益经由所述控制声源发出能够抵消所述窗口噪声的声音信号，以实现开窗状态下的车内噪声的主动控制。

与现有技术中主要针对关窗状态下的发动机二谐次噪声的降噪方案相比，本发明的方案直接对开窗状态下的噪声进行降噪，降噪难度明显增大，本发明方案的降噪方法能够显著降低开窗状态下的车内噪声，降低驾驶员和乘客耳边的声压，提高了乘车体验以及行车舒适性。

此外，与现有技术中在每个扬声器前布置误差传感器的方案相比，利用本发明方法设置的降噪设备，其传感器数量较少，设备组装较为简单，且可应用性较高。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的用于车辆的主动降噪方法的方法流程图；

图2是根据本发明一个实施例的用于车辆的主动降噪设备示意性结构图。

具体实施方式

图2示出了根据本发明一个实施例的用于车辆的主动降噪设备示意性结构图。该主动降噪设备一般性可以包括：至少一个参考传声器、至少一个控制声源、接收器、计算机和发声器。其中，该参考传声器布置在该车辆的侧围处，用于采集车窗的窗口噪声。该控制声源布置在该车辆的窗框处，该控制声源的布置以不影响车窗开启和关闭为基础，其用于发出能够抵消该窗口噪声的声音信号。该接收器与该参考传声器相连，用于接收该参考传声器传输的窗口噪声的声音信号。该计算机，用于利用下述主动降噪方法来求解前馈ANC控制的控制增益。该发声器与该计算机相连，用于根据该控制增益经由该控制声源发出能够抵消该窗口噪声的声音信号，以实现开窗状态下的车内噪声的主动控制。在图2所示的实施例中，示出了一半圆，该半圆实际上为半球面，该半球面的面积以能够完全覆盖一个车窗为标准。

与现有技术中在每个扬声器前布置误差传感器的方案相比，利用本发明方法设置的降噪设备，其传感器数量较少，设备组装较为简单，且可应用性较高。

图1示出了根据本发明一个实施例的用于车辆的主动降噪方法的方法流程图，其用于利用前馈ANC控制方法来降低该车辆在开窗状态下的噪声。如图1所示，本发明的用于车辆的主动降噪方法，包括如下步骤：

S100、在该车辆的侧围处设置至少一个参考传声器，利用该参考传声器采集车窗的窗口噪声；

S200、在该车窗的窗框处设置至少一个控制声源，利用该控制声源发出用于抵消该窗口噪声的声音信号；

S300、根据该参考传声器采集的该窗口噪声获取参考信号；

S400、将该参考信号和该控制声源发出的该声音信号相互叠加，通过求解该前馈ANC控制的控制增益，使得该叠加后的声音信号的声功率最小化。

由于车外噪声通过开启的车窗进入车内，因此相对于车内声场，车窗可以视作是一个新的声源，该新声源由两部分叠加而成，一是开窗引起的噪声源，二是ANC***的控制声源。基于这个分析思路，通过求解ANC前馈控制的控制增益，使得上述新声源的声功率最小化，即可达到开窗噪声主动控制的目的。

为了获取该控制增益，需要定义一损失函数J(ω)，以评价车外噪声通过车窗传递到车内的声功率，该损失函数为：

J(ω)＝∫_sI_total(x，y，z，w)dS

其中，I表示远场声强，S表示图2所示的半球面的面积，其中球面半径为r，坐标系(x，y，z)的原点在车窗的中心。

从声学原理可知，远场声强可以通过声压的平方来表示，因此，损失函数J(ω)可以转化为：

其中，p_n表示开窗形成的噪声源的声压，

表示第i个控制声源发出的声音信号的声压，ρ₀表示空气密度，c表示声速，m表示控制声源的数量，ω表示圆频率。

其中，p_n可以通过Rayleigh积分方程求解：

其中，j表示虚部单位；R表示车窗内表面上某点到半球面上某点的距离；d_t表示玻璃厚度；SW表示车窗开口面积；U_z表示z向的速度分布。

将所述噪声源的入射波简化为平面波，并以任意角度到达车窗表面，因此，车窗外表面(z＝0)z向的速度分布可以表示为：

其中，k_x、k_y和k_z分别表示x、y和z向的波数，k_x、k_y和k_z的值与入射声波的入射方向有关；p₀表示坐标系(x，y，z)原点的入射平面波幅值。

控制声源可以简化为理想的点声源，因此，第i个控制声源发出的声音信号的声压

可以表示为：

其中，k_i表示第i个控制声源针对某一频率的控制增益；G表示自由声场格林函数，其中

表示第i个控制声源的位置；q₀表示控制声源的参考强度，其与噪声源的入射声波的幅值相关。

为了使某一频率、某一入射角度的损失函数最小化，经优化的控制增益向量k₀＝[k₁k₂…k_m]^T可以表示为：

k₀(ω)＝-(∫_sG^H·G|ωρ₀q₀|²dS)^-1(∫_sG^H(jωρ₀q₀)^Hp_ndS)

其中，上标T和H分别表示向量的转置和共轭。

由于最优的控制增益与入射波的方向有关，而入射方向可以通过声源定位方法确定。本专利基于参考传感器并采用声达时间差实现噪声源的定位。

为了实现实时控制，频域内的最优控制增益需要基于傅里叶逆变换转化为有限脉冲响应(Finite Impulse Response，FIR)滤波器，此时要求参考传感器距离车窗一定距离，这样可以补偿FIR滤波器的时间差。

对一个特定方向的入射波而言，前馈控制信号可以通过参考传感器和控制滤波器进行计算。其中参考信号就是原点的声压信号，同时控制滤波器可以基于原点入射波的幅值获取。尽管如此，若想采用传声器直接测试开窗状态下的原点声压是不现实的，因此，在入射平面波的假设下，参考信号可以基于车外参考传感器的声压结果进行估算：

其中，

表示第i个参考传感器所采集的窗口噪声的声音信号，N表示参考传感器的数量，τ_i表示车外噪声从第i个参考传感器传导到车窗中心的传导时间，t表示时间。

在一个实施例中，在车辆的侧围处设置四个参考传声器，利用所述参考传声器采集车窗的窗口噪声时，每一参考传感器传导到车窗中心的传导时间分别为：

其中，θ和

分别表示入射波的方位角和仰角，d_s表示参考传声器到车窗的垂直距离。

与现有技术中主要针对关窗状态下的发动机二谐次噪声的降噪方案相比，本发明的方案直接对开窗状态下的噪声进行降噪，降噪难度明显增大，本发明方案的降噪方法能够显著降低开窗状态下的车内噪声，降低驾驶员和乘客耳边的声压，提高了乘车体验以及行车舒适性。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (7)

1.一种用于车辆的主动降噪方法，用于利用前馈ANC控制方法来降低所述车辆在开窗状态下的噪声，其特征在于，包括如下步骤：

在所述车辆的侧围处设置至少一个参考传声器，利用所述参考传声器采集车窗的窗口噪声；

在所述车窗的窗框处设置至少一个控制声源，利用所述控制声源发出用于抵消所述窗口噪声的声音信号；

根据所述参考传声器采集的所述窗口噪声获取参考信号；

将所述参考信号和所述控制声源发出的所述声音信号相互叠加，通过求解所述前馈ANC控制的控制增益，使得所述叠加后的声音信号的声功率最小化；

其中，根据所述参考传声器采集的所述窗口噪声获取参考信号，包括如下步骤：

按照以下公式估算出所述参考信号

其中，

表示第i个参考传感器所采集的窗口噪声的声音信号，N表示参考传感器的数量，τ_i表示车外噪声从第i个参考传感器传导到车窗中心的传导时间，t表示时间；

通过求解所述前馈ANC控制的控制增益，使得所述叠加后的声音信号的声功率最小化，包括如下步骤：

定义以下损失函数J(ω)，以评价车外噪声通过车窗传递到车内的声功率，

其中，p_n表示开窗形成的噪声源的声压，

表示第i个控制声源发出的声音信号的声压，ρ₀表示空气密度，c表示声速，m表示控制声源的数量，ω表示圆频率；

按照以下公式计算得到第i个控制声源发出的声音信号的声压

其中，k_i表示第i个控制声源针对某一频率的控制增益；G表示自由声场格林函数，其中

表示第i个控制声源的位置；q₀表示控制声源的参考强度，其与噪声源的入射声波的幅值相关；

求解所述k_i(ω)的平均数k₀(ω)，以使得所述损失函数J(ω)最小化，从而使得所述叠加后的声音信号的声功率最小化。

2.根据权利要求1所述的主动降噪方法，其特征在于，所述参考传感器与所述车窗具有预设距离。

3.根据权利要求2所述的主动降噪方法，其特征在于，经优化的控制增益向量k₀＝[k₁k₂ … k_m]^T可以表示为k₀(ω)，并按照以下公式求解所述k₀(ω)，

k₀(ω)＝-(∫_sG^H·G|ωρ₀q₀|²dS)^-1(∫_sG^H(jωρ₀q₀)^Hp_ndS)

其中，上标T和H分别表示向量的转置和共轭。

4.根据权利要求3所述的主动降噪方法，其特征在于，按照以下公式求解开窗形成的噪声源的声压p_n，

其中，j表示虚部单位；R表示车窗内表面上某点到半球面上某点的距离；d_t表示玻璃厚度；SW表示车窗开口面积；U_z表示z向的速度分布；

其中，所述半球面能够包覆所述车窗。

5.根据权利要求4所述的主动降噪方法，其特征在于，将所述噪声源的入射波简化为平面波，并以任意角度到达车窗表面，按照以下公式求解z向的速度分布U_z，

其中，k_x、k_y和k_z分别表示x、y和z向的波数，k_x、k_y和k_z的值与入射声波的入射方向有关；p₀表示坐标系(x，y，z)原点的入射平面波幅值。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的主动降噪方法，其特征在于，在所述车辆的侧围处设置四个参考传声器，利用所述参考传声器采集车窗的窗口噪声。

7.一种用于车辆的主动降噪装置，其特征在于，包括：

布置在所述车辆的侧围处的至少一个参考传声器，用于采集车窗的窗口噪声；

布置在所述车辆的窗框处的至少一个控制声源，用于发出能够抵消所述窗口噪声的声音信号；

与所述参考传声器相连的接收器，用于接收所述参考传声器传输的窗口噪声的声音信号；

计算机，用于利用如权利要求1-6中任一项所述的主动降噪方法来求解前馈ANC控制的控制增益；

与所述计算机相连的发声器，用于根据所述控制增益经由所述控制声源发出能够抵消所述窗口噪声的声音信号，以实现开窗状态下的车内噪声的主动控制。

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