一种用于主动降噪的装置及其降噪优化方法

一种用于主动降噪的装置及其降噪优化方法

解佳敏

云南电网有限责任公司曲靖供电局 云南曲靖  655000

摘 要：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。

关键词：主动降噪装置；优化方法

一、背景技术：

噪声、振动和刺耳性(NVH)是衡量汽车制造质量的综合性问题。汽车NVH是国际汽车行业研究的热点问题之一。而在车辆NVH问题上，开发人员主要关注的是车辆在关闭车窗时，进出车辆的NVH性能。这是因为车窗在车内的声场结构被破坏后，噪声会严重恶化，而玻璃电梯的升降范围、速度等直接影响到车内噪声，因此，车窗状态下的车内噪声一般不计入NVH研制过程。

但是在实际的驾驶过程中，开窗是一种使用率非常高的驾驶习惯，因为在天气适宜的情况下，比起空调，车主更喜欢自然通风。但是，当汽车打开侧窗或天窗时，车内噪声的明显恶化就成为了车主的难题。现有的技术包括主动控制(ANC)来降低车辆的噪音。ANC利用声波叠加原理，为信号源(主波)产生一个振幅相同、相位相反的参考源(二次波)。两种声波相互叠加，达到抑制噪声的目的。

目前，ANC已广泛应用于汽车行业，如斯普拉、凯迪拉克XTS等。例如，XTS通过位于发动机转速和机舱内的传声器来检测和收集环境噪声。同时，它通过声音发出相反的波抵消，类似于现有的主动降噪耳机。然而，该车型的噪声控制主要针对发动机的二次谐波噪声，无法降低车窗噪声。

二、技术实现要素：

本发明提供了一种利用传声器测量车辆车窗噪声特性的主动降噪方法，通过主动调节声源，降低车窗噪声特性，使驾驶员和乘客耳朵的声压级降低，实现对车窗内部噪声状态的主动控制，提高车主驾驶的舒适性。

本发明适用于一种车辆主动降噪方法，采用前馈ANC控制方法降低车辆在开窗状态下的噪声，包括以下步骤：

1. 车辆侧面设置至少一个参考传声器，参考传声器用于收集车窗噪声。窗框处设置有至少一个控制声源，控制声源发出用于抵消窗口噪声的声音信号;参考信号由参考传声器采集的窗口噪声获得。将基准信号与控制源发出的声信号叠加，通过求解前馈ANC控制的控制增益最小化叠加声信号的声功率。参考传感器与窗口具有预设的距离。
2. 从参考传声器采集的窗口噪声中得到参考信号包括以下步骤:根据公式对参考信号进行估计。表示第I个参考传感器采集到的窗口噪声声音信号，n表示参考传感器个数，τ I表示车辆外噪声从第I个参考传感器传导到窗口中心的传导时间，t表示时间。
3. 通过求解前馈ANC控制的控制增益，使叠加声信号的声功率最小，包括以下步骤:定义以下损失函数j(ω)，计算车外噪声通过车窗传递给汽车的声功率。Pn表示开窗形成的噪声源声压，表示第i个控制声源发出的声音信号声压，ρ0表示空气密度，C表示声速，M表示控制声源数量，ω表示圆频率。
4. 根据相关的公式，得到第i个控制声源发出的声音信号的声压。Ki为第i个控制声源在某一频率下的控制增益。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为控制声源的参考强度，与噪声源入射声波的幅值有关。求出ki(ω)的平均k0(ω)，使损失函数j(ω)最小，从而使叠加的声音信号的声功率最小。
5. 按照以下公式求解k0(ω)，

k0(ω)＝-(∫sgh·g|ωρ0q0|2ds)-1(∫sgh(jωρ0q0)hpnds)

上标t和h分别表示向量的转置和共轭。

6. 按照以下公式求解开窗形成的噪声源的声压pn，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；dt表示玻璃厚度；sw表示车窗开口面积；uz表示z向的速度分布；半球面能够包覆车窗。
7. 将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uz，kx、ky和kz分别表示x、y和z向的波数，kx、ky和kz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。

在车辆的侧围处设置四个参考传声器，利用参考传声器采集车窗的窗口噪声。按照公式计算第i个参考传感器传导到车窗中心的传导时间τi，θ和分别表示入射波的方位角和仰角，ds表示参考传声器到车窗的垂直距离。

此外，本发明还提供了一种车辆用主动降噪装置，即在车辆侧面周长处设置至少一个参考传声器，用于收集车辆车窗的窗户噪声;在车辆的窗框上，设置有至少一个控制声源，用于发出能够抵消窗户噪声的声音信号;与参考传声器连接的接收器，用于接收参考传声器发射的窗噪声声信号;采用上述主动降噪方法，用计算机求解前馈自适应控制的控制增益。并将传声器与计算机连接，通过控制声源，根据控制增益，可以用来抵消车窗噪声的声音信号，从而，实现对车窗状态下车辆噪声的主动控制。

三、具体实施方式

根据本发明的有源降噪装置一般包括至少一个参考传声器、至少一个控制声源、接收器、计算机和声音传声器。参考传声器设置在车辆侧面周边，用于从车窗收集车窗噪声。控制声源设置在车辆的窗框上，控制声源设置在不影响窗户开启和关闭的基础上，用于发出能抵消窗户噪声的声音信号。接收器与参考传声器连接，用于接收参考传声器发射的窗噪声声信号。利用计算机求解前馈自适应控制的控制增益，采用以下主动降噪方法。传声器与计算机连接，通过传声器发出声音信号，该声音信号可根据控制增益通过控制声源消除车窗噪声，从而实现对车窗开启状态下车内噪声的主动控制。

车辆侧周长处设置至少一个参考传声器，参考传声器用于收集车窗的窗户噪声;

窗口的窗框上设置有至少一个控制声源，控制声源用于发出用于抵消窗口噪声的声音信号;参考信号是由参考传声器采集到的窗口噪声得到的。将基准信号与控制源发出的声信号叠加，通过求解前馈ANC控制的控制增益最小化叠加声信号的声功率。

由于车外的噪声是通过开着的窗户进入车内的，所以，窗户相对于车内的声场可以看作是一个新的声源。该新型声源由两部分叠加而成:一是开窗引起的噪声源，二是自适应控制系统的控制声源。在此基础上，通过求解自适应前馈控制的控制增益，可使新型声源的声功率最小，达到主动加窗降噪的目的。

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)＝∫sitotal(x，y，z，w)ds

i表示远场声强，s表示半球面的面积，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：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。

pn可以通过rayleigh积分方程求解：

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；dt表示玻璃厚度；sw表示车窗开口面积；uz表示z向的速度分布。将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：

kx、ky和kz分别表示x、y和z向的波数，kx、ky和kz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。

ki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…m]t可以表示为：

k0(ω)＝-(∫sgh·g|ωρ0q0|2ds)-1(∫sgh(jωρ0q0)hpnds)

上标t和h分别表示向量的转置和共轭。

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(finiteimpulseresponse，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：

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，τi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。

四、总 结

本发明提供了一种车辆用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以下步骤:在车辆侧周长处设置至少一个参考传声器，使用该参考传声器收集车窗的窗户噪声;窗框处设置有至少一个控制声源，控制声源发出用于抵消窗口噪声的声音信号;参考信号由参考传声器采集的窗口噪声获得。将基准信号与控制源发出的声信号叠加，通过求解前馈ANC控制的控制增益最小化叠加声信号的声功率。本发明的降噪方法可以显著降低车辆在开窗状态下的噪声，降低驾驶员和乘客耳朵处的声压，提高乘坐体验和驾驶舒适性。

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