专利名称：车内声品质自适应主动控制系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于机动车辆上的控制车内噪声并改善车内声品质的装置和方法，更具体地说，本发明涉及一种车内声品质自适应主动控制系统和方法。
背景技术：
车内噪声给予司乘人员的感受，直接影响着消费者的购车倾向和车型的市
场竟争力。传统的汽车噪声研究通常采用A计权声压级作为评价指标，但由于它对于噪声的声学频谱特性考虑有限，并不能全面反映汽车噪声对人的影响和司乘人员对车内噪声的感受。实际工作中会出现即便车内噪声用A计权声压级衡量合格，但司乘人员仍会感受到噪声烦躁、甚至难以忍受的现象。因此反映人耳听觉感受的声品质(Sound Qua 1 ity)概念日益受到重视，并逐渐成为车内噪声控制领域主要评价指标之一。上世纪90年代中后期至今，国际上对汽车产品的声品质进行了大量测试分析和主观评价研究，尽管对声品质的相关参量及具体表达式还没有达成共识，但普遍认为响度和尖锐度与车内声品质优劣直接相关。即如能选择性降低车内噪声的响度和尖锐度，则车内声品质可明显改善。汽车车内噪声的传统控制手段主要有隔声、隔振、消声、吸声等。上述措
施对降低车内噪声A计权声压级都具有显著作用，但受降噪成本、布置空间和材料特性等因素的限制，对车内低频噪声的控制效果都不太理想，且均属于噪声被动控制方法，既不能根据车辆复杂多变的行驶工况自动调整，更不能有选择性地控制特定频段的噪声。因此仅依靠以上方法无法实现汽车车内声品质的全面改善。与上述被动降噪措施相对应，车内噪声主动控制(ANC， Active NoiseControl )方法是依据声波相干原理通过附加声源发声抵消原有噪声实现降噪的目的。该方法的研究于20世纪30年代提出，80年代后随着数字信号处理技术和集成电路广泛应用日渐兴起。噪声主动控制(ANC)采用以声治声的方法，不但对低频噪声有良好的控制效果，且由于理论上可以对特定频段噪声实现有针对性的削减或者补偿，因此在声品质改善方面可弥补被动降噪措施的不足，具有对车内噪声进行选择性、针对性和目标性控制的优势。
目前国内外以主动控制方法进^f亍汽车车内声品质自适应改善的研究^L其有限，可投入实际应用的则更加少见。究其原因，是在具体应用中还存在如下技术难点
1.噪声主动控制理论和算法尚不成熟，传递函数鲁棒性差往往导致系统工作不稳定；
2. 噪声主动控制系统应用于机动车辆舱室内时，涉及到时变的车内噪声、复杂的三维空间声场和多通道次级声源的相互耦合干涉等诸多难题；
3. 对能够实现汽车车内声品质改善的自适应主动控制算法的研究未见报道，对某频段噪声实施程度可控的抵消或补偿以优化车内噪声的响度和尖锐度等心理声学参量的方式，从而改善车内声品质的控制策略尚不明确。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有车内噪声主动控制方法存在的问题，提供一种车内声品质自适应主动控制系统。同时采用自编的计算机程序提供一种采用车内声品质自适应主动控制系统来控制车内噪声响度和尖锐度从而改善车内声品质的方法。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的车内声品质自适应主动控制系统是由声品质自适应主动控制装置、残余噪声信号采集装置、次级声源装置和振动信号采集装置组成，残余噪声信号采集装置、次级声源装置和振动信号采集装置分别与声品质自适应主动控制装置为电连接。
所述的声品质自适应主动控制装置主要由型号为c8051F121的芯片、声功率放大器、噪声信号辨识预处理单元与核心控制单元组成。所述的型号为c8051F121的芯片包括有高速8051微控制器内核、第一路A/D转换模块、D/A转换模块和第二路A/D转换模块；噪声信号辨识预处理单元和核心控制单元载入型号为c8051F121的芯片中的高速8051微控制器内核中，噪声信号辨识预处理单元和核心控制单元之间采用片上数据线连接。
第一路A/D转换模块的输入端和振动信号采集装置中的振动信号采集前置放大器的输出端电连接，第一路A/D转换才莫块的输出端和噪声信号辨识预处理单元的输入端在芯片内采用片上数据线连接，噪声信号辨识预处理单元的输出端和核心控制单元的一个输入端在芯片内采用片上数据线连接。
第二路A/D转换模块的输入端和残余噪声信号采集装置中的误差信号前置放大器的输出端为电连接，第二路A/D转换模块的输出端和核心控制单元的另一个输入端采用片上数据线连接。
核心控制单元的输出端和D/A转换模块的输入端采用片上数据线连接，D/A转换模块的输出端和声功率放大器的输入端为电连接，声功率放大器的输出端和次级声源装置的输入端为电连接。
技术方案中所述的残余噪声信号采集装置主要由第一误差传声器、第二误差传声器与误差信号前置放大器组成。第一误差传声器、第二误差传声器分别与误差信号前置放大器为电连接，误差前置放大器的输出端和声品质自适应主动控制装置中的第二路A/D转换电路的输入端为电连接。第一误差传声器与第二误差传声器安装在汽车座椅头枕内；所述的次级声源装置主要由第一扬声器 与第二扬声器组成。第一扬声器和第二扬声器安装在汽车顶棚上分别对应第一
误差传声器和第二误差传声器，其位置在第一误差传声器和第二误差传声器的 正上方，第 一扬声器与第二扬声器的输入端与声品质自适应主动控制装置中的 声功率放大器的输出端为电连接；所述的振动信号采集装置主要由第一加速度 传感器、第二加速度传感器、第三加速度传感器、第四加速度传感器、第五加 速度传感器和振动信号采集前置放大器组成。第一加速度传感器布置于汽车发 动机机体上，第二加速度传感器、第三加速度传感器、第四加速度传感器和第 五加速度传感器则布置在车身四个悬置点上。第一加速度传感器、第二加速度 传感器、第三加速度传感器、第四加速度传感器和第五加速度传感器分别与振 动信号采集前置放大器的输入端为电连接。振动信号采集前置放大器的输出端 和声品质自适应主动控制装置中的第一路A/D转换电路的输入端为电连接；所 述的噪声信号辨识预处理单元包括初始声信号辨识单元，根据由第一路A/D 转换4莫块转换后的振动加速度信号与车内噪声存在强相关性的特点，利用动态 Elman递归神经网络的自学习能力将非声加速度信号经辨识生成初始噪声参考 信号。误差声通道估计单元，对系统运算和信号传递过程中产生的"声延迟，， 进行补偿，补偿后的信号输入到核心控制单元中第一频率选4奪滤波器和第二频 率选择滤波器作为两个自适应滤波器工作时的参考信号。初始声信号辨识单元 和误差声通道估计单元采用片上数据线连接。所述的核心控制单元包括第一 频率选择滤波器和第二频率选择滤波器、第一 LMS算法单元和第二 LMS算法单 元、第一权系数调整单元和第二权系数调整单元，它们共同采用频率选择性最 小均方算法经迭代计算获得适宜的次级声源参考信号。声品质监测和增益系数 选择单元，用来监测车内声品质自适应主动控制效果，并根据控制效果确定适 宜的增益系数。
一种采用车内声品质自适应主动控制系统控制车内声品质的方法，该方法 包括如下步骤
1. 在被测的汽车上合理布置车内声品质自适应主动控制系统，尤其是合理 布置残余噪声信号采集装置、次级声源装置和振动信号采集装置。
2. 采集五路振动加速度信号经噪声信号辨识预处理单元处理后输入到核心 控制单元中作为第一频率选择滤波器和第二频率选择滤波器工作时的参考信
—弓—
3. 当对车内声品质实施主动控制时，在对五路加速度信号采集与处理的同 时，残余噪声信号采集装置采集两路车内噪声信号进入声品质自适应主动控制 装置的核心控制单元中，作为调节第一 LMS算法单元和第二 LMS算法单元工作 参数的误差噪声信号。4. 由核心控制单元将参考信号和误差噪声信号作为输入采用频率选择性最 小均方算法获得适宜的输出声信号。
5. 通过核心控制单元运算处理获得适宜的次级声源参考信号，经由D/A转 换模块和声功率放大器，从声品质自适应主动控制装置的输出端输出，驱动第 一扬声器和第二扬声器发声，来对车内实施声品质主动控制。
技术方案中所述的采集五路加速度信号经噪声信号辨识预处理单元处理后
输入到核心控制单元中作为第一频率选择滤波器和第二频率选^^滤波器工作时 的参考信号还包括如下步骤
1. 将第一加速度传感器至第五加速度传感器所测的五路加速度信号经振动 信号采集前置放大器转化为电压信号并加以放大。
2. 经第一路A/D转换模块进入初始声信号辨识单元，将加速度信号辨识后 生成初始车内噪声参考信号。
3. 经误差声通道估计单元对系统运算和信号传递过程中产生的"声延迟，， 进行补偿。
4. 补偿后信号输入到核心控制单元中作为第一频率选择滤波器和第二频率 选择滤波器工作时的参考信号；
所述的残余噪声信号采集装置采集两路车内噪声信号进入声品质自适应主 动控制装置的核心控制单元中，作为调节第一 LMS算法单元和第二 LMS算法单 元工作参数的误差噪声信号还包括如下步骤
1. 残余噪声信号釆集装置中的第一误差传声器和第二误差传声器采集车内 前后两路噪声信号。
2. 采集的两路残余噪声信号经由误差前置放大器加以放大。
3. 再经过第二3各A/D转换^t块进入声品质自适应主动控制装置的核心控制 单元中，经过对实施控制后车内噪声品质进行分析评价，作为调节第一LMS算 法单元和第二 LMS算法单元工作参数的误差噪声信号；
所述的由核心控制单元采用频率选择性最小均方算法获得适宜的两路输出 声信号还包括如下步骤
1. 由核心控制单元生成两路次级声源信号分别作用于车内前后排座椅处的 噪声场，使影响车内声品质的噪声信号得到削减，其它噪声信号得以保留。
2. 采用第一频率选择滤波器和第二频率选择滤波器能够选择性输出特定频 段抵消信号。
3. 采用声品质监测和增益系数选择单元监测车内声品质自适应主动控制效 果，并根据控制效果确定适宜的增益系数，利用得到的增益系数进行稳定的声 品质主动控制，使核心控制单元获得适宜的次级声源参考信号。
与现有技术相比本发明的有益效果是1. 本发明提出了以降低影响车内噪声品质的噪声响度和尖锐度为目标、以 车内声品质作为评价指标的车内噪声自适应主动控制方法，并构建了车内声品 质自适应主动控制系统，对车内噪声给司乘人员的影响问题予以了充分考虑， 通过实施车内声品质主动控制，能够切实提高司乘人员对车内噪声的主观感受。
2. 本发明提出了实时跟踪车内噪声变化、对噪声的各个不同频段有选择地
进行控制的控制策略，即通过频率选择性滤波器有针对性地控制车内不同频段 噪声的抵消程度，使经控制后车内的残余噪声声品质得以提高。克服了被动噪 声控制方法难以对影响车内声品质的噪声成分进行选择性抵消的不足，并使噪 声主动控制对车内特定频段噪声实现有选择性地削减或者补偿的方法得以实 现。从而达到有效改善车内声品质的目的。
3. 本发明综合了声学、信号处理、自适应控制和车辆工程等多个领域的学 科知识，是上述各学科领域知识的交叉应用。并能够在车辆行驶工况变化时自 适应跟踪车内噪声的变化，自动更新控制装置的运行参数，随时调整对各频段 噪声的抵消程度，从而有针对性地降低车内噪声的响度和尖锐度，达到有效改 善车内声品质的目的。整个车内声品质控制过程是自适应完成的，无需手动的 夕卜力口干予贞。
4. 参见图4与图5，将本发明应用于一辆国产轿车上，当该车以100km/h 匀速行驶时进行车内声品质控制试验，控制效果可从图中实线和虚线对比看出， 实线和虚线分别表示实施车内声品质主动控制前后车内前排误差传声器处噪声 特征响度和特征尖锐度曲线。各频段内噪声特征响度和尖锐度都有不同程度明 显降低，总的噪声响度下降了 15. 66sone，总的噪声尖锐度下降了 0. 155acum, 但为了调节车内噪声品质使各频段噪声响度和尖锐度降低的程度不同。在汽车 以其它车速行驶时，总的噪声响度和尖锐度也有类似降低。综合来看，噪声响 度可降低约22°/。~33%，噪声尖锐度可降低约8°/。~13%，显然车内声品质将因 此获得改善。随后组织了 30名评价者对实施主动控制前后驾驶员耳旁噪声信号 进行主观评价，统计结果表明，评价者认为控制后的车内声品质明显优于控制 前，车内噪声的烦躁度等级降低了 2.5~5.0级。
下面结合附图对本发明作进一步的说明
图1用于表述车内声品质自适应主动控制系统的硬件结构和计算机程序两 方面发明点内容的结构原理示意图2是采用本发明所述的车内声品质自适应主动控制系统控制某车型车内 噪声 一个实施例的结构原理示意图3用于表述车内声品质自适应主动控制系统的硬件结构发明点内容的结 构原理示意图；图4是采用本发明所述的车内声品质自适应主动控制系统控制某车型车内
噪声 一个实施例所获得的噪声特征响度的对比曲线图5是采用本发明所述车内声品质自适应主动控制系统控制某车型车内噪 声 一个实施例所获得的噪声特征尖锐度的对比曲线图6是采用本发明所述的车内声品质自适应主动控制系统控制车内噪声的 流程框图中l.声品质自适应主动控制装置，la.噪声信号辨识预处理单元，lb. 核心控制单元，2.残余噪声信号采集装置，2a.第一误差传声器，2b.第二误差 传声器，2c.误差信号前置放大器，3.次级声源装置，3a.第一扬声器，3b.第二 扬声器，4.振动信号采集装置，4a.第一加速度传感器，4b.第二加速度传感器， 4c.第三加速度传感器，4d.第四加速度传感器，4e.第五加速度传感器，4f.振 动信号采集前置放大器，11.第一i 各A/D转换;模块，12.初始声信号辨识单元， 13.误差声通道估计单元，14.声品质监测和增益系数选择单元，15.车身地 板，16.声功率放大器，17.D/A转换模块，18.第二路A/D转换模块，20.第 一频率选择滤波器，21.第一LMS算法单元，22.第一权系数调整单元，23.第 二频率选择滤波器，24.第二LMS算法单元，25.第二权系数调整单元，26.混 合信号微控制器，27.发动机机体。
下面结合附图对本发明作详细的描述
本发明的宗旨是为了弥补传统车内噪声控制手段无法有效改善车内声品质 的不足，提出一种能够在车辆行驶工况变化时自适应跟踪车内噪声变化、对影 响车内声品质不同频段噪声有选择地进行控制，达到有针对性地降低车内噪声
响度和尖锐度，从而有效改善车内声品质的自适应主动控制方法。同时构建了 采用这种方法的车内声品质自适应主动控制系统。
一.车内声品质自适应主动控制系统的结构组成
参阅图1至图3,车内声品质自适应主动控制系统是由硬件和软件两大部 分所组成。硬件部分是由声品质自适应主动控制装置1、残余噪声信号采集装 置2、次级声源装置3和振动信号采集装置4共四部分所组成。残余噪声信号 采集装置2、次级声源装置3和振动信号采集装置4分别和声品质自适应主动 控制装置1电连接。其中，声品质自适应主动控制装置1是由型号为c8051F121 的芯片即混合信号微控制器26和声功率放大器16组成，型号为c8051F121的 芯片即混合信号微控制器26中包括有高速8051微控制器内核、第一路A/D转 换模块ll、 D/A转换模块17和第二路A/D转换模块18。声功率放大器16的输 入端与D/A转换模块17的输出端电连接，声功率放大器16的输出端和次级声 源装置3的输入端采用电连接；第一路A/D转换模块11的输入端与振动信号采 集装置4中的振动信号采集前置放大器4f的输出端电连接；第二路A/D转换模块18的输入端和残余噪声信号采集装置2中的误差信号前置放大器2c的输出 端电连接。
计算机程序部分是由能够执行改善车内声品质的自适应主动控制方法的组 成功能^t块架构装置的噪声信号辨识预处理单元la和核心控制单元lb组成。 将它们载入型号为c8051F121的芯片中的高速8051樣i控制器内核中，噪声信号 辨识预处理单元la和核心控制单元lb之间依次采用片上数据线连接。计算机 程序首先对来自振动信号采集装置4且经过第一路A/D转换模块11转换后的信 号依次进行处理，即经过噪声信号辨识预处理单元la的处理，噪声信号辨识预 处理单元la是车内声品质自适应主动控制系统不可缺少的部分。噪声信号辨识 预处理单元la是由初始声信号辨识单元12和误差声通道估计单元13依次采用 片上数据线连接组成，对经过第一路A/D转换模块11转换后的信号按噪声信号 辨识预处理单元la的组成次序在噪声信号辨识预处理单元la中依次进行处理 后进入核心控制单元lb中。对经过第二路A/D转换模块18转换后的信号也进 入核心控制单元lb中，核心控制单元lb依序对两路信号进行分析运算并实施 控制，即车内声品质自适应主动控制系统的运算控制功能是在型号为c8051F121 的芯片即混合信号微控制器26之中由计算机程序完成，或者说由能够执行改善 车内声品质的自适应主动控制方法的组成功能模块架构装置的噪声信号辨识预 处理单元la和核心控制单元lb实现。
参阅图1,如果从硬件和软件两部分来详细说明声品质自适应主动控制装 置1的组成，那么声品质自适应主动控制装置1主要由型号为c8051F121的芯 片即混合信号微控制器26、声功率放大器16、噪声信号辨识预处理单元la和 核心控制单元lb组成。前面已说过，型号为c8051F121的芯片包括有高速8051 微控制器内核、第一路A/D转换模块11、 D/A转换模块17和第二路A/D转换模 块18。第一路A/D转换模块11的输入端和振动信号采集装置4中的振动信号 采集前置放大器4f的输出端电连接、第一路A/D转换模块11的输出端和噪声 信号辨识预处理单元la的输入端采用片上数据线连接，噪声信号辨识预处理单 元la的输出端和核心控制单元lb的一个输入端采用片上数据线连接。第二路 A/D转换模块18的输入端和残余噪声信号采集装置2中的误差信号前置放大器 2c的输出端电连接，第二路A/D转换模块18的输出端和核心控制单元lb的另 一个输入端采用片上数据线连接。核心控制单元lb的输出端和D/A转换模块 17的输入端采用片上数据线连接，D/A转换模块17的输出端和适配型号为 TA8250汽车的声功率放大器16的输入端电连接，声功率放大器16的输出端和 次级声源装置3的输入端采用电连接，即声功率^:大器16的输出端和第一扬声 器3a与第二扬声器3b的输入端采用电连接。所述的核心控制单元lb包括有第 一频率选择滤波器20和第二频率选择滤波器23、第一 LMS算法单元21和第一LMS算法单元24、 w(n)即第一权系数调整单元22和w(n)即第二权系数调整单 元25以及声品质监测和增益系数选择单元14。上述核心控制单元lb用于实现 频率选择性最小均方算法，其内部具体连接关系如下
第一频率选择滤波器20输入端与误差声通道估计单元13的输出端连接。 第一频率选择滤波器20的输出端与第一 LMS算法单元21和w(n)即第一权系数 调整单元22的输入端相连。声品质监测和增益系数选"^单元14的输入端与第 二路A/D转换电路18的输出端连接。声品质监测和增益系数选择单元14的输 出端信号送至第一 LMS算法单元21;第一 LMS算法单元21根据最小均方误差 算法得到权系数调整结果送至w(n)即第一权系数调整单元22。 w(n)即第一权系 数调整单元22的输出信号送至D/A转换模块17。由上述的第一频率选择滤波 器20、第一LMS算法单元21和第一权系数调整单元22共同组成一个自适应滤 波结构用于生成一路次级声源参考信号。第二频率选择滤波器23输入端与误差 声通道估计单元13的输出端连接；第二频率选择滤波器23的输出端与第一 LMS 算法单元24和w(n)即第二权系数调整单元25相连；声品质监测和增益系数选 择单元14的输入端与第二路A/D转换电路18的输出端连接；声品质监测和增 益系数选择单元14的输出端信号送至第二 LMS算法单元24;第二 LMS算法单 元24根据最小均方误差算法得到权系数调整结果送至w(n)即第二权系数调整 单元25; w(n)即第二权系数调整单元25的输出信号送至D/A转换模块17。由 上述的第二频率选择滤波器23、第二 LMS算法单元24和第二权系数调整单元 25共同组成一个自适应滤波结构用于生成另 一路次级声源参考信号。
型号为c8051F121的芯片内各部分之间、包括装入芯片内的能够执行改善 车内声品质的自适应主动控制方法的组成功能模块架构装置的各部分之间除了 前面已提到的以外均是采用片上数据线连接，而型号为c8051F121的芯片和芯 片以外的其它部分的连接均为电连接。
残余噪声信号采集装置2包括有第一误差传声器2a、第二误差传声器2b、 和误差信号前置放大器2c。第一误差传声器2a、第二误差传声器2b分别和误 差信号前置放大器2c之间通过数据线连接，误差信号前置放大器2c的输出端 与第二路A/D转换模块18的输入端为电线相连接。将第一误差传声器2a与第 二误差传声器2b安装在汽车座椅头枕内，将误差信号前置放大器2c布置在汽 车仪表板内。
次级声源装置3包括有第一扬声器3a与第二扬声器3b。第一扬声器3a与 第二扬声器3b安装在汽车顶棚上分别对应第一误差传声器2a与第二误差传声 器2b,其位置在第一误差传声器2a与第二误差传声器2b的正上方。第一扬声 器3a与第二扬声器3b的输入端与声品质自适应主动控制装置1中的声功率方文 大器16输出端电连接。振动信号采集装置4包括有第一加速度传感器4a、第二加速度传感器4b、 第三加速度传感器4c、第四加速度传感器4d、第五加速度传感器4e与振动信 号采集前置放大器"。第一加速度传感器4a布置于汽车发动机机体27上。第 二加速度传感器4b、第三加速度传感器4c、第四加速度传感器4d和第五加速 度传感器4e布置在车身前后左右四个左右对称悬置点上。第一加速度传感器 "、第二加速度传感器仆、第三加速度传感器化、第四加速度传感器4d和第 五加速度传感器4e分别通过数据线与振动信号采集前置放大器4f的输入端连 接，振动信号采集前置放大器4f的输出端和声品质自适应主动控制装置1中的 第一路A/D转换模块11的输入端电连接。
车内声品质自适应主动控制系统的工作原理
当汽车行驶时，产生在发动机机体27和车身四个对称悬置点位置处的振动 加速度信号分别由第一加速度传感器4a和第二加速度传感器4b、第三加速度 传感器4c、第四加速度传感器4d与第五加速度传感器4e采集得到，经由振动 信号采集前置放大器4f进入声品质自适应主动控制装置1中。这五路加速度信 号经由第一路A/D转换模块11后进入初始声信号辨识单元12,该单元根据上 述振动加速度信号与车内噪声存在强相关性的特点，利用动态Elman递归神经 网络的自学习能力将非声加速度信号经辨识生成车内初级声场噪声参考信号； 再经误差声通道估计单元13对系统运算和信号传递过程中产生的"声延迟，，进 行补偿后，输入到核心控制单元lb中第一频率选^^滤波器20和第二频率选择 滤波器23处理后作为第一权系数调整单元22和第二权系数调整单元25工作时 的参考信号。
与此同时，对称布置于车内前后排座椅头枕内的第一误差传声器2a和第二 误差传声器2b采集到的两路车内噪声信号，即误差信号，经误差信号前置放大 器2c、第二路A/D转换模块18，进入声品质自适应主动控制装置1的核心控制 单元lb中，作为调节第一 LMS算法单元21和第二 LMS算法单元24工作参数的 误差噪声信号。
声品质自适应主动控制装置1的核心控制单元lb作用之一是采用频率选择 性最小均方算法(Frequency Select ive Least Mean Squares, 简写FSLMS ) 获得适宜的次级声源参考信号，此功能由第一频率选择滤波器20和第二频率选 择滤波器23、第一LMS算法单元21和第二LMS算法单元24、第一权系数调整 单元22和第二权系数调整单元25共同完成。频率选择性最小均方算法的突出 特点在于第一、考虑车内前后排座椅处噪声强度与频率特性不同，采用两个 自适应滤波结构分别生成两个次级声源扬声器所需的次级声源信号。在具体工 作时，由第一 LMS算法单元21和第二 LMS算法单元24分别利用振动信号采集 装置4采集的振动加速度信号和残余噪声信号采集装置2采集的误差信号，自适应生成两路次级声源信号分别作用于车内噪声环境，使影响车内声品质的噪 声频段得到削减，提高车内声品质。作用之二是引入了可以选择性确定出特定
频段信号的第一频率选择滤波器20和第二频率选择滤波器23，基于数字滤波 器的带通滤波和相关抵消原理，将振动信号通过噪声信号辨识预处理单元la得 到的车内噪声信号在第一频率选才奪滤波器20和第二频率选择滤波器23中进行 带通滤波，使得通带内影响车内声品质的噪声信号被抵消，而其它频带的信号 被保留，也就使误差信号中主要包含带通数字滤波器的阻带范围内的信号成分， 从而实现频率选择性自适应滤波。第三是采用声品质监测和增益系数选择单元 14监测声品质自适应主动控制效果，并根据控制效果确定适宜的增益系数，利 用得到的增益系数进行的声品质主动控制，^吏核心控制单元lb获得适宜的次级 声源参考信号。具体工作过程中，使对应于不同频段的不同增益系数分别在一 定范围内循环变化，同时监测前后排乘员耳旁残余噪声信号的声品质，当以噪 声响度和噪声尖锐度参量拟合而成的声品质指标达到最佳状态时，即可确定此 刻的各增益系数组合为最优选择，并将结果输入到第一权系数调整单元22和第 二权系数调整单元25中，按此参数进行稳定的车内声品质主动控制。
通过核心控制单元lb运算得出的次级声源参考信号，经由D/A转换模块17 和声功率放大器16,从声品质自适应主动控制装置1中输出，驱动次级声源装 置3即驱动第一扬声器3a和第二扬声器3b发声，来实施车内声品质主动控制， 从而有效改善车内声品质。
综上所述，本发明最终建立了以发动机机体27和4个车身悬置点处的五路 加速度信号为输入，以次级声源装置3即第一扬声器3a和第二扬声器3b发出 的声音信号为输出，并以前后排乘员耳旁处的两路残余噪声信号为反馈的闭环 前馈型车内声品质自适应主动控制系统。
应当说明的是，上面结合1个实施例详细介绍和说明了本发明的结构和工 作原理，但完全可结合不同车型情况做适当的修改和变动，比如振动信号采 集装置4中加速度传感器的个数、具体的布置位置等，残余噪声信号采集装置 2中误差传声器的个数、具体的布置位置等与次级声源装置3中扬声器个数、 具体的布置位置等，这些有限的变动和以振动加速度信号为输入，以次级声源 装置3发出的声音信号为输出，并以残余噪声信号为反馈的闭环前馈型车内声 品质主动控制系统的技术方案相结合，都在本发明权利要求的保护范围内。
二.采用本发明所述的车内声品质自适应主动控制系统控制车内噪声响度 和噪声尖锐度从而提高车内声品质的方法
参见图6， l.在被试的汽车上合理布置车内声品质自适应主动控制系统, 尤其是合理布置车内声品质自适应主动控制系统中的残余噪声信号采集装置2、 次级声源装置3和振动信号采集装置4。1) 在发动机机体27和车身前后左右四个悬置点上方分别布置安装第一加 速度传感器4a和第二加速度传感器4b、第三加速度传感器4c、第四加速度传 感器4d与第五加速度传感器4e。
2 )将第一误差传声器2a和第二误差传声器2b对称布置于前、后排座椅头 枕内。
3 )在汽车顶棚上将第一扬声器3a和第二扬声器3b分别对应前、后排座椅 头枕内的第一误差传声器2a和第二误差传声器2b布置在第一误差传声器2a和 第二误差传声器2b的正上方。
2. 采集五路加速度信号经噪声信号辨识预处理单元la输入到核心控制单 元lb中，经第一频率选择滤波器20和第二频率选择滤波器23处理后作为第一 权系数调整单元22和第二权系数调整单元25工作时的参考信号。
1 )将第 一加速度传感器至第五加速度传感器所测的五路加速度信号经振动 信号采集前置放大器4f转化为电压信号并加以放大。
2) 经第一路A/D转换模块11进入初始声信号辨识单元12,将加速度信号 经辨识后生成初始次级声源噪声参考信号。
3) 经误差声通道估计单元13对系统运算和信号传递过程中产生的"声延 迟"进行补偿。
4 )补偿后信号输入到核心控制单元lb中的第一频率选择滤波器20和第二 频率选择滤波器23进行处理，处理后的信号作为第一权系数调整单元22和第 二权系数调整单元25工作时的参考信号。
3. 当对车内声品质实施主动控制时，在对五路加速度信号采集与处理的同 时，残余噪声信号采集装置2采集两路车内噪声信号进入声品质自适应主动控 制装置1的核心控制单元lb中，作为调节第一 LMS算法单元21和第二 LMS算 法单元24工作参数的误差噪声信号。
1)残余噪声信号采集装置2中的第一误差传声器2a和第二误差传声器2b 采集两路车内噪声信号。
2 )采集的两路残余噪声信号经由误差信号前置放大器2c加以放大。
3 )再经过第二路A/D转换模块18进入声品质自适应主动控制装置1的核 心控制单元lb中，作为调节第一 LMS算法单元21和第二 LMS算法单元24工作 参数的误差噪声信号。
4. 由核心控制单元lb采用频率选择性最小均方算法(FSLMS)获得适宜的 两路输出声信号。
1)由于车内前后排座椅处噪声的声级强度和频率特性不同，由核心控制单 元lb生成两路次级声源信号分别作用于车内前后排座椅处的噪声场，使影响车 内声品质的噪声信号得到削减，其它噪声信号得以保留。2采用第一频率选择滤波器20和第二频率选择滤波器23能够选择性输出 特定频段抵消信号。
3)采用声品质监测和增益系数选择单元14监测车内声品质的自适应主动 控制效果，并根据控制效果确定适宜的增益系数，利用得到的增益系数进行稳 定的车内声品质主动控制，使核心控制单元lb获得适宜的输出声信号。
5.通过核心控制单元lb运算处理获得适宜的输出声信号，经由D/A转换模 块17和声功率放大器16,从自适应主动控制装置1的输出端输出，驱动第一 扬声器3a和第二扬声器3b发声，具体对车内噪声实施声品质主动控制。
权利要求
1.一种车内声品质自适应主动控制系统，车内声品质自适应主动控制系统是由声品质自适应主动控制装置(1)、残余噪声信号采集装置(2)、次级声源装置(3)和振动信号采集装置(4)组成，其特征是残余噪声信号采集装置(2)、次级声源装置(3)和振动信号采集装置(4)分别与声品质自适应主动控制装置(1)为电连接；所述的声品质自适应主动控制装置(1)主要由型号为c8051F121的芯片、声功率放大器(16)、噪声信号辨识预处理单元(1a)与核心控制单元(1b)组成；所述的型号为c8051F121的芯片包括有高速8051微控制器内核、第一路A/D转换模块(11)、D/A转换模块(17)和第二路A/D转换模块(18)；噪声信号辨识预处理单元(1a)和核心控制单元(1b)载入型号为c8051F121的芯片中的高速8051微控制器内核中，噪声信号辨识预处理单元(1a)和核心控制单元(1b)之间采用片上数据线连接；第一路A/D转换模块(11)的输入端和振动信号采集装置(4)中的振动信号采集前置放大器(4f)的输出端电连接，第一路A/D转换模块(11)的输出端和噪声信号辨识预处理单元(1a)的输入端在芯片内采用片上数据线连接，噪声信号辨识预处理单元(1a)的输出端和核心控制单元(1b)的一个输入端在芯片内采用片上数据线连接；第二路A/D转换模块(18)的输入端和残余噪声信号采集装置(2)中的误差信号前置放大器(2c)的输出端为电连接，第二路A/D转换模块(18)的输出端和核心控制单元(1b)的另一个输入端采用片上数据线连接；核心控制单元(1b)的输出端和D/A转换模块(17)的输入端采用片上数据线连接，D/A转换模块(17)的输出端和声功率放大器(16)的输入端为电连接，声功率放大器(16)的输出端和次级声源装置(3)的输入端为电连接。
2. 按照权利要求1所述的车内声品质自适应主动控制系统，其特征是所述 的残余噪声信号采集装置(2)主要由第一误差传声器(2a)、第二误差传声器(2b)与误差信号前置放大器(2c)组成;第一误差传声器(2a)、第二误差传声器(2b)分别与误差信号前置放大器(2c)为电连接，误差前置放大器(2c)的输出端和声品质自适应主动控制装 置(1)中的第二路A/D转换电路(18 )的输入端为电连接，第一误差传声器(2a ) 与第二误差传声器(2b )安装在汽车座椅头枕内。
3. 按照权利要求1所述的车内声品质自适应主动控制系统，其特征是所述 的次级声源装置(3)主要由第一扬声器(3a)与第二扬声器(3b)组成；第一扬声器(3a)和第二扬声器(3b)安装在汽车顶棚上分别对应第一误 差传声器Ua)和第二误差传声器(2b)，其位置在第一误差传声器(2a)和第二误差传声器(2b)的正上方，第一扬声器(3a)与第二扬声器(3b)的输入 端与声品质自适应主动控制装置(1)中的声功率放大器(16)的输出端为电连 接。
4. 按照权利要求1所述的车内声品质自适应主动控制系统，其特征是所述 的振动信号采集装置(4)主要由第一加速度传感器(4a)、第二加速度传感器(4b)、第三加速度传感器(化)、第四加速度传感器(4d)、第五加速度传感器 (4e)和振动信号采集前置放大器(4f )组成；第一加速度传感器(4a )布置 于汽车发动机机体(27 )上，第二加速度传感器(4b )、第三加速度传感器(4c )、 第四加速度传感器(4d)和第五加速度传感器(4e)则布置在车身四个悬置点 上；第一加速度传感器(4a)、第二加速度传感器(4b)、第三加速度传感器(4c )、 第四加速度传感器(4d)、第五加速度传感器(4e)分别与振动信号采集前置放 大器(4f )的输入端为电连接，振动信号采集前置放大器(4f)的输出端和声 品质自适应主动控制装置(1)中的第一路A/D转换电路(11)的输入端为电连 接。
5. 按照权利要求1所述的车内声品质自适应主动控制系统，其特征是所述 的噪声信号辨识预处理单元(la)包括初始声信号辨识单元(12 ),根据由第一路A/D转换模块(11 )转换后的振 动加速度信号与车内噪声存在强相关性的特点，利用动态Elman递归神经网络 的自学习能力将非声加速度信号经辨识生成初始噪声参考信号。误差声通道估计单元(13),对系统运算和信号传递过程中产生的"声延迟，， 进行补偿，补偿后的信号输入到核心控制单元(lb )中第一频率选择滤波器(20 ) 和第二频率选捧滤波器(23)作为两个自适应滤波器工作时的参考信号。初始声信号辨识单元(12)和误差声通道估计单元(13)采用片上数据线 连接。所述的核心控制单元(lb )包括第一频率选择滤波器(20 )和第二频率选择滤波器(23 )、第一 LMS算法单 元(21)和第二 LMS算法单元(24 )、第一权系数调整单元(22 )和第二权系数 调整单元(25 )，它们共同采用频率选择性最小均方算法经迭代计算获得适宜的 次级声源参考信号。声品质监测和增益系数选择单元(14 )，用来监测车内声品质自适应主动控 制效果，并根据控制效果确定适宜的增益系数。
6. —种采用权利要求1所述的车内声品质自适应主动控制系统控制车内声 品质的方法，其特征是控制车内声品质的方法包括如下步骤1)在被测的汽车上合理布置车内声品质自适应主动控制系统，尤其是合理 布置残余噪声信号采集装置(2 )、次级声源装置(3 )和振动信号采集装置(4 );2 )采集五路振动加速度信号经噪声信号辨识预处理单元(la )处理后生成 初始次级声源信号，并输入到核心控制单元(lb)中作为第一频率选4奪滤波器 (20)和第二频率选择滤波器(23)工作时的参考信号；3) 当对车内声品质实施主动控制时，在对五路加速度信号采集与处理的同 时，残余噪声信号采集装置(2)采集两路车内噪声信号进入声品质自适应主动 控制装置(1)的核心控制单元(lb)中，作为调节第一LMS算法单元(21)和 第二LMS算法单元(24)工作参数的误差噪声信号；4) 由核心控制单元(lb)将参考信号和误差噪声信号作为输入，采用频率 选择性最小均方算法获得并输出适宜的次级声源参考信号；5 )通过核心控制单元(lb )运算处理获得适宜的次级声源参考信号，经由 D/A转换模块(17)和声功率放大器(16),从声品质自适应主动控制装置(1) 的输出端输出，驱动第一扬声器(3a)和第二扬声器(3b)发声，来实施车内 声品质主动控制。
7. 按照权利要求6所述的采用车内声品质自适应主动控制系统控制车内声 品质的方法，其特征是所述的采集五路加速度信号经噪声信号辨识预处理单元(la)处理后输入到核心控制单元(lb)中作为第一频率选择滤波器(20)和 第二频率选择滤波器(23)工作时的参考信号还包括如下步骤1)将第一加速度传感器(4a )至第五加速度传感器(4e )所测的五路加速 度信号经振动信号采集前置放大器(4f )转化为电压信号并加以放大；2 )经第一路A/D转换模块(11)进入初始声信号辨识单元(12 ),将加速 度信号辨识后生成初始车内噪声参考信号；3)经误差声通道估计单元(13)对系统运算和信号传递过程中产生的"声 延迟"进行补偿；4 )补偿后信号输入到核心控制单元(lb)中作为第一频率选择滤波器(20 ) 和第二频率选捧滤波器(23)工作时的参考信号。
8. 按照权利要求6所述的采用车内声品质自适应主动控制系统控制车内声 品质的方法，其特征是所述的残余噪声信号采集装置(2)采集两路车内噪声信 号进入声品质自适应主动控制装置(1)的核心控制单元(lb)中，作为调节第 一 LMS算法单元(21)和第二 LMS算法单元(24 )工作参数的误差噪声信号还 包括如下步骤1) 残余噪声信号采集装置(2)中的第一误差传声器(2a)和第二误差传 声器(2b)采集车内前后两路噪声信号；2) 采集的两路残余噪声信号经由误差前置放大器(2c)加以放大；3 )再经过第二路A/D转换模块(18 )进入声品质自适应主动控制装置(1) 的核心控制单元(lb)中，经过对实施控制后的车内噪声品质分析评价，作为调节第一 LMS算法单元(21 )和第二 LMS算法单元(24 )工作参数的误差噪声 信号。
9.按照权利要求6所述的采用车内声品质自适应主动控制系统控制车内声 品质的方法，其特征是所述的由核心控制单元(lb)釆用频率选择性最小均方 算法获得适宜的两路输出声信号还包括如下步骤1) 由核心控制单元(lb)生成两^^次级声源信号分别作用于车内前后排座 椅处的噪声场，使影响车内声品质的噪声信号得到削减，其它噪声信号得以保 留；2) 采用第一频率选择滤波器(20)和第二频率选择滤波器(23)能够选择 性输出特定频段抵消信号；3) 采用声品质监测和增益系数选择单元U4)监测车内声品质自适应主动 控制效果，并根据控制效果确定适宜的增益系数，利用得到的增益系数进行稳 定的声品质主动控制，4吏核心控制单元(lb)获得适宜的次级声源参考信号。
全文摘要
本发明公开了一种车内声品质自适应主动控制系统和方法。车内声品质自适应主动控制系统由声品质自适应主动控制装置(1)、残余噪声信号采集装置(2)、次级声源装置(3)和振动信号采集装置(4)组成。残余噪声信号采集装置(2)、次级声源装置(3)和振动信号采集装置(4)分别与声品质自适应主动控制装置(1)电连接。构成以发动机机体(27)和车身悬置点处五路加速度信号为输入、次级声源装置(3)发出的声音信号为输出和两路残余噪声信号为反馈的闭环前馈型车内声品质自适应主动控制系统。本发明还提供一种能够在车辆行驶工况变化时自适应跟踪车内噪声变化，对影响车内声品质的不同频段噪声有选择地进行控制的自适应主动控制方法。
文档编号B60R16/02GK101552939SQ20091006696
公开日2009年10月7日 申请日期2009年5月13日 优先权日2009年5月13日
发明者刘宗巍, 姜吉光, 宋学伟, 曹晓琳, 杰 梁, 王峻廷, 王登峰, 鑫 陈, 静 陈, 陈书明, 马天飞 申请人:吉林大学