车内发动机多音效主动控制系统的制作方法

本发明涉及汽车车内声的主动控制技术，尤其涉及到一种可实现发动机多种音效的车内声主动控制系统。

背景技术：

在噪声法规趋于严格以及市场竞争日益剧烈的背景下，车内噪声控制是汽车厂商非常关心的问题。长期以来，噪声控制效果评价是基于声级的，但声级仅显示声音在物理意义上的强弱，与实际听觉感受并不完全一致。上世纪九十年代，国际上引入声品质的概念来研究车辆声学问题。声品质从主观和客观两方面表述人对声音的感受，对声音的描述更全面更真实。

近来，人们已经认识到人耳对声音的感知具有多维度属性，听觉感受可分解成在空间里正交的各个维度。在汽车声品质工程中，车内声可归结为舒适感、动力感和运动感三个维度，它们的声学特点是：舒适感的声音以发火阶次及其谐波阶次为主导，半阶成分少；动力感声音的低频成分多，以发火阶次为主导，有部分半阶成分，给人感觉力量充足、响应快速；运动感声音有较多高频成分、声音明亮，发火阶次与其谐波阶次成分量级差不多，没有占绝对主导的阶次。

从汽车用户层面看，乘员对车内声音的感受是主观的，其偏好具有多样性。例如，很多用户喜欢车内低音的豪华感，也有相当数量的人偏好动力感和运动感的声音。车内声以前被看成是对车内环境的一个负面的污染，但从声品质的角度来说，车内声也具有正面效果，对驾驶起到积极的反馈作用，既为驾驶员提供车速、加速度等车辆状态信息，也可提供动力感、轻松感等驾乘体验。因此，车内声的控制有必要考虑不同群体乘员的主观感受和个性化需求。

在竞争激烈的市场环境下，产品性能的独特性与吸引力对品牌成功极为关键。当今的汽车的噪声水平比以前已大为下降，各厂商正将目光转向车内声音品质的性能开发，将其作为体现产品特色和提高竞争优势的重要一环。声品质的重要性在于它反映产品设计与制造水平，是用户形成汽车质量好坏印象的重要因素，影响用户的购买决定。当前车内声音控制的目标是使车内声具有良好的听觉舒适性和驾驶互动性，甚至能够针对不同消费群体的听觉偏好，提供具有相应听觉感受的产品，形成汽车声音的品牌印象和特色，提高产品的市场吸引力和竞争力。

实现上述目标需要相应的技术手段，车内噪声控制技术分为被动控制和主动控制两种。被动控制方法主要为改进车身结构和加装隔声、吸声材料，存在以下不足：出发点多为避免结构在某些频率产生声学问题，对声音听觉效果的控制程度十分有限；加装隔声、吸声材料的处理方法低频效果差，且一定程度增加车重，不利于节能。主动噪声控制通过引入次级源发出振幅相同、相位相反的声波来抵消原有噪声，与被动控制相比，具有控制频带宽、重量轻、控制针对性强等优势，上世纪九十年代开始被尝试用于汽车车内噪声，目前在一些高档车型已有装车实用。

已有的车内主动控制技术以发动机发火频率声音成分为控制对象，降低车内车内噪声水平，虽然可以达到降低噪声音量来改善听觉舒适性的目的，但一定程度也减弱了车内声与汽车运动状态的关联性，弱化了发动机声在提供车辆状态信息和驾驶互动性方面的正面反馈作用。从车内声品质感受具有多维度属性角度来看，现有车内主动控制技术只涉及舒适性一个听感维度的控制和改善，对声音的驾驶动力感及运动感维度的提升是无效的，甚至还有负面影响，忽略了声品质感受的多维度属性，无法满足汽车用户对汽车声音的多样化需求。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种通过削弱或添加恰当阶次的发动机声成分的方式获得“舒适型”、“动力型”和“运动型”三种车内音效的车内声主动控制系统，实现在一种车型能够满足不同客户人群声音偏好的功能。

本发明是通过如下技术方案得以实现的：

一种车内发动机多音效主动控制系统，该系统包括发动机转速传感器、传声器、传声器前置放大器、加速踏板位置传感器、发动机多音效控制器、扬声器、功率放大器和人机交互模块；所述发动机转速传感器、加速踏板位置传感器和传声器采集的信号输入到发动机多音效控制器进行处理后经功率放大器输出到扬声器；

所述人机交互模块与发动机多音效控制器连接，用来选择多音效控制器输出到扬声器的音效模式；

所述发动机多音效控制器包括多音效处理模块，多音效处理模块生成与驾驶员选择音效模式相对应的控制信号。

进一步的，所述多音效处理模块包括阶次信号生成器、发火阶自适应控制模块、动态增益调节器和控制信号选择模块；

所述发火阶自适应控制模块接收发火阶子模块与传声器的信号；

动态增益调节器接收阶次组子模块发出的阶次组信号与加速踏板位置信号；

发火阶自适应控制模块与动态增益调节器将信号传递给控制信号选择模块；

所述阶次信号生成器包括发火阶子模块和阶次组子模块；所述发火阶子模块和阶次组子模块并联设置，且均接收发动机转速传感器产生的转速脉冲信号；

发火阶子模块生成频率等于发动机发火频率的发火阶信号；阶次组子模块生成由若干个发动机整数阶或者若干个发动机半阶信号叠加而成的阶次组信号。

进一步的，所述阶次组子模块包括k个阶次生成器和信号合成器，每个阶次生成器可以生成频率等于发动机转动频率的n倍或n+0.5倍(n＝1,2,3,4,5,...)的正弦信号，分别称为整数阶信号和半阶信号，它们的频率各不不同，经过信号合成器叠加合成后得到的信号称为阶次组信号，阶次组信号是阶次组子模块的输出。

进一步的，所述控制信号选择模块包括j个相同子模块；每个子模块有三个输入端和一个输出端，其中两个输入端分别与自适应控制模块和动态增益调节器连接，输入发火阶控制信号和阶次组控制信号，另一个输入来自人机交互模块的操控指令和数据。

进一步的，多音效处理模块采用数字信号处理核心板作为硬件载体，软件架构由阶次信号生成器、发火阶自适应控制模块、动态增益调节器、控制信号选择模块构成，多音效处理模块的计算程序载入数字信号处理核心板，数字信号处理核心板负责控制算法运行和生成控制信号。

进一步的，发动机转速传感器安装在发动机曲轴前端或凸轮轴处，与发动机多音效控制器的一个输入端电连接；传声器安装在座椅头枕或靠近乘员头部的顶棚上，与传声器前置放大器的输入端电连接，传声器前置放大器的输出端与发动机多音效控制器的一个输入端电连接；加速踏板位置传感器安装在加速踏板转轴内，与发动机多音效控制器的一个输入端电连接；扬声器安装在两侧车门或顶棚，与功率放大器的输出端电连接，功率放大器的输入端与发动机多音效控制器的输出端电连接。

进一步的，人机交互模块以汽车的触控式中控台作为实现平台，包括触控屏和控制单元两部分；触控屏负责产生驾驶员触控操作信号，屏幕交互界面有“舒适型”、“动力型”、“运动型”三种音效模式可选；控制单元中载有发动机音效选择应用程序，负责对触控信号进行分析处理，向发动机多音效控制器输出操控指令和数据。

进一步的，控制信号选择模块，依据人机交互模块的操控指令和数据，在发火阶控制信号和阶次组控制信号之间选择一个作为输出，实现“舒适型”、“动力型”或“运动型”三种音效的控制信号输出，当驾驶员选择“舒适型”时，输出发火阶控制信号，当选择“动力型”或“运动型”时，则输出与之对应的阶次组控制信号。

进一步的，发火阶自适应控制模块负责根据发火阶信号和传声器信号进行运算处理，输出发火阶控制信号。

进一步的，动态增益调节器负责根据加速度位置信号的强度实时改变阶次组信号增益的大小，输出阶次组控制信号。

进一步的，发动机多音效控制器，还包括a/d转换模块、通讯接口和d/a转换模块；a/d转换模块接收与转换发动机转速传感器、传声器前置放大器、加速度位置传感器输入的信号；通讯接口接收人机交互模块输入的操控信号和数据；d/a转换模块向功率放大器输出控制信号。

一种车辆，该车辆包括车内发动机多音效主动控制系统。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下创新和显著优势：

1)基于乘员对车内声听觉感受具有多维度属性的事实，提出了可改善多个维度听觉感受的车内音效主动控制系统。

2)不仅具有现有主动控制技术削弱原声的“减法式”控制方式，还具备增添有益声音成分的“加法式”控制方式，可更灵活更有效地实现所需要的听觉效果。

3)可通过一套系统以较低成本实现“舒适型”“动力型”“运动型”三种发动机车内音效模式。

4)考虑了驾乘人员对声音感受具有主观性，能够满足不同人群对车内声的偏好和需求，提升驾驶互动性和体验，从声品质角度提高汽车产品的品牌竞争力和吸引力。

5)为车内声学设计目标的实现提供一项有效方法和实现手段，拓宽声学工程师的设计自由度。

附图说明

图1为车内发动机多音效主动控制系统结构图；

图2为发动机多音效控制器结构图；

图3为2个传声器和2个扬声器的发动机车内多音效主动控制系统结构图。

附图标记如下：

1-发动机转速传感器，2-加速踏板位置传感器，3-传声器，3a-传声器一，3b-传声器二，4-传声器前置放大器，4a-传声器前置放大器一，4b-传声器前置放大器二，5-扬声器，5a-扬声器一，5b-扬声器二，6-功率放大器，6a-功率放大器一，6b-功率放大器二，7-发动机多音效控制器，8-人机交互模块，9-触控屏，10-人机交互模块控制单元，11-a/d转换模块，11a-a/d转换器一，11b-a/d转换器二，11c-a/d转换器三，11d-a/d转换器四，12-多音效处理模块，13-d/a转换模块，13a-d/a转换器一，13b-d/a转换器二，14-通讯接口，15-阶次信号生成器，16-发火阶自适应控制模块，17-动态增益调节器，18-控制信号选择模块，18a-控制信号选择模块一，18b-控制信号选择模块二，19-发火阶子模块，20-阶次组子模块，21-阶次组子模块阶次生成器，22-信号合成器，w1、w2分别为自适应控制模块两个通道的控制器权系数矢量，lms为最小均方算法模块，为第i个扬声器到第j个传声器的传声通道模型。

具体实施方式

如附图1所示，车内发动机多音效主动控制系统包括发动机转速传感器1、加速踏板位置传感器2、i个传声器3、i个传声器前置放大器4、j个扬声器5、j个功率放大器6、发动机多音效控制器7和人机交互模块8。

发动机转速传感器1安装在发动机曲轴前端或凸轮轴处，它的输出端与发动机多音效控制器7的一个输入端电连接；传声器3安装在座椅头枕或靠近乘员头部的顶棚上，传声器3的数量根据所需声场控制范围和系统成本综合选取，每个传声器3与一个传声器前置放大器4的输入端电连接，传声器前置放大器4的输出作为发动机多音效控制器的一项输入，共有i路。

加速踏板位置传感器2安装在加速踏板转轴内，与发动机多音效控制器7的一个输入端电连接。

扬声器5安装在两侧车门或顶棚，扬声器的数量根据所需的声场控制范围和系统成本综合选取，扬声器5与功率放大器6的输出端电连接，功率放大器6的输入端与发动机多音效控制器7的输出端电连接。

人机交互模块8包含触控屏9和控制单元10两部分，以汽车的触控式中控台作为实现平台，在控制单元10中载有发动机音效选择应用程序。驾驶员通过触控屏对系统进行操控，屏幕交互界面有“舒适型”、“动力型”、“运动型”三种音效模式可以选择。触摸屏将触控信号发送到人机交互模块控制单元进行分析处理，输出包含驾驶员操作意图的操控指令和数据。

如附图2所示，发动机多音效控制器包括a/d转换模块11、多音效处理模块12、d/a转换模块13和通讯接口14。多音效处理模块采用数字信号处理核心板作为硬件载体，与a/d转换模块、d/a转换模块和通讯接口之间都用数据线连接。多音效处理模块软件架构由阶次信号生成器15、发火阶自适应控制模块16、动态增益调节器17、控制信号选择模块18构成，架构的计算程序载入数字信号处理核心板，实现控制算法运行和生成控制信号的功能。

发动机多音效控制器共有i+3路输入和j路输出，具体如下：a/d转换模块有i路输入端与i个传声器前置放大器输出端对应电连接，1路输入端与发动机转速传感器电连接，1路输入端与加速踏板位置传感器输入端电连接；通讯接口的输入端与人机交互模块的输出端用串口线缆连接；d/a转换模块的j路输出端与j个功率放大器的输入端电连接。

阶次信号生成器15由发火阶子模块19和阶次组子模块20两部分构成，它们的输入相同，来自发动机转速传感器产生的转速脉冲信号。发火阶子模块生成发火阶信号，即频率等于发动机发火频率正弦信号。发火阶子模块的输出端与发火阶自适应控制模块的一个输入端相连。阶次组子模块包含k个阶次生成器21和1个信号合成器22，每个阶次生成器可以生成频率等于发动机转动频率的n倍或n+0.5倍(n＝1,2,3,4,5,...)的正弦信号，分别称为整数阶信号和半阶信号，它们的频率各不不同，经过信号合成器叠加合成后得到的信号称为阶次组信号，阶次组信号是阶次组子模块的输出，也是动态增益调节器18的一个输入。

阶次组子模块20中阶次生成器个数k根据需要来选取，建议取3～6个。各阶次生成器根据发动机转速脉冲信号以及人机交互模块传来的操控指令和数据，生成与选定音效模式对应的整数阶信号或半阶信号(选择舒适型模式时，阶次组子模块输出为0)。在设计阶次组子模块时，可通过主观和客观评价方式考察各个阶次及其组合对动力感和运动感两种听觉效果的影响，最终选定两种音效所需的具体阶次。建议按以下原则选取需要的生成阶次：对于动力感音效模式，选择发火阶附近的若干个半阶信号，对于运动感音效模式，选择阶次序数较高的若干个发火频率谐波阶。

发火阶自适应控制模块16需要两项输入，一项是参考信号，来自发火阶子模块19，另一项是误差信号，来自传声器经过a/d转换模块传来的信号。发火阶自适应控制模块16内置最小均方算法(lms，leastmeansquare)，经过运算处理得到发火阶控制信号，输入到控制信号选择模块。

动态增益调节器17的一个输入端与阶次生成器的阶次组子模块20连接，接收的是阶次组信号，另一个输入端与a/d转换模块11的一路输出端连接，接收的是加速度位置信号。动态增益调节器17根据加速度位置信号的强度实时改变阶次组信号增益的大小，其输出称为阶次组控制信号。动态增益调节器17可使阶次组控制信号强度实时跟踪汽车的速度变化，增强车内声与汽车状态的关联性。

控制信号选择模块18由j个相同子模块组成，每个子模块有三个输入端和一个输出端，其中两个输入端分别与发火阶自适应控制模块16和动态增益调节器17连接，输入发火阶控制信号和阶次组控制信号，另一个输入来自人机交互模块8的操控指令和数据。选择子模块依据人机交互模块的操控指令和数据，在发火阶控制信号和阶次组控制信号两者之间选择一个作为输出，实现三种音效模式的控制信号的输出：当驾驶员选择“舒适型”音效时，输出发火阶控制信号，当选择“动力型”或“运动型”音效时，则输出与之对应的阶次组控制信号。不同音效模式的控制信号经过d/a转换模块和功率放大器，驱动扬声器发声获得不同音效的车内声。

下面以安装在4缸4冲程发动机的轿车上，采用2个传声器和2个扬声器的双通道车内发动机音效控制系统为例，介绍本发明的实施过程。

如附图3所示，该系统硬件部分包括发动机转速传感器1、加速踏板位置传感器2、传声器一3a、传声器二3b、传声器前置放大器一4a、传声器前置放大器二4b、扬声器一5a，扬声器二5b，功率放大器一6a、功率放大器二6b、人机交互模块8以及由a/d转换器一11a、a/d转换器二11b、a/d转换器三11c、a/d转换器四11d、多音效处理模块12、d/a转换器一13a、d/a转换器二13b、和通讯接口14构成的发动机多音效控制器。

传声器一和传声器二逐一布置在前排驾驶和副驾驶座椅的头枕内，分别与传声器前置放大器一和传声器前置放大器二电连接，两个前置放大器布置在汽车仪表板内，它们的输出端与对应的a/d转换器的输入端电连接。

发动机转速传感器安装在发动机曲轴前端，它的输出端与a/d转换器三的输入端电连接。

加速踏板位置传感器安装在加速踏板的转轴内，它的输出端与a/d转换器四的输入端电连接。

扬声器一和扬声器二分别布置在左右两侧前门内，分别由功率放大器一和功率放大器二驱动，两个功率放大器的输入端分别电连接到d/a转换器一和d/a转换器二对应的输出端。

a/d转换模块由4个a/d转换器组成，分别接收发动机转速传感器、2个传声器和加速踏板位置传感器传送过来的4路信号，它们的输出端与多音效处理模块的输入端用数据线连接。除了上述4个输入端，多音效处理模块另外有一个输入端与通讯接口用数据线连接，接收人机交互模块传送过来的操控指令和数据。多音效处理模块有两个输出端连接到两个d/a转换器，输出两路控制信号到功率放大器一和功率放大器二。

人机交互模块8以汽车中控台为实现平台进行功能扩展，包括触控屏9和控制单元10两部分，控制单元载有发动机音效选择应用程序，驾驶员通过触摸屏输入所选择的音效模式，触摸屏的输出端接入控制单元，控制单元的输出端与发动机多音效控制器的通讯接口输入端用串口线缆连接。

多音效处理模块12的硬件平台是数字信号处理核心板，软件架构由阶次信号生成器15、发火阶自适应控制模块16、动态增益调节器17、控制信号选择模块18构成。

阶次信号生成器的输入端与发动机转速传感器的a/d转换器输出端用数据线连接，接收发动机转速脉冲信号。阶次信号生成器分成发火阶子模块19和阶次组子模块20两部分。发火阶子模块生成发火阶信号，本示例中搭载4缸4冲程发动机，发火阶频率为2阶次，故生成的发火阶信号是发动机2阶次信号。阶次组子模块设置有3个阶次生成器21，可产生3个不同阶次的信号，它们经过合成器22叠加生成阶次组信号。基于发动机转速脉冲信号和人机交互模块传来的操控指令和数据，3个阶次生成器的产生的阶次是可变的，当驾驶员选择“动力型”模式时，阶次组子模块生成1.5、2.5、3.5三阶合成信号，当选择“运动型”模式时则生成4、6、8三阶合成信号，当选择“舒适型”模式时，阶次组子模块不生成任何阶次的信号，输出为0。应当说明的是，上述阶次组合仅为参考示例，具体实施时，可根据不同型号发动机特点对以上阶次数目和组合进行调整。

发火阶自适应控制模块为双通道，采用lms自适应算法，参考信号为发火阶信号。对于第一个通道，为了补偿扬声器至传声器传输通道造成的延迟，发火阶信号要分别经过和滤波(为扬声器一至传声器一的传声通道模型，为扬声器一至传声器二的传声通道模型，可通过离线实测得到)得到的两个信号输入一个lms模块，lms模块的另外两个输入端与a/d转换器一和二连接，接收两路传声器信号作为自适应控制的误差信号，lms模块的计算结果用于实时更新第一通道的控制器权系数矢量w1。自适应控制模块的第一通道产生扬声器一的发火阶控制信号，其输出端与控制信号选择模块一18a的一个输入端连接。同理，自适应控制模块第二通道生成扬声器二的发火阶控制信号，其输出端与控制信号选择模块二18b的一个输入端连接。

动态增益调节器的17两个输入端与阶次信号生成器的阶次组子模块和a/d转换器四11d连接，分别接收阶次组信号和加速踏板位置信号。阶次组信号的增益大小动态改变，实时跟随加速踏板位置传感信号强度的变化。动态增益调节器的输出是阶次组控制信号，接入控制信号选择模块的一个输入端。

控制信号选择模块有两个，其中的控制信号选择模块一18a根据人机交互模块的操控指令，在扬声器一发火阶控制信号和阶次组控制信号当中选择一路作为扬声器一的控制信号并接入到a/d模块一13a。类似的，控制信号选择模块二18b在扬声器二发火阶控制信号和阶次组控制信号当中选择一路，作为扬声器二的控制信号，接入到a/d模块二13b。当驾驶员选择不同音效模式时，控制信号选择模块则切换输出对应的控制信号，具体如表1所示。

表1各种音效模式下控制信号选择模块的输出

表中，a1—自适应控制模块生成的扬声器一发火阶控制信号；a2—自适应控制子模块生成的扬声器二发火阶控制信号；b—1.5、2.5、3.5阶构成的阶次组控制信号；c—4、6、8阶构成的阶次组控制信号。

本发明的工作过程为：发动机转速传感器测得的发动机转速脉冲信号输入到发动机多音效控制器的阶次信号生成器。阶次信号生成器的发火阶子模块生成发火阶信号，该信号作为参考信号输入发火阶自适应控制模块，与此同时，传声器测得的车内声信号经过传声器前置放大器和a/d模块后输入到发火阶自适应控制模块作为它的误差信号。发火阶自适应控制模块运行lms控制算法，得到用于削弱发动机发火阶频率成分的发火阶控制信号。阶次信号生成器的阶次组子模块基于发动机转速脉冲信号和来自人机交互模块的操控指令和数据，生成与所选音效模式对应的阶次组信号，并将其传送到动态增益调节器进行处理，增益的大小随加速度位置信号强度的变化而改变，增益调节器的输出是阶次组控制信号。发火阶控制信号和阶次组控制信号都输入到控制信号选择模块，该模块根据人机交互模块传来的操控指令和数据，对控制信号进行选择，最终得到所选音效的控制信号，该控制信号经过d/a转换模块，由功率放大器驱动扬声器向车内发声，得到所需要的发动机音效。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。