区域个性化汽车主动噪声控制系统的制作方法

本发明涉及汽车主动噪声控制技术，提供一种可在各个座椅头部区域实现多种可选控制效果，满足车内不同乘员个性化声音需求的汽车主动噪声控制系统。

背景技术：

汽车车内噪声控制技术分为被动控制和主动控制两类。被动噪声控制主要采用在汽车上安装隔声、吸声材料的方式，降噪频段有限，且一定程度上增加汽车质量，增大汽车的能耗。上世纪九十年代，人们开始研发车内主动噪声控制(activenoisecontrol，anc)系统，该技术具有控制频段宽、质量小、布置灵活、控制针对性等优点，目前在一些高配车型(多为乘用车)已有装车实用。

现有的anc系统在车内若干位置(如座椅头靠或乘员头部对应车顶处)布置传声器，扬声器与原音响系统共用，控制系统采用集中式控制，系统的作用目标是在各传声器位置附近实现降噪区，这种集中控制式anc的特点是，所有控制区域的控制效果相同，换言之，位于车内不同座椅上的乘员，所能感受到的听觉效果是一样的。然而，包含驾驶员在内，车内经常是不止一个人员，由于年龄、职业、性别的不同，他们对车内声音的偏好具有多样化的特点。显然，现有的集中式anc系统无法满足同车的各个乘员的不同声音偏好，而这种差异化的声音需求在实际驾乘场合是经常存在的。例如，驾驶车辆的是一位年轻的男性驾驶员，他喜欢响亮、兴奋具有运动感的声音，如果同车是一位年长者，则很有可能对这种声音有不安全感，产生一定的不适。

长期以来，人们对车内噪声非常关注，上世纪九十年代，国际上引入声品质的概念来研究车辆噪声问题。研究者们采用很多的描述词对车内噪声进行描述和主观评价，通过大量的声品质评价实验和主元统计分析，人们认识到，车内声存在着若干个维度的听觉感受空间，这些听感相互正交，是车内声的本质听觉属性。公认的观点是，车内声包含有舒适感、动力感和运动感三个独立的本质听感属性。相应地，驾乘者对车内声音的听感偏好也可以分为舒适型、动力型和运动型三种类型。

车内声音的来源有多个，主要来自发动机、路面/轮胎和风噪，其中发动机噪声占有重要的贡献，并且它的成分与发动机转速直接关联，因此能够很好地反映汽车的运动状态，对汽车乘员形成对车内声的听觉感受起到主导作用。基于上述原因，现在装车的anc系统大多以发动机声作为被控对象，对发火阶次声进行主动抵消作用，达到降低车内噪声的目的，但控后的听觉效果是单一的，且车内各个位置人员的听感也相同。

技术实现要素：

为了解决现有集中式anc的控制效果单一，以及不能同时满足车内不同座椅乘员声音偏好的缺陷，提供一种采用分布式控制架构的anc系统，以发动机声为控制对象，总控制单元根据车内不同座椅乘员的不同声音模式需求，实时确定各区域的控制阶次序数以及它们的目标幅值，区域子控制单元执行总控制单元的阶次控制方案，在车内不同座椅位置获得不同主动控制效果。

本发明是通过如下技术方案得以实现的：

一种区域个性化车内主动噪声控制系统，包括发动机转速传感器、总控制单元、移动交互模块、数个区域子控制单元及与每个区域子控制单元配套的传声器前置放大器、传声器、座椅左扬声器、座椅右扬声器、左功率放大器和右功率放大器；

所述移动交互模块用于乘员选择需要的控制效果模式，并将效果模式选择信号输出到总控制单元；

所述总控制单元依据输入的发动机转速信号和效果模式选择信号，确定每个区域的控制阶次序数和控制后的期望幅值，构建对应区域的目标信号，并将控制阶次序数和目标信号输出到对应的区域子控制单元；

所述区域子控制单元根据发动机转速信号以及总控制单元输入的控制阶次序数和目标信号，生成各个区域的座椅扬声器控制信号。

进一步的，移动交互模块包括手机和交互信号接收器；

所述手机与交互信号接收器以无线传输方式连接，交互信号接收器的输出端与总控制单元的一个输入端以有线方式电连接；

所述手机中载有控制效果模式选择应用程序，各座椅乘员通过程序交互界面选择需求效果模式，应用程序对乘员的操作信号进行分析处理，输出包含选择意图的效果模式选择信号；

所述交互信号接收器以无线方式接收手机发出的效果模式选择信号，并以有线方式将它们输送到总控制单元。

进一步的，总控制单元包括效果规则库、控制阶次选择器和目标信号生成器；

所述总控制单元有两个输入端，一个与发动机转速传感器连接，另一个与交互信号连接器连接；总控制单元输出端个数与区域子控制单元的数量相等，每个输出端与对应的区域子控制单元的一个输入端连接；

所述控制阶次选择器根据输入的发动机转速信号和效果选择模式信号，对照效果规则库的规则，确定每个区域的控制阶次序数，输出到对应区域子控制单元的参考信号生成器；

所述目标信号生成器根据控制阶次选择器选定的控制阶次次序，对照效果规则库的规则，确定各控制阶次的幅值，生成每个区域的目标信号，输出到对应区域子控制单元的偏差信号生成器；

所述目标信号由若干个正弦信号叠加构成，正弦信号的频率为发动机转动频率的c倍，c为控制阶次序数，正弦信号的幅值由目标信号生成器依据效果规则库确定；

所述效果规则库由发动机在不同转速区间各种效果模式下的控制阶次序数及幅值选择规则组成，根据发动机类型和声学特点进行预先设计和制定，作为实时选择控制阶次和确定幅值的依据。

进一步的，区域子控制单元的数量与车内座位数相同，每个区域子控制单元包括a/d转换器、参考信号生成器、控制器系数模块、d/a转换器、传声器位置补偿器、偏差信号生成器和更新算法模块。

进一步的，所述参考信号生成器分别与发动机转速信号传感器和总控制单元的控制阶次选择器连接，根据输入的发动机转速信号和控制阶次序数信号，生成幅值相等的各个控制阶次的正弦信号，将它们叠加得到参考信号，输出到控制器系数模块。

进一步的，所述传声器位置补偿器负责补偿传声器布置点与目标控制区域中心之间的声通道，以确保区域子控制单元的目标位置为乘员头部活动区域中心，而不是实际的传声器布置点；传声器位置补偿器输入传声器布置点的声信号，经过通道补偿处理后，输出目标控制区域中心估计声信号。

进一步的，所述偏差信号生成器分别与传声器位置补偿器和总控制单元传的目标信号生成器连接，将两个输入信号相减，得到偏差信号，偏差信号生成器的输出端与更新算法模块连接；

所述更新算法模块的两个输入分别是参考信号和偏差信号，控制器系数的更新准则是最小化偏差信号，更新算法模块实时更新控制器系数，输出到控制器系数模块；

所述控制器系数模块对输入的参考信号进行处理，得到扬声器控制信号，经过d/a转换器后输出到左功率放大器和右功率放大器。

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)采用分布式控制架构，总控制单元可为不同座椅位置提供不同控制方案，不同区域子控制单元可产生不同的扬声器控制信号，实现车内不同区域控制效果的差异化。

2)车内所有座椅位置的乘员，可以根据自己对车内声的偏好，通过手机选择系统的控制效果模式，在座椅头部区域获得所选的听觉效果。

3)能够以一种车型兼顾不同群体的声音偏好，同时满足同车不同座位乘员的的不同声音需求，个性化地优化车内区域声环境，提升汽车的驾乘品质和体验。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为区域个性化汽车主动噪声控制系统结构图；

图2为传声器布置图；

图3为座椅左右扬声器布置图；

图4为图1中总控制单元结构图；

图5为图1中子控制单元结构图；

图6为本发明实施例5座乘用车区域个性化主动噪声控制系统结构图；

图7为区域控制效果选择图；

图8为基于最小均方算法的子控制单元结构图。

附图标记如下：1-发动机转速传感器，2-总控制单元，3-移动交互模块，3a-手机，3b-交互信号接收器，4-区域子控制单元，4a-区域1子控制单元，4b-区域2子控制单元，4c-区域3子控制单元，4d-区域4子控制单元，4e-区域5子控制单元，5-传声器前置放大器，5a-传声器1前置放大器，5b-传声器2前置放大器，5c-传声器2前置放大器，5d-传声器4前置放大器，5e-传声器5前置放大器，6-传声器，6a-传声器1，6b-传声器2，6c-传声器3，6d-传声器4，6e-传声器5，7-座椅左扬声器，7a-座椅1左扬声器，7b-座椅2左扬声器，7c-座椅3左扬声器，7d-座椅4左扬声器，7e-座椅5左扬声器，8-座椅右扬声器，8a-座椅1右扬声器，8b-座椅2右扬声器，8c-座椅3右扬声器，8d-座椅4右扬声器，8e-座椅5右扬声器，9-左功率放大器，9a-左功率放大器1，9b-左功率放大器2，9c-左功率放大器3，9d-左功率放大器4，9e-左功率放大器5，10-右功率放大器，10a-右功率放大器1，10b-右功率放大器2，10c-右功率放大器3，10d-右功率放大器4，10e-右功率放大器5，11-效果规则库，12-控制阶次选择器，13-目标信号生成器，14-a/d转换器，15-参考信号生成器，16-控制器系数模块，16a-左控制器系数模块、16b-右控制器系数模块，17-d/a转换器，17a-左d/a转换器，17b-右d/a转换器，18-a/d转换器，19-传声器位置补偿器，20-偏差信号生成器，21-更新算法模块，21a-左更新算法模块，21b-右更新算法模块，22a-左扬声器至传声器通道模型，22b-右扬声器至传声器通道模型。

具体实施方式

如附图1所示，本发明所述的区域个性化车内主动噪声控制系统包括：发动机转速传感器1、总控制单元2、移动交互模块3、j个区域子控制单元(j与车内座椅数量相等)以及与每个区域子控制单元配套的传声器前置放大器5、传声器6、座椅左扬声器7、座椅右扬声器8、左功率放大器9和右功率放大器10。

发动机转速传感器安装在发动机曲轴前端或凸轮轴处，输出端除了与总控制单元的一个输入端电连接，还与各个子控制单元的一个输入端电连接。

传声器共有j个，在车内每个座椅对应的车顶棚上安装一个传声器，传声器位置位于乘员头部活动区域中心的上方，如附图2所示。传声器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分别与总控制单元和区域子控制单元的一个输入端电连接。扬声器共有2j个，安装在每个座椅头枕的左右两侧，如附图3所示。扬声器与功率放大器的输出端电连接，功率放大器的输入端与区域子控制单元的输出端电连接。

移动交互模块3负责乘员选择需要的控制效果模式，并将模式选择信号输出到总控制单元。移动交互模块由手机3a和交互信号接收器3b组成，手机与交互信号接收器以无线传输的方式连接，交互信号接收器的输出端与总控制单元的一个输入端电连接。手机中载有控制效果模式选择应用程序，各座位乘员通过程序交互界面选择需求的效果模式，应用程序对乘员的操作信号进行分析处理，得到包含选择意图的效果模式选择信号。交互信号接收器以无线方式接收手机发射的模式选择信号，并以连线方式将它们输送到总控制单元。

总控制单元2有两个输入端，一个与发动机转速传感器连接，另一个与交互信号连接器的输出端连接。总控制单元输出端个数与区域子控制单元的数量相等，每个输出端与对应的区域子控制单元的一个输入端连接。

总控制单元2依据输入的发动机转速信号和效果模式选择信号，确定系统在每个区域的控制阶次序数和它们控制后的期望幅值，构建相关的目标信号，并将控制阶次序数和目标信号传送到相应的区域子控制单元。

如附图4所示，总控制单元2包括：效果规则库11、控制阶次选择器12和目标信号生成器13。

控制阶次选择器12分别与发动机转速传感器、交互信号连接器和效果规则库11连接。控制阶次选择器12根据输入的发动机转速和效果选择模式，对照效果规则库11的规则，确定每个区域的控制阶次序数，并将该阶次序数信号输出到对应区域子控制单元的参考信号生成器。

目标信号生成器13分别与控制阶次选择器12和效果规则库11连接。目标信号生成器13根据阶次选择器选定的控制阶次次序，对照效果规则库的规则，进一步确定各控制阶次的幅值，构建每个区域的目标信号，并输出到对应区域子控制单元的偏差信号生成器。

目标信号由各个控制阶次的正弦信号叠加构成，正弦信号的频率为发动机转动频率的c倍，c为控制阶次序数，正弦信号的幅值由目标信号生成器对照效果规则库确定。例如，若控制阶次选择器选择i、j、k作为控制阶次序数(阶次个数和具体序数根据实际情况设置)，发动机转速为p(r/min)，则目标信号生成器生成的目标信号g(n)可表示为

上式中，n为离散时间序列，ai、aj、ak为相应阶次的幅值，设定不同幅值可得到不同的频谱形状，目标信号频谱形状即为某种选则音效期望的频谱形状。

效果规则库11由发动机在不同转速区间各种效果模式下的控制阶次序数及幅值选择规则组成，根据发动机类型和声学特点进行预先设计和制定，作为总控制单元实时选择控制阶次和确定幅值的依据。表1为搭载4缸发动机的效果规则库。值得注意的是，对于不同的车型和发动机，这些规则有很大的设计空间，并不一定相同，可以根据不同车型和发动机的特点进行设计匹配。

表1控制效果规则库(搭载4缸发动机)

区域子控制单元的数量与车内座位数相等，功能是生成各个区域的座椅扬声器控制信号。如附图5所示，区域子控制单元包括：a/d转换器14和18、参考信号生成器15、控制器系数模块16、d/a转换器17、传声器位置补偿器19、偏差信号生成器20和更新算法模块21。

参考信号生成器15分别与发动机转速信号传感器和总控制单元的控制阶次选择器连接，根据输入的发动机转速信号和控制阶次序数信号，生成幅值相等的各个控制阶次的正弦信号，将它们叠加得到参考信号，输出到控制器系数模块。例如，若控制阶次选择器确定i、j、k作为控制阶次序数(阶次个数和具体序数根据实际情况设置)，发动机转速为p(r/min)，则参考信号生成器构建的参考信号x(n)可表示为

传声器位置补偿器19负责补偿传声器布置点与目标控制区域中心之间的声通道，以确保区域子控制单元的目标位置为乘员头部活动区域中心，而不是实际的传声器布置点。传声器位置补偿器输入传声器布置点的声信号，经过通道补偿处理后，输出目标控制区域中心估计声信号。

偏差信号生成器20负责生成区域中心估计声信号和目标信号间的偏差信号，表示区域中心声信号与目标信号的偏离程度。偏差信号生成器分别与传声器位置补偿器和总控制单元传的目标信号生成器连接，将两个输入信号相减，得偏差信号，偏差信号生成器的输出端与更新算法模块连接。

更新算法模块21负责实时更新控制器系数，将得到的控制器系数传输到控制器系数模块。更新算法模块的两个输入分别是参考信号和偏差信号，控制系数更新的准则是最小化偏差信号。这种更新准则的特点是当控制器系数收敛，主动控制作用后的区域中心声信号趋同于目标信号，在每个位置都得到各自期望的频谱形状，实现在座椅头部区域获得个性化控制效果。

控制器系数模块16负责对输入的参考信号进行处理，得到扬声器控制信号，经过d/a转换器后输出到功率放大器。

下面以配备区域个性化主动噪声控制系统的乘用车为例，介绍本发明的实施过程。该车搭载4缸4冲程发动机，有5个座椅，前排2个，后排3个。系统可为车内5个座椅乘员头部区域提供舒适型、动力型、运动型三种控制音效，所有乘员可以通过手机应用程序来选择需要的音效模式。

如附图6所示，该系统的组成部件有：发动机转速传感器1、总控制单元2、移动交互模块3、区域1～5子控制单元4a～4e、区域1～5传声器前置放大器5a～5e、区域1～5传声器6a～6e、区域1～5左扬声器7a～7e、区域1～5右扬声器8a～8e、区域1～5左功率放大器9a～9e、区域1～5右功率放大器10a～10e。

5个传声器逐一布置在前后共5个座椅上方的车顶棚处，并与传声器前置放大器电连接，传声器前置放大器的输出端与相对应的区域子控制单元的一个输入端连接。

5个座椅的头枕两侧安装有一个左扬声器和一个右扬声器，分别由左功率放大器和右功率放大器驱动，两个功率放大器的输入来自于相应的区域子控制单元的扬声器控制信号输出。

总控制单元的输入为发动机转速信号和音效模式选择信号，根据这两项输入以及预置的效果规则库，分别由阶次序号选择器和目标信号生成器处理得到5个控制区域的具体控制阶次序数和期望的目标信号，并传输到相应的区域子控制单元，指导它们在不同区域获得各自期望的控制效果。

附图7所示示例中，各座椅乘员选择的控制效果从区域1到5分别为动力型、舒适型、运动型、舒适型和动力型。若此时发动机转速为2400rpm，则由表1，区域1到5子控制单元的控制阶次序数分别为(2,2.5,3.5)、(2)、(8,9.5,10,12)、(2)和(2,2.5,3.5)，各区域目标信号分别为

g1(n)＝0.8sin160πn+1.2sin200πn+1.5sin280πn

g2(n)＝0.2sin160πn

g3(n)＝1.4sin640πn+1.4sin760πn+1.6sin800πn+1.8sin960πn

g4(n)＝0.2sin160πn

g5(n)＝0.8sin160πn+1.2sin200πn+1.5sin280πn

5个控制区域各对应一个子控制单元，子控制单元的硬件平台是数字信号处理核心板。如附图8所示，本示例的子控制单元采用基于最小均方算法的运行架构，具体包括：a/d转换器14和18、参考信号生成器15、左控制器系数模块16a、右控制器系数模块16b、左d/a转换器17a、右d/a转换器17b、传声器位置补偿器19、偏差信号生成器20、左更新算法模块21a、右更新算法模块21b、左扬声器至传声器通道模型22a和左扬声器至传声器通道模型22b。

参考信号生成器负责生成子控制单元的参考信号，它有两个输入端，一个输入端接收发动机转速信号，另一个输入端与总控制单元连接，接收对应区域的控制阶次序数。对于附图7示例，若发动机转速为2400rpm，参照表1，区域1到5子控制单元的参考信号分别为

x1(n)＝sin160πn+sin200πn+sin280πn

x2(n)＝sin160πn

x3(n)＝sin640πn+sin760πn+sin800πn+sin960πn

x4(n)＝sin160πn

x5(n)＝sin160πn+sin200πn+sin280πn

传声器位置补偿器对输入的传声器声信号进行通道补偿处理，得到区域i中心估计声信号。偏差信号生成器负责得到区域i中心估计声信号与目标信号间的偏差信号。

本示例的更新算法模块21a和21b采用最小均方算法，用于实时更新左、右控制器系数模块的控制器系数。左更新算法模块有两个输入，一个是区域中心估计声信号与目标信号间的偏差信号，另一个是参考信号经过(为左扬声器至传声器的通道模型，通过离线实测得到)滤波得到的信号，类似的，右更新算法模块的两个输入分别为偏差信号和参考信号经过(右扬声器至传声器的通道模型)滤波的信号。

以左更新算法模块为例，若控制器权系数长度为k，则可定义左控制器系数矢量wl(n)、参考信号矢量x(n)和x(n)经过滤波的矢量rl(n)

wl(n)＝[wl1(n),wl2(n),...,wlk(n)]^t

x(n)＝[x(n),x(n-1),...,x(n-k+1)]^t

rl(n)＝[r(n),r(n-1),...,r(n-k+1)]^t

区域子控制单元的控制目标是第i个区域中心声信号与目标信号的偏差ei′(n)的平方和最小，目标函数为

j＝e[ei′²(n)]

对j求极小，由最陡梯度下降法的原理出发，可得左控制器系数更新算法

wl(n+1)＝wl(n)-2μrl(n)ei′(n)

上式中，为μ收敛系数。同理，右控制器系数更新算法为

wr(n+1)＝wr(n)-2μrr(n)ei′(n)

上式中，wr(n)为右控制器系数矢量，rr(n)为x(n)经过滤波的矢量。

参考信号分别经过左、右控制器系数模块处理后，得到左、右扬声器的控制信号，经过相应的a/d转换器和功率放大器，驱动座椅两侧的左右扬声器发出相应的次级声。由于控制器更新算法的目标是最小化偏差信号，当算法收敛时，经过左、右扬声器的主动控制作用，可使得控制点声信号频谱形状趋于期望目标信号，最终在每个座椅上方获得球形的个性化音效区域，覆盖乘员头部的经常活动区。

本发明的工作过程为：各乘员通过手机应用程序选择需要的控制效果模式，交互信号接收器以无线方式接收效果模式选择信号，再以连线方式输出到控制阶次选择器。控制阶次选择器根据输入的发动机转速信号和效果模式选择信号，对照效果模式规则库的选择规则，确定控制阶次序数。目标信号生成器根据输入的发动机转速信号和控制阶次序数信号，对照效果模式规则库的选择规则，确定各控制阶次的幅值，生成各控制区域的目标信号。

总控制单元将控制阶次序数信号和目标信号输出到各区域子控制单元。参考信号生成器根据发动机转速信号和控制阶次序数信号产生参考信号，与此同时，传声器位置补偿器对输入的传声器声信号进行通道补偿处理，得到控制区域中心估计声信号，偏差生成器将输入的控制区域中心估计声信号与目标信号相减，得到偏差信号。更新算法模块根据输入的参考信号和偏差信号，实时更新控制器系数，并传输到控制器系数模块。控制器系数模块对输入的参考信号进行处理，得到扬声器控制信号，经功率放大器放大后驱动各座椅左右扬声器，在各座椅头部区域得到各乘员所选的声控制效果。

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。