专利摘要

本发明车内主动降噪技术，具体的说是一种基于发动机转速的主动降噪装置及方法。该装置包括信号获取、处理装置和声音播放装置；其降噪方法为：一、预先建立发动机转速与机械噪声、进排气噪声的对应关系，将标定的噪声信号作为参考噪声信号存储；二、利用总线信号读取设备获得发动机转速信号，通过转速与噪声的对应关系，得到参考噪声信号；三、根据参考噪声信号，利用LMS自适应滤波器得到次级噪声信号；四、通过声音播放装置播放次级噪声信号，以抵消车厢内的发动机机械噪声和进排气噪声；本发明克服现有主动降噪技术存在的声反馈问题，是一种基于发动机转速的自适应主动降噪方法及装置，该方法可以有效降低车内发动机噪声，提高行车舒适性。

说明书

技术领域

本发明属于车内主动降噪技术，具体的说是一种基于发动机转速的主动降噪装置及方法。

背景技术

研究表明：发动机噪声、进排气噪声和传动系噪声是机动车辆室内噪声的主要来源。对车内噪声进行频谱分析可见：车内噪声的频率成分中，发动机的燃烧频率及其各阶次谐波占了很大的份量。也就是说，发动机产生的低频周期噪声是机动车辆室内噪声的最主要来源。传统的车内降噪方法虽然对高频噪声的控制比较有效，但恰恰对低频噪声的控制比较乏力。

主动降噪全称噪声主动控制(ANC)，是在指定区域内人为地、有目的地产生一个次级声信号去控制初级声信号的方法。根据两个声波相消干涉条件，如果利用人为附加的次级声源产生与初级声源声波幅值相等、相位相反的声波，则两声波将在空间发生相干性叠加，形成消声“静区”，从而达到降噪的目的。主动降噪方法使噪声控制更有针对性，在处理低频噪声时具有很好的降噪效果。

目前关于主动降噪技术的研究逐渐成为降低噪声的主要研究方向，随着被动降噪技术的研究已趋于完善，主动降噪技术在汽车上的应用也受到越来越多的关注。关于主动降噪技术在汽车降噪上的应用这方面的专利存在不少，如专利公告号为CN103557043A，公告日为2014年2月5号，发明名称为“一种发动机降噪控制器”。该专利所述的降噪器中，声音传感器在采集初级噪声信号的同时，会引入麦克风发出的次级噪声信号，造成声反馈，这种声反馈问题会在很大程度上影响主动降噪系统的降噪效果。专利公告号为CN105244016A，公告日为2016年1月13号，发明名称为“主动降噪系统和方法”。该专利所述的降噪系统和方法中，利用支持向量机来实时预测环境中的噪声，避免了利用声音信号来生成参考噪声信号，造成声反馈问题，但是该装置需要在噪声源附近设置多个加速度传感器，增加了系统的复杂性，并且噪声信号的预测需要由支持向量机来完成，这也在一定程度上提高了该主动降噪系统的成本。

发明内容

本发明提供了一种基于发动机转速的自适应主动降噪装置及方法，该方法可以有效降低车内发动机噪声，提高行车舒适性，解决了现有降噪技术的上述不足。

本发明技术方案结合附图说明如下：

一种基于发动机转速的主动降噪装置，所述的主动降噪装置包括信号获取装置、信号处理装置和声音播放装置；

所述的信号获取装置包括：

声音采集装置，设置在发动机的一侧和车厢内需要降噪区域，用于采集发动机附近的发动机噪声信号X_(n)和车厢内需要实现降噪区域的误差噪声信号e_0(n)；

总线信号读取设备，用于读取任一时刻发动机转速n，通过信号处理装置中存储的不同转速对应的参考噪声信号即发动机转速与参考噪声信号的对应关系，就能实现对发动机机械噪声、进排气噪声的准确反映；

所述的信号处理装置包括：

存储单元，用于在汽车出厂时，将发动机各转速下发动机的噪声信号和进排气噪声信号进行存储，根据发动机转速与发动机噪声和进排气噪声的频率之间的关系，建立发动机转速与发动机噪声频率与进排气噪声频率的对应关系，将这些信号作为参考噪声信号Y_1(n)，并且能够储存更新的参考噪声信号；

信号分析单元，用于消除发动机噪声信号X′_(n)的声反馈效应，并提取出发动机在该转速下的机械噪声和进排气噪声Y_(n)；并从误差噪声信号e_0(n)中提取出特定频率下的误差噪声信号e_1(n)，所述的特定频率为该时刻发动机转速对应的进排气噪声信号及机械噪声基频和倍频；还能根据最小均方算法更新滤波器权系数向量W_(n)；

比较单元，用于将提取出发动机在该转速下的机械噪声和进排气噪声Y_(n)与存储单元中相同转速下发动机的参考噪声信号Y_1(n)进行比较，完成参考噪声信号的更新；

生成单元，用于根据参考噪声信号Y_1(n)生成次级噪声信号u_(n)并且用来抵消车厢内的发动机噪声；

所述的声音播放装置，用于将信号处理装置中生成单元的数字信号转化为声信号，在车厢内播放次级噪声信号，以抵消车厢内发动机噪声；

所述的声音采集装置与信号分析单元相连；所述的总线信号读取设备与存储单元相连；所述的信号分析单元与比较单元相连；所述的比较单元与存储单元相连；所述的存储单元与信号分析单元相连；所述的信号分析单元与生成单元相连；所述的生成单元与声音播放装置相连。

一种基于发动机转速的主动降噪方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、预先建立发动机转速与发动机噪声的对应关系，将标定的噪声信号作为参考噪声信号Y_1(n)存储；所述的发动机噪声包括发动机机械噪声和进排气噪声；

步骤二、当确认发动机启动时，利用总线信号读取设备获得发动机转速信号，通过转速与噪声的对应关系，得到参考噪声信号Y_1(n)；

步骤三、根据步骤二中的参考噪声信号Y_1(n)，利用LMS自适应滤波器得到次级噪声信号u_(n)；

步骤四、通过声音播放装置播放次级噪声信号u_(n)，以抵消车厢内的发动机机噪声。

所述的步骤一的具体方法为：在汽车出厂前，工厂对汽车在不同转速下的汽车发动机的机械噪声和进排气噪声进行标定，建立发动机转速与发动机机械噪声和进排气噪声的对应关系，并将发动机各转速对应的发动机的机械噪声和进排气噪声信号作为初始参考噪声信号存储于信号处理装置的存储单元。

所述的步骤三的具体方法为：根据参考噪声信号Y_1(n)经过次级声通道函数估计S_(z)处理得到f_(n)；对误差噪声信号e_0(n)进行过滤，提取该转速下发动机噪声信号频率对应的误差噪声信号e_1(n)；通过f_(n)与e_1(n)，利用最小均方算法来建立滤波器权向量系数W_(n)，参考噪声信号Y_1(n)经过自适应LMS滤波器处理后，得到次级噪声信号u_(n)。

所述的步骤一中的参考噪声信号Y_1(n)会在发动机每次启动后3-5分钟内会进行校验更新。

所述的参考噪声信号Y_1(n)的校验更新具体包括以下步骤：

步骤11、利用置于发动机附近的声音采集装置采集噪声信号；

步骤12、运用信号分析单元对初始噪声信号进行分析处理，消除次级噪声信号的声反馈，并对噪声信号进行过滤得到发动机在该转速下的机械噪声、进排气噪声信号；

步骤13、将信号分析单元获得的噪声信号与相同转速下的参考噪声信号作比较，确定是否更新参考噪声信号；

步骤14、对参考噪声信号进行更新，将其存储于存储单元。

所述的步骤11中的噪声信号包括了发动机噪声信号、次级声反馈噪声信号以及外部噪声。

所述的步骤12的具体方法为：通过次级声反馈函数估计F′_(z)，消除次级声反馈信号；通过发动机噪声信号滤波通道W_1(z)得到该转速下特定频率的噪声信号值，当频率为机械噪声和进排气噪声的基频和倍频时，获得的噪声信号Y_(n)即为发动机在该转速下的发动机机械噪声和进排气噪声。

所述的步骤13的具体方法为：对信号分析单元获得的噪声信号与相同转速下的参考噪声信号的相似度设定一个阈值，当步骤12中所获得的噪声信号Y_(n)与存储单元预存的参考噪声信号Y_1(n)的相似度超过所设定的阈值时，则不对该参考噪声信号进行更新；当Y_(n)与Y_1(n)的相似度小于所设定的阈值时，则对参考噪声信号进行更新，将Y_(n)赋予Y_1(n)。

本发明的有益效果为：

1、本发明所述的一种基于发动机转速的主动降噪方法及装置，所述参考噪声信号是通过噪声频率与发动机转速建立关系，当获取到发动机转速信号时，参考噪声信号也就能够获得，即通过转速信号就能得到相应的参考噪声信号。相较于通过布置加速度传感器来预测参考噪声信号，本发明所述的方法更简单。

2、本发明所述的一种基于发动机转速的主动降噪方法及装置，将预存于降噪系统内部的噪声样本信号作为噪声参考信号，有效避免了采用声音传感器采集的初级噪声信号作为参考噪声信号时存在的声反馈问题。

3、本发明所述的一种基于发动机转速的主动降噪方法及装置，所述预存于降噪系统内部的噪声参考信号能够在发动机启动的一段时间内进行更新，保证噪声参考信号能准确地反映原始噪声信号。

4、本发明所述的一种基于发动机转速的主动降噪方法及装置，所述参考噪声信号更新过程中，声音采集装置所采集的噪声信号会进行基于FBFXLMS算法处理，消除声反馈的影响，这也保证了存储单元的噪声参考信号能够准确地反映原始噪声信号。

附图说明

图1为本发明所述的一种基于发动机转速的主动降噪方法及装置的结构框图；

图2为本发明所述的一种基于发动机转速的主动降噪方法及装置的工作原理示意图；

图3为本发明所述的一种基于发动机转速的主动降噪方法及装置的自适应主动降噪的步骤流程示意图；

图4为本发明所述的一种基于发动机转速的主动降噪方法及装置的参考噪声信号更新流程示意图。

具体实施方式

参阅图1，一种基于发动机转速的主动降噪装置，所述的主动降噪装置包括信号获取装置、信号处理装置和声音播放装置；

所述的信号获取装置用于获取噪声信号和发动机转速信号，根据采集信号种类的不同分为声音采集装置和总线信号读取设备，包括：

声音采集装置，设置在发动机的一侧和车厢内需要降噪区域，用于采集发动机附近的发动机噪声信号X′_(n)和车厢内需要实现降噪区域的误差噪声信号e_0(n)；声音采取装置可以包括麦克风。其中第一麦克风置于发动机附近，用于采集发动机噪声信号X′_(n)，第二麦克风置于车厢内需要降噪区域，用于采集误差噪声信号e_0(n)。

总线信号读取设备，总线信号读取设备，用于读取任一时刻发动机转速n；通过信号处理装置中存储的不同转速对应的参考噪声信号即发动机转速与参考噪声信号的对应关系，就能实现对发动机机械噪声、进排气噪声的准确反映。总线信号读取设备可以包括CAN协议控制器，例如型号为MCP2515的芯片。总线信号读取设备置于ECU附近。

声音采集装置与总线信号读取设备独立工作，声音采集装置中的第一麦克风只有在需要更新参考噪声信号Y_1(n)时才工作，声音采集装置中的第二麦克风和总线信号读取设备在发动机运转时就会工作。

所述的信号处理装置用于对噪声信号进行分析、比较，生成次级噪声信号以消除车厢内初级噪声，实现降噪的效果。所述次级噪声信号在降噪区域内的幅值大小、频率与参考噪声相同，相位与参考噪声信号的相位相反，这样次级噪声就能够与车厢内发动机机械噪声、进排气噪声在需要降噪的区域相互抵消，包括：

存储单元，用于在汽车出厂时，将发动机各转速下发动机的噪声信号和进排气噪声信号进行存储，根据发动机转速与发动机噪声和进排气噪声的频率之间的关系，建立发动机转速与发动机噪声频率与进排气噪声频率的对应关系，将这些信号作为参考噪声信号Y_1(n)并且能够储存更新的参考噪声信号；存储单元可；以采用型号为AT24C02C的芯片，设置于信号分析单元附近。

信号分析单元，用于消除发动机噪声信号X′_(n)的声反馈效应，并提取出发动机在该转速下的机械噪声和进排气噪声Y_(n)；并从误差噪声信号e_0(n)中提取出特定频率下的误差噪声信号e_1(n)，所述的特定频率为该时刻发动机转速对应的进排气噪声信号及机械噪声基频和倍频；根据LMS算法即最小均方算法，更新滤波器权系数向量W_(n)；所述滤波器权系数向量的更新表达式为：

W_(n+1)＝W_(n)+2μe_1(n)Y_1(n)S_(z)

上式为递推表达式。其中，n表示当前时刻，n+1表示下一时刻。W_(n)表示当前时刻的滤波器权系数向量，W_(n+1)表示下一时刻的滤波器权系数向量。μ为步长因子，它决定着算法的收敛性。e_1(n)为上述特定频率下的误差噪声信号。Y_1(n)为参考噪声信号。S_(z)为次级声通道函数估计即次级噪声信号从声音播放装置到车厢内声音采集装置的传递函数的估计。信号分析单元可以采用型号为TMS320VC5509A的芯片，设置于车厢内座椅下方。

利用自适应滤波技术可以实时地对自适应滤波器的权系数向量进行更新，从而，实时地调整了参考噪声信号Y_1(n)，生成了能够精确地抵消初级噪声信号X_(n)中发动机噪声和进排气噪声分量的次级噪声信号u_(n)。自适应滤波在实现简单的前提下，有效提高了降噪效果。此外，本发明采用最小均方误差的方法实时调整滤波器系数，提高了系统的自适应能力。信号分析单元可以采用型号为TMS320VC5509A的芯片。

比较单元，用于将提取出发动机在该转速下的机械噪声和进排气噪声Y_(n)与存储单元中相同转速下发动机的参考噪声信号Y_1(n)进行比较，设定相似程度的阈值，当相似程度低于该值时，则将Y_(n)代替Y_1(n)，即完成了参考噪声信号的更新。相似程度的阈值会影响降噪系统的稳定性，当阈值设置高时，会保证参考噪声信号对原始信号的准确性，但会导致参考噪声信号更新频繁，影响主动降噪的稳定性，比较单元可以采用型号为LM358的芯片，设置于信号分析单元附近。

生成单元，用于根据参考噪声信号Y_1(n)生成次级噪声信号u_(n)并且用来抵消车厢内的发动机噪声，生成单元可以采用型号为TLV320AIC23B的芯片，设置于信号分析单元附近。

所述声音播放装置用于将上述信号处理装置中生成单元的数字信号转化为声信号，在车厢内播放次级噪声信号，以抵消车厢内发动机噪声。所述声音播放装置可以包括车载音响。

所述的声音采集装置与信号分析单元相连；所述的总线信号读取设备与存储单元相连；所述的信号分析单元与比较单元相连；所述的比较单元与存储单元相连；所述的存储单元与信号分析单元相连；所述的信号分析单元与生成单元相连；所述的生成单元与声音播放装置相连。

参阅图3，一种基于发动机转速的主动降噪方法，具体包括以下步骤：

步骤一、预先建立发动机转速与发动机噪声的对应关系，将标定的噪声信号作为参考噪声信号Y_1(n)存储；所述的发动机噪声包括发动机机械噪声和进排气噪声。

在汽车出厂前，工厂对汽车在不同转速下的汽车发动机的机械噪声和进排气噪声进行标定，建立发动机转速与发动机机械噪声和进排气噪声的对应关系，并将发动机各转速对应的发动机的机械噪声和进排气噪声信号作为初始参考噪声信号存储于信号处理装置的存储单元。

步骤二、当确认发动机启动时，利用总线信号读取设备获得发动机转速信号，通过转速与噪声的对应关系，得到参考噪声信号Y_1(n)；具体地，发动机噪声频率与进排气噪声频率与发动机转速存在如下关系：

$f_{jk}=\frac{n}{60}\×k$

$f=\frac{n}{60\mathrm{\τ}}\×i$

其中，n为发动机转速；f_jk为发动机噪声频率；f为发动机进排气噪声频率；k为往复惯性力的阶次；τ为冲程系数，对于二冲程发动机τ值为1，四冲程发动机τ值为2；i为发动机缸数。

步骤三、根据步骤二中的参考噪声信号Y_1(n)，利用LMS自适应滤波器得到次级噪声信号u_(n)；

所述的步骤三的具体方法为：根据参考噪声信号Y_1(n)经过次级声通道估计函数S′_(z)处理得到f_(n)；对误差噪声信号e_0(n)进行过滤，提取该转速下发动机噪声信号频率对应的误差噪声信号e_1(n)；通过f_(n)与e_1(n)，利用最小均方算法来建立滤波器权系数向量W_(n)，参考噪声信号Y_1(n)经过自适应LMS滤波器处理后，得到次级噪声信号u_(n)。

步骤四、通过声音播放装置播放次级噪声信号u_(n)，以抵消车厢内的发动机机噪声。

因为次级噪声信号频率与发动机初级噪声信号中发动机机械噪声信号和进排气噪声信号频率相同，满足波的干涉条件，当初级噪声信号和次级噪声信号在降噪区域内相位相反时，二者可以相互抵消，实现车厢内降噪的目的；当初级噪声信号和次级噪声信号在降噪区域内相位不是相反(即相位差不为Π)，信号分析单元根据特定频率下的误差噪声信号e_1(n)和参考噪声信号Y_1(n)经过次级声通j道函数估计S′_(z)处理后的参考噪声信号f_(n)调节自适应滤波器权系数向量W_(n)，通过新的滤波器权系数参量来改变次级噪声信号，使得其能够在降噪区域内与初始噪声信号中的发动机机械噪声与进排气噪声信号相位相反。

所述的步骤一中的参考噪声信号Y_1(n)会在发动机每次启动后3-5分钟内会进行校验更新，以保证参考噪声信号能够准确反映原始噪声信号；采用存储于系统内部的参考噪声信号进行对原始噪声信号的估计，可以有效避免声反馈问题。

校验更新具体包括以下步骤：

步骤11、利用置于发动机附近的声音采集装置采集噪声信号；

所述的噪声信号包括了发动机噪声信号、次级声反馈噪声信号以及外部噪声。

步骤12、运用信号分析单元对初始噪声信号进行分析处理，消除次级噪声信号的声反馈，并对噪声信号进行过滤得到发动机在该转速下的机械噪声、进排气噪声信号；

所述的步骤12的具体方法为：通过次级声反馈函数估计F′_(z)，消除次级声反馈信号；通过滤波通道W_1(z)得到该转速下特定频率的噪声信号值，当频率为机械噪声和进排气噪声的基频和倍频时，获得的参考噪声信号Y_(n)即为发动机在该转速下的机械噪声和进排气噪声。

步骤13、将信号分析单元获得的噪声信号与相同转速下的参考噪声信号作比较，确定是否更新参考噪声信号；

所述的步骤13的具体方法为：对信号分析单元获得的噪声信号与相同转速下的参考噪声信号的相似度设定一个阈值，当步骤12中所获得的发动机在该转速下的机械噪声和进排气噪声Y_(n)与存储单元预存的参考噪声信号Y_1(n)的相似度超过所设定的阈值时，则不对该参考噪声信号进行更新；当Y_(n)与Y_1(n)的相似度小于所设定的阈值时，则对参考噪声信号进行更新，将Y_(n)赋予Y_1(n)。

步骤14、对参考噪声信号进行更新，将其存储于存储单元。

上述所述参考噪声信号的更新只有在需要更新参考噪声信号时才会执行步骤14，当参考噪声信号不需要更新时，步骤14不会执行。

参阅图2，本发明所述的一种基于发动机转速的转动降噪方法的工作原理示意图是建立在声反馈滤波-X最小均方算法(FBFXLMS算法)框图基础之上的。图中，X_(n)为发动机初级噪声信号；P_(z)为初级声通道的传递函数即噪声信号从参考点到车厢内声音采集装置的传递函数；d_(n)为X_(n)经P_(z)后传到车厢内声音采集装置的声信号；u_(n)为上述信号处理装置中生成单元产生的次级噪声信号；S_(z)为次级声通道的传递函数即次级噪声信号从声音播放装置到车厢内声音采集装置的传递函数；Y_2(n)为u_(n)经过S_(z)后到达车厢内声音采集装置的声信号；e_0(n)为车厢内声音采集装置获取的误差噪声信号；X′_(n)为置于发动机附近的声音采集装置获取的发动机噪声信号，该噪声信号叠加了次级反馈声信号和行驶时的其他噪声信号，但考虑到其他噪声信号频率与发动机机械噪声信号及进排气噪声信号频率不同，不会影响机械噪声信号及进排气噪声信号，故只需对X′_(n)进行次级声反馈补偿，就能在噪声信号X′_(n)中通过提取特定频率的声信号，得到发动机在该转速下的机械噪声和进排气噪声Y_(n)；W_1(z)为发动机噪声信号滤波通道，用于获取发动机在该转速下的机械噪声和进排气噪声Y_(n)，W_2(z)为误差噪声信号滤波通道，用于获取特定频率的误差噪声信号e_1(n)；F_(z)为次级声反馈通道的传递函数即次级噪声信号从声音播放装置到发动机附近的声音采集装置的传递函数；F′_(z)为次级声反馈通道的估计，当F′_(z)与F_(z)很接近时，则可以比较理想的去除声反馈影响；S′_(z)为次级声通道函数估计；W_(z)为滤波器权系数向量；S为上述信号处理装置中的存储单元；Y1_(n)为上述存储单元的参考噪声信号；f_(n)为Y_1(n)经过次级声通道函数估计S′_(z)处理后的参考噪声信号；图中虚线所示方框内为更新参考噪声信号Y_1(n)的原理图，虚线方框之外为自适应主动降噪过程的原理图。根据图示内容，可以理解参考噪声信号Y_1(n)与发动机转速n建立联系，通过读取发动机转速n来获得参考噪声信号Y_1(n)，使参考噪声信号的实时性得到保证；另外，参考噪声信号Y_1(n)存储于主动降噪装置内部，利用参考噪声信号对原始噪声信号进行有效预测，可以避免声反馈问题，并且该主动降噪装置还能够对参考噪声信号还能够进行更新，保证了参考噪声信号的准确性。

一种基于发动机转速的主动降噪装置及方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。