发动机噪声控制的制作方法

本公开涉及发动机噪声控制系统和方法。

背景技术：

发动机顺序消除(engineordercancellation，eoc)技术使用表示发动机(电机)噪声的非声学信号作为参考来合成声波，所述声波与汽车内部可听见的发动机噪声反相。因此，eoc使得更易于减少常规阻尼材料的使用。常见的eoc系统利用窄带前馈主动噪声控制(anc)框架以便通过对表示待消除的发动机谐波的参考信号进行自适应滤波来生成抗噪声。在通过次级路径从抗噪声源发送到收听位置之后，抗噪声与由主路径滤波的发动机所生成的信号具有相同的振幅但相反的相位，所述主路径从发动机延伸到收听位置。因此，在误差麦克风在空间中所处的位置处(例如，在收听位置处或附近)，叠加声学结果将理想地变为零，使得由误差麦克风拾取的误差信号将仅仅记录除所消除的由发动机生成的谐波噪声信号之外的声音。

通常，使用非声学传感器(例如，测量每分钟重复次数(rpm)的传感器)作为参考。来自rpm传感器的信号可用作用于合成对应于发动机谐波的任意数量谐波的同步信号。合成的谐波形成由随后的窄带前馈anc系统生成的噪声消除信号的基础。即使发动机谐波对总发动机噪声有主要贡献，它们也决不覆盖由发动机发射的所有噪声分量，诸如轴承间隙、链条松驰或气门弹跳。然而，rpm传感器不能够覆盖除了谐波之外的信号。

技术实现要素：

示例性发动机噪声控制系统包括：噪声和振动传感器，其被配置来直接拾取来自车辆发动机的发动机噪声并且生成表示发动机噪声的感测信号；以及有源噪声控制滤波器，其被配置来根据感测信号生成滤波后感测信号。所述系统还包括扬声器，其被配置来将来自有源噪声控制滤波器的滤波后感测信号转换成抗噪声并且将所述抗噪声发射到车辆内部中的收听位置。滤波后感测信号被配置成使得抗噪声减小收听位置处的发动机噪声。

示例性发动机噪声控制方法包括：利用噪声和振动传感器在拾取位置处直接拾取来自车辆发动机的发动机噪声并且生成表示发动机噪声的感测信号，以及进行有源噪声控制滤波以便根据感测信号生成滤波后感测信号。所述方法还包括：将来自有源噪声控制滤波的滤波后感测信号转换成抗噪声并且将所述抗噪声发射到车辆内部中的收听位置。滤波后感测信号被配置成使得抗噪声减小收听位置处的发动机噪声。

附图简述

通过结合附图阅读以下对非限制性实施方案的描述可更好地理解本公开，其中类似的元件用类似的参考数字指示，其中：

图1是示出使用滤波-x最小均方算法的示例性发动机噪声控制系统的框图；

图2是示出示例性加速度传感器的频谱特性的振动级对比频率的图；

图3是附接到示例性安装支架和安装壳体的加速度传感器的示意图；

图4是附接到示例性发动机安装件的加速度传感器的示意图；

图5是附接到示例性车辆防火墙的加速度传感器的示意图；

图6是附接到示例性排气悬置系统的加速度传感器的示意图；

图7是示出示例性发动机噪声控制方法的流程图。

具体实施方式

顾名思义，eoc技术仅能够控制对应于发动机顺序的噪声。利用这种系统，无法抵消发动机噪声的具有不可忽略的声学影响并且不能利用由窄带非声学传感器(例如，rpm传感器)提供的信号控制的其他分量。噪声通常是用于指定声音、振动、加速度和力的术语，所述声音、振动、加速度和力并不促成接收器的信息内容，而被认为会干扰期望信号的音频质量。噪声的演变过程通常划分成三个阶段。这些阶段是噪声的生成、其传播(发出)以及其感知。可以看出，试图成功地减小噪声的最初目标在于噪声源本身，例如，通过衰减噪声信号并且随后通过抑制噪声信号的传播。然而，在许多情况下，无法将噪声信号的发出减小到期望的程度。在这种情况下，应用了通过叠加补偿信号来移除不期望的声音的概念。

用于消除或减小所发出噪声的方法和系统通过生成消除声波以叠加在不想要的信号上来抑制不想要的噪声，所述消除声波的振幅值和频率值在很大程度上与噪声信号的振幅值和频率值完全相同，但是所述消除声波的相位相对于不想要的信号移动了180度。在理想的情况下，这种方法完全消除了不想要的噪声。这种针对性地降低噪声信号的声级的效果通常称作相消干扰或噪声控制。在车辆中，不想要的噪声可由车辆的发动机、轮胎、悬置系统和其他单元的作用引起，并且因此随速度、路况和汽车中的操作状态而变化。

图1示出发动机噪声控制(enc)系统100，为简化以下描述，所述系统100呈单信道配置，然而，并不局制于此。为进一步简化以下描述，本文未示出enc系统的实际实现中所包括的部件，例如像放大器、模数转换器和数模转换器。所有的信号都标记为具有位于方括号中的时间索引n的数字信号。

enc系统100使用滤波-x最小均方(fxlms)算法并且包括具有(离散时间)传递函数p(z)的主路径101。传递函数p(z)表示位于车辆的发动机(其噪声待控制)与收听位置(例如，车辆内部中噪声待抑制处的位置)之间的信号路径的传递特性。enc系统100还包括具有滤波器传递函数w(z)的自适应滤波器102，以及用于计算一组滤波系数w[n]的lms适配单元103，所述滤波系数w[n]确定自适应滤波器102的滤波器传递函数w(z)。具有传递函数s(z)的次级路径104被布置在自适应滤波器102的下游并且表示位于将补偿信号y[n]广播到收听位置的扬声器105之间的信号路径。为了简单起见，次级路径104可包括自适应滤波器102下流的所有部件(例如，放大器、数模转换器、扬声器、传声路径、麦克风和模数转换器)的传递特性。次级路径估算滤波器106具有传递函数，所述传递函数是对次级路径传递函数s(z)的估算s*(z)。主路径101和次级路径104是基本上表示收听空间(例如，车辆车厢)的物理性质的“实际”系统，其中其他传递函数可在数字信号处理器中实施。

由发动机107生成的噪声n[n](包括声波、加速度、力、振动、声振粗糙度等)通过主路径101传递到收听位置，在所述收听位置处，所述噪声n[n]在利用传递函数p(z)滤波之后呈现为干扰噪声信号d[n]，所述扰噪声信号d[n]表示在车辆车厢内的收听位置处可听见的发动机噪声。噪声n[n]在由噪声和振动传感器(诸如力变换传感器(未示出)或加速度传感器109)拾取之后用作参考信号x[n]。加速度传感器可包括加速仪、测力仪、测力元件等。例如，加速仪是测量固有加速度的装置。固有加速度与坐标加速度不同，所述坐标加速度是速度的变化率。加速仪的单轴和多轴模型可供用于检测固有加速度的大小和方向，并且可用于感测取向、坐标加速度、运动、振动和冲击。由加速度传感器109提供的参考信号x[n]被输入到自适应滤波器102中，所述自适应滤波器102利用传递函数w(z)对其进行滤波并且输出补偿信号y[n]。补偿信号y[n]通过次级路径104传递到收听位置，在所述收听位置处，补偿信号y[n]在利用传递函数s(z)滤波之后呈现为抗噪声y’[n]。抗噪声y’[n]和干扰噪声d[n]在收听位置处相消叠加。麦克风108输出可测量残留信号，即，用于lms适配单元103中的适配的误差信号e[n]。误差信号e[n]表示包括收听位置(例如，车辆车厢中)处所存在的(残留)噪声的声音。

基于利用对次级路径传递函数s(z)的估算s*(z)滤波的参考信号x[n]更新滤波系数w[n]，其表示次级路径104中的信号失真。次级路径估算滤波器106被供应参考信号x[n]并且向lms适配单元103提供滤波后参考信号x’[n]。由自适应滤波器102和次级路径104的串联连接提供的总传递函数w(z)·s(z)相对于主路径传递函数p(z)会聚。自适应滤波器102将参考信号x[n]的相位移动180度，使得干扰噪声d[n]和抗噪声y’[n]相消叠加，从而抑制收听位置处的干扰噪声d[n]。

由麦克风108测量的误差信号e[n]以及由次级路径估算滤波器106提供的滤波后参考信号x’[n]被供应到lms适配单元103。lms适配单元103根据滤波后参考信号x’[n](“滤波x”)和误差信号e[n]计算自适应滤波器102的滤波系数w[n]，使得误差信号e[n]的范数(即，幂或l2-范数)得以减小。滤波系数w[n]使用例如lms算法来计算。自适应滤波器102、lms适配单元103和次级路径估算滤波器106可在数字信号处理器中实现。当然，“滤波-xlms”算法的替代或修改(诸如像“滤波-elms”算法)也是适用的。

由于加速度传感器109能够直接拾取可听频谱的宽频带中的噪声n[n]，所以图1中示出的系统可结合宽带滤波器使用，其中提供传递函数w(z)的宽带滤波器视情况而可替代地具有固定传递函数而不是自适应传递函数。直接拾取基本上包括拾取有问题的信号而不受其他信号的显著影响。系统结构可以是反馈结构而不是如图所示的前馈结构。在图1中示出的发动机噪声控制系统中，与使用窄带前馈anc的常见eoc系统相比，宽带传感器结合随后的宽带信号处理允许拾取完整的发动机噪声频谱。由于不仅处理发动机噪声的窄带谐波分量，而且还处理宽带发动机噪声，所以发动机顺序控制(eoc)与发动机噪声控制(enc)之间存在差异看起来是合适的。

图1中示出的示例性系统采用直通式单信道前馈滤波-xlms控制结构，但是也可应用具有多个另外的信道、多个另外的麦克风和多个另外的扬声器的其他控制结构(例如，多信道结构)。例如，总共可采用l个扬声器和m个麦克风。那么，到达lms适配单元103中的麦克风输入信道的数量是m，来自自适应滤波器102的输出信道的数量是l，并且估算滤波器106与lms适配单元103之间的信道的数量是l·m。在以下描述中，概述了用于放置加速度传感器的示例性位置。

宽带加速度传感器能够拾取高达至少1.5khz(例如，至少2khz)的发动机噪声，如图2中所示。图2示出七个发动机谐波201-207和传感器频率特性208的振动级对比频率的图，其中谐波201表示由rpm传感器检测的基本频率，传感器频率特性208覆盖至少七个发动机谐波201-207，其中最高者、即谐波208可在例如约2.8khz处。与rpm传感器相比，加速度传感器还能够拾取除了谐波之外的噪声209。当然，每个加速度传感器具有足以捕获在车厢中可听见的所有谐波的动态范围，并且具有低失真特性，使得它输出线性振动信号。

与单信道或多信道enc系统结合使用的一个或多个噪声和振动传感器(例如，加速度传感器)可安装在车辆中的特定位置(诸如位于发动机与齿轮箱之间、发动机与车辆底盘/车身的结构元件之间、发动机与排气装置之间、排气悬置系统处、发动机壳体上、发动机与车辆车厢之间的防火墙处等的噪声和振动路径)上的平坦表面上。一个或多个加速度传感器可设置在例如发动机安装件上、发动机安装壳体或安装支架处、车身结构上发动机安装件之外、排气安装件和后车身板上。

参考图3，发动机安装件对减小噪声、振动和声振粗糙度以提高车辆乘坐舒适性起到重要作用。为了获得良好的运动控制以及良好的噪声、振动和声振粗糙度隔离，发动机安装支架的首先且首要的功能是在车辆底盘上适当地平衡(安装)动力组(发动机和传动系)。一些发动机安装件由钢架制成，钢架的一侧栓接到铸铁发动机缸体并且钢架的另一侧借助于双头螺栓夹持到车架。安装件上半部和下半部被夹置在硫化并模制到金属框架的橡胶和棉纤维增强层内。另一种类型的电机安装件可栓接到横梁并且由到栓接在缸体上的金属支架的双头螺栓附接到发动机，或者电机安装件可直接附接到缸体并且由到栓接到横梁的机座或支架的双头螺栓安装在底盘上。在图3中示出的实例中，由u形钢架制成的安装支架301以及安装壳体302设置在橡皮块301的任一侧上，其中安装壳体302借助于至少两个相对的侧壁304和一个底板309在至少两个方向上固定橡胶块303。安装支架301可借助于双头螺栓夹持到车架并且安装壳体302可栓接到发动机缸体。加速度传感器305和306可附接到侧壁304，和/或加速度传感器307和308可附接到u形安装支架301的支腿。

图4描绘用于将发动机固定到车辆的结构元件(两者均未出)的发动机安装件401。发动机安装件用于将车辆发动机连接到车辆底盘架/车身架。它们通常由橡胶和金属制成。金属部分在一侧上连接到发动机并且在另一侧上连接到车架。橡胶部分处于中间以提供一定的柔性，使得发动机振动不致使车辆抖动。在图4中示出的实例中，金属橡胶复合物401可利用至少一个螺栓402来固定到车架(未示出)并且利用至少一个螺栓403来固定到发动机(未示出)。加速度传感器404和405可附接到形成发动机安装件401的金属橡胶复合物的平坦表面，从而面向车架。

图5描绘安装在防火墙上以用于测量引起发动机噪声发射的振动的四个加速度传感器501-504。在汽车工程中，防火墙是将发动机与驾驶员和乘客分离的车体的部分。防火墙最常见地是车身的分离部件、或呈硬壳式结构、分离的钢冲压件，但是它也可以与盘形地板相连或其边缘可形成门柱的一部分。防火墙可具有一个或多个振动面板505并且加速度传感器501-504可在前座乘客的脚坑上方以及车辆的驾驶座后方的位置处放置在防火墙的振动面板505中的至少一个上。加速度传感器501-504可安装在下部防火墙面板处并且可放置在面板505的面向车厢或发动机的一侧处。

图6描绘具有橡胶缓冲器601并且具有模制到橡胶缓冲器601的两个相反端部处的两个金属板602和603的排气安装件。两个螺纹杆604和605固定到金属板602和603。螺纹杆604和605可固定到车身和排气装置。加速度传感器606和607附接到任一个或两个金属板602和603。

参考图7，示例性发动机噪声控制方法包括：在拾取位置处直接拾取来自车辆发动机的发动机噪声以生成表示发动机噪声的感测信号，所述发动机噪声包括声波、加速度、力、振动、声振粗糙度等(过程701)；进行有源噪声控制滤波以根据感测信号生成滤波后感测信号(过程702)；以及将来自有源噪声控制滤波的滤波后感测信号转换成抗噪声并且将所述抗噪声发射到车辆内部中的收听位置(过程703)。滤波后感测信号被配置成使得抗噪声减小收听位置处的发动机噪声。

已经出于说明和描述的目的呈现了实施方案的描述。对实施方案的合适修改和变更可根据以上描述来执行或者可通过实践所述方法来获取。例如，除非另外指出，所描述方法中的一种或多种可由合适的装置和/或装置的组合来执行。所描述的方法和相关联动作也可按照除本申请中所描述顺序之外的各种顺序、并行地和/或同时地执行。所描述的系统本质上是示例性的，并且可包括另外的元件和/或省略元件。

如本申请中所使用的，以单数形式列举并且通过字词“一个(a/an)”引出的元件或步骤应理解为并不排除多个所述元件或步骤，除非明确陈述这种排除情况。此外，对本公开的“一个实施方案”或“一个实例”的参考并非意图解释为排除也并入有所列举特征的另外实施方案的存在。术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标签，而并不意图对其对象强加数值要求或特定位置顺序。