一种车内道路噪声混合前反馈多通道主动控制系统及方法

本发明涉及汽车nvh，尤其是涉及一种车内道路噪声混合前反馈多通道主动控制系统及方法。

背景技术：

1、车内的噪声控制一直是汽车企业关注的热门领域，如果车内噪声声压级太高，必然会影响车辆的乘坐舒适性，大大降低产品的竞争力，安静舒适的座舱声环境是高品质车辆的重要体现。因此，改善汽车车内噪声条件是提高汽车企业竞争力的重要手段。而随着汽车电动化和智能化的发展，车内道路噪声逐渐凸显出来，人们对车内道路噪声控制提出了更高要求。

2、当前对于车内噪声的控制主要集中在被动控制领域，一般通过吸声、消声、隔声等方法对汽车车内噪声进行控制。上述方法仅仅对中高频的噪声有较好的抑制效果，可以将车内噪声控制在低频范围内。但在实际中，结构产生的道路噪声是车内低频噪声主要成分之一，并且在车辆行驶过程中始终存在，这更突出了道路噪声控制的重要性，上述方法对于低频噪声的抑制基本没有效果。现有技术中，为有效抑制低频噪声，基于声波叠加的道路噪声主动控制(active road noise cancellation control，arnc)技术在车辆内部噪声控制上逐渐得到研究人员的重视。相比传统的被动控制方法，arnc技术对于低频噪声具有更好的控制效果，并且占用空间小，不会产生更多的附加成本。然而，现有arnc系统中往往忽略了一个因素：人耳对不同频率声音的感知灵敏度差异很大，导致无法保证在不同道路和不同驾驶条件下的降噪效果。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种车内道路噪声混合前反馈多通道主动控制系统及方法，能够在不同道路和不同驾驶条件下实现更大的道路噪声降低效果。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种车内道路噪声混合前反馈多通道主动控制系统，包括相互连接的集中式多通道前馈子系统和分布式反馈子系统，所述多通道前馈子系统包括多通道前馈控制器及其连接的多个扬声器和多个误差麦克风，所述多通道前馈控制器的输入包括参考信号和误差信号，并通过归一化计权误差多通道fxlms(filtered-x least mean square，滤波-x最小均方)算法，输出第一抵消声音信号；

3、所述分布式反馈子系统包括多个单通道反馈控制器，所述单通道反馈控制器的输入端连接至对应的误差麦克风、输出端连接至对应的扬声器，所述单通道反馈控制器的输入包括误差信号，并通过单通道反馈归一化fxlms算法，输出第二抵消声音信号；

4、所述第一抵消声音信号和第二抵消声音信号混合构成扬声器的激励信号。

5、进一步地，所述参考信号包括车体/底盘结构上的振动信号，所述误差信号包括误差麦克风检测到的误差噪声信号。

6、一种车内道路噪声混合前反馈多通道主动控制方法，包括以下步骤：

7、s1、建立集中式多通道前馈子系统；

8、s2、建立分布式反馈子系统；

9、s3、基于集中式多通道前馈子系统和分布式反馈子系统，建立混合前馈/反馈多通道arnc系统；

10、s4、获取训练样本数据，并构建多目标优化数学模型，对混合前馈/反馈多通道arnc系统进行训练求解优化，得到参数优化后的混合前馈/反馈多通道arnc系统；

11、s5、根据参数优化后的混合前馈/反馈多通道arnc系统，控制车辆扬声器发出抵消噪声波，实现针对车内道路噪声的降噪。

12、进一步地，所述步骤s1具体包括以下步骤：

13、s101、设定集中式多通道前馈子系统中包括j个参考信号、m个扬声器和k个误差麦克风；

14、s102、获取车身或底盘的振动加速度作为参考信号，表示为x(n)；

15、s103、建立振动加速度到车内噪声响应的振-声传递函数，表示为p(z)；

16、s104、建立m个扬声器和k个误差麦克风之间的次级路径，用一个m×k的矩阵s(z)表示，如下所示：

17、

18、其中，smk表示从第m个扬声器到第k个误差麦克风的次级路径的传递函数；

19、s105、集中式多通道前馈子系统中多通道前馈控制器是由j×m滤波器组成的滤波器组，表示为w(n)；

20、s106、建立m个扬声器的输出信号y(n)；

21、s107、建立第k个误差麦克风的检测信号，由第k个误差麦克风处的初级噪声信号与m个扬声器输出的抵消噪声信号的差值表示，如下所示：

22、ek(n)＝dk(n)-yk′(n)

23、

24、其中，dk(n)表示在第k个误差麦克风位置的初级道路噪声信号，yk’(n)表示m个扬声器输出的抵消声音，“*”表示线性卷积运算；

25、s108、定义代价函数，arnc系统的直接目标是降低目标区域内的线性声压级(spl)，但人耳对不同频率噪声分量的感知是非线性的，更接近于a计权声压级，因此，本发明根据声音的a计权法，定义新的代价函数ξ′(n)，如下所示：

26、ek′(n)＝h*ek(n)

27、

28、

29、其中，h表示a计权函数h(z)的单位脉冲响应，它是频域a计权的时域等效形式；

30、s109、对参考信号进行归一化处理，本发明创新性地提出一种仅对参考信号进行归一化的新方法，该方法可以使得参考信号的滤波过程和归一化过程并行处理，提高了计算效率，如下所示：

31、

32、其中，αf是一个数值小于预设阈值的正常数，以确保分母不会出现太小的值；μf是一个小常数；是第j个参考信号在第n时刻数据的平方，lf是前馈子系统中每个参考信号的长度，是第j个参考信号在第n-1时刻的能量；

33、利用以上方程，即可建立新的归一化函数，用n表示；

34、对于第n时刻第j个参考信号的能量可近似为

35、

36、s110、重构滤波器组，关于滤波器的权重系数wjm(n)的代价函数的瞬时梯度为：

37、

38、其中，x’jmk表示第j个参考信号被第m个扬声器和第k个误差麦克风之间的次级路径估计滤波后得到的信号，表示为

39、

40、x’jmk(n)＝[x’jmk(n)x’jmk(n)…x’jmk(n-l)…x’jmk(n-lf+1)]

41、将滤波器h与次级路径估计相结合，得到一个新的参考信号滤波器函数，重构次级路径估计的总体矩阵如下所示:

42、

43、此时，得到新的滤波参考信号，如下所示：

44、

45、s111、基于以上步骤，建立了一种简化的归一化计权误差多通道fxlms算法，如下所示：

46、

47、其中，wjm(n+1)为集中式多通道前馈子系统中滤波器的更新权重系数。

48、进一步地，所述步骤s2具体包括以下步骤：

49、s201、分布式反馈子系统包括分别对应于各误差麦克风的k个单通道反馈控制器；

50、s202、建立在第k个单通道反馈控制器中、第m个扬声器产生的抵消声音信号，表示为yb,k(n)，如下所示：

51、

52、其中，表示虚拟参考信号的样本向量，表示滤波器系数向量，lb,k是向量长度；

53、s203、建立第k个误差麦克风监测的残余噪声ek(n)，由第k个误差麦克风的初级噪声信号与扬声器的抵消噪声信号的差值表示，如下所示：

54、

55、s204、相应地，第k个单通道反馈控制器中的参考信号估计表示为：

56、

57、虚拟滤波参考信号为：

58、

59、s205、简化的归一化步长用于更新权重系数：

60、

61、其中，为虚拟参考信号在第(n-1)时刻的能量，αb,k、μb,k均为常数。

62、进一步地，所述步骤s3中混合前馈/反馈多通道arnc系统具体为：

63、

64、其中，对于第m个扬声器，yf,m(n)为多通道前馈子系统的输出抵消声音信号，而yb,m,k(n)为第k个单通道反馈控制器输出的抵消声信号，ym(n)为混合输出信号，fb是分布式反馈子系统的状态参数，其值为0或1，当fb＝0时，分布式反馈子系不工作，则arnc系统退化为前馈系统模式；当fb＝1时，分布式反馈子系统参与工作，此时arnc系统为混合模式。

65、进一步地，所述步骤s4中训练样本数据包括试验样车的前馈子系统参考信号、车内目标安静区域道路噪声信号次级路径的估计。

66、进一步地，所述步骤s4中多目标优化数学模型具体为：

67、

68、

69、其中，是设计变量x2的下边界条件，是设计变量x2的上边界条件，设计变量包括前馈子系统中的收敛系数μf和滤波器长度lf、每个单通道反馈控制器中的收敛系数(μb,1,μb,2,…)和滤波器长度(lb,1,lb,2,…)。

70、进一步地，所述步骤s4具体是采用非支配排序遗传算法对混合前馈/反馈多通道arnc系统进行训练求解优化。

71、进一步地，所述步骤s4中对混合前馈/反馈多通道arnc系统进行训练求解优化的目标具体为：静音区内的降噪量大于或等于预设的降噪阈值。

72、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

73、一、本发明构建一种车内道路噪声混合前反馈多通道主动控制系统，包括相互连接的集中式多通道前馈子系统和分布式反馈子系统，其中，多通道前馈子系统包括多通道前馈控制器及其连接的多个扬声器和多个误差麦克风，多通道前馈控制器基于归一化计权误差多通道fxlms算法实现；分布式反馈子系统则包括多个单通道反馈控制器，单通道反馈控制器基于单通道反馈归一化fxlms算法实现；利用多通道前馈子系统输出的第一抵消声音信号和分布式反馈子系统输出的第二抵消声音信号混合构成扬声器的激励信号。由此能够在不同道路和不同驾驶条件下实现更大的道路噪声降低、有效降低车内道路噪声水平。

74、二、本发明在建立集中式多通道前馈子系统时，考虑到人耳对不同频率噪声分量的感知是非线性的，更接近于a计权声压级，因此根据声音的a计权法，定义一种新的a计权残余噪声的代价函数，从而能够对不同频率分量的噪声信号进行不同的处理。

75、三、本发明在建立集中式多通道前馈子系统时，提出一种仅对参考信号进行归一化的新方法，该方法能够使得参考信号的滤波过程和归一化过程并行处理，从而大大提高计算效率。

76、四、本发明在建立集中式多通道前馈子系统时，通过重构的参考信号滤波器组，用于对参考信号进行滤波，进而实现一种简化的归一化计权误差多通道fxlms算法；在建立分布式反馈子系统时，则基于内模控制(internal model control，imc)的多个单通道反馈归一化fxlms算法。并设计分布式反馈子系统的状态参数，以建立混合前馈/反馈多通道arnc系统，能够实现一种用于消除车内道路噪声的主动控制方案。

77、五、本发明通过构建多目标优化数学模型、以静音区内的降噪量作为优化目标，并采用非支配排序遗传算法对混合前馈/反馈多通道arnc系统进行系统参数的求解寻优，能够确保高效、准确地找到混合前馈/反馈多通道arnc系统参数的最优参数集，从而实现对车内道路噪声的有效降噪控制。