CN101206853A - 自适应噪音控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种自适应噪音控制系统，配置在位于传递路径中的箱式结构内，噪音沿该传递路径从生成噪音的声源传播到汽车乘客厢中的噪音接收处。该自适应噪音控制系统可以设置在车辆仪表板的双舱壁中，提供限定的容积，发动机噪音可以在其中被控制。该自适应控制系统响应置于发动机舱中的传感器所确定的声学环境，生成将被控制的噪音的数学模型。乘客厢中的传感器确定噪音控制系统的效能。控制器可操作，以响应声学环境的变化更新数学模型，从而在双舱壁集气室内提供适当的声学反应，用以沿传递路径控制噪音。

Description

自适应噪音控制系统
技术领域
本发明总体上涉及对机动车辆产生的噪音的控制，更具体地说，涉及以自适应系统通过控制噪音从噪音源沿声学传递路径到达噪音接收处的传播，来减少机动车辆乘客厢中的噪音，该自适应系统通过数学模型提高产生声学反应。
背景技术
机动车中动力系统的运行是造成机动车乘客厢中接收到的噪音的主要来源之一。新的动力系统技术，例如电动阀启动(electronic valveactuation)和可变排量式发动机(variable displacement engine)，需要新的控制内部噪音的方法。为了改善消费者感知内部噪音的质量，乘客厢主动噪音控制已成为研究的流行策略。这些噪音控制方法将在以下相对于公知技术进行讨论。总体上，这些方法成本高，且其仅控制问题的接收终端，例如乘客、驾驶员的耳朵位置，这会影响乘客的听说能力。已开发了其它针对源头的控制噪音方法，例如对进气或排气系统的主动控制。然而，主动控制能力受到限制，并且非常复杂而且昂贵。因此，即使主动噪音控制的方法和技术能力已存在多年，主动噪音控制系统还是未被证明得到普及。
乘客厢主动声音抑制技术的例子可见1985年3月19日授予ShinichiMatsui的4,506,380号美国专利，其中，向位于车辆仪表板中的扬声器单独地施加电压，以选择性控制相对于发动机振动产生的共振。类似地，1995年1月31日授予Toshiski Kobayashi等人的5,386,372号美国专利公开了一种主动振动/噪音控制系统，其中，扬声器排列在乘客厢仪表板的适当位置上，以控制来自发动机的噪音。自膨胀发动机底座具有压电元件(piezo-electricelement)或磁致伸缩元件(magnetostrictive element)制成的激发器，以防止振动从发动机传播。
在整个机动车辆中都使用被动吸声材料以减少噪音的传播。2006年3月28日授予Girma Gebreselassie等人的7,017,250号美国专利中可以看到这样的例子，其中，前舱壁隔音系统具有由泡沫制成的基板，其用于吸收导向前舱壁隔音装置的声音。1986年3月11日授予Heinemann Gahlaii等人的4,574,915号美国专利中，由黏弹性泡沫材料制成的隔音覆层安装在前端舱壁的表面，以提供隔音区域。如1992年3月10日授予Takashi Maeda等人的5,094,318号美国专利、1996年9月10日授予Hiroshi Matsukawa等人的5,554,831号美国专利、1998年10月6日授予Motohiro Orimo等人的5,817,408号美国专利、2000年8月15日授予Kouichi Nemoto的6,102,465号美国专利以及2003年4月29日授予Kyoichi Watanabe的6,554,101号美国专利所公开的，将吸声材料用在车辆的仪表板区域提供被动噪音控制系统，其防止发动机舱产生的噪音传播到乘客厢中。
2004年7月27日授予Christian Junker、并转让给福特全球技术公司(Ford Global Technologies，LLC)的6,767,050号美国专利和2006年7月4日授予Michael Campbell的7,070,848号美国专利中公开了一种由注模泡沫(cast foam)制成的隔音系统，其装在车辆仪表板在水平和垂直部分，以减少来自发动机舱的不想要的噪音和振动的传播。2005年7月14日公开的Jay Tudor等人的公布号为2005/0150720的美国专利申请公开了一种用于减少噪音从发动机到车辆内部传播的机动车前舱壁隔音系统，其由吸声层形成，该吸声层包含黏弹性泡沫。
在2003年7月8日授予Jun Okada等人的6,589,643号美国专利中可以看到一种使用压电控制系统配置的噪音控制系统，其中，将吸声材料、例如压电材料用于在车辆中对仪表板隔音，以吸收和防止低频噪音从发动机进入到乘客厢中。2004年7月8日公开的David Hein的公布号为2004/0130081的美国专利申请中，公开了一种包含在仪表板中的各种结构之间的压电激发器和传感器总成，其用以使仪表板结构中的振动最小化。
自适应滤波器亦已被用于控制噪音源、例如机动车发动机产生的噪音，如1992年7月14日授予Hiroyuki Hashimoto等人的5,131,047号美国专利所公开的，其中，扬声器被用于再生控制发动机噪音的发动机噪音。在1994年6月14日授予Yi Yuan的5,321,759号美国专利中，将具有横向滤波器的自适应滤波器用于主动噪音控制系统，以控制发动机产生的振动噪音。2001年10月23日授予Hans-Wilheim Ruhl的6,305,732号美国专利公开了将定向传声器集成到仪表板中，以获得控制机动车噪音的定向效果。在2001年11月27日授予Henry Azima等人的6,324,294号美国专利中，将扩音器面板粘附或安装在机动车仪表板中。2004年12月2日公开的Yoshio Nakamura的公布号为2004/0240678的美国专利申请公开了一种主动噪音控制系统，其使用扬声器控制发动机产生的有问题的噪音。
需要提供一种针对传播路径、而不是噪音源或接收处减少发动机噪音的系统。还需要提供一种利用数学模型确定箱式结构内的系统的声学反应的系统，该箱式结构置于噪音从声源到接收处的传递路径中。
发明内容
本发明的一个目的是，通过提供一种针对噪音传播的传递路径的噪音控制系统，克服上述公知技术的缺点。
本发明的另一个目的是，提供一种配置在机动车仪表板的双舱壁集气室中、用于控制发动机所产生的噪音的自适应系统。
本发明的一个特征是车辆仪表板的双舱壁集气室沿传递路径设置，发动机噪音沿该传递路径传播到乘客厢中。
本发明的一个优点是，在双舱壁集气室中应用声音控制技术针对的是噪音的传播，而不是针对噪音源或噪音接收处。
本发明的另一个优点是，主动声学传递功能提供对通过仪表板传入机动车辆车厢的噪音进行有效控制。
本发明的另一个特征是，双舱壁集气室的限定容积有助于提供更有效的噪音控制系统。
本发明的另一个优点是，配置简单的硬件和软件就可以在车辆仪表板的双舱壁集气室中提供低成本、高性能的主动噪音控制，以在乘客厢内影响噪音。
本发明的另一个目的是，通过阻断噪音传播的传递路径来减少发动机噪音传播到机动车辆的乘客厢中。
本发明的另一个特征是，在机动车仪表板的双舱壁集气室中提供自适应噪音控制系统。
本发明的另一个特征是，利用双舱壁集气室中的扬声器控制通过集气室传播的发动机噪音。
本发明的另一个优点是，集气室可以用安装在形成舱壁的金属板表面的吸声声学材料阻尼。
本发明的另一个优点是，该噪音控制系统可以置于比在噪音源中使用更低苛刻条件的环境中。
本发明的另一个优点是，该噪音控制系统可以适用于任何采用双舱壁仪表板设计的机动车辆中。
本发明的另一个目的是，提供一种噪音控制系统，其利用算法生成数学模型，预测生成并通过双舱壁集气室传播到乘客厢的噪音的特征。
本发明的另一个特征是，双舱壁集气室中的控制装置的声学反应基于数学模型，以提供开放回路的控制系统。
本发明的另一个优点是，控制器监控反应，并周期性地更新系统的内部模型，对运行条件调整数学模型。
本发明的另一个特征是，利用传感器确定车辆运行条件，并确定噪音控制系统的终止结果。
本发明的另一个优点是，修订数学模型以适应声学环境的改变。
本发明的另一个目的是，提供一种针对噪音传播的传递路径的自适应噪音控制系统，其结构经久耐用、制造成本低、维护方便、组装简易并且使用方便有效。
这些以及其它目的、特征和优点根据本发明通过提供箱式结构内可操作的自适应噪音控制系统得以实现，该箱式结构位于传递路径中，噪音沿该传递路径从生成噪音的声源传播到汽车乘客厢中的噪音接收处。该自适应噪音控制系统可以设置在车辆仪表板的双舱壁中，提供限定的容积，发动机噪音可以在其中被控制。该自适应控制系统响应置于发动机舱中的传感器所确定的声学环境，生成将被控制的噪音的数学模型。乘客厢中的传感器确定噪音控制系统的效能。控制器可操作，以响应声学环境的变化更新数学模型，从而在双舱壁集气室内提供适当的声学反应，用以沿传递路径控制噪音。
附图说明
本发明的优点在考虑以下对发明的详细说明、尤其是结合附图时将变得显而易见，其中：
图1为具有结合了本发明原理的噪音控制系统的机动车辆的局部示意性侧视立面图；
图2为具有双舱壁集气室(dual bulkhead plenum)的机动车辆的局部示意性透视图，噪音控制系统配置在上述双舱壁集气室中，以控制发动机噪音传播到乘客厢；
图3为利用安装在机动车仪表板的双舱壁集气室中的扬声器的主动噪音控制系统的示意图；以及
图4为双舱壁集气室的示意性侧视立面图，用以说明集气室中声学材料的应用。
具体实施方式
参照图1-4，可见结合了本发明原理的机动车辆。对进入机动车乘客厢的不期望的噪音进行控制已成为最近研发的主题。某些噪音控制系统采用在声波进入乘客厢之后对其进行对抗的方法，例如，通过适当排列在乘客厢中的扬声器引入反向的声波。其它的噪音控制系统采用在声波产生点对其进行对抗的方法，例如通过适当地位于发动机内和/或发动机周围、例如位于发动机进气管上的扬声器引入反向的声波。本发明采用独特的方法通过沿噪音的传播路径、不同于在接收处或产生处反声波控制噪音。
为了控制音源、例如发动机13和接收处、例如机动车10的乘客厢12之间的声音传递，沿产生处和接收处之间的传递路径放置箱式结构，其在本申请中定义为具有固定的容积。在某些机动车辆10中，仪表板15具有位于发动机和乘客厢之间的双舱壁集气室20。双舱壁集气室20提供适合的箱式结构，以控制声波或振动沿传递路径穿过仪表板15进入乘客厢12的传递。由于穿过集气室20的声音或振动能量的低水平以及集气室20的限定容积，成本极低、但性能高的主动噪音控制系统可以用在使用相对简单的硬件和软件系统的集气室20中。
噪音控制系统30可以包括发动机舱中的传感器31，其用以确定由发动机31产生的、穿过双舱壁集气室20传递到乘客厢12的声能的频率和振幅，以及乘客厢12中的传感器32，其用以确定传播到乘客厢12中的声能的频率和振幅。这些传感器31探知车辆10的声学环境，并且可以感应诸如温度、车速和发动机每分钟转速(RPM)的条件。因此，这些传感器31可在使用控制算法的开放回路控制系统中使用，其中的控制算法可以生成由集气室20内扬声器35引入的反声波。控制器25响应这些环境条件通过控制算法使用车辆声学反应的数学模型，并响应预设的声能水平产生声波的抵消。
因此，将扬声器35置于集气室20内，以引入对抗声能，控制沿传递路径穿过集气室20传播的声能。振动能也可以由相反的抵消振动能对抗，该相反的抵消振动能由振荡器36导至集气室20内，该振荡器36在图4中示意性表示，其在集气室壁上产生振动，该振动具有与发动机13或其它车辆部件发射、并穿过集气室20传播的振动相反的频率和振幅。作为提供与穿过集气室20的声音和/或振动相反的频率和振幅的可选方法，扬声器35和/或振荡器36可以通过提供部分相反的频率和振幅对穿过集气室20传播的声音进行整形，从而可使预先设定的声音或振动到达乘客厢。
自适应横向滤波器可以用在噪音控制系统30中，取代传统的前馈/反馈(feed forward/feedback)主动噪音控制器。自适应控制是一种特殊类型的开放回路主动控制，控制器25在其中使用车辆声学反应、以及可能的激发器和传感器的数学模型。由于声学环境可能因为车辆10的温度和其它运行条件的变化而随时间发生变化，所以控制器25监控反应，例如通过传感器32识别噪音控制系统30控制生成噪音的成功，并持续或周期性地更新系统的内部慢性。
可选择地，或作为对扬声器35和/或振荡器36的任选添加，集气室20可以衬有声学材料27、29，如图4所示。这种被动声音管理方法的例子有声阻尼材料，例如具有黏弹性表面阻尼板，用以提供宽温度和频率范围的高阻尼。吸声材料，例如声学泡沫29可以提供最小厚度的施加到集气室20的金属板表面以减少振动的泡沫层和最大的吸声效果。声屏障材料，例如具有减少撞击噪音的泡沫的用以阻止空气载声的重乙烯基屏障27，提供最大的声音衰减和传播损耗。将被动声学材料和主动声音控制系统30结合，可以提供高性能的噪音控制系统，如图4所示。
应该理解，上述用于解释本发明原理的对部件的细节、材料、步骤和排列的说明和阐述可以发生改变，并且所属技术领域的技术人员在阅读本公开之后，在本发明的原理和保护范围内也可以做出这样的改变。以上对本发明的较佳实施例进行了说明，然而，基于该说明的思想也可以用于其它实施例中，而不脱离本发明的保护范围。
例如，本噪音控制系统可以调整和扩展，以用于其它车辆结构中，例如车轮挡泥板和行李箱，只要可以在车辆结构的范围内可以实现固定的容积。本噪音控制技术的其它应用可以包括施工设备以及其它重型设备、航空航天业以及供暖、通风和空调业。

Claims (19)

1.一种机动车辆，包含：
底盘，其确定发动机舱和纵向间隔的乘客厢；
发动机，其安装在上述发动机舱中并可运行生成噪音能量；
横向的箱式结构，其设在上述发动机舱和上述乘客厢之间、从上述发动机传播到上述乘客厢的噪音能量的传递路径中；以及
噪音控制系统，其安放在上述箱式结构中，控制上述噪音能量传递到上述乘客厢中，上述噪音控制系统包括：
可操作的传感器，其探知车辆的声学环境，并且生成表示其的信号；
可操作的控制器，其由上述传感器生成的信号生成声学反应的数学模型，以据此确定预设的声能水平；以及
抵消噪音生成装置，其位于上述箱式结构内，并且可操作地连接至上述控制器，以制造用于预设声能水平的抵消声波。
2.根据权利要求1所述的机动车辆，其特征在于，横向的箱式结构为连接到仪表板的双舱壁集气室，其中该仪表板位于上述乘客厢中的前方位置。
3.根据权利要求2所述的机动车辆，其特征在于，上述传感器包括支承在上述车辆上的环境传感器，用以感应与上述发动机有关的运行条件。
4.根据权利要求3所述的机动车辆，其特征在于，上述传感器还包括位于上述乘客厢内的反应传感器，用以探知上述噪音控制系统的效能。
5.根据权利要求4所述的机动车辆，其特征在于，上述抵消噪音生成装置包括至少一个安装在上述双舱壁集气室中的扬声器，上述扬声器可操作，以生成上述抵消声波。
6.根据权利要求5所述的机动车辆，其特征在于，上述控制器可操作，以响应由上述环境和反应传感器检测到的声学环境更新数学模型。
7.根据权利要求6所述的机动车辆，其特征在于，上述噪音控制系统还包括安装在上述集气室中的振动生成器，用以在上述集气室中产生对抗振动能量，上述振动生成器由上述控制器响应所用的数学模型控制运行。
8.一种噪音控制系统，其可与制造生成噪音能量的噪音生成装置和远离上述噪音生成装置用以接收上述生成噪音能量的接收处一起工作，包含：
至少一个传感器，用以感应运行环境条件；
可操作的控制器，用以接收来自说说至少一个传感器的信号，基于感应到的运行环境条件使用控制算法生成预设噪音能量的数学模型，并生成噪音控制信号，抵消上述生成噪音能量；以及
对抗能量生成装置，其可操作地连接至上述控制器，以接收上述噪音控制信号并产生对抗噪音能量。
9.根据权利要求8所述的噪音控制系统，其特征在于，上述控制器可操作，用以响应上述运行环境条件的改变而修改上述数学模型。
10.根据权利要求9所述的噪音控制系统，其特征在于，还包含：
箱式结构，其位于在上述噪音生成装置和接收处之间延伸的传递路径上，上述对抗能量生成装置安装在上述箱式结构中
11.根据权利要求10所述的噪音控制系统，其特征在于，上述噪音能量为具有振幅和频率的生成声波形式。上述对抗能量生成装置为扬声器，上述控制器向上述扬声器发送信号，以生成具有频率和振幅的反声波，该频率和振幅与上述生成声波的相应振幅和频率相反，以抵消生成声波。
12.根据权利要求11所述的噪音控制系统，其特征在于，上述箱式结构为连接到机动车辆仪表板的双舱壁集气室，其位于上述车辆乘客厢中的前方位置。
13.根据权利要求12所述的噪音控制系统，其特征在于，上述至少一个传感器包括与上述噪音生成装置结合的环境传感器，用以检测运行环境条件，以及与上述与乘客厢结合的反应传感器，用以检测进入上述乘客厢的噪音能量，上述控制器可操作，用以接收来自上述环境传感器和上述反应传感器的信号，以修改上述数学模型。
14.一种控制噪音能量从产生生成噪音能量的噪音生成装置到远离上述噪音生成装置、接收上述生成噪音能量的接收处传播的方法，包含以下步骤：
沿在上述噪音生成装置和上述接收处之间延伸的传递路径截取上述生成噪音能量；
沿上述传递路径安装对抗能量生成装置；
感应与上述噪音生成装置有关的运行环境条件；
由控制器利用控制算法生成预设噪音能量的数学模型；
由上述控制器响应上述数学模型生成噪音控制信号，并将上述噪音控制信号发送到上述对抗能量生成装置；以及
由上述对抗能量生成装置响应上述噪音控制信号产生对抗噪音能量，以沿上述传递路径抵消上述生成噪音能量。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，上述截取步骤包括以下步骤：
使用位于上述传递路径上的箱式结构，上述对抗能量生成装置安装在上述箱式结构中。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，上述感应步骤还包括以下步骤，由与上述噪音生成装置结合的环境传感器检测上述运行环境条件，由反应传感器检测上述接收处接收的生成噪音能量，上述方法还包含以下步骤：
响应上述环境传感器检测到的上述运行环境条件和上述反应传感器检测到的上述生成噪音能量的改变而修改上述数学模型。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，上述对抗能量生成装置为可操作的扬声器，用以产生反声波，上述生成噪音能量包括具有振幅和频率的生成声波，上述产生步骤基于对应于上述数学模型的经修改的预设声波而生成上述具有对抗振幅和对抗频率的反声波，以抵消上述生成声波。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，上述对抗能量生成装置为可操作的振动生成器，用以产生对抗振动能量，上述生成噪音能量包括具有振幅和频率的生成振动能量，上述产生步骤生成上述具有对抗振幅和对抗频率的对抗振动能量，以抵消上述生成振动能量。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，上述箱式结构为结合在机动车辆仪表板上的双舱壁集气室，上述双舱壁集气室在上述车辆的乘客厢中的前方在上述车辆的横向延伸。
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