CN102576526A - 对声学冷却系统的降噪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种布置为通过生成声波来进行冷却的声学冷却系统(1)，所述系统(1)包括换能器(2)和配置为生成用于激发所述换能器(2)的驱动信号(S1)的控制单元(6)，其中所述驱动信号(S1)是多谐波驱动信号，其包括被选择为减小包含在声波中的至少一个相应的较高谐波(B2-B5)的存在的至少一个较高谐波(A2-A5)。该系统的优点是能在不需要并入第二换能器的情况下实现降噪，因而使得低成本的紧凑的声学冷却系统成为可能。

Description

对声学冷却系统的降噪

技术领域

本发明涉及布置为用于通过生成声波来进行冷却的声学冷却系统。

背景技术

当今存在通过由声学冷却系统生成的声波冷却温暖的物体的技术，一个例子是声学谐振系统。这样的系统的最关键的组件是声波换能器，即压电元件、PVDF(聚偏二氟乙烯)材料、扬声器或任何其他电力、电磁、或静电换能器。当换能器连接到诸如开放式谐振管或亥姆霍兹谐振器之类的谐振器时，生成脉动气流。该气流用于例如电子电路和系统或灯具中的冷却目的。该脉动气流在冷却方面比使用更传统的冷却技术时获得的层流气流更有效。

虽然声学冷却系统能做得如果在足够低(例如低于70Hz)的频率下工作则非常安静，但可能由换能器的非线性行为和由脉动气流自身的非线性行为而生成较高谐波。这些较高谐波导致烦扰的可听噪声。

WO2008/053435描述了如何能够通过以第一换能器生成的可听噪声被补偿的方式驱动的第二换能器而压制由声学冷却系统生成的噪声。然而，因为这种声音抵消需要第二换能器，这在成本上存在有害影响。因此，需要一种能在不需要第二换能器的情况下减小由声学冷却系统生成的噪声的替代方案。

发明内容

鉴于以上内容，本发明的一个目的是至少减轻以上讨论的问题。根据本发明的一个方面，该目的和其他目的通过一种布置为通过生成声波来进行冷却的声学冷却系统而实现。该系统包括换能器和配置为生成用于激发换能器的驱动信号的控制单元，其中该驱动信号是多谐波驱动信号，其包括被选择为减小至少一个包含在由声学系统生成的声波中的相应的较高谐波的存在的至少一个较高谐波。

本发明基于以下理解：通过有意地引入至少一个特别选择的较高谐波到用于激发换能器的驱动信号中，可能减少至少一个相应的较高谐波在由声学系统生成的声波中的存在，因此可以实现在由声学冷却系统生成的可听噪声的降低。本发明的冷却系统的优点是可以在不需要并入第二换能器的情况下实现降噪。这使得低成本的紧凑的声学冷却系统成为可能。

多谐波信号这里意图表示包括第一谐波(即主频率)和一个或多个特别选择的较高谐波的信号。而且，用于换能器的声波可以优选在诸如空气之类的流体中生成。而且，该换能器可以包括谐振器，其优点是可以获得用于脉动气流的期望的谐振。

该声学冷却系统可以进一步包括诸如麦克风之类的传感器，其适于探测由该系统生成的声波以及向控制单元提供关于探测到的声波的声音信号，其中该控制单元进一步配置为基于声音信号选择驱动信号的至少一个较高谐波。一个优点是可以测量实际噪声水平(例如包括由于脉动气流中的非线性行为而产生的噪声的由于整个系统而产生的噪声)，且可以相应地调整驱动信号。

根据一个替代实施方式，该系统可以包括适于测量换能器中的感应电压和感应电流中的至少一个以作为由该系统生成的声波的指示，并且向控制单元提供关于感应电压和感应电流中的至少一个的信息的传感器，其中控制单元进一步配置为基于该信息选择驱动信号的至少一个较高谐波。这可以消除对麦克风的需要。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于确定用于布置为通过生成声波来进行冷却的声学冷却系统的多谐波驱动信号的方法。该方法包括以下步骤：向换能器提供驱动信号，获得关于由该系统作为对驱动信号的响应生成的声波的声音信号，确定该声音信号的声音功率频谱，以及通过引入被选择为减小声音功率频谱中的至少一个相应的较高谐波的至少一个较高谐波而变换驱动信号。

驱动信号中的至少一个较高谐波的振幅和相位中的至少一个可以被选择为减小声音功率频谱中的相应的较高谐波。例如，驱动信号中的二次谐波的振幅和/或相位可以被调整为最小化声音功率频谱中的二次谐波，驱动信号中的三次谐波的振幅和/或相位可以被调整为最小化声音功率频谱中的三次谐波，等等。一个优点是可以最小化与每个较高谐波相关的噪声。

根据一个实施方式，可以通过以二次谐波开始迭代地将越来越高的谐波引入驱动信号的过程来确定多谐波驱动信号。而且，根据本发明的声学冷却系统可以有利地被包含在进一步包括发光设备的照明设备中，其中该声学冷却系统可以布置为对发光设备进行冷却。

当阅读所附权利要求书和以下描述后，本发明的更多特征和其优点将变得明显。本领域技术人员能了解，在不偏离本发明的范围的情况下，可以组合本发明的不同特征以创造除以下描述的那些实施方式以外的实施方式。

附图说明

从以下详细描述和附图中将可以容易地理解本发明的各方面，包括其具体特征和优点，在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的一个实施方式的声学冷却系统；

图2示意性地示出了用于确定多谐波驱动信号的方法的一个实施方式的流程图；和

图3示意性地示出了包括声学冷却系统的示范性的照明设备。

具体实施方式

现在将在以下参考附图更完整地描述本发明，其中示出本发明的目前的优选实施方式。然而，本发明可以被体现于很多不同形式而不应被解释为限制于这里提出的实施方式；相反，为了透彻和完整而提供这些实施方式，并且这些实施方式向本领域技术人员完整地传达本发明的范围。相同的参考标记始终代表相同的元件。

现在参考附图尤其是图1，描述了声学冷却系统1，其包括换能器2。该换能器2可以是压电元件、PVDF(聚偏二氟乙烯)材料、扬声器或任何其他电力、电磁、或静电换能器。图1中所示的换能器2连接到具有开口4的谐振器3。开口4典型地指向在工作期间将要被冷却的诸如发光二极管5(LED)之类的温暖物体。

冷却系统1进一步包括控制单元6，其布置为生成驱动信号S1以激发换能器2，从而在开口4处生成脉动气流形式的声波以冷却LED5。控制单元6可以连接到布置在离冷却系统1预定距离且布置为检测由系统1生成的声波(或噪声)的诸如麦克风7之类的传感器。这里，控制单元6包括用于生成具有基础频率的信号的生成器元件8(诸如信号生成器)、用于变换来自生成器元件8的信号的变换元件9(诸如信号处理单元)和用于确定由麦克风7获得的声音信号S_sound的声音功率频谱的分析元件10。

控制单元6可以包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或其他可编程器件。控制单元6可以还包括或作为替代包括专用集成电路(ASIC)、可编程门阵列可编程阵列逻辑、可编程逻辑器件、或数字信号处理器。当控制单元6包括诸如以上提到的微处理器或微控制器之类的可编程器件时，处理器可以进一步包括计算机可执行代码，其控制可编程器件的工作。此外，控制单元6提供的功能的一部分可以通过模拟电子元件实现。

作为通过麦克风7检测由该系统生成的声波的替代，也可以使用电压或电流检测器11来检测通过换能器2的电流或换能器2上的电压，以作为由系统1生成的声波(或噪声)的指示。例如，由系统1生成的声波和感应电压/电流之间的关系可以从之前的测试中获知。因此，由电压/电流检测器11获得的感应电压/电流可以被变换为声音信号，该声音信号可以被发送到控制单元中的分析元件10。

根据本发明，多谐波驱动信号可以用于减少由系统1生成的声波的较高谐波。除了主频率分量(也称为一次谐波)之外，多谐波驱动信号还包括一个或更多较高谐波。

现在将参考图1中的系统和图2中的示意性流程图描述用于确定多次谐波驱动信号的方法的一个实施方式。该过程可以通过使用临时麦克风7在冷却系统1的组装期间执行。可替代地，麦克风7可以被包含在声学冷却系统中以使得能够对多谐波驱动信号进行后续的校准或连续的调整。

在一个示范性操作期间，信号生成器8生成单谐波信号，诸如频率为例如60Hz的正弦信号。初始地，信号不变化地通过变换元件9，因而在步骤201中换能器2被仅具有一次谐波A1的单谐波驱动信号S1激发。由麦克风7检测作为对单谐波驱动信号S1的响应而由系统1生成的声波，且在步骤202中与检测到的声波有关的声音信号S_sound被发送到控制单元6中的分析元件10。在步骤203中分析元件10确定获得的声音信号的声音功率频谱。声音信号的声音功率频谱在这里具有一次B1、二次B2、三次B3、四次B4、和五次B5谐波。

然后变换元件9通过在步骤204中将二次谐波A2引入到驱动信号S1中来变换驱动信号。因为换能器被利用变换后的信号S1激发，所以声音功率频谱中的二次谐波的声音功率水平被减小。而且，在步骤205中，二次谐波的振幅A和/或相位

可以被调节，从而二次谐波的声音功率水平被最小化(即由系统生成的声波的二次谐波被最小化)。这可以通过以相位

和/或小振幅开始并逐渐增大相位和/或振幅(同时监测随着换能器被变换后的驱动信号激发而得到的声音功率频谱)直到对于声音功率频谱中的二次谐波发现最小声音功率水平来实现。

然后可以对于越来越高的谐波(即对于三次谐波，然后对于四次谐波，等等)重复关于步骤204和205描述的过程，直到声音水平已经对于声音功率频谱中存在的所有较高谐波而被最小化。

因为换能器2被利用所得的多谐波驱动信号(其包括主频率A1和较高谐波A2-A5)激发，所以仅一次谐波B 1保留在由系统生成的声波中。也就是说，所有较高谐波已经被至少部分地减少，并且因此由系统1生成的噪声已经被减少。

虽然这里已经将确定多次谐波驱动信号的过程描述为其中每次一个地引入越来越高的谐波的迭代过程，但也可以并行地引入和优化多个较高谐波的参数以加快过程。而且，其他降噪算法或一般来说的控制算法都可用于确定驱动信号中的每个较高谐波的最优的设置。例如，可以使用迭代学习控制。

现在转到图3，示意性地示出了以下实施方式，其中声学冷却系统1被包含在诸如灯12之类的照明设备中，该照明设备进一步包括诸如LED5之类的发光设备。确定用于声学冷却系统的多次谐波驱动信号的过程可以根据应用而变化。作为一个例子，在开发灯具期间，可以确定用于声学冷却系统的单个多谐波驱动信号，然后该预定的多谐波驱动信号可以被用于许多灯。例如，相同的多谐波驱动信号可以用于特定型号的所有灯，因此减少成本。可替代地，在制造期间可以对于每个单独的灯确定用于声学冷却系统的多谐波驱动信号。如果不同灯具之间的散布太大以至于单个多谐波驱动信号不合理，则这可能是有利的。

作为另一个例子，多谐波驱动信号可以在工作期间被调谐。如果在较高谐波方面的灯12行为表现出随时间或依赖于灯12如何被安装而变化很大，则这可能是有利的。这可以作为初始校准而完成，或该校准可以偶尔重复。也可能使用多谐波驱动信号的连续的调整。

另外，麦克风不仅可以用于检测灯的声音输出，还可以用于检测其他相邻的灯的声音输出。这使得可以对多个相邻灯使用不同频率或相位的驱动信号，从而所有灯的整体声音输出将被减小，因此避免仅对一个灯的亚优化。

虽然已经参考其具体示例性实施方式对本发明进行了描述，但对本领域技术人员来说，许多不同的更改、修改等将变得明显。根据对附图、公开内容和所附权利要求书的阅读，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，可以理解对公开的实施方式的变化。例如，为了计入不同灯中的散布，可以对一组灯应用优化过程。这可以通过使用各种非耦合的多系统的系统来实现，例如每个灯一个声学冷却系统，或一组灯一个声学冷却系统，而另一组灯另一个声学冷却系统。而且，作为为每个声学冷却系统使用一个麦克风的代替，多个声学冷却系统可以共享单个麦克风。还有另一个可替换方案是多个麦克风共享单个控制单元。另外，虽然这里声学冷却系统已被描述为用于冷却LED，但该系统也可以用于冷却其他电子组件，诸如例如集成电路或微处理器。而且，在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，且不定冠词“一”不排除多个。

Claims (7)

1.一种布置为通过生成声波来进行冷却的声学冷却系统(1)，所述系统包括：

-换能器(2)；和

-控制单元(6)，配置为生成用于激发所述换能器(2)的驱动信号(S1)，

其中所述驱动信号(S1)是多谐波驱动信号，其包括被选择为减小包含在所述声波中的至少一个相应的较高谐波(B2-B5)的存在的至少一个较高谐波(A2-A5)。

2.根据权利要求1所述的声学冷却系统，进一步包括传感器(7)，其适于检测由系统(1)生成的声波并向所述控制单元(6)提供与检测到的声波有关的声音信号(S_sound)，其中所述控制单元(6)进一步配置为基于所述声音信号(S_sound)选择所述驱动信号(S1)中的至少一个较高谐波(A2-A5)。

3.根据权利要求1所述的声学冷却系统，进一步包括传感器(11)，其适于测量换能器(2)中的感应电压和感应电流中的至少一个以作为由该系统(1)生成的声波的指示，并向所述控制单元(6)提供关于所述感应电压和所述感应电流中的至少一个的信息，其中所述控制单元(6)进一步配置为基于所述信息选择所述驱动信号(S1)的至少一个较高谐波(A2-A5)。

4.一种用于确定用于布置为通过生成声波来进行冷却的声学冷却系统(1)的多谐波驱动信号(S1)的方法，所述方法包括以下步骤：

-向换能器(2)提供(201)驱动信号(S1)；

-获得(202)关于由该系统(1)作为对所述驱动信号(S1)的响应而生成的声波的声音信号(S_sound)；

-确定所述声音信号(S_sound)的声音功率频谱；和

-通过引入被选择为减小所述声音功率频谱中的至少一个相应的较高谐波(B2-B5)的至少一个较高谐波(A2-A5)，来变换所述驱动信号(S1)。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述驱动信号(S1)中的所述至少一个较高谐波(A2-A5)的振幅和相位中的至少一个被选择为减小所述声音功率频谱中的相应的较高谐波(B2-B5)。

6.根据权利要求4或5中的任一项所述的方法，其中所述多谐波驱动信号(S1)通过以所述二次谐波(A2)开始迭代地将越来越高的谐波(A2-A5)引入到所述驱动信号(S1)中的过程来确定。

7.一种照明设备(12)，包括：

-发光设备(5)；和

-布置为对所述发光设备(5)进行冷却的根据权利要求1至3中的任一项所述的声学冷却系统(1)。

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