CN107358944A - 用于减少压力波的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

提供了用于减少压力波的方法和系统。在示例性实施例中，机动车包括车舱和接收器，该接收器定位成检测车舱内的输入压力波并且产生输入信号。具有带可变节距的叶片的风扇定位在车辆内，其中在车舱内可听到该风扇的声音。处理器与接收器和风扇进行通信，其中该处理器配置成接收输入信号并且确定输入频率和输入相位。该处理器进一步配置成指令该风扇控制叶片的节距以产生消除压力波，消除压力波具有与输入频率大约相同的消除频率以及与输入相位大约异相180°的消除相位。

Description

用于减少压力波的方法和系统
技术领域
本技术领域总体上涉及主动消噪系统，并且更具体地涉及用于机动车的主动消噪系统。
背景技术
车舱环境对于机动车的用户而言是一个重要方面。许多人在机动车方面花费了很长时间，因此舒适度是关键的考虑因素。然而，与机动车相关联的固有方面并不舒适。例如，机动车具有马达并且在道路地面上方移动。噪声和振动在大部分机动车中是常见的，且这些噪声和振动在长时间内可能会令人不快。许多车辆的马达产生噪声和振动，且轮胎在道路上滚动也可能产生噪声和振动。其它因素也可能在车辆内产生噪声或振动。在某些情况中，产生人类的正常人类听觉范围以下的振动，其通常称为人类的亚音频声音。此现象的实例是当行驶时拉下单个车窗通常所产生的车舱轰鸣效应。此实例提出了开放式腔体所特有的强制实例，但可扩展至闭合腔体和其它强制响应情况。减少或消除噪声的系统和方法可能是昂贵的和/或繁重的，且价格和重量是机动车的重要方面。
因此，希望提供用于减少机动车中的噪声或其它压力波的系统和方法。另外，可希望提供减少机动车中的现有部件的降噪系统和方法。另外，从以下结合附图和本发明的背景技术进行的以下详细描述和所附权利要求书中将更清楚地明白本实施例的其它理想特征和特性。
发明内容
提供了用于减少压力波的方法和系统。在示例性实施例中，机动车包括车舱和接收器，该接收器定位成检测车舱内的输入压力波。该接收器配置成产生输入信号。具有带可变节距的叶片的风扇定位在车辆内，其中在车舱内可听到该风扇的声音。处理器与接收器和风扇进行通信，其中该处理器配置成接收输入信号并且确定输入频率和输入相位。该处理器进一步配置成指令该风扇控制叶片的节距以产生消除压力波，其具有与输入频率大约相同的消除频率以及与输入相位大约异相180°的消除相位。
在另一个实施例中提供了一种用于减少压力波的方法。该方法包括以接收器测量输入压力波，并且确定输入压力波的输入频率和输入相位。调整风扇操作以产生消除压力波，其具有与输入频率大约相同的消除频率以及与输入相位大约异相180°的消除相位。调整风扇操作包括调整风扇速度以及风扇的叶片的节距中的一个或多个。
在又一实施例中提供了一种减少压力波的系统。该系统包括接收器，该接收器定位成监测并测量输入压力波，并且产生输入信号。风扇定位在输入压力波的可听范围内，其中该风扇具有带可变节距的叶片。处理器与接收器和风扇进行通信，且该处理器配置成接收输入信号并且确定输入信号的输入频率和输入相位。该处理器进一步配置成指令该风扇改变叶片的节距以产生消除压力波，该消除压力波具有与输入频率大约相同的消除频率以及与输入相位大约异相180°的消除相位。
附图说明
下文将结合以下附图描述本实施例，其中相同标号表示相同元件，且其中：
图1是示例性机动车的表示；
图2是主动噪声控制系统的示意图；
图3是具有带可变节距的示例性风扇；
图4说明时域中的输入压力波以及对应的消除压力波的示例性实施例；
图5说明频域中的输入压力波以及对应的消除压力波的替代实施例；
图6说明机动车中的加热、通风和空气调节系统的示例性实施例；
图7说明安装在机动车的车舱的后架上的风扇的示例性实施例；以及
图8说明是安装在扬声器后面的风扇的示例性实施例。
具体实施方式
以下详细描述在本质上仅仅是示例性的并且不旨在限制各种实施例或其应用和用途。另外，不存在被任何前述背景或以下详细描述中提出的任何理论约束的意图。
主动消噪是许多现代车辆所采用的新兴技术。虽然具体技术可以是不同的，但是根本目标保持相同：监测车辆车舱内的现有噪声场并且缓解/抑制该噪声场。此方法采用配备有可变节距叶片以产生与噪扰声音幅度相等且相位相反的声音，而非使用传统的扬声器和放大器来提供消噪。这有效地“消除”噪扰声音。这是管理现有的主动消噪系统的相同理论。具体地，此可变节距转子技术解决了亚音频(～20Hz以下)和可听(～20Hz以上)的“腔体轰鸣”这二者。此现象的常见实例最通常在驾驶时仅开启单个车窗所体验到的。从车体结构散发的涡旋干扰车辆腔体空气质量和压力，从而产生声音。此实例提出了开放式腔体所特有的强制实例，但可扩展至闭合腔体和其它强制响应情况。
参考图1中所说明的示例性实施例。机动车10包括车舱12。车门可以提供车舱12的进出口，且车舱12还可以包括座椅、车窗、方向盘以及其它车辆部件。当前实施例是在机动车10内的车舱12的背景中描述的，但是其它实施例也是可行的，诸如房间、演播室、飞机或多种不同的封闭件或开放式空间。车舱12通常是封闭空间，但是也可存在其它临时开口，诸如开启和关闭的车窗或车门。还可以具有永久开口，诸如通风口或孔。
主动噪声控制系统14配置成限制或减少车舱12内的压力波，如图2中的示例性实施例中继续参考图1所说明。可听声音是一种类型的压力波，但是压力波可拥有超出人类听觉极限的频率成分。在示例性实施例中，输入压力波16是非所需压力波，诸如发动机、轮胎或其它感应的道路噪声。输入压力波16是由接收器18(诸如麦克风)检测，但是在替代实施例中也可以使用其它接收器18。例如，可以使用应变仪或能够检测压力波的其它装置。接收器18产生输入信号，其中输入信号在示例性实施例中带电。输入信号在其它实施例中可以是其它类型的信号，诸如用于光纤系统的光信号。接收器18在示例性实施例中定位成检测车舱12内的压力波，但是接收器18在除机动车10的实施例中可以定位在其它位置中以监测并且测量输入压力波16。接收器18在某些实施例中可以是现有的麦克风。例如，某些机动车10包括配置成从车舱12的乘客接收口头命令的麦克风，且同一个麦克风可以用于检测输入压力波16。在替代实施例中，可以使用其它麦克风或其它接收器18。接收器18可以几乎定位在允许接收器18检测车舱12内的压力波的任意处。
机动车10包括处理器20，其可以包括多种不同的硬件和软件配置。处理器20可包括任何类型的处理器硬件或多个处理器、集成电路(诸如微处理器)，或协同工作以完成处理器20的任务的任何适当数量的集成电路装置和/或电路。处理器20执行可以存储在存储器内的一个或多个程序。处理器20可以包括或存取任何类型的存储器，包括(但不限于)随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)以及非易失性随机存取存储器(NVRAM)。存储器可存储处理器20的操作所需要的任何信息，如本文所述。处理器20可以是机动车10上的其它系统的部分，或其可以是专用装置。
处理器20与接收器18进行通信。在各个实施例中可以采用多种不同的通信系统。例如，电线可以用于电通信，光纤可以用于光通信，且也可以利用各种无线技术。处理器20配置成接收输入信号并且确定其频率成分以及输入信号的输入相位，其中输入信号表示输入压力波16。输入压力波16具有输入频率和输入相位，其中输入频率是重复事件随时间发生的次数，诸如压力波峰随时间出现的次数。输入相位是与参考点相比的振荡系统的连续状态之间的时间关系。相位可以表示压力波产生波峰或谷值的时间，且相位可相对于另一个波或相对于固定时间。输入压力波16还具有输入振幅，其中输入振幅是中值压力和波峰压力之间的距离。中值压力通常约为输入压力波16的最大压力与最小压力之间的一半。处理器还可以配置成确定输入振幅。
处理器20可以进一步配置成比较输入信号与期望信号，其中期望信号是基于操作条件的预定信号。例如，期望信号可以基于发动机的每分钟转数(RPM)，其中由发动机以设定RPM产生的声音或压力波是已知的。替代地，期望信号可以基于车速，其中期望信号对应于轮胎在给定速度下产生的期望噪声。许多其它因素可影响期望信号，且期望信号可以改变。例如，在低速下，期望信号可以取决于发动机RPM，且在较高速度下，期望信号可以取决于由轮胎在道路上产生的噪声。许多其它因素也可影响期望信号，诸如来自变速器或其它来源的噪声、来自收音机或其它娱乐系统的声音，或各种因素的组合。可以通过处理器20比较输入信号与期望信号，其中匹配期望信号的输入信号的多个方面称为相干压力波，且不同于期望信号的输入信号的多个方面称为不相干压力波。相干压力波可以表示非所需声音，诸如发动机噪声，且不相干压力波通常表示所需声音，诸如语音或音乐。处理器20可以选用地配置成消除相干压力波，但不消除不相干压力波，如下文更全面地描述。
机动车10还包括具有一个或多个叶片32的风扇30，其中风扇30在许多实施例中包括多个叶片32。对于除机动车10之外的实施例，风扇30定位成使得在车舱12内或在输入压力波16的可听范围内可听到风扇30的声音。风扇30在某些实施例中可以将空气推进至车舱12中，但是在不将空气推进至车舱12中的情况下也可在车舱12内听到风扇30的声音。风扇30的叶片32具有可变节距(如图3中所说明)，且可变节距是可控的。
在示例性实施例中，风扇30的所有叶片32均具有可变节距，其中所有叶片32的节距被统一控制使得每个叶片32与每个其它叶片32具有相同节距。因而，风扇30能够同时且相同程度地改变多个叶片32中的每一个叶片的节距。然而，在其它实施例中，一个或多个叶片32可以不同于一个或多个其它叶片32而控制使得风扇30包括在给定时刻具有不同节距的叶片32。风扇30可以是若干不同类型风扇中的一种或多种风扇，包括鼠笼式、螺旋桨式风扇以及其它类型的风扇，但是风扇30在所有实施例中一定包括可变节距叶片32。风扇30产生可听噪声或压力波，且频率和相位取决于风扇30的速度以及叶片32的节距。
再次参考图1和2且继续参考图3和4，处理器20与风扇30进行通信。处理器20可以多种方式与风扇30进行通信(诸如与电线进行的电通信、与光纤进行的光学通信，或无线通信)。处理器20配置成指令风扇30改变叶片32的节距以产生消除压力波40。在示例性实施例中，处理器20使用控制算法来发送命令信号至风扇30的叶片致动器(未说明)，其中致动器将叶片32定位成精确控制的叶片节距。处理器20计算适当的叶片位置和风扇速度以产生消除压力波40的输出频率，其约等于输入压力波16的输入或目标频率但是在相位上相反。处理器20还可以选用地指令风扇30控制风扇速度以进一步控制消除压力波40。预测风扇压力波的现有确定性模型用于将消除压力波40与输入压力波16进行匹配，其中确定性模型表明与实验的良好一致性。此主动消噪技术利用管理自旋转子的几何形状和其相关声压场的确定性关系。接收器18测量车舱12内的现有声音。接着将此时域信息映射至频率，其中通过输入信号的频率频谱(振幅和相位)来识别具体的频率成分。针对衰减，可以选择展现出最大振幅或功率的低频信号成分。输入信号的此选定低频部分在某些实施例中可变为目标频率。
参考图5且继续参考图1至4，频率频谱幅度22对于输入压力波16和消除压力波40而言可以大约相同，其中图5将输入压力波16和消除压力波40的频率频谱幅度22说明为单线。输入压力波16的输入频率频谱相位24和消除压力波40的消除频率频谱相位26是大约颠倒的(如所说明)，因此产生可忽略不计的总压力波。理论上，对于输入压力波16和消除压力波40，频率频谱幅度22的完全匹配结合输入频率频谱相位24和消除频率频谱相位26的完全颠倒导致输入压力波16完全消除，使得没有产生声音或压力波。
再次参考图4且继续参考图1至3，消除压力波40展现出与输入频率大约相同的消除频率，且消除压力波40具有与输入相位大约异相180度(°)的消除相位。因而，消除压力波40具有对应于输入压力波16的波谷的波峰，且消除压力波40具有对应于输入压力波16的波峰的波谷。处理器20计算叶片32的节距和风扇速度中的一个或多个以控制消除压力波40使得消除压力波40至少部分消除输入压力波16。处理器20可以选用地控制风扇30的操作(如上所述)以控制消除压力波40的消除振幅，但是即便消除振幅不匹配输入振幅，消除压力波40也将至少部分减小输入压力波影响。当消除振幅小于输入振幅时，消除压力波40将部分消除输入压力波16，因此减小输入压力波16的影响。
在某些实施例中，风扇30和处理器20配置成产生具有从约10赫兹至约100赫兹的消除频率的消除压力波40。此相对较低频率范围匹配来自机动车10的大部分非所需噪声或压力波。这还适用于大部分风扇30产生的压力波的频率范围。风扇30用于产生如上所述的消除压力波40，且在某些实施例中，一个或多个风扇30是产生消除压力波40的唯一装置。因此，消除频率不限于可通过控制风扇的操作(如上所述)所实现的消除频率。具有风扇30的主动噪声控制系统14允许良好地控制低频压力波，如上所述。这些较低频率压力波在整个车舱中通常是一致的，因此风扇放置和输入压力波产生点并不重要。较高频率趋向于在车舱12内是更加局部的，因此针对较高频率的有效主动消噪系统可以获益于车舱12内的针对性的具体位置。
在某些实施例中，输入压力波16可能不具有恒定的输入频率，和/或输入压力波16可能不具有单个频率频谱波峰。在这些情况中，风扇30可以控制成产生可变消除压力频率，其匹配输入压力波16的不一致且不同的输入频率。图5说明输入压力波16的频率频谱幅度22和输入频率频谱相位24，其并不恒定，如通过可变间距可知。风扇30还产生保持与可变输入相位大约异相180°的可变消除相位。这可涉及叶片32的节距的迅速改变。处理器20可以指令风扇30改变操作并且产生消除压力波40以匹配相干压力波并同时忽略不相干压力波。因而，处理器20可能能够精确地预期不规则频率和/或不规则输入压力波形状，因为处理器20可仅指令风扇30产生匹配已知来自期望信号的相干压力波的消除压力波40。在替代实施例中，处理器20可以指令风扇30产生消除压力波40以匹配不相干压力波并同时忽略相干压力波，诸如在期望信号是所需声音的实施例中，如收音机。还可以产生消除压力波40以控制驾驶时开启单个车窗时创建的“车舱轰鸣”。
风扇30可以定位在多个不同位置中，其中在车舱12内可听到风扇30的声音，且这些位置中的某些位置是在车舱12内。例如，风扇30可以定位在加热、通风和空气调节(HVAC)单元42内，如图6中且继续参考图1和2所说明。在所说明的实施例中，HVAC单元42中的风扇30将空气推进至车舱12中。HVAC单元42可以选用地包括新鲜的空气鼓风机44、空调鼓风机46、加热器鼓风机(未说明)或其它鼓风机。除此之外，风扇30可以是设置用于HVAC42操作(如所说明)的鼓风机，或风扇30可以取代设置有HVAC单元42的一个或多个鼓风机。参考图7中的示例性实施例，风扇30可以定位在车舱12的后架50上，其中在车舱12内可听到风扇30的声音。在图8中所说明的又一实施例中，风扇30可以定位在车舱12的扬声器52后面，其中扬声器52包括允许一定量的空气流从其中通过的椎体。风扇30还可以定位在其它位置中。
本文所述的主动噪声控制系统14使用风扇30来代替扬声器以消除非所需压力波。风扇30通常比典型的主动消噪扬声器轻。另外，与用于抑制非所需噪声的吸声材料的层相比，风扇30的重量更轻且质量更小。风扇30在上述较低频率下产生消除压力波40可能极为有效，因此减小重量且压力波消除良好给车舱乘客提供了益处。
虽然前述详细描述中已经提出了至少一个示例性实施例，但是应当明白的是，存在许多变化。还应当明白的是，示例性实施例仅仅是实例并且不旨在以任何方式限制本申请的范围、适用性或配置。实情是，前文详细描述将给本领域技术人员提供用于实施一个或多个实施例的便捷指引，应当理解的是，在不脱离如所附权利要求书中阐述的范围的情况下，可对示例性实施例中所述的元件的功能和设置做出各种改变。

Claims (10)

1.一种机动车，其包括：
车舱；
接收器，其定位成检测所述车舱内的输入压力波，其中所述接收器配置成产生输入信号；
风扇，其定位在所述机动车内，其中在所述车舱内可听到所述风扇的声音，且其中所述风扇包括具有可变节距的叶片；以及
与所述接收器和所述风扇进行通信的处理器，其中所述处理器配置成接收所述输入信号并且确定所述输入信号的输入频率和输入相位，其中所述处理器配置成指令所述风扇控制所述风扇的所述叶片的所述节距以产生消除压力波，其中所述消除压力波具有与所述输入频率大约相同的消除频率，且其中所述消除压力波具有与所述输入相位大约异相180°的消除相位。
2.根据权利要求1所述的机动车，其中所述风扇包括多个叶片，且所有所述多个叶片具有可变节距。
3.根据权利要求1所述的机动车，其中所述处理器进一步配置成指令所述风扇改变风扇速度。
4.根据权利要求1所述的机动车，其中所述风扇定位在所述机动车的加热、通风和空气调节系统内。
5.根据权利要求1所述的机动车，其中所述处理器配置成指令所述风扇产生所述消除压力波，其中所述消除频率是变化的。
6.根据权利要求1所述的机动车，其中所述处理器配置成指令所述风扇产生所述消除压力波，其中所述消除频率是从约10赫兹至约100赫兹。
7.根据权利要求1所述的机动车，其中：
所述处理器配置成比较所述输入信号与期望信号，其中匹配所述期望信号的所述输入信号的多个方面是相干压力波，且不同于所述期望信号的所述输入信号的多个方面是不相干压力波；并且
其中所述处理器配置成指令所述风扇产生所述消除压力波，其中所述消除频率大约匹配所述不相关压力波，且所述消除相位与所述不相干压力波大约异相180°。
8.一种减少输入压力波的方法，所述方法包括以下步骤：
以接收器测量所述输入压力波；
确定所述输入压力波的输入频率和输入相位；以及
调整风扇操作以产生消除压力波，其中所述消除压力波具有与所述输入频率大约相同的消除频率，且其中所述消除压力波具有与所述输入相位大约异相180°的消除相位，且其中调整所述风扇操作包括调整风扇速度以及风扇的叶片的节距中的一个或多个。
9.一种用于减少输入压力波的系统，其包括：
接收器，其定位成监测所述输入压力波，其中所述接收器配置成测量所述输入压力波并且产生输入信号；
风扇，其定位在所述输入压力波的可听范围内，其中所述风扇包括具有可变节距的叶片；以及
与所述接收器和所述风扇进行通信的处理器，其中所述处理器配置成接收所述输入信号并且确定所述输入信号的输入频率和输入相位，其中所述处理器配置成指令所述风扇改变所述叶片的节距以产生具有消除频率和消除相位的消除压力波，其中所述消除频率与所述输入频率大约相同，且所述消除相位与所述输入频率大约异相180°。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述处理器配置成指令所述风扇改变所述叶片的所述节距以及风扇速度以产生所述消除压力波，其中所述消除压力波具有与输入振幅大约相同的消除振幅。
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