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Technisches
Gebiet
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Das
offenbarte Verfahren und das offenbarte System beziehen sich auf
das Gebiet der akustischen Geräuschverringerung
und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zur Anwendung
von einem oder mehreren zweidimensionalen Energiedichtesensoren,
die ein Steuersystem speisen, um effektiv akustische Geräusche zu
verringern.
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Hintergrund
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Mit
den Jahren sind viele Versuche unternommen worden, um unerwünschte oder
schädliche Geräusche zu
eliminieren, das heißt
Krach. Die am meisten verwendete Technik ist passive Geräuschauslöschung,
die versucht, Geräusche
durch Abdämpfung
des Geräusches
mit Dämpfungseinrichtungen
zu eliminieren. Eine passive Geräuschsteuerung
wird oft mit Isolation, Deckenverkleidungen und Dämpfern ausgeführt. Unglücklicherweise
können passive
Geräuschsteuersysteme
massig sein und am besten bei Tönen
im mittleren und hohen Frequenzbereich arbeiten.
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Eine
attraktive Alternative für
die passive Geräuschauslöschung ist
die aktive Geräuschauslöschung ("ANC"). Die aktive Geräuschauslöschung ist eine
Klangfeldmodifikation durch elektroakustische Mittel, im allgemeinen
durch die Erzeugung von akustischen Signalen, die außer Phase
mit dem Geräusch
sind. Im wesentlichen versuchen aktive Geräuschauslöschungssysteme elektronisch
ein Klangfeld zu erzeugen, das das Spiegelbild des auszulöschenden
Geräusches
ist. Die Forschung bei der aktiven Geräuschauslöschung begann in den 1930er Jahren,
wobei das früheste
Patent für
aktive Geräuschauslöschung Lueg
im Jahre 1936 gewährt wurde
(US-Patent 2, 043, 416). Die Forschung ging weiter bis in die 1950er
Jahre, wobei Olsen und May eine elektronische Schallabsorptionsvorrichtung
entwickelten, die einen Feedback- bzw. Rückkoppelungsmechanismus zur
Dämpfung
von niederfrequentem Geräusch
nahe einem Mikrofon vorsah. H.F. Olsen und E.G. May, "Electronic Sound
Absorber" (elektronischer
Schallaufnehmer), J. Acoust. Soc. Am. 25, 1130-1136 (1953). Unglücklicherweise war
der elektronische Schallaufnehmer von Olsen und May bei höheren Frequenzen
instabil.
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Innerhalb
der letzten dreißig
Jahre haben digitale Signalverarbeitung und Fortschritte in der Steuertheorie
gesteigertes Interesse und Forschungen bei der aktiven Geräuschauslöschung gefördert. Diese
Forschung hat kommerziell durchführbare
aktive Geräuschauslöschungssysteme
auf den Markt gebracht. Aktive Geräuschauslöschungssysteme sind in höherwertigen
Kopfhörern,
Fahrzeugen und HVAC-Systemen zu finden.
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Fahrzeuge
sehen ein gutes Beispiel für
die gegenwärtige
Anwendung der aktiven Geräuschauslöschung in
umschlossenen Räumen
vor. Um eine aktive Geräuschauslöschung in
Fahrzeugen zu erreichen, werden Fehlersensoren, das heißt akustische Sensoren
oder Mikrofone, oft in enger Nähe
zum Kopf des Bedieners angeordnet, um die dreidimensionalen Schallwellen
oder das Geräusch
zu detektieren, dem der Bediener des Fahrzeugs unterworten ist.
Unglücklicherweise
treten akustische Sensoren, die in dieser Weise angeordnet sind,
oft in Gegenwirkung mit der Sicht des Bedieners, sie verringern
die Flexibilität
und den Komfort. Zusätzlich
tendiert eine solche Anordnung eines akustischen Sensors dazu, nur
eine lokalisierte Steuerung anstatt einer globalen Steuerung des
unerwünschten
Geräusches
vorzusehen.
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Die
meisten aktiven Geräuschauslöschungssysteme
sind auf die Verringerung des Geräusches durch Minimierung des
quadrierten akustischen Drucks ("SP") fokussiert. Jedoch
zeigten Forschungen von Sommerfeldt an der Penn State University, dass
die Minimierung der akustischen Energiedichte ("ED")
Vorteile gegenüber
der Minimierung des quadrierten akustischen Drucks hat. Die akustische
Energiedichte betrachtet sowohl den Druck der akustischen Welle
als auch ihre Geschwindigkeit. J.W. Parkins, S.D. Sommerfeldt und
J. Tichy, "Narrowband and
Broadband Active Control in an Enclosure Using the Acoustic Energy
Density" (aktive
Schmalband- und Breitbandsteuerung in einer Umschließung unter Verwendung
der akustischen Energiedichte), J. Acoust. Soc. Am. 108, 192-203
(2000). Die Steuerung der akustischen Energiedichte hat auch einen Vorteil
gegenüber
dem quadrierten akustischen Druck dahingehend, dass dies weniger
empfindlich für
eine fehlerhafte Sensoranordnung in einem umschlossenen Schallfeld
ist. Unter Verwendung von Techniken des quadrierten akustischen
Drucks in einem umschlossenen Schallfeld gibt es Knotenebenen, die
in drei senkrechten Richtungen existieren; während es bei der Verwendung
der Energiedichte nur Knotenlinien gibt, die an dem Schnittpunkt
von zwei senkrechten Knotenebenen des Druckes existieren. Daher
gibt es für
eine gegebene Anordnung des Sensors eine viel höhere Wahrscheinlichkeit, dass
der Sensor entfernt von den Knoten angeordnet wird. Auch bietet
die akustische Energiedichte eine globalere Dämpfung des Geräusches als
der quadrierte akustische Druck.
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Die
Energiedichte hängt
von der akustischen Partikelgeschwindigkeit ab, genauso wie vom
akustischen Druck bzw. Schalldruck. Weil die Partikelgeschwindigkeit
eine dreidimensionale Größe ist,
verwenden die meisten existierenden aktiven Geräuschauslöschungssysteme mit Energiedichte
einen dreidimensionalen Energiedichtesensor mit sechs akustischen
Sensoren, wobei zwei jeweils in den drei orthogonalen Richtungen
verlaufen. Jedes Paar von akustischen Sensoren liefert Signale zu
einem Steuersystem, um die Partikelgeschwindigkeitskomponente in
der orthogonalen Richtung des Paares zu erhalten. Die Vektorsumme
der drei Geschwindigkeitskomponenten von den drei Paaren von orthogonalen
akustischen Sensoren ergibt die Partikelgeschwindigkeit. Ein Durchschnitt
der sechs akustischen Sensoren ergibt den akustischen Druck bzw. Schalldruck.
Ein Nachteil von existierenden aktiven Geräuschauslöschungssystemen mit Energiedichte (ED-ANC-Systeme) ist die
zusätzliche
Berechnungsleistung, die erforderlich ist, um die Berechnungen mit
den dreidimensionalen Eingangsgrößen auszuführen, die das
Fehlersignal bilden. Während
gewisse Forschungsorganisationen einen Energiedichtesensor mit vier
Mikrofonen verwendet haben, sind die vier Mikrofone in einer Tetrahedron-Konfiguration
angeordnet, und werden für
eine herkömmliche
dreidimensionale Abfühlung
in einem System mit quadriertem akustischen Druck verwendet.
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Die
vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der
Probleme oder Nachteile zu überwinden,
die mit dem Stand der Technik assoziiert sind.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß einem
offenbarten Ausführungsbeispiel
wird ein Verfahren zur Reduzierung des Geräusches in einer Umschließung beschrieben.
Das Verfahren weist auf, mindestens ein Referenzsignal aufzunehmen;
Drucksignale von nicht mehr als zwei im wesentlichen senkrecht angeordneten
Paaren von akustischen Sensoren aufzunehmen, wobei ein Paar von
akustischen Sensoren in der x-Richtung ist, und wobei ein Paar von
akustischen Sensoren in der y-Richtung ist, und wobei die akustischen
Sensoren in einer Ebene angeordnet sind, die im wesentlichen parallel
zu einer Innenseite der Umschließung und in deren Nähe ist;
weiter die Anwendung von Drucksignalen und des Referenzsignals,
um ein Ausgangssignal zu erzeugen, um die Energiedichte an einer Stelle
der akustischen Sensoren zu minimieren; und das Ausgangssignal an
eine akustische Betätigungsvorrichtung
zu senden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt des offenbarten Ausführungsbeispiels wird ein maschinenlesbares
Speichermedium beschrieben. Auf dem Speichermedium sind maschinenausführbare Anweisungen
gespeichert. Die Ausführung
der Anweisungen ist geeignet, um ein Verfahren zur Reduzierung von Geräuschen in
einer Umschließung
einzurichten. Das Verfahren weist folgendes auf: Aufnahme von mindestens
einem Referenzsignal; Aufnahme von Drucksignalen von nicht mehr
als zwei im wesentlichen orthogonal angeordneten Paaren von akustischen
Sensoren, wobei ein Paar von akusti schen Sensoren in der x-Richtung
ist, und wobei ein Paar von akustischen Sensoren in der y-Richtung
ist, und wobei die akustischen Sensoren in einer Ebene angeordnet
sind, die im wesentlichen parallel zu einer Innenfläche der
Umschließung
ist, und in der Nähe der
Umschließung
ist; weiter die Anwendung der Drucksignale und des Referenzsignals
zur Erzeugung eines Ausgangssignals, um die Energiedichte an einer
Stelle der akustischen Sensoren zu minimieren; und das Ausgangssignal
an eine akustische Betätigungsvorrichtung
zu senden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt des offenbarten Ausführungsbeispiels wird ein System
zur Reduzierung eines Geräusches
in einer Umschließung
beschrieben. Das System weist ein Referenzsignal auf; eine akustische
Betätigungsvorrichtung;
eine Sensorvorrichtung, die nicht mehr als zwei im wesentlichen
senkrecht angeordnete Paare von akustischen Sensoren aufweist, wobei
ein Paar von akustischen Sensoren in der x-Richtung angeordnet ist,
und wobei ein Paar von akustischen Sensoren in der y-Richtung angeordnet
ist, und wobei die akustischen Sensoren in einer Ebene angeordnet
sind, die im wesentlichen parallel zu einer Innenseite der Umschließung und
in der Nähe
davon ist; und eine Steuervorrichtung in Verbindung mit dem Referenzsignal,
der akustischen Betätigungsvorrichtung
und dem Sensor. Die Steuervorrichtung ist betreibbar, um: das Referenzsignal
aufzunehmen; Drucksignale von der Sensorvorrichtung aufzunehmen;
die Drucksignale und das Referenzsignal zu verwenden, um ein Ausgabesignal
zu erzeugen, um die Energiedichte an einer Stelle der Sensorvorrichtung
zu minimieren; und das Ausgangssignal an die akustische Betätigungsvorrichtung
zu senden.
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Das
Vorangegangene fasst nur einige Aspekte des offenbarten Ausführungsbeispiels
zusammen und soll nicht den vollen Umfang der beanspruchten Ausführungsbeispiele
wiederspiegeln. Zusätzliche
Merkmale und Vorteile werden in der folgenden Beschreibung dargelegt,
können
aus der Beschreibung offensichtlich werden oder können durch die
praktische Ausführung
der Lehren der Offenbarung erlernt werden. Darüber hinaus sind sowohl die vo rangegangene
Zusammenfassung als auch die folgende detaillierte Beschreibung
beispielhaft und erklärend
und sollen weitere Erklärungen
für das
vorsehen, was beansprucht wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
beigefügten
Zeichnungen, die in dieser Beschreibung mit eingeschlossen sind
und einen Teil davon bilden, veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel
und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erklärung der
Prinzipien des Betriebs des Ausführungsbeispiels.
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1 veranschaulicht
ein Blockdiagramm eines modifizierten LMS-Steuersystems mit x-Filterung.
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2 ist
ein Flussdiagramm, das den Betrieb des Steuersystems zur Verringerung
des Geräusches
in einer Umschließung
veranschaulicht.
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3 veranschaulicht
eine Einrichtung eines energiedichtenbasierten aktiven Geräuschauslöschungssteuersystems
unter Verwendung eines zweidimensionalen Sensors.
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4 veranschaulicht
den zweidimensionalen Sensor.
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5 veranschaulicht
weitere Details eines Steuersystems.
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Detaillierte
Beschreibung
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Es
wird nun im Detail auf die vorliegenden beispielhaften Ausführungsbeispiele
Bezug genommen, wobei Beispiele davon in den beigefügten Zeichnungen
veranschaulicht sind. Wo es immer möglich ist, werden die gleichen
Bezugszeichen in den Zeichnungen verwendet, um sich auf dieselben oder
die gleichen Teile zu beziehen.
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Anders
als energiedichtenbasierte aktive Geräuschauslöschungssysteme, die einen dreidimensionalen
Sensor verwenden, um die Energiedichte abzufühlen, und um die Roheingangsgrößen für ein Fehlersignal
zu einem Steu ersystem zu liefern, verwendet die vorliegende Erfindung
einen zweidimensionalen Sensor, um ein Fehlersignal zum Steuersystem
zu liefern. Durch Befestigung des zweidimensionalen Sensors an einer
starren Oberfläche
in einem umschlossenen Raum oder relativ nahe an dieser Oberfläche, wie
beispielsweise einer Fahrzeugkabine, und durch Orientierung der
akustischen Sensoren in einer Ebene, die parallel zu der starren Oberfläche ist,
ist die Geschwindigkeitskomponente der Partikelgeschwindigkeit in
der Richtung senkrecht zur starren Oberfläche bekannt, das heißt Null. Somit
haben die Erfinder entdeckt, dass ein zweidimensionaler Sensor anstelle
eines dreidimensionalen Sensors verwendet werden kann, was signifikant die
Anzahl der erforderlichen Berechnungen, der akustischen Sensoren,
der assozierten Komponenten und der Berechnungsleistung des aktiven
Geräuschauslöschungssystems
reduziert. Zusätzlich
ist die Größe und die
Form eines zweidimensionalen Sensors beträchtlich kleiner und ebener
als ein dreidimensionales System, was somit diskretere Anordnungen
des Sensors innerhalb des umschlossenen Raums gestattet.
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In
einem zylindrischen Ausführungsbeispiel, wo
die Sensoren in einem Zylinder montiert sind, ist das Seitenverhältnis des
zylindrischen zweidimensionalen Sensors 2/5, wobei das Seitenverhältnis die Tiefe
des Zylinders geteilt durch den Durchmesser des Zylinders ist. Für dieses
Seitenverhältnis
ist die effektive akustische Trenndistanz der akustischen Sensoren
3/2 der physischen Trenndistanz.
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Eine
Umschließung
muss nicht auf einen Raum begrenzt sein, der vollständig von
Wänden umschlossen
wird, beispielsweise ein würfelförmiges Gebiet,
das von sechs Oberflächen
umschlossen ist. Statt dessen kann, wie dies bei der vorliegenden
Beschreibung verwendet wird, eine Umschließung irgendeinen Raum mit mindestens
zwei gegenüberliegenden
Oberflächen
oder Wänden
aufweisen. Die Wände
müssen
nicht in enger Nähe
zueinander sein. Beispielsweise kann eine Wand einer Umschließung durch
eine Außenfläche einer
Maschine innerhalb einer Fabrik gebildet werden, wobei die andere
Wand durch eine Innenwand der Fabrik gebildet wird.
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Die
Gesamtenergie eines akustischen Feldes ist aus Mengen von sowohl
potentieller Energie als auch kinetischer Energie zusammengesetzt.
Die potentielle Energie ist eine Funktion des akustischen Drucks
bzw. Schalldrucks, und die kinetische Energie ist eine Funktion
der Geschwindigkeit eines akustischen Partikels. Die potentielle
Energie kann wie folgt ausgedrückt
werden:
wobei p die akustische Energie
ist, wobei ρ
0 die Dichte der Umgebungsluft ist, wobei
c die Schallgeschwindigkeit ist, und wobei V
0 das
Luftvolumen ist, welches die potentielle Energie enthält. Die
gesamte kinetische Energie in einem Luftvolumen kann wie folgt ausgedrückt werden:
wobei u die Größe der Geschwindigkeit
der akustischen Partikel ist. Die augenblickliche gesamte akustische
Energiedichte ist die Summe der potentiellen Energiedichte und der
kinetischen Energiedichte und kann wie folgt ausgedrückt werden:
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Durch
Annahme, dass die Dichte der Luft und die Geschwindigkeit des Schalls
in der Luft bekannte Konstanten sind, müssen nur der akustische Druck
und die Partikelgeschwindigkeit gemessen werden, um die Energiedichte
zu berechnen. Unter Verwendung eines Paares von akustischen Sensoren
kann die Partikelgeschwindigkeit entlang der Achse der akustischen
Sensoren in einer einzigen Richtung gemessen werden. Zwei orthogonale
Paare von akustischen Sensoren, die parallel und in enger Nähe zu einer Oberfläche angeordnet
sind, ergibt die Partikelgeschwindigkeit entlang der drei Achsen:
entlang der x- und y-Achsen, die durch die zwei Paare von orthogonal
angeordneten akustischen Sensoren definiert wird, und ein bekanntes
Maß der
Null-Geschwindigkeit senkrecht zu den akustischen Sensoren und der
starren Oberfläche.
Daher können
ein zweidimensionaler Sensor, der mit einem Steuersystem gekoppelt
ist, und eine oder mehrere akustische Betätigungsvorrichtungen ein effektives
Geräuschauslöschungssystem
bilden.
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Steuersysteme
in Übereinstimmung
mit dem offenbarten Ausführungsbeispiel
können
ein Weiterleitungssteuersystem (Feedforward-Steuersystem) verwenden.
Weiterleitungssteuersysteme akzeptieren eine Referenzeingabe, um
hereinkommendes Rauschen bzw. Geräusch zuvor vorherzusagen, so dass
ein geeignetes Steuersignal erzeugt werden kann, und zwar in ausreichender
Zeit, um dem Rauschen bzw. Geräusch
entgegenzuwirken. Wenn man die Schwingung der Wände des umschlossenen Raums
als die Schallquelle betrachtet, verwendet das vorliegende System
die Prinzipien der Überlagerung
von akustischen Wellen, um die akustische Strahlungsimpedanz zu
verändern,
die von der Geräuschquelle
gesehen wird, so dass die akustische Energie, die von der Schallquelle
bzw. Geräuschquelle
abgestrahlt wird, minimiert wird.
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Ein
LMS-Algorithmus mit gefiltertem x, der dem Fachmann wohlbekannt
ist, kann zur Einrichtung des offenbarten Steuersystems modifiziert
werden. Der übliche
LMS-Algorithmus mit gefiltertem x ist zur Anwendung bei Systemen
mit quadriertem Druck vorgesehen. Ein modifizierter LMS-Algorithmus
mit gefiltertem x berücksichtigt,
dass seine Anwendung für
ein Energiedichtensystem vorgesehen ist, welches sowohl von dem
akustischen Druck als auch der akustischen Partikelgeschwindigkeit
abhängt.
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1 veranschaulicht
ein Blockdiagramm eines modifizierten LMS-Steuersystems 100 mit gefiltertem
x. Ein Referenzsignal, x(n), 105 wird in das System gespeist.
Das Referenzsignal 105 kann beispielsweise ein Ta chometersignal
von einer Geräuschquelle
sein, wie beispielsweise von einem Fahrzeugmotor. Das Referenzsignal 105 tritt
in die Einrichtung 110 ein, beispielsweise in eine Motorumschließung oder
eine Kabine, und erzeugt ein Geräusch,
welches bezüglich
der Energiedichtensteuerung den Schalldruck 115 und die
Schallpartikelgeschwindigkeit 120 aufweist. Eine Umschließung ist ein
Raum mit mindestens zwei im wesentlichen gegenüberliegenden Seiten. Die Schallpartikelgeschwindigkeit
ist eine dreidimensionale Vektorgröße, und alle drei Komponenten
können
möglicherweise zu
der Energiedichte beitragen.
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Das
Steuersystem 100 nimmt das Referenzsignal 105 auf
und wendet einen Filter 135 mit endlicher Impulsantwort
("FIR-Filter") auf das Referenzsignal
an, um ein Ausgangssignal, u(n), 140 zu erzeugen. Das Ausgangssignal 140 läuft durch
einen sekundären
Pfad, h(z), 145 durch den das Ausgangssignal 140 laufen
muß, bevor
es in das Steuersystem 100 als ein Beitrag zu dem Fehlersignal,
e(n), 130 zurückkehrt.
Der sekundäre
Pfad 145 kann Effekte aufweisen, die in Hardware-Einrichtungen
des Steuersystems 100 innewohnen, beispielsweise Effekte
von Digital/Analog-Wandlern, Filtern, Audio-Leistungsverstärkern, akustischen Betätigungsvorrichtungen, dem
akustischen Übertragungspfad,
Fehlersensoren, Signalkonditionierungselektronik, Anti-Aliasing-Filter
und Analog/Digital-Wandlern. Die Ausgangsgröße des sekundären Pfades 145 weist
den Auslöschungsdruck 150 und
die Auslöschungspartikelgeschwindigkeit 155 auf.
Die Überlagerung
dieser Schallwellen, die durch das Geschwindigkeitssummensymbol 160 und
das Drucksummensymbol 165 veranschaulicht werden, sollten
das Geräusch
reduzieren. Der Verarbeitungsblock 125 fühlt den
tatsächlichen
reduzierten Geräuschpegel
des umschlossenen Raums ab und berechnet einen tatsächlichen Gradienten
der Energiedichtengröße aus den
Druck- und Geschwindigkeitskomponenten in den senkrechten x- und
y-Richtungen. Der Verarbeitungsblock 125 sendet die Energiedichtengradientengröße als ein Fehlersignal
an den FIR-Filter 135.
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Der
FIR-Filter 135 weist Effekte des sekundären Pfades in seinen Steuerfilterkoeffizienten
auf. Eine Abschätzung
der Effekte des sekundären
Pfades kann durch einen Vorgang der Systemidentifikation erhalten
werden. Die Systemidentifikation modelliert die Transferfunktionen
des sekundären
Pfades 145. Die Systemidentifikation kann online ausgeführt werden,
während
das System läuft,
oder offline bzw. nicht in Betrieb ist. Eine offline-Systemidentifikation
kann ausgeführt
werden durch Einführung
eines bekannten Signals in das unbekannte System und durch Messung
der Ausgangsgröße des Systems. Ein
Beispiel eines bekannten Signals ist das weiße Rauschen. Die Leistung der
Systemidentifikation wird die Koeffizienten für die FIR-Filter 145 einrichten.
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2 ist
ein Flussdiagramm, welches den Betrieb des Steuersystems 100 zur
Verringerung des Rauschens in einer Umschließung veranschaulicht. Das Steuersystem 100 nimmt
das Referenzsignal 105 der dominanten Tonkomponente des
zu reduzierenden Geräusches
auf (Stufe 210). Zusätzlich
zu dem Referenzsignal 105 nimmt das Steuersystem 100 Drucksignale
von zwei orthogonalen Paaren von akustischen Sensoren auf, die parallel
und in enger Nähe
zu einer Oberfläche
innerhalb der Umschließung
angeordnet sind (Stufe 220). Durch Anordnung der akustischen
Sensoren in enger Nähe
zu einer Oberfläche
in der Umschließung,
wird die Geschwindigkeit senkrecht zur Oberfläche eine bekannte Größe, Null,
und zusätzliche
akustische Sensoren und Verarbeitungsleistung sind nicht erforderlich.
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Das
Steuersystem
100 berechnet die Rausch- bzw. Geräuschpartikelgeschwindigkeit
in der x- und in der y-Richtung gemäß der folgenden Gleichung:
wobei ρ die Dichte der Luft ist, wobei
Δx die effektive Distanz
zwischen den akustischen Sensoren in einem Paar ist, und wobei p
der Geräuschdruck
bzw. Schalldruck bei jedem akustischen Sensor des Paares ist. Die
Gleichung wird berechnet, um ein V
x und ein
V
y zu erzeugen. Zusätzlich wird der durchschnittliche
Geräuschdruck
berechnet, beispielsweise durch Mittelwertbildung des Druckes, der
an den vier akustischen Sensoren abgefühlt wird (Stufe
230). Der
Fachmann wird erkennen, dass drei akustische Sensoren anstelle von
zwei Paaren von orthogonal angeordneten akustischen Sensoren verwendet
werden können,
weil drei Punkte ausreichen, um eine Ebene zu definieren. Somit
würden
die Berechnungen sich entsprechend für ein System mit drei akustischen
Sensoren ändern,
wie es die Anordnung und die Trigonometrie der Konfiguration der
akustischen Sensoren vorgeben würde.
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Jeder
Zyklus einer Steuervorrichtung in dem Steuersystem 100 kann
die Steuerfilterkoeffizienten des FIR-Filters aktualisieren. Dies
ist ein Prozeß mit zwei
Schritten: Systemidentifikationsfilter, die in einem Systemidentifikationsprozeß erzeugt
werden, können
auf das Referenzsignal angewandt werden, um Signale mit gefiltertem
x zu erzeugen (Stufe 240); und die Signale mit gefiltertem
x in Verbindung mit dem Fehlersignal 130 werden verwendet,
um den Wert der Steuerfilterkoeffizienten wi(n)
zu aktualisieren (Stufe 250).
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Mit
Rückbezug
auf die Stufe
240 werden in einem System mit zwei akustischen
Ausgangsbetätigungsvorrichtungen
sechs Signale mit gefiltertem x gebildet: der Druck für die erste
akustische Betätigungsvorrichtung
r
p,1(n); die Geschwindigkeit in der x-Richtung
für die
erste akustische Betätigungsvorrichtung
r
vx, 1(n); die Geschwindigkeit in der y-Richtung
für die
erste akustische Betätigungsvorrichtung r
vy, 1(n); der Druck für die zweite akustische Betätigungsvorrichtung
r
p, 2(n); die Geschwindigkeit in der x-Richtung
für die
zweite akustische Betätigungsvorrichtung
r
vx, 2(n); und die Geschwindigkeit in der y-Richtung
für die
zweite akustische Betätigungsvorrichtung
r
vy, 2(n). Die Form für die Signale mit gefiltertem
x ist beispielsweise die x-Richtung für die erste akustische Betätigungsvorrichtung:
wobei die h-Koeffizienten
die Systemidentifikationskoeffizienten sind, die aus dem Systemidentifikationsprozeß erhalten
wurden (Stufe
240). Je größer der Wert von J ist, desto
größer ist
die Anzahl der Systemidentifikationskoeffizienten, die bestimmt
werden. Die h-Koeffizienten modellieren im wesentlichen das Impulsansprechen
von der Steuerausgangsgröße zur Sensoreingangsgröße, oder,
wie zuvor beschrieben, modellieren sie den sekundären Pfad
145. Die
Vergrößerung der
Anzahl der Systemidentifikationskoeffizienten steigert den Teil
des Impulsansprechens, der modelliert werden kann. Die Vergrößerung der
Anzahl der Systemidentifikationskoeffizienten über die Anzahl hinaus, die
notwendig ist, um den größten Teil
der Energie in dem Impulsansprechen aufzunehmen, ergibt abnehmende
Ausgaben.
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Die
Steuerfilterkoeffizienten können
während
jeden Zyklus der Steuervorrichtung aktualisiert werden (Stufe 250).
Jede Ausgangsgröße für jede akustische
Betätigungsvorrichtung
hat einen assoziierten FIR-Filter 135. Steuerfilterkoeffizienten
werden unter Verwendung der Signale mit gefiltertem x und des Referenzsignals 105 gemäß der folgenden
Formel aktualisiert: wi(n
+ 1) = wi(n) – μρcνx(n)rvx(n – i) – μρcνy(n)rvy(n – 1) – μρ(n)rp(n – i)wobei
i von 0 bis l – 1
läuft (wobei
l typischerweise von 8 bis 128 reichen kann), wobei c die Schallgeschwindigkeit
ist, und wobei μ der
Filterkonvergenzfaktor ist (typischerweise ungefähr 10–9 bis
10–12).
Wie aus der obigen Gleichung zu sehen ist, verwenden die Steuerfilterkoeffizienten
sowohl die gegenwärtigen
als auch die vergangenen Signale mit gefiltertem x, so dass die
Steuervorrichtung einen Puffer der gegenwärtigen vergangenen Werte für diese
Signale im Speicher halten kann. Die Rate, mit der der Filter konvergiert,
wird durch μ gesteuert.
Ein großer
Wert von μ steigert
die Filterkonvergenzgeschwindigkeit, jedoch kann das zu starke Steigern
des Wertes das Ausmaß der
erreichten Dämpfung
reduzieren, und kann schließlich
das Steuersystem instabil werden lassen.
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Während das
Steuersystem Aktualisierungen für
den FIR-Filter
135 zur Anwendung während des nächsten Steuerzyklus berechnet
(in den Stufen
230-
250),
wendet das Steuersystem Stromfilterkoeffizienten auf das Referenzsignal
an, um akustisch das Rauschen bzw. Geräusch auszulöschen (Stufen
260 und
270).
Die Steuervorrichtung erzeugt zwei Ausgangssignale
140,
eines für
jeden Steuerkanal, und zwar unter Verwendung von gegenwärtigen Abschätzungen
der Steuerfilterkoeffizienten (Stufe
260) gemäß der folgenden
Gleichung:
wobei l die Anzahl der Filterkoeffizienten
darstellt, und wobei w
i die Filterkoeffizienten
sind. Im Allgemeinen reichen 32 oder weniger Koeffizienten, um eine gute
Steuerung des Systems vorzusehen.
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Das
Steuersystem nimmt das eine Ausgangssignal oder die Vielzahl von
Ausgangssignalen und treibt eine jeweilige akustische Betätigungsvorrichtung
an (Stufe 270). Die Steuervorrichtung kehrt dann zurück, um das
Referenzsignal zu lesen (Stufe 210) und den Prozess zu
wiederholen (Stufe 280).
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Industrielle
Anwendbarkeit
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3 veranschaulicht
eine Einrichtung eines Energiedichten-Steuersystems für aktive Geräuschauslöschung,
welches einen zweidimensionalen Sensor 330 verwendet. Das
aktive Geräuschauslöschungssteuersystem
verwendet den zweidimensionalen Sensor 330, um die Partikelgeschwindigkeit in
zwei senkrechten Richtungen abzufühlen und den akustischen Druck
in einem umschlossenen Raum zu messen, wie beispielsweise in einer
Fahrzeugkabine 310. Der zweidimensionale Sensor 330 ist
senkrecht zu einer Oberfläche
innerhalb der Fahrzeugkabine und in deren Nähe angeordnet. Der Sensor 330 kann
nicht zu sehen versteckt angeordnet sein, beispielsweise unter der
Auskleidung bzw. dem Himmel der Fahrzeugkabine 310. Signale
von zwei Paaren von akustischen Sensoren, die den zweidimensionalen
Sensor 330 bilden, sind in Verbindung mit einem Steuersystem 320.
Das Steuersystem 320 kann einen Digitalsignalprozessor
(DSP) aufweisen, beispielsweise einen DSP von Texas Instruments
oder einen DSP von Motorola, oder einen Mikroprozessor. Das Steuersystem 320 arbeitet
gemäß der Betriebsvorgänge, die
mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben
wurden.
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Das
Steuersystem 320 kann auch eine Eingabe/Ausgabe-Platine
zur Kommunikation mit dem zweidimensionalen Sensor 330 und
Signalkonditionierungselektronik aufweisen. Die Eingabe/Ausgabe-Platine,
die in dem Steuersystem 320 verwendet wird, kann beispielsweise
12-bit-Digital/Analog-Wandler
("DAC") und Analog/Digital-Wandler ("ADC") aufweisen. Die
Signalkonditionierungselektronik kann eine einstellbare Verstärkung auf
den Eingängen
des zweidimensionalen Sensors 330 vorsehen. Beispielsweise
können
Verstärkungen
von 0, 10 oder 20 dB angewandt werden und für jeden akustischen Sensor
in den zweidimensionalen Sensor 330 fein eingestellt werden.
Zusätzlich
können
die Analogsignale vom Sensor 330 vor den Analog/Digital-Wandlern
tiefpassgefiltert werden, um das Aliasing zu reduzieren, und die
Digitalsignale von dem Digitalsignalprozessor können nach den Digital/Analog-Wandlern
gefiltert werden, um irgendeinen unerwünschten Hochfrequenzanteil
aufgrund einer Quantisierung zu eliminieren.
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Das
Steuersystem 320 verwendet die Eingangsgröße von dem
zweidimensionalen Sensor 330 als das Energiedichtenfehlersignal.
Ein Referenzsignal 350 wird in das Steuersystem 320 gespeist,
beispielsweise vom Motortachometer. Das Referenzsignal 350 kann
tiefpassgefiltert werden.
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Das
Geräusch
in Fahrzeugen kann durch Tonkomponenten dominiert werden, die mit
der Drehzahl von sich drehenden Komponenten in Beziehung stehen,
wie beispielsweise des Motors. Beispielsweise ist bei einem typischen
6-Zylinder-Motor die Motorzündungsfrequenz
dreimal die Motorumdrehungsfrequenz und ist im Allgemeinen die dominante
Tonkomponente des Geräusches
innerhalb der Kabine des Fahrzeugs. Die Motorzündungsfrequenz reicht typischerweise
von 40 Hz bis 200 Hz. Somit kann das Referenzsignal 350 der
Motorzündungsfrequenz
entsprechen.
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Die
Ausgangsgrößen des
Steuersystems 320 können
zu einer oder mehreren akustischen Betätigungsvorrichtungen 340a-c
gespeist werden. Bei einer typischen Installation stellen die akustischen Betätigungsvorrichtungen 340a und 340b linke
und rechte akustische Betätigungsvorrichtungen
dar und nehmen ihre jeweiligen Steuersignale durch einen jeweiligen
Hochpassfilter auf. Die akustische Betätigungsvorrichtung 340 kann
ein Subwoofer bzw. Tieftöner
sein und sowohl die linken als auch die rechten Ausgangsgrößen des
Steuersystems 320 durch ein Paar von Tiefpassfiltern durch
eine Additionsvorrichtung 380 aufnehmen. Somit dient der
Subwoofer 340c zur Erzeugung von Ausgangsfrequenzen für beide
Ausgangskanäle
des Steuersystems 320. Der Subwoofer 340 muss
nicht mit dem System 300 verwendet werden, bietet jedoch
eine zusätzliche
Unterstützung
in den tiefen Frequenzbereichen. Akustische Betätigungsvorrichtungen 340 können Teil
des üblichen
Unterhaltungssystems sein, das in dem Fahrzeug eingebaut ist, wobei
die Signale von dem Steuersystem 320 in die Schallausgabe
des Ausgangsverstärkers
des Unterhaltungssystems eingemischt werden. Oder das Steuersystem 320 kann
in das Standardunterhaltungssystem des Fahrzeugs integriert sein
und die Ausgangsverstärker
gemeinsam mit dem Standardunterhaltungssystem verwenden.
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Während die
obige Einrichtung mit Bezugnahme auf einen einzigen zweidimensionalen
Sensor besprochen wird, können
mehrere Sensoren verwendet werden. Zusätzlich können mehr oder weniger Ausgangskanäle als zwei
verwendet werden.
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4 veranschaulicht
den zweidimensionalen Sensor 330. Der zweidimensionale
Sensor 330 weist zwei Paare von akustischen Sensoren 420 und 430 auf,
die senkrecht angeordnet sind. Die Distanz zwischen den Paaren von
akustischen Sensoren ist bekannt und kann in den Geschwindigkeits gleichungen
verwendet werden, die zuvor beschrieben wurden. Jeder akustische
Sensor in dem Paar 420, 430 von akustischen Sensoren
nimmt einen akustischen Druck bzw. Schalldruck von der Umgebung
zur Weiterleitung zum Steuersystem 320 auf, und zwar zur Berechnung
der Partikelgeschwindigkeit und des durchschnittlichen akustischen
Drucks bzw. Schalldrucks. Beispielsweise nimmt das Paar 430 der
akustischen Sensoren Druck von der Schallwelle 410x auf,
und das Paar 420 von akustischen Sensoren nimmt Druck von
der Schallwelle 410y auf. Wie zuvor erwähnt, wird der Fachmann erkennen,
dass mit geeigneten Veränderungen
in dem Steuersystem 320 ein System mit drei akustischen
Sensoren verwendet werden könnte.
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5 veranschaulicht
weitere Details des Steuersystems 320. Insbesondere weist
das Steuersystem 320 einen Steuerkoeffizientenaktualisierungsprozess 320b auf.
Der Steuerkoeffizientenaktualisierungsprozess verwendet Systemidentifikationsfilter,
die auf das Referenzsignal angewandt werden, um ein Signal mit gefiltertem
x zu erzeugen. Das Signal mit gefiltertem x in Verbindung mit dem
Fehlersignal vom Steuersensor 330 wird verwendet, um den
Wert der Steuerfilterkoeffizienten wi(n)
zu aktualisieren. Diese Funktionen wurden zuvor mit Bezugnahme auf
die Stufen 240 und 250 der 2 beschrieben.
Der Koeffizientenaktualisierungsprozess 320b veranschaulicht
funktionelle Elemente für
ein Zwei-Kanal-System. Die Steuerkoeffizienten, die von dem Koeffizientenaktualisierungsprozess
erzeugt werden, werden in dem FIR-Filter 320a verwendet, um
Ausgangssignale für
die zwei Kanäle
zu erzeugen, wie zuvor mit Bezugnahme auf die Stufe 260 der 2 beschrieben.
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Zusätzlich können Aspekte
des vorliegenden Systems beispielsweise zur Verringerung des Geräusches in
der Nähe
einer Maschine auf einem Fabrikboden bzw. in einem Fabrikgelände verwendet
werden. Der Sensor 330 kann senkrecht zu einer Oberfläche der
Maschine und in deren Nähe
angeordnet sein. Die Oberfläche
der Maschine kann in der Nähe der
Lage eines Maschinenbedieners sein, so dass das Geräusch um
den Bediener herum reduziert werden wird. Die Umhüllung weist
den Raum in der Nähe der
Ma schine auf, die durch die Oberfläche der Maschine und eine zusätzliche
Oberfläche
gebildet wird, wie beispielsweise eine Innenwand der Fabrik, eine andere
Maschinenoberfläche
oder die Oberfläche
einer Unterteilungswand.
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Es
wird dem Fachmann leicht offensichtlich werden, dass verschiedene
Veränderungen
und Modifikationen von offensichtlicher Natur vorgenommen werden
können,
und dass alle diese Veränderungen und
Modifikationen derart angesehen werden, dass sie in den Umfang der
beigefügten
Ansprüche
fallen. Andere Ausführungsbeispiele
werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung und aus
der praktischen Ausführung
der Offenbarung offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass
die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen
werden, wobei ein wahrer Umfang und Kern der Offenbarung durch die
folgenden Ansprüche
und ihre äquivalenten
Ausführungen
gezeigt wird.
wobei u die Größe der Geschwindigkeit der akustischen Partikel ist. Die augenblickliche gesamte akustische Energiedichte ist die Summe der potentiellen Energiedichte und der kinetischen Energiedichte und kann wie folgt ausgedrückt werden:
