DE102005037034A1 - Energiedichtes Steuersystem mit Verwendung eines zweidimensionalen Energiedichtesensors - Google Patents

Energiedichtes Steuersystem mit Verwendung eines zweidimensionalen Energiedichtesensors Download PDF

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Abstract

Ein System und ein Verfahren zur Verringerung des Geräusches in einer Umschließung wird offenbart. Das Verfahren weist die Aufnahme von mindestens einem Referenzsignal auf; weiter die Aufnahme von Drucksignalen von nicht mehr als zwei im wesentlichen senkrecht angeordneten Paaren von akustischen Sensoren, 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 Innenfläche der Umschließung und in der Nähe davon 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 Senden des Ausgangssignals zu einer akustischen Betätigungsvorrichtung.

Description

  • Technisches Gebiet
  • 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.
  • Hintergrund
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der Probleme oder Nachteile zu überwinden, die mit dem Stand der Technik assoziiert sind.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 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.
  • 1 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines modifizierten LMS-Steuersystems mit x-Filterung.
  • 2 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb des Steuersystems zur Verringerung des Geräusches in einer Umschließung veranschaulicht.
  • 3 veranschaulicht eine Einrichtung eines energiedichtenbasierten aktiven Geräuschauslöschungssteuersystems unter Verwendung eines zweidimensionalen Sensors.
  • 4 veranschaulicht den zweidimensionalen Sensor.
  • 5 veranschaulicht weitere Details eines Steuersystems.
  • Detaillierte Beschreibung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
    Figure 00080001
    wobei p die akustische Energie ist, wobei ρ0 die Dichte der Umgebungsluft ist, wobei c die Schallgeschwindigkeit ist, und wobei V0 das Luftvolumen ist, welches die potentielle Energie enthält. Die gesamte kinetische Energie in einem Luftvolumen kann wie folgt ausgedrückt werden:
    Figure 00080002
    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:
    Figure 00080003
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Das Steuersystem 100 berechnet die Rausch- bzw. Geräuschpartikelgeschwindigkeit in der x- und in der y-Richtung gemäß der folgenden Gleichung:
    Figure 00110001
    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 Vx und ein Vy 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.
  • 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).
  • 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 rp,1(n); die Geschwindigkeit in der x-Richtung für die erste akustische Betätigungsvorrichtung rvx, 1(n); die Geschwindigkeit in der y-Richtung für die erste akustische Betätigungsvorrichtung rvy, 1(n); der Druck für die zweite akustische Betätigungsvorrichtung rp, 2(n); die Geschwindigkeit in der x-Richtung für die zweite akustische Betätigungsvorrichtung rvx, 2(n); und die Geschwindigkeit in der y-Richtung für die zweite akustische Betätigungsvorrichtung rvy, 2(n). Die Form für die Signale mit gefiltertem x ist beispielsweise die x-Richtung für die erste akustische Betätigungsvorrichtung:
    Figure 00120001
    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.
  • 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.
  • 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:
    Figure 00140001
    wobei l die Anzahl der Filterkoeffizienten darstellt, und wobei wi die Filterkoeffizienten sind. Im Allgemeinen reichen 32 oder weniger Koeffizienten, um eine gute Steuerung des Systems vorzusehen.
  • 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).
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Reduzierung von Geräuschen in einer Umhüllung (110), welches Folgendes aufweist: Aufnahme von mindestens einem Referenzsignal (105); Aufnahme von Drucksignalen von nicht mehr als zwei im Wesentlichen senkrecht angeordneten Paaren von akustischen Sensoren (330), wobei ein Paar von akustischen Sensoren in der x-Richtung angeordnet ist, und 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 Innenfläche der Umhüllung (110) und in deren Nähe ist; Verwendung der Drucksignale und des Referenzsignals (105) zur Erzeugung eines Ausgangssignals (140), um die Energiedichte an einer Stelle der akustischen Sensoren zu minimieren; und Senden des Ausgangssignals (140) an eine akustische Betätigungsvorrichtung (340).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verwendung der Drucksignale weiter die Erzeugung eines Geschwindigkeitssignals in x-Richtung aus den Drucksignalen von dem Paar von akustischen Sensoren in der x-Richtung aufweist, und die Erzeugung eines Geschwindigkeitssignals in y-Richtung aus den Drucksignalen von dem Paar von akustischen Sensoren in der y-Richtung (230).
  3. Verfahren nach Anspruch 2, welches weiter aufweist, ein durchschnittliches Drucksignal aus einem oder mehreren der aufgenommenen Drucksignale zu erzeugen.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, welches weiter aufweist, Steuerfilterkoeffizienten (135) auf das Referenzsignal (105) anzuwenden, um das Ausgangssignal (140) zu erzeugen.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, welches weiter aufweist, Systemidentifikationsfilter (320b) auf das Referenzsignal (105) anzuwenden, um Signale mit gefiltertem x (Filtered-x-Signale) zu erzeugen.
  6. System zur Verringerung des Geräusches in einer Umschließung (310), welches Folgendes aufweist: ein Referenzsignal (350); eine akustische Betätigungsvorrichtung (340); eine Sensorvorrichtung (330), die nicht mehr als zwei im wesentlichen senkrecht angeordnete Paare von akustischen Sensoren (420, 430) aufweist, wobei ein Paar von akustischen Sensoren (430) in der x-Richtung angeordnet ist, und wobei ein Paar von akustischen Sensoren (420) in der y-Richtung angeordnet ist, und wobei die akustischen Sensoren (420, 430) in einer Ebene angeordnet sind, die im wesentlichen parallel zu einer Innenfläche der Umschließung (310) und in der Nähe davon ist; eine Steuervorrichtung (320) in Verbindung mit dem Referenzsignal (350), der akustischen Betätigungsvorrichtung (340) und der Sensorvorrichtung (330), wobei die Steuervorrichtung (320) betreibbar ist, um das Referenzsignal (350) aufzunehmen; Drucksignale von der Sensorvorrichtung (330) aufzunehmen; die Drucksignale und das Referenzsignal (350) zu verwenden, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, um die Energiedichte an einer Stelle der Sensorvorrichtung (330) zu minimieren; und das Ausgangssignal zu der akustischen Betätigungsvorrichtung (340) zu senden.
  7. System nach Anspruch 6, wobei die Steuervorrichtung (320) weiter betreibbar ist, um ein Geschwindigkeitssignal in x-Richtung aus den Drucksignalen von dem Paar (430) von akustischen Sensoren in der x-Richtung zu erzeugen, und ein Geschwindigkeitssignal in y-Richtung aus den Drucksignalen von dem Paar (420) von akustischen Sensoren in der y-Richtung zu erzeugen.
  8. System nach Anspruch 7, wobei die Steuervorrichtung (320) weiter betreibbar ist, um ein durchschnittliches Drucksignal aus einem oder mehreren der aufgenommenen Drucksignale zu erzeugen.
  9. System nach Anspruch 6, wobei die Steuervorrichtung (320) weiter betreibbar ist, um Steuerfilterkoeffizienten auf das Referenzsignal (350) anzuwenden, um das Ausgangssignal zu erzeugen.
  10. System nach Anspruch 9, wobei die Steuervorrichtung (320) weiter betreibbar ist, um Systemidentifikationsfilter auf das Referenzsignal (350) anzuwenden, um Signale mit gefiltertem x (Filtered-x-Signale) zu erzeugen.
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