DE102017126883B4

DE102017126883B4 - Work vehicle with noise reduction in a driver's cab

Info

Publication number: DE102017126883B4
Application number: DE102017126883.9A
Authority: DE
Inventors: Delf Sachau; Sergej Jukkert
Original assignee: Linde Material Handling GmbH
Current assignee: Linde Material Handling GmbH
Priority date: 2017-11-15
Filing date: 2017-11-15
Publication date: 2022-07-28
Anticipated expiration: 2037-11-16
Also published as: DE102017126883A1; EP3486897B1; EP3486897A1

Abstract

Arbeitsfahrzeug mit einer Fahrerkabine (10), die einen geschlossenen Kabineninnenraum aufweist, der von strukturfesten Kabinenwandelementen und wenigstens einer Scheibe umschlossen ist, die eine von den Kabinenwandelementen freigelassene Kabinenwandöffnung schließt, mit einer auf die Scheibe einwirkenden Aktuatoreinrichtung, einer Sensoreinrichtung und einer mit der Sensoreinrichtung und der Aktuatoreinrichtung verbundenen Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von Signalen der Sensoreinrichtung die Aktuatoreinrichtung zur Lärmreduzierung im Kabineninnenraum anzusteuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoreinrichtung ein auf der inneren Oberfläche der Scheibe befestigter Inertial-Schwingerreger (4) ist, die Sensoreinrichtung ein auf den Kabineninnenraum gerichtetes Mikrophon (6) ist und die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, den Inertial-Schwingerreger (4) mit einer adaptiven und prädiktiven Regelung in Abhängigkeit von den Mikrophonsignalen anzusteuern, um im Kabineninnenraum eine aktive Lärmreduzierung durchzuführen, wobei das Mikrophon (6) an oder in dem Gehäuse des Inertial-Schwingerregers (4) platziert ist und so ausgerichtet befestigt ist, dass eine zentrale Oberflächennormale auf der Membran des Mikrophons (6) senkrecht zu der Oszillationsachse des Inertial-Schwingerregers (4) steht.

Work vehicle with a driver's cab (10), which has a closed cab interior, which is enclosed by structurally fixed cab wall elements and at least one pane, which closes a cab wall opening left free by the cab wall elements, with an actuator device acting on the pane, a sensor device and one with the sensor device and a control unit connected to the actuator device, which is set up to actuate the actuator device for noise reduction in the interior of the cabin as a function of signals from the sensor device, characterized in that the actuator device is an inertial vibration exciter (4) attached to the inner surface of the pane, the sensor device is a the microphone (6) is directed towards the interior of the cabin and the control unit is set up to control the inertial vibration exciter (4) with an adaptive and predictive control as a function of the microphone signals in order to i To carry out active noise reduction in the cabin interior, with the microphone (6) being placed on or in the housing of the inertial shaker (4) and being fixed in such a way that a central surface normal on the membrane of the microphone (6) is perpendicular to the oscillation axis of the inertial shaker (4).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Arbeitsfahrzeug mit einer Fahrerkabine, die einen geschlossenen Kabineninnenraum aufweist, der von strukturfesten Kabinenwandelementen und wenigstens einer Scheibe umgeben ist, die eine von den Kabinenwandelementen freigelassene Kabinenwandöffnung schließt, mit einer auf die Scheibe einwirkenden Aktuatoreinrichtung, mit einer Sensoreinrichtung und einer mit der Sensoreinrichtung und der Aktuatoreinrichtung verbundenen Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von Signalen der Sensoreinrichtung die Aktuatoreinrichtung zur Lärmreduzierung im Kabineninnenraum anzusteuern.The present invention relates to a work vehicle with a driver's cab, which has a closed cab interior, which is surrounded by structurally fixed cab wall elements and at least one pane, which closes a cab wall opening left free by the cab wall elements, with an actuator device acting on the pane, with a sensor device and with the sensor device and the actuator device connected control unit, which is set up to control the actuator device for noise reduction in the cabin interior as a function of signals from the sensor device.

Die Erfindung betrifft Arbeitsfahrzeuge, worunter hierin z.B. Gabelstapler, Bagger, Mähdrescher, Planierraupen, Walzen für den Straßenbau, Traktoren etc. verstanden werden. In einem Arbeitsfahrzeug schützt eine geschlossene Fahrerkabine den Fahrer vor Umwelteinflüssen wie Lärm, Klima, Regen, herabfallenden Gegenständen etc.; insbesondere wegen des Schutzes vor Lärm in der Arbeitsumgebung ist die Fahrerkabine weitestgehend luftdicht abgeschlossen.The invention relates to work vehicles, by which for example forklifts, excavators, combine harvesters, bulldozers, rollers for road construction, tractors, etc. are understood. In a work vehicle, a closed driver's cab protects the driver from environmental influences such as noise, climate, rain, falling objects, etc.; The driver's cab is largely airtight, particularly to protect against noise in the working environment.

In Bezug auf Lärm in Fahrerkabinen von Arbeitsfahrzeugen sind auch Versuche unternommen worden, Maßnahmen zur aktiven Lärmreduzierung durch Gegenschall zu ergreifen, nämlich im niedrigen Frequenzen unterhalb von 500 Hz (für höhere Frequenzen sind schalldämmende Materialen an den Innenwänden der Fahrerkabine effektiv). Beispiele für aktive Lärmreduzierung sind die in WO 94 / 29 845 A1 und WO 94 / 29 846 A1 beschriebenen Fahrerkabinen, in denen an der Decke der Fahrerkabine ein Lautsprecher montiert ist. Ferner sind in der Fahrerkabine zwei Mikrophone befestigt, die Geräusche im Innenraum der Fahrerkabine erfassen. In einer Steuereinheit verarbeitet ein Filteralgorithmus die Mikrophonsignale, um daraus ein Steuersignal für den Lautsprecher zu erzeugen, so dass der Lautsprecher Gegenschall erzeugt, der die Geräusche im Bereich der Mikrophone möglichst weitgehend auslöscht oder reduziert. In diesem Zusammenhang sind auch adaptive Regelalgorithmen erwähnt, die sich in gewissem Umfang an veränderliche Geräuschsituationen anpassen können. Die beschriebene Verfahrensweise basiert jedoch darauf, dass das Lärmsignal näher an der Quelle gemessen wird, bevor es an dem Ort eintrifft, an dem der Lärm reduziert werden soll, und dass auf diese Weise der auslöschende oder lärmreduzierende Gegenschall von dem Lautsprecher ausgegeben wird und dann, wenn er im gewünschten Bereich für die Lärmreduzierung eintrifft, dort eine teilweise destruktive Interferenz oder Auslöschung mit dem von der Quelle ausgegangenen und dann im interessierenden Bereich eintreffenden Lärm bewirkt. Diese entspricht einer Feedforward-Steuerung, die nicht in allen Szenarien von sich zeitlich verändernden Lärmsituationen stabil und effektiv ist. Überdies ist die Erzeugung von Gegenschall durch einen Lautsprecher für die beschriebene Anwendung in Fahrerkabinen von Arbeitsfahrzeugen nicht besonders effektiv.With regard to noise in driver's cabins of work vehicles, attempts have also been made to take measures to actively reduce noise by counter-noise, namely in the low frequencies below 500 Hz (for higher frequencies, sound-insulating materials on the inner walls of the driver's cabin are effective). Examples of active noise reduction are those in WO 94/29845 A1 and WO 94/29846 A1 described driver's cabs in which a loudspeaker is mounted on the ceiling of the driver's cab. Furthermore, two microphones are mounted in the driver's cab, which record noises in the interior of the driver's cab. A filter algorithm processes the microphone signals in a control unit in order to generate a control signal for the loudspeaker from them, so that the loudspeaker generates anti-noise which as far as possible eliminates or reduces the noise in the area of the microphone. In this context, adaptive control algorithms are also mentioned, which can adapt to changing noise situations to a certain extent. However, the procedure described is based on measuring the noise signal closer to the source before it arrives at the location where the noise is to be reduced, and in this way the canceling or noise-reducing anti-sound is emitted from the loudspeaker and then, when it arrives in the desired area for noise reduction, it causes partially destructive interference or cancellation there with the noise emanating from the source and then arriving in the area of interest. This corresponds to a feedforward control that is not stable and effective in all scenarios of noise situations that change over time. Furthermore, the generation of anti-noise by a loudspeaker is not particularly effective for the application described in driver's cabs of work vehicles.

Aus EP 2 101 316 Al ist eine landwirtschaftliche Arbeitsmaschine mit geräuschgedämpfter Kabine bekannt. Dabei ist eine externe Geräuschquelle außerhalb der Fahrerkabine vorhanden, von der sich eine Schwingung auf einem ersten Weg in die Fahrerkabine überträgt. Zur Lärmreduzierung in der Fahrerkabine soll ein Kompensatorelement mit einer an die Phase und Amplitude der übertagenden Schwingung angepassten Phase und Amplitude angetrieben werden, um eine Schallschwingung zu emittieren, die die in die Fahrerkabine übertragene Schwingung kompensiert. Das Störsignal der externen Geräuschquelle wird bereits an der Quelle mit einem Sensor gemessen, und es wird angenommen, dass die Ausbreitung des Schalls aus der externen Geräuschquelle auf dem ersten Weg langsamer vor sich geht, als die Signalübermittlung von dem Sensor an der externen Geräuschquelle über die Steuereinrichtung und zu dem genannten Kompensatorelement, so dass so am gewünschten Ort innerhalb der Fahrerkabine die angestrebte Auslöschung oder Reduzierung nach Amplitude und Phase richtig bewirkt werden kann. Es handelt sich auch hier um eine Feedforward-Steuerung. Solche Steuerungen mit offener Wirkungsweise funktionieren nicht, wenn es Störungsausbreitungswege gibt, über die sich die Störungsgeräusche schneller ausbreiten als die Signalübertragung auf dem zweiten Weg zu dem Kompensatorelement.Out of EP 2 101 316 Al is an agricultural machine with a noise-dampened cab known. There is an external noise source outside the driver's cab, from which a vibration is transmitted on a first path into the driver's cab. In order to reduce noise in the driver's cab, a compensator element is to be driven with a phase and amplitude adapted to the phase and amplitude of the vibration transmitted, in order to emit a sound vibration which compensates for the vibration transmitted into the driver's cab. The interference signal from the external noise source is already measured at the source with a sensor, and it is assumed that the propagation of sound from the external noise source on the first path is slower than the signal transmission from the sensor to the external noise source via the Control device and said compensator element, so that the desired cancellation or reduction in amplitude and phase can be effected correctly at the desired location within the driver's cab. This is also a feedforward control. Such open-loop controls will not work if there are noise propagation paths through which the noise propagates faster than the signal transmission on the second path to the canceller element.

Das beschriebene System ist insbesondere auf die Unterdrückung von stationären tonalen Geräuschkomponenten gerichtet, die die Resonanzen der Fahrerkabine anregen, wie die periodischen Geräusche, die durch die rotierenden Schneiden eines Mähdreschers erzeugt werden. Für Geräuschanteile außerhalb der Resonanzfrequenzen oder bei gedämpften Kabinenmoden führt die beschriebene Verfahrensweise nicht zur Reduktion von Lärm im Kopfbereich des Fahrers, da aufgrund der Laufzeitdifferenz vom Lautsprecher zum Kopfbereich und zum Mikrophon eine effektive Auslöschung der sich überlagernden Schallkomponenten nicht möglich ist. Grundsätzlich kann mit der vorgeschlagenen Sensor-Aktuator-Anordnung kein Lärm unterdrückt werden, bei dem die Änderungsdauer von Frequenz und/oder der Amplitude des Lärmschalls kürzer als die Laufzeit zwischen dem Sensor und dem Lautsprecher ist.The system described is particularly directed to the suppression of stationary tonal noise components that excite cab resonances, such as the periodic noise produced by the rotating blades of a combine harvester. For noise components outside the resonant frequencies or with damped cabin modes, the procedure described does not lead to a reduction in noise in the driver's head area, since the difference in propagation time from the loudspeaker to the head area and to the microphone means that the superimposed sound components cannot be effectively eliminated. In principle, the proposed sensor-actuator arrangement cannot be used to suppress noise in which the change duration of the frequency and/or the amplitude of the noise is shorter than the transit time between the sensor and the loudspeaker.

In dem genannten Dokument EP 2 101 316 Al ist ferner erwähnt, dass an eine Fensterscheibe der Fahrerkabine ein anregbarer Resonator gekoppelt werden kann, der stärker als die Fensterscheibe gedämpft ist. Auf diese Weise soll sich die Energie der Schwingung der Fensterscheibe auf die Fensterscheibe und den Resonator verteilen. Es handelt sich bei dem angesprochenen anregbaren Resonator daher nur um einen passiven Schwingungstilger.In the mentioned document EP 2 101 316 Al is also mentioned that on a window pane an excitable resonator can be coupled to the driver's cab, which is damped more than the window pane. In this way, the energy of the vibration of the window pane should be distributed between the window pane and the resonator. The excitable resonator mentioned is therefore only a passive vibration absorber.

Aus US 5,812,684 A ist ebenfalls eine Vorrichtung zur Lärmreduzierung in einer Fahrerkabine eines Kraftfahrzeuges bekannt, die sich zwar nicht ausdrücklich auf die Fahrerkabine eines Arbeitsfahrzeuges bezieht, aber ansonsten die Merkmale des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 aufweist. An einem unteren Randbereich eines Seitenfensters sind flächige piezokeramische Aktuatoren befestigt. Durch gezieltes Anlegen von Spannung an die piezokeramischen Aktuatoren können diese gezielt gedehnt und kontrahiert werden, wodurch die Scheibe, an der die flächigen piezokeramischen Aktuatoren befestigt ist, verformt werden kann. An der Scheibe ist ferner ein piezokeramischer Sensor befestigt, mit dem Schwingungen der Scheibe erfasst und zu einer Steuereinheit gesendet werden. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, auf Grundlage der mit dem Sensor erfassten Schwingungen der Fensterscheibe Steuersignale für die piezokeramischen Aktuatoren so zu erzeugen, dass die mit dem Sensor erfassten Schwingungen der Fensterscheibe minimiert werden. Auf diese Weise soll das durch die schwingende Fensterscheibe in das Innere der Fahrerkabine abgegebener Schallniveau reduziert werden, indem die Schwingungen der Fensterscheibe möglichst weitgehend unterdrückt werden. Eine Erzeugung von Gegenschall zur aktiven Lärmreduzierung ist in diesem Dokument zwar auch als grundsätzlich bekannt erwähnt, soll jedoch durch eine einfachere Vorgehensweise (Schwingungsunterdrückung der Fensterscheiben) ersetzt werden.Out of US 5,812,684A a device for reducing noise in a driver's cab of a motor vehicle is also known, which does not expressly relate to the driver's cab of a work vehicle, but otherwise has the features of the preamble of patent claim 1. Flat piezoceramic actuators are attached to a lower edge area of a side window. By applying voltage to the piezoceramic actuators in a targeted manner, they can be stretched and contracted in a targeted manner, as a result of which the disk to which the flat piezoceramic actuators are attached can be deformed. A piezoceramic sensor is also attached to the pane, with which vibrations of the pane are detected and sent to a control unit. The control unit is set up to generate control signals for the piezoceramic actuators based on the vibrations of the window pane detected by the sensor in such a way that the vibrations of the window pane detected by the sensor are minimized. In this way, the sound level emitted through the vibrating window pane into the interior of the driver's cab is to be reduced by the vibrations of the window pane being suppressed as far as possible. The generation of anti-noise for active noise reduction is also mentioned in this document as known in principle, but is to be replaced by a simpler procedure (vibration suppression of the window panes).

Aus der WO 2008/034789 A1 ist ein aktives Geräuschreduktionssystem für einen Raum eines Gebäudes bekannt, bei dem der Aktuator an der Innenseite der inneren Scheibe einer Doppelverglasung, der Sensor an der Außenseite der äußeren Scheibe der Doppelverglasung und der Sensor innerhalb des Raums angeordnet sind. Es erfolgt entweder eine Regelung nach dem Feedback-Verfahren oder eine Regelung nach dem Feedforward-Verfahren.From the WO 2008/034789 A1 an active noise reduction system for a room of a building is known, in which the actuator is arranged on the inside of the inner pane of double glazing, the sensor on the outside of the outer pane of double glazing and the sensor inside the room. There is either regulation according to the feedback method or regulation according to the feedforward method.

In der DE 101 16 166 A1 ist eine als Doppelverglasung ausgebildete Fahrzeugscheibe für eine aktive Geräuschminderung in einem Innenraum eines Fahrzeugs beschrieben, bei der die innere Scheibe mittels piezoelektrischen Aktuatoren zum Schwingen gebracht wird. Zur aktiven Geräuschminderung wird entweder eine Feedback-Regelung oder eine Feedforward-Regelung angewendet. Bei der Feedback-Regelung ist ein Sensor im Bereich der Überlagerung von Primärfeld und Sekundärfeld angeordnet. Bei der Feedforward-Regelung wird mit einem Sensor das Primärfeld gemessen und ein Minimierungssensor kann im Bereich der Überlagerung von Primärfeld und Sekundärfeld angeordnet sein.In the DE 101 16 166 A1 describes a vehicle pane designed as double glazing for active noise reduction in an interior of a vehicle, in which the inner pane is made to oscillate by means of piezoelectric actuators. Either feedback control or feedforward control is used for active noise reduction. In the case of feedback control, a sensor is arranged in the area where the primary field and secondary field overlap. In feedforward control, the primary field is measured with a sensor and a minimization sensor can be arranged in the area where the primary field and secondary field overlap.

Aus der US 6 137 886 A ist ein aktives Geräuschreduktionssystem für ein Fahrzeug bekannt, bei dem mittels Pseudo-Feedforward-Sensoren die Schwingungen nahe an der Quelle erfasst werden, im Bereich des Kopfes des Fahrers ein Feedback-Mikrophon angeordnet ist, und Aktuatoren an den Aufhängungspunkten des Antriebsmotors des Fahrzeugs mit einer prädiktiven Regelung angesteuert werden.From the U.S. 6,137,886 A an active noise reduction system for a vehicle is known in which the vibrations are detected close to the source by means of pseudo-feedforward sensors, a feedback microphone is arranged in the area of the driver's head, and actuators at the suspension points of the drive motor of the vehicle with a predictive control are controlled.

Wie oben erwähnt sind die Fahrerkabinen von Arbeitsfahrzeugen wegen ihrer verschiedenen Schutzfunktionen weitestgehend luftdicht abgeschlossen. In Arbeitsfahrzeugen muss der Fahrer seine Umgebung sehr gut beobachten können, um Unfallgefahren erkennen zu können. Daher haben derartige Fahrerkabinen neben strukturfesten Kabinenwandelementen eine oder mehrere größere, von den Kabinenwandelementen freigelassene Öffnungen, die durch Scheiben geschlossen sind. Die Scheiben bestehen in der Regel aus transparentem Glas oder Kunststoff. Meist sind daher an allen Seiten der Fahrerkabine Wandöffnungen mit Scheiben als Fenster vorgesehen, so dass der Fahrer seine Umgebung nach vorne, nach hinten und zu beiden Seiten wahrnehmen kann. Schwingungstechnisch bildet das geschlossene Luftvolumen im Kabineninnenraum zusammen mit den Scheiben in den Kabinenwandöffnungen ein Vibro-Akustisches-System (VAS), das bei tiefen Frequenzen schwach gedämpft und daher schwingungsanfällig ist. Anregungen des VAS erfolgen bei tiefen Frequenzen insbesondere durch einen Verbrennungsmotor des Arbeitsfahrzeugs, durch Hydraulik-Aggregate und durch Reifen-Fahrbahn-Wechselwirkungen, wie z.B. das Auftreffen der um den Umfang der Reifen verteilten Stollen des Profils auf die Fahrfläche. Es können daher hohe Schallpegel von über 110 dB in Resonanzbereichen des VAS bei ca. 40 Hz auftreten, die vom Fahrer als unangenehmes Brummen oder Wummern wahrgenommen werden.As mentioned above, the driver's cabs of work vehicles are largely airtight due to their various protective functions. In work vehicles, the driver must be able to observe his surroundings very well in order to be able to recognize the risk of accidents. Driver cabs of this type therefore have, in addition to structurally fixed cab wall elements, one or more larger openings which are left free by the cab wall elements and are closed by panes. The discs are usually made of transparent glass or plastic. Wall openings with panes as windows are therefore usually provided on all sides of the driver's cab, so that the driver can perceive his surroundings to the front, to the rear and to both sides. In terms of vibration technology, the closed air volume in the cabin interior together with the windows in the cabin wall openings form a vibro-acoustic system (VAS), which is weakly damped at low frequencies and is therefore susceptible to vibration. At low frequencies, the VAS is stimulated in particular by a combustion engine in the work vehicle, by hydraulic units and by tyre-roadway interactions, such as the impact of the profile lugs distributed around the circumference of the tires on the roadway. Therefore, high sound levels of over 110 dB can occur in the resonance range of the VAS at approx. 40 Hz, which the driver perceives as an unpleasant hum or boom.

Eine weitere Problematik besteht darin, dass die zur Fahrerkabine übertragenen Schwingungen sich nach Frequenz- und Amplitudenzusammensetzung als Funktion der Zeit schnell verändern können. Zum Beispiel erhöhen sich bei einem beschleunigenden Gabelstapler die Motorzündfrequenz und die Motordrehzahl. Erheblich schneller steigt gegenüber diesen die Reifen-Fahrbahn-Kontaktfrequenz; wenn z.B. die Reifen über ihren Umfang verteilt jeweils 28 Radprofilstollen haben, erhöht sich die Radstollen-Kontaktfrequenz um den Faktor 28 schneller als die Raddrehfrequenz. Die sich daraus ergebende komplexe Entwicklung der Frequenz- und Amplitudenzusammensetzung der auf die Fahrerkabine einwirkenden Schwingungskomponenten kann nicht mit Maßnahmen entgegengewirkt werden, die für stationäre externe Schall- und Vibrationsquellen funktionsfähig sind, wie etwa die oben beschriebene Feedforward-Steuerung.Another problem is that the vibrations transmitted to the driver's cab can change quickly as a function of time in terms of frequency and amplitude composition. For example, with an accelerating forklift, the engine firing frequency and engine speed increase. Compared to these, the tire-road contact frequency increases considerably faster; if, for example, the tires each have 28 wheel tread lugs distributed over their circumference, the wheel lug contact frequency increases by a factor of 28 faster than that wheel rotation frequency. The resulting complex development of the frequency and amplitude composition of the vibration components acting on the driver's cab cannot be counteracted with measures that are functional for stationary external noise and vibration sources, such as the feedforward control described above.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Arbeitsfahrzeug mit einer Fahrerkabine mit einer Aktuatoreinrichtung und einer diese betreibenden Steuereinheit zur aktiven Lärmreduzierung in der Fahrerkabine so auszugestalten, dass die oben beschriebenen erheblichen Amplituden der Schwingungen des Vibro-Akustischen-Systems aus dem Innenraum-Luftvolumen der Fahrerkabine und den Scheiben der Fahrerkabine im niederfrequenten Bereich und der damit verbundene Lärm effektiv unterdrückt werden und dass die Steuereinheit sich dabei den zeitveränderlichen Bedingungen der Frequenz- und Amplitudenzusammensetzung der auf das Vibro-Akustische-System einwirkenden Schwingungen beim Betrieb des Arbeitsfahrzeugs einstellen kann.It is the object of the present invention to design a working vehicle with a driver's cab with an actuator device and a control unit operating this for active noise reduction in the driver's cab in such a way that the above-described significant amplitudes of the vibrations of the vibro-acoustic system from the interior air volume of the driver's cab and the windows of the driver's cab in the low-frequency range and the associated noise are effectively suppressed and that the control unit can adjust to the time-varying conditions of the frequency and amplitude composition of the vibrations affecting the vibro-acoustic system when operating the work vehicle.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient das Arbeitsfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.The work vehicle with the features of patent claim 1 serves to solve this problem. Advantageous embodiments of the invention are listed in the dependent claims.

Erfindungsgemäß ist zunächst vorgesehen, dass als Aktuatoreinrichtung an der Scheibe ein Inertial-Schwingerreger befestigt ist, der die Scheibe in Schwingungen versetzen kann. Inertial-Schwingerreger (die auch als Shaker bezeichnet werden) basieren in ihrer Funktionsweise auf einer im Gehäuse des Schwingerregers entlang einer Achse beweglich aufgehängten trägen Masse (Aktor), die elektromagnetisch zur Oszillation angetrieben wird, wobei die Schwingungsfrequenz durch Einstellung der elektromagnetischen Antriebsfrequenz einstellbar ist. Der Inertial-Schwingerreger ist dabei so an der Scheibe angebracht, dass die Achse der Oszillationsbewegung senkrecht auf der Scheibenebene steht, um so effektiv mechanische Schwingungen in die Scheibe einkoppeln zu können. Auf diese Weise wird die Scheibe selbst zur Schallquelle, die in noch zu beschreibender Weise Gegenschall zur Lärmreduzierung im Innenraum der Fahrerkabine erzeugt.According to the invention, it is initially provided that an inertial vibration exciter, which can cause the disk to oscillate, is fastened to the disk as an actuator device. Inertial vibration exciters (also known as shakers) are based on an inertial mass (actuator) that is movably suspended along an axis in the housing of the vibration exciter and is electromagnetically driven to oscillate, with the vibration frequency being adjustable by setting the electromagnetic drive frequency. The inertial vibration exciter is attached to the disk in such a way that the axis of the oscillating movement is perpendicular to the plane of the disk in order to be able to couple mechanical vibrations into the disk effectively. In this way, the pane itself becomes the source of noise, which generates counter-noise to reduce noise in the interior of the driver's cab in a manner yet to be described.

Als träge Masse des Inertial-Schwingerregers kann ein zur Oszillation antreibbarer Aktor mit einem Elektromagneten dienen, der an Federn aufgehängt ist und auf den zwei axial beabstandete ferromagnetische Anziehelemente einwirken. Ein Beispiel eines Inertial-Schwingerregers ist in EP 3 217 053 A1 beschrieben.An actuator which can be driven to oscillate and which has an electromagnet which is suspended on springs and on which two axially spaced ferromagnetic attracting elements act can serve as the inertial mass of the inertial oscillating exciter. An example of an inertial shaker is given in EP 3 217 053 A1 described.

Weiterhin ist erfindungsgemäß die Steuereinheit dazu eingerichtet, die Signale des auf den Innenraum der Fahrerkabine gerichteten Mikrophons mit einem adaptiven und prädiktiven Regelalgorithmus zu verarbeiten, um dadurch ein Steuersignal für den Inertial-Schwingerreger zu erzeugen, um die Scheibe, an der der Inertial-Schwingerreger befestigt ist, so in Schwingungen zu versetzen, dass die Scheibe Gegenschall im Innenraum der Fahrerkabine erzeugt, der das von dem Mikrophon aufgenommene Fehlersignal minimiert. Der Einsatz eines adaptiven und prädiktiven Regelalgorithmus ermöglicht es, dem nach Frequenz- und Amplitudenzusammensetzung zeitlich veränderlichen Lärm im Innenraum der Fahrerkabine beim Betrieb des Arbeitsfahrzeuges so entgegenzuwirken, dass der Gegenschall bereits dann am Ort des Mikrophons eintrifft, wenn die dann dort herrschende Lärmsituation durch diesen Gegenschall destruktiv zu kompensieren ist.Furthermore, according to the invention, the control unit is set up to process the signals from the microphone directed towards the interior of the driver's cab using an adaptive and predictive control algorithm, in order thereby to generate a control signal for the inertial shaker to the disc on which the inertial shaker is attached is to be vibrated in such a way that the disc generates anti-noise in the interior of the driver's cab, which minimizes the error signal picked up by the microphone. The use of an adaptive and predictive control algorithm makes it possible to counteract the noise in the interior of the driver's cab, which changes over time in terms of frequency and amplitude composition, when the working vehicle is in operation in such a way that the counter-noise arrives at the microphone location when the noise situation then prevailing there is affected by this counter-noise is to be compensated destructively.

Es hat sich herausgestellt, dass durch die Ankopplung des Inertial-Schwingerregers an einer Scheibe der Fahrerkabine eine besonders effektive und direkte mechanische Ankopplung an das Vibro-Akustische-System aus Innenraum-Luftvolumen und Scheiben der Fahrerkabine bewirkt wird, die eine besonders effektive Lärmunterdrückung im Innenraum der Fahrerkabine ermöglicht. Dadurch wird nicht nur den Resonanzschwingungen der Scheibe und des eingeschlossenen Luftvolumens der Fahrerkabine entgegengewirkt, sondern die Scheibe selbst als Gegenschallquelle betrieben.It has been found that by coupling the inertial shaker to a window in the driver's cab, a particularly effective and direct mechanical connection to the vibro-acoustic system of interior air volume and windows in the driver's cab is brought about, which results in particularly effective noise suppression in the interior the driver's cab allows. This not only counteracts the resonance vibrations of the pane and the enclosed volume of air in the driver's cab, but also operates the pane itself as an anti-noise source.

Der Inertial-Schwingerreger sollte insbesondere im Niederfrequenzbereich unterhalb von 100 Hz betreibbar sein, da in diesem Frequenzbereich kritische Lärmsituationen in Fahrerkabinen von Arbeitsfahrzeugen auftreten.The inertial vibration exciter should be able to be operated in the low-frequency range below 100 Hz in particular, since critical noise situations in driver's cabs of work vehicles occur in this frequency range.

Die Befestigung des elektrodynamischen Inertial-Schwingerregers auf der Scheibe realisiert mit einem kompakten Aktuator (Inertial-Schwingerreger) einen Aufbau, mit dem durch die gezielt zu Schwingungen angeregten Scheibe Schall mit tiefen Frequenzen und hohen Schallpegeln im Innenraum der Fahrerkabine erzeugt werden kann, der zur Auslöschung des Lärms im Bereich des Mikrophons dient.The fastening of the electrodynamic inertial shaker on the disc creates a structure with a compact actuator (inertial shaker) with which sound with low frequencies and high sound levels can be generated in the interior of the driver's cab through the disc, which is specifically excited to vibrate, which leads to cancellation of the noise in the area of the microphone.

Adaptive und prädiktive Regel- oder Filteralgorithmen sind im Stand der Technik an sich bekannt. Steuereinheiten, die zur Durchführung eines adaptiven und prädiktiven Regelalgorithmus eingerichtet sind, sind auch unter dem Begriff adaptive Internal-Model-Controller (IMC) bekannt.Adaptive and predictive control or filter algorithms are known per se in the prior art. Control units that are set up to implement an adaptive and predictive control algorithm are also known under the term adaptive internal model controller (IMC).

Weiterhin ist erfindungsgemäß das Mikrophon an oder in dem Gehäuse des Inertial-Schwingerregers platziert. Wenn das Mikrophon im Inneren des Gehäuses angeordnet ist, sollte das Mikrophon im Bereich einer Gehäuseöffnung liegen, die es ermöglicht, dass das Mikrophon den Schall im Innenraum der Fahrerkabine erfasst.Furthermore, according to the invention, the microphone is placed on or in the housing of the inertial shaker. If the microphone inside of the housing, the microphone should be located in the area of a housing opening that allows the microphone to capture the sound inside the driver's cab.

Gemäß der Erfindung ist das Mikrophon so ausgerichtet befestigt, dass eine zentrale Oberflächennormale auf der Membran des Mikrophons senkrecht zu der Oszillationsachse des Inertial-Schwingerregers steht. Dadurch wird vermieden, dass die Schwingungen des Inertial-Schwingerregers die Membran des Mikrophons zusätzlich in Schwingungen versetzen, was das Signal des Mikrophons verfälschen könnte.According to the invention, the microphone is mounted in such a way that a central surface normal on the diaphragm of the microphone is perpendicular to the axis of oscillation of the inertial shaker. This avoids the vibrations of the inertial shaker causing the membrane of the microphone to vibrate as well, which could falsify the signal from the microphone.

Die Anordnung des Mikrophons in unmittelbarer Nachbarschaft zu dem Inertial-Schwingerreger hat den weiteren Vorteil, dass dadurch die akustische Laufzeit zwischen Mikrophon und Inertial-Schwingerreger sehr klein ist, was die Regelung stabiler und robuster gegenüber von Bewegungen des Kopfes des Fahrers macht, denn Bewegungen des Kopfes des Fahrers würden bei einem näher am Kopf des Fahrers platzierten Mikrophon die Regelstrecke stärker verändern.The arrangement of the microphone in the immediate vicinity of the inertial shaker has the further advantage that the acoustic transit time between the microphone and the inertial shaker is very small, which makes the control more stable and robust to movements of the driver's head, because movements of the driver's head would change the controlled system more with a microphone placed closer to the driver's head.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Inertial-Schwingerreger in horizontaler und in vertikaler Richtung außerhalb der Mitte der Scheibe liegend an der Scheibe befestigt. Als horizontale Richtung wird hier eine Richtung parallel zur Bodenfläche, auf der das Arbeitsfahrzeug steht, bezeichnet und als vertikale Richtung eine zu dieser Bodenfläche senkrechte Richtung. Der Vorteil, den Inertial-Schwingerreger außermittig an der Scheibe zu platzieren besteht darin, dass die Schwingungsmode, deren Wellenlänge gleich der Länge der Scheibe in horizontaler Richtung ist, und die Schwingungsmode, deren Wellenlänge gleich der Höhe der Scheibe in vertikaler Richtung ist, genau in der Mitte der Scheibe Schwingungsknoten haben. An diese niederfrequenten Schwingungsmoden könnte ein mittig an der Scheibe befestigter Inertial-Schwingerreger nicht effektiv ankoppeln. Außerdem stört ein versetzt außerhalb der Mitte an der Scheibe angeordneter Inertial-Schwingerreger die Durchsicht durch die Scheibe weniger.In a preferred embodiment, the inertial shaker is attached to the disk off-centre in the horizontal and vertical directions of the disk. A direction parallel to the floor surface on which the working vehicle is standing is referred to here as a horizontal direction, and a direction perpendicular to this floor surface is referred to as a vertical direction. The advantage of placing the inertial shaker off-center on the disc is that the mode of vibration, whose wavelength is equal to the length of the disc in the horizontal direction, and the mode of vibration, whose wavelength is equal to the height of the disc in the vertical direction, are exactly in the center of the disc have vibration nodes. An inertial shaker mounted centrally on the disk could not couple effectively to these low-frequency vibration modes. In addition, an inertial shaker arranged offset off-center on the pane interferes less with the view through the pane.

Üblicherweise wäre es sinnvoll, wegen des hier allein interessierenden Niederfrequenzbereichs von Frequenzen kleiner als 100 Hz das Mikrophonsignal zunächst einer Tiefpassfilterung zu unterziehen, da nur diese Frequenzen in die Regelung einbezogen werden müssen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass anstelle einer Tiefpassfilterung des analogen Mikrophonsignals die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, zur Digitalisierung das Mikrophonsignal mit einer Abtastfrequenz von wenigstens 20 kHz abzutasten. Durch die Überabtastung wird die Tiefpassfilterung erst ab 10 kHz benötigt. Diese erfolgtaber schon physikalisch durch die Trägheit der Mikrophonmembran.Normally, it would make sense to first subject the microphone signal to low-pass filtering because of the low-frequency range of frequencies below 100 Hz that is the only one of interest here, since only these frequencies need to be included in the control. In a preferred embodiment, instead of low-pass filtering the analog microphone signal, the control unit is set up to sample the microphone signal with a sampling frequency of at least 20 kHz for digitization. Due to oversampling, low-pass filtering is only required from 10 kHz. However, this already takes place physically due to the inertia of the microphone membrane.

Auf der Ausgangsseite der Steuereinheit ist ebenfalls keine Tiefpassfilterung vorgesehen, da die Trägheit des oszillierenden Körpers in dem Inertial-Schwingerreger effektiv als Tiefpassfilterung wirkt.No low-pass filtering is provided on the output side of the control unit either, since the inertia of the oscillating body in the inertial shaker effectively acts as low-pass filtering.

In einer bevorzugten Ausführungsform, ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, den adaptiven und prädiktiven Regelalgorithmus nur bis zu einer vorgegebenen Grenzfrequenz adaptierend durchzuführen. Diese Grenzfrequenz lässt sich in Abhängigkeit vom Abstand zwischen dem Mikrophon und dem Ort, wo die Auslöschung durch Gegenschall effektiv am wirksamsten sein soll (Ohren des Fahrers) und der Kabinenform ab. Durch Bestimmung der Grenzfrequenz kann vermieden werden, dass Gegenschallkomponenten erzeugt werden, die zwar am Ort des Mikrophons, nicht aber am tatsächlichen Wirkungsort (Ohren des Fahrers) zu einer Verminderung des Lärms führen würden.In a preferred embodiment, the control unit is set up to carry out the adaptive and predictive control algorithm in an adaptive manner only up to a predefined limit frequency. This cut-off frequency can be determined depending on the distance between the microphone and the place where the anti-noise cancellation should be most effective (driver's ears) and the shape of the cabin. Determining the cut-off frequency can prevent the generation of anti-noise components, which would lead to a reduction in noise at the location of the microphone but not at the actual location (the driver's ears).

Damit nach der Abtastung des Mikrophonsignals mit 20 kHz der Rechenaufwand durch die hohe Abtastfrequenz nicht zu einer signifikanten Erhöhung der Rechenzeit im übrigen Regelalgorithmus führt, ist die Steuereinheit nach der Abtastung mit 20 kHz mit einem Down-Sampler versehen, der dazu eingerichtet ist, das digitalisierte Signal einem Down-Sampling auf höchstens 2 kHz zu unterziehen. Dieses Down-Sampling hat nicht den negativen zeitlich verzögernden Effekt einer Tiefpassfilterung eines analogen Signals, da dieses Down-Sampling für das digitalisierte Signal durchgeführt wird, was keine signifikante Verzögerung mit sich bringt.So that after the sampling of the microphone signal at 20 kHz, the computing effort due to the high sampling frequency does not lead to a significant increase in the computing time in the rest of the control algorithm, the control unit is equipped with a down-sampler after the sampling at 20 kHz, which is set up to process the digitized signal down-sampled to 2 kHz or less. This down-sampling does not have the negative time-delaying effect of low-pass filtering an analog signal, since this down-sampling is performed on the digitized signal, which does not introduce any significant delay.

Zur Beschleunigung des adaptiven und prädiktiven Regelalgorithmus ist ferner vorgesehen, dass die Steuereinheit mit einem Entzerrungsfilter in dem adaptiven und prädiktiven Regelalgorithmus versehen ist, das invers zum minimalphasigen Anteil des Frequenzganges der Regelstrecke ist, um die Konvergenzzeit des adaptiven und prädiktiven Regelalgorithmus frequenzunabhängig zu machen. Auf diese Weise kann die Konvergenzgeschwindigkeit des adaptiven und prädiktiven Regelalgorithmus erhöht werden, da es keine Frequenzbereiche mit sehr hohen Konvergenzzeiten einerseits und andere Frequenzbereiche mit sehr niedrigerer Konvergenzzeit gibt, was bedeuten würde, dass die längste Konvergenzzeit als maßgeblich zu berücksichtigen wäre, sondern nur noch eine kleinere mittlere Konvergenzzeit, die dann für alle Frequenzen gilt.To speed up the adaptive and predictive control algorithm, it is also provided that the control unit is provided with an equalization filter in the adaptive and predictive control algorithm, which is inverse to the minimum-phase component of the frequency response of the controlled system, in order to make the convergence time of the adaptive and predictive control algorithm frequency-independent. In this way, the convergence speed of the adaptive and predictive control algorithm can be increased, since there are no frequency ranges with very high convergence times on the one hand and other frequency ranges with very low convergence times, which would mean that the longest convergence time would have to be considered as relevant, but only one smaller average convergence time, which then applies to all frequencies.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist nicht nur das Mikrophon an dem Gehäuse des Inertial-Schwingerregers angebracht oder darin integriert, sondern ist auch die Steuereinheit mit ihren elektrischen Schaltkreisen und digitalen Prozessoreinheiten als ein Steuerbaustein zusammengefasst an dem Gehäuse des Inertial-Schwingerregers angebracht oder darin integriert. In dieser Ausführungsform kann ein Arbeitsfahrzeug mit aktiver Lärmreduzierung in der Fahrerkabine realisiert werden, indem der Inertial-Schwingerreger mit dem damit verbundenen Mikrophon und der damit verbundenen Steuereinheit an der Scheibe der Fahrerkabine befestigt wird und dann mit der elektrischen Gleichstromversorgung in der Fahrerkabine verbunden wird. Dadurch ist die Nachrüstung eines Arbeitsfahrzeugs ohne aktive Lärmreduzierung durch den Einbau und den Anschluss einer einzigen Komponente auf sehr einfache Weise möglich.In a preferred embodiment, not only is the microphone attached to or integrated into the housing of the inertial shaker, but also is the control unit with its electrical circuitry and digital process oor units combined as a control module attached to the housing of the inertial shaker or integrated therein. In this embodiment, a work vehicle with active noise reduction in the driver's cab can be realized by attaching the inertial shaker with the associated microphone and control unit to the window of the driver's cab and then connecting it to the DC electrical power supply in the driver's cab. This makes it very easy to retrofit a work vehicle without active noise reduction by installing and connecting a single component.

Soweit in der vorliegenden Anmeldung von einer „Scheibe“ die Rede ist, wird dies in der Praxis in der Regel eine transparente Scheibe aus Glas oder Kunststoff sein. Grundsätzlich ist die Erfindung aber auch realisierbar, wenn neben Öffnungen mit Fenstern eine Öffnung der Fahrerkabine mit einer nicht transparenten Scheibe geschlossen ist, an der dann der Inertial-Schwingerreger befestigt werden könnten, um die aktive Lärmreduzierung in der Fahrerkabine des Arbeitsfahrzeuges zu realisieren.Insofar as a “pane” is mentioned in the present application, in practice this will generally be a transparent pane made of glass or plastic. In principle, however, the invention can also be implemented if, in addition to openings with windows, an opening in the driver's cab is closed with a non-transparent pane, to which the inertial vibration exciter could then be attached in order to implement active noise reduction in the driver's cab of the work vehicle.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Zeichnungen erläutert, in denen:

1 zeigt die Motorzündfrequenz eines mit einem Verbrennungsmotor angetriebenen Gabelstaplers bei der Beschleunigung als Funktion der Zeit,
2 zeigt die Radstollenfrequenz des beschleunigenden Gabelstaplers als Funktion der Zeit,
3 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht und eine Querschnittsansicht einer Fahrerkabine eines Arbeitsfahrzeuges,
4 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Fahrerkabine mit Komponenten zur aktiven Lärmreduzierung,
5 zeigt ein Blockschaltbild des Regelkreises mit aktiver Lärmreduzierung und
6 zeigt ein Blockdiagramm des Regelkreises als digitales System.

The invention is explained below using an exemplary embodiment in connection with the drawings, in which:

1 shows the engine firing frequency of an internal combustion engine powered forklift during acceleration as a function of time,
2 shows the wheel lug frequency of the accelerating forklift as a function of time,
3 shows a schematic perspective view and a cross-sectional view of a driver's cab of a work vehicle,
4 shows a schematic block diagram of a driver's cab with components for active noise reduction,
5 shows a block diagram of the control circuit with active noise reduction and
6 shows a block diagram of the control loop as a digital system.

In der Fahrerkabine eines Arbeitsfahrzeugs wird das Primärsignal (Störschall) mit einem Mikrophon, das hierin auch als Fehlermikrophon bezeichnet wird, gemessen. Der Störschall stellt ein multitonales Signal dar, zu dem verschiedene Frequenzkomponenten beitragen, die wiederum Funktionen der Zeit sind, z.B. wenn das Arbeitsfahrzeug beschleunigt. Als Beispiel für eine beitragende Signalkomponente ist in 1 die Motorzündfrequenz eines beschleunigenden Gabelstaplers als Funktion der Zeit gezeigt. Als weiteres Beispiel ist in 2 die Radstollenfrequenz des beschleunigenden Gabelstaplers als Funktion der Zeit gezeigt, wobei der Gabelstapler Reifen mit 28 Radstollen hat, die jeweils über den Umfang verteilt sind und die beim Fahren nacheinander mit der Fahroberfläche in Kontakt kommen. Die Radstollenfrequenz beträgt dann das 28-fache der Raddrehzahl. Weitere Signalkomponenten sind die Motordrehzahl, die bei einem 3-Zylinder, 4-Takt-Motor gleich 2/3 der Motorzündfrequenz ist sowie Oberwellen der genannten Komponenten. Die Amplituden der einzelnen Komponenten im Primärsignal sind abhängig von den Struktur- und Hohlraumresonanzen der Fahrerkabine und ändern sich ebenfalls abhängig vom Fahrverhalten. Somit handelt es sich beim Primärsignal um ein multitonales zeitvariantes Signal mit Frequenz- und Amplitudenmodulation.In the driver's cab of a working vehicle, the primary signal (interfering noise) is measured with a microphone, which is also referred to herein as an error microphone. The background noise is a multi-tonal signal to which various frequency components contribute, which in turn are functions of time, for example when the work vehicle accelerates. As an example of a contributing signal component, in 1 the engine firing frequency of an accelerating forklift is shown as a function of time. Another example is in 2 shows the lug frequency of the accelerating forklift truck as a function of time, the forklift truck having tires with 28 lugs each circumferentially spaced and sequentially contacting the driving surface as it travels. The wheel lug frequency is then 28 times the wheel speed. Other signal components are the engine speed, which is 2/3 of the engine ignition frequency in a 3-cylinder, 4-stroke engine, and harmonics of the components mentioned. The amplitudes of the individual components in the primary signal depend on the structural and cavity resonances of the driver's cab and also change depending on driving behavior. Thus, the primary signal is a multi-tonal, time-varying signal with frequency and amplitude modulation.

Ein akustisches Problem besteht in der Anregung der Hohlraumresonanzen der Fahrerkabine im Frequenzbereich von 30 Hz bis 50 Hz durch die aus der Motordrehfrequenz und der Raddrehfrequenz resultierenden Sinusoiden des Primärsignals. Um diese relativ niedrigen Frequenzen ausreichend durch einen Aktuator anzuregen, wird eine Scheibe mit einem auf deren Oberfläche befestigten Inertial-Schwingerreger als Aktuatoreinrichtung eingesetzt.An acoustic problem is the excitation of the cavity resonances in the driver's cab in the frequency range from 30 Hz to 50 Hz by the sinusoids of the primary signal resulting from the engine rotation frequency and the wheel rotation frequency. In order to sufficiently excite these relatively low frequencies with an actuator, a disc with an inertial vibration exciter attached to its surface is used as the actuator device.

3 zeigt schematisch eine Fahrerkabine mit einem Sitz 10. Durch eine gestrichelte Linie ist ein Rückfenster angedeutet, das durch eine Scheibe geschlossen ist. Weitere Fenster an den Seiten und in der Front der Fahrerkabine sind zur Vereinfachung der Darstellung nicht dargestellt. An der rückwärtigen Scheibe ist außermittig, nahe an einer Ecke ein Inertial-Schwingerreger 4 befestigt, dessen Oszillationsachse senkrecht zur Oberfläche der Scheibe steht und der typischerweise eine Resonanzfrequenz im Bereich von 20 bis 90 Hz hat. An dem Gehäuse des Inertial-Schwingerregers 4 ist ein Fehlermikrophon 6 angebracht, dass das Fehlersignal in unmittelbarer Nähe zu dem Schwingerreger aufnimmt und zu einer weiter unten beschriebenen Steuereinheit leitet. Die Steuereinheit regelt dann den Betrieb des Inertial-Schwingerregers 4 in einer solchen Weise, dass die durch den Inertial-Schwingerreger 4 bewirkten Schwingungen der rückwärtigen Scheibe Gegenschall derart erzeugen, dass das Fehlersignal, das vom Fehlermikrophon 6 aufgenommen wird, minimal ist. 3 shows a driver's cab with a seat 10 schematically. A rear window, which is closed by a pane, is indicated by a dashed line. Other windows on the sides and in the front of the driver's cab are not shown to simplify the illustration. An inertial shaker 4 is attached off-centre to the rear disk near one corner, the axis of oscillation of which is perpendicular to the surface of the disk and which typically has a resonant frequency in the range 20 to 90 Hz. An error microphone 6 is attached to the housing of the inertial shaker 4, which picks up the error signal in the immediate vicinity of the shaker and transmits it to a control unit described below. The control unit then regulates the operation of the inertial shaker 4 in such a way that the vibrations of the rear disc caused by the inertial shaker 4 generate anti-noise such that the error signal picked up by the error microphone 6 is minimal.

In 3 ist neben dem Fehlermikrophon 6 noch ein Monitormikrophon 8 angedeutet. Das Signal dieses Monitormikrophons 8 geht jedoch nicht in die Regelung ein, sondern wird in diesem Ausführungsbeispiel lediglich zur Kontrolle analysiert, um zu überprüfen wie die aktive Lärmreduzierung sich nahe am Kopf des Fahrers, am oberen Rand der Rückenlehne des Fahrersitzes auswirkt.In 3 a monitor microphone 8 is also indicated next to the error microphone 6 . However, the signal from this monitor microphone 8 is not included in the regulation, but is only analyzed in this exemplary embodiment for checking, in order to check how the active noise reduction affects the driver's head near the upper edge of the backrest of the driver's seat.

Im Folgenden wird die Regelung des Inertial-Schwingerregers in Abhängigkeit von dem Fehlersignal beschrieben. Das Stellsignalwird durch den Inertial-Schwingerreger auf der Innenseite der Heckscheibe erzeugt. Das Fehlermikrophon 6 ist in unmittelbarer Nähe zum Inertial-Schwingerreger 4 daran platziert. Der Regler wird gegenwärtig mit Matlab Simulink auf RCP-Plattform (DS1202, dSpace) implementiert; bei der endgültigen Ausführung wird der Regler auf einem Serien-DSP implementiert. Das Blockschaltbild des Aufbaus mit Primärsignalgenerierung, Regelkreis und Auswertung der Schallreduktion durch das Monitormikrophon ist in 4 dargestellt.The regulation of the inertial vibration exciter as a function of the error signal is described below. The control signal is generated by the inertial shaker on the inside of the rear window. The error microphone 6 is placed on it in the immediate vicinity of the inertial shaker 4 . The controller is currently implemented with Matlab Simulink on the RCP platform (DS1202, dSpace); in the final version, the controller will be implemented on a production DSP. The block diagram of the structure with primary signal generation, control circuit and evaluation of the noise reduction by the monitor microphone is in 4 shown.

Im Blockschaltbild in 4 ist die Kabine schematisch als gestrichelter Block dargestellt. Störungen wie Motor- und Reifengeräusche gelangen über eine Störübertragung zur und in die Fahrerkabine und werden dort von dem Fehlermikrophon erfasst. Das Signal des Fehlermikrophons wird verstärkt und dann einem Analog-Digital-Umsetzer zugeführt. Das digitalisierte Signal wird zu einem Regler geleitet, in dem ein adaptiver und prädiktiver Regelalgorithmus durchgeführt wird. Die Ausgabe des Reglers wird dann in einem Digital-Analog-Umsetzer wieder in ein analoges Signal überführt, das nach Verstärkung dem Aktuator zugeführt wird. Der Aktuator wird im vorliegenden Fall durch den Inertial-Schwingerreger auf der Scheibe gebildet. Der Regler regelt das Stellsignal für den Inertial-Schwingerreger so, dass der von dem Inertial-Schwingerreger und der dadurch zum Schwingen gebrachten Scheibe erzeugte Gegenschall nach der struktur-akustischen Übertragung 1 sich mit der externen Störung überlagert und am Ort des Fehlermikrophons auslöscht. Struktur-akustische Übertragung bedeutet, dass die mechanische Schnelle des Schwingerregers nicht direkt über eine starre Kolbenfläche auf die Schnelle der angrenzenden Luftschicht übertragen wird. Der Inertial-Schwingerreger bringt vereinfacht gesehen eine Punktkraft auf die Scheibe auf. Die Scheibe reagiert über die orts- und frequenzabhängige Transmissionsmobilität mit der Oberflächenschnelle, die wiederrum über die orts- und frequenzabhängige Transmissionsimpedanz einen Schalldruck an verschiedenen Orten in der Kabine bewirkt. Da das Monitor- und das Fehlermikrophon sich an unterschiedlichen Orten in der Kabine befinden, gibt es dementsprechend zwei unterschiedliche Transmissionsmobilität-Transmissionsimpedanz-Pfade von dem Aktor (Schwingerreger) zu den Sensoren, die in 4 als struktur-akustische Übertagung 1 und 2 bezeichnet sind. Analog dazu findet auch die Störübertragung zu zwei verschiedenen Orten über zwei verschiedene Pfade statt, so dass es zwischen Störübertragung zum Fehlersensor und zum Monitorsensor unterschieden werden muss, obwohl die Störquelle identisch ist.In the block diagram in 4 the cabin is shown schematically as a dashed block. Disturbances such as engine and tire noises reach the driver's cab via an interference transmission and are recorded there by the error microphone. The signal from the error microphone is amplified and then fed to an analog-to-digital converter. The digitized signal is sent to a controller where an adaptive and predictive control algorithm is performed. The output of the controller is then converted back into an analog signal in a digital-to-analog converter, which is fed to the actuator after amplification. In the present case, the actuator is formed by the inertial vibration exciter on the disk. The controller regulates the actuating signal for the inertial shaker in such a way that the counter-noise generated by the inertial shaker and the disk caused to oscillate is superimposed after the structural-acoustic transmission 1 with the external interference and extinguishes it at the location of the error microphone. Structure-acoustic transmission means that the mechanical velocity of the shaker is not directly transmitted through a rigid piston surface to the velocity of the adjacent air layer. Put simply, the inertial shaker applies a point force to the disk. The pane reacts via the location- and frequency-dependent transmission mobility with the surface velocity, which in turn causes a sound pressure at different locations in the cabin via the location- and frequency-dependent transmission impedance. Accordingly, since the monitor and error microphones are located at different locations in the cabin, there are two different transmission mobility-transmission impedance paths from the actuator (shaker) to the sensors located in 4 are referred to as structural-acoustic transmission 1 and 2. Analogously, the interference transmission to two different locations takes place via two different paths, so that a distinction must be made between interference transmission to the error sensor and to the monitor sensor, although the interference source is identical.

Im Blockschaltbild in 4 bilden die beiden Verstärker, der Analog-Digital-Umsetzer, der Regler und der Digital-Analog-Umsetzer zusammen die Einheit, die ansonsten in dieser Anmeldung als Steuereinheit bezeichnet wird.In the block diagram in 4 the two amplifiers, the analog-to-digital converter, the controller and the digital-to-analog converter together form the unit which is otherwise referred to in this application as a control unit.

In 5 ist ein Blockschaltbild des Regelkreises gezeigt, wobei im Vergleich zu 4 der Regler aus 4 in mehrere Unterkomponenten untergliedert ist. Das Signal des Fehlermikrophons wird nach Passieren eines Verstärkers einer Analog-Digital-Umsetzung unterzogen. Auf das digitalisierte Signal wirkt dann ein Antialiasing-Filter. Es ist hier zu beachten, dass das Antialiasing-Filter hier nicht als Tiefpassfilter für das analoge Signal realisiert ist, sondern eine Abtastung mit einer Frequenz von mindestens 20 kHz des digitalisierten Signals bewirkt. Das hat den Vorteil, dass die durch die elektrodynamische Trägheit eines analogen Tiefpassfilters bedingte Verzögerung vermieden werden kann, denn die hochfrequente Abtastung des digitalisierten Signals ist nicht mit einer solchen Verzögerung verbunden. Um den Rechenaufwand im eigentlichen Regelalgorithmus zu begrenzen wird dann ein Down-Sampler angewendet, der ein Down-Sampling auf 2 kHz bewirkt. Der eigentliche Regelalgorithmus läuft dann in dem mit IMC (Internal Model Control) bezeichneten Block ab. Die Ausgabe des Regelalgorithmus durchläuft dann einen Up-Sampler und anschließend ein Interpolationsfilter.In 5 a block diagram of the control loop is shown, with comparison to 4 the controller off 4 divided into several sub-components. After passing through an amplifier, the signal from the error microphone undergoes analog-to-digital conversion. An antialiasing filter then acts on the digitized signal. It should be noted here that the antialiasing filter is not implemented as a low-pass filter for the analog signal, but causes the digitized signal to be sampled at a frequency of at least 20 kHz. This has the advantage that the delay caused by the electrodynamic inertia of an analog low-pass filter can be avoided, because the high-frequency sampling of the digitized signal is not associated with such a delay. In order to limit the computing effort in the actual control algorithm, a down-sampler is then used, which causes down-sampling to 2 kHz. The actual control algorithm then runs in the block designated IMC (Internal Model Control). The output of the control algorithm then goes through an up-sampler and then an interpolation filter.

Schließlich wird die Ausgabe des Interpolationsfilters einer Digital-Analog-Umsetzung unterzogen, das analoge Signal verstärkt und als Steuersignal dem Inertial-Schwingerreger zugeführt. Dann erfolgt die Struktur-Akustische Übertragung von der in Schwingung versetzten Scheibe über das Luftvolumen im Innenraum der Fahrerkabine zum Fehlermikrophon, wo der so erzeugte Gegenschall den externen Störungsschall durch Überlagerung auslöschen soll.Finally, the output of the interpolation filter is subjected to a digital-to-analog conversion, the analog signal is amplified and fed as a control signal to the inertial shaker. Then the structure-acoustic transmission takes place from the vibrating pane via the air volume in the interior of the driver's cab to the error microphone, where the counter-noise generated in this way is intended to extinguish the external interference noise by superimposition.

Es wird eine Multiratenverarbeitung (20 kHz A/D - D/A - Umsetzung, 2 kHz Signalverarbeitung) gemäß dem Blockdiagramm in 5 realisiert.Multirate processing (20 kHz A/D - D/A conversion, 2 kHz signal processing) according to the block diagram in 5 realized.

Der Regler H(z) wird als adaptiver (normalized FxLMS) IMC mit Vorentzerrung der Sekundärstrecke implementiert. Unter Annahme fehlerfreier A/D- und D/A-Umsetzung ist der Regelkreis als zeitdiskretes System in 6 dargestellt.The controller H(z) is implemented as an adaptive (normalized FxLMS) IMC with pre-equalization of the secondary path. Assuming error-free A/D and D/A conversion, the control loop is in as a time-discrete system 6 shown.

Die Aktualisierungsvorschrift (nFxLMS) der adaptiven Einheit c = [c₀,c₂, ..., c_M-1]^T ist $c (n + 1) = c (n) - μ (n) \hat{d}' (n) e (n) .$

The update rule (nFxLMS) of the adaptive unit is c=[c ₀ ,c ₂ ,...,c _M-1 ] ^T

c (n + 1) = c (n) - µ (n) \hat{i.e}' (n) e (n) .

Der Vektor des gefilterten Referenzsignal d̂'(n) = [d̂' (n), d̂'(n - 1), ..., d̂' (n - M + 1)]^T wird aus dem Referenzsignal $d' (n) = d (n) * {\hat{s}}_{q e s} (n)$

gebildet, wobei * der Faltungsoperator ist. Hierbei ist

{\hat{s}}_{q e s} (n) = \hat{s} (n) * {\hat{s}}_{i n v} (n)

die Impulsantwort der Gesamtsekundärstrecke mit ŝ(n) als Schätzung der Impulsantwort der Sekundärstrecke s(n) und ŝ_inv(n) als Impulsantwort eines Entzerrungsfilters für die Sekundärstrecke. Die Referenzsignalsynthese erfolgt mit dem Ausgangssignal der adaptiven Einheit und dem Fehlersignal

\hat{d} (n) = e (n) - \tilde{y} (n) * {\hat{s}}_{q e s} (n) .

The vector of the filtered reference signal d̂'(n) = [d̂' (n), d̂'(n - 1), ..., d̂' (n - M + 1)] ^T is derived from the reference signal

i.e' (n) = i.e (n) * {\hat{s}}_{q e s} (n)

formed, where * is the convolution operator. here is

{\hat{s}}_{q e s} (n) = \hat{s} (n) * {\hat{s}}_{i n v} (n)

the impulse response of the total secondary path with ŝ(n) as an estimate of the impulse response of the secondary path s(n) and ŝ _inv (n) as the impulse response of an equalization filter for the secondary path. The reference signal synthesis takes place with the output signal of the adaptive unit and the error signal

\hat{i.e} (n) = e (n) - \tilde{y} (n) * {\hat{s}}_{q e s} (n) .

Normierung des Konvergenzfaktors lautet $\begin{array}{l} μ (n) = \frac{μ_{0}}{P_{a} \cdot (n) + P_{m i n}}, \\ P_{a} \cdot (n) = (1 - β) P_{a} \cdot (n - 1) + β {d'}^{2} (n), \end{array}$

mit dem Glättungsfaktor β und der additiven Konstante P_min für die Begrenzung des Nenners bei zu niedrigen Signalleistung. Entzerrungsfilter Ŝ_inv(z) wird eingesetzt, um die Nachteile der starken Frequenzselektivität der Sekundärstrecke S(z) für die Adaption zu verringern. Die Berechnung des Entzerrungsfilters (FIR-Filter)

{\hat{S}}_{i n v} (z) = \sum_{k = 0}^{K} {\hat{s}}_{inv, k} (z^{- k}),

als lineares Prädiktionsfilter erfolgt aus dem Modell der Sekundärstrecke

\hat{S} (z) = \sum_{i = 0}^{L} {\hat{s}}_{l} (z^{- l})

durch Lösen der Gleichung (lineare Prädiktion mit LMS)

[\begin{matrix} r (0) & r (1) * & \dots & r (K - 1) \\ r (1) & r (0) & ⋱ & ⋮ \\ ⋮ & ⋱ & ⋱ & r (1) * \\ r (K - 1) & \dots & r (1) & r (0) \end{matrix}] [\begin{matrix} {\hat{s}}_{i n v,1} \\ {\hat{s}}_{i n v,2} \\ ⋮ \\ {\hat{s}}_{i n v, K} \end{matrix}] = [\begin{matrix} - r (2) \\ - r (3) \\ ⋮ \\ - r (K) \end{matrix}],

mit dem Autokorrelationsvektor r = [r(0) r(1) ... r(K)]' des Koeffizientenvektors ŝ = [ŝ₀ ŝ₁... ŝ_L]^T des Sekundärstreckenmodells. Hierbei steht (.)* für konjugiert komplex. Es gilt immer ŝ_inv,0 = 1 und K ≤ L. Um unerwünschte Dämpfung der Sekundärstrecke durch den Entzerrer (Prädiktionsfilter) zu vermeiden, werden die Koeffizienten ŝ_inv = [1 ŝ_inv,1 ... ŝ_inv,k]^T auf die minimale Prädiktionsfehlerleistung

J = \sqrt{\sum_{i = 0}^{I} {\hat{s}}_{ges, i}^{2}}

normiert. Hierbei sind ŝ_ges,i die Abtastwerte der endlichen Impulsantwort ŝ_ges(n) = ŝ(n) * ŝ_inv(n).Normalization of the convergence factor is

\begin{array}{l} µ (n) = \frac{µ_{0}}{P_{a} \cdot (n) + P_{m i n}}, \\ P_{a} \cdot (n) = (1 - β) P_{a} \cdot (n - 1) + β {i.e'}^{2} (n), \end{array}

with the smoothing factor β and the additive constant P _min for limiting the denominator when the signal power is too low. Equalization filter Ŝ _inv (z) is used to reduce the disadvantages of the strong frequency selectivity of the secondary path S(z) for the adaptation. The calculation of the equalization filter (FIR filter)

{\hat{S}}_{i n v} (e.g) = \sum_{k = 0}^{K} {\hat{s}}_{incl, k} ({e.g}^{- k}),

as a linear prediction filter takes place from the model of the secondary system

\hat{S} (e.g) = \sum_{i = 0}^{L} {\hat{s}}_{l} ({e.g}^{- l})

by solving the equation (linear prediction with LMS)

[\begin{matrix} right (0) & right (1) * & ... & right (K - 1) \\ right (1) & right (0) & ⋱ & ⋮ \\ ⋮ & ⋱ & ⋱ & right (1) * \\ right (K - 1) & ... & right (1) & right (0) \end{matrix}] [\begin{matrix} {\hat{s}}_{i n v,1} \\ {\hat{s}}_{i n v,2} \\ ⋮ \\ {\hat{s}}_{i n v, K} \end{matrix}] = [\begin{matrix} - right (2) \\ - right (3) \\ ⋮ \\ - right (K) \end{matrix}],

with the autocorrelation vector r = [r(0) r(1) ... r(K)]' of the coefficient vector ŝ = [ŝ ₀ ŝ ₁ ... ŝ _L ] ^T of the secondary link model. Here (.)* stands for complex conjugate. It always applies ŝ _inv,0 = 1 and K ≤ L. In order to avoid undesired attenuation of the secondary path by the equalizer (prediction filter), the coefficients ŝ _inv = [1 ŝ _inv,1 ... ŝ _inv,k ] ^T are used the minimum prediction error performance

J = \sqrt{\sum_{i = 0}^{I} {\hat{s}}_{total, i}^{2}}

standardized. Here ŝ _tot,i are the sampling values of the finite impulse response ŝ _tot (n) = ŝ(n) * ŝ _inv (n).

Claims

Work vehicle with a driver's cab (10), which has a closed cab interior, which is enclosed by structurally fixed cab wall elements and at least one pane, which closes a cab wall opening left free by the cab wall elements, with an actuator device acting on the pane, a sensor device and one with the sensor device and control unit connected to the actuator device, which is set up to activate the actuator device for noise reduction in the interior of the cabin as a function of signals from the sensor device, characterized in that the actuator device is an inertial vibration exciter (4) attached to the inner surface of the pane, the sensor device is a the microphone (6) is directed towards the interior of the cabin and the control unit is set up to control the inertial vibration exciter (4) with an adaptive and predictive control as a function of the microphone signals in order to carry out active noise reduction in the cabin interior, with the microphone (6) being placed on or in the housing of the inertial shaker (4) and being fixed in such a way that a central surface normal on the membrane of the microphone (6) is perpendicular to the oscillation axis of the inertial shaker (4).

work vehicle claim 1 , characterized in that the inertial vibration exciter (4) is attached to the disc lying horizontally and vertically off-centre of the disc.

Work vehicle according to one of the preceding claims, characterized in that instead of low-pass filtering the microphone signal, the control unit is set up to sample the microphone signal with a sampling frequency of at least 20 kHz.

work vehicle claim 3 , characterized in that the control unit is set up to carry out down-sampling to a maximum of 2 kHz after the microphone signal has been sampled, in order thereby to reduce the computing effort in the remaining control algorithm.

Work vehicle according to one of the preceding claims, characterized in that the control unit is provided with an equalization filter in the adaptive and predictive control algorithm, which is inverse to the minimum-phase component of the frequency response of the controlled system by the convergence time of the adaptive and predictive To make the control algorithm frequency-independent and to shorten it.

Work vehicle according to one of the preceding claims, characterized in that the control unit is set up to carry out the adaptive and predictive control algorithm in an adaptive manner only up to a predetermined limit frequency.

Work vehicle according to one of the preceding claims, characterized in that the control unit with its electrical circuits and processor units combined as a control module is attached to the housing of the inertial vibration exciter or is integrated therein.