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Die Erfindung bezieht sich auf eine Auswerteeinrichtung nach Anspruch 1 für ein Fahrzeug zur Dämpfung von Störanteilen in Geräuschen außerhalb des Fahrzeuges. Ferner bezieht sich die Erfindung auf einen Schallwandler nach Anspruch 2 für ein Fahrzeug zur Dämpfung von Störanteilen in Geräuschen außerhalb des Fahrzeuges. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Fahrzeug nach Anspruch 10 mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Schallwandler. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren nach Anspruch 12 zur Dämpfung von Störanteilen in Geräuschen außerhalb eines Fahrzeuges. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 14 für ein Fahrzeug zur Dämpfung von Störanteilen in Geräuschen außerhalb des Fahrzeuges. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Verwendung nach Anspruch 15 einer erfindungsgemäßen Auswerteeinrichtung, eines erfindungsgemäßen Schallwandlers und/oder eines erfindungsgemäßen Computerprogrammproduktes zur Dämpfung von Störanteilen in Geräuschen in Bereichen außerhalb des Automotive-Bereiches.
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Aus dem Stand der Technik sind Antischallgeber bekannt. Antischallgeber dienen zum aktiven Auslöschen von unerwünschten Schallfeldern mittels gesteuerter Interferenz. Antischallgeber umfassen in der Regel ein Regelsystem bestehend aus einem Schallsensor und einer Schallquelle, beispielsweise Lautsprecher. Der Lautsprecher wird von dem Sensor so gesteuert, dass in den Bereichen der Schallfelder Druckkonstanz herrscht. Die
DE 28 14 093 C2 offenbart beispielsweise einen Antischallgeber.
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Die
WO 2010 040 705 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Reduzierung von Fremdschall durch Erzeugung von Gegenschall. Durch aktive Lärmkompensation erfolgt eine Auslöschung von Stör- und Gegenschall, insbesondere im Ohrkanal eines Trägers der Vorrichtung.
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Bei der aktiven Lärmkompensation, zum Beispiel Antischallgeber, wird eine Membran aktiv in Schwingungen gesetzt, um über Interferenz Schallfelder auszulöschen. Das heißt, die Membran wird aktiv zu Schwingungen ausgelenkt.
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Die Sensoren, die zur Schallaufnahme verwendet werden, sind beispielsweise Mikrofone. Im Automotive-Bereich sind Störgeräusche um ein Vielfaches lauter wie das eigentliche Nutzgeräusch. Zum Beispiel werden während einer Autofahrt als Störgeräusche Umweltgeräusche, wie etwa Fahrgeräusche und/oder Geräusche von Wind und Motor, aufgenommen. Diese Geräusche sind lauter als zum Beispiel ein Geräusch eines Folgetonhorns eines herannahenden Einsatzwagens. Das Geräusch des Folgetonhorns, beispielsweise eine Sirene eines Krankenwagens oder Feuerwehrfahrzeuges, entspricht dem Nutzgeräusch. Um im Automotive-Bereich Störgeräusche durch die aus dem Stand der Technik bekannte aktive Lärmkompensation zu kompensieren, ist es daher erforderlich, die Mikrofonmembran stark auszulenken. Dabei tritt dann aber das Problem auf, dass die Mikrofonmembran schnell an ihre Auslenkungsgrenze gerät, auch als Clipping bezeichnet. Dies hat zur Folge, dass Audiodateien unbrauchbar sind.
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Hier setzt die Erfindung an. Der Erfindung hat die Aufgabe zugrunde gelegen, wenigstens die Dämpfung von Störanteilen bei Erfassung von Geräuschen im Automotive-Bereich und anderen Bereichen zu verbessern.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Auswerteeinrichtung für ein Fahrzeug zur Dämpfung von Störanteilen in Geräuschen außerhalb des Fahrzeuges mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Demnach umfasst die Auswerteeinrichtung eine erste Schnittstelle, um ein erstes Signal eines Sensors eines Schallwandlers zu erhalten. Ferner umfasst die Auswerteeinrichtung eine zweite Schnittstelle, um ein zweites Signal einem Aktor des Schallwandlers bereitzustellen. Die Auswerteeinrichtung ist ausgeführt, in Abhängigkeit des ersten Signals einen Nutzanteil und den Störanteil des ersten Signals zu bestimmen. In Abhängigkeit des zweiten Anteils bestimmt die Auswerteeinrichtung ein zweites Signal. In Abhängigkeit des zweiten Signals werden die durch den Störanteil bedingten Auslenkungen des Schallwandlers mittels des Aktors zumindest gedämpft. Mit der erfindungsgemäßen Auswerteeinrichtung wird das erste Signal analysiert und der Schallwandler derart angesteuert, dass seine Auslenkungen, die von Störanteilen hervorgerufen werden, wenigstens gedämpft sind. Damit wird der Nutzanteil des ersten Signals ungestört weiterverarbeitet, ohne dass der Störanteil durch aktive Auslenkung des Schallwandlers gelöscht werden muss. Vorteilhafterweise ist die Auswerteeinrichtung ausgeführt, die durch den Störanteil bedingten Auslenkungen des Schallwandlers mittels des Aktors vollständig zu kompensieren. Besonders vorzugsweise ist die Auswerteeinrichtung ausgeführt, bei sehr schlechtem Störanteil-Nutzanteil-Verhältnis, im Englische Signal-Noise-Ratio, abgekürzt SNR, das heißt bei überwiegendem Störanteil, keine Nutzanteile herauszufiltern.
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Nach einem Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch einen Schallwandler für ein Fahrzeug zur Dämpfung von Störanteilen in Geräuschen außerhalb des Fahrzeuges mit den Merkmalen des Anspruchs 2. Demnach umfasst der Schallwandler ein Schwingglied, um Schwingungen auszuführen. Ferner umfasst der Schallwandler einen Sensor, um von Schallwellen der Geräusche erzeugte Schwingungen des Schwinggliedes in ein erstes Signal zu wandeln. Außerdem umfasst der Schallwandler einen Aktor, um durch die Schwingungen bedingte Auslenkungen des Schwinggliedes wenigstens zu dämpfen. Des Weiteren umfasst der Schallwandler eine Auswerteeinrichtung. Die Auswerteeinrichtung ist ausgeführt, in Abhängigkeit des ersten Signals einen Nutzanteil und den Störanteil des ersten Signals zu bestimmen. Ferner ist die Auswerteeinrichtung ausgeführt, in Abhängigkeit des Störanteils ein zweites Signal zu bestimmen. Das zweite Signal stellt die Auswerteeinrichtung dem Aktor bereit. In Abhängigkeit des zweiten Signals werden mittels des Aktors die durch den Störanteil bedingten Auslenkungen des Schwinggliedes zumindest gedämpft. Dadurch wird das Schwingglied nahezu in Ruhelage gebracht und muss zur Lärmkompensation nicht aktiv ausgelenkt werden. Ist das von dem Sensor aufgenommene Geräusch ein reines Störgeräusch, zum Beispiel ein Motorgeräusch, dann bestimmt die Auswerteeinrichtung das zweite Signal als einen inversen Störanteil. Der Aktor, dem dieser inverse Störanteil bereitgestellt wird, versetzt das Schwingglied in Ruhelage. Bei einem zusätzlichen Nutzanteil, zum Beispiel einer Sirene eines Einsatzfahrzeuges, wird der Aktor das Schwingglied derart auslenken, dass der Sensor nur noch die durch den Nutzanteil bedingten Auslenkungen weiterverarbeitet. Damit kann das Clipping verhindert werden. Vorzugsweise umfasst der Schallwandler eine erfindungsgemäße Auswerteeinrichtung. Der Schallwandler umfasst vorzugsweise eine erste Spule, die Schall aufnimmt und dem Sensor entspricht, und eine zweite Spule, die dem Aktor entspricht.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Fahrzeug mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Schallwandler mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Demnach ist der wenigstens eine Schallwandler außerhalb des Fahrzeuginnenraums, vorzugsweise an einer Stoßstange, an einem Seitenbereich des Fahrzeuges oder an dem Fahrzeugdach angeordnet ist. Die Auswerteeinrichtung des Schallwandlers ist ausgeführt, während der Fahrt mit dem Fahrzeug entstehende Geräusche, insbesondere Fahrgeräusche, Fahrwind, und/oder Motorgeräusche, als Störanteile des ersten Signals zu klassifizieren und das zweite Signal derart zu bestimmen, dass die Störanteile durch entsprechende Nullschwingungen des Schwinggliedes des wenigstens einen Schallwandlers kompensiert sind. Damit können Sirenen von Einsatzfahrzeugen und weitere Nutzgeräusche verbessert erfasst werden. Vorteilhafterweise umfasst das Fahrzeug eine Anordnung von mehreren erfindungsgemäßen Schallwandlern. Ein erster Schallwandler ist zum Beispiel am rechten Rand der Frontstoßstange angeordnet. Ein zweiter Schallwandler ist am linken Rand der Frontstoßstange angeordnet. Ein dritter Schallwandler ist am rechten Rand der Heckstoßstange angeordnet. Ein vierter Schallwandler ist am linken Rand der Heckstoßstange angeordnet. Eine derartige Anordnung stellt zusätzlich Informationen über eine Richtung bereit, aus der die Geräusche empfangen werden. Alternativ ist der Sensor des Schallwandlers ein 360°-Richtsensor, der Geräusche omnidirektional erfasst. Ein derartiger Schallwandler ist vorteilhafterweise an dem Fahrzeugdach angeordnet. Der Schallwandler ist vorzugsweise ein digitaler Schallwandler. Alternativ ist der Schallwandler ein analoger Schallwandler.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Dämpfung von Störanteilen in Geräuschen außerhalb eines Fahrzeuges mit den Verfahrensschritten nach Anspruch 12. Demnach werden von Schallwellen erzeugte Schwingungen eines Schwinggliedes in ein erstes Signal gewandelt. In Abhängigkeit des ersten Signals werden ein Nutzanteil und ein Störanteil des ersten Signals bestimmt. In Abhängigkeit des Störanteils wird ein zweites Signal bestimmt. Das zweite Signal wird für den Aktor bereitgestellt. In Abhängigkeit des zweiten Signals werden zumindest die durch den Störanteil bedingten Auslenkungen des Schwinggliedes gedämpft. Dieses Verfahren ermöglicht vorteilhaferweise eine Kompensation von Störgeräuschen ohne permanente aktive Auslenkung des Schwinggliedes. Durch die Kompensation wird der unerwünschte Effekt des Störanteils aufgehoben durch Ruhigstellen des Schwinggliedes in Bezug auf die Störanteile. Im Falle einer Kompensation wird das zweite Signal auch Kompensationssignal genannt.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Computerprogrammprodukt für ein Fahrzeug zur Dämpfung von Störanteilen in Geräuschen außerhalb des Fahrzeuges mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Demnach ist das Computerprogrammprodukt ausgeführt, in einen Speicher eines Computers des Fahrzeuges geladen zu werden. Das Computerprogrammprodukt umfasst Softwarecodeabschnitte, mit denen das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist, wenn das Computerprogrammprodukt auf dem Computer läuft. Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt ist Plattform unabhängig. Das heißt, es kann auf jeder beliebigen Rechenplattform ausgeführt werden. Bevorzugt wird das Computerprogrammprodukt auf einer erfindungsgemäßen Auswerteeinrichtung oder auf einem erfindungsgemäßen Schallwandler ausgeführt. Die Softwarecodeabschnitte sind in einer beliebigen Programmiersprache geschrieben.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Auswerteeinrichtung, eines erfindungsgemäßen Schallwandlers und/oder eines erfindungsgemäßen Computerprogrammproduktes zur Dämpfung von Störanteilen in Geräuschen in Bereichen außerhalb des Automotive-Bereiches gemäß Anspruch 15.
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Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen und den Figuren angegeben.
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Eine Auswerteeinrichtung ist eine Vorrichtung, die eingehende Informationen verarbeitet und ein aus dieser Verarbeitung resultierendes Ergebnis ausgibt. Insbesondere ist eine elektronische Schaltung, wie zum Beispiel eine zentrale Prozessoreinheit oder ein Grafikprozessor, eine Auswerteinrichtung. Eine Anordnung von mehreren Prozessoren ist auch eine Auswerteeinrichtung. Ein Computer ist auch eine Auswerteeinrichtung.
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Die Auswerteeinrichtung ist vorzugsweise als ein System-on-a-Chip realisiert, das heißt alle oder zumindest ein großer Teil der Funktionen sind auf einem Chip integriert. Der Chip umfasst beispielsweise einen Mehrkernprozessor mit zentralen Verarbeitungsprozessoren, im Englischen als Central Processing Unit, abgekürzt CPU, bezeichnet. Der Chip umfasst auch Grafikprozessoren, im Englischen als Graphic Processing Unit, abgekürzt GPU, bezeichnet. Grafikprozessoren eignen sich besonders vorteilhaft für paralleles Prozessieren, im Englischen parallel computing genannt, von Abläufen.
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Der Chip ist vorzugsweise in ein Fahrzeugsteuerungsgerät, im Englischen Electronic Control Unit, abgekürzt ECU, integrierbar. Das Fahrzeugsteuerungsgerät ist ausgeführt, Längs- und/oder Quersteuerung des Fahrzeuges mittels Fahrzeugaktoren zu regeln. Durch die Erfassung von Geräuschen wird das Fahrzeug damit auch in Abhängigkeit von Nutzgeräuschen gesteuert, vorzugsweise automatisiert.
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Die Erfindung sieht auch eine Mensch-Maschinen-Schnittstelle, im Englischen Human Machine Interface, abgekürzt HMI, vor, um einen Fahrer über die erfassten Nutzanteile eines Geräusches zu informieren.
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Die Auswerteeinrichtung ist vorteilhafterweise ein Parallelrechner. Ein Parallelrechner führt Verarbeitungsoperationen gleichzeitig unter anderem auf mehreren Haupt- und/oder Grafikprozessoren durch. Grafikprozessoren eignen sich besonders für parallel computing. Mit einem derartigen Aufbau ist die Auswerteeinrichtung skalierbar, das heißt die Auswerteeinrichtung kann insbesondere für verschiedene Automatisierungsstufen des automatisierten Fahrens (Norm SAEJ3016) angepasst werden. Höhere Automatisierungsstufen erfordern nämlich mehr Rechenleistung als niedrigere Automatisierungsstufen. Hochautomatisiertes Fahren entspricht autonom fahrenden Fahrzeugen.
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Vorzugsweise ist die Auswerteeinrichtung ausgeführt, einen Regelkreis auszuführen. Ein Regelkreis wird beispielsweis mit einer elektronischen Schaltung umfassend Dioden, Kondensatoren und/oder Mikrokontrollern realisiert. Ist-Wert ist das erste Signal des Sensors, das fortlaufend erfasst wird. Soll-Wert ist der Nutzanteil des ersten Signals. Der Sensor und der Aktor bilden die Regelstrecke. Regeldifferenz ist der Störanteil. Der Aktor wird mit dem inversen Störanteil beaufschlagt. Durch den Regelkreis wird der Sensor geregelt, nur noch die Nutzanteile weiterzugeben.
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Ein Fahrzeug ist Landfahrzeug oder ein Wasserfahrzeug. Beispiele sind Straßenfahrzeuge, insbesondere Personen-, Nutz- und Lastkraftwagen. Ein Kleinbus und ein Bus sind auch Fahrzeuge.
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Geräusche außerhalb des Fahrzeuges sind Geräusche, die Fahrzeug extern entstehen. Schallwellen dieser Geräusche erreichen das Fahrzeug. Die Geräusche und die aus den Geräuschen resultierenden Sensorsignale umfassen Störanteile und Nutzanteile. Nutzanteile sind die Anteile, die eine bestimmte Information tragen und die weitergenutzt werden sollen. Nutzanteile entstehen durch die Geräuschquelle des Nutzgeräusches. Störanteile sind die Anteile, die keinen Nutzen für die Weiterverarbeitung des eigentlichen Nutzgeräusches haben. Störanteile entstehen durch zusätzliche Geräuschquellen und sind dem Nutzgeräusch überlagert. Bei einer Autofahrt sind Störanteile zum Beispiel Fahrwind und/oder Motorengeräusche.
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Eine Schnittstelle ist ein Bauteil zwischen wenigstens zwei Funktionseinheiten, an der ein Austausch von logischen Größen, zum Beispiel Daten, oder physikalischen Größen, zum Beispiel elektrischen Signalen, erfolgt, entweder nur unidirektional oder bidirektional. Der Austausch kann analog oder digital erfolgen. Der Austausch kann ferner drahtgebunden oder drahtlos erfolgen.
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Ein Sensor ist ein technisches Bauteil, das bestimmte physikalische Eigenschaften seiner Umgebung, zum Beispiel Schallwechseldrücke, qualitativ und/oder quantitativ als Messgröße erfasst und in ein weiterverarbeitendes, vorzugsweise elektrisches, Signal, beispielsweise eine elektrische Spannung, umformt. Das Signal, das der erste Sensor bereitstellt, ist vorzugsweise ein Audiosignal.
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Das Gegenstück zu einem Sensor ist ein Aktor. Aktoren setzen Signale in mechanische Bewegung oder andere physikalische Größen, zum Beispiel Schwingungen, um und greifen aktiv in einen Prozess ein.
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Ein Schallwandler ist ein Gerät, das Schallwechseldrücke in elektrische Signale umwandelt und elektrische Signale in Schallwechseldrücke umwandelt. Damit kann ein Schallwandler die Funktionen eines Sensors und eines Aktors realisieren. Ein Mikrofon ist ein Schallwandler in Form eines Sensors. Ein Lautsprecher ist ein Schallwandler in Form eines Aktors.
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Ein Schwingglied ist ein Bauteil zur Erzeugung, Verstärkung, Aufnahme, Dämpfung oder Messung von Schwingungen. Eine Schwingungsmembran ist ein Schwingglied. Das Schwingglied ist zum Beispiel eine dünne Haut oder Folie, die Schwingungen erzeugt oder modifiziert. Abhängig von der Bauform des Schallwandlers folgt das Schwingglied dem Schalldruck oder dem Schalldruckgradienten. Druckgradientenmikrofone erfassen auch die Richtung, aus der Schallwellen eintreffen.
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Ein Programm gehört zur Software eines Daten verarbeitenden Systems, zum Beispiel einer Auswerteeinrichtung oder einem Computer. Software ist ein Sammelbegriff für Programme und zugehörigen Daten. Das Komplement zu Software ist Hardware. Hardware bezeichnet die mechanische und elektronische Ausrichtung eines Daten verarbeitenden Systems. Die Auswerteeinrichtung an sich ist eine Hardware.
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Computerprogrammprodukte umfassen in der Regel eine Folge von Befehlen, durch die die Hardware bei geladenem Programm veranlasst wird, ein bestimmtes Verfahren durchzuführen, das zu einem bestimmten Ergebnis führt. Wenn das betreffende Programm auf einem Computer zum Einsatz kommt, ruft das Computerprogrammprodukt einen technischen Effekt hervor, nämlich zumindest Dämpfen der durch den Störanteil bedingten Auslenkungen des Schwinggliedes in Abhängigkeit des zweiten Signals.
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Vorzugsweise wandelt der Sensor nach einem Wandlerprinzip eines dynamischen Mikrofons, eines Kondensatormikrofons, eines Piezomikrofons oder eines Kohlemikrofons die Schwingungen in das erste Signal.
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Bei dem dynamischen Mikrofon führt die Geschwindigkeit der Bewegung des Schwinggliedes zum ersten Signal, nicht die momentane Auslenkung des Schwinggliedes. Ein Tauchspulenmikrofon ist ein dynamisches Mikrofon. Bei eintreffenden Schallwellen wird das Schwingglied in Bewegung gesetzt. Eine Spule, die in ein Magnetfeld taucht, wird dadurch in dem Magnetfeld bewegt. Dadurch wird eine Spannung induziert.
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Bei dem Kondensatormikrofon ist eine elektrisch leitfähige Membran als Schwingglied vor einer Metallplatte elektrisch isoliert angebracht. Das Schwingglied entspricht damit einer zweiten Platte eines Plattenkondensators. Durch Bewegung des Schwinggliedes aufgrund von Schallwellen ändert sich die Kapazität.
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Piezomikrofone nutzen den Piezo-Effekt zur Erzeugung des ersten Signals. Das Schwingglied ist dabei mit einem piezoelektrischen Bauteil, zum Beispiel einer Keramik, gekoppelt.
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Bei dem Kohlemikrofon führt ein druckabhängiger Übergangswiderstand in einem hinter dem Schwingglied gelagertem Kohlegranulat zum ersten Signal.
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Vorzugsweise wandelt der Aktor nach einem Wandlerprinzip eines Tauchspulenlautsprechers, eines magnetostatischen Lautsprechers, eines Piezolautsprechers, eines elektromagnetischen Lautsprechers oder eines Plasmalautsprechers das zweite Signal in die Schwingungen, wobei vorzugsweise der Aktor eine Tauchspule ist. Die Lautsprecher funktionieren entsprechend den für die Mikrofone beschriebenen Effekten.
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Plasmalautsprecher wandeln elektrische Signale ohne mechanische Schwingglieder direkt in Schallwellen um. Dabei wird ein Luftplasma erzeugt, dessen Feld in Abhängigkeit des Signals schwingt. Plasmalautsprecher nutzen die Eigenschaft von Gasen, sich bei Erwärmung auszudehnen und bei Abkühlung wieder zusammenzuziehen.
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Vorzugsweise umfasst der Schallwandler einen Analog-Digital-Wandler, um das erste Signal in ein digitales Äquivalent umzuwandeln. Ferner umfasst der Schallwandler einen Klassifikator, der in Abhängigkeit von bekannten Nutzanteilen den Nutzanteil und den Störanteil des ersten Signals klassifiziert und das zweite Signal in Abhängigkeit des klassifizierten Störanteils bestimmt. Außerdem umfasst der Schallwandler einen Digital-Analog-Wandler, um das zweite Signal in ein analoges Äquivalent umzuwandeln. Vorzugsweise sind der Analog-Digital-Wandler, der Klassifikator und der Digital-Analog Wandler in der Auswerteeinrichtung integriert. Damit wird vorteilhafterweise ein digitaler Schallwandler bereitgestellt und die Bestimmung der Stör- und Nutzanteile erfolgt digital, ist also insbesondere auf einem Computer ausführbar.
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Ein Analog-Digital-Wandler ist eine elektronische Schaltung oder ein Bauelement, das einen kontinuierlichen Signalverlauf in Binärzahlen umsetzt. Die Binärzahlen geben an, wie oft ein bestimmtes Signalintervall innerhalb des Signals enthalten ist. Ein Digital-Analog-Wandler ist das Gegenstück zu einem Analog-Digital-Wandler.
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Ein Klassifikator ist ein mechanisches Bauteil, eine elektronische Schaltung oder ein Algorithmus, der eine Menge von Objekten, zum Beispiel Geräuschanteile in einem Geräusch oder Signalanteile in einem Signal, in Klassen einteilt, zum Beispiel Stör- und Nutzanteil. Klassifikatoren erkennen Muster und sind in ein Computerprogramm umsetzbar. Die bekannten Nutzanteile sind beispielsweise in einer Datenbank des Klassifikators oder einem externen Speicher, auf den der Klassifikator Zugriff hat, zum Beispiel mittels einer drahtlosen Schnittstelle, hinterlegt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Klassifikator ein Computerprogrammprodukt. Das Computerprogrammprodukt umfasst Softwarecodeabschnitte, um das zweite Signal in Abhängigkeit des klassifizierten Störanteils zu bestimmen. Die Auswerteeinrichtung ist ausgeführt, das Computerprogramm auszuführen. Vorzugsweise ist der Klassifikator ein künstliches neuronales Netzwerk, das trainiert ist, Nutz-und/oder Störanteile in dem ersten Signal zu bestimmen. Damit wird vorteilhafterweise ein Software-Algorithmus bereitgestellt, um aus Geräuschen Nutzanteile herauszufiltern. Das künstliche neuronale Netzwerk muss nicht mehr auf hinterlegte Nutzanteile zurückgreifen. Durch das Training hat das künstliche neuronale Netzwerk gelernt, was Nutzanteile und was Störanteile sind, beispielsweise in Abhängigkeit von Frequenz- und/oder Amplitudenverläufen des ersten Signals. Das künstliche neuronale Netzwerk hat den Vorteil, dass es auf neue Informationen, zum Beispiel Geräusche, die es in der Trainingsphase noch nicht verarbeitet hat, zweckgerichtet reagieren kann.
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Künstliche Intelligenz ist ein Oberbegriff für die Automatisierung intelligenten Verhaltens. Beispielsweise lernt ein intelligenter Algorithmus, zweckgerichtet auf neue Informationen zu reagieren. Ein künstliches neuronales Netzwerk, im Englischen als Artificial Neural Network bezeichnet, ist ein intelligenter Algorithmus. Ein intelligenter Algorithmus ist ausgeführt zu lernen, zweckgerichtet auf neue Informationen zu reagieren. Die Trainingsphase ist inspiriert von dem Lernprozess eines Gehirns.
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Vorzugsweise ist die Auswerteeinrichtung ausgeführt, das zweite Signal in Abhängigkeit von Frequenzen der Schallwellen derart zu bestimmen, dass unter- oder oberhalb einer bestimmten Frequenz eine Nullschwingung des Schwinggliedes resultiert. Bei einer Nullschwingung ist das Schwingglied in Ruhelage. Beispielsweise kann damit erreicht werden, dass das Schwingglied bei Frequenzen unterhalb von 100 Hz nicht schwingt. Nutzanteile im Straßenverkehr liegen zum Beispiel oberhalb von 100 Hz. Anteile unterhalb von 100 Hz sind dann Störanteile. Damit wird ein erster Geräuschfilter realisiert.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Auswerteeinrichtung ausgeführt, das zweite Signal derart zu bestimmen, dass das Schwingglied nur bei tiefen Frequenzen, hohen Frequenzen oder innerhalb eines einstellbaren Frequenzbereichs Schwingungen ausführt. Damit wird vorteilhafterweise ein Tiefpass-, Hochpass- oder Bandpassfilter realisiert. Die Auswerteeinrichtung realisiert damit Filterfunktionen. Bestimmte Störsignale, zum Beispiel LKW-Brummen bei beispielsweise 250 Hz, sind damit gezielt eleminierbar. Wird beispielsweise im Straßenverkehr die Schallaufnahme durch ein in der Nähe vorhandenes LKW-Motor-Geräusch gestört, kann die Filterfunktion der Auswerteeinrichtung zum Wegfiltern dieses Geräusches genutzt werden. Nutzsignale, zum Beispiel Sirenen von Einsatzfahrzeugen, werden weiterhin erfasst, zum Beispiel auch mit einem Bandpassfilter, der nur die für Sirenen typischen Frequenzen passieren lässt. Mit einem Bandpassfilter wird vorteilhafterweise nur ein bestimmter Frequenzbereich gezielt erfasst. Mit dem Bandpassfilter werden vorzugsweise Nutzfrequenzspektren permanent abgescannt, vorzugsweise schmalbandig. Wird ein Nutzsignal erkannt, kann die Auswerteeinrichtung mittels der Filterfunktionen gezielt dieses Nutzsignal erfassen. In Kombination mit der Ausführung des Computerprogrammprodukts ist der Aufnahmebereich oder der Empfindlichkeitsbereich des Schallwandlers vorteilhafterweise per Software anpassbar und während der Aufnahme veränderbar oder verschiebbar.
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Vorteilhafterweise ist die Auswerteeinrichtung ausgeführt, einen auf das Schwingglied im Wesentlichen konstant wirkenden Unterdruck oder Überdruck zu erkennen und das zweite Signal in Abhängigkeit des Unterdruckes oder des Überdrucks derart zu bestimmen, dass der Aktor das Schwingglied in eine Ruhelage bewegt. Bei einer Fahrt mit dem Fahrzeug entsteht ein geschwindigkeitsabhängiger Fahrwind, zu dem sich gegebenenfalls noch ein vorhandener Wind addiert. Der Fahrwind drückt gegen das Schwingglied und bewegt diese aus der Ruhelage heraus. Erfindungsgemäß wird das Schwingglied in derartigen Situationen wieder zurück in die Ruhelage gedrückt, um die Geräuschaufnahme nicht zu modifizieren.
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Vorteilhafterweise umfasst der wenigstens eine Schallwandler Schnittstellen zu Fahrzeugsensoren, vorzugsweise einem Luftdrucksensor. Damit wird ein auf das Schwingglied wirkender Unterdruck oder Überdruck erkannt und das zweite Signal in Abhängigkeit des Unterdruckes oder des Überdrucks derart bestimmt, dass der Aktor das Schwingglied in eine Ruhelage bewegt. Alternativ oder zusätzlich umfasst der Schallwandler Schnittstellen zu Geschwindigkeitssensoren, um eine geschwindigkeitsabhängige Stellgröße für den Aktor zu bestimmen, damit dieser das Schwingglied wieder in die Ruhelage bewegen kann.
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Vorzugsweise wird zur Durchführung des Verfahrens ein erfindungsgemäßer Schallwandler verwendet.
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Die Erfindung wird in den folgenden Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:
- 1a eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schallwandlers,
- 1b eine Draufsicht auf den Schallwandler nach 1a,
- 1c eine Seitendarstellung des Schallwandlers nach 1a,
- 2 ein Ausführungsbeispiel eines aus dem Stand der Technik bekannten Schallwandlers,
- 3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schallwandlers bei Anlegen eines Störanteils,
- 4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schallwandlers bei Anlegen eines Störanteil und eines Nutzanteils,
- 5 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Filterfunktionen und
- 6 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsähnliche Bezugsteile. Übersichtshalber werden in den einzelnen Figuren nur die jeweils relevanten Bezugsteile gekennzeichnet.
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1a zeigt beispielsweise eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Schallwandlers 1000. 1b zeigt den Schallwandler in Draufsicht. Der Schallwandler 1000 ist zum Beispiel an einem Fahrzeugdach eines Personenkraftwagens angeordnet. Der Schallwandler 1000 umfasst ein Schwingglied 100. Das Schwingglied 100 ist eine Membran. Auf das Schwingglied 100 treffen Schallwellen von Geräuschen 10 auf. Die Quellen der Geräusche 10 sind außerhalb eines Fahrzeuges. Die Schallwellen lenken das Schwingglied 100 aus. Das Schwingglied 100 beginnt, Schwingungen auszuführen. Die Schwingungen sind abhängig beispielsweise von Frequenz und Amplitude der Schallwellen, von einer Eigenresonazfrequenz des Schwingliedes 100, von einer Dämpfungskonstante des Schwinggliedes 100 und/oder von einer Einspannung des Schwinggliedes 100 in dem Schallwandler 1000.
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Diese Schwingungen werden von einem Sensor 200 detektiert. Der Sensor 200 ist zum Beispiel eine Tauchspule 203, die in ein Feld eines Permanentmagneten 201 eintaucht, vergleiche 1c. Ein Spulenträger 202 der Tauchspule 203 ist mit dem Schwingglied 100 verbunden. Durch die Schwingungen des Schwinggliedes 100 schwingt die Tauchspule 203 im Permanentmagnetfeld. Dadurch wird eine elektrische Spannung induziert. Die elektrische Spannung wird als erstes Signal 12 ausgewertet.
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Das erste Signal 12 wird über eine erste Schnittstelle 701 einer Auswerteeinrichtung 700 bereitgestellt. Die Auswerteeinrichtung 700 ist ein Regelkreis. Eingangsgröße des Regelkreises ist das erste Signal 12 als Ist-Wert. Der Regelkreis regelt die Regelstrecke umfassend den Sensor 200 und einen Aktor 300. Für den Fall, dass der Sensor 200 die Tauchspule 203 umfasst, ist der Aktor 300 vorzugsweise keine Tauchspule 203, sondern beispielsweise ein Piezoaktor. Das erste Signal 12 enthält zu Beginn der Regelung einen Störanteil 11 und einen Nutzanteil 13. Der Nutzanteil 13 entspricht dem Soll-Wert. Der Soll-Wert ist in einer Datenbank hinterlegt. Vorzugsweise wird der Soll-Wert mit Mitteln der künstlichen Intelligenz, zum Beispiel mit einem künstlichen neuronalen Netzwerk, das darauf trainiert wurde, aus Geräuschen 10 Nutzanteile 13 herauszufiltern, bestimmt. Am Ende der Regelung führt das Schwingglied 100 nur noch Schwingungen aus, die dem Nutzanteil 13 entsprechen. Der Störanteil 11 wurde ausgeregelt. Die Regeldifferenz zwischen erstem Signal 12 und Nutzanteil 13 entspricht dem Störanteil 11. Der inverse Störanteil 11 ergibt ein zweites Signal 14. Das zweite Signal 14 ist eine Stellgröße für den Aktor 300. Das zweite Signal 14 wird dem Aktor 300 über eine zweite Schnittstelle 702 bereitgestellt. Der Aktor 300 unterbindet die durch die Störanteile 11 bedingten Schwingungen des Schwingglieds 100.
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Die Auswerteeinrichtung 700 ist vorzugsweise eine digitale Auswerteeinrichtung und umfasst einen Analog-Digital-Wandler 400. Der Analog-Digital-Wandler 400 digitalisiert die elektrische Spannung, die der Sensor 200 als dessen Ausgangsgröße liefert, in einen digitalen Datenstrom. Dieser Datenstrom wird von der Auswerteeinrichtung 700 mit einem Klassifikator 500 weiterverarbeitet. Der Klassifikator 500 ist beispielsweise ein Algorithmus, der durch Prozessieren des ersten Signals 12 Nutzanteil 13 und Störanteil 11 des ersten Signals 12 bestimmt. Vorzugsweise ist der Klassifikator 500 ein künstliches neuronales Netzwerk. Die Auswerteeinrichtung 700 ist ausgeführt, das künstliche neuronale Netzwerk auszuführen. Beispielsweise verfügt die Auswerteeinrichtung 700 über genügend Rechenleistung und genügend Speicherkapazität. Die Auswerteeinrichtung 700 umfasst auch einen Digital-Analog-Wandler 600. Der Digital-Analog-Wandler 600 wandelt das Ergebnis des Klassifikators 500 wieder in eine elektrische Spannung um. Vorzugsweise umfasst die Auswerteeinrichtung 700 eine Vorrichtung zur Spannungsanpassung, um diese Spannung optimal an den Aktor 300 anzupassen. Die Vorrichtung zur Spannungsanpassung ist zum Beispiel ein Verstärker. Alternativ sieht die Erfindung eine Impedanzanpassung vor.
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2 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Schallwandler 1000. Das auf das Schwingglied 100 auftreffende Geräusch 10 ist ein Störgeräusch und besteht aus Störanteilen 11. Ohne die erfindungsgemäße Auswerteeinrichtung 700 gibt der Sensor 200 das Störsignal 11 als Ausgangssignal 15 aus. Das Ausgangssignal 15 ist das Ausgangssignal 15 des Schallwandlers 1000.
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3 zeigt den erfindungsgemäßen Schallwandler 1000. Das Schwingglied 100 wird von Störanteilen 11 angeregt. Die Auswerteeinrichtung 700 regelt den Störanteil 11 durch das zweite Signal 14 aus. Das zweite Signal 14 ist ein Kompensationssignal bezüglich des ersten Signals 11. Im eingeregelten Zustand bleibt das Schwingglied in Ruhelage. Die durch den Störanteil 11 bedingten Schwingungen sind unterbunden. Das Ausgangssignal 15 des Sensors 200 ist ein Nullsignal.
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In 4 umfasst das Geräusch 10 den Störanteil 11 und den Nutzanteil. Die Auswerteeinrichtung 700 bestimmt das zweite Signal 14 derart, dass im eingeregelten Zustand das Schwingglied 100 nur noch von dem Nutzanteil 13 des Geräuschs 10 angeregt wird. Das Ausgangssignal 15 des Sensors 200 ist damit der Nutzanteil 13.
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5 stellt die Filterfunktionen der Auswerteeinrichtung 700 dar. Aufgetragen ist ein Leistungspegel des Schallwandlers 1000 in Dezibel abhängig von einer Frequenz f. Ohne die erfindungsgemäße Auswerteeinrichtung 700 ist der Leistungspegel oberhalb einer bestimmten Frequenz f unabhängig von der Frequenz f. Die Auswerteeinrichtung 700 ermöglicht es, das zweite Signal 14 derart zu bestimmen, dass das Schwingungsglied 100 Schwingungen nur bei tiefen Frequenzen f ausführt. Dies entspricht einem Tiefpassfilter TP. Die Auswerteeinrichtung 700 ermöglicht es ferner, das zweite Signal 14 derart zu bestimmen, dass das Schwingungsglied 100 Schwingungen nur bei hohen Frequenzen f ausführt. Dies entspricht einem Hochpassfilter HP. Die Auswerteeinrichtung 700 ermöglicht es auch, das zweite Signal 14 derart zu bestimmen, dass das Schwingungsglied 100 Schwingungen nur in einem definierten Frequenzband ausführt. Dies entspricht einem Bandpassfilter BP. Die einzelnen Filter sind miteinander kombinierbar. Mit dem Bandpassfilter BP kann die Umgebung des Fahrzeuges gezielt nach Geräuschen 10 gescannt werden, deren Frequenz f im Frequenzband des Bandpassfilters liegt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist in 6 gezeigt. In einem ersten Verfahrensschritt V1 werden von Schallwellen erzeugte Schwingungen des Schwinggliedes 100 in das erste Signal 12 umgewandelt. In einem zweiten Verfahrensschritt V2 werden in Abhängigkeit des ersten Signals 12 ein Nutzanteil 13 und ein Störanteil 11 des ersten Signals 12 bestimmt. In einem dritten Verfahrensschritt V3 wird in Abhängigkeit des Störanteils 11 das zweite Signal 14 bestimmt. In einem vierten Verfahrensschritt V4 wird das zweite Signal 14 für den Aktor 300 bereitgestellt. In einem fünften Verfahrensschritt werden in Abhängigkeit des zweiten Signals 14 die durch den Störanteil 11 bedingten Auslenkungen des Schwinggliedes zumindest gedämpft.
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Das Verfahren ist in einer Programmiersprache mit entsprechenden Programmbefehlen programmiert und wird als Software auf der erfindungsgemäßen Auswerteeinrichtung 700 ausgeführt. Damit ist der Aufnahmebereich oder der Empfindlichkeitsbereich des Schallwandlers 1000 per Software anpassbar und während einer Tonaufnahme veränderbar.
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Die Erfindung eignet sich besonders vorteilhaft für ein Fahrzeug zur Dämpfung von Störanteilen 11 in Geräuschen 10 außerhalb des Fahrzeuges, zum Beispiel von Fahrwindgeräuschen. Selbstverständlich kann die Erfindung auch für andere Bereiche eingesetzt werden, zum Beispiel für Presse und/oder Fernsehliveübertragungen, um Störgeräusche 11 am Übertragungsort, zum Beispiel Windgeräusche, zu kompensieren. Erfindungsgemäß ist damit auch eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Auswerteeinrichtung 700, eines erfindungsgemäßen Schallwandlers 1000 und/oder eines erfindungsgemäßen Computerprogrammproduktes zur Dämpfung von Störanteilen 11 in Geräuschen 10 in Bereichen außerhalb des Automotive-Bereiches, vorzugsweise Presse und/oder Fernsehliveübertragungen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 1000
- Schallwandler
- 100
- Schwingglied
- 200
- Sensor
- 201
- Permanentmagnet
- 202
- Spulenträger
- 203
- Tauchspule
- 300
- Aktor
- 400
- Analog-Digital-Wandler
- 500
- Klassifikator
- 600
- Digital-Analog-Wandler
- 700
- Auswerteeinrichtung
- 701
- erste Schnittstelle
- 702
- zweite Schnittstelle
- 10
- Geräusch
- 11
- Störanteil
- 12
- erstes Signal
- 13
- Nutzanteil
- 14
- zweites Signal
- 15
- Ausgangssignal
- f
- Frequenz
- TP
- Tiefpass-Filter
- HP
- Hochpass-Filter
- BP
- Bandpassfilter
- V1-V5
- Verfahrensschritte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2814093 C2 [0002]
- WO 2010040705 A1 [0003]
