DE19918712A1 - Verfahren und Vorrichtung zum aktiven Dämpfen der Betriebsgeräusche von Datenverarbeitungsanlagen - Google Patents

Description

In der Automobiltechnik ist es bereits seit geraumer Zeit üblich, zur Erhöhung des Komforts eine aktive Lärm- bzw. Geräuschdämpfung vorzunehmen, um den Lärmpegel im Inneren der Fahrgastzelle zu vermindern. Eine der Hauptquellen für den Geräuschpegel im Innenraum ist der Motor, dessen Vibrationen unter anderem über die Motoraufhängung auf das Fahrgestell und das Chassis übertragen werden. Die mechanischen Schwingungen dieser Bauteile erzeugen ihrerseits die Luftschwingungen bzw. die akustischen Wellen, aus denen die Geräusche innerhalb der Fahrgastzelle bestehen. Zur sogenannten passiven Dämpfung (vgl. US 5 792 948) ist es üblich, geeignete Motorlager zu wählen, die aufgrund ihrer Material- oder Konstruktions­ eigenschaften die Übertragung der Motorschwingungen auf Fahrgestell und Chassis minimieren oder einen Teil der Schwingungsenergie absorbieren. Bei der sogenannten aktiven Dämpfung umfassen diese Motorlager Schwingungserzeuger, die so angesteuert werden, daß sie Schwingungen erzeugen, die dieselbe Frequenz wie die Motorschwingungen haben, aber so phasenverschoben sind, daß zwischen diesen erzeugten Schwingungen und den Motorschwingungen destruktive Interferenz auftritt. Die Steuersignale für die Schwingungserzeuger werden von einer geeigneten Schaltung erzeugt, die Eingangssignale verarbeitet die von der Motorsteuerung oder von einem Drehzahlgeber abgeleitet sind und Information über die Drehzahl des Motors oder die Zündfrequenz enthalten oder von Schwingungsaufnehmern, die Schwingungen des Motors oder anderer Komponenten erfassen.

Bei einer weiteren Variante der aktiven Geräuschdämpfung erfolgt die lärmpegelsenkende destruktive Interferenz zwischen Schallwellen im Inneren der Fahrgastzelle (vgl. US 5 455 779, US 5 690 321). Dazu sind in ihrem Inneren Lautsprecher angebracht, die geeignet phasenverschobene Schallwellen, sogenannten Antischall, erzeugen. Für rein sinusförmige Schwingungen oder Wellen tritt vollkommene destruktive Interferenz dann auf, wenn die Gegenschwingungen dieselbe Amplitude haben und um 180° phasenverschoben sind. Die Signale zur Ansteuerung der oder des Lautsprechers werden aus Signalen abgeleitet, die entweder von einem oder mehreren Mikrofonen im Inneren der Fahrgastzelle stammen, die die dort vorhandenen Schallwellen erfassen, und/oder von Schwingungssensoren, die die mechanischen Schwingungen von Rahmen, Chassis, etc. erfassen und/oder von Signalen, die repräsentativ für die Drehzahl oder Zündfrequenz sind und bspw. von der Motorsteuerung oder von einem Drehzahlgeber stammen können.

Als Benutzer von Geräten im Bereich der Datenverarbeitung, d. h. von Geräten wie Personalcomputern, Workstations oder Peripheriegeräten macht man die Erfahrung, daß auch diese Geräte Lärmquellen darstellen, die den Benutzungskomfort einschränken. Je nach Sensibilität und Umgebungsbedingungen können diese Geräusche als ausgesprochen störend empfunden werden und die Konzentration deutlich beeinträchtigen. Die eigentlichen Lärmquellen sind vor allem Drehantriebe von Lüftern oder von Laufwerken für Speichermedien, wie Festplatten- oder CD-Laufwerke. Dabei kann es sich sowohl um interne Laufwerke, d. h. um solche handeln, die sich mit einem Prozessor bzw. einer Hauptplatine in einem gemeinsamen Gehäuse befinden, sondern auch um externe Laufwerke.

Der Anmeldung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den von Datenverarbeitungsgeräten und insbesondere von den darin enthaltenen Drehantrieben erzeugten Lärmpegel abzusenken.

In der nachveröffentlichten US 5 828 768 wird ein Multimedia-Computer beschrieben, bei dem aktive Geräuschdämpfung durchgeführt wird. Allerdings wird hierzu eine gesonderte Schaltung verwendet, die nicht mit dem Datenbus, dem Prozessor etc. verbunden ist. Zur Geräuschdämpfung wird ein separater Lautsprecher verwendet, der in einem speziellen Lüftungskanal angeordnet ist. Eine ähnliche Vorrichtung ist auch in der JP 08-146970 A beschrieben.

Darüberhinaus wurden bisher im wesentlichen Maßnahmen zur passiven Schwingungsdämpfung oder Schallabsorption ergriffen, indem bei Laufwerken bspw. zur Lagerung Materialien mit passiven Dämpfungseigenschaften eingesetzt wurden oder indem die Propeller von Lüftern so optimiert wurden, daß sie möglichst wenig Geräusche verursachen (vgl. den Artikel von H. Bögeholz in c't 19, S. 136 (1998)).

Gemäß dem derzeitigen Erkenntnisstand des Erfinders dieser Anmeldung wurde überraschenderweise bisher nicht daran gedacht, standarmäßig zu einer Datenverarbeitungsanlage gehörige Komponenten (wie die CPU, Soundkarten, Lautsprecher etc.), die zur Durchführung der Hauptaufgaben der Anlage (z. B. Textverarbeitung, Bildverarbeitung, Serverfunktionen, numerische Berechnungen, Datenspeicherung etc.) verwendet werden, auch zur aktiven Dämpfung d. h. zur Ausnutzung von Interferenzeffekten zwischen Schwingungen oder Schallwellen einzusetzen, um den von den Datenverarbeitungsgeräten verursachten Lärmpegel abzusenken.

Es zeigt sich, daß gerade Personalcomputer oder Workstations besonders für Maßnahmen zur aktiven Schalldämpfung geeignet sind. Ein wichtiger Punkt hierbei ist, daß die Drehantriebe über längere Zeiten hinweg mit festen Drehzahlen arbeiten. Das hat zur Folge, daß der von ihnen erzeugte Schall vor allem diese Grundfrequenz und höhere Harmonische davon umfaßt. Ein Fourierspektrum dieser Geräusche würde also hauptsächlich aus einem Linienspektrum mit Anteilen bei der Grundfrequenz und ganzzahligen Vielfachen davon bestehen. Dies erlaubt eine einfache und effektive Schall- bzw. Schwingungsdämpfung, da ein deutlicher Effekt schon dadurch erzielt werden kann, daß nur für diese Frequenzkomponenten Gegenschwingungen erzeugt werden müssen. Es kann durchaus auch ausreichen, nur für eine kleine Anzahl von Frequenzen Gegenschwingungen zu erzeugen, indem nur die ausgewählt werden, die die größten Amplituden im Fourierspektrum aufweisen oder deren Amplituden über einem bestimmten Grenzwert liegen.

Ein weiterer wichtiger Punkt ist, daß Personalcomputer, Workstations, aber auch Speicherlaufwerke, Drucker oder ähnliches grundsätzlich wenigstens einen Prozessor umfassen, mit dem die eigentliche Datenverarbeitung im Rahmen der genannten Standardaufgaben erfolgt. Mit Hilfe dieses Prozessors könnte jedoch auch die aktive Geräuschdämpfung durchgeführt werden. Dabei kann er sowohl dazu verwendet werden, ein Fourierspektrum der erzeugten Geräusche zu bestimmen, also die Geräusche zu analysieren, als auch die Erzeugung der Gegenschwingungen zu steuern.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß Personalcomputer oder Workstations bereits im allgemeinen über eingebaute Lautsprecher verfügen. Wenn die Schalldämpfung durch destruktive Interferenz zwischen Schallwellen bewirkt werden soll, können diese dazu verwendet werden, geeignete phasenverschobene Schallwellen zu erzeugen. Diese zusätzliche Verwendung schränkt ihre ursprüngliche Nutzung, d. h. die Wiedergabe akustischer Information nicht ein, da Schallwellen und die sie erzeugenden elektrischen Signale sich bekanntlich linear überlagern ohne sich gegenseitig zu beeinträchtigen. Natürlich können auch ein oder mehrere zusätzliche Lautsprecher in das Gehäuse, das die Laufwerke oder Drehantriebe enthält, eingebaut werden. Es ist auch möglich zusätzlich zu dem bereits vorhandenen Lautsprecher externe Lautsprecher zu verwenden, die bspw. an einen Audioausgang oder eine Soundkarte des Computers angeschlossen werden können (dies gilt auch für eventuelle interne Lautsprecher).

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß Computer häufig über Audioeingänge verfügen, an die ein Mikrofon angeschlossen werden kann, d. h. Eingänge, denen ein Analog/Digital-Wandler nachgeordnet ist. Dadurch ist es möglich, über ein Mikrofon unmittelbar das Geräuschspektrum aufzunehmen, das vom Computer bzw. den ihm zugeordneten Laufwerken erzeugt wird. Aus diesen vom Mikrofon stammenden Eingangssignalen kann mittels eines Prozessors eine Fourieranalyse der Geräusche durchgeführt, d. h. ein Fourierspektrum erstellt werden. Die Daten einer solche Fourieranalyse können dann die Basis für die Erzeugung der Gegenschwingungen sein. Da es, wie bereits erwähnt, im allgemeinen nur auf die Grundfrequenz und höhere harmonische ankommt, kann es genügen eine sogenannte schnelle Fouriertransformation (Fast Fourier Transform) durchzuführen.

Es ist natürlich auch möglich, andere Arten von Schwingungsaufnehmern einzusetzen, bspw. solche, die piezoelektrische Effekte ausnutzen. Wenn im Folgenden davon gesprochen wird, daß solche Aufnehmer oder Mikrofone an irgendwelche Eingänge oder Erfassungsschaltungen angeschlossen werden, so soll damit auch der Fall gemeint sein, daß eventuell zusätzliche elektronische Einrichtungen zwischengeschaltet sind, die die Signale der Aufnehmer umformen.

Dadurch, daß viele Drehantrieb mit festen Drehzahlen betrieben werden ist es auch möglich, auf gesonderte Schwingungsaufnehmer oder Mikrofone zu verzichten. Die Information über diese festen Frequenzen kann in diesem Fall bspw. über eine Eingabeeinrichtung wie eine Tastatur in den Computer oder eine entsprechende Steuerung zur Gegenschwingungserzeugung eingegeben und in einem Speicher abgespeichert werden. Diese Information kann aber auch bereits ab Werk in entsprechenden Speichern abgelegt sein. Bei der Steuerung der Gegenschwingungen kann dann auf diese gespeicherten Daten zurückgegriffen werden. Information über die aktuellen Antriebsfrequenzen kann auch über den Datenbus, über den der oder die Prozessoren mit Schnittstellen, Speichereinrichtungen oder Peripheriegeräten kommunizieren, abgefragt werden.

Information über die relevanten Frequenzen kann auch direkt von den Antriebseinheiten in Form eines Synchronisierungs-, Referenz- oder Taktsignals abgeleitet werden. Einem Fachmann ist bekannt, daß die Antriebssteuerungen von Laufwerken auf Taktsignale zurückgreifen, die bspw. von Schaltungen mit Schwingquarzen erzeugt werden. Diese Taktsignale oder daraus abgeleitete Signale, die Information über die relevanten Antriebsfrequenzen enthalten, können auch zur Erzeugung von Gegenschwingungen genutzt werden. Derartige Synchronisierungssignale werden bei IDE-Festplatten bspw. standardmäßig über einen sogenannten CS-Ausgang bereitgestellt und sollen zur Synchronisierung verschiedener Festplatten dienen.

Es ist auch möglich, zusätzlich oder anstelle der Lautsprecher andere Arten von Schwingungserzeugern zu verwenden, die primär Gehäuseteile, Rahmenteile, Lager oder andere Befestigungen in Schwingung versetzen bzw. mechanische Schwingungen auf diese übertragen. Durch eine geeignete Ansteuerung dieser Schwingungserzeuger können die von ihnen erzeugten mechanischen Schwingungen infolge ihrer Phasenverschiebung zumindest teilweise destruktiv mit den mechanischen Schwingungen interferieren, die von den Drehantrieben hervorgerufen werden. Durch die Dämpfung der mechanischen Schwingungen der Bauteile wird auch der von diesen erzeugte Schallpegel vermindert.

Dem Fachmann sind derartige Schwingungserzeuger geläufig. Sie können bspw. piezoelektrische oder magnetostriktive Effekte nutzen. Es kann sich dabei um sogenannte Trägheitsschwinger handeln, die nur einseitig mit einem Bauteil wie bspw., einer Gehäusewand verbunden sind, oder um andere Arten von Aktuatoren, die auf zwei Seiten mit Bauteilen verbunden sind und zu einer Relativbewegung der beiden Bauteile führen.

Derartige Schwingungserzeuger können direkt an den Gehäusen von Computern oder Laufwerken angebracht werden. Sie können auch Bestandteil der Lagerung von Laufwerken oder der Lagerung der Laufwerksantriebe selber sein. Diese Aufzählungen stellen nur Beispiele dar, da die Schwingungserzeuger an verschiedensten Stellen befestigt werden können.

Die Steuerung der Erzeugung von Gegenschwingungen besteht primär darin, geeignete Signale zur Ansteuerung der Schwingungserzeuger oder Lautsprecher zu erzeugen. Um Schalldämpfung zu erzielen, muß für wenigstens eine relevante Frequenzkomponente der störenden Geräusche eine Gegenschwingungen bzw. eine Schallwelle mit geeigneter Amplitude und Phasenverschiebung erzeugt werden. Für rein sinusförmige Schwingungen oder Wellen tritt vollkommene destruktive Interferenz dann auf, wenn die Gegenschwingungen dieselbe Amplitude haben und um 180° phasenverschoben sind. Um eine optimale Schalldämpfung zu erzielen wird es im allgemeinen notwendig sein, für mehrere relevante Frequenzkomponenten Gegenschwingungen mit geeigneten Amplituden und Phasenverschiebungen zu erzeugen. Um Schalldämpfung zu erzielen muß die destruktive Interferenz, d. h. die Phasenverschiebung der Gegenschwingung in Bezug auf die störende Schwingung kontinuierlich aufrecht erhalten werden. Hierzu ist es in der Regel erforderlich, ein Bezugs- oder Referenzsignal zu haben, das Information über die momentane Phasenlage der zu dämpfenden Schwingungen liefert, da die Phasenlage dieser störenden Schwingung schwanken kann. Hierfür sind sowohl die von den Antrieben direkt abgeleiteten Signale als auch die von Schwingungsaufnehmern oder Mikrofonen abgeleiteten Signale geeignet. Mittels eines solchen Referenzsignals kann dann die Erzeugung der Gegenschwingungen synchronisiert werden. Die Steuerung der Phasenlage muß nicht notwendigerweise kontinuierlich erfolgen. Es ist auch möglich, daß die relative Phasenlage der interferierenden Wellen bzw. Schwingungen nur in bestimmten Zeitabständen überprüft und eingestellt wird. Ebenso kann es genügen die Einstellung geeigneter Amplituden und/oder Frequenzen nur in bestimmten Zeitabständen oder nur einmal zu Beginn des Betriebs oder bei Bedarf durchzuführen.

Die Steuerung kann beispielsweise mittels eines digitalen Filters, eines adaptiven digitalen Filters oder allgemein mittels eines adaptiven Filters erfolgen. Derartige Filter und ihre Arbeitsweise sind dem Fachmann bekannt, so daß es sich erübrigt hier näher auf sie einzugehen. Die adaptive Signalverarbeitung, insbesondere auch zur Dämpfung oder Beseitigung von Lärm bzw. im allgemeinen Sinn von störenden Signalkomponenten ist unter anderem in dem Buch "Adaptive Signal Processing" von B. Widrow und S.D. Stearns beschrieben (vgl.a. US 5 544 080, GB 2 290 635 A).

Wenn die Steuerung mittels des Prozessors durchgeführt wird, der auch zur eigentlichen Datenverarbeitung verwendet wird, kann die Programmeinheit, die die Erzeugung der Gegenschwingungen steuert, bspw. die Implementierung eines adaptiven digitalen Filters, Bestandteil des Betriebssystems oder eines Anwendungsprogramms sein. Parameter für diese Steuerung können dann beispielsweise dadurch eingegeben werden, daß auf einer Anzeigeeinheit wie einem Bildschirm in der üblichen Art ein gesondertes Fenster geöffnet wird, in dem Information bspw. über die Steuerung, über aktuelle Parameter oder ein gemessenes Fourierspektrum angezeigt werden. Die Eingabe kann dann über eine Tastatur, eine Maus oder ähnliches erfolgen.

Die Erzeugung der Gegenschwingungen kann natürlich auch mittels einer gesonderten elektronischen Schaltung analoger oder digitaler Art erfolgen. Damit ist eine Schaltung gemeint, die nicht mit den eigentlichen Datenverarbeitungsschaltungen des Computers gekoppelt ist, also keine Verbindung zum Datenbus des Computers aufweist. Diese Schaltung könnte als Eingangssignal bspw. die oben angesprochenen Referenz-, Takt- oder Synchronisierungs­ signale von den Drehantrieben erhalten oder mit einem oder mehreren Schwingungsaufnehmern oder Mikrofonen verbunden sein. Eine solche gesonderte Schaltung kann auch Bestandteil eines Laufwerks sein, wenn das Laufwerk selber über wenigstens einen Schwingungserzeuger verfügt, der von der Schaltung gesteuert wird. Eine solche Lösung würde bedeuten, daß bereits für jedes individuelle Laufwerk eine separate Schwingungs- bzw. Geräuschdämpfung erfolgen kann. Eine solche Schaltung kann auch einen Prozessor beinhalten, mittels dessen auch andere Funktionen des Laufwerks gesteuert werden, bzw. kann integraler Bestandteil der gesamten Laufwerkssteuerung sein.

Eine solche Schaltung zur Steuerung der Erzeugung von Antischall kann auch Bestandteil einer sogenannten Soundkarte oder einer äquivalenten Schaltung sein, die an den Datenbus der Datenverarbeitungsanlage bzw. des Computers angeschlossen ist und die der Erzeugung akustischer Signale dient. Zur Steuerung der Phasenlage wird dann im einfachsten Fall ein angeschlossener Schwingungsaufnehmer oder ein Mikrofon verwendet.

Es versteht sich, daß die Verminderung des Schallpegels nicht unbedingt während des ganzen Betriebs der Datenverarbeitungsanlage erfolgen muß, sondern auch auf bestimmte Zeitabschnitte beschränkt sein kann. Die Dämpfung kann bspw. ausgesetzt werden, wenn der Prozessor mit anderen Aufgaben ausgelastet ist oder der von Drehantrieben verursachte Schallpegel gegenüber anderem Schall vernachlässigbar ist.

Unter Datenverarbeitungseinrichtungen sollen hier alle Vorrichtungen verstanden werden, die im Rahmen der Datenverarbeitung eingesetzt werden und während des Betriebes durch darin enthaltenen Antriebseinrichtungen Lärm verursachen. In diesem Sinne kann es sich um ein komplette Computereinheit wie einen Personalcomputer oder eine Workstation oder aber auch nur um einzelne oder mehrere Speichereinrichtungen wie Laufwerke für Disketten, Festplatten, CD's, magnetoptische Platten, Bänder etc. handeln.

Claims (11)

1. Verfahren zur Dämpfung von Schall der von Datenverarbeitungsanlagen erzeugt wird, wobei wenigstens ein an eine Datenverarbeitungsanlage angeschlossener Lautsprecher, der üblicherweise dazu verwendet wird oder dazu werden kann, um von einem Prozessor gesteuert akustische Signale für Benutzer der Anlage zu erzeugen, die Benutzern Information vermitteln, die Musik oder eine beabsichtigte Geräuschkulisse für ein ablaufendes Programm darstellen, dazu verwendet wird, Schall zu erzeugen, der durch akustische Interferenz dieser Schallwellen mit Schallwellen, die von Drehantrieben der Datenverar­ beitungsanlage oder von an die Datenverarbeitungsanlage angeschlossenen Geräten erzeugt werden, den Schallpegel vermindert.

2. Verfahren zur Dämpfung von Schall der von Datenverarbeitungsanlagen erzeugt wird, wobei wenigstens ein in einer Datenverarbeitungsanlage vorhandener Prozessor nicht nur für die eigentlichen Standardaufgaben sondern auch dazu verwendet wird, die Erzeugung von Schall oder Gegenschwingungen zu steuern, die geeignet sind, den von der Datenverarbeitungsanlage erzeugten Lärmpegel abzusenken.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei wenigstens ein Lautsprecher an eine Soundkarte bzw. eine äquivalente Schaltung angeschlossen wird, die an den Datenbus der Datenverarbeitungsanlage angeschlossen ist und der Erzeugung akustischer Signale dient.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Steuerung der Phase, der Frequenz und Amplitude und/oder zur Frequenzanalyse und/oder zur Erfassung des Geräuschpegels und/oder zur Bereitstellung wenigstens eines Eingangssignals für ein adaptives Filter ein Mikrofon oder ein Schwingungsaufnehmer verwendet wird, das/der an den herkömmlichen Audioeingang der Datenverarbeitungsanlage oder an eine äquivalente, mit dem Datenbus verbundene Schaltung zur Erfassung analoger Signale, angeschlossen ist.

5. Verfahren zur Dämpfung von Schall der von Datenverarbeitungsanlagen oder von an die Datenverarbeitungsanlage angeschlossenen Geräten erzeugt wird, wobei der Schall oder Schwingungen, die den Schall erzeugen, von einem Mikrofon oder wenigstens einem Schwingungsaufnehmer erfaßt werden, wobei ein Prozessor der Datenverarbeitungsanlage auch dazu verwendet wird, um für die erfaßten Signale eine Fourieranalyse bzw. eine Ermittelung der darin enthaltenen Frequenzanteile durchzuführen, und wobei unter Verwendung der Ergebnisse dieser Analyse mit einem Prozessor und/oder mit diesem verbundener Schaltungen auch Gegenschwingungen bzw. Schall derart erzeugt werden, daß aufgrund destruktiver Interferenz eine Verminderung des von der Anlage oder den angeschlossenen Geräten erzeugten Schallpegels erfolgt.

6. Verfahren zur Dämpfung von Schall der von Datenverarbeitungsanlagen oder von an eine Datenverarbeitungsanlage angeschlossenen Geräten erzeugt wird, wobei der Schall oder Schwingungen, die den Schall erzeugen, von einem Mikrofon oder wenigstens einem Schwingungsaufnehmer erfaßt werden, wobei ein standardmäßiger Audioeingang der Datenverarbeitungsanlage oder eine mit dem Datenbus verbundenen herkömmliche Schaltung zur Erfassung analoger Signale dazu verwendet werden, um die von einem Mikrofon oder oder einem Schwingungsaufnehmer erzeugten Signale zu erfassen und wobei die so erfaßten Signale dazu verwendet werden, um Schall derart zu erzeugen, daß durch destruktive Interferenz der von der Anlage oder den angeschlossenen Geräten erzeugten Schallpegel vermindert wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung der Schalldämpfung von einem Programmteil erfolgt, das Bestandteil des Betriebssystems ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei von dem Benutzer auf einer Anzeigeeinheit ein Fenster geöffnet werden kann, über das Parameter der Steuerung bzw. der Frequenzanalyse eingestellt werden können.

9. Vorrichtung zum Lesen gespeicherter Daten von einem Speichermedium oder zum Speichern von Daten auf einem Speichermedium mit wenigstens einem Drehantrieb, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens einen Lautsprecher oder einen Schwingungserzeuger aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein adaptives analoges oder digitales Filter aufweist und in dieses adaptive Filter ein Signal eingegeben und verarbeitet wird, das Information über die augenblickliche Drehfrequenz des Drehantriebs enthält.

11. Datenverarbeitungseinrichtung mit wenigstens einem Prozessor und wenigstens einem Drehantrieb, wobei der Prozessor zusätzlich auch die Erzeugung von Schwingungen oder Schall steuert, die geeignet sind, den von dem Drehantrieb erzeugten Lärmpegel abzusenken.