DE4026070C2 - Einrichtung zur aktiven Verringerung eines Geräuschpegels am Ort von Personen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Einrichtungen dieser Art sind beispielsweise aus der EP 0 252 647 A1 bekannt. Ihr Ziel ist die Auslöschung des Geräuschpegels am Ort des Kopfes beispielsweise eines Fahrzeuginsassen durch Erzeugung von Schwingungen, die an dieser Stelle gegenphasig zu den Geräuschschwingungen sind. Im Idealfall wird also mittels der Mikrophone festgestellt, daß der Schalldruck am Ort der betreffenden Person durch die Wirkungsweise der Laut­ sprecher auf den Wert Null gebracht ist.

Mit dem oben genannten Ziel ist, wie oben bereits erwähnt, aus der EP 0 252 647 A1 eine Einrichtung zur aktiven Verringerung eines Geräuschpegels mit mehreren Lautsprechern und Mikrofonen sowie einem digitalen Signalprozessor zur Signalaufbereitung bekannt. Das genau spezifizierte Ziel ist dabei, wie oben bereits schon erwähnt, die Auslöschung des Geräuschpegels am Ort des Kopfes, beispielsweise eines Fahrzeuginsassen. Dabei werden durch Erzeugung von Schwingungen, die an dieser Stelle gegenphasig zu den Geräuschschwingungen sind, am Kopf des besagten Fahrzeuginsassen dieselben durch destruktive Interferenz überlagert und ausgelöscht.

Aus der US 4 480 333 ist eine Anordnung zur aktiven Geräuschverminderung bekannt, bei der zwei Mikrofone und mindestens ein Lautsprecher Verwendung finden. Hierbei ist das Problem jedoch so gelöst, daß eines der beiden genannten Mikrofone direkt oder nahe bei dem Ort der gewünschten Kompensation angeordnet ist. Mit anderen Worten heißt dies, daß ein realer Mikrofonort am Ort der Kompensation angeordnet ist bzw. sein muß.

Eine solche Vorrichtung oder Einrichtung zur Geräuschminderung im Inneren eines Kraftfahrzeuges ist gemäß dieser Art auch aus der DE 36 12 204 A1 bekannt. Hierbei werden einer Anzahl von Sitzplätzen eine angepaßte Anzahl von Lautsprechern vorgesehen und zugeordnet, die getrennt mit einem Störgeräuschkompensationssignal angesteuert werden. Auch hierbei sind, wie in dem zuvor genannten Dokument aus dem Stand der Technik, Mikrofone vorgesehen, die direkt im Ohrbereich der Passagiere angeordnet sind, beispielsweise in den Kopfstützen. Als weitergehende Lautsprecher werden dabei insbesondere die Lautsprecher der vorhandenen, bordeigenen Audiostereoanlage verwendet.

Auch hierbei gilt das bereits oben Gesagte, nämlich die Notwendigkeit der Vorsehung eines realen Mikrofonortes am Ort der Kompensation. Eine weitere Einrichtung mit der entsprechenden Verfahrensweise ist aus der DE 31 06 029 A1 bekannt. Hierbei wird ebenfalls ein Mikrofon in Kopfnähe des Fahrers vorgesehen, sowie einen Lautsprecher, der wiederum Bestandteil eines Rundfunkempfängers sein kann. Das Kompensationssignal wird synthetisch durch einen Sinusgenerator erzeugt, der auf eine Grundkomponente des Motorengeräusches eingestellt ist. Der Sinusgenerator kann beispielsweise durch die Zündimpulse oder durch die Drehzahl der Kurbelwelle des Motors synchronisiert sein. Hier ist also eine Steuerung des Kompensationssignals durch eine variable Größe des Verbrennungsmotors vorgesehen.

Auch hierbei ist ebenfalls ein Mikrofon in Kopfnähe des Fahrers als realer Mikrofonort direkt vorgesehen. Als weiteres Problem tritt hierbei auf, daß bei der Kompensation lediglich auf die Kompensation des Motorgeräusches abgestellt wird. Die gesamte Kompensationseinrichtung bleibt daher rein funktionell auf die Kompensation lediglich des Motorgeräusches beschränkt. Eine Möglichkeit zur Kompensation weitergehender Geräusche gibt es nicht.

In der Praxis ist aber die Anbringung von Mikrophonen so, daß sie tatsächlich den Geräuschpegel am Kopf beispielsweise eines Fahrzeuginsassen ermitteln, außerordentlich schwierig. Beispielsweise in einem Fahrzeug müssen die Mikro­ phone - und entsprechendes gilt auch für die Lautsprecher - in ohnehin vorhan­ denen Fahrzeugbestandteilen, beispielsweise einer Tür- oder Fenstersäule oder im Dach, untergebracht werden. Ein weiteres Problem ergibt sich daraus, daß die Einrichtung dann versagt, wenn die von den Lautsprechern erzeugten gegen­ phasigen Schwingungen am Mikrophonort einen Knoten (Singularität) besitzen. In diesem Falle kann auch durch Vergrößern der Schallamplitude der Lautsprecher die gewünschte Auslöschung am Ort der Mikrophone bzw. des Kopfes beispiels­ weise eines Fahrzeuginsassen nicht erreicht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Einrichtung zu schaffen, die trotz Unterbringung der Mikrophone auch an vom Kopf beispiels­ weise eines Fahrzeuginsassen entfernten Stellen die Erfassung des Schallpegels am Kopf sicherstellt und die weiterhin die Möglichkeit bietet, das Auftreten von Knoten in den von den Lautsprechern emittierten Schwingungen am Mikrophon­ ort zu vermeiden.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung be­ schreiben die Unteransprüche.

Während bei dem eingangs zitierten Stand der Technik die Lautsprechersignale so gesteuert werden, daß die Summe der quadrierten Mikrophonsignale und damit die von allen Mikrophonen abgegebene Gesamtleistung ein Minimum erreichen, sieht die Erfindung also eine Wichtung der Ausgangssignale aller Mikrophone relativ zueinander unter dem Gesichtspunkt der Erzeugung zumindest eines vir­ tuellen Mikrophonortes vor, der im Bereich des Kopfes beispielsweise eines Fahrzeuginsassen liegt. Man kann auch sagen, daß bei dem behandelten Stand der Technik eine Steuerung auf ein allgemeines Schallminimum in dem betreffenden Raum erfolgt, wodurch jedoch am Ort des Kopfes einer einzelnen Person nicht notwendigerweise eine Verringerung des Schallpegels auftreten muß. Die Erfin­ dung sieht demgegenüber eine Bewertung der Mikrophonsignale in der Weise vor, daß nicht globale Schallverhältnisse in einem betreffenden Raum erfaßt werden, sondern Schallverhältnisse an zumindest einer definierten Stelle, dem soge­ nannten virtuellen Mikrophonort, der von den Einbauorten der einzelnen Mikro­ phone abweicht. Dadurch wird letztlich der Schall an dem virtuellen Mikrophon­ ort und damit am Kopf bzw. an den Ohren beispielsweise eines Fahrzeuginsassen minimiert.

Dabei kann die Anzahl der eingesetzten Mikrophone unterschiedlich groß sein. Für die Einstellung bzw. Verschiebung des virtuellen Mikrophonortes auf einer Linie sind mindestens zwei, für die Einstellung bzw. Verschiebung in einer Ebene mindestens drei und im Raum mindestens vier Mikrophone notwendig.

Für diese Wichtung können unterschiedliche Schaltelemente Einsatz finden, Sieht man einmal von der grundsätzlich bei Serienfertigung auch möglichen Verwendung fest eingestellter Schaltmittel ab, so können im einfachsten Fall Potentiometer Einsatz finden. Es ist jedoch auch möglich und ggf. vorteilhaft, regelbare analoge oder digitale Verstärker einzusetzen.

Die Einstellbarkeit auch während des Betriebs hat insbesondere dann im Hin­ blick auf die Vermeidung der Existenz von Schwingungsknoten am virtuellen Mikrophonort Bedeutung, wenn die Grundfrequenz des störenden Geräuschpegels zeitlichen Schwankungen unterliegt, wie dies beispielsweise bei Brennkraft­ maschinen in Kraftfahrzeugen der Fall ist, die innerhalb eines weiten Dreh­ zahlbereichs betrieben werden. In derartigen Einsatzfällen wandern die Schwin­ gungsknoten der von den Lautsprechern erzeugten gegenphasigen Schwingungen, so daß, sofern nicht Gegenmaßnahmen getroffen werden, bei bestimmten Drehzahlwer­ ten Schwingungsknoten auch am virtuellen Mikrophonort auftreten können. Dem kann durch die Maßnahmen des Patentanspruchs 7 entgegengewirkt werden, nämlich durch eine Verstellung des virtuellen Mikrophonorts so, daß das unerwünschte Zusammenfallen desselben mit Schwingungsknoten ausgeschlossen ist.

Dasselbe kann man gemäß Patentanspruch 8 dadurch erreichen, daß man den Laut­ sprechern weitere Schaltmittel zuordnet, die, gesteuert von einer störenden Frequenz im Geräuschpegel, also beispielsweise der Drehzahl einer Brennkraft­ maschine, die Schwingungsknoten der von den Lautsprechern erzeugten Gegen­ schwingungen gleichsam so verschieben, daß sie nie mit dem virtuellen Mikro­ phonort zusammenfallen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figur erläutert, die mehrere Aus­ führungsmöglichkeiten darstellt.

Man erkennt zwei Gruppen I und II von jeweils vier Mikrophonen 1 und 2, deren Ausgänge auf unterschiedliche Weise zusammengeschaltet sind: Im Falle der ersten Mikrophongruppe I sind jeweils zwei Mikrophone über gekoppelte regel­ bare Verstärker 3 bzw. 4 zusammengeschaltet, die eine Wichtung der von den einzelnen Mikrophonen jedes Paares kommenden, den Schallpegel am Orte der Mikrophone des betreffenden Paares wiedergebenden Signale in Abhängigkeit von Steuersignalen 5 des Speichers 6 vornehmen. Es sei angenommen, daß die darge­ stellte Einrichtung eine Minimierung des Schallpegels am Ort des Kopfes eines Fahrzeuginsassen bewirken soll. Das Fahrzeug ist mit einer Brennkraftmaschine ausgerüstet, die mit unterschiedlichen Drehzahlen n betrieben wird. Dadurch ist auch die Grundfrequenz des zu verringernden Geräuschpegels abhängig von der Drehzahl n. Demgemäß nehmen die regelbaren Verstärker 3 und 4 nicht nur eine einmalige Wichtung der Ausgangssignale der Einzelmikrophone 1 jedes Paares von Mikrophonen vor, wodurch ein bestimmter virtueller Mikrophonort festgelegt wird, sondern diese Wichtung wird durch die Steuersignale 5 in Abhängigkeit von Änderungen der Drehzahl und damit einer Geräuschfrequenz variiert, so daß auch die virtuellen Mikrophonorte in Abhängigkeit von der Drehzahl etwas verlegt werden. Dies hat, wie noch erläutert wird, insofern Bedeutung, als auch die von den Lautsprechern 7 abgestrahlten, zu den Ge­ räuschschwingungen gegenphasigen Schwingungen von der Drehzahl n abhängig sind und vermieden werden muß, daß bei bestimmten Drehzahlwerten am virtuellen Mikrophonort gerade ein Knoten der gegenphasigen Schwingungen auftritt. Der Speicher 6 berücksichtigt die Übertragungsfunktion der Lautsprecher 7 zu dem virtuellen Mikrophonort.

Bei der in der Figur oberen Mikrophongruppe I sind auch die Ausgänge der re­ gelbaren Verstärker 3 und 4 nochmals im Sinne einer Wichtung mittels regelba­ rer Verstärker 8 zusammengefaßt, deren Ausgangssignale nunmehr dem Rechner 9 zugeführt werden. Auch diese regelbaren Verstärker 8 sind, wie durch unter­ brochene Linien angedeutet, gesteuert von den Ausgangssignalen 5 des Spei­ chers 6, also letztlich in Abhängigkeit von der jeweils vorliegenden Drehzahl der Brennkraftmaschine.

Insgesamt ist die Verschaltung der oberen Mikrophongruppe I so getroffen, daß trotz Unterbringung der Mikrophone 1 an von dem Kopf eines Fahrzeuginsassen entfernten Stellen, beispielsweise in einer B-Säule und im Dach, insgesamt an den Rechner 9 ein Signal 10 geliefert wird, das dem Schallpegel am Kopf des betreffenden Fahrzeuginsassen entspricht. Die in Abhängigkeit von den jewei­ ligen Signalen 5 des Speichers 6 erzeugten drehzahlabhängigen Verlagerungen des virtuellen Mikrophonorts (zwecks Vermeidung eines Zusammentreffens von Knoten der gegenphasigen Schwingungen mit dem virtuellen Mikrophonort) sind so klein, daß der virtuelle Mikrophonort stets im Bereich des Kopfes der betref­ fenden Person liegt.

Die Verschaltung der Mikrophone einer Gruppe, d. h. der jeweils einem Fahrzeug­ insassen zugeordneten Mikrophone, kann jedoch auch anders erfolgen. Bei der Gruppe II ist jedem der Mikrophone 2 ein wiederum in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen 5 des Speichers 6 verstellbarer Verstärker 11 zugeordnet, und die Ausgänge aller dieser Verstärker 11 sind zusammengefaßt zur Lieferung eines gemeinsamen Signals 12 an den bereits erwähnten Rechner 9.

Der Rechner 9, der verständlicherweise ebenfalls das Drehzahlsignal n erhält, dient zur Erzeugung von Ansteuersignalen für die Lautsprecher 7, wobei diese Ansteuersignale hinsichtlich Amplitude und Phase so gewählt sind, daß eine Regelung bzw. Steuerung auf minimalen Schalldruck am virtuellen Mikrophonort erfolgt.

Wie unmittelbar aus der Zeichnung ersichtlich, sind auch den Laut­ sprechern 7, die übrigens in den Mikrophongruppen I und II zugeord­ nete Gruppen unterteilt sein können, regelbare Verstärker 13 vorge­ schaltet, die hier gleichsam eine Wichtung der den einzelnen Laut­ sprechern 7 zuzuführenden, im Rechner 9 erzeugten Signale letztlich in Abhängigkeit von der jeweiligen Motordrehzahl n vornehmen. Mit diesen Schaltelementen 13 ist es demgemäß möglich, bei Drehzahlän­ derungen trotz unveränderten Mikrophonorts zu vermeiden, daß Knoten der von den Lautsprechern 7 erzeugten Schwingungen mit diesem Mikrophonort zusammenfallen.

Verständlicherweise kann die Wichtung auch durch Änderung der Phasenbeziehung der Signale zueinander erfolgen oder durch Bewertung von Amplitude und Phasenbeziehung.

Mit der Erfindung ist demgemäß eine gattungsgemäße Einrichtung ge­ schaffen, die mit geringem Aufwand, aber hoher Genauigkeit eine Verringerung des Schallpegels am Ort des Kopfes beispielsweise eines Fahrzeuginsassen auch dann vorzunehmen gestattet, wenn die Mikrophone und die Lautsprecher der Einrichtung an von dem Kopf entfernten Stellen beispielsweise eines Kraftfahrzeugs angeordnet sind.

Claims (9)

1. Einrichtung zur aktiven Verringerung des von einer periodisch arbeitenden Geräuschquelle, insbesondere einer Brennkraftmaschine verursachten Geräuschpegels am Ort von Personen in einem Raum, insbesondere von Insassen eines Kraftfahrzeuges, mit mehreren in dem Raum angeordneten Mikrofonen zur Erfassung von Geräuschpegeln und einem, den Mikrofonen nachgeschalteten Rechner zur Erzeugung von mit zumindest einer störenden Frequenz im Geräuschpegel gleichfrequenten, aber gegenphasigen Signalen für mehrere ebenfalls in dem Raum angeordnete Lautsprecher, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Mikrofonen (1, 2) einerseits und dem Rechner (9) andererseits Schaltmittel (3, 4, 8, 11) zur Wichtung und Zusammenfassung der Ausgangssignale der Mikrofone (1, 2) im Sinne der Erzeugung eines virtuellen, von den realen Mikrofonen (1, 2) entfernten Mikrofonorte am Kopf zumindest einer Person vorgesehen sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der virtuelle Mikrofonort außerhalb von Nullstellen der von den Lautsprechern (7) aus den gegenphasigen Signalen erzeugten Schwingungen liegt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel (3, 4, 8, 11) einstellbar sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Schaltmittel nach Art von Verstärkern (3, 4, 8, 11).

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils einem Paar von Mikrophonen (1) zur gegensinnigen Wichtung ihrer Ausgangssignale ausgelegte Schaltmittel (3, 4) nachgeschaltet sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils mehreren von jeweils einem Mikrophonpaar nachgeschalteten Schaltmitteln (3, 4) zur gegensinnigen Wichtung ihrer Ausgangssignale ausgelegte Schaltmittel (8) nachgeschaltet sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 3 oder nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel (3, 4, 8, 11) in Abhängigkeit von Änderungen zumindest einer störenden Frequenz im Ge­ räuschpegel derart verstellbar sind, daß der virtuelle Mikrophonort stets außerhalb von Nullstellen der von den Lautsprechern (7) erzeugten Schwin­ gungen liegt.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Speicher (6) für Verstellsignale in Abhängigkeit von der störenden Frequenz.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Rechner (9) einerseits und den Lautsprechern (7) anderer­ seits weitere einstellbare Schaltmittel (13) zur Wichtung der Signale für die Lautsprecher (7) im Sinne der Vermeidung von Knoten in den von den Lautsprechern (7) erzeugten Schwingungen an dem virtuellen Mikrophonort vorgesehen sind.