DE4221290A1 - Aktives vibrationsregelsystem - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein aktives Vibrations­ regelsystem und insbesondere ein derartiges System zur Un­ terdrückung von Vibrationen in einem Abteil bzw. einer kabine für Fahrgäste von Verkehrsfahrzeugen, wie beispiels­ weise Automobilen, Flugzeugen sowie Schiffen oder Booten.

Der Begriff "Vibration" ist im Rahmen vorliegender Erfindung nicht rein wörtlich zu verstehen sondern bezeichnet auch Ge­ rausch und Schall.

Ein konventionelles aktives Vibrationsregelsystem dieser Art ist in der japanischen Patentanmeldung Nr. 1-5 01 344 vorge­ schlagen worden. Dieses vorgeschlagene System umfaßt eine Vibrationsquelle, einen Vibrationssensor zur Erfassung von von der Vibrationsquelle emittierten Vibrationen, eine adap­ tive Regelschaltung, welche ein Ausgangssignal vom Vibra­ tionssensor als Bezugssignal aufnimmt und auf der Basis die­ ses Bezugssignals ein Signal mit einer zu einer Transfercha­ rakteristik von Vibrationen von der Vibrationsquelle auf den menschlichen Körper inversen Transfercharakteristik erzeugt, einen vom Ausgangssignal der adaptiven Regelschaltung ange­ steuerten Löschvibrationsgenerator zur Erzeugung von Lösch­ vibration sowie einen Fehlersensor zur Erfassung eines Feh­ lers zwischen der Vibration von der Vibrationsquelle und der Löschvibration von der Löschvibrationsquelle. Die adaptive Regelschaltung ändert die vorgenannte inverse Transfercha­ rakteristik im Sinne der Minimierung des genannten Fehlers auf der Basis einer Transfercharakteristik der Löschvibra­ tion vom Löschvibrationsgenerator zum Fehlersensor sowie eines Fehlersignals vom Fehlersensor.

Ein aktives Vibrationsregelsystem dieser Art ist als Straßengeräusch-Regelsystem für ein Fahrzeug verwendbar, welches das durch Unebenheiten der Straßendecke durch die Fahrzeugfahrt hervorgerufenes Straßengeräusch reduziert. In einem derartigen Straßengeräusch-Regelsystem sind für mehrere Räder des Fahrzeugs als Vibrationsquellen entspre­ chend viele Vibrationssensoren zur Erfassung von Vibrationen von den entsprechenden Rädern vorgesehen. Für jeden Vibra­ tionssensor sind eine adaptive Regelschaltung, ein Löschvi­ brationsgenerator, wie beispielsweise ein Lautsprecher, so­ wie ein Fehlersensor, wie beispielsweise ein Mikrophon, vor­ gesehen.

Ein Beispiel eines Straßengeräusch-Regelsystems ist in Fig. 1 dargestellt. Das dargestellte System umfaßt zwei Schal­ tungssysteme, welche durch zwei Geräuschsensoren (Vibra­ tionssensoren) für zwei Räder eines Fahrzeuges, zwei an geeigneten Stellen im Abteil des Fahrzeugs angeordnete Lautsprecher (Löschvibrationsgeneratoren) sowie zwei an Stelle nahe den Ohren des Fahrgastes angeordnete Mikrophone (Fehlersensoren). Gemäß Fig. 1 sind zwei Geräuschsensoren 2 ₁, 2 ₂ nahe an Rädern 1 ₁, 1 ₂ des Fahrzeugs als Geräusch- bzw. Vibrationsquellen in Form von beispielsweise Beschleu­ nigungsaufnehmern, vorgesehen, welche auf nicht dargestell­ ten Gelenken von Fahrzeugkörperaufhängungen montiert sind. Signale von diesen Geräuschsensoren 2 ₁, 2 ₂, welche ein Maß für das Geräusch von den Rädern 1 ₁, 1 ₂ sind, d. h. Straßenge­ räuschimpulse, werden über Antialiasing-Filter 12 ₁, 12 ₂ in A/D-Umsetzer 4 ₁, 4 ₂ einer adaptiven Regelschaltung 3 als Re­ gelanordnung eingespeist. Die A/D-Umsetzer 4 ₁, 4 ₂ tasten die Eingangssignale ab und liefern resultierende Impulsfolgen als Bezugssignale x(n) für Regelblöcke 3 ₁ bis 3 _4. Diese Re­ gelblöcke 3 ₁ bis 3 ₄ erzeugen auf der Basis der Eingangsbe­ zugssignale x(n) Löschsignale mit Transfercharakteristiken H′₁ bis H′₄ (Pseudo-Inverstransfercharakteristiken), welche die gleiche Amplitude wie entsprechende Transfercharakteri­ stiken H₁ bis H₄ von Geräuschen von den entsprechenden Rä­ dern 1 ₁, 1 ₂ zum Fahrgast (entsprechende Mikrophone 9 ₁, 9 ₂) besitzen, jedoch in der Phase invers zu diesen Charakteri­ stiken sind. Die Pseudo-Inverstransfercharakteristiken wer­ den für die entsprechenden Regelblöcke 3 ₁ bis 3 ₄ vorher ein­ gestellt. Die Regelblöcke 3 ₁, 3 ₂ werden jeweils durch FIR- Filter FIRi (i=1-8), welche jeweils eine Transfercharak­ teristik Cml (m=1,2; 1=1,2) besitzen, die ihrerseits verschiedene Charakteristiken, wie beispielsweise eine Schalttransfercharakteristik zwischen dem entsprechenden Lautsprecher 8 und dem entsprechenden Mikrophon 9 enthal­ ten, ein adaptives Digitalfilter ADFi (i=1-4) zur Re­ alisierung einer zur entsprechenden Transfercharakteristik Hj (j=1-4) inversen Pseudo-Inverstransfercharakteristik H′i (i=1-4) sowie einen Prozessor LMS mit einem LMS- Algorithmus gebildet. Bei den FIR-Filtern handelt es sich um Filter mit endlichem Frequenzbereich. Als FIR-Filter FIRi sind acht FIR-Filter FIR1-FIR8 vorgesehen, welche un­ terschiedliche Transfercharakteristiken C₁₁, C₂₁; C₁₁, C₂₁; C₁₂, C₂₂; C₁₂, C₂₂ entsprechend den vier Kombinationen der beiden Lautsprecher 8 ₁, 8 ₂ und der beiden Mikrophone 9 ₁, 9 ₂ einschließlich der Schallübertragungsverzögerung zwischen den Lautsprechern 8 ₁, 8 ₂ und den Mikrophonen 9 ₁, 9 ₂ entspre­ chen. Als Algorithmus für den Prozessor LMS des jeweiligen Steuerblocks 3 ₁-3 ₄ ist beispielsweise ein Mehrfachfehler- Filter-X LMS-Algorithmus verwendbar, welcher beispielsweise in "ASSP-35", Nr. 10, Oktober 1987, beschrieben ist. Die in den FIR-Filtern FIR₁-FIR₈ gespeicherten Charakteri­ stiken Cml enthalten alle notwendigen Charakteristiken von Komponenten der Regelschaltung, beispielsweise die Charak­ teristiken der Lautsprecher 8, der Mikrophone 9, der D/A-Um­ setzer 6, der Analog-Filter 12, 13 und der A/D-Umsetzer 4, 10 einschließlich einer Schallübertragungs-Zeitverzögerung zwi­ schen den Lautsprechern 8 und den Mikrophonen 9. Alle diese Charakteristiken der Komponenten einschließlich der Schall­ übertragungsverzögerung werden vorher gemessen, wonach dann die Transfercharakteristiken Cml aus den Meßergebnissen berechnet werden.

Die Löschsignale von den Regelblöcken 3 ₁, 3 ₂ werden durch einen Addierer 5 ₁ addiert, während die Löschsignale von den Regelblöcken 3 ₃, 3 ₄ durch einen Addierer 5 ₂ addiert werden. Die resultierenden Summen werden durch D/A-Umsetzer 6 ₁, 6 ₂ in Analogsignale umgesetzt, welche durch Verstärker 7 ₁, 7 ₂ für die Ansteuerung der Lautsprecher 8 ₁, 8 ₂ zwecks Erzeu­ gung von Sekundärgeräusch, d. h. Löschgeräusch, verstärkt werden.

Die Mikrophone 9 ₁, 9 ₂ nehmen das Sekundärgeräusch von den entsprechenden Lautsprechern 8 ₁, 8 ₂ und direkt von den Rä­ dern 1 ₁, 1 ₂ als Rauschquellen übertragenes Geräusch auf, wobei die aufgenommenen Geräuschsignale über Antialiasing- Filter 13 ₁, 13 ₂ auf A/D-Umsetzer 10 ₁, 10 ₂ gegeben werden, welche die entsprechenden Eingangsgeräuschsignale ab­ tasten und die resultierenden Impulsfolgen als Fehlersignale ε₁, ε₂ abgeben. Diese Fehlersignale ε₁, ε₂ werden den Pro­ zessoren LMS der Regelblöcke 3 ₁ bis 3 ₄ zugeführt. Die Feh­ lersignale ε₁, ε₂ geben Fehler zwischen dem direkt von den Rädern 1 ₁, 1 ₂ übertragenen Geräusch und Sekundärgeräusch von den Lautsprechern 8 ₁, 8 ₂ wieder. Die Prozessoren ändern in Abhängigkeit von den Eingangsfehlersignalen ε₁, ε₂ und den Transfercharakteristiken Cml zwischen dem entsprechenden Lautsprecher 8 ₁ oder 8 ₂ und dem entsprechenden Mikrophon 9 ₁ oder 9 ₂ die entsprechende inverse Transfercharakteristik H′₁ bis H′₄ der Filter ADF1 bis ADF4 zwecks Minimierung der Werte der Fehlersignale ε₁, ε₂ gemäß folgender Gleichung:

εl = Hil x + CmlH′ix. (1)

In einem konventionellen Mehrkanal-Regelsystem der vor­ stehend beschriebenen Art mit mehreren Vibrationssensoren (Geräuschsensoren 2 ₁, 2 ₂), mehreren Löschvibrationsgenera­ toren (Lautsprecher 8 ₁, 8 ₂), mehreren Fehlersensoren (Mikrophone 9 ₁, 9 ₂), usw. ist ein großer Rechenaufwand für die Transfercharakteristiken Cml mit einer entsprechend langen Rechenzeit erforderlich. Im oben beschriebenen Aus­ führungsbeispiel sind zur Verkürzung der Rechenzeit in der adaptiven Regelschaltung 3 sehr schnelle Digitalsignalpro­ zessoren (DSP′s) sowie Speicher mit großer Speicherkapazi­ tät vorgesehen. Daraus resultiert eine wesentliche Verteue­ rung. Weiterhin sind in einem aktiven Vibrationsregelsystem, das Vibrationen von mehreren Vibrationsquellen detektiert, ebenso viele Digitalsignalprozessoren und Speicher erforder­ lich, was zu sehr hohen Herstellungskosten sowie einem sehr großen kompliziert aufgebauten System führt. Das System ist daher für eine Massenproduktion nicht geeignet.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein aktives Vibrationsregelsystem ohne Verwendung von Trans­ fercharakteristiken Cml und damit ohne Speicher für diese Transfercharakteristiken anzugeben, so daß komplizierte Be­ rechnungen nicht erforderlich sind und der Aufbau einfach sowie die Kosten gering werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein aktives Vibrationsregel­ system der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gekennzeichnet.

Vorzugsweise enthält die erfindungsgemäß vorgesehene vorge­ gebene Verzögerungszeitperiode eine Übertragungszeitverzö­ gerung zwischen dem Löschvibrationsgenerator und der zweiten Sensoranordnung sowie eine Zeitverzögerung des aktiven Vib­ rationsregelsystems.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteran­ sprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spiels gemäß den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild des Aufbaus des bereits erläu­ terten konventionellen Straßengeräusch-Regelsy­ stems; und

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Aufbaus einer Ausführungs­ form eines erfindungsgemäßen aktiven Vibrationsre­ gelsystems, das in einem Straßengeräusch-Regelsy­ stem vorgesehen ist.

Die Ausführungsform des erfindungsgemäßen aktiven Vibra­ tionsregelsystems ist für ein Straßengeräusch-Regelsystem für Automobile ausgelegt. Das Straßengeräusch-Regelsystem gemäß dieser Ausführungsform umfaßt zwei Geräuschsensoren und zwei Sätze von Lautsprechern als Löschvibrationsgene­ ratoren und Mikrophone als Fehlersensoren, die an der linken bzw. rechten Seite des Fahrzeugs angeordnet sind. In Fig. 2 sind Elemente, welche den Elementen nach Fig. 1 entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei dieser Ausführungsform fehlen die FIR-Filter FIR1 bis FIR8 der adaptiven Regelschaltung 3 des konventionellen Sy­ stems nach Fig. 1, so daß daher die A/D-Umsetzer 4 ₁, 4₂ direkt mit den entsprechenden Prozessoren LMS′ verbunden sind. Speziell fehlt erfindungsgemäß die Ausnutzung von in den FIR-Filtern FIR1 bis FIR8 nach Fig. 1 gespeicherten Transfercharakteristiken Cml, wobei dann ein in den Trans­ fercharakteristiken Cml enthaltener Verzögerungsfaktor (eine vorgegebene Verzögerungszeitperiode) an Stelle der Trans­ fercharakteristiken Cml ausgenutzt wird. Der Algorithmus des jeweiligen Prozessors LMS′ der adaptiven Regelschaltung 3 enthält einen Verzögerungsfaktor Δml (m=1,2; 1=1,2). Der Verzögerungsfaktor Δml enthält hauptsächlich eine Sig­ nalbertragungs-Zeitverzögerung zwischen einer entsprechenden Kombination der Lautsprecher 8 ₁, 8 ₂ und der Mikrophone 9 ₁, 9 ₂ sowie eine Zeitverzögerung eines entsprechenden durch Antialiasing-Filter 12 ₁, 12 ₂, 13 ₁, 13 ₂ gebildeten analogen Systems, das derartige analoge Filter enthält. Die Prozesso­ ren LMS′ erzeugen jeweils gemäß ihrem Algorithmus auf der Basis eines Fehlersignals ε (ε₁, ε₂) für einen Fehler ε1 zwischen Geräuschen von einer Geräuschquelle 1 (1 ₁, 1 ₂) und Sekundärgeräuschen (Löschgeräusch) von Lautsprechern 8 (8 ₁, 8 ₂) und in Abhängigkeit vom Verzögerungsfaktor Δml des Schaltungssystems, das jeweils eine entsprechende Kombina­ tion der vier Kombinationen von Lautsprechern 8 ₁, 8 ₂ und der Mikrophone 9 ₁, 9 ₂ enthält, die inverse Transfercharakteri­ stik H′i gemäß den folgenden Gleichungen zwecks Minimierung des Fehlers ε1:

ε1 = Hilx + H′ix, (2)

H′i = H′i + ΔH′i_BASE x Δml, (3)

worin ΔH′i_BASE einen Basisänderungswert bedeutet, um den die inverse Transfercharakteristik zu ändern ist. Der Wert Δi_BASE wird gemäß dem Fehler ε1 festgelegt.

Abgesehen von den vorstehend beschriebenen Komponenten sind die weiteren Komponenten des Systems nach Fig. 2 in ihrem Aufbau und in ihrer Funktion im wesentlichen mit den ent­ sprechenden Elementen des oben beschriebenen konventionel­ len Systems nach Fig. 2 identisch, so daß sie hier nicht beschrieben werden.

Im folgenden wird die Wirkungsweise des Ausführungsbei­ spiels erläutert.

Signale von den Geräuschsensoren 2 ₁, 2 ₂, welche ein Maß für Geräusche von den Rädern 1 ₁, 1 ₂ sind, werden über die Anti­ aliasing-Filter 12 ₁, 12 ₂ in die entsprechenden A/D-Umsetzer 4 ₁, 4 ₂ der adaptiven Regelschaltung 3 eingespeist. Die A/D- Umsetzer tasten ihrerseits die Eingangssignale ab und spei­ sen die entsprechenden Impulsfolgen als Bezugssignale x(n) in die Regelblöcke 3 ₁ bis 3 ₄ ein. Diese Regelblöcke 3 ₁ bis 3 ₄ erzeugen auf der Basis der Eingangsbezugssignale x(n) Löschsignale mit Transfercharakteristiken H′₁ bis H′₄ (Pseudo-Inverstransfercharakteristiken), welche die gleiche Amplitude wie die entsprechenden Transfercharakteristiken H₁ bis H₄ des Geräusches von den entsprechenden Rädern 1 ₁, 1 ₂ zum Fahrgast besitzen aber in ihrer Phase invers zu diesen Charakteristiken sind. Die Löschsignale von den Regelblöcken 3 ₁, 3 ₂ werden in einem Addierer 5 ₁ und die Löschsignale von den Regelblöcken 3 ₃, 3 ₄ in einem Addierer 5 ₂ addiert. Die resultierenden Summen werden durch D/A-Umsetzer 6 ₁, 6 ₂ in Analogsignale umgesetzt, welche durch entsprechende Ver­ stärker 7 ₁, 7 ₂ zur Ansteuerung der entsprechenden Lautspre­ cher 8 ₁, 8 ₂ zwecks Erzeugung von Sekundärgeräusch, d. h. Löschgeräusch, verstärkt werden.

Die Mikrophone 9 ₁, 9 ₂ nehmen das Sekundärgeräusch von den Lautsprechern 8 ₁, 8 ₂ sowie das direkt von den Rädern 1 ₁, 1 ₂ kommende Geräusch auf, wobei die aufgenommenen Geräuschsig­ nale über Antialiasing-Filter 13 ₁, 13 ₂ auf A/D-Umsetzer 10 ₁, 10 ₂ gegeben werden, welche die Eingangssignalgeräuschsignale abtasten und die resultierenden Impulsfolgen als Fehlersig­ nale ε₁, ε₂ in die Prozessoren LMS′ der Regelblöcke 3 ₁ bis 3 ₄ einspeisen. Die Prozessoren LMS′ legen den Basisände­ rungswert ΔH′i_BASE fest, um den die inverse Transfercha­ rakteristik Hi des Schaltungssystems, zu dem eine entspre­ chende Kombination der Lautsprecher 8 ₁, 8 ₂ und der Mikropho­ ne 9 ₁, 9 _2, gehört, in Abhängigkeit von den Fehlersignalen ε₁, ε₂ zu ändern ist und korrigieren den festgelegten Basis­ änderungswert ΔH′i_BASE (speziell eine Zeitkomponente im Wert ΔH′i_BASE) mittels des Verzögerungsfaktors Δml des gleichen Schaltungssystems; mit anderen Worten ausgedrückt, wird das Eingangsbezugssignal x(n) um eine vorgegebene Ver­ zögerungszeitperiode entsprechend dem Verzögerungsfaktor Δml verzögert. Somit wird die inverse Transfercharakte­ ristik H′i im Sinne einer Minimierung des Fehlers ε₁, ε₂ geändert.

Der Verzögerungsfaktor Δml wird vorher auf der Basis der Übertragungszeitverzögerung zwischen dem Lautsprecher 8m und dem entsprechenden Mikrophon 91, der Zeitverzögerung des entsprechenden Analogsystems (Filter 12, 13 usw.), usw. fest­ gelegt und in den Algorithmus des entsprechenden Prozessors LMS′ der adaptiven Regelschaltung 3 eingesetzt.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen aktiven Vibrationsregelsystems handelt es sich um ein sog. System mit zwei Eingängen, zwei Ausgängen und einer Zweipunktregelung mit zwei Geräuschsensoren als erste Sensoranordnung, zwei Lautsprechern als Löschvibrationsge­ neratoren und zwei Mikrophonen als zweite Sensoranordnung. Die Erfindung ist jedoch nicht auf ein derartiges System be­ schränkt. Es sind auch andere Systeme mit einem Eingang, mehreren Ausgängen und einer Mehrpunktregelung sowie mit mehreren Eingängen, mehreren Ausgängen und Mehrpunktrege­ lungen möglich. Darüber hinaus ist die Erfindung nicht auf ein Straßengeräusch-Regelsystem gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform beschränkt. Sie ist auf alle möglichen For­ men von aktiven Vibrationsregelsystemen einschließlich eines Motorgeräusch-Regelsystems anwendbar.

Claims (4)

1. Aktives Vibrationsregelsystem mit
wenigstens einer Vibrationsquelle (1 ₁, 1 ₂), einer ersten Sensoranordnung (2 ₁, 2 ₂) zur Erfassung von Vibrationen von der Vibrationsquelle (1 ₁, 1 ₂),
einer Regelanordnung (3), die ein Ausgangssignal der ersten Sensoranordnung (2 ₁, 2 ₂) als Bezugssignal auf­ nimmt und in Abhängigkeit von diesem ein Löschsignal mit einer zu einer Transfercharakteristik für Vibra­ tionen von der Vibrationsquelle (1 ₁, 1 ₂) auf den menschlichen Körper inversen Transfercharakteristik,
einem von einem Ausgangssignal der Regelanordnung (3) angesteuerten Löschvibrationsgenerator (8 ₁, 8 ₂) zur Erzeugung von Löschvibration,
einer zweiten Sensoranordnung (9 ₁, 9 ₂) zur Erfassung eines Fehlers zwischen der Vibration von der Vibra­ tionsquelle (1 ₁, 1 ₂) und der Löschvibration vom Lösch­ vibrationsgenerator (8 ₁, 8 ₂) und Erzeugung eines ein Maß für den erfaßten Fehler darstellenden Fehlersig­ nals,
wobei die Regelanordnung (3) die inverse Transfer­ charakteristik zur Fehlerminimierung um einen dem Fehlersignal entsprechenden Betrag sowie durch Verzö­ gerung des Bezugssignals um eine vorgegebene Verzöge­ rungszeitperiode ändert.

2. Aktives Vibrationsregelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Verzögerungszeit­ periode eine Übertragungszeitverzögerung zwischen dem Löschvibrationsgenerator (8 ₁, 8 ₂) und der zweiten Sen­ soranordnung (9 ₁, 9 ₂) und eine Zeitverzögerung des aktiven Vibrationsregelsystems enthält.

3. Aktives Vibrationsregelsystem nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelanordnung (3) einen Basisänderungswert festlegt, um den die inverse Transfercharakteristik des Löschsignals in Abhängigkeit vom Fehlersignal zu ändern ist, und den festgelegten Basisänderungswert um die vorgegebene Verzögerungszeit­ periode korrigiert.

4. Aktives Vibrationsregelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelanordnung (3) A/D-Umsetzer (4 ₁, 4 ₂) zur Abtastung von Ausgangsim­ pulsen von der ersten Sensoranordnung (2 ₁, 2 ₂) und Er­ zeugung einer Impulsfolge als Bezugssignal, adaptive Digitalfelder (ADF1 bis ADF4) zur Erzeugung einer Pseu­ do-Inverstransfercharakteristik, welche zur Vibrations- Transfercharakteristik invers ist, sowie Prozessoren (LMS′) umfaßt, wobei die Prozessoren (LMS′) das Fehler­ signal von der zweiten Sensoranordnung (8 ₁, 8 ₂) auf­ nehmen und die A/D-Umsetzer (4 ₁, 4 ₂) und die Prozesso­ ren (LMS′) direkt miteinander verbunden sind.