DE4236155A1 - Verfahren und Anordnung zur aktiven Innengeräuschreduzierung bei Fahrzeugen - Google Patents

Verfahren und Anordnung zur aktiven Innengeräuschreduzierung bei Fahrzeugen

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur aktiven Innengeräuschreduzierung bei Fahrzeugen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Leistungsfähigkeit des Fahrers eines Kraftfahrzeuges wird nicht unwesentlich vom Geräuschpegel im Fahrzeuginnenraum be­ einflußt. Das Innengeräusch von Fahrzeugen mit Vierzylinder­ motoren wird sehr stark von der Motordrehzahl bestimmt.
Es sind bereits Verfahren zur aktiven Geräuschminderung im Innenraum von Fahrzeugen, insbesondere von Kraftfahrzeugen bekannt. Dabei wird eine aktive Geräuschkompensation durch die Auslöschung von Schall durch ein gegenphasig abgestrahltes Schallfeld erreicht. Die Nachbildung und Invertierung des Schallfeldes im Fahrzeug-Innenraum stößt aufgrund seiner komplexen räumlichen Verteilung und der komplizierten Frequenzbänder auf große Probleme. Es werden daher meist nur ausgewählte Frequenzen, hauptsächlich die zweite Motor­ harmonische, kompensiert.
In der "Automobiltechnischen Zeitschrift" 92 (1990) 1, Seiten 6 bis 12, wird eine Einrichtung zur aktiven Innen­ geräuschreduzierung vorgeschlagen, die von der Motordrehzahl ausgeht. Die aktuelle Drehzahl wird direkt am Motorblock erfaßt und einem digitalen Signalprozessor und einem Ton- bzw. Sinusgenerator zur Bestimmung der geräuschbestimmenden zweiten Motorordnung zugeführt. Als die zweite Motorordnung wird die doppelte Frequenz der Kurbelwellendrehzahl bezeichnet. Die Frequenz des Kompensationssignals wird aus dieser Messung der Motordrehzahl bestimmt. Das Fahrzeuginnengeräusch wird von Mikrofonen, die an geeigneten Stellen des Innenraumes angeord­ net sind, während des Fahrbetriebes aufgenommen. Im Signal­ prozessor wird fortlaufend die Amplitude und die Phase des aufgenommenen Signals bestimmt und zur Steuerung des Tongene­ rators verwendet, der ebenfalls auf die Kurbelwellendrehzahl des Motors synchronisiert ist. Im Tongenerator wird ein Gegen­ signal erzeugt, welches über Lautsprecher abgestrahlt wird.
Bei dem in der DE 27 21 754 A1 vorgeschlagenen Verfahren und der Anordnung zur Verringerung des Geräuschpegels im Kopf­ bereich von Personen wird einem besonders störenden Frequenz­ anteil in dem von der Geräuschquelle verursachten Geräusch­ pegel ein gegenphasiges sinusförmiges Schallsignal gleicher Intensität überlagert.
Nachteilig ist es bei allen bekannten Verfahren und Einrich­ tungen, daß die Ermittlung des Kompensationssignales unab­ hängig von dem Einfluß der physikalischen Umgebung, in der die Übertragungsfunktion wirkt, erfolgt. Veränderte Umweltbe­ dingungen werden damit nur unzureichend durch eine Nach­ optimierung anhand des Meßsignals vom Meßmikrofon berück­ sichtigt. Das Kompensationsverhalten kann sich jedoch erfahrungsgemäß sehr schnell so stark verändern, daß die gesamte Kompensationsanordnung zum Schwingen neigt.
Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, mit dem die Übertragungsfunktion aktuell bestimmt und zur Berechnung des Kompensationssignals berücksichtigt werden kann.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und des nebengeordneten Anspruches 10 gelöst. Die Einbeziehung von Veränderungen bei den physikalischen Umgebungsparametern durch Korrektur der nachgebildeten Übertragungsfunktion erlaubt eine Innengeräuschreduzierung, die über alle denkbaren Umgebungszustände konstant bleibt. Neben der erreichbaren gleichbleibenden Güte der Geräusch­ kompensation ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl eine technisch weniger aufwendige Schmalbandkompensation einer oder einiger weniger ausgewählter Frequenzen (z. B. der 2. oder 2. und 4. Motorharmonischen) als auch eine echte breit­ bandige Kompensation mit hohem Soft- und Hardware-Aufwand rea­ lisierbar. Die Erweiterung auf eine breitbandige Kompensation ist insbesondere mit einer hohen Signalverarbeitungsgeschwin­ digkeit und einem großen Speicherplatzangebot u. a. für die Eingabe vieler Tabellen zur Korrelation zwischen dem aktuellen Geräuschpegel und der zu aktivierenden zugehörigen Übertra­ gungsfunktion gewährleistet.
Durch die direkte Messung der Übertragungsfunktion während der Kompensation mit einem unterschwelligen Anregungssignal, dessen Pegel unter der durch die Fahrgeräusche erzeugten Verdeckungsschwelle des menschlichen Gehörs liegt, ist es ohne Störung der Fahrzeuginsassen möglich, ein optimales Ergebnis der Geräuschreduzierung aller Fahrgeräusche im Fahrzeuginnen­ raum zu erzielen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Ausführungs­ beispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
Fig. 1 das vereinfachte Blockschaltbild der Anordnung zur aktiven Innengeräuschreduzierung,
Fig. 2 das Diagramm der Kompensationswellenlänge in Abhängigkeit von der Temperatur und
Fig. 3 das Diagramm der Schalldruckpegel für verschiedene Geräusche.
In der Fig. 1 ist das vereinfachte Blockschaltbild der Anord­ nung zur aktiven Innengeräuschreduzierung anhand einer Schmal­ bandkompensation dargestellt. Der zu kompensierende Raum 3, hier der Fahrgastraum eines Kraftfahrzeuges, enthält Mikrofone 5 und Lautsprecher 6, zwischen denen der akustische Übertra­ gungsweg 4 gebildet ist. Im Raum 3 ist ein Sensor 2 zur Er­ fassung von physikalischen Parametern im zu kompensierenden Raum 3 angeordnet. Das Signal des Sensors 2 wird mit in einem Speicher 10 eines digitalen Prozessors 11 abgelegten Werten korreliert. Der digitale Prozessor 11, der ein Signal­ prozessor, ein Mikroprozessor o. dgl. sein kann und der mit der notwendigen Peripherie zur Berechnung des Kompensations­ signales ausgestattet ist, enthält gemäß der Fig. 1 als wichtigste Funktionseinheiten einen Amplitudenregler 7, der mit einem Phasenregler 8 gekoppelt ist, die beide über den Speicher 10 mit dem Signal des Sensors 2 verbunden sind. Der Prozessor 11 enthält des weiteren einen Sinusgenerator 12, vorzugsweise zur Erzeugung von Frequenzen zwischen 50 und 900 Hz, dessen Ausgang an den Phasenregler 8 gelegt ist sowie einen Optimierer 9, dessen Ausgangssignale jeweils an den Amplitudenregler 7 und den Phasenregler 8 geführt sind und welcher an seinem Eingang mit dem Kompensationsmikrofon 5 verbunden ist. Der eine Eingang des Prozessors 11 ist mit einem drehzahlabhängigen Signal von der Kurbelwelle des Motors 1 beaufschlagt, das eine Synchronisierung des Sinusgenerators 12 mit der Kurbelwellendrehzahl bewirkt. Der Ausgang des Prozes­ sors 11 ist auf den Kompensationslautsprecher 6 geschaltet.
Die durch den Sensor 2 zu erfassenden physikalischen Parameter aus dem Raum 3 können z. B. die Temperatur im Raum, die Feuchtigkeit, der Luftdruck, die Luftzusammensetzung und Raumreflexionen sein. Im Beispiel dient der Sensor 2 zur Erfassung der Temperatur.
Um eine wirksame Kompensation von Geräuschen am Kompensations­ mikrofon 5 zu erhalten ist es notwendig, die Übertragungs­ funktion der gesamten Übertragungskette (D/A-Wandler, Filter, Luft, Filter, A/D-Wandler) zu ermitteln und bei der Berech­ nung des Kompensationssignals zu berücksichtigen. Veränderungen im Innenraum 3 des Kraftfahrzeuges äußern sich in Veränderungen der Übertragungsfunktion. Diese Veränderungen müssen, wenn sie gewisse Grenzwerte überschreiten, bei der Berechnung des Kompensationssignals berücksichtigt werden. Die Übertragungsfunktion, d. h. die Amplitude und die Phase des zwischen dem Kompensationslautsprecher 6 und dem Kompensationsmikrofon 5 zu übertragenden Signals, ist von der physikalischen Umgebung in der sie wirkt abhängig, also von den Bedingungen im Raum 3. Durch die Zuordnung der gemessenen physikalischen Größen zur veränderten Schallausbreitung ist eine entsprechende vorherbestimmte Signallaufzeitkorrektur möglich, so daß sich die Kompensation am Kompensationsmikrofon 5 nicht wesentlich verschlechtert. Die Korrekturtabellen stehen im Speicher 10 des Prozessors 11 zur Verfügung, oder es werden im On-Line-Betrieb die Korrekturen berechnet und bei der Bestimmung des Kompensationssignals berücksichtigt.
Im Beispiel wird durch den Sensor 2 die Temperatur im Raum 3 gemessen und mit den im Speicher 10 des digitalen Prozessors 11 abgelegten Tabellen korreliert.
Die Übertragungsfunktion zwischen dem Kompensationslaut­ sprecher und dem Kompensationsmikrofon, welches als Meß­ mikrofon dient, ist temperaturabhängig. Es besteht für die Schallgeschwindigkeit c die folgende Abhängigkeit von der Temperatur:
wobei bedeuten
K das Verhältnis der spezifischen Wärmen
R die Gaskonstante
T die absolute Temperatur
µ das Molekulargewicht.
Daraus ergibt sich bei einer konstanten Kompensationsfrequenz f die Wellenlänge
Durch die Veränderung der Wellenlänge λ in Abhängigkeit von der Temperatur verschieben sich am Mikrofon 5 die Schwingungs­ bäuche und -knoten, so daß eine Veränderung des Kompensations­ verhaltens bis hin zur Schwingneigung der ganzen Kompensationsanordnung auftritt.
In der Fig. 2 ist die Phasenverschiebung des Kompensations­ signales am Mikrofon 5 bei einer Temperaturänderung von 20°C auf 40°C dargestellt.
Die Phasenverschiebung ϕ zwischen der Sinuswelle mit der Wellenlänge λ 20 bei 20°C und der Sinuswelle mit der Wellen­ länge λ 40 bei 40°C wird durch eine Laufzeitkorrektur aus­ geglichen (Korrekturkurve α). Damit das Kompensationssignal dem Störsignal nach einer Temperaturänderung phasenrichtig überlagert werden kann, wird die Laufzeit durch eine ent­ sprechende "Verzerrung" des Kompensationssignals anhand einer mit der Temperaturänderung korrespondierenden Korrek­ turgröße aus dem Speicher 10 ausgeglichen. Das eigentliche Kompensationssignal wird in dem Optimierer 9 errechnet, der aus den zugeführten Mikrofonsignalen und dem aktuellen dreh­ zahlabhängigen Signal von der Kurbelwelle des Motors 1 die Amplitude und entsprechende Gegenphase berechnet und über den Sinusgenerator 12, dessen Frequenz ebenfalls von der Motor­ drehzahl gesteuert wird, als phaseninvertierte Sinussignale auf den Lautsprecher 6 gibt. Darüber hinaus ist es zweckmäßig, über Sensoren den Besetzungsgrad im Fahrzeug zu erfassen und daraus abgeleitet, die zugehörige Übertragungsfunktion zu aktivieren, so daß Änderungen der Übertragungsfunktion durch Besetzungsänderungen berücksichtigt werden. Die Besetzung mit einer bis fünf Personen wird z. B. durch im Speicher 10 abgelegte Tabellen berücksichtigt, die dann ausgewählt und zur Kompensation benutzt werden.
Das Ausführungsbeispiel zeigt den prinzipiellen Weg der Geräuschreduzierung mittels einer Schmalbandkompensation, d. h. einer ausgewählten Frequenz, hier der 2. Motorharmonischen. Das Verfahren ist jedoch ohne weiteres für mehrere Harmonische bzw. für beliebige Frequenzbereiche mittels einer Breitband­ kompensation anwendbar. Die Einflußgrößen sind dann in einer Vielzahl von beispielsweise Tabellen einzuspeichern.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird anstelle der Messung der Umwelteinflüsse in der Umgebung der Übertragungsfunktion eine direkte Messung der Übertragungs­ funktion selbst während der Kompensation durchgeführt.
Die Fig. 3 zeigt in einem Diagramm den Schalldruck-Pegelver­ lauf verschiedener Signale in Abhängigkeit von der Frequenz. Durch die Kurve A ist das Fahrgeräusch symbolisiert, welches durch ein Kompensationssignal B für die 2. Motorharmonische zu der Kurve C für das kompensierte Fahrgeräusch geglättet ist. Die Kurve D symbolisiert die durch das Fahrgeräusch im menschlichen Gehör verursachte Verdeckungsschwelle, unter der kein Geräusch mehr hörbar ist. Diese Verdeckungsschwelle wird ausgenutzt, um mit einem unterschwelligen Meßsignal E eine Messung der Übertragungsfunktion während der Kompensation, auch im Fahrbetrieb durchzuführen. Das unterschwellige Meß­ signal ist z. B. ein Gleitsinus. Durch z. B. signalangepaßte Filterung, wird das Meßsignal, nach Durchlaufen des akustischen Übertragungsweges und Aufnehmen durch das Meßmikrofon, vom Fahrgeräusch getrennt und zur Bestimmung der aktuellen Über­ tragungsfunktion verwendet.
Bezugszeichenliste
 1 Motor
 2 Sensor
 3 Raum
 4 Übertragungsweg
 5 Kompensationsmikrofon (Meßmikrofon)
 6 Kompensationslautsprecher
 7 Amplitudenregler
 8 Phasenregler
 9 Optimierer
10 Speicher
11 Prozessor
12 Sinusgenerator
A-E Kurvenverläufe

Claims (10)

1. Verfahren zur aktiven Innengeräuschreduzierung bei Fahrzeugen, mit mindestens einem Kompensationslautsprecher zum Abstrahlen eines zum störenden Geräusch gegenphasigen Schallfeldes und mindestens einem Meßmikrofon, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die physikalische Übertragungsfunktion zwischen dem mindestens einen Kompensationslautsprecher (6) und dem mindestens einen Meßmikrofon (5) sowie zwischen mindestens einer Störquelle und dem mindestens einen Meßmikrofon (5) einwirkenden Umgebungsparameter über Sensoren (2) erfaßt werden, daß aus den von den Sensoren (2) gemessenen physi­ kalischen Größen der veränderten Schallausbreitung eine Kor­ rektur der nachgebildeten Übertragungsfunktion vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachbildung der physikalischen Übertragungsfunktion in Form einer Tabelle oder einer mathematischen Funktion oder einer Kombination aus beiden erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über die Sensoren (2) die Umgebungstemperatur gemessen wird und die Korrektur der nachgebildeten Übertragungsfunktion in Abhängigkeit von der Temperaturveränderung bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei extremen Umgebungsbedingungen die Kompensation abgeschaltet wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für die Korrektur der nachgebildeten Übertra­ gungsfunktion Korrekturtabellen in den Speicher (10) eines Prozessors (11) eingegeben werden.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Korrekturen der nachgebildeten Übertra­ gungsfunktionen im On-Line-Betrieb berechnet werden.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Innenraum (3) des Fahrzeuges die Besetzung der Sitzplätze durch Sensoren erfaßt wird und daß in Abhängig­ keit vom Besetzungsgrad die zugehörige Korrektur der nachge­ bildeten Übertragungsfunktion erfolgt.
8. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum (3) des Fahrzeuges mindestens ein Sensor (2) angeordnet ist, der mit dem Eingang des Amplituden- und Phasenreglers (7, 8) verbunden ist.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der im Innenraum (3) angeordnete Sensor (2) ein Temperatursensor ist, der über eine mit der gemessenen Temperatur korres­ pondierenden Speichereinrichtung (10) mit den Eingängen des Amplituden-und Phasenreglers (7, 8) verbunden ist.
10. Verfahren zur aktiven Innengeräuschreduzierung bei Fahr­ zeugen mit mindestens einem Kompensationslautsprecher und mindestens einem Meßmikrofon, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfunktion während der Kompensation mit einem unterschwelligen Anregungssignal direkt gemessen wird, daß das Anregungssignal nach dem Durchlaufen des akustischen Über­ tragungsweges (4) und dem Aufnehmen durch das Meßmikrofon (5) durch eine schmalbandige Bandpaßfilterung oder eine andere signalangepaßte Filterung, wie durch das Kreuzkorrelations­ verfahren, vom Fahrgeräusch getrennt und zur Bestimmung der aktuellen Übertragungsfunktion verwendet wird.
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