DE4236155A1 - Actively reducing internal noise in motor vehicle - using measuring microphone(s) and loudspeaker(s) to compensate detected noise by propagating sound field of opposite phase to that of disturbing noise - Google Patents
Actively reducing internal noise in motor vehicle - using measuring microphone(s) and loudspeaker(s) to compensate detected noise by propagating sound field of opposite phase to that of disturbing noiseInfo
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Abstract
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.The invention relates to a method for active Interior noise reduction in vehicles according to the generic term of claim 1 and an arrangement for implementation of the procedure.
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.The performance of the driver of a motor vehicle is not insignificant from the noise level in the vehicle interior influences. The interior noise of four-cylinder vehicles engines is very much determined by the engine speed.
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.There are already procedures for active noise reduction in the Interior of vehicles, in particular motor vehicles known. This is an active noise compensation by the Cancellation of sound by an anti-phase emitted Sound field reached. The replication and inversion of the Sound field in the vehicle interior bumps due to its complex spatial distribution and the complicated Frequency bands on big problems. It is therefore mostly only selected frequencies, mainly the second motor harmonious, compensated.
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.In the "Automobiltechnische Zeitschrift" 92 (1990) 1, Pages 6 to 12, is a facility for active interior Noise reduction suggested by the engine speed going out. The current speed is directly on the engine block detected and a digital signal processor and a sound or Sinus generator for determining the noise-determining second Engine regulations supplied. As the second engine order, the twice the frequency of the crankshaft speed. The Frequency of the compensation signal is derived from this measurement Engine speed determined. The vehicle interior noise is from Microphones arranged in suitable places in the interior net are added while driving. In the signal processor will continuously monitor the amplitude and phase of the recorded signal determined and to control the sound genes rators used, also on the crankshaft speed of the engine is synchronized. A counter becomes in the tone generator signal generated, which is emitted via loudspeakers.
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.In the method and proposed in DE 27 21 754 A1 the arrangement for reducing the noise level in the head Area of people becomes a particularly disturbing frequency share in the noise caused by the noise source level an equiphase sinusoidal sound signal Intensity overlaid.
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.It is disadvantageous in all known methods and devices that the determination of the compensation signal is independent depending on the influence of the physical environment in which the Transfer function acts, takes place. Changed environmental conditions are therefore only inadequate through a follow-up optimization based on the measurement signal from the measurement microphone inspects. The compensation behavior can, however Experience has shown that it changes so quickly that the entire compensation arrangement tends to oscillate.
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.The invention is therefore based on the object Method and an arrangement of the generic type create with which the transfer function currently determines and taken into account for the calculation of the compensation signal can be.
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. The task is characterized by the characteristics of the Claims 1 and the independent claim 10 solved. The inclusion of changes in the physical Environmental parameters by correcting the simulated ones Transmission function allows interior noise reduction, that remains constant across all conceivable environmental conditions. In addition to the constant quality that can be achieved, the noise Compensation is both with the inventive method a technically less complex narrowband compensation one or a few selected frequencies (e.g. the 2nd or 2nd and 4th harmonics) as well as a real wide bandy compensation with high software and hardware expenditure rea lisable. The expansion to broadband compensation is particularly fast with a high signal processing speed and a large storage space u. a. for the Enter many tables to correlate the current one Noise level and the associated transmission to be activated function guaranteed.
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.By directly measuring the transfer function during the Compensation with a subliminal excitation signal, whose level is below that generated by the driving noise Threshold of human hearing, it is without Disturbance of vehicle occupants possible, an optimal result the reduction of all driving noises inside the vehicle to achieve space.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantageous embodiments of the invention result itself from the subclaims.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Ausführungs beispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:The invention is based on two embodiments examples explained in more detail. In the accompanying drawing demonstrate:
Fig. 1 das vereinfachte Blockschaltbild der Anordnung zur aktiven Innengeräuschreduzierung, Fig. 1 shows the simplified block diagram of the arrangement for active noise reduction inner,
Fig. 2 das Diagramm der Kompensationswellenlänge in Abhängigkeit von der Temperatur und Fig. 2 shows the diagram of the compensation wavelength as a function of temperature and
Fig. 3 das Diagramm der Schalldruckpegel für verschiedene Geräusche. Fig. 3 shows the diagram of the sound pressure level for different noises.
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.In Fig. 1, the simplified block diagram of the Anord voltage for active interior noise reduction using a narrow band compensation is shown. The space to be compensated 3 , here the passenger compartment of a motor vehicle, contains microphones 5 and speakers 6 , between which the acoustic transmission path 4 is formed. In room 3 , a sensor 2 for detecting physical parameters is arranged in room 3 to be compensated for. The signal from sensor 2 is correlated with values stored in a memory 10 of a digital processor 11 . The digital processor 11 , which can be a signal processor, a microprocessor or the like and which is equipped with the necessary peripherals for calculating the compensation signal, contains, according to FIG. 1, an amplitude controller 7 as the most important functional unit, which has a phase controller 8 is coupled, both of which are connected to the signal of the sensor 2 via the memory 10 . The processor 11 further contains a sine generator 12 , preferably for generating frequencies between 50 and 900 Hz, the output of which is connected to the phase controller 8 , and an optimizer 9 , the output signals of which are each fed to the amplitude controller 7 and the phase controller 8 and which one its input is connected to the compensation microphone 5 . One input of the processor 11 is acted upon by a speed-dependent signal from the crankshaft of the engine 1 , which causes the sine generator 12 to be synchronized with the crankshaft speed. The output of the processor 11 is connected to the compensation speaker 6 .
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.The physical parameters to be detected by the sensor 2 from the room 3 can, for. B. the temperature in the room, the humidity, the air pressure, the air composition and room reflections. In the example, sensor 2 is used to record the temperature.
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.In order to effectively compensate for noise on the compensation microphone 5 , it is necessary to determine the transfer function of the entire transfer chain (D / A converter, filter, air, filter, A / D converter) and when calculating the compensation signal to consider. Changes in the interior 3 of the motor vehicle are reflected in changes in the transfer function. If they exceed certain limit values, these changes must be taken into account when calculating the compensation signal. The transfer function, ie the amplitude and the phase of the signal to be transmitted between the compensation loudspeaker 6 and the compensation microphone 5 , is dependent on the physical environment in which it acts, that is to say on the conditions in room 3 . A corresponding predetermined signal propagation time correction is possible by assigning the measured physical quantities to the changed sound propagation, so that the compensation on the compensation microphone 5 does not deteriorate significantly. The correction tables are available in the memory 10 of the processor 11 , or the corrections are calculated in online operation and taken into account when determining the compensation signal.
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.In the example, the temperature in the room 3 is measured by the sensor 2 and correlated with the tables stored in the memory 10 of the digital processor 11 .
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:The transfer function between the compensation sound speaker and the compensation microphone, which as a measuring microphone is dependent on the temperature. It exists for the Speed of sound c the following dependence on the Temperature:
wobei bedeuten
K das Verhältnis der spezifischen Wärmen
R die Gaskonstante
T die absolute Temperatur
µ das Molekulargewicht.
where mean
K the ratio of the specific heat
R the gas constant
T is the absolute temperature
µ the molecular weight.
Daraus ergibt sich bei einer konstanten Kompensationsfrequenz f die WellenlängeThis results in a constant compensation frequency f the wavelength
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.By changing the wavelength λ depending on the temperature on the microphone 5, the antinodes and nodes move, so that a change in the compensation behavior occurs up to the tendency to oscillate the entire compensation arrangement.
In der Fig. 2 ist die Phasenverschiebung des Kompensations signales am Mikrofon 5 bei einer Temperaturänderung von 20°C auf 40°C dargestellt.In FIG. 2, the phase shift of the compensation is shown the signal at the microphone 5 with a temperature change of 20 ° C to 40 ° C.
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.The phase shift ϕ between the sine wave with the wavelength λ 20 at 20 ° C and the sine wave with the wavelength λ 40 at 40 ° C is compensated by a time of flight correction (correction curve α). So that the compensation signal can be superimposed in phase on the interference signal after a temperature change, the transit time is compensated for by a corresponding "distortion" of the compensation signal on the basis of a correction variable corresponding to the temperature change from the memory 10 . The actual compensation signal is calculated in the optimizer 9 , which calculates the amplitude and corresponding counter phase from the supplied microphone signals and the current speed-dependent signal from the crankshaft of the engine 1 and via the sine wave generator 12 , the frequency of which is also controlled by the engine speed, as phase-inverted sinusoidal signals on the speaker 6 . In addition, it is expedient to detect the degree of occupancy in the vehicle via sensors and, from this, to activate the associated transfer function so that changes in the transfer function due to changes in occupancy are taken into account. The occupation with one to five people is z. B. taken into account by tables stored in memory 10 , which are then selected and used for compensation.
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.The embodiment shows the basic way of Noise reduction using narrowband compensation, d. H. a selected frequency, here the 2nd harmonic. However, the process is straightforward for several harmonics or for any frequency range using a broadband compensation applicable. The influencing variables are then in one Large number of tables, for example.
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.According to an advantageous embodiment of the invention instead of measuring the environmental impact in the environment of the Transfer function a direct measurement of the transfer function performed even during the compensation.
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. Fig. 3 shows a diagram of the sound pressure level curve different signals depending on the frequency. Curve A symbolizes the driving noise, which is smoothed by a compensation signal B for the 2nd engine harmonic to curve C for the compensated driving noise. The curve D symbolizes the masking threshold caused by the driving noise in the human ear, below which no noise can be heard. This concealment threshold is used to carry out a measurement of the transfer function during the compensation, even when driving, with a subliminal measurement signal E. The subliminal measurement signal is z. B. a sliding sine. By z. B. matched filtering, the measurement signal, after passing through the acoustic transmission path and recording by the measurement microphone, separated from the driving noise and used to determine the current transfer function.
BezugszeichenlisteReference list
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 1 engine
2 sensor
3 room
4 transmission path
5 compensation microphone (measuring microphone)
6 compensation speakers
7 amplitude controls
8 phase controller
9 optimizers
10 memories
11 processor
12 sine generator
AE curves
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