DE4334943A1 - Vorrichtung zur aktiven akustischen Schallkompensation von tonalem Störschall - Google Patents

Vorrichtung zur aktiven akustischen Schallkompensation von tonalem Störschall

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur ak­ tiven akustischen Schallunterdrückung nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.
Eine derartige Vorrichtung zur aktiven akustischen Schallunterdrückung ist beispielsweise aus der US 4 677 676 bekannt. Diese bekannte Vorrichtung stellt ein akustisches System in einem Hohlraum dar, bei dem am Eingang des Hohlraumes mittels eines ersten Mikrofons ein Störschall erfaßt wird, der einem Regelsystem, das beispielsweise ein Adaptives Digitales Filter (ADF) ent­ hält, zugeführt wird. Das Regelsystem erzeugt aus dem Störschall einen Kompensationsschall, der über einen Lautsprecher in den Hohlraum abgegeben wird. Der Kompen­ sationsschall, auch Antischall genannt, wird derart ge­ bildet, daß er dem Störschall entgegenwirkt, so daß der Störschall zumindest nahezu ausgelöscht wird.
Da eine vollständige Auslöschung des Störschalls durch den Kompensationsschall aufgrund von Ungenauigkeiten und Zeitverzögerungen im Regelsystem oder in den verwendeten Sensoren bzw. Schallgebern meist nicht erreicht wird, wird zusätzlich ein zweites Mikrofon an einem Ort, an dem die Auslöschung erfolgen soll, angebracht, das den Restschall erfaßt, der sich ergibt, wenn der Kompensa­ tionsschall dem Störschall überlagert wird.
Durch die Rückführung des Restschalls zum Regelsystem wird eine Korrektur vorgenommen, die zu einem besseren Unterdrücken des Störschalls führt als ohne Rückführung des Restschalls. Jedoch hat die bekannte Vorrichtung den Nachteil, daß Phasenverschiebungen zwischen dem Schallge­ ber und dein zweiten Mikrofon vernachlässigt werden und dadurch das Regelsystem instabil werden kann.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur akti­ ven akustischen Schallkompensation, insbesondere von to­ nalem Störschall, zu schaffen, die eine mögliche Phasenverschiebung zwischen dem Schallgeber und dem den Restschall erfassenden Sensor berücksichtigt und somit Stabilität und Funktion des Reglers auch für sich schnell ändernde Betriebsbedingungen gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird zwischen dem Ausgang des zweiten Sensors bzw. des den Restschall erfassenden Sensors und dem der Rückführung des Restschalls zugeordneten Eingang des Adaptiven Digitalen Filters ein Phasenkorrekturglied zwischengeschaltet, das den Restschall um eine Phase verschiebt, die sich insbesondere aus der Frequenz des Eingangsschalls und der Phasenverschiebung durch die elektroakustische Übertragungsstrecke zwischen dem Schallgeber und dem zweiten Sensor ergibt.
Mit dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung ist insbeson­ dere ein tonaler Störschall, d. h. ein Störschall, der im wesentlichen aus einer Frequenz besteht, optimal kompen­ sierbar. Dabei kann dem Phasenkorrekturglied lediglich die zu verschiebende Zeitspanne bzw. Phase oder die In­ formation über die Periodendauer der Frequenz des tona­ len Störschalls und die Phasenverschiebung der inver­ tierten elektroakustischen Übertragungsstrecke zwischen dem Schallgeber und dem Schallaufnehmer bei der aktuel­ len Frequenz bekannt sein. Der Begriff elektroakustische Übertragungsstrecke ist auch als Sekundärstrecke be­ kannt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist der Gegenstand des Patentanspruchs 2.
Erfindungsgemäß wird die durch die elektroakustische Übertragungsstrecke hervorgerufene momentane Phasenver­ schiebung, vorzugsweise über eine Nachbildungsschaltung dieser elektroakustischen Übertragungsstrecke, von einer Überwachungseinheit kontinuierlich erfaßt. Die Über­ wachungseinheit ermittelt die Phase z. B. durch Invertie­ rung der Nachbildungsschaltung der elektroakustischen Übertragungsstrecke aufgrund der zu unterdrückenden Fre­ quenz des Störschalls. Hierzu wird die Nachbildungs­ schaltung der elektroakustischen Übertragungsstrecke mit einem Signal, das beispielsweise eine Sinusschwingung ist, dessen Periodendauer der Frequenz des Störschalls entspricht, angeregt. Die hieraus resultierende Phasen­ verschiebung wird mit Hilfe der Überwachungseinheit kon­ tinuierlich erfaßt und zur Anpassung des Phasenkorrek­ turglieds, das beispielsweise durch ein Digitales Filter realisiert wird, bei einer Änderung dieser Phasenver­ schiebung verwendet.
Mit dieser erfindungsgemäßen Weiterbildung werden Ände­ rungen in der Phasenverschiebung, die sich beispielswei­ se durch veränderte Motordrehzahlen ergeben können, bei der Zeit- bzw. Phasenkorrektur des Restschalls mitbe­ rücksichtigt. Dadurch wird die Korrektur der Phasenver­ schiebung genauer.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist der Gegenstand des Patentanspruchs 3.
Ändert sich, z. B. durch Temperaturänderungen, in den Fahrzeug-Schwingungssystemen bzw. in den Fahrzeughohl­ räumen das Übertragungsverhalten der elektroakustischen Übertragungsstrecke selbst, so wird die Nachbildungs­ schaltung der elektroakustischen Übertragungsstrecke den veränderten Bedingungen angepaßt. Hierzu wird die Nach­ bildungsschaltung der elektroakustischen Übertragungs­ strecke durch eine neue, bekannte Nachbildungsschaltung der elektroakustischen Übertragungsstrecke ersetzt, oder die Nachbildungsschaltung wird mit Hilfe eines weiteren Adaptiven Filter kontinuierlich den veränderten Bedin­ gungen angepaßt. Die Überwachungseinheit ist dadurch in der Lage, für unterschiedlichste Betriebsbedingungen in­ nerhalb kürzester Zeit eine optimale Einstellung des Phasenkorrekturgliedes zu erreichen.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung dargestellt. Sie zeigt eine erfindungsgemäße Vor­ richtung mit einem Phasenkorrekturglied als Zeit- bzw. Phasenkorrektureinheit.
In einem Hohlraum 5, vorzugsweise einem Fahrzeuginnen­ raum, sind ein erster Sensor S1, ein Schallgeber bzw. Lautsprecher L und ein zweiter Sensor bzw. Schallaufneh­ mer S2 angeordnet. Der erste Sensor S1, der z. B. ein Mi­ krofon oder ein Motordrehzahlaufnehmer ist, erfaßt als Eingangssignal a ein dem Störschall x entsprechendes Si­ gnal. Das Eingangssignal a enthält vorzugsweise eine to­ nale, z. B. drehzahlproportionale Frequenzkomponente f, die beispielsweise durch Motorschwingungen entsteht und über Fahrzeug-Schwingungssysteme an Fahrzeughohlräume, wie insbesondere den Kraftfahrzeuginnenraum 5, übertra­ gen wird. Der durch die tonale Frequenzkomponente f der Schwingungen entstandene Störschall x soll durch die erfindungsgemäße aktive akustische Schallkompensations­ vorrichtung unterdrückt bzw. ausgelöscht werden.
Das Eingangssignal a ist mit dem Eingang eines Adaptiven Digitalen Filters 2 und dem Eingang einer Nachbildungs­ schaltung 3′ verbunden. Die Nachbildungsschaltung 3′ bildet die elektroakustische Übertragungsstrecke 3 zwi­ schen dem Lautsprecher L und dem Mikrofon S2 elektro­ nisch nach. Die Nachbildungsschaltung 3′ führt zu einer Überwachungseinheit 4, die das aus dem Eingangssignal a durch die Nachbildungsschaltung 3′ erzeugte Signal a′ mit dem durch den Sensor S1 erfaßten Eingangssignal a vergleicht.
Der Ausgang des Adaptiven Digitalen Filters 2 ist an den Lautsprecher L angeschlossen. Der Ausgang des Mikrofons S2 ist mit einem Phasenkorrekturglied 1 verbunden, das wiederum an einem weiteren Eingang des Adaptiven Digita­ len Filters 2 angeschlossen ist.
Die vom Sensor S1 erfaßte Frequenz f des Eingangssignals a oder das Eingangssignal a selbst wird an das Adaptive Digitale Filter 2 übermittelt. Das Adaptive Digitale Filter 2 erkennt die Amplitude und die Phase des zu kom­ pensierenden tonalen Störschalls x und erzeugt daraufhin ein Kompensationssignal k′, das über den Lautsprecher L als Kompensationsschall k abgestrahlt wird und sich ge­ genphasig mit dem Eingangsschall x in dem Hohlraum 5 überlagert.
Da beispielsweise durch Rundungsfehler oder durch einen sich sehr schnell ändernden Störschall x ein Restschall e entstehen kann, wird dieser Restschall e, die Summe aus dem Kompensationsschall k und dem Störschall x, vom Schallaufnehmer S2 erfaßt. Darüber hinaus ist der Rest­ schall e bezogen auf die tatsächliche Differenz (x+k) zwischen dem Störschall x und dem Kompensationsschall k am Ausgang des Schallgebers L phasenverschoben. Daher wird erfindungsgemäß der Restschall e über das Phasenkorrekturglied 1 um eine Phase p verschoben, die aus der Periodendauer des Eingangssignals a und aus der Phasenverschiebung der elektroakustischen Übertragungs­ strecke 3 zwischen dem Lautsprecher L und dem Schallauf­ nehmer S2 gebildet wird. Der phasen-korrigierte und zum Adaptiven Digitalen Filter 2 rückgeführte Restschall e′ sorgt für die Erzeugung eines genaueren Kompensations­ schalls k zur Unterdrückung des Störschalls x.
Zur Ermittlung der Phasenverschiebung der elektroakusti­ schen Übertragungsstrecke 3 bzw. der Phase p wird das vom Sensor S1 erfaßte Eingangssignal a an die Nachbil­ dungsschaltung 3′ geführt, die beispielsweise als Filter ausgebildet ist. Die mit der Nachbildungsschaltung 3′ verbundene Überwachungseinheit 4 ermittelt mit dem ge­ filterten Signal a′ und dem ungefilterten Eingangssignal a des ersten Sensors S1, beispielsweise über einen adap­ tiven Prozeß, die Änderung der Phasenverschiebung bzw. die Phase p und programmiert das Phasenkorrekturglied 1 entsprechend der Änderung dieser Phasenverschiebung um. Ändert sich beispielsweise auch die elektroakustische Übertragungsstrecke 3, so wird die Nachbildungsschaltung 3′ nach dieser Veränderung entweder durch eine neue er­ setzt, oder über einen weiteren, hier nicht dargestell­ ten, adaptiven Prozeß kontinuierlich den veränderten Be­ dingungen angepaßt.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird ein flexi­ bles und stabiles Regelsystem zur Schallkompenation to­ nalen Störschalls erreicht.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur aktiven akustischen Schallkompen­ sation von tonalem Störschall in Hohlräumen eines Kraftfahrzeuges mit einem ersten Sensor, der die Frequenz des Störschalls erfaßt und dessen Ausgang mit einem Eingang eines Adaptiven Digitalen Fil­ ters verbunden ist, mit einem dem Adaptiven Digitalen Filter nachgeschalteten Schallgeber zur Erzeugung eines Kompensationsschalls und mit einem zweiten Sensor, der den Restschall zwischen dem Störschall und dem Kompensationsschall erfaßt und dessen Ausgang zumindest indirekt an einen Eingang des Adaptiven Digitalen Filters rückgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des zweiten Sensors (S2) ein Phasenkorrekturglied (1) an­ geordnet ist, das den Restschall (e) um eine Phase (p) derart verschiebt, daß eine Verschiebung des Restschalls (e) zwischen dem Schallgeber (L) und dem Ort des zweiten Sensors (S2) um dieselbe Phase (p) korrigiert wird.
2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Phase (p) durch eine Über­ wachungseinheit (4) ermittelt wird und daß das Phasenkorrekturglied (1) bei einer Änderung der Phase (p) angepaßt wird.
3. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachbildungsschaltung (3′) der elektroakustischen Übertragungsstrecke (3) Veränderungen in der elektroakustischen Übertragungsstrecke (3) angepaßt wird.
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