DE69417610T2

DE69417610T2 - Verfahren und Vorrichtung zur aktiven Dämpfung von Schwingungen

Info

Publication number: DE69417610T2
Application number: DE69417610T
Authority: DE
Inventors: Guy Billoud
Original assignee: MATRA CAP SYSTEMES VELIZY VILL
Current assignee: MATRA CAP SYSTEMES VELIZY VILL
Priority date: 1993-02-18
Filing date: 1994-02-15
Publication date: 1999-12-30
Anticipated expiration: 2014-02-16
Also published as: DE69417610D1; US5638304A; FR2701784A1; FR2701784B1; EP0612058B1; EP0612058A1

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur aktiven Dämpfung von Schwingungen, die dazu bestimmt sind, die Amplitude der Vibrationen einer mechanischen Vorrichtung oder einer Umgebung zu vermindern oder, falls möglich, auszulöschen.
Der Ausdruck "Vibrationen" soll in einer allgemeinen Bedeutung ausgelegt werden und gleichsam periodische und von Natur aus zufällige Phänomene und Phänomene ganz verschiedenen Ursprungs definieren, so wie etwa die Vibration einer mechanischen Vorrichtung oder die Vibration einer Flüssigkeit in der Form von Schallwellen mit freier oder geführter Ausbreitung in einem beliebigen Frequenzbereich.
Es ist ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt zur aktiven Dämpfung von Vibrationen an wenigstens einer bestimmten Stelle, die einem primären Vibrationsfeld ausgesetzt ist, und zwar gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder 5.
Die Fig. 1 zeigt als Beispiel eine klassische Anordnung einer solchen Vorrichtung, die bestimmt ist, Lärm mit beliebigem Ursprung zu vermindern, aber dessen Energie auf Oberschwingungen konzentriert ist, und zwar an einer bestimmten Stelle. Die Vorrichtung umfaßt im allgemeinen einen Sensor 10 vom Typ eines Mikrophons, das an dem zu schützenden Ort angeordnet ist, einen Generator 12 eines Referenzsignals x, das alle Oberschwingungen enthält, bei denen der zu dämpfende Lärm eine bemerkenswerte Energie darstellt, einen numerischen Filter 14, der das Referenzsignal empfängt, und eine Quelle 16 von Vibrationswellen, die bestimmt sind, mit dem primären Lärmfeld zu interferieren, wobei die Quelle über den Filter 14 gespeist wird. In diesem Fall ist die Quelle 16 im allgemeinen aus einem Lautsprecher gebildet, der einen "Gegenlärm" liefert.
Der Filter ist im allgemeinen ein numerischer Filter mit synchroner Abtastung und umfaßt folglich einen Analog-Digital-Ausgangswandler. Er ist adaptiv in der Funktion mit einem Fehlersignal e, das in Amplitude und Phase den Restlärm darstellt, der durch den Sensor 10 gesammelt wird. Im allgemeinen wird aus Gründen der Einfachheit die Anpassung mit einem Gradienten-Algorithmus bewirkt. Die Koeffizienten des Filters 14 sind ständig durch die Korrelation zwischen dem Fehlersignal e, das durch den Sensor 10 geliefert wird, und dem Signal x angepaßt, das durch die Verarbeitung des Referenzsignals x durch einen Schleifenfilter 18 erhalten wird, der eine Übertragungsfunktion aufweist, welche die physikalische Übertragungsfunktion zwischen der Quelle 16 und dem Sensor 10 für jede der zu verarbeitenden Oberschwingungen darstellt.
Es ist eine Vorrichtung der o. g. Art (GB-A-2257327) bekannt, die es erlaubt, einen zufälligen Lärm zu unterdrücken, der ein großes Frequenzband besetzt, gemäß der man ein Referenzsignal, das in der Nähe der Vibrationsquelle entnommen wird, in mehrere benachbarte Bänder aufteilt, und jede der Komponenten numerisch filtert, bevor man die Summe der gefilterten Signale bildet.
Es ist ebenso eine Dämpfungsvorrichtung der oben bestimmten Art bekannt (EP-A-0425352), die es ermöglicht, Vibrationen zu dämpfen, die mit identifizierbaren Frequenzen auftreten, bei der man die Signale aufsummiert, die von Sensoren zu einer synchronen analogen Detektierung stammen, und zwar mit Hilfe von Referenzsignalen, die verschiedenen Frequenzen der Energiekonzentration entsprechen.
In vielen Fällen sind die zu verarbeitenden Frequenzen Vielfache einer Grundfrequenz 1/T&sub0; des Referenzsignals. Dieser Fall ist insbesondere der Fall von durch eine sich drehende Welle erzeugten Lärm, bei dem die Grundfrequenz eine lineare Beziehung mit der Rotationsgeschwindigkeit darstellt. Die Oberschwingungen sind somit von der Form N/T&sub0;, wobei N eine beliebige ganze posi tive Zahl ist. In der Praxis reicht es für eine Vielzahl von Fällen aus, die Dämpfung für einige Werte von N sicherzustellen, die Frequenzen entsprechen, bei denen die Energie des zu dämpfenden primären Vibrationsfeldes konzentriert ist.
Die Konvergenzgeschwindigkeit des Gradienten-Algorithmus hängt ab von:
- den Autokorrelationsmatrizen des gefilterten Referenzsignals xF,
- dem Konvergenzkoeffizient (nicht der Iteration), der für den Algorithmus zur Anpassung der Koeffizienten des numerischen Filters gewählt ist.
Wenn die Anzahl der in Betracht zu ziehenden Frequenzen N/T&sub0; (d. h. wenn die Anzahl der Energiepeaks) groß ist, sind die Autokorrelationsmatrizen von der Art, daß die Konvergenz sehr langsam werden kann.
Die vorliegende Erfindung zielt vor allem darauf ab, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die besser als die bereits bekannten den praktischen Ansprüchen genügt, und zwar jedes Mal, wenn mehrere Frequenzen in Betracht zu ziehen sind, um eine ausreichende Dämpfung der Vibrationen sicherzustellen. Sie zielt vor allem darauf ab, die Zeit der Konvergenz in diesem Fall zu minimieren.
Dafür schlägt die Erfindung vor allem ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1 vor.
Man erkennt, daß man die diskreten Frequenzen, im allgemeinen die Oberschwingungen, zwischen mehreren unabhängigen Verarbeitungskanälen verteilt. Aufgrund der Verwendung von genauso vielen individuellen adaptiven Filterungen wie zu verarbeitenden Frequenzen bestimmt man die anpaßbaren Konvergenzkoeffizienen unabhängig, und zwar höchstens einen für die zu verarbeitende Frequenz. Man kann folglich die Konvergenz des Algorithmus beschleunigen. Für jeden Kanal kann der optimale Konvergenzkoeffizient u in einer Reihe auf grund einer Normalisierung durch das Inverse der Spur der Autokorrelationsmatrix der gefilterten Signale, jeweils x1f, x2f, ..., xNf, entsprechend den unterschiedlichen Frequenzen optimiert werden. Die Anzahl der notwendigen Abtastungen, um die individuellen Referenzsignale darzustellen, ist viel niedriger als diejenige, die notwendig ist, um ein komplexes nicht gefiltertes Referenzsignal darzustellen, weshalb jeder Kanal viel einfacher ist als derjenige, der für eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik notwendig ist.
Bei den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik dient der einzige numerische Filter im allgemeinen zur synchronen Abtastung des Referenzsignals. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die numerische Filterung ohne die Suche nach Synchronismus bewirkt, und zwar bei einer Abtastfrequenz, die gewählt ist, um noch die Geschwindigkeit der Konvergenz der Algorithmen zu erhöhen.
Die Erfindung schlägt ebenso eine Vorrichtung vor, die es ermöglicht, das obige Verfahren auszuführen, und zwar gemäß dem Anspruch 5.
Die unterschiedlichen Kanäle der Vorrichtungen können aus diskreten Elementen gebildet sein, die für diese geeignet sind. Aber die Filter können genauso durch die Programmierung eines Rechners oder einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung, ASIC, verwirklicht sein.
Man kann auch in Betracht ziehen, daß das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung aus einem aufgeteilten Algorithmus bestehen, der eine schnellere Konvergenz ermöglicht, insbesondere in dem Fall eines komplexen Systems.
Die Erfindung wird durch das Studium der Beschreibung besser verstanden, die besondere Ausführungsformen zeigt, die als nicht einschränkende Beispiele gegeben sind. Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen, wobei:
- Fig. 1, wie oben erwähnt, ein Übersichtsschema des Prinzips der Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik ist;
- Fig. 2 ein Übersichtschema ist, das den prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt, wobei lediglich zwei Kanäle dargestellt sind;
- die Fig. 3 und 4 Übersichtsschemata der möglichen Arten der Erzeugung des Referenzsignals sind, die bei der Vorrichtung gemäß der Fig. 2 verwendet werden;
- die Fig. 5, ähnlich zur Fig. 2, ein Übersichtsschema der Dämpfungsvorrichtung ist, die mehrere Sensoren und mehrere Betätigungseinrichtungen zur Dämpfung umfaßt;
- die Fig. 6 ein Schema ist, das eine mögliche Aufteilung der Funktionen der Vorrichtung der Fig. 5 zeigt;
- die Fig. 7 eine mögliche Anordnung der Blöcke der Fig. 6 zeigt; und
- die Fig. 8, ähnlich zur Fig. 3, eine mögliche Art der Erzeugung des Referenzsignals für den Fall von Vibrationen mit Frequenzen, die zufällig variieren, zeigt.
Es werden nunmehr verschiedene mögliche Anordnungen der Vorrichtung gemäß der Erfindung beschrieben, wobei zu allererst angenommen wird, daß die zu verarbeitenden Frequenzen einen periodischen Charakter aufweisen, und zwar mit einer Energiekonzentration bei festen oder langsam mit der Zeit variierenden Frequenzen, und nachfolgend für den Fall von zufälligen Frequenzen.

Vorrichtung zur Dämpfung von periodischen Vibrationen

Die Vorrichtung, deren prinzipielle Anordnung in Fig. 2 gezeigt ist, umfaßt einen Block 22, der dazu bestimmt ist, individuelle Referenzsignale x&sub1; (bei der Frequenz 1/T&sub0;), x&sub2; (bei der Frequenz 2/T&sub0;), etc. für die jeweils zu verarbeitenden Kanäle zu liefern. Jeder Kanal umfaßt einen eigenen numerischen adaptiven Filter für den Gradienten-Algorithmus mit einem Inkrementationsschritt oder einem angepaßten Konvergenzkoeffizienten. Zum Beispiel umfaßt der erste Kanal einen numerischen Filter 14&sub1;, dessen Koeffizienten auf der Grundlage des individuellen Referenzsignals xf1, sowie des Fehlersignals e und des Konvergenzkoeffizienten u&sub1; angepaßt sind. Die Koeffizienten des numerischen Filters sind über einen Multiplikator 20&sub1; angepaßt: Tatsächlich bildet das direkte Produkt der Werte e und x eine nicht schräge Schätzfunktion für die Korrelation.
Bei der Messung, bei der der Block 22 eine synchrone Synthese bewirkt, reichen zwei Abtastungen pro Periode bei den Filtern 14&sub1;, 14&sub2;, etc. aus. Falls die Grundfrequenz 1/T&sub0; stabil ist oder nur in einem begrenzten Bereich schwankt, reichen genauso zwei Abtastpunkte, also zwei Koeffizienten, in den Filtern 18&sub1;, 18&sub2;, etc. aus. Andererseits ist eine größere Anzahl von Punkten, die ausreicht, um den gesamten möglichen Bereich von Variationen abzudecken, für den Fall des Mangels an Stabilität der Periode T&sub0; notwendig.
Vor allem um den Analog-Digital-Wandler bei jedem Multiplikator 20 auszulösen, ist es vorteilhaft, einen einzelnen Wandler 28 an den Ausgang des Sensors 10 zu positionieren.
Eine Vorrichtung der in Fig. 2 gezeigten Art ist zur Erzeugung von individuellen Referenzsignalen x&sub1;, x&sub2; in dem Block 22 verwendbar auf der Grundlage eines Signals, das von einem Sensor 30, der benachbart zu der zu schützenden Stelle angeordnet ist und der folglich für das primäre Feld empfindlich ist. In diesem Fall kann beispielsweise dort, wo die Quelle des Lärms eine rotierende Struktur aufweist, der Sensor vorgesehen sein, um ein Signal zu liefern, das eine Frequenz trägt, die proportional zu der Geschwindigkeit der Rotation ist. Ein derartiger Sensor kann insbesondere einen Zahnkranz umfassen, der von der sich drehenden Struktur gehalten ist, und dessen Zähne vor einem magnetischen Sensor vorbeilaufen. Der Block 22 kann nun aus einem Synthesizer für die Wellenform gebildet sein.
Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines solchen Synthesizers, der einsetzbar ist, wenn der bereitgestellte Sensor für jede Grundperiode T&sub0; eine Anzahl von Impulsen liefert, die zweimal größer ist als die Ordnung der größten zu verarbeitenden Oberschwingung, d. h. wenigstens 2 N Impulse für eine Grundperiode T&sub0;, falls die größte Ordnung N ist. Dieser umfaßt für jeden Kanal einen Speicher 26&sub1;, 26&sub2;, ..., 26N, welche die numerischen Abtastungen der zu erzeugenden sinusförmigen Signale beinhalten. Der Eingabebus des Speichers ist mit einem Digital- Analog-Konverter, z. B. 28&sub1;, verbunden, der das an den entsprechenden Filter zu übertragende analoge Signal erzeugt, z. B. 14&sub1;. Die aufeinanderfolgenden Impulse, die von dem Sensor 30 kommen, der in der Nähe der zu schützenden Stelle positioniert ist, erhöhen einen Zähler 32, dessen Ausgang den Adreßbus 34 von allen Speichern 26&sub1;, 26&sub2;, ..., 26N auf einmal anspricht. Die Speicher liefern am Ausgang die Referenzsignale für die Oberschwingungen 1, 2, ..., N.
Bei einer Variante der Realisation (nicht dargestellt) ist der Eingangsbus des Speichers direkt mit den entsprechenden Filtern verbunden, z. B. 14&sub1; und 18&sub1;. In diesem Fall muß die Frequenz der wiederholten Aktualisierung des Referenzsignals sehr hoch sein (mind. 10 mal höher als die Erfassungsfrequenz für die Signale) zur Verwendung des Algorithmus, um ein Faltungsphänomen zu verhindern.
Es ist nicht immer möglich, ein Referenzsignal mit einer sehr hohen Frequenz auf der Grundlage eines Sensors, der für die zu dämpfenden Frequenzen empfindlich ist, zu erhalten, beispielsweise weil der Sensor nur eine niedrige Anzahl von Impulsen für eine Grundperiode liefert.
Eine erste Lösung, falls der Sensor nur eine geringe Anzahl von Impulsen pro Durchlauf (d. h. eine niedrige Anzahl von Impulsen pro Grundperiode) liefert, besteht darin, ihm einen Frequenzmultiplikator nachzuschalten. Eine andere Lösung besteht darin, die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung durch diejenige aus Fig. 4 zu ersetzen, die dem Fall entspricht, bei dem das verfügbare Synchronisationssignal durch einen Impuls pro Grundperiode T&sub0; gebildet wird.
Die durch den Sensor gelieferten Impulse werden über einen Schaltkreis 36 zur Aufstellung von Wellenformen in Rechtecksimpulse umgewandelt, die sich mit der Grundfrequenz T&sub0; wiederholen, wobei jeder Impuls die gleiche Dauer τ aufweist, die derart gewählt ist, daß das Signal eine ausreichende Energie für jede der zur verarbeitenden Oberschwingungen darstellt. Das erhaltene Signal wird auf eine Reihe von Kanälen angewandt, wobei jeder aus einem Bandpaßfilter 38&sub1;, 38&sub2;, ..., 38N mit einem sehr schmalen Bandpaß gebildet ist, und zwar derart, daß jeder Filter die durch den entsprechenden numerischen Filter in Betracht zu ziehende Oberschwingung isoliert. Man kann insbesondere Bandpaßfilter verwenden, die bei einer hohen Ordnung aktiv sind, oder Filter vom Typ eines Überlagerungsempfängers.
Das Signal, das einen einzelnen Impuls pro Grundperiode darstellt, kann von sehr unterschiedlichem Ursprung sein.
Im Falle der Dämpfung von Vibrationen einer Struktur oder eines Lärms, der durch eine rotierende Struktur (der Achse einer Maschine, dem Rad eines Ventilators, einer Schraubenwelle, der Welle eines Turboladers, der Nockenwelle eines Autos, etc.) erzeugt wird, kann man einen Sensor vorsehen, der beispielsweise optisch oder auf Magnetwiderstand beruht und der mit einer Kennzeichnung, die von der rotierenden Struktur getragen ist, zusammenwirkt.
In anderen Fällen ist die Grundfrequenz der Vibrationen nicht mit einer direkt meßbaren physikalischen Größe verbunden. Aber sie ist in einem beobachtbaren Signal vorhanden. Diese Situation liegt beispielsweise vor, wenn das Verfahren das Ziel hat, den von einem Mechanismus abgegebenen Lärm zu dämpfen, der mechanische Vibrationen darstellt, die direkt mit Hilfe eines Detektors meßbar sind, der ein komplexes Signal liefert, das insbesondere die Grundperiode enthält. In diesem Fall kann ein Synchronisationssignal erhalten werden, das einen Impuls der Dauer τ für eine Grundperiode aufweist, und zwar dadurch, daß das vom Detektor kommende physikalische Signal zunächst einer Bandpaßfilterung unterzogen wird, deren Abschneidefrequenz alle Oberschwingungen der Ordnung größer als 1, z. B. potentielle Störfrequenzen, entfernt, und dann einer Verarbeitung in einer Sättigungschaltung, einer Schwellenschaltung und einer Schaltung zum Einstellen der Wellenform.
Die Vorrichtung, deren prinzipielle Anordnung in Fig. 2 gezeigt ist, kann verallgemeinert werden für den Fall einer Installation von mehreren Sensoren, die an den verschiedenen Stellen positioniert sind, wo die Vibrationen simultan gedämpft werden sollen, und für den Fall von mehreren Betätigungseinrichtungen. Eine solche Vorrichtung kann verwendet werden, um den Lärm an mehreren Stellen zu dämpfen oder die mechanischen Vibrationen an mehreren Orten zu dämpfen und die gleichen Funktionen zu erfüllen, die in dem Dokument EP-A- 0425352 beschrieben werden. Die Fig. 5 zeigt, als zusätzliches Beispiel, eine Vorrichtung, die dazu bestimmt ist, die Schallvibrationen innerhalb von zwei Frequenzbereichen zu dämpfen, entsprechend zweier Referenzfrequenzen x&sub1; und xr, und zwar auf der Grundlage von Signalen, die von M-Sensoren 10&sub1;, ..., 10N geliefert werden, und zwar dadurch, daß zwei Betätigungseinrichtungen 16a und 16b von der Art von Gegenlärmquellen verwendet werden. In diesem Fall wird jeder der Filter 14 der Fig. 2 durch mehrere Module ersetzt, deren Anzahl genauso groß ist wie die der Betätigungseinrichtungen, d. h. durch zwei Module, denen zwei Referenzen A und B im Falle von zwei Betätigungseinrichtungen zugewiesen sind. Die Vorrichtung der Fig. 5 umfaßt folglich 4 Module 38a1, 38ar, 38b1 und 38br, wobei nur die ersten beiden komplett dargestellt sind. Das Modul 38a1 umfaßt beispielsweise noch einen numerischen Filter 14a1, dessen Koeffizienten durch eine Schleife angepaßt werden. Jedoch umfaßt diese Schleife M Zweige, wobei jeder einem Sensor 10&sub1;, 10&sub2;, ..., 10M entspricht. Die Ausgänge der Multiplikatoren 20a1 der drei Zweige werden dann in eine Additionseinrichtung 40a1 addiert und das Ergebnis wird auf den Filter 14a1 angewandt. Schließlich erhält die Betätigungseinrichtung 16a1 die Summe der Ausgangssignale der Module 38a1, 38ar, die in der Additionseinrichtung 42a gebildet worden sind. Die numerischen Filter werden im allgemeinen unverändert durchschritten. Gleichzeitig erhält die Betätigungseinrichtung 16b das Ausgangssignal einer Additionseinrichtung 42b, die mit den Ausgängen der Module 38b1 und 38br verbunden ist.
Man erkennt, daß es eine parallele Anordnung der Schaltungen gibt (wobei dieser Ausdruck zu interpretieren ist, als ob er genauso den Fall einer logischen Realisation abdeckt), und zwar für die unterschiedlichen Betätigungseinrichtungen oder Quellen der Gegenvibration 16a, 16b, etc. Die Ausgangssignale der Sensoren sind mit jedem der Rechnungsmodule in Verbindung.
Eine körperlich mögliche Architektur der Überlagerungsanordnung, die in Fig. 5 gezeigt ist, ist in Fig. 6 dargestellt. Die prinzipielle Anordnung, die in Fig. 6 gezeigt ist, ist mit derjenigen der Fig. 5 vergleichbar, d. h. sie umfaßt identische Module, die parallel angeordnet sind. Aber die Aufteilung der Funktionen ist leicht unterschiedlich, und zwar derart, um die Anzahl der Berechnungsblöcke zu optimieren und die möglichst beste Verwendung der Berechnungsquellen von jedem Block zu erreichen. Deshalb ist jeder Block vorgesehen, um mehrere Betätigungseinrichtungen oder Quellen des Gegenlärms zu versorgen und er erhält für jede Betätigungseinrichtung, für die er die Verantwortung hat, eine Gesamtheit von Referenzsignalen, die geeignet sind, verwendet zu werden.
Jeder der in Fig. 6 gezeigten Blöcke 1 bis Q ist für die analogen Ausgänge verantwortlich, die den Betätigungseinrichtungen entsprechen, die er steuert, z. B. 1 bis Ns1 für den Block 1, Ns1 bis Ns2 für den Block 2, wobei der Block Q die letzten Betätigungseinrichtungen verarbeitet. Die analogen Eingänge, die von den Sensoren kommen, sind zwischen den Blöcken aufgeteilt, z. B. 1 bis Nc1 für den Block 1, Nc1 bis Nc2 für den Block 2, etc.
Die Gesamtheit der Eingangsinformationen (Referenzsignale und Signale der Sensoren) kann mit einer Gesamtheit der Berechnungsblöcke über eine digitale Verbindung 44 in Verbindung stehen.
Die analogen Referenzsignale werden einzig und allein auf Block 1 angewandt, und danach auf die anderen Blöcke verteilt.
Die Blöcke können untereinander über Reihen- oder Parallelschaltungen geschaltet sein. Die Wahl wird so getroffen, daß die Verminderung der Anzahl der Verbindungen oder die Geschwindigkeit der Berechnung bevorzugt wird. Wenn die Vorrichtung in einem bestehenden Prozessor eingesetzt wird, wird die Wahl der Verbindungen derart getroffen, um höchstens die Anfangsverbindungen des Prozessors im Inneren eines jeden Blocks zu nutzen, um die Topographie des Speichers nicht zu sehr zu verkomplizieren.
Die Vorrichtung umfaßt, über die in Fig. 6 angedeuteten Verbindungen hinaus, Steuerleitungen, die zum Großteil nicht dargestellt sind, welche es ermöglichen, die Unterbrechungen zu bewirken, ein Taktsignal zu verteilen und nachfolgend die unterschiedlichen Funktionsphasen auszulösen (die vorangehende Phase der Identifikation der Eigenschaften des Systems, die nachfolgende Phase der aktiven Steuerung der geeigneten Dämpfung).
Der Austausch der Daten zwischen den Blöcken kann durch Informationsraster bewirkt werden, die von jedem Block bei seinem Umlauf an die anderen Blöcke abgegeben werden. Das Raster umfaßt die Abtastungen der analogen Kanäle (Ausgangssignale der Sensoren), für die der ausgebende Block verantwortlich ist, und Betriebsinformationen, die beispielsweise die Kanäle, deren Daten übertragen werden, den ausgebenden Block, und den Zustand der ordnungsgemäßen Funktion anzeigen.
Die Algorithmen zu Filterung und zur Adaption können sowohl parallel als auch nach dem Datenaustausch ausgeführt werden, und zwar je nachdem ob der verwendete Prozessor eine Fähigkeit zum transparenten Betrieb in einem direkten Zugriffsmodus auf dem Speicher aufweist oder nicht.
Der Taktgeber (nicht gezeigt) setzt den Takt der Ausführung der Aufgaben, den Erfassungstakt der analogen Eingangskanäle und den Aufteilungstakt der analogen Ausgänge fest. Die notwendigen Digital-Analog- und Analog-Digital- Wandler sind nicht in den Figuren der Einfachheit wegen gezeigt. Jeder der in Fig. 6 gezeigten funktionellen Blöcke kann die in Fig. 7 gezeigte Anordnung aufweisen. Der Block umfaßt Eingangswandler CAN&sub1;, ..., CANNe und Digital-Analog- Ausgangswandler CNA&sub1;, ..., CNANs, z. B. von dem Typ σδ, der es ermöglicht, die Notwendigkeit eines Antifaltungs-Filters am Eingang und von Filtern zur Rekonstruktion am Ausgang vermeidet. Nur der erste Block ist mit dem Taktgeber H des Systems verbunden. Der Prozessor 56 erhält die Eingangssignale, die von den Sensoren kommen, und liefert die Signale zur Verwendung durch die Betätigungseinrichtungen, die mit ihm verbunden sind. Er ist mit einem ROM-Speicher 48 verbunden, der die anwendbare gesamte Logik enthält, die geeignet ist, in die schnellen Anweisungs- und Datenspeicher, 50 und 52 (z. B. SRAM-Speicher), bei der Initialisierung des Systems geladen zu werden. Ein nicht flüchtiger Speicher 54 ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, um die Parameter, die im Nutzungsbereich des Systems erkannt werden, den Zusammenhang und die wesentlichen Parameter des Steueralgorithmus im Falle von sehr kurzer Unterbrechung der elektrischen Versorgung zu speichern.
Der Prozessor 46 umfaßt einen seriellen Zugriff 56 zur Kommunikation mit den anderen Blöcken und einen seriellen Zugriff 58 zur Verbindung mit den Wand lern. Eine Schaltung 60 zur Identifikation des Blocks liefert an den Prozessor 56 über einen parallelen Zugriff einen Identifikationswert des Blocks, der an die anderen Blöcke übertragen wird, um eine Identifikation des Ursprungs der Signale zu liefern. Mit den numerischen Filtern mit einer asynchronen Abtastfrequenz des Referenzsignals sind die Vorrichtungen, die in den Fig. 2 und 5 gezeigt sind, verwendbar, wenn das zu dämpfende Vibrationsphänomen (Lärm oder Vibration) einer mechanischen Struktur mehrere Peaks mit Frequenzen umfaßt, die keinen kleinsten gemeinsamen Teiler aufweisen. Die feste Übertragungsfunktion von jedem der Schleifenfilter kann in einer Reihe einmal insgesamt mit einer vorangehenden Phase bestimmt werden, die z. B. eine geeichte Lärmquelle ist, die es ermöglicht, die Übertragungsfunktion Betätigungseinrichtung(en)-Sensor(en) zu bestimmen. Man kann zu diesem Thema auf den Artikel "Theoretische und experimentelle Studie über die Konvergenz des NEMO CMS Algorithmus zum Gebrauch in der aktiven Steuerung von periodischem Lärm" von G. Billoud et al. in dem wissenschaftlichen Zusammentreffen zur 50-Jahr- Feier der LMA, Publikationen der LMA Nr. 127, ISSN 0750-0756, S. 31-47, verweisen.

Vorrichtung zur Dämpfung von periodischen Vibrationen mit einer schnell variierbaren Grundfrequenz an einem vorbestimmten Ort

In bestimmten Fällen kann die Grundfrequenz der Vibration und deren Oberschwingungen schnell schwanken.
Die oben beschrieben Vorrichtung ist darüberhinaus bei dem Zustand anwendbar, bei dem die Übertragungsfunktion der die Referenzsignale verarbeitenden Schleifenfilter repräsentativ für die physikalische Übertragungsfunktion Betätigungseinrichtung(en)-Sensor(en) für den gesamten Frequenzbereich im Bereich einer Nominalfrequenz ist, und zwar n/T&sub0; für den Kanal, dem die Oberschwingung n zugewiesen ist. Das Problem ist dann einfacher zu lösen als nach dem Stand der Technik aufgrund der Tatsache, daß jeder Filter nur eine einzige No minalfrequenz verarbeitet. Als Beispiel der Situation, bei der dieser Fall auftreten kann, kann man den Automobilbereich nennen, wo die Peaks der Leistung des Lärms schnell in der Frequenz während des Fahrens schwanken.

Vorrichtung zur Dämpfung von Vibrationen mit zufälligen Freguenzen

Die oben beschriebenen Vorrichtungen sind ebenso in dem Fall des Phänomens der Vibration anwendbar, bei dem die Peaks der Leistung zufällige Frequenzen in einem ausgedehnten Bereich aufweisen. In diesem Fall sind die unterschiedlichen Frequenzkanäle der Vorrichtung derart gebildet, daß die auf die verschiedenen Kanäle anwendbaren Referenzsignale unterschiedlichen Bändern entsprechen, die jedoch benachbart sind und zwar von der Art, daß, wenn sie in ihrer Gesamtheit betrachtet werden, die Referenzsignale vollkommen den Frequenzbereich abdecken, in dem die zu dämpfende Vibration sich darstellen kann.
Die Breite des Bandes, das jedem Kanal zugewiesen ist, ist derart gewählt, daß die Übertragungsfunktion Betätigungseinrichtung(en)-Sensor(en) relativ homogen für die Gesamtheit der Frequenzen des Bandes ist und durch eine einzige Übertragungsfunktion darstellbar ist.
Aufgrund des zufälligen Charakters der Frequenzen, auf die sich die zu dämpfende Energie konzentriert, müssen die Referenzsignale, die jedem Kanal zugewiesen sind, mit den Signalen kohärent sein, die von den physikalischen Sensoren geliefert werden, welche das für die Ausgangsvibration oder die Restvibration repräsentative Signal liefern. Diese Bedingung ist aufgrund der Tatsache notwendig, daß die Dämpfung einen linearen Algorithmus verwendet. Diese Bedingung kann erfüllt werden, indem die Referenzsignale mit einer linearen Verarbeitung verarbeitet werden, welche die Kohärenz garantiert, und zwar des durch den Sensor gelieferten Signals oder der mehreren Signale der physikalischen Sensoren, welche die größte Kohärenz mit den zu dämpfenden Vibrationen messen.
Im Falle einer Vorrichtung und eines einzigen Sensors, und unter der Bedingung, daß er ein Ausgangssignal liefert, das einen ausreichend harmonischen Inhalt aufweist, können die unterschiedlichen Referenzsignale durch den Einsatz von Bandpaßfiltern erzeugt werden, die eine Zusammensetzung aufweisen, die mit den Filtern 28&sub1;, ..., 28N der Fig. 3 vergleichbar ist. Aber die Bandpaßfilter müssen aneinander angrenzende Bandpässe aufweisen.
In dem Fall einer Vorrichtung mit mehreren Sensoren (Fig. 8) können die Ausgangssignale aller Sensoren auf einen linearen Multikanalfilter 62 angewendet werden, der an den Bandpaßfiltern 64 ein komplexes Signal liefert, das die Gesamtheit der Frequenzen enthält, die durch die unterschiedlichen Sensoren geliefert werden. Der Multikanalfilter 62 bewirkt eine lineare Kombination der Eingangssignale, die von den Sensoren 10 kommen, und zwar mit einer Gewichtung, die experimentell derart bestimmt sein kann, um die unterschiedlichen Beiträge auszugleichen.

Claims

1. Verfahren zur aktiven Dämpfung von Schwingungen an wenigstens einer bestimmten Stelle, die einem primären Vibrationsfeld ausgesetzt ist, gemäß welchem eine Vibrationswelle durch adaptive Filterung eines Referenzsignals erzeugt wird, die dazu bestimmt ist, mit dem primären Vibrationsfeld an der Stelle zu interferieren; die Restamplitude der Vibrationen an der Stelle gemessen wird; automatisch die Filterung angepaßt wird, damit sie tendenziell die derart gemessene Restamplitude auslöscht, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzsignal (X) in mehrere einzelne sinusförmige Referenzsignale (X&sub1;, ... Xn) zerlegt wird, wobei jedes eine einzige unter mehreren Frequenzen aufweist, bei welcher das primäre Feld eine nennenswerte Energie darstellt, jedes einzelne Referenzsignal einer passenden adaptiven numerischen Filterung unterzogen wird und die Vibrationswelle anhand der Summe der einzelnen gefilterten Signale erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die adaptive numerische Filterung linear ist und daß die Konvergenzkoeffizienten der unterschiedlichen Filter unabhängig adaptiert sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Konvergenzkoeffizient einen Wert proportional zum Inversen der Spur der Autokorrelationsmatrix der gefilterten Signale aufweist, wobei (X1f, X2f... Xnf) jeweils den unterschiedlichen Frequenzen entsprechen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die numerische Filterung ohne die Suche nach Synchronismus zwischen der Abtastung der einzelnen Signale, die der Filterung unterliegen, und dem entsprechenden Referenzsignal durchgeführt wird.

5. Vorrichtung zur aktiven Dämpfung von Vibrationen an wenigstens einer vorbestimmten Stelle, die in einem primären Vibrationsfeld liegt, welche umfaßt: wenigstens einen Sensor, der sich an der Stelle befindet, und wenigstens eine Betätigungseinrichtung zur Erzeugung einer Vibrationswelle, die dazu bestimmt ist, mit dem primären Feld zu interferieren, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Anzahl n von Verarbeitungskanälen umfaßt, wobei jeder einen numerischen Filter (14) zur Versorgung der Betätigungseinrichtung oder der Betätigungseinrichtungen (16) aufweist, der durch ein sinusförmiges Signal mit Eigenfrequenz des Filters und welches einer Vibrationsenergiekonzentration des primären Felds entspricht, versorgt wird, dessen Koeffizienten in einer eigenen Schleife adaptierbar sind, die einerseits ein Fehlersignal (e), das durch den Sensor oder die Sensoren (10) geliefert wird, und andererseits das durch einen Filter (18) der Schleife gefilterte Eingangssignal des numerischen Filters erhält und dadurch daß die Kanalausgänge zusammengezählt und an die Betätigungseinrichtung oder die Betätigungseinrichtungen angelegt werden, wobei jeder Filter der Schleife eine Übertragungsfunktion aufweist, die die physikalische Übertragungsfunktion von Betätigungseinrichtung(en)-Sensor(en) darstellt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Zusammensetzung des primären Vibrationsfelds aus periodischen Vibrationen das sinusförmige Eingangssignal jedes Kanals von einer Anordnung geliefert wird, die umfaßt: einen Detektor, der in der genannten Umgebung angeordnet ist und der ein Signal liefert, das aus Impulsen mit einer Frequenz von wenigstens dem Doppelten der höchsten zu dämpfenden Frequenz liefert, und einen Synthesizer, der für jeden Kanal einen numerischen Speicher aufweist, der die Abtastungen der zu erzeugenden sinusförmigen Signale enthält, und einen Zähler zur Adressierung der Speicher.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das sinusförmige Signal für jeden Kanal durch einen Detektor geliefert wird, der Impulse mit einer Grundfrequenz mit einer solchen Dauer liefert, daß das Signal des Detektors eine ausreichende Energie für jede der zu dämpfenden Frequenzen und daß mehrere Kanäle aus einem Bandpaßfilter (38) mit einem schmalen Bandpaß gebildet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, die umfaßt: mehrere Sensoren, die an unterschiedlichen Stellen angeordnet sind, und mehrere Betätigungseinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder numerische Filter (14) mehrere Module umfaßt, deren Anzahl gleich der Anzahl der Betätigungseinrichtungen ist, wobei jedes eine passende Schleife umfaßt, und jede Schleife eines selben Moduls das gleiche Referenzsignal empfängt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5 zur Dämpfung eines primären Felds von periodischen Vibrationen mit einer Grundfrequenz, die schnell in einem begrenzten Bereich variabel ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter der Schleife eine Übertragungsfunktion haben, die die physikalische Übertragunsfunktion von Auslöseeinrichtung(en)-Sensor(en) im gesamten Bereich um eine nominale Frequenz darstellt, die n/T&sub0; für das Band ist, das für die Oberschwingung n mit der Grundperiode T&sub0; bestimmt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5 zur Dämpfung von Vibrationen mit zufälligen Frequenzen, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Kanäle auf eine Art und Weise gebildet sind, daß die auf die unterschiedlichen Kanäle angewandten Referenzsignale, die angrenzenden Bändern entsprechen, derart sind, daß, in ihrer Gesamtheit betrachtet, die Referenzsignale vollkommen den Frequenzbereich überdecken, in den sie sich als die zu dämpfenden Vibrationen darstellen können, wobei die Breite des Bands, die für jedes Band bestimmt ist, derart gewählt ist, daß die Übertragungsfunk tion von Auslöseeinrichtung-Sensor für die Gesamtheit der Frequenzen des Bands relativ homogen ist und durch eine einzige Übertragungsfunktion darstellbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzsignale durch eine lineare Verarbeitung von einem durch einen Sensor gelieferten Signal oder von mehreren Signalen von physikalischen Sensoren verarbeitet wird, wobei die Sensoren eine physikalische Größe messen, die mit den zu dämpfenden Vibrationen kohärent ist und den gesamten Bereich abdeckt.