DE69627395T2 - Digitales vorwärtsgeregeltes System für aktive Lärmkontrolle - Google Patents

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Description

  • BEREICH DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft den Bereich der Lärmsteuerelemente und insbesondere ein adaptives vorwärtsgeregeltes System zur aktiven Lärmsteuerung.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die Lärmsteuerung und insbesondere die aktive Lärmverminderung ist seit vielen Jahren eine Aufgabe, insbesondere zur Verminderung des Umgebungslärms in Flugzeugen oder in industriellen Milieus. Bei diesen Systemen wird im allgemeinen ein Löschton (im folgenden als Lärmbekämpfungston bezeichnet) in umgekehrter Phase auf einen Lärm aufgebracht, der vermindert oder beseitigt werden soll. Es wurden Systeme konstruiert, die offene Steuerungssysteme oder geschlossene Steuerungssysteme umfassen, ob analog oder digital, wobei der Lärmbekämpfungston in einem rückwärtsgeregelten oder in einem vorwärtsgeregelten System aufgebracht wird.
  • Ein großer Teil des Fortschritt in diesem Bereich bezog sich auf die Steuerung von Lärm in einem Kanal, beispielsweise einem Klimatisierungskanal oder einem Auspuffrohr eines Kraftfahrzeugs.
  • Es ist jedoch auch erforderlich, den Lärm in einer Gehörschutzmuschel, wie sie beispielsweise ein Hubschrauberpilot benutzt, zu steuern.
  • Eines der frühen Lärmsteuerungssysteme, die auf die Steuerung von Lärm in einer Gehörschutzmuschel gerichtet sind, ist beschrieben in dem USA-Patent 2,972,018 mit M.E. Hawley et al. als Erfinder. In diesem Patent wird die Verwendung eines Mikrophons beschrieben, das zu löschende Töne nahe an der Außenseite einer Gehörschutzmuschel aufnimmt, dann die Töne verstärkt und deren Phase umkehrt und den entstandenen Lärmbekämpfungston zu einem Kopfhörer führt, der den Lärmbekämpfungston, der mit dem zu löschenden akustischen Lärm ankommt, ins Innere des Kopfhörers leitet. Zwar ist dieses System analog und funktioniert deshalb schnell, es ist jedoch ein offenes Steuerungssystem und nicht adaptiv. Die Leistung der Vorrichtung wird von Änderungen in der Kopplung des Umgebungslärms an das Ohr (beispielsweise durch Änderungen im Sitz der Vorrichtung infolge Kopfbewegung), durch relative Bewegungen der Bauteile und durch die Stabilität der elektronischen Bauteile beeinflußt. Außerdem funktioniert sie mit Vakuumröhren und kann deshalb praktisch nicht mit Batterien betrieben werden. Weiterhin ist sie auf Grund ihrer Größe nicht transportabel.
  • Zur Beseitigung dieser Probleme haben Praktiker den Stand der Technik mit Hilfe von geschlossenen digitalen vorwärtsgeregelten Steuerungssystemen vorwärtsgebracht. Ein solches System ist in EP-A-O 471 290 offenbart. Eine vereinfachte Ansicht eines solchen Systems ist in 1 gezeigt. Ein Schall uk, der gesteuert werden soll, läuft längs einem Kanal 1 und wird von einem Mikrophon 3 erfaßt, von dem das Signal zu einem Steuerungssystem 5 geleitet wird. Ein elektroakustischer Wandler 7 befindet sich stromab von dem Mikrophon 3 und bringt den Lärm entsprechend einem von dem Steuerungssystem 5 angelegten Steuerungssignal in das Rohr ein, beispielsweise in einer solchen Intensität, Frequenz und Phase, daß der Lärm uk gelöscht wird, was den Lärm urk ergibt, der erwünschterweise Null sein kann.
  • Ein Mikrophon 9 in dem Kanal stromab von dem Wandler 7 schließt den Kreis durch Erfassung eines Resttons nach der Löschung und führt ein Fehlersignal zu dem Steuerungssystem 5 zurück, das mit einer Modifizierung des an den Wandler 7 angelegten Steuerungssignals reagiert, so daß der an dem Mikrophon 9 erfaßte Lärm urk minimiert wird.
  • Es ist zu erkennen, daß das in der digitalen Betriebsart funktionierende Steuerungssystem 5 eine Geschwindigkeitsbegrenzung aufweist, die sich auf die inhärente Arbeitsgeschwindigkeit seines Prozessors gründet und auf die Abtastgeschwindigkeit des Primärsignals von dem Mikrophon 3, des Fehlersignals von dem Mikrophon 9 und des an den elektroakustischen Wandler 7 abgesetzten Steuerungssignal zurückzuführen ist. Folglich ist diese Vorgehensweise in praktischen Systemen auf Anwendungsbereiche beschränkt, bei denen das Mikrophon weit stromauf von dem Wandler 7 aufgestellt werden kann, damit es das ankommende Signal so früh wie möglich abtasten und mithin die inhärente Zeitverzögerung innerhalb eines digitalen Systems ausgleichen kann.
  • Auf Grund der oben beschriebenen Geschwindigkeitsbegrenzung konnte dieses System nicht an die Steuerung von in eine Gehörschutzmuschel eintretendem zufälligem Lärm ohne wesentlichen Verlust an Leistung eingerichtet werden, da sich das Mikrophon 3 nahe an der Außenbegrenzung der Gehörschutzmuschel befinden muß und deshalb nicht genug Verarbeitungszeit für das Steuerungssystem zur Verfügung steht, um den Schall in der Gehörschutzmuschel richtig steuern zu können.
  • Der zugehörige Stand der Technik ist in EP-A-471290 offenbart.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Durch Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden Mittel und Verfahren zur Nutzung eines digitalen vorwärtsgeregelten Steuerungssystems in Anwendungsbereichen geschaffen, bei denen der Zeitunterschied beim Eintreffen eines Lärms an den Mikrophonen 3 und 9 klein ist, beispielsweise bei einer Lärmsteuerungsvorrichtung für eine Gehörschutzmuschel mit starker Lärmsteuerung. Durch entscheidende Ausgestaltungen der Erfindung wird die inhärente Zeitverzögerung in dem Steuerungssystem im wesentlichen beseitigt und wird die Verarbeitungsbelastung des Steuerungssystem vermindert, so daß es ein praktisches Lärmbekämpfungssignal für ein System mit Gehörschutzmuschel erzeugen kann.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung stellen wir ein Verfahren zur Lärmsteuerung bei einem akustischen Signal bereit, mit:
    • (a) dem Erhalten eines Referenzsignals des zu steuernden akustischen Signals,
    • (b) dem Ausbringen eines Lärmbekämpfungssignals auf das akustische Signal, so daß das akustische Signal gesteuert wird;
    • (c) dem Erhalten eines durch das Ausbringen des Lärmbekämpfungssignals auf das akustische Signal entstehenden Fehlersignals,
    • (d) dem Erzeugen des Lärmbekämpfungssignals aus dem Referenzsignal durch Hindurchleiten des Referenzsignals durch ein erstes Filter mit steuerbaren Filterkoeffizienten,
    • (e) dem Steuern der Filterkoeffizienten durch Verarbeiten des Fehlersignals und einer modifizierten Darstellung des Referenzsignals und dem Erzeugen eines solchen Koeffizientensteuersignals, daß das Lärmbekämpfungssignal erzeugt wird,
    • (f) dem Ausbringen des Koeffizientensteuersignals auf das erste Filter, und
    • (g) dem Überabtasten des Referenz- und des Fehlersignals und dem Steuern der ersten Filterkoeffizienten, und dem Erzeugen des Lärmbekämpfungssignals durch Verarbeiten von nur einem dezimierten Anteil der überabgetasteten Abtastungen des Referenz- und des Fehlersignals, wobei der Anteil ein Viertel oder weniger beträgt, und dem Aufgingen des Lärmbekämpfungssignals auf das akustische Signal mit der überabgetasteten Rate.
  • HKURZE EINFÜHRUNG IN DIE ZEICHNUNGEN
  • Ein besseres Verständnis der Erfindung läßt sich durch Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung an Hand der folgenden Zeichnungen erhalten, in denen:
  • 1 ein vereinfachtes schematisches Diagram eines vorwärtsgeregelten Lärmsteuerungssystems nach dem Stand der Technik ist,
  • 2 eine Schnittansicht eines Lärmsteuerungssystems bei einer Gehörschutzmuschel ist, das in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann,
  • 3 eine Wiedergabe einer Computersimulation eines adaptiven Lärmsteuerungselements nach dem Stand der Technik ist;
  • 4 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; die 5A und 5B ein vollständiges Verhaltensmodell eines Fehlerwegimpulses wie nach dem Stand der Technik bzw. ein vereinfachtes Verhaltensmodell eines Fehlerwegimpulses wie bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen;
  • 6 eine Graphik ist, welche die Lärmminderung ohne ein und mit einem vereinfachten Fehlermodell gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt, 7 ein Blockschaltbild einer ausführlicheren strukturellen Ausführungsform der Erfindung ist,
  • 8 ein zur Beschreibung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verwendetes Zeitsteuerungsdiagramm ist,
  • 9 ein schematisches Schaltbild eines Hochpaßfilters niedriger Ordnung ist, das in einer Ausführungsform der Erfindung verwendet werden kann,
  • 10 ein akustisches Filter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt,
  • 11 ein schematisches Schaltbild von Festverstärkern gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist, und
  • 12 eine Graphik ist, die das Ansprechen der Fehlerwegfrequenz bei der Gehörschutzmuschelvorrichtung mit einem in 5 gezeigten Impulsverhalten und bei einer Messung zeigt, wenn die Gehörschutzmuschel schlecht am Kopf abgedichtet ist.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • In 2 ist ein Lärmsteuerungssystem bei einer Gehörschutzmuschel gezeigt. Über dem Ohr 13 eines Benutzers ist eine lärmdämpfende Gehörschutz muschel 11 befestigt und dichtet an der Haut des Benutzers ab. Unmittelbar außerhalb der Gehörschutzmuschel, beispielsweise auf einer Achse mit dem Gehörgang 17 des Benutzers, befindet sich ein Referenzmikrophon 15.
  • Innerhalb des Raums zwischen der Gehörschutzmuschel 11 und dem Ohr 13, ebenfalls vorzugsweise auf einer Achse mit dem Gehörgang und dem Mikrophon 15, befindet sich ein elektroakustischer Wandler (Kopfhörer 19). In dem Raum zwischen der Gehörschutzmuschel 11 und dem Ohr 13, ebenfalls vorzugsweise auf der soeben genannten Achse, befindet sich auch ein Fehlermikrophon 21.
  • Das Mikrophon 15 entspricht dem Mikrophon 3 in 1, der Kopfhörer 19 entspricht dem Wandler 7 gemäß 1 und das Mikrophon 21 entspricht dem Mikrophon 9 gemäß 1. Es ist jedoch zu erkennen, daß sich auf Grund der Konstruktion der Gehörschutzmuschel (die typischerweise die Form von Gehörschützern/Kopihörern eines Hubschrauberpiloten aufweisen kann) die Mikrophone 15 und 21 sehr nahe an dem Kopfhörer 19 befinden, wodurch auf Grund der sehr kurzen Zeit, die der Lärm zum Durchqueren dieser kurzen Strecken braucht, wenig Verarbeitungszeit in dem Steuerungssystem bleibt, und wobei es unpraktisch ist, das Mikrophon 15 ein größeres Stück von der Gehörschutzmuschel weg zu bringen.
  • In dem Artikel "Active Adaptive Sound Control In A Duct: A Computer Simulation" von J.C. Burgess im Journal of The Acoustical Society Of America, 70(3), September 1981, S. 715 – 719, werden ein theoretisches und ein mit Computer simuliertes digitales adaptives Steuerungselement für das schematisch in 1 gezeigte System beschrieben. Eine schematische Darstellung eines in diesem Artikel beschriebenen digitalen vorwärtsgeregelten Systems zur Lärmsteuerung von 6 des Artikels ist hier in 3 wiedergegeben. Eine Beschreibung seiner Funktionsweise wird hier als überflüssig erachtet, da sich seine Funktionsweise ohne weiteres aus dem soeben genannten Artikel sowie aus der Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung, wie sie im folgenden in 4 gezeigt ist, ersehen läßt.
  • 4 stellt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Ein von der Gehörschutzmuschel und einem Polster gegen die Haut gebildeter Übertragungsweg und Luftverluste um das Polster herum sind durch Hp dargestellt. Zum Vergleich zeigt 3 einen Luftleitungsweg.
  • In 4 lautet die Übertragungsfunktion für das von dem Tonfeld außerhalb der Gehörschutzmuschel abgeleitete digitalisierte Signal X H1, während diejenige für das Fehlersignal E H3 lautet. Die entsprechende Funktion für den zweiten Quellenweg lautet H2. Der von dem Signal U erzeugte korrigierende Schalldruck erfährt einen weiteren Übertragungsweg Ha bei der Fortpflanzung von dem Kopfhörer zu dem Fehlermikrophon.
  • Es ist ersichtlich, daß H2 und H3 entsprechende Übertragungsfunktionsblöcke in 3 aufweisen, während die Übertragungsfunktion H1 in 4 ein entsprechendes Element Δ in 3 aufweist.
  • Das von H1 (Δ) abgeleitete Signal wird an ein adaptives FIR-Filter W angelegt, das über die Übertragungsfunktion H2 ein Lärmbekämpfungssignal an ein Summierglied F anlegt, an das auch das zu steuernde akustische Signal angelegt wird. Bei dem System gemäß 3 ist das Summierglied tatsächlich der Hohlraum vor und in dem Bereich des Wandlers 7 innerhalb des Kanals 1, während bei dem System gemäß 4 das Summierglied der Bereich innerhalb der Muschel 11 ist, insbesondere zwischen dem Kopfhörer 19 und dem Gehörgang 17. Hier wird das aus dem FIR-Filter W ausgegebene Lärmbekämpfungssignal von H2, das über die Übertragungsfunktionen H2 (und Ha in 4) läuft, auf das akustische Signal aufgebracht, so daß es dieses löscht.
  • Die Koeffizienten des Filters W werden von einem Steuerungssystem WF (3) oder von Steuerungssystemen LMS (4) gesteuert. Diese Steuerungssysteme erhalten das Fehlersignal von der Übertragungsfunktion H3, in 4 durch E und in 3 durch εk dargestellt, sowie ein Referenzsignal R (4) oder vk (3). Dieses Referenzsignal wird durch eine Modifizierung des abge tasteten Referenzsignals von Mikrophon 3 (1) unter Verwendung der Übertragungsfunktion H4 in 3 abgeleitet, die ein Fehlermodell des Systems bildet.
  • Das Fehlermodell im System nach dem Stand der Technik (3) wird aus der kontinuierlichen Abtastung der Systemsignale abgeleitet und ist ein Charakteristikum des Systems. Das Steuerungssystem WF verändert, nachdem ein Fehlermodell ermittelt ist, die Koeffizienten des adaptiven FIR-Filters W, so daß bewirkt wird, daß ein Ausgangssignal an das Summierglied angelegt wird, um den Ton zu steuern, der an dem Fehlermikrophon 9 erfaßt wird.
  • Eine Darstellung des Verhaltensmodells des Fehlerwegimpulses in dem System gemäß 3 nach dem Stand der Technik ist in 5A gegeben, in der jeder Punkt auf der Graphik eine andere Abtastzeit darstellt (wobei die horizontale Achse die zeitliche Abfolge aufeinanderfolgender Abtastwerte darstellt).
  • Jeder Punkt muß von einem Prozessor in einem Steuerungssystem W berechnet werden, um eine Systemerkennung (Charakterisierung) zu erhalten. Auf Grund der Berechnungsbelastung an dem Prozessor des Steuerungssystems wurde festgestellt, daß es unpraktisch ist, ein digitales vorwärtsgeregeltes System für aktive Lärmsteuerung zu betreiben, bei dem wenig Zeit zwischen dem Aufnehmen des Referenztons (Mikrophon 15), dem Löschton (Kopfhörer 19) und dem Aufnehmen des Fehlertons (Mikrophon 21) ist, wie weiter oben angemerkt.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Impulsverhaltensmodell Hc synthesiert, so daß dadurch eine Erkennung des Systems unnötig wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Modells He erfüllen die Größen der Koeffizienten h; des FIR-Filters die Bedingung:
    Figure 00080001

    wobei i = 1, 2, 3, .... N und N die Gesamtzahl der Filterkoeffizienten ist.
  • Ein synthetisiertes Impulsmodell, bei dem diese Bedingung erfüllt wird, ist in 5B dargestellt. Es wird (durch Zählen der Abtastpunkte) ersichtlich, daß 9 Berechnungspunkte vorhanden sind, nach denen alle h; = 0. Mithin kann N bei diesem Beispiel als 9 gesetzt werden. Von dem Zeitpunkt an, wo das Modell 0 erreicht, nähert sich die Berechnungslast an dem Prozessor des Systems der Null. Man vergleiche das mit dem System gemäß Figur gemäß 5A nach dem Stand der Technik, bei dem 100 Berechnungspunkte ungleich Null vorhanden sind, von denen etwa 34 sichtlicherweise Punkte ungleich Null sind, was eine sehr hohe Last an dem Prozessor darstellt, da ein Wert für R (das Verhalten) für jede Neuberechnung der Steuerungsfilterkoeffizienten erhalten werden muß.
  • 6 stellt die gemessene aktive Lärmminderung für das bandbeschränkte Weißrauschen mit Hilfe eines 200 Anschlußpunkte aufweisenden FIR-Filters W, wobei ein echtes Fehlerwegmodell mit 200 Koeffizienten h; (gestrichelte Graphik) wie nach dem Stand der Technik verwendet wurde, im Vergleich zu dem vereinfachten Fehlermodell mit 9 Koeffizienten h; bei Erfüllung der Gleichung (1), d. h. N = 9, wie bei der vorliegenden Erfindung (der durchgehenden Linie) dar.
  • Anstelle eines synthetisierten Verhaltensmodells des Fehlerwegimpulses, das für He verwendet wird, könnte ein verkürztes gemessenes Impulsverhaltensmodell oder ein verkürztes synthetisiertes Impulsverhaltensmodell verwendet werden.
  • Auf Grund dessen, daß die Koeffizienten des Fehlerwegimpulsverhaltens Durchschnittswerte sind und rasch gegen Null konvergieren, ist es klar, daß die Verarbeitungslast sehr stark abnimmt. Damit bleibt mehr Zeit, damit andere Berechnungen während eines gegebenen Zeitraums ausgeführt werden können.
  • Eine Vorrichtung zur Ausführung der vorliegenden Erfindung ist in 7 dargestellt. Es sind die Elemente des in 2 gezeigten Muschelsystems wiedergegeben.
  • Die Ausgangssignale X und E der Mikrophone 15 bzw. 21 werden an Tiefpaßfilter 23A bzw. 23B angelegt, in denen die Bandbreite auf niedrige Frequenzen beschränkt ist, welche die am wahrscheinlichsten die Gehörschutzmuschel durchdringenden Frequenzen sind. Die Ausgangssignale der Filter werden jeweils an A/D- Wandler 25A und 25B angelegt, in denen die analogen Signale in digitale Signale gewandelt werden.
  • Die Ausgangssignale der A/D-Wandler 25A und 25B werden einer Schnittstellenverzögerung 27A und 27B unterworfen, und von den Schnittstellenverzögerungen werden die Signale in Dezimierungsfiltern 29A und 29B gefiltert. Die Schnittstellenverzögerungen 27A, 27B und 39 richten sich nach den Hardware-Ausführungen des aktiven Lärmsteuerungssystems, das als jede Phasenverzögerung in den Tiefpaßfiltern 23A, 23B und 43 enthaltend angesehen wird und gewöhnlich auf den Abtastzeitabstand bezogen wird.
  • Das gefilterte Signal von dem Referenzmikrophon wird dann an den FIR-Fehlerwegfilter 31 und an das FIR-Steuerelement 33 angelegt, während das gefilterte Signal von dem Fehlermikrophon an den LMS-Steuerfilteradapter 35 angelegt wird.
  • Der FIR-Fehlerwegfilter 31 entspricht der Übertragungsfunktion He in 4 und stellt sie bereit, und der LMS-Adapter 35 entspricht dem LMS-Adapter in 4. Das FIR-Steuerelement 33 in 7 entspricht dem FIR-Filter W in 4, das in einer erfolgreichen Ausführungsform ein 200 Anschlußpunkte aufweisender, von dem LMS-Adapter 35 gesteuerter FIR-Filter war.
  • Das Ausgangssignal des Filters 33 wird an einen Interpolierungsfilter 37 angelegt, wonach das Signal einer Schnittstellenverzögerung 39 unterworfen wird. Dann wird das Signal in einem D/A-Wandler 41 in eine analoge Form gewandelt, und das entstandene analoge Signal wird an ein Tiefpaßfilter und an einen Kopfhörertreiber 43 angelegt. Das Lösch- oder sonstige akustische Modifizierungssignal von dem Treiber 43 wird an den Kopfhörer 19 angelegt.
  • Die Dezimierungs- und Interpolierungsfilter, das FIR-Fehlerwegfilter, das FIR-Steuerelementfilter und das LMS-Steuerelement sollten alle in einem digitalen Signalprozessor ausgeführt sein, beispielsweise dem Gleitpunktprozessor TMS320C31 mit 32 Bit, hergestellt von Texas Instruments Inc., der in 7 als innerhalb der gestrichelten Linie enthaltene Block 45 dargestellt ist.
  • Das synthetisierte vereinfachte Verhaltensmodell des Fehlerwegimpulses ist in dem FIR-Fehlerweg 31 ausgeführt, um ein gefiltertes Signal an den Adapter 35 abzusetzen. Der LMS-Steuerelement-Algorithnus kann das, was in dem vorgenannten Artikel von Burgess beschrieben wurde, oder Algorithmen zur vorwärtsgeregelten Steuerung befolgen, die beschrieben sind in "Active Noise Control: Algorithms and DSP Implementations" von S. M. Kuo und D. R. Morgan, Wiley, New York, 1996.
  • Die Signale von einem Mikrophon oder beiden Mikrophonen sollten vorzugsweise digital überabgetastet werden. Mithin wird, anstatt die höchste zu steuernde Lärmfrequenz zwei Mal abzutasten, vorzugsweise bei einer Frequenz oder bei Frequenzen abgetastet, die gleich dem oder größer als das Fünffache dieser Frequenz sind. Mit diesem Verfahren wird die Zeitverzögerung der Schnittstelle gewöhnlich insbesondere dann vermindert, wenn die Tiefpaßfilter 23A, 23B und 43 auf die höhere Nyquist-Frequenz umgestellt werden.
  • Nunmehr wird auf 8 verwiesen, welche die Zeitsteuerung unter Verwendung der Überabtastung und der Dezimierungsfilter 29A und 29B darstellt. Das Signal in der oberen Graphik zeigt Abtastzeiträume tIO der A/D-Wandler 25A und 25B. Die Abtasthäufigkeit liegt bei der oben beschriebenen Überabtastrate.
  • Zu der verzögerten Zeit aus dem ersten gezeigten Abtastbeispiel wird das entstandene digitale Signal in der in der zweiten Reihe von 8 gezeigten Weise von dem Digitalsignalprozessor 45 empfangen. Es wurde festgestellt, daß nicht sämtliche abgetasteten Daten verarbeitet zu werden brauchen; die Eingabedaten von zeitbeabstandeten Abtastwerten können verarbeitet werden, und die zweite Reihe von 8 stellt jeden vierten zu verarbeitenden Abtastwert dar.
  • Die dritte Reihe in 8 stellt dar, daß die Verarbeitungszeit für jeden zu dem DSP 45 geleiteten Abtastwert geringer als eine Abtastzeit mit der Abtastrate tCT RL des Steuerungssystems ist. Es sollte jedoch auch angemerkt werden, daß eine beträchtliche Zeit zwischen der Beendigung der Verarbeitung eines Abtastwertes und der Einleitung der Verarbeitung des nächsten liegt. Diese Zeit kann genutzt werden, um einen anderen Kanal (beispielsweise für eine zweite Gehörschutzmuschel) zu verarbeiten, kann zu anderen Zwecken wie zur Verarbeitung weiterer Abtastwerte unter Verwendung von Steuerfiltern mit einer großen Anzahl von Filterkoeffizienten verwendet werden, oder der DSP kann im wesentlichen ungenutzt bleiben, um den elektrischen Energieverbrauch zu vermindern.
  • Bei jeder gegebenen Abtastrate lassen sich durch eine Erhöhung der Gesamtzahl der Steuerfilterkoeffizienten niedrigere Lärmfrequenzen steuern.
  • Wie in der vierten Reihe gezeigt ist, wird nach Beendigung der Verarbeitung das Korrektursignal (Lärmbekämpfungssignal) für den Kopfhörer 19 zu dem D/A-Wandler geleitet. Das gleiche digitale Korrektursignal wird mit der überabgetasteten Rate an den Kopfhörer angelegt, bis sich das Korrektursignal ändert, und zu dieser Zeit wird ein geändertes Korrektursignal (das beispielsweise dem fünften oder dem neunten überabgetasteten Referenzeingangssignal entspricht) an den Kopfhörer angelegt.
  • Die gesamte Zeitverzögerung zwischen dem Abtasten des Eingangssignals und der Erzeugung des Korrektursignals kann, wie zu sehen ist, nur zwei Überabtastverzögerungszeiträume tIO betragen, und das ist eine wesentliche Verminderung gegenüber der Zeit, wenn das Überabtast- und Dezimierungsverfahren nicht verwendet wird. Dadurch kann das Referenzmikrophon 15 nahe an der Gehörschutzmuschel, d.h. nahe an dem Kopfhörer 19, positioniert werden und ermöglicht ein praktisches Löschsystem für den Lärm in der Gehörschutzmuschel.
  • Bei einer erfolgreichen Ausführungsform betrug die Überabtastfrequenz 40 kHz, und die Steuerungsfrequenz, die also durch die Verarbeitung eines Anteils der überabgetasteten Abtastwerte entsteht, betrug 10 kHz (d.h. es wurde jeder vierte Abtastwert verarbeitet). Die Geräuschbandbreite betrug 150 – 800 Hz.
  • Die Fehler- und/oder Referenzsignale und/oder die Steuerungssignale können mit Hilfe von elektrischen, akustischen und/oder elektroakustischen Filtern als Teil der Übertragungsfunktionen H3, H1 und H2 gefiltert werden. Ein solches Filter ist in 4 als Filter 47 in dem Fehlersignalweg dargestellt, und das Filter ist vorzugsweise ein analoger Filter niedriger Ordnung (d.h. ein Filter mit Amplitudenänderung bei einer Frequenz von höchstens 12 dB/Oktave), beispielsweise der Hochpaßfilter, der in 9 gezeigt ist. Das beispielhafte elektrische Filter 47 umfaßt ein in Reihe mit einem Leiter geschaltetes Kondensatorpaar und Widerstände, die über das Leiterpaar zwischen den Kondensatoren und über den Eingang und den Ausgang geschaltet sind. Elektrische und akustische Filter dieser Art sind wohlbekannt, und ihre Funktionsweise braucht hier nicht weiter beschrieben zu werden.
  • Der Filter 47 wirkt so, daß er die Empfindlichkeit des System bei Frequenzen vermindert, bei denen eine Lärmminderung nicht erforderlich ist. Eine Bandbeschränkung kann zu verbesserter Lärmminderungsleistung bei Frequenzen, bei denen Steuerung erforderlich ist, zu geringeren Energie- und Leistungsanforderun- gen an die zweite akustische Quelle (Kopfhörer 19) und folglich zur Vereinfachung der Hardware führen.
  • Durch die Filter 47 und die Filter 23A, 23B und 23C kann das Spektrum der Referenz- und/oder Fehlersignale so geformt werden, daß vorbestimmte Leistungsanforderungen, beispielsweise psychoakustische Erfassungskriterien oder physiologische Verletzungskriterien, erfüllt werden.
  • Erfolgt eine digitale Überabtastung der Signale von einem oder von beiden Mikrophonen, können die Tiefpaßfilter 23A, 23B und 43 durch akustische oder elektrische Filter niedriger Ordnung ersetzt werden, um die Vorrichtung weiter zu vereinfachen. Ein Beispiel für ein akustisches Tiefpaßfilter niedriger Ordnung, das auf den Kopfhörer 19 innerhalb einer Gehörschutzmuschel aufgebracht ist, ist in 10 als Hohlraum 49 mit einer Austrittsöffnung 50 (beispielsweise einem klei nen Rohr) vor dem Gehörgang 17 gezeigt, in Kopplung mit dem Lautsprecher 51 oder dem in einem Lautsprechergehäuse 52 enthaltenen Äquivalent über ein Rohr 53 mit größerem Durchmesser, dessen Durchmesser ähnlich demjenigen der aktiven Fläche des Lautsprechers ist (wobei die Mikrophone 15 und 21 nicht dargestellt sind).
  • Ebenso wird vorzugsweise der dynamische Bereich der Referenz- und der sekundären akustischen Quellen in einer solchen Weise erweitert, daß das Fehlerwegimpulsverhalten unverändert bleibt oder das Fehlerwegimpulsverhalten und das Verhältnis der elektronischen oder elektroakustischen Verstärkungen des Referenzund des Fehlermikrophons unverändert bleiben. Das kann durch spezielle elektronische Schaltungen zustande gebracht werden, welche die elektronische Verstärkung der Signale X, U und E gleichzeitig derart einstellen, daß das Produkt der elektronischen Verstärkung der Signale E und U konstant bleibt oder das Produkt der elektronischen Verstärkung der Signale E und U und das Verhältnis X/E konstant bleiben.
  • Um für das Obige zu sorgen, können in der in 7 gezeigten Weise einstellbare Festverstärker 49 zwischen die Tiefpaßfilter 23A und/oder 23B bzw. die folgenden A/D-Wandler 25A und/oder 25B eingestellt werden, und ein einstellbarer reziproker Verstärker kann zwischen den D/A-Wandler 41 und das Tiefpaßfilter/den Treiber 43 eingeschaltet werden. In 7 stellen die gestrichelten Linien eine Umgehung des geraden durchgehenden Leitungsweges dar, in dem ansonsten, wie gezeigt ist, die Verstärker 49 untergebracht sind. Eine ähnliche Struktur wird in der oben angeführten Weise in die anderen Leitungswege eingebracht.
  • Eine einstellbare reziproke und eine einstellbare Festverstärkungsanordnung können mit Hilfe von Linearverstärkern mit Steuersignalwegen mit automatischer Verstärkung geschaffen werden, wie beispielsweise den in 11 dargestellten Kanälen 1, 2 und 3.
  • Die Schaltung kann in der in 11 gezeigten Weise durch zusammenpassende Feldeffekttransistoren (FETs) 60 und 61 ausgeführt werden, deren Quelle-Senke-Schaltungen jeweils zwischen Erde und bei FET 60 dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 62 und bei FET 61 dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 63 geschaltet sind. Der invertierende Eingang des Verstärkers 62 ist mit dessen Ausgang verbunden, und der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers 63 ist mit dem Ausgang durch einen Widerstand 65 verbunden, der einen Wert R aufweist.
  • Das Gatter von FET 60 ist über einen Widerstand 69 mit einem Verstärkungssteuerungseingang 67 und über Widerstände 71 und 72 mit seiner Quelle und Senke verbunden. In ähnlicher Weise ist das Gatter von FET 61 über einen Widerstand 74 mit dem Verstärkungssteuerungseingang 67 und über Widerstände 76 und 77 mit seiner Quelle und Senke verbunden.
  • Der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers 62 ist über den Widerstand 79, der einen ähnlichen Wert wie der Widerstand 65 aufweist, mit einem Eingangsanschluß 78 verbunden, der Kanal 1 genannt wird und das Signal U führt. Der Anschluß 78 ist über einen Widerstand 80 mit Erde verbunden. Der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers 63 ist mit einem Eingangsanschluß 81 verbunden, der Kanal 2 genannt wird und das Signal E führt, und ist über einen Widerstand 83 mit Erde verbunden. Die Ausgangsanschlüsse 85 und 87 führen die Ausgangssignale von Kanal 1 bzw. Kanal 2.
  • Die Verstärkerschaltung für den Kanal 3, der das Signal X führt, ähnelt demjenigen von Kanal 2 mit Ausnahme des Wertes für den Rückkopplungswiderstand um den Operationsverstärker herum. Bei einem FET 89, der an die FETs 60 und 61 angepaßt ist, ist die Quelle-Senke-Schaltung zwischen Erde und dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 91 geschaltet. Das Gatter von FET 89 ist über einen Widerstand 93 mit dem Verstärkungssteuerungseingang 67 und über Widerstände 95 und 96 mit seiner Quelle und Senke verbunden. Der Rückkopp lungswiderstand 98, der einen Wert R' aufweist, ist zwischen den Ausgang des Verstärkers 91 und seinen invertierenden Eingang geschaltet.
  • Der Eingang 100 für den Kanal 3, der das Signal X führt, ist mit dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 91 und über den Widerstand 102 mit Erde verbunden.
  • Der Ausgang des Verstärkers 91 ist mit dem Ausgangsanschluß 104 verbunden.
  • Für eine einstellbare Verstärkung wird von zusammenpassenden FETs gesorgt, um den gleichen Wert von rDS zu erhalten. Reziproke Verstärker werden durch die Wahl von Schaltungswerten erhalten, so daß die Verstärkung von Kanal 1 (der beispielsweise das Signal U führt)
    Figure 00160001
    beträgt und diejenige von Kanal 2 (der beispielsweise das Signal E führt)
    G = (1 + R/rDS) (3)
    beträgt.
  • Ein festes Verhältnis zwischen den Verstärkungen der Kanäle 2 und 3 (wobei letzterer das Signal X führt) wird durch Verwendung von Schaltungswerten erhalten, so daß
    G3 = (1 + R'/rDS ) (4)
  • Ein labormäßiger Prototyp der oben beschriebenen Erfindung hat auch bewiesen, daß er sich an neue Bedingungen anpaßt, beispielsweise wenn die Dichtung zwischen dem Polster der Gehörschutzmuschel gebrochen ist, wie das vorkommen könnte, wenn der Benutzer seinen Kopf dreht. Das rührt von der Verwendung eines gemäß Gleichung (1) konstruierten, synthetisierten Fehlerwegmodells her, bei dem ein Luftverlust auftritt, der mit dem bei dem schlechten Passen einer Gehörschutzmuschel am Ohr vorkommenden vergleichbar ist. Beispielsweise ist das Verhalten der Frequenz des synthetisierten Fehlerwegmodells mit dem in 5B gezeigten Verhalten des Impulses durch die durchgehende Linie in 12 gegeben. Ein gemessenes Verhalten der Fehlerwegfrequenz bei der gleichen Vorrichtung, wenn die Gehörschutzmuschel schlecht am Kopf abgedichtet ist, ist durch die gestrichelte Linie in 12 gezeigt.
  • Ein Fachmann für die Erfindung kann nunmehr alternative Konstruktionen und Ausführungsformen oder Variationen der obigen ersinnen. Alle diejenigen, die innerhalb des Umfangs der hier angefügten Ansprüche liegen, gelten als Teil der vorliegenden Erfindung.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Lärmsteuerung eines akustischen Signals, mit den folgenden Schritten: (a) Gewinnen eines Referenzsignals von dem zu steuernden akustischen Signal, (b) Anwenden eines Gegengeräuschsignals auf das akustische Signal, um das akustische Signal zu steuern, (c) Gewinnen eines Fehlersignals, das von der Anwendung des Gegengeräuschsignals auf das akustische Signal herrührt, (d) Erzeugen des Gegengeräuschsignals aus dem Referenzsignal, indem das Referenzsignal durch einen ersten Filter mit steuerbaren Filterkoeffizienten läuft, (e) Steuern der Filterkoeffizienten durch verarbeiten des Fehlersignals und einer geänderten Darstellung des Referenzsignals sowie Erzeugen eines Koeffizientensteuersignals, um das Gegengeräuschsignal zu generieren, (f) Anwenden des Koeffizientensteuersignals auf den ersten Filter und (g) Abtasten der Referenz und Fehlersignale sowie Steuern der Koeffizienten des ersten Filters, Erzeugen des Gegengeräuschsignals durch Verarbeitung lediglich eines dezimierten Anteils der abgetasteten Signale von Referenz und Fehlersignalen, wobei der Anteil ein Viertel oder weniger ist, und Anlegen des Gegengeräuschsignals an das akustische Signal mit der Abtastrate.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, das ein FIR-Modell eines Signalpfads von einer Stelle des Gegengeräuschsignals zu einer Stelle des Fehlersignals verwendet, um die geänderte Darstellung des Referenzsignals zu erhalten, wobei in dem Modell die Filterkoeffizienten h; die folgende Bedingung erfüllen:
    Figure 00190001
    wobei i = 1, 2, 3, ... N und N die Gesamtanzahl der Filterkoeffizienten bezeichnet.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, das ein vereinfachtes Modell für einen Signalpfad von einem Ort des Gegengeräuschsignals zu einem Ort des Fehlersignals aufweist, um die geänderte Darstellung für das Referenzsignal zu erhalten.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Impulsantwortmodell des Fehlerpfads abgeschnitten ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Impulsantwortmodell des Fehlerpfads synthetisiert ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine analoge Frequenzumformung mindestens eines von beiden einschließt: das Referenzsignal sowie das Fehlersignal vor der Verarbeitung und das Gegengeräuschsignal nach der Verarbeitung.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem eine analoge Frequenzumformung niedriger Ordnung unter Verwendung von akustischen Tiefpaßfiltern niedriger Ordnung erfolgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, das eine Veränderung der Verstärkung der Pfade des Referenzsignals (X), des Gegengeräuschsignals (in und des Fehlersignals (E) aufweist, derart, daß der Fehlerpfadimpuls unverändert bleibt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, das eine Änderung der Verstärkung der Pfade des Referenzsignals (X), des Gegengeräuschsignals (U) und des Fehlersignals (E) aufweist, derart, daß das Verstärkungsverhältnis der Signale X/E unverändert bleibt.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, das eine Änderung der Verstärkung der Pfade des Referenzsignals (X), des Gegengeräuschsignals (U) und des Fehlersignals (E) aufweist, derart, daß das Produkt der Verstärkung der Signale E und U konstant bleibt.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, das eine Änderung der Verstärkung der Pfade des Referenzsignals (X), des Gegengeräuschsignals (U) und des Fehlersignals (E) aufweist, derart, daß das Produkt der Verstärkungen der Signale E und U sowie das Verstärkungsverhältnis für Signal X/E konstant bleiben.
  12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastfrequenz ungefähr 40 kHz oder weniger beträgt.
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