EP1964107B1 - Verfahren und system zur aktiven geräuschbeeinflussung, verwendung in einem kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren und system zur aktiven geräuschbeeinflussung, verwendung in einem kraftfahrzeug Download PDF

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EP1964107B1
EP1964107B1 EP06763865.0A EP06763865A EP1964107B1 EP 1964107 B1 EP1964107 B1 EP 1964107B1 EP 06763865 A EP06763865 A EP 06763865A EP 1964107 B1 EP1964107 B1 EP 1964107B1
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EP
European Patent Office
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noise
reference variable
engine
reference signal
bus
Prior art date
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Active
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EP06763865.0A
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English (en)
French (fr)
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EP1964107A1 (de
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Fabian Evert
Roland Lippold
Rolf Schirmacher
Florian Walter
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Mueller-Bbm Active Sound Technology GmbH
Original Assignee
Mueller-Bbm Active Sound Technology GmbH
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Publication date
Application filed by Mueller-Bbm Active Sound Technology GmbH filed Critical Mueller-Bbm Active Sound Technology GmbH
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    • G10K11/16—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/175—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general using interference effects; Masking sound
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    • G10K11/17821—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general using interference effects; Masking sound by electro-acoustically regenerating the original acoustic waves in anti-phase characterised by the analysis of input or output signals, e.g. frequency range, modes, transfer functions characterised by the analysis of the input signals only
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    • G10K2210/10—Applications
    • G10K2210/128—Vehicles

Definitions

  • the present invention relates to a method for active noise control, in particular in a motor vehicle. Furthermore, the invention relates to a corresponding system and its use in a motor vehicle.
  • ANC systems active noise control
  • ANC systems serve, for example, in a passenger compartment of a motor vehicle to reduce by coupling controlled acoustic signals, the noise level of a source of interference, for example the motor.
  • the noise is reduced by superposition with additional vibrations, so-called anti-sound.
  • the controlled coupling of secondary sound also any harmonics and / or the root of the primary noise can be amplified.
  • harmonious tone sequences for example, are perceived as pleasant.
  • a perceived engine noise can be designed specifically.
  • compensation sound is understood as a secondary sound coupled in addition to the noise sound, which can act both amplifying and damping at specific sound frequencies.
  • the noise or vibration sources are essentially periodic sound sources.
  • the resulting from the periodicity excitation frequency of the noise source is used as an input to an adaptive control of the noise reduction system. If this characteristic for the respective noise source As time changes, adaptive control of the noise mitigation system makes a corresponding adjustment in the compensation sound injection.
  • An adaptive control for active noise reduction for example, from DE 196 32 230 C2 known.
  • a reference signal generator is provided which detects an engine speed and generates an electronic reference signal having information about the engine speed. This may be, for example, a pulse signal, which is guided via signal lines to a sine generator provided in the noise reduction system.
  • a corresponding reference signal can also be derived from the ignition coil signal, which is directly related to the engine speed and thus the acoustic excitation frequency of the engine.
  • noise reduction systems In active noise reduction systems, it is necessary to keep the corresponding excitation frequency or an equivalent reference signal for the actuation of the actuators or compensation loudspeakers as continuous as possible in time.
  • a measuring sensor usually used near the engine is provided, which supplies a corresponding reference signal to the actual control of the noise reduction system.
  • the noise reduction system is usually located in the passenger compartment, so long signal paths and a corresponding wiring are required.
  • JP-06-109069 a noise reduction system for motor vehicles is described in which the actual processing unit for an LMS algorithm is operated at a lower clock rate than the analog-to-digital converters and digital-to-analog converters which detect a corresponding input signal or provide analog drive signals for compensation speakers.
  • the implementation of the LMS algorithm for determining filter factors of adaptive digital filters of the arithmetic unit is carried out by the reduced clock rate with less effort. In this case, a derived from the engine speed reference signal is used in the algorithm.
  • a first high-speed bus is provided in the engine compartment, which controls the engine network and having an engine speed provision period of the order of 10 to 20 milliseconds.
  • a second slower data bus coupled via a gateway to the high-speed bus, serves to connect control units for the comfort and interior functions of the motor vehicle, such as tachometers, tachometers, etc.
  • the motor speed reference variable which is important for a system for active noise control, is thus only available at a lower provision rate of about 10 times per second, ie every 100 milliseconds on the slower data bus provided in the interior of the motor vehicle.
  • the only very discretely present discrete reference variable for example, the engine speed, the operation of the active system in the passenger compartment difficult.
  • the invention has for its object to provide a system for active noise control.
  • the invention provides a method for influencing noise, preferably in the event that a reference variable characterizing the respective noise source exists only in time-spaced samples.
  • the time-discrete characteristic reference variable is extrapolated starting from the respective readout times, wherein at least two temporally preceding readout values of the reference quantity are used in an extrapolation model or a readout value of the reference quantity and a change parameter of the reference quantity are used for an extrapolation. That in the inventive method generated reference signal is thus practically time-continuous, but at least with a sampling rate, with which a digital system is operated for noise control. This allows a reliable adaptation of the compensation sound injection by the device for active noise control to the time-varying excitation of the noise source.
  • the excitation frequency can change during the operation of the noise source, as is the case, for example, with a motor during acceleration or deceleration.
  • the current actual excitation which is characterized by the reference variable, is always taken into account in the control of the compensation sound injection.
  • the invention therefore enables irradiation of secondary sound or compensation sound with particularly high amplitude and phase accuracy.
  • the inventive method enables the coupling of a system for active noise control directly to a, for example, in-vehicle data bus, which has only a low repetition rate with respect to the characteristic reference variable. This eliminates the need for an additional measuring sensor for recording the reference size and the corresponding cabling.
  • the proposed method and system for influencing noise according to the invention is particularly suitable for use in a motor vehicle in which further data for the prediction of the engine speed between readings from the data bus can be taken into account for an improved extrapolation model.
  • the invention can also be easily implemented in programmable digital control devices of the active system for noise control.
  • FIG. 1 an inventive system for influencing noise 1 is shown, which is coupled to a data bus 2 in a motor vehicle.
  • a high-speed CAN-BUS 3 which serves for networking engine control devices 4, 5.
  • One of the engine control devices for example, a speed sensor 4, which provides information about the speed of the motor 16 to the high-speed bus 3.
  • Another engine controller 5 reads the engine speed and other vehicle operating data from the high-speed bus 3 and sends corresponding control signals to the engine 16 to the high-speed data bus 3.
  • the engine speed is typically 10 to 20 milliseconds on the high-speed data bus 3.
  • a low-speed CAN bus 2 is provided, which is coupled via a gateway device 6 to the high-speed CAN bus 3.
  • display devices 7 are coupled for speed, speed, tank level or other common monitoring variables or positioners 8 for comfort functions of the vehicle.
  • the speed information which is a characteristic reference quantity for the noise source, for example the motor 16, only with a repetition rate of about 100 milliseconds. That is to say at 100 millisecond spaced deployment times are current speed information readable.
  • the signal propagation times between the high-speed CAN bus 3, the gateway 6 and the low-speed CAN bus 2 can result in further delays. The delivery times can thus also be present irregularly spaced.
  • the system for influencing noise 1 has an extrapolation device 9, which is coupled via suitable data lines 10 to the low-speed CAN bus 2 provided in the vehicle interior.
  • a device for active noise control 11 is also provided, which receives a reference signal 12 generated by the extrapolation device 9.
  • the device for influencing noise 11 supplies control signals 13 to one or more actuators 14, which are shown here by way of example as a loudspeaker 14.
  • a noise sensor or a microphone 15 is coupled to the noise control device 11, which receives the noise or a noise sound emitted from the motor 16 as a noise source in the illustrated example, and the compensation signal outputted from the speaker 15 ,
  • the noise control device 11 controls the irradiation of the compensation noise by the loudspeaker 14 in response to the reference signal 12 associated with a reference variable characterizing the noise source, such as the engine speed, and the sound level recorded to the microphone, such that interference with the noise radiated secondary or compensation sound a noise change occurs.
  • a reference variable characterizing the noise source such as the engine speed
  • the sound level recorded to the microphone such that interference with the noise radiated secondary or compensation sound a noise change occurs.
  • the example perceived by an occupant modified sound can be designed so that the sound is perceived as pleasant.
  • derived from the excitation frequency of the noise source ie the fundamental frequency
  • derived higher harmonics can be selectively damped or amplified by secondary noise, so that a desired noise color occurs. It is not only integer harmonic excitations by the secondary sound injection changeable, but any harmonics can be influenced to achieve a respective sound design.
  • the noise-influencing device 11 requires a corresponding actual reference signal 12 in real time in order to adapt the compensation sound injection to the changed excitation frequency of the motor 16.
  • the reference size is only available at certain provision times. Therefore, the extrapolation device 9 according to the invention performs in the Fig. 2 by method steps described in more detail.
  • the extrapolation device 9 reads out the present engine speed N 1 in a first step S1 at a first provision time t 1 , and stores this in a second step S2.
  • the read-out and storage takes place in each case at successive provision times t i , which are predetermined by the state and the architecture of the respective data bus, for example the low-speed CAN bus 2.
  • the extrapolation device 9 extrapolates the values of the read-out and stored rotational speeds in step S3 and generates a corresponding reference signal 12, which is output in step S5.
  • the reference signal 12 is generated in such a way that the respective values of the reference signal 12 approximate the current reference variable between the provision times t i as well as possible.
  • a preferred extrapolation model provides for linear extrapolation by means of an excitation frequency / time or motor speed / time gradient.
  • the engine speed values N i and N i-1 are read out.
  • the extrapolation device 9 supplies this estimated engine speed N (t) as a reference signal 12 to the device for influencing noise.
  • the extrapolation device 9 supplies this reference signal 12 with a reference signal rate that corresponds, for example, to the clock rate of the device for influencing noise 11. Usual rates are for example in the order of 1-5 kHz.
  • a refined modeling of the noise source in the example of application of the engine described here, can also be done by considering other engine-related parameters, such as the actual load or changes in the engine behavior, which are given by a motor control.
  • the pedal dynamics of accelerator and / or brake pedal, control signals of an anti-lock brake system or electronic stabilization system or other data can be done.
  • the data required for such models is available through the digital data bus systems in the vehicle.
  • extrapolation models include self-learning models, ie models in which adjustments are made during operation in the respective extrapolation algorithm, for example by changing extrapolation parameters.
  • known properties can also be incorporated via the noise source or its control, for example a motor control.
  • motors are often automatically decelerated at certain particularly high speeds. Such knowledge is advantageously taken into account in the extrapolation.
  • the signal propagation time between, for example, the rotational speed sensor 4 via the high-speed CAN bus 3, the gateway 6 and the low-speed data bus 2 is preferably also taken into account.
  • the extrapolated engine speed or the values of the reference signal 12 to the actually existing reference size can be achieved.
  • the extrapolation of the actual values of the reference variable can also be performed by using a change parameter which characterizes the temporal change of the reference variable and a read value of the reference variable, provided a corresponding change parameter, such as the rotational acceleration ⁇ , on the data bus is readable.
  • the invention requires only arbitrary time-readable parameters that allow to perform an extrapolation. Possibly, delivery times for a corresponding change parameter and delivery times for the values of the reference size are closer in time to each other than the delivery times for the values of the reference size among each other.
  • Fig. 3 are sound levels using the method and system according to the invention for active noise control and in dependence on an engine speed.
  • the adaptive control in dependence on the generated reference signal is for example in DE 196 32 230 C2 explained in more detail and used in the example considered here, the noise reduction.
  • the solid line curve A represents the sound pressure level without an active system for influencing noise in a four-cylinder engine on a microphone in a vehicle interior for the ignition frequency, ie twice the engine speed.
  • the engine speed was within 60 seconds from 1000 revolutions per minute to 6000 Raised revolutions per minute.
  • the dotted curve B represents the sound pressure using an ANC system in which the delivery times for an update of the engine speed are at a time interval of 100 milliseconds and no extrapolation according to the invention has been carried out. That is, the engine speed was assumed constant between the delivery times. Especially at speeds from about 2000 revolutions per minute This rough update, such as the provision rate of a low-speed CAN bus, is no longer sufficient to achieve noise reduction with an ANC system.
  • the dashed line shows the sound pressure level using the method according to the invention for influencing the noise, wherein a linear extrapolation of the engine speed was performed according to the equation I for generating the reference signal.
  • the provision times t i divide each 100 milliseconds.
  • the inventive method or the use of a system according to the invention for noise control significantly improves the active noise reduction over the entire speed range.
  • the present invention therefore provides a method for reliably influencing noise, in which an active device for influencing noise is provided with accurate information about the actually present excitation frequency of a noise source. Due to the method according to the invention, the system according to the invention provides particularly efficient noise control, although a reference variable characterizing the respective noise source is present only on a random basis.
  • a particular advantage of the present invention is that no additional sensor must be provided, but that system can be coupled directly to a data bus.
  • the invention is not limited to use in a motor vehicle, but may preferably be used whenever there are periodic noise excitations.
  • the method according to the invention or the extrapolation device and the device for influencing noise can be implemented completely computer-implemented.
  • a programmable microcontroller device is conceivable which carries out the method according to the invention in the programmed state.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur aktiven Geräuschbeeinflussung, insbesondere in einem Kraftfahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes System sowie dessen Verwendung in einem Kraftfahrzeug.
  • Systeme zur aktiven Geräuschbeeinflussung, welche auch als ANC-Systeme (active noise control) bezeichnet werden, dienen beispielsweise in einem Fahrgastinnenraum eines Kraftfahrzeuges dazu, durch Einkoppeln von gesteuerten akustischen Signalen den Geräuschpegel einer Störquelle beispielsweise des Motors zu reduzieren. Bei dieser aktiven Kompensation wird der Geräuschschall durch Überlagerung mit zusätzlichen Schwingungen, sogenanntem Antischall, gemindert. Durch das gesteuerte Einkoppeln von Sekundärschall können auch beliebige Harmonische und/oder der Grundton des primären Geräuschschalls verstärkt werden. In der Regel werden zum Beispiel harmonische Tonfolgen als angenehm empfunden. Durch gezieltes Unterdrücken einzelner Frequenzen des Motorgeräusches und Verstärken anderer Frequenzen lässt sich zum Beispiel ein wahrgenommenes Motorengeräusch gezielt gestalten. Man spricht dann auch von Sounddesign.
  • Kompensationsschall wird im Folgenden als zusätzlich zu dem Geräuschschall eingekoppelter Sekundärschall verstanden, der sowohl verstärkend als auch dämpfend bei bestimmten Schallfrequenzen wirken kann.
  • Dasselbe Prinzip ergibt sich bei der Kompensation von Körperschall, wobei mittels Aktoren Gegenschwingungen in einen Festkörper eingekoppelt werden, die eine Geräuschminderung bzw. Geräuschveränderung hervorrufen.
  • In der Regel handelt es sich bei den Geräusch- oder Schwingungsquellen um im Wesentlichen periodische Schallquellen. Die sich aus der Periodizität ergebende Anregungsfrequenz der Geräuschquelle wird dabei als Eingangsgröße für eine adaptive Steuerung des Geräuschminderungssystems verwendet. Falls sich diese für die jeweilige Geräuschquelle charakteristische Größe zeitlich ändert, nimmt eine adaptive Steuerung des Geräuschminderungssystems eine entsprechende Anpassung in der Kompensationsschalleinkopplung vor.
  • Eine adaptive Steuerung zur aktiven Geräuschminderung ist beispielsweise aus der DE 196 32 230 C2 bekannt. Dort ist ein Referenzsignalgeber vorgesehen, welcher eine Motordrehzahl erfasst und ein elektronisches Referenzsignal erzeugt, welches Informationen über die Motordrehzahl aufweist. Dies kann beispielsweise ein Pulssignal sein, welches über Signalleitungen an einen in dem Geräuschminderungssystem vorgehaltenen Sinusgenerator geführt ist. Im Kraftfahrzeug kann ein entsprechendes Referenzsignal ferner aus dem Zündspulensignal abgeleitet werden, welches in direktem Zusammenhang mit der Motordrehzahl und damit der akustischen Anregefrequenz des Motors steht.
  • Bei aktiven Geräuschminderungssystemen ist es erforderlich, möglichst zeitkontinuierlich die entsprechende Anregungsfrequenz oder ein äquivalentes Referenzsignal für die Ansteuerung der Aktoren bzw. Kompensationslautsprecher bereitzuhalten. Bei Geräuschminderungssystemen nach dem Stand der Technik wird daher ein meist in Motornähe eingesetzter Messsensor vorgehalten, der ein entsprechendes Referenzsignal an die eigentliche Steuerung des Geräuschminderungssystems liefert. Dabei ist das Geräuschminderungssystem in der Regel in der Fahrgastzelle angeordnet, sodass lange Signalwege und eine entsprechende Verkabelung erforderlich sind.
  • In der JP-06-109069 ist ein Geräuschminderungssystem für Kraftfahrzeuge beschrieben, bei dem die eigentliche Recheneinheit für einen LMS-Algorithmus mit einer niedrigeren Taktrate betrieben wird als die Analog-Digitalwandler und Digital-Analog-Wandler, welche ein entsprechendes Eingangssignal erfassen bzw. analoge Ansteuersignale für Kompensationslautsprecher liefern. Die Durchführung des LMS-Algorithmus zur Bestimmung von Filterfaktoren adaptiver Digitalfilter der Recheneinheit erfolgt durch die herabgesetzte Taktrate mit geringerem Aufwand. Dabei wird ein von der Motordrehzahl abgeleitetes Referenzsignal in dem Algorithmus verwendet.
  • Aufgrund fortschreitender Automatisierung und der Integration verschiedenster Steuer- und Regelaufgaben in modernen Anlagen auf digitale Art und Weise stehen analoge zeitkontinuierliche Überwachungssignale kaum noch zur Verfügung. In modernen Kraftfahrzeugen findet die Datenkommunikation beispielsweise über digitale Bussysteme, wie beispielsweise dem CAN-Bus (Controller Area Network Bus) statt. Bei derartigen asynchronen seriellen Bussystemen ist eine Echtzeitdatenkommunikation nicht mehr möglich. Für die Anzeige der Motordrehzahl in den Armaturen eines Kraftfahrzeuges, ist z.B. eine Bereitstellungsrate von nur 10 pro Sekunde ausreichend.
  • Typischerweise werden in aktuellen Kraftfahrzeugen mehrere Bussysteme vorgehalten. Ein erster Hochgeschwindigkeitsbus ist dabei im Motorraum vorgesehen, der die Motorsteuerung vernetzt und eine Bereitstellungsperiode für die Motordrehzahl in der Größenordnung von 10 bis 20 Millisekunden aufweist. Ein zweiter langsamerer Datenbus, der über ein Gateway mit dem Hochgeschwindigkeitsbus gekoppelt ist, dient der Vernetzung von Steuergeräten für Komfort- und Innenraumfunktionen des Kraftfahrzeugs, wie beispielsweise Tachometer, Drehzahlmesser usw.
  • Die für ein System zur aktiven Geräuschbeeinflussung wichtige Referenzgröße der Motordrehzahl steht somit jedoch nur mit einer geringeren Bereitstellungsrate von etwa 10 Mal pro Sekunde, also alle 100 Millisekunden auf dem langsameren Datenbus, welcher im Innenraum des Kraftfahrzeuges vorgesehen ist, bereit. Insbesondere beim Beschleunigen und Bremsen des Motors erschwert die nur sehr grob zeitdiskret vorliegende Referenzgröße, beispielsweise hier die Motordrehzahl, den Betrieb des aktiven Systems im Fahrgastinnenraum.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein zuverlässiges Verfahren zum Beeinflussen von Geräuschschall zu schaffen. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein System zur aktiven Geräuschbeeinflussung bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Beeinflussen von Geräuschschall gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein System zur aktiven Geräuschbeeinflussung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die Unteransprüche.
  • Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Beeinflussen von Geräuschschall, vorzugsweise für den Fall, dass eine die jeweilige Geräuschquelle charakterisierende Referenzgröße nur in zeitlich beabstandeten Stichproben vorliegt.
  • Erfindungsgemäß wird die zeitdiskret vorliegende charakteristische Referenzgröße ausgehend von den jeweiligen Auslesezeitpunkten extrapoliert, wobei mindestens zwei zeitlich vorhergehende ausgelesene Werte der Referenzgröße in einem Extrapolationsmodells verwendet werden oder ein ausgelesener Wert der Referenzgröße und ein Änderungsparameter der Referenzgröße für eine Extrapolation verwendet werden. Das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Referenzsignal liegt somit praktisch zeitkontinuierlich, zumindest jedoch mit einer Abtastrate vor, mit der ein digitales System zur Geräuschbeeinflussung betrieben ist. Dadurch wird eine zuverlässige Anpassung der Kompensationsschalleinkopplung durch die Einrichtung zur aktiven Geräuschbeeinflussung an die sich zeitlich ändernde Anregung der Geräuschquelle ermöglicht.
  • Dabei wird unter im Wesentlichen periodisch verstanden, dass sich die Anregefrequenz während des Betriebs der Geräuschquelle ändern kann, wie dies beispielsweise bei einem Motor beim Beschleunigen oder Abbremsen der Fall ist.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen System zur Geräuschbeeinflussung wird immer die aktuelle tatsächliche Anregung, welche durch die Referenzgröße charakterisiert ist, bei der Steuerung der Kompensationsschalleinkopplung berücksichtigt. Durch die Erfindung wird daher eine Einstrahlung von Sekundärschall bzw. Kompensationsschall mit besonders hoher Amplituden- und Phasengenauigkeit ermöglicht.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Ankopplung eines Systems zur aktiven Geräuschbeeinflussung direkt an einen, beispielsweise fahrzeugintern vorliegenden Datenbus, welcher hinsichtlich der charakteristischen Referenzgröße nur eine geringe Wiederholrate hat. Somit entfällt ein zusätzlicher Messsensor für die Aufnahme der Referenzgröße sowie die entsprechende Verkabelung.
  • Das vorgeschlagene erfindungsgemäße Verfahren und System zur Geräuschbeeinflussung eignet sich besonders zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, bei dem für ein verbessertes Extrapolationsmodell weitere Daten für die Voraussage der Motordrehzahl zwischen Auslesungen vom Datenbus berücksichtigt werden können. Die Erfindung ist zudem einfach in programmierbaren digitalen Steuereinrichtungen des aktiven Systems zur Geräuschbeeinflussung realisierbar.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines adaptiven Systems zur Geräuschbeeinflussung in einem Kraftfahrzeug näher beschrieben. Es zeigt dabei:
    • Fig. 1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems zur Geräuschbeeinflussung in einem Kraftfahrzeug;
    • Fig. 2: ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
    • Fig. 3: ein Diagramm mit Schalldruckpegeln in Abhängigkeit von der Motordrehzahl.
  • In der Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes System zur Geräuschbeeinflussung 1 dargestellt, welches an einen Datenbus 2 in einem Kraftfahrzeug gekoppelt ist.
  • In dem Motorraum M des Kraftfahrzeuges ist ein Hochgeschwindigkeits-CAN-BUS 3 vorgesehen, der zur Vernetzung von Motorsteuerungseinrichtungen 4, 5 dient. Eine der Motorsteuerungseinrichtungen ist beispielsweise ein Drehzahlsensor 4, welcher Informationen über die Drehzahl des Motors 16 an den Hochgeschwindigkeitsbus 3 liefert. Eine weitere Motorsteuerungseinrichtung 5 liest die Motordrehzahl und andere Fahrzeugbetriebsdaten von dem Hochgeschwindigkeitsbus 3 aus und sendet entsprechende Steuersignale für den Motor 16 an den Hochgeschwindigkeitsdatenbus 3. Die Motordrehzahl liegt üblicherweise mit einer Bereitstellungsrate von 10 bis 20 Millisekunden auf dem Hochgeschwindigkeitsdatenbus 3 vor.
  • In dem Fahrzeuginnenraum I, der in der Fig. 1 auf der rechten Seite der strichgepunkteten Linie dargestellt ist, ist ein Niedriggeschwindigeits-CAN-Bus 2 vorgesehen, der über eine Gateway-Einrichtung 6 an den Hochgeschwindigkeits-CAN-Bus 3 gekoppelt ist. An den Niedriggeschwindigeits-CAN-Bus 2 sind zum Beispiel Anzeigeeinrichtungen 7 für Geschwindigkeit, Drehzahl, Tankfüllstand oder andere übliche Überwachungsgrößen oder Stellregler 8 für Komfortfunktionen des Fahrzeuges gekoppelt.
  • Auf dem Niedriggeschwindigeits-CAN-Bus 2 liegt die Drehzahlinformation, welche eine charakteristische Referenzgröße für die Geräuschquelle, zum Beispiel den Motor 16, darstellt, nur mit einer Wiederholrate von etwa 100 Millisekunden vor. Das heißt zu mit 100 Millisekunden beabstandeten Bereitstellungszeitpunkten sind aktuelle Drehzahlangaben auslesbar. Ferner können durch die Signallaufzeiten zwischen dem Hochgeschwindigkeits-CAN-Bus 3, dem Gateway 6 und dem Niedriggeschwindigeits-CAN-Bus 2 weitere Verzögerungen eintreten. Die Bereitstellungszeitpunkte können somit auch unregelmäßig beabstandet vorliegen.
  • Das System zur Geräuschbeeinflussung 1 weist eine Extrapolationseinrichtung 9 auf, die über geeignete Datenleitungen 10 an den im Fahrzeuginnenraum vorgesehenen Niedriggeschwindigeits-CAN-Bus 2 gekoppelt ist. Es ist ferner eine Einrichtung zur aktiven Geräuschbeeinflussung 11 vorgesehen, welche ein von der Extrapolationseinrichtung 9 erzeugtes Referenzsignal 12 entgegennimmt. Die Einrichtung zur Geräuschbeeinflussung 11 liefert Steuerungssignale 13 an einen oder mehrere Aktoren 14, welche hier beispielhaft als ein Lautsprecher 14 dargestellt sind. Es ist ferner ein Geräuschsensor oder ein Mikrofon 15 an die Einrichtung zur Geräuschbeeinflussung 11 gekoppelt, welches das Störgeräusch oder einem Geräuschschall, welcher in dem dargestellten Beispiel vom Motor 16 als Geräuschquelle emittiert wird, und das von dem Lautsprecher 15 abgegebene Kompensationssignal bzw. den Kompensationsschall aufnimmt.
  • Die Einrichtung zur Geräuschbeeinflussung 11 regelt die Einstrahlung der Kompensationsgeräusche durch den Lautsprecher 14 in Abhängigkeit von dem Referenzsignal 12, welches einer Referenzgröße zugeordnet ist, die die Geräuschquelle charakterisiert, beispielsweise die Motordrehzahl, und dem Mikrofon aufgezeichneten Schallpegel derart, dass durch Interferenz des Geräuschschalls mit dem eingestrahlten Sekundär- bzw. Kompensationsschall eine Geräuschveränderung eintritt. Dabei kann der beispielsweise von einem Insassen wahrgenommene veränderte Schall derart gestaltet werden, dass der Schall als angenehm empfunden wird. Dabei können auch aus der Anregefrequenz der Geräuschquelle, also der Grundfrequenz, abgeleitete höhere Harmonische gezielt durch Sekundärschalleinstrahlung gedämpft oder verstärkt werden, sodass eine gewünschte Geräuschfarbe eintritt. Dabei sind nicht nur ganzzahlige Harmonische Anregungen durch die Sekundärschalleinkopplung veränderbar, sondern beliebige Harmonische beeinflussbar, um ein jeweiliges Sounddesign zu erzielen.
  • Ändert sich die Motordrehzahl als Referenzgröße beispielsweise beim Beschleunigen oder Abbremsen des Fahrzeugs, benötigt die Einrichtung zur Geräuschbeeinflussung 11 praktisch in Echtzeit ein entsprechendes aktuelles Referenzsignal 12, um die Kompensationsschalleinkopplung an die geänderte Anregefrequenz des Motors 16 anzupassen. An dem Niedriggeschwindigeits-CAN-Bus 2 liegt die Referenzgröße jedoch nur zu bestimmten Bereitstellungszeitpunkten vor. Daher führt die Extrapolationseinrichtung 9 gemäß der Erfindung die in der Fig. 2 näher beschriebenen Verfahrensschritte durch.
  • Die Extrapolationseinrichtung 9 liest in einem ersten Schritt S1 zu einem ersten Bereitstellungszeitpunkt t1 die vorliegende Motordrehzahl N1 aus, und speichert diese in einem zweiten Schritt S2 ab. Das Auslesen und Abspeichern erfolgt jeweils zu aufeinanderfolgenden Bereitstellungszeitpunkten ti, welche von dem Zustand und der Architektur des jeweiligen Datenbusses, zum Beispiel dem Niedriggeschwindigeits-CAN-Bus 2, vorgegeben sind.
  • Unter Verwendung eines Extrapolationsmodells S4 extrapoliert die Extrapolationseinrichtung 9 im Schritt S3 die Werte der ausgelesenen und gespeicherten Drehzahlen und erzeugt ein entsprechendes Referenzsignal 12, welches im Schritt S5 ausgegeben wird. Dabei wird das Referenzsignal 12 derart erzeugt, dass die jeweiligen Werte des Referenzsignals 12 die aktuelle Referenzgröße zwischen den Bereitstellungszeitpunkten ti möglichst gut annähert.
  • Ein bevorzugtes Extrapolationsmodell sieht eine lineare Extrapolation mittels eines Anregefrequenz/Zeit- bzw. Motordrehzahl/Zeitgradienten vor. Zu den Bereitstellungszeitpunkten ti und ti-1 werden die Motordrehzahlwerte Ni und Ni-1 ausgelesen. Die zeitliche Differenz zwischen den Bereitstellungszeitpunkten ti, ti-1 lautet Δt = ti-ti-1. Zwischen diesen beiden Zeitpunkten ti, ti-1 ändert sich die Motordrehzahl um ΔN = Ni-Ni-1.
  • Die Extrapolationseinrichtung 9 ermittelt diese Änderung der Referenzgröße bzw. der Motordrehzahl und berechnet die sich daraus ergebende Drehbeschleunigung zu: N ˙ = ΔN Δt .
    Figure imgb0001
     Für im Wesentlichen beliebige Zeitpunkte t>ti lässt sich linear die Drehzahl extrapolieren: N t > t i = N i + N • t − t i .
    Figure imgb0002
  • Die Extrapolationseinrichtung 9 liefert diese abgeschätzte Motordrehzahl N(t) als Referenzsignal 12 an die Einrichtung zur Geräuschbeeinflussung 11. Die Extrapolationseinrichtung 9 liefert dieses Referenzsignal 12 mit einer Referenzsignalrate, die beispielsweise der Taktrate der Einrichtung zur Geräuschbeeinflussung 11 entspricht. Übliche Raten liegen zum Beispiel in der Größenordnung von 1 - 5 kHz.
  • Neben einer linearen Extrapolation sind weitere abgewandelte Extrapolationsverfahren möglich. Beispielsweise können mehrere zeitlich zurückliegende ausgelesene Werte der Motordrehzahl berücksichtigt werden und Extrapolationspolynome höherer Ordnungen verwendet werden.
  • Eine verfeinerte Modellierung der Geräuschquelle, in dem hier beschriebenen Anwendungsbeispiel des Motors, kann auch durch Berücksichtigung weiterer motorbezogener Parameter, wie der aktuellen Last oder Veränderungen des Motorverhaltens, die durch eine Motorsteuerung vorgegeben werden, erfolgen. Dabei kann die Pedaldynamik von Gas- und/oder Bremspedal, Steuersignale eines Antiblockiersystems oder elektronischen Stabilisierungssystems oder anderer Daten erfolgen. Die für entsprechende Modelle erforderlichen Daten sind über die digitalen Datenbussysteme in dem Fahrzeug verfügbar.
  • Weitere bevorzugt verwendete Extrapolationsmodelle umfassen selbstlernende Modelle, also Modelle, bei denen im Betrieb Anpassungen im jeweiligen Extrapolationsalgorithmus, zum Beispiel durch sich ändernde Extrapolationsparameter, erfolgen. Bei der Extrapolation können auch bekannte Eigenschaften über die Geräuschquelle oder deren Steuerung, beispielsweise einer Motorsteuerung, einfließen. Zum Beispiel werden Motoren bei bestimmten besonders hohen Drehzahlen häufig automatisch abgeregelt. Derartige Kenntnisse werden vorteilhaft bei der Extrapolation berücksichtigt.
  • Vorzugsweise wird bei der Vorausberechnung der Drehzahldaten auch die Signallaufzeit zwischen beispielsweise dem Drehzahlsensor 4 über den Hochgeschwindigkeits-CAN-Bus 3, dem Gateway 6 und dem Niedriggeschwindigkeitsdatenbus 2 berücksichtigt. Somit lässt sich eine weitere Verbesserung der extrapolierten Motordrehzahl bzw. der Werte des Referenzsignals 12 an die tatsächlich vorliegende Referenzgröße erzielen.
  • In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Extrapolation der tatsächlichen Werte der Referenzgröße auch durch Verwendung eines Änderungsparameters, welcher die zeitliche Änderung der Referenzgröße charakterisiert und eines ausgelesenen Wertes der Referenzgröße erfolgen, sofern ein entsprechender Änderungsparameter, wie beispielsweise die Drehbeschleunigung Ṅ, an dem Datenbus auslesbar ist. Prinzipiell erfordert die Erfindung lediglich beliebige zeitlich beabstandet auslesbare Parameter, die es ermöglichen eine Extrapolation durchzuführen. Möglicherweise liegen Bereitstellungszeitpunkte für einen entsprechenden Änderungsparameter und die Bereitstellungszeitpunkte für die Werte der Referenzgröße zeitliche enger aneinander als die Bereitstellungszeitpunkte für die Werte der Referenzgröße untereinander.
  • In der Fig. 3 sind Schallpegel unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und Systems zur aktiven Geräuschbeeinflussung und in Abhängigkeit von einer Motordrehzahl dargestellt. Die adaptive Steuerung in Abhängigkeit von dem erzeugten Referenzsignal ist beispielsweise in der DE 196 32 230 C2 näher erläutert und dient in dem hier betrachteten Beispiel der Geräuschminderung.
  • Die in durchgezogener Linie dargestellte Kurve A stellt den Schalldruckpegel ohne ein aktives System zur Geräuschbeeinflussung bei einem Vierzylindermotor an einem Mikrofon in einem Fahrzeuginnenraum für die Zündfrequenz, also die doppelte Motordrehzahl dar. Die Motordrehzahl wurde dabei innerhalb von 60 Sekunden von 1000 Umdrehungen pro Minute auf 6000 Umdrehungen pro Minute hochgefahren.
  • Die gepunktete Kurve B stellt den Schalldruck unter Verwendung eines ANC-Systems dar, bei dem die Bereitstellungszeitpunkte für eine Aktualisierung der Motordrehzahl in zeitlichem Abstand von 100 Millisekunden liegen und keine erfindungsgemäße Extrapolation vorgenommen wurde. Das heißt, die Motordrehzahl wurde zwischen den Bereitstellungszeitpunkten konstant angenommen. Insbesondere bei Drehzahlen ab etwa 2000 Umdrehungen pro Minute genügt diese grobe Aktualisierung, wie sie etwa der Bereitstellungsrate eines Niedriggeschwindigkeits-CAN-Busses entspricht, nicht mehr aus, um mit einem ANC-System eine Geräuschminderung zu erreichen.
  • Die strichpunktierte Linie zeigt den Schalldruckpegel unter Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Beeinflussen des Geräuschschalls, wobei eine lineare Extrapolation der Motordrehzahl gemäß der Gleichung I zum Erzeugen des Referenzsignals durchgeführt wurde. Dabei legen die Bereitstellungszeitpunkte ti jeweils 100 Millisekunden auseinander. Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. der Einsatz eines erfindungsgemäßen Systems zur Geräuschbeeinflussung verbessert erheblich die aktive Geräuschminderung über den gesamten Drehzahlbereich.
  • Die vorliegende Erfindung liefert daher ein Verfahren zum zuverlässigen Beeinflussen von Geräuschschall, bei dem einer aktiven Einrichtung zur Geräuschbeeinflussung genaue Informationen über die tatsächlich vorliegende Anregefrequenz einer Geräuschquelle bereitgestellt werden. Das erfindungsgemäße System liefert aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens eine besonders effiziente Geräuschbeeinflussung, obwohl eine die jeweilige Geräuschquelle charakterisierende Referenzgröße nur stichprobenhaft vorliegt.
  • Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass kein zusätzlicher Messwertfühler vorgesehen sein muss, sondern, dass System direkt an einen Datenbus angekoppelt werden kann.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern vielfältig modifizierbar. Die genannten Bereitstellungsraten und Datenbusprotokolle sind lediglich beispielhaft zu verstehen. Eine unregelmäßige Bereitstellung der Referenzgröße ist ebenso möglich. Eine Einstrahlung von Sekundärschall kann auch außerhalb des Fahrzeuginnenraumes erfolgen, beispielsweise durch Lautsprecher in der Abgasanlage oder im Luftansaugfilter.
  • Die Erfindung ist nicht auf den Einsatz in einem Kraftfahrzeug beschränkt, sondern kann vorzugsweise immer dann eingesetzt werden, wenn periodische Geräuschanregungen vorliegen.
  • Dies kann beispielsweise auch bei motorbetriebenen Ventilatoren, Pumpen, Kolbenverdichtern oder anderen Vorrichtungen der Fall sein. Auch Schaltfrequenzen bei bestimmten Leistungselektroniken, welche in einem Datenbus abgefragt werden können, sind als mögliche Referenzgröße verwendbar.
  • Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Extrapolationseinrichtung und die Einrichtung zur Geräuschbeeinflussung vollständig computerimplementiert ausgeführt werden. Insofern ist beispielsweise eine programmierbare Mikrocontrollereinrichtung denkbar, die im programmierten Zustand das erfindungsgemäße Verfahren durchführt.
  • Obwohl die Erfindung am Beispiel von Schwingungseinkopplungen in Luft als ein fluides Medium beschrieben wurde, ist eine Anwendung zur Veränderung von Körperschall genauso möglich.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    System zur aktiven Geräuschbeeinflussung
    2
    Niedriggeschwindigkeitsdatenbus
    3
    Hochgeschwindigkeitsdatenbus
    4
    Drehzahlsensor
    5
    Motorsteuerung
    6
    Gateway
    7
    Anzeigeeinrichtung
    8
    Stellregler
    9
    Extrapolationseinrichtung
    10
    Datenleitung
    11
    Einrichtung zur aktiven Geräuschbeeinflussung
    12
    Referenzsignal
    13
    Ansteuersignale
    14
    Aktor
    15
    Mikrofon
    16
    Motor

Claims (19)

  1. Verfahren zum Beeinflussen von Geräuschschall, wobei eine Geräuschquelle (16), insbesondere ein Motor in einem Kraftfahrzeug, mit einer im Wesentlichen periodischen veränderbaren Anregung den Geräuschschall erzeugt, und wobei eine für die Geräuschquelle charakteristische Referenzgröße, insbesondere eine Motordrehzahl, zu vorgegebenen, aufeinander folgenden Bereitstellungszeitpunkten (ti) vorliegt, mit den Verfahrensschritten:
    - Auslesen mindestens eines ersten Wertes (Ni-1) der Referenzgröße zu einem ersten Bereitstellungszeitpunkt (ti-1) und eines zweiten vorbestimmten Wertes zu einem zweiten Bereitstellungszeitpunkt (ti);
    gekennzeichnet durch,
    - Erzeugen des Referenzsignals (12) zu mindestens einem Zeitpunkt (t) zwischen dem zweiten Bereitstellungszeitpunkt (ti) und einem dritten Bereitstellungszeitpunkt (ti+1) in Abhängigkeit von den ausgelesenen ersten und zweiten Werten; und
    - Bereitstellen des Referenzsignals (12) an eine Einrichtung zur aktiven Geräuschbeeinflussung (11), welche in Abhängigkeit von dem Referenzsignal (12) Ansteuersignale (13) für zumindest einen Aktor (14) erzeugt, wobei der mindestens eine Aktor (14) Kompensationsschall abstrahlt, welcher mit dem Geräuschschall interferiert.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als der zweite vorbestimmte Wert ein Änderungsparameter (Ṅ) der Referenzgröße oder ein zweiter Wert (Ni) der Referenzgröße ausgelesen wird und das Referenzsignal (12) in Abhängigkeit von dem ersten Wert (Ni-1) der Referenzgröße und dem zweiten Wert extrapoliert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als weiterer Verfahrensschritt vorgesehen ist:
    - Bestimmen der Änderung (ΔN) der Referenzgröße zwischen dem ersten (ti-1) und dem zweiten Bereitstellungszeitpunkt (ti);
    wobei das Referenzsignal (12) in Abhängigkeit von dem Wert (Ni) der zu dem zweiten Bereitstellungszeitpunkt (ti) ausgelesenen Referenzgröße und von der Änderung (ΔN) der Referenzgröße extrapoliert wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass linear extrapoliert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Referenzsignal (12) ferner in Abhängigkeit von weiteren Werten der Referenzgröße zu weiteren Bereitstellungszeitpunkten extrapoliert wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Referenzsignal (12) ferner in Abhängigkeit von weiteren charakteristischen Größen für die Geräuschquelle extrapoliert wird.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Referenzgröße eine Motordrehzahl oder eine Anregefrequenz, insbesondere eines Motors, ist.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass beim Extrapolieren eine Verzögerungszeit zwischen einem Zeitpunkt einer Änderung der Referenzgröße und einem jeweiligen Bereitstellungszeitpunkt, insbesondere durch Signallaufzeiten zwischen einem Messsensor (4) und einem die Referenzgröße bereitstellenden Datenbus (2), berücksichtigt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Kompensationsschall derart abgestrahlt wird, dass aus der periodischen Anregung abgeleitete Harmonische der Geräuschquelle (16) zumindest teilweise verstärkt und/oder gedämpft werden.
  10. System zur aktiven Geräuschbeeinflussung (1), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, zur Veränderung von Geräuschschall, welcher von einer Geräuschquelle (16), insbesondere einem Motor, mit einer im Wesentlichen periodischen veränderbaren Anregefrequenz erzeugt ist, mit einer Einrichtung zur aktiven Geräuschbeeinflussung (11), welche in Abhängigkeit von einem Referenzsignal (12) Ansteuersignale (13) für zumindest einen Aktor (14) erzeugt, wobei der mindestens eine Aktor (14) Kompensationsschall abstrahlt, welcher mit dem Geräuschschall interferiert,
    gekennzeichnet durch,
    - einen Datenbus (2), an dem eine Referenzgröße, welche die jeweilige Anregefrequenz der Geräuschquelle (16) charakterisiert, zu vorgegebenen Bereitstellungszeitpunkten (ti) auslesbar ist; und
    - eine an den Datenbus (2) gekoppelten Extrapolationseinrichtung (9), welche das der Referenzgröße zugeordnetes Referenzsignal (12) mit einer Referenzsignalrate erzeugt, wobei jeweilige Werte des Referenzsignals (12) die Referenzgröße zwischen den Bereitstellungszeitpunkten (ti) extrapolieren.
  11. System (1) nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an dem Datenbus (2) ferner ein Änderungsparameter (Ṅ) der Referenzgröße auslesbar ist, wobei die Extrapolationseinrichtung (9) die Referenzgröße in Abhängigkeit von mindestens einem ausgelesenen Wert (Ni) der Referenzgröße und dem Änderungsparameter (Ṅ) extrapoliert.
  12. System (1) nach Anspruch 10 oder 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Extrapolationseinrichtung (9) derart eingerichtet ist, dass sie ein Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1-9 durchführt.
  13. System (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    bei der Erzeugung des Referenzsignals ferner Signallaufzeiten durch das Auslesen der Referenzgröße und/oder eine Verzögerung durch eine Bereitstellung der Referenzgröße auf dem Datenbus (2) berücksichtigt werden.
  14. System (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Datenbus (2) als CAN-Bus insbesondere in einem Fahrzeug ausgeführt ist.
  15. System (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Extrapolationseinrichtung (9) und/oder die Einrichtung zur aktiven Geräuschbeeinflussung (11) als digitale Signalverarbeitungseinrichtung/en ausgeführt ist/sind.
  16. System (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Einrichtung zur aktiven Geräuschbeeinflussung (11) die Steuersignale derart erzeugt, dass durch den Kompensationsschall aus der periodischen Schwingungsanregung abgeleitete Harmonische der Geräuschquelle (16) zumindest teilweise verstärkt und/oder gedämpft werden.
  17. Verwendung eines Systems zur aktiven Geräuschbeeinflussung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 16 in einem Kraftfahrzeug, wobei die Geräuschquelle ein Motor ist, die Referenzgröße eine Motordrehzahl ist, und der Datenbus (2, 3, 6) als ein CAN-Bus für eine Motorsteuerung (5) und für eine Überwachung eines Motorzustandes ausgeführt ist.
  18. Verwendung nach Anspruch 17,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als weitere die Geräuschquelle charakterisierende Größen Daten für die Motorsteuerung (5), insbesondere Beschleunigungswerte, Pedalstellungen, Pedalbewegungen und/oder Schaltungsparameter, verwendet werden.
  19. Verwendung nach Anspruch 17 oder 18,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass in dem Kraftfahrzeug ein erster, in einem Motorraum vorgehaltener, Hochgeschwindigkeits-CAN-Bus (3) und ein zweiter, in einer Fahrgastzelle vorgehaltener, Niedriggeschwindigkeits-CAN-Bus (2) vorgesehen sind, wobei die Referenzgröße und/oder die weiteren die Geräuschquelle charakterisierende Größen aus dem Niedriggeschwindigkeits-CAN-Bus (2) ausgelesen werden.
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