JP2009519165A - 騒音に能動的に影響を与える方法およびシステムならびに自動車におけるその使用方法 - Google Patents

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Abstract

特に自動車におけるエンジンである騒音源(16)が実質的に周期的に変化する励振で騒音を発生させ、特にエンジン回転数である騒音源に特有の参照変数が連続した供給時点(t)において存在する騒音に影響を与える方法であって、少なくとも参照変数の第1の値(Ni−1)と第2の所定の値とを、それぞれ第1の供給時点(ti−1)、第2の供給時点(t)において読み出すステップと、第2の供給時点(t)と第3の供給時点(ti+1)との間の少なくとも1つの時点(t)において、読み出された第1および第2の値に基づいて参照信号(12)を生成するステップと、騒音と干渉する補償音を発する少なくとも1つのアクチュエータ(14)の起動信号(13)を参照信号(12)に基づいて生成する騒音に能動的に影響を与える装置(11)に参照信号(12)を送るステップとを含む方法。

Description

本発明は、特に自動車において騒音に能動的に影響を与える方法に関する。本発明は、同システムおよび自動車におけるその使用方法にも関する。
騒音に能動的に影響を与えるシステムは、ANCシステム(アクティブノイズコントロール)とも呼ばれ、例えば自動車の車室内で、外乱の発生源、例えばエンジンの騒音レベルを、制御された音響信号を導入することによって低下させるために用いられている。この能動的補償においては、追加の振動いわゆるアンチノイズの重畳によって騒音を低減させる。一次騒音の任意の倍音および/または基音を二次音の制御された導入によって増幅することも可能である。通常、例えば倍音列は、心地よく感じられる。エンジン騒音の個別の周波数を予め決められたように抑制し、他の周波数を増幅することによって、知覚されるエンジン騒音などを任意に設計することができる。そしてこれをサウンドデザインともいう。
補償音とは、以下において、騒音に追加的に導入され、所定の音周波数において増幅または減衰させるように作用することが可能な二次音を意味するものとする。
同じ原理は、逆振動をアクチュエータによって固体に導入し、これらの逆振動が騒音を低減させるかまたは騒音に変化を生じさせる固体伝搬音の補償に見られる。
一般に、音源または振動源は実質的に周期的な音源である。その周期性による騒音源の励振周波数(Anregungsfrequenz)は、この場合、騒音低減システムの適応制御用の入力変数として用いられる。個々の騒音源に特有のこの変数が時間的に変化すると、騒音低減システムの適応制御装置が補償騒音導入においてその変化に対応した適応を行う。
能動的騒音低減のための適応制御が、例えば独国特許第19632230(C2)号から公知である。当該特許では、エンジン回転数を検出してそのエンジン回転数についての情報を有する電子参照信号を生成する参照信号生成器が設けられている。この信号は、例えばパルス信号であり得、該パルス信号は、信号線を介して、騒音低減システム内に設けられた正弦波生成器へと導かれる。自動車においては、このような参照信号を、エンジン回転数ひいてはエンジンの音響励振周波数に直接関連づけられる点火コイル信号から導出してもよい。
能動的騒音低減システムにおいては、アクチュエータつまり補償スピーカをいつでも起動させられるように、対応する励振周波数またはそれに相当する参照信号を可能な限り時間的に連続させて用意しておく必要がある。このため、先行技術に係る騒音低減システムでは、一般にエンジンの近くで用いられ、その参照信号を騒音低減システムの実際の制御器に提供する測定センサが設けられている。この場合、騒音低減システムは一般に車室内に配置されるので、長い信号経路とそれに対応したケーブル配線が必要である。
自動化が進み、また、現代のシステムにおいては種々の制御タスクがデジタル式に統合されているため、アナログ式の時間的に連続した監視信号はもはやほとんど利用できない。現代の自動車においては、データ通信は、例えば、CANバス(コントローラ・エリア・ネットワーク・バス)のようなデジタルバスシステムによって行われる。このような非同期シリアルバスシステムにおいて、リアルタイムデータ通信はもはや不可能である。自動車のダッシュボードにエンジン回転数を表示するには、例えば1秒当たりたった10回の供給速度で十分である。
典型的に、現在の自動車には複数のバスシステムが設けられている。この場合、エンジン制御をネットワーク化し、エンジン回転数の供給周期が10〜20ミリ秒程度である第1の高速バスが、エンジン室に設けられる。ゲートウェイを介して高速バスに接続された第2のやや低速のデータバスが、例えば速度計や回転計などのような自動車の快適機能および室内機能のための制御装置をネットワーク化するために用いられる。
したがって、エンジン回転数という騒音に能動的に影響を与えるシステムにとって重要な参照変数が、自動車の室内に設けられたやや低速のデータバス上では1秒当たり約10回つまり100ミリ秒毎というやや低い供給速度でしか得られない。エンジン回転数のような非常に不規則で時間的に不連続な形でしか存在しない参照変数によって、特にエンジンの加速時および制動時に、車室内の能動的システムの動作がより困難なものになっている。
したがって、本発明の目的は、騒音に影響を与える確実な方法を提供することである。また、本発明の目的は、騒音に能動的に影響を与えるシステムを提供することである。
本目的は、請求項1に記載の騒音に影響を与える方法によっておよび請求項10の特徴を備えた騒音に能動的に影響を与えるシステムによって達成される。
本発明のさらなる構成は、下位クレームから明らかになる。
本発明の1つの局面は、好ましくは、個々の騒音源を特徴づける参照変数が時間的に間隔をおいたサンプルにしか存在しない場合に、騒音に影響を与える方法を提供することである。
本発明の1つの局面によると、時間的に不連続に存在する特有参照変数は、あらかじめ読み出された参照変数の少なくとも2つの値を外挿モデルにおいて用いるか、または読み出された参照変数の1つの値と参照変数の変化パラメータとを外挿に用いるかして、それぞれの読み出し時点から外挿される。この結果、本発明による方法において生成された参照信号は、時間的にほぼ連続して存在する。少なくとも、参照信号は、騒音に影響を与えるデジタルシステムを動作させるサンプリングレートで存在する。これにより、騒音に能動的に影響を与える装置による補償騒音導入を騒音源の時間的に変化する励振に確実に適応させることができる。
この場合、「実質的に周期的な」とは、例えば加速または減速時のエンジンにおける場合のように、騒音源の動作中の励振周波数が変化し得ることを意味するものとする。
本発明による方法および本発明による騒音に影響を与えるシステムにおいては、参照変数によって特徴づけられる現在の実際の励振が補償音導入制御において常に考慮される。したがって、本発明により、二次音つまり補償音を特に高い振幅・位相精度で放射することが可能になる。
本発明による方法により、騒音に能動的に影響を与えるシステムを、例えば車両の室内にある、特有参照変数に関して低い繰返し率しか有さないデータバスに、直接接続することが可能になる。したがって、参照変数を受け取るための追加の測定センサとそれに対応したケーブル配線は不要である。
提案された本発明による騒音に影響を与える方法およびシステムは、自動車における使用方法に特に適しており、その際には、外挿モデルの改良を目的として、さらなるデータを考慮に入れてデータバスからの読み出し間のエンジン回転数を予測することができる。本発明は、騒音に影響を与える能動的システムのプログラム可能なデジタル制御装置において簡単に実現することも可能である。
本発明の有利な各構成および発展形態は、下位クレームおよび添付図面に関連した説明の主題となっている。
以下、自動車における騒音に影響を与える適応型システムの好適な実施形態を用いて、本発明を詳細に説明する。
図1は、自動車においてデータバス2に接続された本発明による騒音に影響を与えるシステム1を示す。
自動車のエンジン室Mに、エンジン制御装置4および5をネットワーク化するために用いられる高速CANバス3が設けられている。エンジン制御装置の1つは、例えば、エンジン16の回転数についての情報を高速バス3に供給する回転速度センサ4である。さらなるエンジン制御装置5は、エンジン回転数およびその他の車両走行データを高速バス3から読み出し、対応するエンジン16用制御信号を高速バス3に送る。これにより、エンジン回転数を表す信号が一般に10〜20ミリ秒の供給速度で高速バス3上に存在することになる。
ゲートウェイ装置6を介して高速CANバス3に接続された低速CANバス2は、図1において一点鎖線の右手側に示した車両室内Iに設けられている。低速CANバス2には、例えば速度、回転速度、燃料レベルまたはその他の一般的な監視変数を表示するための表示装置7および車両の快適機能のための制御レギュレータ8が接続されている。
騒音源、例えばエンジン16に特有の特有参照変数である回転速度情報は、約100ミリ秒の繰返し率でしか低速CANバス2上に存在しない。言い換えれば、現在の回転速度情報を読み出すことができるのは、100ミリ秒間隔の各供給時点においてである。さらに、高速CANバス3、ゲートウェイ6および低速CANバス2間の信号伝達時間によってさらなる遅延が生じ得る。したがって、供給時点は不規則間隔となり得る。
騒音に影響を与えるシステム1は、適切なデータ線10を介して車両室内に設けられた低速CANバス2に接続された外挿装置9を有する。また、騒音に能動的に影響を与える装置11も備えられており、外挿装置9によって生成された参照信号12を受け入れる。騒音に影響を与える装置11は、本明細書では例としてスピーカ14として図示した1つまたは複数のアクチュエータ14に制御信号13を供給する。騒音センサつまりマイクロホン15も騒音に影響を与える装置11に接続されており、図示した例における騒音源としてのエンジン16が発する騒音と、スピーカ15が発する補償信号または補償音とを受け取る。
騒音に影響を与える装置11は、騒音源を特徴づける参照変数、例えばエンジン回転数に関連づけられた参照信号12と、マイクロホンによって記録された騒音レベルとに基づいてスピーカ14による補償音の放射を調節する。補償音の放射は、騒音と放射された二次つまり補償音の干渉によって騒音に変化が生じるように調節される。この場合、例えば乗員によって知覚される変化後の音を、騒音が心地よく感じられるように構成することができる。この場合、二次音の放射によって、騒音源の励振周波数すなわち基本周波数から導出される高次の倍音を意図的に減衰または増幅させることも可能であるので、所望の騒音特性が生じる。この場合、二次音導入によって整数倍の倍音の励振(ganzzahlige Harmonische Anregungen)を変化させることができるだけでなく、所望のサウンドデザインを達成するために任意の倍音に影響を与えることができる。
例えば車両の加速または減速時に参照変数としてのエンジン回転数が変化すると、騒音に影響を与える装置11は、補償音の導入をエンジン16の変化後の励振周波数に適応させるために、対応する現在の参照信号12を基本的にリアルタイムで要求する。しかしながら、参照信号は一定の供給時点においてしか低速CANバス2に存在しない。このため、外挿装置9は図2に詳細に説明する方法のステップを実行する。
外挿装置9は、第1のステップS1で、第1の供給時点tにおいて、現在のエンジン回転数Nを読み出し、それを第2のステップS2において記憶する。読み出しおよび記憶はいずれも、データバス、例えば低速CANバス2の状態およびアーキテクチャによって定められる連続した供給時点tにおいて行われる。
ステップS3において、外挿装置9は、外挿モデルS4を用いて読み出しおよび記憶された回転速度の値を外挿し、対応する参照信号12を生成し、生成された参照信号12はステップ5において出力される。この場合、参照信号12は、参照信号12の個々の値が各供給時点t間の現在の参照値に可能な限り近似するように生成される。
外挿モデルの特定の一例は、励振周波数/時間勾配またはエンジン回転数/時間勾配による線形外挿を提供する。供給時点tおよびti−1において、エンジン回転数値NおよびNi−1が読み出される。供給時点tおよびti−1間の時間差はΔt=t−ti−1である。これらの2つの時点tおよびti−1間において、エンジン回転数はΔN=N−Ni−1だけ変化する。
外挿装置9は、参照変数つまりエンジン回転数のこの変化を決定し、そこから生じる回転加速度を、
Figure 2009519165
として計算する。回転速度は、原則的に任意の時点t>tについて線形外挿することができる。
Figure 2009519165
外挿装置9は、この推定エンジン回転数N(t)を参照信号12として騒音に影響を与える装置11に供給する。外挿装置9は、この参照信号12の供給を、例えば騒音に影響を与える装置11のクロックレートに相当する参照信号速度で行う。従来の速度は、例えば1〜5kHz程度である。
線形外挿のほかに、さらなる変形外挿法も可能である。例えば、先に読み出されたエンジン回転数の複数の値を考慮してもよく、より高次の外挿多項式を用いてもよい。
本明細書で説明するエンジンの適用例における騒音源の精密なモデル作成を、現在の負荷またはエンジン制御によって生じるエンジン挙動の変動のような、さらなるエンジン関連パラメータを考慮することによって行ってもよい。この場合、アクセルおよび/またはブレーキペダルのペダル動態、アンチロックシステムつまり電子式走行安定化システムの制御信号またはその他のデータを考慮し得る。それらのモデルに必要なデータは、車両においてデジタルデータバスシステムを介して得られる。
使用し得るその他の外挿モデルには、自己学習モデル、すなわち、例えば外挿パラメータが変化することによる各外挿アルゴリズムにおける適応が走行中に行われるモデルがある。外挿の際、騒音源またはその制御、例えばエンジン制御についての既知の特性も考慮し得る。例えば、エンジンはしばしば特定の特に高い速度で自動的に停止される。この種の知識が外挿において有利に考慮される。
回転速度データをあらかじめ計算するときは、例えば回転速度センサ4から高速CANバス3を介してゲートウェイ6および低速データバス2までの間の信号伝達時間も考慮し得る。このようにして、外挿されたエンジン回転数または参照信号12の値をさらに改善し得、実際に存在する参照変数の値により近い参照信号値を達成し得る。
本発明による方法の別の実施形態においては、参照変数の時間変化を特徴づける変化パラメータ、例えば回転加速度N’などの変化パラメータをデータバスで読み出すことができれば、このような変化パラメータと既に読み出されている参照変数の値とを用いて、参照変数の実際値を外挿してもよい。原則的に、本発明において必要とされるパラメータは、読み出しが可能で時間的に間隔があいており、かつ外挿を実行可能にするものであればよい。変化パラメータの供給時点と参照変数の値の供給時点とが参照変数の値の供給時点同士よりも時間的に近接している場合も考えられる。
騒音に能動的に影響を与える本発明による方法およびシステムを用いた場合に得られた騒音レベルをエンジン回転数の関数として図3に示す。生成された参照信号の関数としての適応制御は、例えば独国特許第19632230(C2)号に詳細に説明されており、本明細書で検討する例では騒音低減のために用いられる。
実線で示す曲線Aは、4気筒エンジンで騒音に影響を与える能動的システムなしの場合の車両室内のマイクロホンにおける音圧レベルと、点火回数すなわちエンジン回転数の2倍との関係を表す。この場合、エンジン回転数を60秒以内に1000回転/分から6000回転/分へと上げていった。
点線で示す曲線Bは、エンジン回転数を更新するための供給時点の時間間隔が100ミリ秒であるANCシステムを用いた場合の音圧を表し、本発明による外挿は実行されなかった。言い換えれば、エンジン回転数は各供給時点間においては一定であると想定された。特に約2000回転/分以上の回転速度では、主に低速CANバスの低い供給速度に起因するこの低い更新速度は、ANCシステムを用いて騒音低減を達成するには不十分になる。
一点鎖線は、本発明による騒音に影響を与える方法を用いた場合の騒音圧レベルを示し、参照信号を生成するために式1に従ってエンジン回転数の線形外挿が行われたものである。この場合、各供給時点tは100ミリ秒間隔である。本発明による方法または本発明による騒音に影響を与えるシステムの使用により、回転速度範囲全体にわたって能動的騒音低減が実質的に改善されている。
したがって、本発明は、騒音源の実際に存在する励振周波数についての正確な情報が騒音に影響を与える能動的装置に供給される騒音に確実に影響を与える方法を提供する。本発明によるシステムは、本発明による方法に基づいて、個々の騒音源を特徴づける参照変数がサンプルとしてでしか存在していなくても騒音に特に効率的に影響を与える。
本発明の特段の利点は、追加の測定値センサを設けなくてもよく、本システムをデータバスに直接接続できることである。
好適な実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、様々に変形され得る。上記の供給速度およびデータバスプロトコルはただ単に一例として理解されるべきである。参照変数の不規則な供給も可能である。二次音または騒音を、例えば排気ガスシステムまたは吸気口フィルタに設けられたスピーカによって、車両室内の外側に放射してもよい。
本発明は、自動車における使用に限定されるものではなく、周期的な騒音励振が存在する所ならどこでも好適に用いられ得る。これは、例えば電動換気装置、ポンプ、ポンプ式圧縮機またはその他の機構においても当てはまり得る。データバスを用いて照会することができる特定のパワーエレクトロニクスにおけるスイッチング周波数も、考え得る参照変数として用いることができる。
さらに、本発明による方法または外挿装置および騒音に影響を与える装置は、完全にコンピュータによって実現し得る。この点で、例えばプログラム化された状態の本発明による方法を実行するプログラム可能なマイクロコントローラ装置が考えられる。
流体媒体としての空気中の振動を導入する例を用いて本発明を説明したが、固体伝搬音を変化させるための応用も同様に可能である。
尚、米国出願の英文明細書中にJISコードで表記できない箇所があったため、この翻訳文では代替表記を使用した、具体的には、
Figure 2009519165
のように、国際出願の明細書ではNの上にドット記号を加えてNの時間微分を表現していたが、便宜上、N’という形で表現した。
自動車における本発明による騒音に影響を与えるシステムの概略図を示す。 本発明による方法のフローチャートを示す。 音圧レベルをエンジン回転数の関数として表したグラフを示す。
符号の説明
1 騒音に能動的に影響を与えるシステム
2 低速データバス
3 高速データバス
4 回転速度センサ
5 エンジン制御
6 ゲートウェイ
7 表示装置
8 制御レギュレータ
9 外挿装置
10 データ線
11 騒音に能動的に影響を与える装置
12 参照信号
13 起動信号
14 アクチュエータ
15 マイクロホン
16 エンジン

Claims (19)

  1. 特に自動車におけるエンジンである騒音源(16)が実質的に周期的に変化する励振で騒音を発生させ、特にエンジン回転数である前記騒音源に特有の参照変数が連続した供給時点(t)において供給される騒音に影響を与える方法であって、
    少なくとも前記参照変数の第1の値(Ni−1)と第2の所定の値とを、それぞれ第1の供給時点(ti−1)、第2の供給時点(t)において読み出すステップと、
    前記第2の供給時点(t)と第3の供給時点(ti+1)との間の少なくとも1つの時点(t)において、前記読み出された第1および第2の値に基づいて参照信号(12)を生成するステップと、
    騒音と干渉する補償音を発する少なくとも1つのアクチュエータ(14)の起動信号(13)を前記参照信号(12)に基づいて生成する騒音に能動的に影響を与える装置(11)に前記参照信号(12)を供給するステップとを含む方法。
  2. 前記第2の所定の値として前記参照変数の変化パラメータ(N’)または前記参照変数の第2の値(N)が読み出され、前記参照信号(12)が前記参照信号の第1の値(Ni−1)と前記第2の値に基づいて外挿される請求項1に記載の方法。
  3. さらなるステップとして、前記第1(ti−1)および第2の供給時点(t)間の前記参照変数の変化(ΔN)を決定するステップが設けられ、
    前記参照信号(12)が、前記第2の供給時点(t)において読み出された前記参照変数の値(N)と前記参照変数の変化(ΔN)に基づいて外挿される請求項1に記載の方法。
  4. 前記外挿が線形的に実行される請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
  5. 前記参照信号(12)が、さらなる供給時点における前記参照変数のさらなる値に基づいて外挿によって得られる請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
  6. 前記参照信号(12)が、前記騒音源に特有のさらなる特有変数に基づいて外挿によって得られる請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
  7. 前記参照変数が、特にエンジンのエンジン回転数または励振周波数である請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。
  8. 特に測定センサ(4)と前記参照変数を供給するデータバス(2)との間の信号伝達時間による、前記参照変数の変化の時点から供給時点までの間の遅延時間が、前記外挿の考慮に入れられる請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。
  9. 前記補償音が、前記周期的な励振から導出される前記騒音源(16)の倍音が少なくとも部分的に増幅および/または減衰されるように発せられる請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。
  10. 特に自動車における、特にエンジンである騒音源(16)が実質的に周期的な変化する励振周波数で発生させる騒音を変化させるための騒音に能動的に影響を与えるシステム(1)であって、
    a)特にエンジンである前記騒音源(16)の励振周波数を特徴づける参照変数を所定の供給時点(t)において読み出すことができるデータバス(2)と、
    b)前記データバス(2)に接続され、前記参照変数に関連づけられた参照信号(12)であって個々の値が前記供給時点(t)間の前記参照変数を外挿する参照信号(12)を参照信号速度で生成する外挿装置(9)と、
    c)騒音と干渉する補償音を発する少なくとも1つのアクチュエータ(14)の起動信号(13)を前記参照信号(12)に基づいて生成する騒音に能動的に影響を与える装置(11)とを含むシステム。
  11. 前記参照変数の変化パラメータ(N’)を前記データバス(2)でさらに読み出すことができ、前記外挿装置(9)が、前記参照変数の既に読み出された少なくとも1つの値(N)と前記変化パラメータ(N’)に基づいて前記参照変数を外挿する請求項10に記載のシステム(1)。
  12. 前記外挿装置(9)が少なくとも請求項1から9のいずれかに記載の方法を実行するようになっている請求項10または11に記載のシステム(1)。
  13. 前記参照信号の生成の際に、前記参照変数の読み出しのために生じる信号伝達時間および/または前記参照変数の供給のために生じる遅延もデータバス(2)上で考慮に入れられる請求項10から12のいずれか1項に記載のシステム(1)。
  14. 前記データバス(2)が、特に車両におけるCANバスとして構成される請求項10から13のいずれか1項に記載のシステム(1)。
  15. 前記外挿装置(9)および前記騒音に能動的に影響を与える装置(11)のうちの少なくとも1つが、デジタル信号処理装置として構成される請求項10から14のいずれか1項に記載のシステム(1)。
  16. 前記騒音に能動的に影響を与える装置(11)が、周期的な振動励振から導出される前記騒音源(16)の倍音が前記補償音によって少なくとも部分的に増幅および/または減衰されるように、制御信号を生成する請求項10から15のいずれか1項に記載のシステム(1)。
  17. 請求項10から16のいずれかに記載の騒音に能動的に影響を与えるシステム(1)の自動車における使用方法であって、前記騒音源がエンジンであり、前記参照変数がエンジン回転数であり、前記データバス(2、3、6)がエンジン制御(5)用およびエンジン状態監視用のCANバスとして構成される使用方法。
  18. エンジン制御用のデータ、特に加速度値、ペダル位置、ペダルの動きおよび/またはギヤ変速パラメータが前記騒音源を特徴づけるさらなる変数として用いられる請求項17に記載の使用方法。
  19. エンジン室内に設けられた第1の高速CANバス(3)と車室内に設けられた第2の低速CANバス(2)とが自動車に備えられ、前記参照変数および/または前記騒音源を特徴づけるさらなる変数が前記低速CANバス(2)から読み出される請求項17または18に記載の使用方法。
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