NO160034B - Fremgangsmaate og anordning til utligning av vibrasjoner. - Google Patents

Abstract

Fremgangsmåte og anordning til utligning av både tilfeldige og tilbakevendende vibrasjoner i gasser, væsker eller faste stoffer. Oppfinnelsen bygger på frembringelse av utlignende vibrasjoner S for at en primærvibrasjon skal bli bragt ned til null (P) ved innvirkning ved adskilte punkter i frekvensområdet av tidssampler av bølgeformen på primærvibrasjonen. De utlignende vibrasjoner som kreves, frembringes ved transformering (ved 15) av de følte restvibrasjoner til en flerhet av par av komponenter som sammen danner restvibrasjonene i en flerhet av forskjellige punkter i frekvensområdet, med separat modifikasjon (ved 17) av de uavhengige komponenter og deretter transformering (ved 20) av de modifiserte komponenter tilbake til et drivsignal for kilden 12 til. utligning av vibrasjonene.

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en forbedret fremgangsmåte til utligning av vibrasjoner (som kan være båret av gass, væske eller faste stoffer) ved å utligne primærvibrasjoner i det minste delvis ved hjelp av spesielt frembragte utlignende eller sekundære vibrasjoner. Oppfinnelsen omfatter også en anordning til utligning av vibrasjoner basert på den nevnte forbedrede fremgangsmåte.

Tidligere fremgangsmåte til utligning av vibrasjoner har anvendt direkte tilbakekobling fra en vibrasjonsrestføler som påvirkes både av de primære og de sekundære vibrasjoner og som skulle både føle ikke utlignende vibrasjoner og skape et nullpunkt for et negativt tilbakekoblingssystem. Disse kjente fremgangsmåter var temmelig begrenset i sin anvendelse fordi de bare frembragte lokal utligning i et område der vibrasjonsfeltet kunne forandre seg hurtig ved forandring av stillingen. Restføleren kunne ikke flyttes til et mer ensartet vibrasjonsfelt (f.eks. med lyd) fordi den ytterligere forsinkelse som dermed ble innført i tilbakekoblings-systemet, ville føre til ustabilitet i tilbakekoblingssløyfen eller en ikke godtagbar dårlig utligning.

Det er også blitt foreslått (se UK ansøkning nr. 1577322)

at der de primære vibrasjoner er av en tilbakevendende natur, kan bølgeformen for den ønskede utligning eller sekundærvibrasjonene syntetiseres fra bølgeformelementer som er synkronisert med repetisjonssyklusén for de primære vibrasjoner. Det viktigste trekk ved en fremgangsmåte med tilbakevendende utligning er at ved å frembringe en synkronisert bølgeform for utligningen, kan tilbakekoblingen innvirke på den følgende repetisjonssyklus og dermed gi mulighet for å kompensere for den iboende akustiske forsinkelse. Tidligere har en tidsbasert løsning blitt anvendt for justering av bølgeformelementene i de sekundære vibrasjoner for å redusere kraften eller bølgeformen for restvibrasjonene i nullpunktet.

I eksempler der reaksjonen fra kilden for de sekundære vibrasjoner på restvibrasjonsfølere er spesielt viktig (uttrykt som dens fasereaksjon), kan betydelige fordeler pp^dtnås ved å anvende en frekvensbasert løsning. Tidligere forsøk på å gjøre dette (se fig. 1 på tegningene) innebar deling av den målte utgang fra en restføler 1 i et antall frekvensbånd ved anvendelse av frekvensbaserte analoge filtere 2a, 2b, 2c (etc.) med korreksjon av amplituden for hvert frekvensbånd med justeringsanordninger 3a, 3b,

3c og ny sammensetning i en summeringsanordning 4 for å danne en kompensert utgangsbølgeform som ble matet til kilden 5 for de sekunære vibrasjoner.

Fig. 1 viser et eksempel der primærvibrasjonene (P) er støy som forplanter seg i en gassfylt sjakt D, men prin-sippet kan like godt anvendes for støy som forplanter seg fritt i rommet eller vibrasjoner som forplanter seg gjen-

nom faste legemer.

I henhold til et trekk ved oppfinnelsen, går en fremgangsmåte til utligning av tilbakevendende vibrasjoner med føling av restvibrasjoner som skyldes interferens mellom primærvibrasjoner fra en kilde for tilbakevendende vibrasjoner og sekundære vibrasjoner fra en drevet aktuator og der fasen og amplituden til de sekundære vibrasjoner styres for å minimalisere de nevnte restvibrasjoner ut på at de følte restvibrasjoner transformeres til en flerhet av uavhengige par av komponenter som sammen danner restvibrasjonene ved en flerhet av forskjellige punkter i frekvensområdet, hver synkronisert til repetisjonsperioden for de tilbakevendende primærvibrasjoner fra kilden, at hver komponent i hvert par komponenter modifiseres separat og de nevnte uavhengige par komponenter transformeres tilbake til et drivsignal for aktuatoren, idet den separate modifikasjon av komponentene i parene av komponenter styres for å redusere energien eller amplituden i restvibrasjonene.

De uavhengige par komponenter som fastlegger restvibrasjonene ved hvert av de forskjellige punkter i transform-området, kan være amplitudene for samme eller imaginære sinuskomponenter eller amplituden for den samme sinuskomponent og en fasekomponent.

Der grunnfrekvensen for de tilbakevendende primærvibrasjoner ikke ventes å forandre seg (f.eks. når man utligner støy fra en motor som går med konstant hastighet) er de forskjellige frekvenser fortrinnsvis de første "n" harmoniske (d.v.s. den andre, tredje etc. harmoniske opp til f.eks.

den femte eller ennu bedre den tiende harmoniske) av grunnfrekvensen. Der grunnfrekvensen kan forandre seg (f.eks. når man utligner støy fra en bilmotor) kan det være bedre å velge et stort antall frekvenser der den laveste ville representere den laveste ventede grunnfrekvens og den høyeste ville representere den "nte" harmoniske svarende til den høyeste ventede grunnfrekvens.

Fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen skiller seg hovedsaklig fra tidligere ikke vellykkede forsøk på to måter: 1. En eller annen synkroniseringsanordning anvendes for å holde hver av de forskjellige frekvenskomponenter låst til repetisjonshastigheten for kilden (f.eks. rota-sjonshastigheten for en maskindel). 2. En transform-metode benyttes for å kvantifisere hvert par av komponenter ved hvert valgt transform-punkt og verdien av disse komponenter kan deretter reguleres uav-hengig av hverandre på en adaptiv måte.

Fouriertransformet er et hensiktsmessig reversibelt transform for anvendelse i oppfinnelsen fordi tids følgeformene og frekvensspektra kan byttes om uten at det innføres noen modifikasjon. På denne måte kan en tidsbølgeform rekonstrueres på grunnlag av de transformerte frekvenskomponenter i motsetning til den tidligere filterløsning som er vist på fig. 1.

Da hver frekvenskomponent i restvibrasjonene (feilsignalet) bare kan skape en reaksjon ved samme frekvens (selv om det kan finnes en samvirkning mellom i-fase komponenter og kvadraturkomponenter) har man et enestående forhold mellom en hvilken som helst forandring i en hvilken som helst gitt frekvenskomponent i sekundærvibrasjonene og den resulterende forandring i amplituden på den samme frekvenskomponent i restvibrasjonene.

De tilsynelatende ukontrollerbare fasekarakteristikker

for de tidligere analoge filterfrekvens baserte systemer og også behovet for i tidsbaserte systemer som beskrevet i den tidligere nevnte UK patentbeskrivelse til å anvende en forsinkelse som var et kompromiss mellom de forskjellige faseforskyvninger ved forskjellige frekvenser er fullstendig eliminert med fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen. Dette skyldes fremgangsmåtens evne til å skille ut frekvenskomponentene uttrykt f.eks. som sanne og imaginære komponenter av aplitude for hver frekvens som er av interesse. Hver av disse komponenter kan utlig-nes separat uten forstyrrelse. Videre er den minste tid systemet krever for å tilpasse seg selv til optimal utligning, bare noen få perioder av grunnfrekvensen for de primære tilbakevendende vibrasjoner når det gjelder utligning av slike tilbakevendende vibrasjoner.

Det antas nu at en modifikasjon gjøres i bølgeformen for

en utlignende vibrasjon fra aktuatoren ved en bestemt frekvens som omfatter sinus og cosinus komponenter.

Hvis da

a er amplituden for sinus komponenten,

b er amplituden for cosinus komponenten og

c er forandringen i utligningskomponenten,

har vi

Den resulterende forandring i rest (eller feil-) signalet, kan deretter også uttrykkes som summen av to forskjellige amplitudekomponenter med forholdet

der

m = amplituden for sinus komponenten og n = amplituden for cosinus komponenten.

Av dette følger at overføringsfunksjonen (F) mellom aktuatoren og den anordning som føler restvibrasjonene (rest-følere) ved denne frekvens er:

og vil være en konstant for en gitt fysisk oppbygning med en gitt aktuator og en gitt restføler.

For på denne måte å beregne det signal som er nødvendig for å utligne et annet målt restsignal på (p + jq), kan den samme overførings funksjon anvendes.

(Ligning A)

Det følger derfor at enhver forandring som gjøres i utligningskomponenten kan benyttes til beregning av over-føringskoeffisientene mellom aktuatoren og restføleren. Disse overføringskoeffisienter kan så benyttes i den neste gjentagelse av utligningsalgoritmen for å få til en nær tilnærmelse til den utligning som er nødvendig for å frembringe et null ved restføleren. En rekke algoritmer kan benyttes i fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen

til frembringelse av en meget hurtig tilnærmelse til så

godt som fullstendig utligning. F.eks. kan, når hver modifikasjon utføres, overføringskoeffisientene beregnes på nytt og den neste beregning kan gjøres på den nye beregnede verdi. En annen mulighet er anvendelse av forskjellen mellom den opprinnelige utligningskoeffisient og den øyeblikkelige koeffisient for å beregne den nye overføringskoeffisient.

I henhold til et ytterligere trekk ved oppfinnelsen omfatter den en anordning til utligning av vibrasjoner som kommer inn i et gitt område fra en kilde til tilbakevendende vibrasjoner omfattende midler til overvåking av repetisjonshastigheten, hvormed kilden sender ut de nevnte vibrasjoner, en første elektromekanisk transduktor til frembringelse av en sekundærvibrasjon, og til å mate denne til det nevnte området, en andre elektromekanisk transduktor til overvåking av resultantvibrasjonen som hersker i det nevnte området på grunn av samvirkning mellom de primære og sekundære vibrasjoner og en elektronisk behandlingskrets som knytter sammen de første og andre transduktorer, hvilken krets innbefatter synkroniseringsmidler som mottar et elektrisk signaltog fra hastighetsovervåkningsmidlene, der det nye ved oppfinnelsen består i at behandlingskretsen som knytter sammen de første og andre transduktorer, innbefatter en første transformmodul som mottar tidsbølgeform-sampler fra den annen transtuktor og frembringer uavhengige par av komponenter ved hvert av en rekke forskjellige punkter i et frekvensområde, en prosessor for separat modifikasjon av de uavhengige par ved hvert nevnt punkt i frekvensområdet som kommer som utgang fra den første transformmodul ved mating av det modifiserte par av komponenter til en andre transformmodul, hvilken andre transformmodul frembringer ytterligere tidsbølgeformsampler som mates som inngang til den første transduktor.

Transformmodulene kan være Fouriertransformer eller en

annen transformmodul som frembringer innbyrdes uavhengige komponenter på grunnlag av en flerhet av tidsbaserte sampler.

Transformmodulene kan være i analog eller digitalform.

Oppfinnelsen vil i det følgende bli nærmere beskrevet som eksempel under henvisning til tegningene der: Fig. 1 viser det tidligere kjente system som allerede er omhandlet,

fig. 2 er et skjematisk blokkdiagram for en anordning i henhold til oppfinnelsen til aktiv utligning av tilbakevendende støy fra en maskin,

fig. 3 viser skjematisk endel av tilbakekoblingssløyfen for anordningen på fig. 2,

fig. 4 viser hvorledes virkningen av ikke synkronisert støy fra en restføler kan reduseres og

fig. 5 viser en mulig analog utførelse av en fouriertransformer for anvendelse ved fremgangsmåten og' anordningen i henhold til oppfinnelsen.

På fig. 2 frembringer en maskin 10 (f.eks. en lineært frem-og tilbakegående maskin eller en roterende motor) primærvibrasjoner P i område ved en elektromagnetisk transduktor eller nullføler 11 (f.eks. en mikrofon) en ytterligere elektromekanisk transduktor eller aktuator 12 (f.eks. en høy-taler) frembringer sekundære vibrasjoner S som virker sammen med primærvibrasjonene P i området ved nullføleren 11.

Den elektriske utgang fra nullføleren 11 mates (via ledningen lia) til en samler 13 for å frembringe en analog inngang 1^ til en første fouriertransformer 15- En flerhet av utgangen 16 fra transformeren 15 mater signaler til en prosessor 17, som mottar-synkroniseringspulser fra maskinen 10 via en synkroniseringsinngang 18. I prosessoren 17 blir signalene ved utgangene 16 tilpasset som beskrevet i det følgende, for å danne modifiserte utganger 19 som ut-gjør inngangene til en andre Foiriertransformer 20. Den analoge utgang, 21 fra transformeren 20 mates til en samle/ drivanordning 22 og deretter (via ledningen 12a) til aktuatoren 12.

Fig. 3 viser endel av anordningen på fig. 2 mer i detalj. Tidsbølgeformen på ledningen lia blir samplet i en serie av registere av samleren 13, og disse registere danner inngangen til Fouriertransformeren 15- Utgangene er:

der Sn er amplituden for den "nte" harmoniske og W = det totale antall elementer i lagringssystemet. Utgangene 16 og 19 på fig. 3 er vist i par, en i heltrukken linje for å vise den sanne (eller sinus) komponenten av den nevnte frekvens, mens den annen er stiplet for å vise den imaginære (eller cosinus) komponenten av samme frekvens. De inviduelle harmoniske komponenter ved hver av "n" fre-kvensene blir så behandlet i prosessoren 17 i henhold til en adaptiv algoritme (f.eks.- etter det som er vist tidligere i ligning A) og blir ført frem til den annen Fouriertransformer 20 som omdanner de frekvensbaserte sampler tilbake til tidsbølgeformsampler med en på hver del av utgangen 21. Disse sampler av den frembragte tidsbølgeform, er naturligvis ført frem i synkronisme med driften av maskinen 10 og blir satt sammen i samle/drivanordningen 22 for å mate ledningen 12a.

Anordningen slik den hittil er beskrivet oppviser ikke de samme fordeler når det gjelder støyimmunitet som noen av de tidsbaserte systemer som tidliger er utviklet. Denne mangel kan imidlertid rettes på ved å beregne middel-verdiene av restsignalene på ledningen lia over et antall gjentatte sykler for maskinen 10 før beregning av over-gangskoeffisientene og dermed før man bestemmer tilpasnings-operasjonene som skal utføres i prosessoren 17- Dette kan foregå med den anordning som er vist på fig. ^ der det anvendes en lagringsenhet 23 for restbølgeformen for hver tidsspalte som benyttes av samleren 13» slik at den på ethvert tidspunkt inneholder samlingen .av et fast antall umiddelbart forutgående restsampler i den nevnte tidsspalte. Som et alternativ kunne lagringsarealet for bølgeformen inneholde en eksponential middelverdiversjon av restbølgeformen. I begge disse tilfeller vil lagringssystemet for restbølgeformen virke som et kamfilter på restbølgeformen.

Foiriertransformeren kan være som programvare f.eks. et dataprogram (se "The Fast Fourier Transform" av E. Oran Brigham - Prentice Hall) eller som digitalmaskinvare som

kan likestilles med -Ririertransformeren eller "fast Fourier transform" dataprogrammer eller som analog maskin-vare, som det er vist et eksempel på i fig. 5.

Fig. 5 viser en skjematisk del av en krysskoblet sats av motstander som kobler sammen vertikale gitterledere (en for hver av tidssamplene tQ, t^, tm) og par av horisontale gitterledere med to par for hver frekvenskomponent som frembringes av transformeren, der utgangene på

et par (S^+, S^-) blir satt sammen i en egen strømsummerings-anordning S.^ for å gi sinuskomponenten for den første harmoniske, mens utgangene på det neste par (0-^+, settes sammen i en andre summeringsanordning C-^ for å gi cosinus-(eller kvadratur-)komponenten for den første harmoniske. Ytterligere par av par er nødvendige for hver på-følgende harmoniske, men bare de for sinuskomponenten for den nte harmoniske er vist ført frem til en egen strøm-

summeringsanordning S . Utgangene 16 fra transformeren 15 er vist med heltrukket og stiplede linjer på samme måte som på fig. 2.

Plasseringen av motstandene som benyttes for hver kryss-kobling, er bare skjematisk vist på fig. 5, men de befinner seg og er dimensjonert slik at de gir en strøm som er proposjonal med sinus (eller cosinus) for den respektive harmoniske.

Den enkleste algoritme for tilpasning er på hverandre følgende forsøk og observasjon av feil, idet man foretar inkremen-tale forandringer i utligningsparameterene for å redusere den relevante energifunksjon ved restmålepunktet. Når omdannede parametere er tilgjengelige, kan tilpasning av hver komponentfrekvens foregå samtidig.

En hurtigere tilpasningsteknikk gjør bruk av amplituden på restsignalet for å forutsi den modifikasjon som er nød-vendig for fullstendig utligning av den målte restfeil,

i stedet for å tilnærme seg tilpasset tilstand med inkre-menter som ved den deuristiske tilpasning som er omhandlet ovenfor. Chaplin III forutsetter en enkel forsinkelses-funksjon mellom utligningsutgangssignalet gjennom trans-duktoren og restføleren for inngangsklemmene for utlig-nings resten .

Hvis det antas at overføringen mellom utligningstransduk-toren og restføleren er kjent eller kan måles, er det en forholdsvis enkel beregning som må gjøres for at man skal kunne forutsi den nødvendige frekvensvaserte parameter som gir utligning, med en målt rest.

Overføringsfunksjonen mellom aktuatoren 12 og restføleren

11, kan utledes på en rekke måter. F.eks. kan en rekke toner tilføres aktuatoren og de resulterende i-fase-og kvadratkomponenter måles ved restføleren eller en puls

kan påtrykkes aktuatoren, Fourier analyseres og forholdet mellom i-fase-og kvadraturkomponentene for kilden som er knyttet til i-fase-og kvadratutkomponentene ved restføleren eller til en sample av tilfeldig støy, kan behandles i prosessoren på tilsvarende måte. En hvilken som helst av disse teknikker vil gi en amplitude-og fasereaksjon mellom aktuatoren og restføleren som kan benyttes til å frembringe det ønskede signal ved aktuatoren for utligning av et hvilket som helst målt restsignal.

Overføringen fra tidsområdet til frekvenssampler krever

at tidsforløpet for bølgeformen undergår en matrise-multiplikasjon ved sampler av de sinusformede og cosinus-formede bølgeformer, eller en matematisk ekvivalent opera-sjon (f.eks. den første Fourier transform). Transforma-sjonen er reversibel, og den opprinnelige tidsfølgeform kan bygges opp igjen av en invers transform, en prosess som bare avviker litt fra Fourier trans formen.

Der fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen anvendes

på multiple samvirkende systemer, er to løsninger foretrukket: (a) Karakteriseringen av hver aktuator-restbane foregår i stille eller stabile omgivelser og systemene tillates da å synke ned til deres endelige nivå ved en gjen-tagelsesprosess, idet hver aktuator forsøker å bringe sin egen restføler ned til null. Denne prosess har vist seg å være ganske effektiv selv i situasjoner med be-tydelig samvirkning, under forutsetning av at rest-føleren som er mest følsom overfor den tilhørende aktuator, er koblet inn i tilbakekoblingssløyfen eller (b) ved på forhånd å måle krysskoblings-koeffisientene mellom hver aktuator og restføler og ved å foreta matriseoperasjoner i en enkel prosessor for å utlede det nødvendige utligningssignal ved hver utligningsaktuator. Et slikt system har fordelen av en hurtig tilpasning (fordi det ikke er nødvendig med gjentagelser), men er mindre modular enn (a) ovenfor.

Fremgangsmåten og anordningen i henhold til oppfinnelsen vil være spesielt egnet for, men ikke begrenset til, enhver situasjon der det ikke er mulig å oppnå en "passende" fasereaksjon mellom utligningsaktuator og en restføler.

En "passende" fasereaksjon svarer til en ren tidsforsin-kelse for det tidligere nevnte system som har hurtig tilpasning. Imidlertid er oppfinnelsens anvendelse ikke begrenset til denne type aktuatorer/akustikk/føler reaksjon og den kan også anvendes sammen med aktuatorer som oppfører seg bedre. Eksempler på systemer med dårlig fasereaksjon er akustikk i førerhus og i rom, vibrasjoner i konstruksjoner og vibrasjoner i fartøyer og fly og oppfinnelsen viser seg særlig lovende for disse anvendelser.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte til utligning av tilbakevendende vibrasjoner, omfattende føling av restvibrasjoner som skyldes interferens mellom primærvibrasjoner fra en kilde for tilbakevendende vibrasjonér og sekundære vibrasjoner fra en drevet aktuator, og styring av fasen og amplituden til de sékuaridære vibrasjoner for å minimalisere de nevnte restvibrasjoner, karakterisert ved at de følterestvibrasjoner transformeres til en flerhet av uavhengige par av komponenter som sammen danner restvibrasjonene ved en flerhet av forskjellige punkter i frekvensområdet, hver synkronisert til repetisjonsperioden for dé tilbakevendende primærvibrasjoner fra kilden, at hver komponent i hvert par modifiseres separat, og de nevnte uavhengige par komponenter transformeres tilbake til et drivsignal for aktuatoren, idet den separate modifikasjon av komponentene i parene av komponenter styres for å redusere energien eller amplituden i restvibrasjonene.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at de uavhengige par komponenter som defi-nerer restvibrasjonene i hvert av de nevnte punkter i frekvensområdet, er amplitudene for sanne og imaginære sinuskomponenter eller amplituden for den sanne sinuskomponent og enfasekomponent.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, karakterisert ved at punktene i frekvensområdet innbefatter grunnfrekvensen for de tilbakevendende vibrasjoner og minst noen av dens laveste harmoniske.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 3, karakterisert ved at grunnfrekvensen og så godt som alle de fem første harmoniske er innbefattet.

5. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at et sett av tidsbaserte sampler av restvibrasjonene blir Fourier-transformert til de uavhengige par av komponenter i frekvensområdet.

6. Anordning til utligning av vibrasjoner som kommer inn i et gitt område fra en kilde til tilbakevendende vibrasjoner omfattende midler til overvåkning av repetisjonshastigheten, hvormed kilden sender ut de nevnte vibrasjoner, en første elektromagnetisk transduktor til frembringelse av en sekundær vibrasjon og til å mate denne til det nevnte området, en andre elektromekanisk transduktor til overvåkning av resultantvibrasjonen som hersker i det nevnte området p.g.a. samvirkning mellom de primære og de sekundære vibrasjoner og en elektronisk behandlingskrets som knytter sammen de første og andre transduktorer, hvilken krets innbefatter synkroniseringsmidler som mottar et elektrisk signaltog fra hastighetsovervåkningsmidlene karakterisert vedat behandlingskretsen som knytter sammen de første og andre transduktorer innbefatter en første transformmodul som mottar tidsbølgeformsampler fra den annen transduktor og frembringer uavhengige par av komponenter ved hvert av en rekke forskjellige punkter i et frekvensområde, en prosessor for separat modifikasjon av de uavhengige par ved hvert nevnt punkt i frekvensområdet, som kommer som utgang fra den første transformmodul, og mating av det modifiserte par av komponenter til en andre transformmodul, hvilken andre transformmodul frembringer ytterligere tidsbølgeformsampler som mates som inngang til den første transduktor.

7. Anordning som angitt i krav 6, karakterisert ved at hver transformmodul er en Fourier-trans former .