SE513754C2 - Förfarande och anordning för aktiv reducering av nivån hos ett primärfält av ljud eller vibrationer i ett utrymme - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 513 754 Det är känt att reducera nivån hos ett primärfält av buller i ett utrymme med hjälp av en uppsättning drivorgan som är anordnade att generera ett sekundärfält av ljud för att in- terferera med primärfältet. Därvid är en uppsättning kon- trollsensorer anordnade i utrymmet vid positioner där en maximal reducering är önskvärd. En styrenhet tillhandahåller en sådan kraft vid varje drivorgan att ljudnivån vid kon- trollsensorerna reduceras till en minimal nivå.

Ett sådant känt bullerreduceringsförfarande är effektivt för att reducera bullret vid kontrollsensorernas position, medan bullernivån i. utrymmet i positioner på avstånd från kon- trollsensorerna inte är direkt styrbart genom förfarandet.

Dessutom kan bullernivån vid positioner på avstånd från kon- trollsensorerna vara avsevärd och vid vissa positioner kan sekundärfältet i stället för att reducera primärfältet in- terferera på ett sådant sätt att den totala nivån av de kom- binerade fälten är högre än nivån hos enbast primärfältet.

Med det kända förfarandet är det således nödvändigt att po- sitionera kontrollsensorerna omedelbart intill de positioner vid vilka en väsentlig bullerreducering är önskvärd. Av många skäl är en sådan positionering av kontrollsensorerna ej möjlig.

US-A-5,38l,485 visar en anordning för aktiv reducering av ljud- eller bullernivån i ett specifikt område hos ett ut- rymme. som är avsedd att generera ljudvàgor för att interferera med Anordningen i detta dokument innefattar en högtalare oönskade ljudvàgor och därvid producera ett område som har en substantiellt reducerad ljudnivå. Vidare är en kontroll- mikrofon, som är positionerad närmare högtalaren än området, anordnad att avkänna ljudet i området. Ett högtalarstyrmedel har en ingång ansluten till kontrollmikrofonen och en utgång ansluten till högtalaren för drift av den senare. Högtalar- innefattar ett inrättat styrmedlet signalbehandlingsmedel att simulera en virtuell mikrofonsignal som skulle ha upp- 10 15 20 25 30 35 513 754 nåtts om mikrofonen vore positionerad i nämnda område, dvs där det är önskvärt att reducera ljudnivån. Den simulerade signalen utnyttjas för att styra högtalaren. Den teknik som presenteras i detta dokument synes i verkligheten emellertid endast vara applicerbar på en mikrofon och en högtalare. Vi- dare kan den kända lösningen endast användas när kontroll- mikrofonen och den virtuella mikrofonen är positionerade på ett relativt litet avstång från varandra i relation till den akustiska 'vàglängden, dvs väsentligt kortare än den akus- tiska våglängden. D SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ändamålet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en förbättrad reducering av' buller- och/eller vibrations- nivån i ett utrymme. I synnerhet eftersträvas en reducering av buller- och/eller vibrationsnivån i en godtycklig posi- tion i ett utrymme. ”***" Detta ändamål uppnås med det inledningsvis angivna förfa- randet, som kännetecknas_av tillhandahållande, under en in- ledande, provisorisk tidsperiod, av ett tredje antal moni- torsensorer i utrymmet för att avkänna parametern relaterad till nivån hos primärfältet; bestämning av en andra överfö- ringsmatris som för varje monitorsensor definierar nivån hos parametern förorsakad av en viss nivå från varje drivorgan och styrning av drivorganen med hjälp av en kraftvektor som är en funktion av den första överföringsmatrisen, en första projektionsmatris mellan den som :reflekterar relationen första överföringsmatrisen och nämnda andra överförings- matris, en andra projektionsmatris, som reflekterar relatio- nerna mellan parametern som avkänns med nämnda kontrollsen- sorer och parametern som avkänns med nämnda monitorsensorer, och en restvektor av den aktuella nivån hos parametern vid kontrollsensorerna.g 10 15 20 25 30 35 513 754 Med ett sådant förfarande är det möjligt att tillhandahålla ett godtycklig antal drivorgan, kontrollsensorer och moni- torsensorer och därvid ta hänsyn till fältens komplexitet på ett sådant sätt att en avsevärd reducering av buller- eller vibrationsnivàn uppnås i utrymmet vid monitorsensorernas po- sition, vilka kan vara lokaliserade i en position där det inte är praktiskt möjligt att anordna kontrollsensorer, ex- empelvis vid en passagerares position i en flygplanskabin. I enlighet med det uppfinningsenliga förfarandet projiceras kontrollsensorerna på monitorsensorerna.

Enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning är nämnda monitorsensorer anordnade vid en respektive position vid vilken en avsevärd reducering av nivån hos primärfältet är önskvärd. Därvid kan kontrollsensorerna vara anordnade på ett avstånd från monitorsensorernas positioner.

Enligt en ytterligare utföringsform av föreliggande uppfin- ning genereras nämnda kraftvektor företrädesvis genom en multiplikation av pseudoinversen av den första överförings- matrisen, nämnda första projektionsmatris, pseudoinversen av nämnda andra projektionsmatris och nämnda restvektor. En ef- fektiv kontrollfunktion för att styra krafterna som skall appliceras pà drivorganen kan således uppnås genom en enkel matrismultiplikation, vilken kan utföras med hjälp av kon- ventionella datormedel.

Enligt en ytterligare utföringsform av föreliggande uppfin- ning reduceras antalet kontrollsensorer i den första projek- tionsmatrisen och den andra projektionsmatrisen till att in- nefatta endast en optimal uppsättning sensorer för proji- cering av varje monitorsensor. Pà så sätt är det möjligt att förbättra sorerna genom användande av endast de mest signifikanta kon- kontrollsensorernas projektion på monitorsen- trollsensorerna. 10 15 20 25 30 35 513 754 Ändamålet uppnås också med den inledningsvis angivna anord- ningen som kännetecknas av att ett tredje antal monitorsen- sorer inrättade att yara_anordnade i nämnda utrymme under en inledande provisoriskïtidsperiod för att avkänna parametern relaterad till nivàn_hQ§“primärfältet; ett andra bestämningsmedel anordnat att bestämma en andra överföringsmatris som för varje monitorsensor definierar ni- vån hos parametern förorsakad av en viss nivå från varje drivorgan; och en styrenhet anordnad att styra drivorganen med hjälp av en kraftvektor som är en funktion av den första överförings- matrisen, en första projektionsmatris som reflekterar rela- tionen mellan den yförsta överföringsmatrisen och nämnda andra överföringsmatris, en andra projektionsmatris som re- flekterar relationernahmellan parametern som avkänns av kon- trollsensorerna och parametern som avkänns av nämnda moni- torsensorer, och en restvektor av den aktuella nivàn av pa- rametern vid varje kontrollsensor.

Föredragna utföringsformer av' anordningen definieras i de beroende patentkraven 9-12.

KORT BESKRIVNING AViBilDL GEN Föreliggande uppfinning skall nu beskrivas närmare med hjälp av en föredragen utföringsform, som endast visas såsom ett exempel, och med hänvisning till ritningen, vilken bifogas och pà vilken Fig 1 visar en schematisk tvärsnittsvy av en flygplanskabin som harnenyanordning enligt uppfinningen för reducering av bullernivän.

DETALJERAD BESKRIVNIN§_jfl[ EN FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM AV FÖRELIGGANDE UPPFINNING1 ' Fig 1 visar ett tvärsnitt genom en flygplanskropp 1, vilken innefattar ett inre utrymme i form av en konventionell pas- 10 15 20 25 30 35 513 754 sagerarkabin 2. Passagerarkabinen 2 begränsas av en inner- vägg 3 och ett golv 4. I passagerarkabinen 2 är ett flertal rader med säten anordnade, av vilka endast ett visas i Fig l. Varje rad innefattar fyra säten 5. Under flygning gene- reras ett primärfält av ljud eller buller i passagerarka- binen 2 på grund av flygplanets drift.

I enlighet med föreliggande uppfinning är en anordning an- ordnad i passagerarkabinen 2 för att reducera nivån hos pri- märfältet. Anordningen innefattar ett antal drivorgan 6 som är fördelade längs innerväggen 3 och golvet 4. I den visade utföringsformen realiseras drivorganen 6 såsom högtalare in- rättade att generera ett sekundärfält av ljud. Sekundär- fältet är anpassat till att interferera med nämnda primär- fält. sorer 7 som är fördelade längs innerväggen 3 och golvet 4. I Vidare innefattar anordningen ett antal kontrollsen- den visade utföringsformen realiseras kontrollsensorerna 7 såsom mikrofoner inrättade att avkänna restnivån hos trycket som förorsakas av primärfältet och sekundärfältet.

Varje drivorgan 6 cxflx varje kontrollsensor '7 är förbunden via en ledning 8 respektive 9 med en styrenhet 10. Styren- heten 10 kan innefatta ett ingàngsorgan ll, anordnat att mottaga signaler från kontrollsensorerna 7 och omvandla sig- nalerna till en lämplig digital form, ett datoriserat bear- betningsorgan 12, anordnat att bearbeta nämnda omvandlade signaler, och ett utgàngsorgan 13, anordnat att omvandla de bearbetade signalerna till en lämplig form och att överföra dessa signaler till ett respektive drivorgan 6. Vidare inne- fattar nämnda styrenhet 10 ett minnesorgan 14 som innefattar RAM och är anslutet till bearbet- ett minne av typer ningsorganet 12.

I den visade utföringsformen har fyra områden 15 indikerats, i vilka öronen hos passagerarna som befinner sig i passage- rarkabinen 2 normalt är placerade under flygning. Det är så- 10 15 20 25 30 35 513 754 ledes speciellt viktigt att reducera bullernivàn i dessa om- råden 15. Ett antal nwnitorsensorer 16 i form av nwnitor- mikrofoner är inrättade i regionerna 15 under en inledande förberedande period innan anordningen används för bullerre- ducering. Det skall noteras att monitorsensorerna 16 kan av- lägsnas från passagerarkabinen 2 efter genomförandet av så- dana mätningar och under drift av anordningen. De proviso- riskt anordnade monitorsensorerna 16 är också anslutna till styrenheten 10 under nämnda förberedande period och inrät- tade att avkänna trycknivàn som förorsakas av en viss kraft applicerad pà drivorganen 6. Under denna förberedelse- eller mätperiod är nivån hos primärfältet i allt väsentligt lika med noll.

Antalet kontrollsensorer 7, drivorgan 6 och monitorsensorer 16 kan variera beroende på aktuella förhållanden, exempelvis storleken och komplexiteten hos passagerarkabinen 2. Även om det inte är ett krav är antalet kontrollsensorer 7 i den vi- sade utföringsformen större än antalet drivorgan 6. I enlig- het med ett exempel kan antalet drivorgan 6 vara 36, antalet kontrollsensorer '7 vara 72 och antalet monitorsensorer 16 vara 70.

Såsom ett exempel på en enkel och ofta utnyttjad styrstra- tegi kan de krafter, som erhålls genom användande av LMS-al- goritmen, skrivas ochwanvändas enligt: Fm = F,- - HJ' En _ där i är ett index sgm indikerar tidssteget vid uppdate- ringen av ekvationen i styrorganet och EC är en restvektor av den aktuella trycknivàn (b) vid varje kontrollsensor 7, Hc är en första matris som definierar överförings- (c) funktionen från varje drivorgan 6 till varje 10 15 20 25 30 35 513 754 kontrollsensor 7, F är en kraftvektor som definierar krafterna som (d) skall appliceras pà varje drivorgan 6, och H¿' är en pseudoinvers av den första överförings- (e) funktionsmatrisen Hc.

Kontrollfunktionen (a) i den visade utföringsformen är såle- des realiserad med hjälp av LMS-algoritmen (Least Mean Square). Också andra typer av LMS-algoritmer kan utnyttjas, exempelvis en så kallad läck-LMS-algoritnn Inonx ramen för föreliggande uppfinning kan också andra algoritmer utnytt- jas, exempelvis en RLS-algoritm (Recursive Least Square).

Eftersom det är önskvärt att uppnå en maximal reducering av bullernivån i områdena 15 skulle det emellertid vara önsk- värt att styra drivorganen 6 med en signal som avkänns av en monitorsensor 16, dvs i enlighet med styrfunktionen F1+1 = F: ' En: Em (f) där Hm är en andra matris som definierar överförings- (g) funktionen från varje drivorgan 6 till varje monitorsensor 16 Hm är en pseudoinvers av den andra överförings- (h) funktionsmatrisen Hm, och En är en restvektor för den aktuella trycknivàn (i) vid varje monitorsensor 16.

Såsom indikerats ovan används monitorsensorerna 16 inte un- der flygning och därför bestäms matrisen Hm i förväg næd hjälp av bearbetningsorganet 12 hos styrenheten 10 under den ovan nämnda förberedelseperioden och lagras i minnesorganet 14. 10 15 20 25 513 754 Det antas att en projektionsmatris PH kan ställas upp sàsom Pa = Hc 11.* (j) där PH är en första projektionsmatris som reflekterar relatio- nen mellan överföringsmatrisen BC och överförings- matrisen Hm.

Vidare antas det attfen projektionsmatris P, kan ställas upp där Uc = PU Um där Pu är en andra projektionsmatris som reflekterar (k) relationen mellan trycknivàn vid varje kontroll- sensor 7 och trycknivàn vid varje monitorsensor 16 på grund av primärfältet, UC är en vektor av den aktuella trycknivàn vid (l) varje kontrollsensëi 7 pà grund av primärfältet och Um är en vektor av den aktuella trycknivàn vid varje (m) monitorsensor 16 på grund av primärfältet.

Således kan restkraften definieras med kontrollfunktionen Fia = Fi " EJ (Pa PJ) En: (n) där PJ' är pseudoinversen avgden andra projektions- (0) matrisen Pu. 10 15 20 25 30 35 513 754 10 Också PH och Eg* kan beräknas med bearbetningsorganet 12 och lagras i minnesorganet 14.

Således tar bullerreduceringen enligt kontrollfunktionen (n) hänsyn till det faktum att kontrollsensorerna 7 är placerade i områdena 15 där en maximal bullerreducering är önskvärd.

Anordningen enligt uppfinningen tillåter att ett stort antal kontrollsensorer och monitorsensorer 16 utnyttjas och det är således möjligt att på ett effektivt sätt reducera bullret vid en godtycklig position i det definierade utrymmet 2.

Bestämningen av den första projektionsmatrisen (j) för kon- trollfunktionen (n) är en felminimering av det förutsägbara svaret i jämförelse med det aktuella svaret från monitorsen- sorerna 16. Inledningsvis tar den första projektionsmatrisen Ph såsom den definieras hänsyn till alla kontrollsensorer 7.

I en efterföljande operation kan en optimal uppsättning kon- trollsensorer 7 uppnås för att projicera varje monitorsensor 16. Därvid är det möjligt att reducera antalet kontrollsen- sorer 7 till att sorerna 7 i kontrollfunktionen innefatta endast de bästa kontrollsen- (n).

Vidare reduceras den fulla uppsättningen kontrollsensorer 7 i den andra projektionsmatrisen Pu till att innefatta endast de mest signifikanta kontrollsensorerna '7 i pseudoinversen av den första projektionsmatrisen Pa för en given monitor- sensor 16. De utvalda kontrollsensorerna utnyttjas i (k) och en interaktiv process utnyttjas för att fylla den andra pro- jektionsmatrisen Pu.

Under drift av anordningen enligt uppfinningen uppdateras kontrollfunktionen (n) kontinuerligt enligt en lämplig in- teraktionsalgoritm åtminstone med avseende på restvektorn EC och möjligtvis också med avseende på överföringsmatrisen Hc. 10 15 20 25 513 754 ll Detta betyder att en aktuell nivå av kraftvektorn F kontinu- erligt beräknas och appliceras på drivorganen 6.

Kontrollfunktionen (n) som beskrivs ovan definieras för be- räkningar i frekvensplanet, vilket innebär att en kontroll- funktion (n) utnyttjas för varje frekvens som skall redu- ceras. Det skall noteras att uppfinningen också kan appli- ceras på en kontrollfunktion i ett tidsplan. I ett exempel för bullerreducering i ett flygplan har det ansetts lämpligt att reducera tre olika frekvenser eller frekvensintervall.

Föreliggande uppfinning är inte begränsad till den här be- skrivna utföringsformen utan kan varieras och modifieras inom ramen för de följande patentkraven. Även om den visade utföringsformen avser ljud- eller buller- reducering skall noteras att uppfinningen också är applicer- bar pá reducering av vibrationer. I detta fall kan kontroll- sensorerna 7 vara inrättade att avkänna en vibration och drivorganen kan innefatta skakorgan. Även om anordningen och förfarandet enligt uppfinningen har beskrivits i samband med bullerreducering i flygplan skall noteras att uppfinningen också är applicerbar pà andra ut- rymmen, don, såsom bilar etc. rum i hus eller byggnader, passagerarkabiner i for-

Claims (12)

10 15 20 25 30 35 513 754 12 Patentkrav

1. Förfarande för aktiv reducering av nivån hos ett pri- märfält av ljud eller vibrationer i ett utrymme (2), inne- fattande stegen: tillhandahållande av ett första antal drivorgan (6) i utrym- met (2) för att generera ett sekundärfält av ljud eller vib- rationer; vilket är anpassat till att interferera med pri- märfältet; tillhandahållande av ett andra antal kontrollsensorer (7) i utrymmet (2) för att avkänna en parameter relaterad till primärfältets och sekundärfältets restnivå; och bestämning av en första överföringsmatris (c) som för varje kontrollsensor (7) definierar nivån hos parametern förorsa- kad av en viss excitationsnivå från varje drivorgan (6): kännetecknat av tillhandahållande, riod, av ett tredje antal monitorsensorer i utrymmet (2) för under en inledande, provisorisk tidspe- att avkänna parametern relaterad till nivån hos primär- fältet; bestämning av en andra överföringsmatris (g) som för varje monitorsensor (16) definierar nivån hos parametern föror- sakad av en viss nivå från varje drivorgan (6): och styrning av drivorganen (6) med hjälp av en kraftvektor (d) sonx är en funktion (n) av den första överföringsmatrisen (c), (Ü), tionen mellan den första överföringsmatrisen (c) och nämnda (9), (K), reflekterar relationerna mellan parametern som avkänns en första projektionsmatris som reflekterar rela- andra överföringsmatris en andra projektionsmatris som nämnda kontrollsensorer (7) (16), parametern vid kontrollsensorerna med och parametern som avkänns med nämnda nwnitorsensorer och en restvektor (b) av den aktuella nivån hos (7).

2. Förfarande enligt krav 14 kännetecknad av' tillhanda- hållande av nämnda monitorsensorer (16) vid respektive posi- 10 15 20 25 30 35 513 754 13 tion (15) vid vilka en avsevärd reducering av nivån av pri- märfältet är önskvärd,

3. Förfarande enligt krav' 2, kännetecknat av tillhanda- hållande av kontrollsensorerna (7) vid positioner på avstånd från monitorsensorernas (16) positioner (15).

4. Förfarande enligt något av de föregående kraven, känne- tecknad av generering av nämnda kraftvektor (d) genom multi- plikation första av pseudoinversen av den överförings- matrisen (c), nämnda första projektionsmatris (j), pseudoin- versen av nämnda andra" projektionsmatris (k) samt nämnda restvektor (b).

5. Förfarande enligt något av de föregående kraven, känne- tecknat av reducering av antalet kontrollsensorer (7) inne- fattade av den första projektionsmatrisen (j) och den andra projektionsmatrisen (k) så att endast en optimal uppsättning kontrollsensorer (7) innefattas för att projicera varje monitorsensor (16).

6. Förfarande enligt något av de föregående kraven, känne- tecknat av att parametern innefattar ett tryck.

7. Förfarande enligt nàgot av de föregående kraven, känne- tecknat av att parametern innefattar en vibration.

8. Anordning för aktiv reducering av nivå hos ett primär- fält av ljud eller vibrationer i ett utrymme (2), inne- fattande ett första antal drivorgan (6) anordnade i utrymmet (2) för att generera ett sekundärfält av ljud eller vibrationer, vilket är anpassat till att interferera med primärfältet;. ett andra antal kontrollsensorer (7) anordnade i. utrymmet (2) för att avkänna en parameter relaterad till restnivån hos primärfältet och sekundärfältet; 10 15 20 25 30 35 513 754 14 ett första bestämningsmedel anordnat att bestämma en första överföringsmatris (c) som för varje kontrollsensor (7) definierar nivån hos parametern förorsakad av en viss excitationsnivá från varje drivorgan (6), kännetecknad av (16) inrättade att vara an- under en inledande provisorisk ett tredje antal monitorsensorer ordnade i nämnda utrymme (2) tidsperiod för att avkänna parametern relaterad till nivån hos primärfältet; ett andra bestämningsmedel anordnat att bestämma en andra (16) defi- nierar nivån hos parametern förorsakad av en viss nivå från (6): en styrenhet anordnad att styra drivorganen (6) med hjälp av en kraftvektor (d) överföringsmatrisen överföringsmatris (g) som för varje monitorsensor varje drivorgan och soul är en funktion (n) av' den första (C), (j), som reflekterar relationen. mellan den första överförings- (g), en som reflekterar relationerna en första projektionsmatris matrisen (c) och nämnda andra överföringsmatris (k), mellan parametern som avkänns av kontrollsensorerna (7) (16), av den aktuella nivån av parametern vid (7). andra projektionsmatris och parametern som avkänns av nämnda monitorsensorer och en restvektor (b) varje kontrollsensor

9.Anordning enligt krav 8, (16) redande tidsperiod vid respektive positioner kännetecknad av att monitorsen- är anordnade att vara inrättade under en förbe- (15) en avsevärd reducering av nivån hos primärfältet är önsk- sorerna vid vilka värd.

10. Anordning enligt krav 9, kännetecknad av att kontroll- sensorerna (7) är anordnade vid positioner på avstånd från nämnda monitorsensorers (16) positioner (15).

11. Anordning enligt något av kraven 8-10, (10, 12) kännetecknad av att nämnda styrenhet är inrättad att generera 10 515 754 15 nämnda kraftvektor (d) genom nmltiplikationen av pseudoin- (C), (j), pseudoinversen av nämnda andra pro- versen av den första överföringsmatrisen nämnda första projektionsmatris jektionsmatris (k) och nämnda restvektor (b).

12. Anordning enligt något av kraven 8-ll, kännetecknad av (10, 12) innefattade i den första projektions- (o) så att för pro- att styrenheten är inrättad att reducera antalet kontrollsensorer (7) matrisen (j) och den andra projektionsmatrisen endast en optimal uppsättning kontrollsensorer (7) jicering av varje monitorsensor (16) innefattas.