TWI806260B - 具散熱和具風壓補償的前饋式主動噪音控制功能之電子系統 - Google Patents
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Abstract
電子系統包含風扇模組、嵌入式控制器、參考麥克風、誤差麥克風、主動降噪控制器,和揚聲器模組。參考麥克風擷取風扇模組在運作時的噪音並提供相對應寬頻噪音訊號,誤差麥克風擷取電子系統運作時的整體噪音並輸出相對應誤差訊號。主動降噪控制器依據寬頻噪音訊號、誤差訊號和嵌入式控制器提供之風扇資訊計算出風扇模組在實際運作時所產生的窄頻帶和寬頻帶噪音以提供揚聲器控制訊號,再依此驅動揚聲器模組以提供反相噪音訊號,並依據風扇模組目前轉速所造成的風壓來調整揚聲器控制訊號之功率。
Description
本發明提供一種具散熱和前饋式主動噪音控制功能之電子系統,尤指一種具散熱和具風壓補償的前饋式主動寬頻噪音控制功能之電子系統。
在現代化的資訊社會,電腦系統已經成為多數人不可或缺的資訊工具。為了避免元件因過熱而發生功率降低或是毀損,電腦系統一般會使用風扇來提供散熱功能,以將裝置內部所產生的熱量排出或是將裝置外部之冷空氣吸入。
風扇的轉速和靜壓決定了風扇的空氣流量,風扇運轉時的噪音大約和其轉速的五次方根成正比,轉速越快散熱能力越強,但造成的噪音越大。隨著中央處理器的功能越來越強,裝置內部所產生的廢熱也因此增加,加上微型化的趨勢會降低熱流效率,如何兼顧散熱和降噪是重要課題。
本發明提供一種具散熱和具風壓補償的前饋式主動噪音控制功能之電子系統,其包含一風扇模組、一嵌入式控制器、一參考麥克風、一誤差麥克風、一主動降噪控制器,以及一揚聲器模組。該風扇模組用來依據一風扇控制訊號來運作以提供散熱功能。該嵌入式控制器用來提供該風扇控制訊號和一同步訊號,其中該同步訊號包含該風扇模組之結構和運作設定之資訊。該參考麥克風用來偵測該風扇模組運作時所產生的寬頻噪音以提供相對應之一寬頻噪音訊號。該誤差麥克風用來偵測該電子系統運作時所產生的噪音以提供相對應之一誤差訊號。該主動降噪控制器用來依據該同步訊號、該寬頻噪音訊號和該誤差訊號來產生一揚聲器控制訊號,以及依據該寬頻噪音訊號、該誤差訊號、一順風轉移函數和一逆風轉移函數來調整該揚聲器控制訊號之功率。該揚聲器模組用來依據該揚聲器控制訊號來提供一反相噪音訊號,其中該反相噪音訊號包含複數個噪音消除波形以抵銷該電子系統運作時所產生的噪音,該順風轉移函數為該風扇模組以一預定風扇轉速運作時該揚聲器模組和該誤差麥克風之間的轉移函數,且該逆風轉移函數為該風扇模組以該預定風扇轉速運作時該揚聲器模組和該參考麥克風之間的轉移函數。
第1圖為本發明實施例中一種具散熱和提供風壓補償的前饋式主動噪音控制功能之電子系統100的功能方塊圖。電子系統100包含一處理器10、一風扇模組20、一嵌入式控制器(embedded controller, EC)30、一揚聲器模組40、一參考麥克風50、一誤差麥克風55,以及一主動降噪(active noise cancellation, ANC)控制器60。
處理器10可為一中央處理器(Central Processing Unit, CPU)或一圖形處理器(Graphics Processing Unit, GPU),其為電子系統100中關鍵的運算引擎,負責執行作業系統所需的指令與程序,也是電子系統100中廢熱的主要來源。
風扇模組20視其類型可具備不同結構,主要都是利用馬達帶動扇葉轉動,以將較冷的空氣帶到機箱內部,並將內部較熱的空氣排出,進而達到散熱效果。在本發明中,風扇模組20會依據嵌入式控制器30提供之一風扇控制訊號S
FG來運作,風扇控制訊號S
FG之值越大,風扇模組20中的馬達轉速越快,散熱效果越強,但也會產生較大噪音。在電子系統100的運作期間,風扇模組20通常會是主要的噪音來源。在一實施例中,風扇控制訊號S
FG可為一脈波頻寬調變(Pulse Width Modulation, PWM)之方波訊號,透過改變其工作週期(duty cycle)來調整風扇模組20中的馬達轉速。在一實施例中,風扇模組20可包含一個或多個軸流式風扇或離心式風扇。然而,風扇模組20所包含的風扇數目、風扇類型和風扇驅動方式並不限定本發明之範疇。
嵌入式控制器30會儲存相關電子系統100各項運作的EC代碼和開機時重要訊號的時序。在關機狀態下,嵌入式控制器30會一直保持運行以等待用戶的開機訊息;在開機狀態下,嵌入式控制器30會控制系統的待機/休眠狀態、鍵盤控制器、充電指示燈,和風扇模組20中的馬達轉速。嵌入式控制器30通常包含一溫度感測器(未顯示於第1圖)來監控處理器10的操作溫度,並依此輸出風扇控制訊號S
FG。當處理器10的操作溫度越高,風扇控制訊號S
FG的工作週期越大,而風扇模組20中的馬達轉速越快;當處理器10的操作溫度越低,風扇控制訊號S
FG的工作週期越小,而風扇模組20中的馬達轉速越慢。
揚聲器模組40是一種可將電子訊號轉換成聲音訊號的電子元件,通常包含振膜(diaphragm)和由電磁鐵和音圈所組成的驅動電路。揚聲器模組40可依據ANC控制器60提供之一揚聲器控制訊號S
MIC來運作,當揚聲器控制訊號S
MIC之電流通過音圈時,音圈即隨著電流的頻率振動,而和音圈相連的振膜當然也就跟著振動,進而推動周圍的空氣振動以產生聲音。在本發明實施例中,揚聲器模組40之振膜會設置在風扇模組20之出風結構內,可依據揚聲器控制訊號S
MIC來產生一反相噪音訊號y(n)。
參考麥克風50設置在接近風扇模組20中風扇葉片的位置,用來擷取風扇模組20運作時所產生的噪音,並將量測到之一寬頻噪音訊號f(n)傳送至ANC控制器60,其中寬頻噪音訊號f(n)包含風扇模組20運作時所產生氣流噪音的寬頻噪音頻譜。在一實施例中,參考麥克風50可為一數位式微機電系統(Micro Electro Mechanical System, MEMS)麥克風,其具備高耐熱、高抗振和高抗射頻干擾等性能。然而,參考麥克風50之種類並不限定本發明之範疇。
誤差麥克風55用來擷取電子系統100運作時的整體噪音,並輸出相對應之誤差訊號e(n)至ANC控制器60,其中d(n)代表在電子系統100運作期間欲消除的噪音訊號。由於風扇模組20為主要噪音源,誤差麥克風55可設置在接近風扇模組20的出風口之處,其中參考麥克風50和ANC控制器60之間的距離大於誤差麥克風55和ANC控制器60之間的距離。更詳細地說,誤差麥克風55所輸出之誤差訊號e(n)為噪音訊號d(n)和所擷取到的反相噪音訊號y”(n)之間的差值,誤差訊號e(n)之值越小代表降噪效果越好。在一實施例中,誤差麥克風55可為一數位式MEMS麥克風,其具備高耐熱、高抗振和高抗射頻干擾等性能。然而,誤差麥克風55之種類並不限定本發明之範疇。
ANC控制器60可從嵌入式控制器30接收一同步訊號S
SYN、從參考麥克風50接收寬頻噪音訊號f(n),以及從誤差麥克風55接收誤差訊號e(n),其中同步訊號S
SYN包含相關風扇模組20之結構(例如各風扇葉片數)和運作設定(例如在不同模式下馬達轉速)之資訊。依據同步訊號S
SYN、寬頻噪音訊號f(n),以及對應一預定風扇轉速之轉移函數D”(Z)和轉移函數C”(Z),ANC控制器60可計算出風扇模組20以預定風扇轉速運作時所產生噪音中的寬頻帶噪音;依據同步訊號S
SYN及誤差訊號e(n),ANC控制器60可計算出風扇模組20以預定風扇轉速運作時所產生噪音中的窄頻帶噪音。依據計算出的寬頻帶噪音和窄頻帶噪音,ANC控制器60可依此提供揚聲器控制訊號S
MIC以驅動揚聲器模組40,使得揚聲器模組40提供之反相噪音訊號y(n)能有效地抵銷噪音信號d(n)的影響,亦即盡量讓誤差訊號e(n)降至0。
第2圖為本發明實施例中ANC控制器60實作方式之示意圖。ANC控制器60包含一頻率計算器62、一訊號產生器64、一數位濾波器66、一揚聲器模組驅動電路68、第一路徑補償轉移函數模組71、第二路徑補償轉移函數模組72,以及一適應性濾波器76。
在本發明中,電子系統100可在一離線模式和一上線模式下運作,其中在離線模式下可求出相關於在特定風扇轉速下揚聲器模組40和參考麥克風50之間的轉移函數D”(Z)以及揚聲器模組40和誤差麥克風55之間的轉移函數C”(Z),而在上線模式下可提供具風壓補償機制的前饋式主動噪音控制。
第3圖顯示了電子系統100在離線模式運作時之流程圖,其包含下列步驟:
步驟310:風扇模組20以特定風扇轉速來運作。
步驟320:量測特定風扇轉速下參考麥克風50和誤差麥克風55之間的轉移函數P’(Z)。
步驟330:在無風壓狀態下量測揚聲器模組40和參考麥克風50之間的轉移函數D’(Z)以及揚聲器模組40和誤差麥克風55之間的轉移函數C’(Z)。
步驟340:依據轉移函數P’(Z)、D’(Z)和C’(Z)來計算特定風扇轉速的轉移函數K(Z)。
步驟350:依據轉移函數K(Z)、D’(Z)和C’(Z)來計算特定風扇轉速下揚聲器模組40和參考麥克風50之間的轉移函數C”(Z)以及揚聲器模組40和誤差麥克風55之間的轉移函數D”(Z)。
第4圖顯示了電子系統100中揚聲器模組40、參考麥克風50、和誤差麥克風55之間在傳遞訊號時的轉移函數示意圖。在第4圖中,d(n)代表在電子系統100運作期間欲消除的噪音訊號,f(n)代表參考麥克風50量測到之寬頻噪音訊號,e(n)代表誤差麥克風模組55所輸出的誤差訊號,y(n)代表揚聲器模組40所提供之反相噪音訊號,S
MIC代表ANC控制器60所輸出之揚聲器控制訊號,P(Z)代表參考麥克風50和誤差麥克風55之間的轉移函數,D(Z)代表揚聲器模組40和參考麥克風50之間的轉移函數,而C(Z)代表揚聲器模組40和誤差麥克風55之間的轉移函數。當風扇模組20以不同風扇轉速來運作時,所產生的風壓也會不同,而風扇葉片轉動時所造成的風壓會影響揚聲器模組40、參考麥克風50和誤差麥克風55之間的轉移函數。因此,本發明可在離線模式下求出對應每一風扇轉速造成風壓的轉移函數。
當風扇模組20在步驟310以特定風扇轉速來運作後,接著適應性濾波器76會在步驟320中量測特定風扇轉速下參考麥克風50和誤差麥克風55之間的轉移函數P’(Z)。更詳細地說,在步驟320中,ANC控制器60會輸出揚聲器控制訊號S
MIC以關閉揚聲器模組40(y(n)之值為0),此時適應性濾波器76會依據參考麥克風50量測到之寬頻噪音訊號f(n)和誤差麥克風模組55輸出的誤差訊號e(n)來調整數位濾波器66之參數W(Z)。在經過一預定期間的適應性訊號處理後,數位濾波器66之參數W(Z)會收斂到一個預定的穩定狀況,此時數位濾波器66之參數W(Z)可作為特定風扇轉速下參考麥克風50和誤差麥克風55之間的轉移函數P’(Z)。
在步驟330中,本發明會在無風壓狀態下量測揚聲器模組40和參考麥克風50之間的轉移函數D’(Z)以及揚聲器模組40和誤差麥克風55之間的轉移函數C’(Z)。更詳細地說,在步驟330中,嵌入式控制器30會輸出風扇控制訊號S
FG以關閉風扇模組20,而ANC控制器60會輸出揚聲器控制訊號S
MIC以控制揚聲器模組40提供反相噪音訊號y(n)。在離線模式下,反相噪音訊號y(n)為作為測試訊號的白噪音(white noise),而適應性濾波器76會依據揚聲器模組40提供之反相噪音訊號y(n)和誤差麥克風模組55輸出的誤差訊號e(n)來調整數位濾波器66之參數W(Z)。在經過一預定期間的適應性訊號處理後,數位濾波器66之參數W(Z)會收斂到一個預定的穩定狀況,此時數位濾波器66之參數W(Z)可作為無風壓狀態下揚聲器模組40和參考麥克風50之間的轉移函數D’(Z)。同理,適應性濾波器76會依據揚聲器模組40提供之反相噪音訊號y(n)和誤差麥克風模組55輸出的誤差訊號e(n)來調整數位濾波器66之參數W(Z)。在經過一預定期間的適應性訊號處理後,數位濾波器66之參數W(Z)會收斂到一個預定的穩定狀況,此時數位濾波器66之參數W(Z)可作為無風壓狀態下揚聲器模組40和誤差麥克風模組55之間的轉移函數C’(Z)。
在步驟340中,本發明會依據轉移函數P’(Z)、D’(Z)和C’(Z)來計算特定風扇轉速的轉移函數K(Z)。如前所述,步驟320中得到的轉移函數P’(Z)代表特定風扇轉速下參考麥克風50和誤差麥克風55之間的轉移函數,而步驟330中得到的轉移函數C’(Z)和D’(Z)之乘積代表無風壓狀態下參考麥克風50和誤差麥克風55之間的轉移函數。因此,在步驟340中計算出的特定風扇轉速轉移函數K(Z)之值如下所示:
K(Z)= P’(Z)/(C’(Z)*D’(Z))
在步驟350中,本發明會依據轉移函數K(Z)、D’(Z)和C’(Z)來計算特定風扇轉速下揚聲器模組40和參考麥克風50之間的轉移函數D”(Z),以及計算揚聲器模組40和誤差麥克風55之間的轉移函數C”(Z)。C”(Z)代表揚聲器模組40和誤差麥克風55之間的順風轉移函數,而D”(Z)代表揚聲器模組40和參考麥克風50之間的逆風轉移函數,其值如下所示:
C”(Z)=K(Z)*C’(Z)
D”(Z)=D’(Z)/K(Z)
在離線模式下,本發明會針對每一風扇轉速執行上述步驟310-350,進而分別求出對應每一風扇轉速之順風轉移函數C”(Z)和逆風轉移函數D”(Z)。接著當電子系統100在上線模式下運作時,ANC控制器60可依據對應實際風扇轉速之順風轉移函數C”(Z)和逆風轉移函數D”(Z)來執行具風壓補償機制的前饋式主動噪音控制。
第5圖為本發明實施例中電子系統100在上線模式運作時之流程圖,其包含下列步驟:
步驟510: 參考麥克風50擷取風扇模組20運作時所產生的噪音,並提供相對應之寬頻噪音訊號f(n)。
步驟520: 誤差麥克風55擷取電子系統100運作時的整體噪音,並提供相對應之誤差訊號e(n)。
步驟530: ANC控制器60依據嵌入式控制器30提供之同步訊號S
SYN得到風扇模組20中各風扇葉片數和在各模式下馬達轉速,並計算出相關揚聲器控制訊號S
MIC之基準功率值的參考訊號x(n)。
步驟540: ANC控制器60依據寬頻噪音訊號f(n)、誤差訊號e(n)和參考訊號x(n)求出風扇模組20運作時的實際單葉片基頻、實際單葉片倍頻、實際葉片通過頻率(blade passing frequency, BPF)和實際寬頻噪音頻譜等資訊,並依此提供揚聲器控制訊號S
MIC。
步驟550: ANC控制器60依據順風轉移函數C”(Z)和逆風轉移函數D”(Z)來調整揚聲器控制訊號S
MIC之特性。
步驟560: 揚聲器模組40依據揚聲器控制訊號S
MIC產生反相噪音訊號y(n);執行步驟510。
風扇模組20在運作時的噪音源來自馬達轉動造成的空氣流,其中窄頻成份可能源自於由扇葉運動所產生體積位移之厚度噪音,或由扇葉表面之變動性負載力(有軸向之升力與風扇面之拉力)所造成的BPF噪音。由於BPF及相關諧波與在每一風扇葉片通過固定參考點時產生之壓力擾動有關,當扇葉尖端產生週期性壓力波時就會產生特定的窄頻噪音。另一方面,當空氣流流經風扇葉片時,會從風扇葉片的邊界層(boundary layer)或葉片尖端兩側剝離而形成交替的渦流,此種現象稱為渦流剝離(vortex shedding)。渦流剝離會使風扇葉片兩側流體的瞬間速度不同,在不同流體速度下風扇葉片兩側受到的瞬間壓力也不同,因此會使風扇葉片發生振動而產生特定的寬頻噪音。
在步驟510中,參考麥克風50會在電子系統100運作時擷取風扇模組20在運作時因葉片造成的噪音,並提供相對應之寬頻噪音訊號f(n)。在步驟520中,誤差麥克風55會擷取電子系統100運作時的整體噪音並提供相對應之誤差訊號e(n)。如前所述,誤差麥克風55所提供之誤差訊號e(n)可反應反相噪音訊號y(n)的降噪效果,而噪音訊號d(n)主要來自風扇模組20運作時扇葉的轉動。
在步驟530中,ANC控制器60之頻率計算器62可依據嵌入式控制器30提供之同步訊號S
SYN得知風扇模組20的馬達轉速、單葉片頻率點和葉片數,其中BPF之值為風扇模組20的馬達轉速和葉片數之乘積。假設風扇模組20之葉片數為37,下列表一顯示了頻率計算器62所計算出的資料,但並不限定本發明之範疇。馬達轉速的單位為rpm,而頻率單位為赫茲。
表一
馬達轉速 | 基頻 | 二倍頻 | 三倍頻 | 四倍頻 | 葉片數 | BPF | BPFx2 | BPFx3 |
500 | 8.3 | 16.6 | 24.9 | 33.2 | 37 | 307.1 | 614.2 | 921.3 |
1000 | 16.6 | 33.2 | 49.8 | 66.4 | 37 | 614.2 | 1228.4 | 1842.6 |
1500 | 25 | 50 | 75 | 100 | 37 | 925 | 1850 | 2775 |
2000 | 33.3 | 66.6 | 99.9 | 133.2 | 37 | 1232.1 | 2464.2 | 3696.3 |
2500 | 41.7 | 83.4 | 125.1 | 166.8 | 37 | 1542.9 | 3085.8 | 4628.7 |
3000 | 50 | 100 | 150 | 200 | 37 | 1850 | 3700 | 5550 |
3500 | 58.3 | 116.6 | 174.9 | 233.2 | 37 | 2157.1 | 4314.2 | 6471.3 |
4000 | 66.7 | 133.4 | 200.1 | 266.8 | 37 | 2467.9 | 4935.8 | 7403.7 |
4500 | 75 | 150 | 225 | 300 | 37 | 2775 | 5550 | 8325 |
5000 | 83.3 | 166.6 | 249.9 | 333.2 | 37 | 3082.1 | 6164.2 | 9246.3 |
5500 | 91.6 | 183.2 | 274.8 | 366.4 | 37 | 3389.2 | 6778.4 | 10167.6 |
5700 | 95 | 190 | 285 | 380 | 37 | 3515 | 7030 | 10545 |
接著,ANC控制器60之訊號產生器64會依據頻率計算器62計算出來的資料來產生參考訊號x(n),其中參考訊號x(n)包含得到風扇模組20的預估倍頻、預估BPF,以及不同馬達轉速下聲壓頻譜(dBSPL)等資訊,進而決定揚聲器控制訊號S
MIC之基準功率值,而透過調整數位濾波器66之參數W(Z)可改變揚聲器控制訊號S
MIC之功率值。
在步驟540中,ANC控制器60會依據寬頻噪音訊號f(n)、誤差訊號e(n)和參考訊號x(n)求出風扇模組20運作時的實際單葉片基頻、實際單葉片倍頻、實際BPF和實際寬頻噪音頻譜等資訊,並依此提供揚聲器控制訊號S
MIC來驅動揚聲器模組驅動電路68以輸出揚聲器控制訊號S
MIC,再驅動揚聲器模組40以提供反相噪音訊號y(n),其中W(Z)代表數位濾波器66的可調整運作參數。更詳細地說,反相噪音訊號y(n)包含複數個噪音消除波形,其分別為相關於實際單葉片基頻、實際單葉片倍頻、實際BPF基頻、實際BPF倍頻和寬頻噪音頻譜的反向訊號。
在步驟550中,ANC控制器60會依據順風轉移函數C”(Z)和逆風轉移函數D”(Z)來調整揚聲器控制訊號S
MIC之特性。更詳細地說,第一路徑補償轉移函數模組71會依據在離線模式下取得相關目前風扇轉速之逆風轉移函數D”(Z)來對反相噪音訊號y(n)進行訊號處理,並輸出相對應之處理後反相噪音訊號y’(n)至訊號產生器64。訊號產生器64會將寬頻噪音訊號f(n)減去處理後反相噪音訊號y’(n),並輸出相對應之參考訊號x(n)至數位濾波器66和第二路徑補償轉移函數模組72。接著,第二路徑補償轉移函數模組72會依據在離線模式下取得相關目前風扇轉速之順風轉移函數C”(Z)來對參考訊號x(n)進行訊號處理,並輸出相對應之處理後參考訊號x’(n)至適應性濾波器76。
適應性濾波器76耦接至第二路徑補償轉移函數模組72和誤差麥克風55,可依據一特定演算法來對處理後參考訊號x’(n)和誤差訊號e(n)進行訊號處理,進而調整數位濾波器66之參數W(Z)。更詳細地說,處理後參考訊號x’(n)包含風扇模組20的馬達轉速、預估單葉片基頻、預估倍頻、預估BPF,和預估風壓等資訊,適應性濾波器76再依據誤差訊號e(n)即可求出風扇模組20運作時的實際單葉片基頻、實際倍頻和實際BPF等相關窄頻噪音的資訊,進而依此調整數位濾波器66之參數W(Z)。如此一來,當數位濾波器66驅動揚聲器模組驅動電路68以輸出揚聲器控制訊號S
MIC時,揚聲器模組40所產生的反相噪音訊號y(n)會反應風扇模組20的實際運作狀況、目前風扇轉速所造成的風壓影響和目前降噪程度。更明確地說,反相噪音訊號y(n)包含多個噪音消除波形,其分別為相關於實際單葉片基頻、實際單葉片倍頻、實際BPF基頻、實際BPF倍頻、寬頻噪音頻譜和實際風壓的反向訊號。在經過訊號傳遞後,誤差麥克風55所擷取到的反相噪音訊號y”(n)即能有效地抵銷噪音信號d(n)的影響,亦即盡量讓誤差訊號e(n)降至0。
在一實施例中,適應性濾波器76可依據最小均方(Least mean square, LMS)演算法來對處理後參考訊號x’(n)和誤差訊號e(n)進行訊號處理。然而,適應性濾波器76所使用的演算法並不限定本發明之範疇。
綜上所述,在本發明之電子系統100中,首先會在離線模式下求出在每一風扇轉速下揚聲器模組40和參考麥克風50之間的轉移函數D”(Z)以及揚聲器模組40和誤差麥克風55之間的轉移函數C”(Z)。接著在上線模式下,參考麥克風50會在電子系統100運作時擷取風扇模組20在運作時因葉片造成的噪音並提供相對應之寬頻噪音訊號f(n),而誤差麥克風55會擷取電子系統100運作時的整體噪音並提供相對應之誤差訊號e(n)。依據寬頻噪音訊號f(n)、誤差訊號e(n)、轉移函數D”(Z)、轉移函數C”(Z)和嵌入式控制器30提供之風扇資訊,ANC控制器60會計算出風扇模組20在實際運作時所產生的窄頻帶噪音、寬頻帶噪音和需提供的風壓補償,進而依據揚聲器模組40的運作特性、參考麥克風50的運作特性、誤差麥克風55的運作特性、揚聲器模組40至誤差麥克風55之空間中傳遞訊號的環境特性,以及揚聲器模組40至參考麥克風50之空間中傳遞訊號的環境特性來調整麥克風驅動訊號S
MIC之特性,再依此驅動揚聲器模組40以提供反相噪音訊號y(n),使得反相噪音訊號y(n)能抵銷電子系統100運作時所產生噪音。透過適應性地調整反向噪音訊號以將誤差訊號之值調至0,本發明能兼顧散熱和降噪的重要課題。
以上所述僅為本發明之較佳實施例,凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾,皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10: 處理器
20: 風扇模組
30: 嵌入式控制器
40: 揚聲器模組
50: 參考麥克風
55: 誤差麥克風
60: 主動降噪控制器
62: 頻率計算器
64: 訊號產生器
66: 數位濾波器
68: 揚聲器模組驅動電路
71: 第一路徑補償轉移函數模組
72: 第二路徑補償轉移函數模組
76: 適應性濾波器
100: 電子系統
310-350、510-550: 步驟
S
FG: 風扇控制訊號
S
MIC: 揚聲器控制訊號
S
SYN: 同步訊號
y(n) : 反相噪音訊號
y’(n) : 處理後反相噪音訊號
y”(n) : 傳遞後反相噪音訊號
e(n) : 誤差訊號
f(n) : 寬頻噪音頻譜訊號
d(n) : 噪音訊號
x(n) : 參考訊號
x’(n) : 處理後參考訊號
C”(Z) : 順風轉移函數
D”(Z) : 逆風轉移函數
第1圖為本發明實施例中一種具散熱和提供風壓補償的前饋式主動噪音控制功能之電子系統的功能方塊圖。
第2圖為本發明實施例中ANC控制器實作方式之示意圖。
第3圖顯示了本發明實施例中電子系統在離線模式運作時之流程圖
第4圖顯示了本發明實施例電子系統中揚聲器模組、參考麥克風、和誤差麥克風之間在傳遞訊號時的轉移函數示意圖。
第5圖為本發明實施例中電子系統在上線模式運作時之流程圖。
40: 揚聲器模組
50: 參考麥克風
55: 誤差麥克風
60: 主動降噪控制器
62: 頻率計算器
64: 訊號產生器
66: 數位濾波器
68: 揚聲器模組驅動電路
71: 第一路徑補償轉移函數模組
72: 第二路徑補償轉移函數模組
76: 適應性濾波器
S
MIC: 揚聲器控制訊號
S
SYN: 同步訊號
y(n) : 反相噪音訊號
y’(n) : 處理後反相噪音訊號
y”(n) : 傳遞後反相噪音訊號
e(n) : 誤差訊號
f(n) : 寬頻噪音頻譜訊號
d(n) : 噪音訊號
x(n) : 參考訊號
x’(n) : 處理後參考訊號
C”(Z) : 順風轉移函數
D”(Z) : 逆風轉移函數
Claims (10)
- 一種具散熱和具風壓補償的前饋式主動噪音控制功能之電子系統,其包含: 一風扇模組,用來依據一風扇控制訊號來運作以提供散熱功能; 一嵌入式控制器(embedded controller, EC),用來提供該風扇控制訊號和一同步訊號,其中該同步訊號包含該風扇模組之結構和運作設定之資訊; 一參考麥克風,用來偵測該風扇模組運作時所產生的寬頻噪音以提供相對應之一寬頻噪音訊號; 一誤差麥克風,用來偵測該電子系統運作時所產生的噪音以提供相對應之一誤差訊號; 一主動降噪(active noise cancellation, ANC)控制器,用來: 依據該同步訊號、該寬頻噪音訊號和該誤差訊號來產生一揚聲器控制訊號;以及 依據該寬頻噪音訊號、該誤差訊號、一順風轉移函數和一逆風轉移函數來調整該揚聲器控制訊號之功率;以及 一揚聲器模組,用來依據該揚聲器控制訊號來提供一反相噪音訊號,其中: 該反相噪音訊號包含複數個噪音消除波形以抵銷該電子系統運作時所產生的噪音; 該順風轉移函數為該風扇模組以一預定風扇轉速運作時該揚聲器模組和該誤差麥克風之間的轉移函數;且 該逆風轉移函數為該風扇模組以該預定風扇轉速運作時該揚聲器模組和該參考麥克風之間的轉移函數。
- 如請求項1所述之電子系統,其中該主動降噪控制器另用來: 依據該同步訊號、該寬頻噪音訊號和該誤差訊號求出該風扇模組以該預定風扇轉速運作時之一實際單葉片基頻、一實際單葉片倍頻、一實際葉片通過頻率(blade passing frequency, BPF)基頻、一實際BPF倍頻和一實際寬頻噪音頻譜; 依據該實際單葉片基頻、該實際單葉片倍頻、該實際BPF基頻、該實際BPF倍頻和該實際寬頻噪音頻譜來產生該揚聲器控制訊號。
- 如請求項2所述之電子系統,其中該複數個噪音消除波形分別為相關於該實際單葉片基頻、該實際單葉片倍頻、該實際BPF基頻、該實際BPF倍頻和該寬頻噪音頻譜的反向訊號。
- 如請求項1所述之電子系統,其中該主動降噪控制器另用來: 在該風扇模組未運作時量測該揚聲器模組和該參考麥克風之間的一第一轉移函數以及該揚聲器模組和該誤差麥克風之間的一第二轉移函數; 在該風扇模組以該預定風扇轉速運作時量測該參考麥克風和該誤差麥克風之間的一第三轉移函數; 依據該第一轉移函數、該第二轉移函數和該第三轉移函數來求出該預定風扇轉速之轉移函數,其中該預定風扇轉速之轉移函數為該第三轉移函數除以該第一轉移函數和該第二轉移函數之乘積;以及 依據該預定風扇轉速之轉移函數、該第一轉移函數和該第二轉移函數來求出該順風轉移函數和該逆風轉移函數,其中該順風轉移函數為該預定風扇轉速之轉移函數和該第二轉移函數之乘積,而該逆風轉移函數為該第一轉移函數除以該預定風扇轉速之轉移函數。
- 如請求項1所述之電子系統,其中該主動降噪控制器包含: 一頻率計算器,用來依據該同步訊號求出該風扇模組之一預估單葉片基頻、一預估單葉片倍頻和一預估BPF基頻; 一訊號產生器,用來依據該預估單葉片基頻、該預估單葉片倍頻和該預估BPF基頻來產生一參考訊號;以及 一數位濾波器,用來對該參考訊號執行運算以決定該揚聲器控制訊號之一基準功率值。
- 如請求項5所述之電子系統,其中該主動降噪控制器另包含: 一適應性濾波器,用來依據該順風轉移函數、該逆風轉移函數、該寬頻噪音訊號和該誤差訊號來調整該數位濾波器在執行運算時所使用的參數,進而適應性地調整該揚聲器控制訊號之功率值。
- 如請求項6所述之電子系統,其中: 該適應性濾波器係使用一最小均方(Least mean square, LMS)演算法來對該參考訊號、該寬頻噪音訊號和該誤差訊號來進行訊號處理。
- 如請求項5所述之電子系統,其中該主動降噪控制器另包含: 一第一路徑補償轉移函數模組,耦接於該揚聲器模組和該訊號產生器以接收該反相噪音訊號,再依據該逆風轉移函數來對該反相噪音訊號進行訊號處理,並輸出相對應之處理後反相噪音訊號至該訊號產生器;以及 一第二路徑補償轉移函數模組,耦接於該適應性濾波器和該訊號產生器以接收該參考訊號,再依據該順風轉移函數來對該參考訊號進行訊號處理,並輸出相對應之處理後參考訊號至該適應性濾波器。
- 如請求項8所述之電子系統,其中該訊號產生器另用來: 將該寬頻噪音訊號減去該處理後反相噪音訊號以提供該參考訊號。
- 如請求項1所述之電子系統,其中該誤差麥克風係設置在該風扇模組之出風口,而該參考麥克風係設置在該風扇模組之扇葉旁。
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- 2021-11-26 TW TW110144109A patent/TWI806260B/zh active
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2022
- 2022-01-16 US US17/577,001 patent/US11631391B1/en active Active
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期刊 Haifei Wang,et al., An Experimental Investigation of Propeller Noise in Forward Flow N/A 25th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference [AIAA 2019-2620] Delft American Institute of Aeronautics and Astronautics Inc. May 2019 1~13 * |
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