WO2003012778A2 - Method and system for active reduction of sound emissions from drive mechanisms - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method and a system for actively reducing the sound radiation from engines according to the preamble of claims 1 and 9, respectively.
- the sound field which is generated, for example, in an engine during operation, is superimposed on an anti-sound field.
- Actuators are used to generate the anti-noise field.
- the sound field is measured with sensors or microphones and the anti-sound field is generated with actuators or loudspeakers.
- a method is described in which To reduce turboprop noise, a sound field is recorded with a large number of microphones, while an anti-sound field is generated with a large number of actuators
- the actuators are determined from the sensor signals using the LMS algorithm, and the principal component LMS algorithm is used to improve the convergence properties and to limit the actuator performance.
- the object of the invention is to reduce the radiated sound of an engine, in particular an aircraft engine, even more effectively.
- a plurality of sensors are used to measure a sound field which results from a primary sound field and a secondary sound field superimposed on it for sound reduction, actuators for generating the secondary sound field being controlled by means of a regulating device, which minimizes the measured sound field due to a known transfer function between the actuators and the sensors ocnaiireld several vibration modes are determined, the amplitudes of which are used as an input variable for the control device.
- a diagonal matrix is advantageously determined from the transfer function and serves in the control device as a transfer function between the sensors and the actuators.
- control device can operate according to the LMS method.
- the oscillation modes can preferably comprise radial oscillation modes.
- the sensors are arranged in the form of rings aligned parallel to one another, with at least one modal amplitude preferably being used as input variable for the control device for each ring.
- a temporal and / or a spatial Fourier transformation for individual ring arrangements of sensors with the greatest amplitude is advantageously carried out in order to determine a dominant mode.
- the vibration modes are preferably dominant vibration modes, e.g. B. can be determined by discrete Fourier transformation.
- the weighting coefficients are preferably used to concentrate the control on dominant azimuth and / or radial modes, in which case a multidimensional adaptation algorithm can finally be split into a plurality of one-dimensional control units.
- the system according to the invention for actively reducing the sound radiation from engines comprises a large number of sensors for measuring a sound field, a large number of actuators for generating a secondary sound field which is superimposed on a primary sound field of the engine, and a control device for controlling the actuators, the measured one Sound field is minimized, and wherein the control device one or more dominant vibration modes are supplied as input variables, with z.
- a multi-dimensional adaptation algorithm is split into several one-dimensional control units.
- the control device is advantageously equipped to carry out the method according to the invention.
- the actuators and / or sensors are preferably arranged in the form of parallel rings, the common axis of which coincides with the axis of an engine duct of a sound-emitting engine.
- Multi-level signal conditioning for example, means that the control effort is concentrated on dominant azimuth or radial modes using weighting coefficients. For this purpose, model assumptions about the mode propagation in the channel in particular are integrated into the algorithm. Finally, the multidimensional adaptation algorithm is split up into several one-dimensional control units.
- the weighting coefficients used are assigned to physical processes in the engine duct. It is thus possible to specifically influence the radiation characteristics from the end of the channel.
- a separate step size parameter can be defined for each partial control, which optimally adapts the adaptation speed and enables a manipulated variable weighting of the actuator signals.
- the effort for the calculation of the modal intermediate quantities is integrated into the calculation of the independent control units and therefore does not require any additional computing time during the control process. Partial regulations with a small contribution to the overall error can be omitted. This significantly reduces the computing time. It is also possible to reduce the computational effort by only considering modal quantities that are dominant in the primary sound field.
- the method offers the possibility of reducing a sound field, for the reduction of which a large number of sensors and actuators is required, with minimal computational effort and, at the same time, of specifically influencing the properties of the algorithm by varying control parameters.
- the sound radiation from the intake of aircraft engines which is essentially caused by the rotor-stator interaction, is reduced or canceled out by the superimposition with an anti-noise field.
- the spectrum of the radiated sound power has clear tonal components with multiples of the leaf repetition frequencies. These harmonic sound components are canceled out by a suitable regulation.
- FIG. 1 shows schematically a channel, in particular engine channel with an annular sensor
- FIG. 5 shows a system according to the invention on an engine in a schematic representation as
- FIG. 1 shows as a preferred embodiment of the invention a system for active noise reduction on a duct 10 in the form of an engine duct.
- a rotor 11 is located within the channel 10.
- Annular arrangements of sensors 20 are arranged on a wall 12 of the channel 10, each ring 21, 22, 23 extending in the circumferential direction of the channel 10, so that each ring 21, 22, 23 encloses a specific channel cross section at a specific position x1, x2, x3 in the longitudinal direction x of the channel 10.
- a medium flows into the interior of the channel at a speed v, while it exits at an outlet opening 14.
- the sound field in channel 10 can be described with the following equation.
- x describes the position in the longitudinal direction of the channel 10
- r describes the position in the radial direction
- ⁇ is position in the azimuthal direction
- t is the time
- p describes the sound field
- ⁇ is the eigenvalue of the vibration mode of order mn.
- the function f nm ⁇ r composer m r) d ⁇ e describes the sound pressure distribution of a mode of order mn in the radial direction
- m is the index for the order of the mode, which is also evident from the phase dependence of the sound pressure in the circumferential direction ⁇ by the expression e ⁇ J ⁇ > becomes clear
- n is the index for the radial order of fashion.
- brackets describes the propagation behavior of mode mn in the positive axis direction with complex amplitude A * m and in the negative axis direction with the amplitude ⁇ - mn '
- the propagation behavior of the channel modes is determined by the wave vectors k M in direction and speed.
- the vector is composed of the two orthogonal wave numbers k * n and k r ⁇ .
- the wave number in the r- ⁇ plane is determined from the eigenvalue of the mode and the channel radius R.
- this angle also corresponds to the main direction with which the acoustic energy is emitted into the free field.
- Equation 2 From equation 2 it can be seen that from the Fourier components of the sensor signals (for the frequency to be controlled, a vector E (j ⁇ ) with elements for each sensor) by means of a discrete spatial Fourier transformation in the azimuthal direction ⁇ , the modal amplitudes A m on each microphone ring (vector E M (j ⁇ o)) can be calculated.
- the operation can be implemented by a matrix MS, which is orthonormal if the sensors are arranged equidistantly on each ring.
- the excitation of an azimuth mode is realized in that the actuators, like the sensors, are arranged in rings and are linked to one another by a matrix MA.
- the matrix MA represents the inverse discrete spatial Fourier transformation.
- the vector for calculating the control signals of the actuators on the ring i with the mode mi results from:
- ⁇ bis are the actuator positions.
- Figure 2 shows a block diagram as an example of the inventive control.
- the function block 100 represents the propagation processes in the channel between the actuator signals QA and sensor signals E.
- the further blocks symbolize functions that are implemented by the controller.
- the sensor signals result from a superposition of the primary sound P with the secondary sound field S generated by the controller.
- the blocks with the transformation matrices MS and MA have already been explained.
- the vector EM is used to represent the error in the form of the amplitudes of azimuthal modes.
- the error function is as follows:
- the transfer matrix C ⁇ is converted into a diagonal matrix D, which contains the roots of the real eigenvalues of C ⁇ C ⁇ , and into the right and left-hand eigenvectors in the matrices V and U split.
- D singular value decomposition
- the transfer function CM od is measured once before the control. Every time the modal weighting factors W are changed, the matrices C Mo ⁇ U, V and D have to be recalculated. Before the regulation begins, the matrices for calculating QA and ER are combined.
- Very small error sizes E can be excluded from the regulation. If the error function is shown as a function of the actuator signals, it can be seen that partial controls with small diagonal elements D (i, i) can only reduce the error with a very high expenditure of power and are therefore also usefully excluded from the control process.
- Figure 3 shows another block diagram as an example of a control.
- the directional characteristic is influenced.
- This embodiment is based on the idea that a further saving in actuator power can be achieved if the control instead of the weighted sum of the amplitude squares of azimuthhalmodes minimizes the sum of the amplitude squares of radial modes Amn.
- Each radial mode has a dominant skin radiation direction (Equation 6). With w weighting coefficients in the diagonal matrix W, the control can be concentrated on an angular range.
- Equation 3 The model of mode propagation in the channel serves this purpose (equation 3).
- the wavenumbers are given by equations 4 and 5.
- Equation 3 is now given in matrix notation.
- the matrix TR is obtained, which enables the radial modes to be calculated from the amplitudes of the azimuth modes.
- U and V are determined as described above using SVD from matrix C, WRad -
- the system and method shown reduce, in particular, the sound radiation from the intake of aircraft engines, which is caused by the rotor or the rotor-stator interaction, by superimposition with an anti-noise field.
- the spectrum of the radiated sound power has clear tonal components with multiples of the leaf repetition frequencies. These harmonic sound components are triggered by a suitable regulation.
- the LMS controller is well known and is described, for example, in Nelson, P.A. and Elliot, S.J .: "Active Control of Sound", Academy Press, London, 1992.
- the system matrix is diagonalized and the complexity of the controller is reduced from the dimension NxM to N. This reduces the computing effort and the stability is increased.
- the convergence of the controller is adjusted by a step size parameter.
- the maximum step size is limited by a stability criterion with regard to the largest eigenvalue of the system matrix. Sound components that are associated with smaller eigenvalues converge more slowly.
- the method described above ensures that the sound components separated according to their own values are fed to a separate control cluster. For each cluster it is possible to define its own step size parameters that are optimal for this sound component or for fashion.
- FIG. 4 additionally shows a block diagram of a control in the frequency domain. This is an implementation for a narrowband filtered-x-LMS control in the frequency domain.
- the signals and transfer functions are complex functions of frequency.
- the current frequency can be adjusted by suitable sensors, e.g. B. can be determined with the aid of a speedometer signal.
- Blocks T1, F and T2 are part of the controller.
- C is the time variant of the transmission matrix, which describes the acoustic properties of the controlled system and is assumed to be known. This is z. B. experimentally determined in experiments.
- N actuators are arranged in the engine inlet, e.g. B. flush with the channel wall or integrated in the stator blades. These actuators are excited by the controller with the manipulated variables y in order to trigger the primary sound field p. Downstream from the actuators are M acoustic sensors for measuring the reference or error quantity e, which results from the superposition of the primary and secondary sound fields.
- the aim of the control using the filtered-x-LMS algorithm is to minimize the amplitude squares of the error signals.
- a component of the method is the definition of the matrix T1 and T2, with which the input and output signals of the LMS controller (block F) are conditioned in a suitable manner in order to optimally adapt the convergence properties of the LMS algorithm to the acoustic properties of the transmission path can.
- the signals y, e, s and p and the matrix C can relate to modal variables in order to minimize suitable error variables which are related to the channel acoustics of the inlet channel.
- the method can also be used if the sensor signals e are virtual signals of the sound pressure at positions outside the inlet channel where there are no sensors at the time of the control.
- the virtual signals are calculated by sensors in the inlet channel using a known transfer function. This is e.g. B. in Roure, A. and Albarrazin, A .: The Remote Microphone Technique for Actice Noise Control, ACTIVE99, Ford Lauderdale, USA, pp1233-1244.
- the matrices T1 and T2 are calculated from the system matrix C.
- the system matrix is broken down into a diagonal matrix W, which contains the eigenvalues of C.
- the right and left matrix contains the right-hand and left-hand orthonormal eigenvectors, so that applies
- / is the unit matrix
- the matrix T1 is calculated as follows:
- the matrix T 2 is the conjugate complex matrix of the right-hand eigenvectors of C.
- the transfer function of the open controlled system thus becomes a diagonal matrix with purely real diagonal elements.
- Runtimes in the transmission path and a faulty system matrix C can lead to instabilities of individual sub-regulations.
- the advantage of the method described here is is that instabilities in a partial regulation i can be suppressed by reducing ⁇ without impairing the convergence of the other partial regulations.
- FIG. 5 shows a further embodiment of an engine 200 with a rotor 21 1 in a longitudinal section.
- Annular arrangements of sensors 220 in the form of microphones are provided on the outside of the wall 212 of the engine duct 210.
- a controller 215 is coupled to the sensors 220 and actuators 230 to drive the actuators 230 in response to signals generated by the sensors 220. Further control variables, such as. B. an rpm signal, which indicates the current speed of the rotor, are processed in the controller 215.
- the inventive method is advantageously controlled by a processor and can, for. B. can also be implemented as a computer program for controlling the controller 215.
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Abstract
The invention relates to a method for active reduction of sound emissions from drive mechanisms. A sonic field is measured by a plurality of sensors (20;220), said field consisting of a primary sonic field and a superposed secondary sonic field for the reduction of sound. Actuators (230) for producing the secondary sonic field are controlled by a regulating device (215) which minimises the measured sonic field on the basis of a known transfer function between the actuators (230) and the sensors (20;220). Several oscillation modes are determined from the sonic field, whereby the amplitudes thereof are used as an input variable for the regulating device (215).
Description
Verfahren und System zur aktiven Minderung der Schallabstrahlung von TriebwerkenProcess and system for actively reducing engine noise emissions
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur aktiven Minderung der Schallabstrahlung von Triebwerken gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bzw. 9.9. The invention relates to a method and a system for actively reducing the sound radiation from engines according to the preamble of claims 1 and 9, respectively.
Bei den bekannten Verfahren zur aktiven Minderung der Schallabstrahlung erfolgt eine Überlagerung des Schallfeldes, das beispielsweise in einem Triebwerk im Betrieb erzeugt wird, mit einem Antischallfeld. Dabei werden Aktuatoren zur Erzeugung des Antischallfeldes verwendet. Das Schallfeld wird mit Sensoren bzw. Mikrofonen gemessen und das Antischallfeld wird mit Aktuatoren bzw. Lautsprechern erzeugt.In the known methods for actively reducing the sound radiation, the sound field, which is generated, for example, in an engine during operation, is superimposed on an anti-sound field. Actuators are used to generate the anti-noise field. The sound field is measured with sensors or microphones and the anti-sound field is generated with actuators or loudspeakers.
Zur Reduktion der Schallabstrahlung wird bei den bekannten Verfahren eine große Anzahl von Aktuatoren (N) und Sensoren (M) benötigt. Die Ansteuerungssignale der Aktuatoren werden nach dem bekannten LMS-Algorithmus aus den Sensorsignalen bestimmt. Dieses bekannte Regelverfahren minimiert den quadratischen Fehler. Bei der Anwendung dieses Verfahrens an Flugzeugtriebwerken besteht jedoch eine große Diskrepanz in der Konvergenzgeschwindigkeit einzelner Schallanteile, wodurch die erreichbare Schallreduktion erheblich eingeschränkt wird. Die Anwendung des Newton-Verfahrens versucht daher die Konvergenz anzupassen, führt aber zu Problemen mit der Stabilität. Eine Maßnahme zur Erhöhung der Stabilität besteht in der Verwendung eines LMS-Reglers mit Leakage-Parameter. Dieser Parameter begrenzt aber ebenfalls die erreichbare Schallminderung.In the known methods, a large number of actuators (N) and sensors (M) are required to reduce the sound radiation. The actuation signals of the actuators are determined from the sensor signals in accordance with the known LMS algorithm. This known control method minimizes the quadratic error. When using this method on aircraft engines, however, there is a large discrepancy in the rate of convergence of individual sound components, which considerably limits the achievable sound reduction. The application of the Newton method therefore tries to adjust the convergence, but leads to problems with the stability. One measure to increase stability is to use an LMS controller with leakage parameters. However, this parameter also limits the achievable noise reduction.
In der Druckschrift EP0654901 A1 ist beispielsweise ein System zur Erzeugung eines Sekundärsignals gezeigt, mit dem ein Primärsignal ausgelöscht wird. Dabei wird mittels Sensoren ein Fehlersignal ermittelt und über eine Korrelations-Matrix werden die Ansteuersignale für die Aktuatoren ermittelt. Die Korrelations-Matrix hat eine Eigenwertverteilung mit einem Wert, der im wesentlichen gleich 1 ist.
In dem Artikel „Flight Test of ASAC Aircraft Interior Noise Control System", Dan Palumbo et.al in American Institute of Aeronautics & Astronautics, A99-27885, AIAA-99-1933, S. 852 bis 862 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem zur Reduktion von Turboprop-Geräuschen mit einer Vielzahl von Mikrofonen ein Schallfeld aufgenommen wird, während mit einer Vielzahl von Aktuatoren ein Antischallfeld erzeugt wird. Dabei wird eine Transfermatrix mit Transferfunktionen vom Eingang jedes Aktuators zum Ausgang jedes Fehlersensors bzw. Mikrofons einer Eigenwertzerlegung unterzogen. Die Ansteuerungssignale der Aktuatoren werden mit Hilfe des LMS-Algorithmus aus den Sensorsignalen bestimmt. Zur Verbesserung der Konvergenzeigenschaften und zur Begrenzung der Aktuatorleistung wird der Principal Component LMS-Algorithmus verwendet.In the document EP0654901 A1, for example, a system for generating a secondary signal is shown, with which a primary signal is extinguished. An error signal is determined by means of sensors and the control signals for the actuators are determined via a correlation matrix. The correlation matrix has an eigenvalue distribution with a value that is essentially equal to 1. In the article "Flight Test of ASAC Aircraft Interior Noise Control System", Dan Palumbo et al in American Institute of Aeronautics & Astronautics, A99-27885, AIAA-99-1933, pp. 852 to 862, a method is described in which To reduce turboprop noise, a sound field is recorded with a large number of microphones, while an anti-sound field is generated with a large number of actuators The actuators are determined from the sensor signals using the LMS algorithm, and the principal component LMS algorithm is used to improve the convergence properties and to limit the actuator performance.
Bei den bekannten Verfahren und Systemen besteht das Problem, dass eine möglichst schnelle und effiziente Anpassung erfolgen muss, wobei jedoch die zur Verfügung stehende Rechenleistung begrenzt ist. Bei Triebwerken, insbesondere bei Flugzeugtriebwerken, bestehen daher zumeist noch sehr störende Schallanteile, die sich nicht oder nicht ausreichend mindern lassen. Die Folge ist Lärm, der vom Triebwerk oder Flugzeugtriebwerk abgestrahlt wird und für Anwohner eine Belästigung oder Gesundheitsschädigung zur Folge haben kann.The problem with the known methods and systems is that adaptation must be as quick and efficient as possible, but the computing power available is limited. In engines, especially in aircraft engines, there are therefore usually still very disturbing sound components which cannot be reduced or cannot be reduced sufficiently. The result is noise that is emitted by the engine or aircraft engine and can result in nuisance or damage to health for residents.
Aufgabe der Erfindung ist es, den abgestrahlten Schall eines Triebwerkes, insbesondere eines Flugzeugtriebwerkes, noch wirksamer zu reduzieren.The object of the invention is to reduce the radiated sound of an engine, in particular an aircraft engine, even more effectively.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und durch das System gemäß Patentanspruch 9.This object is achieved by the method according to patent claim 1 and by the system according to patent claim 9.
Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.Further advantageous features, aspects and details of the invention result from the dependent claims, the description and the drawings.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur aktiven Minderung der Schallabstrahlung von Triebwerken wird mit einer Vielzahl von Sensoren ein Schallfeld gemessen, dass sich aus einem primären Schallfeld und einem diesen zur Schallreduktion überlagerten sekundären Schallfeld ergibt, wobei Aktuatoren zur Erzeugung des sekundären Schallfeldes mittels einer Regeleinrichtung gesteuert werden, die aufgrund einer bekannten Übertragungsfunktion zwischen den Aktuatoren und den Sensoren das gemessene Schallfeld minimiert, wobei aus dem
ocnaiireld mehrere Schwingungsmoden ermittelt werden, deren Amplituden als Eingangsgröße für die Regeleinrichtung verwendet werden.In the method according to the invention for actively reducing the sound radiation from engines, a plurality of sensors are used to measure a sound field which results from a primary sound field and a secondary sound field superimposed on it for sound reduction, actuators for generating the secondary sound field being controlled by means of a regulating device, which minimizes the measured sound field due to a known transfer function between the actuators and the sensors ocnaiireld several vibration modes are determined, the amplitudes of which are used as an input variable for the control device.
Vorteilhaft wird dabei aus der Übertragungsfunktion eine Diagonalmatrix ermittelt, die in der Regeleinrichtung als Transferfunktion zwischen den Sensoren und den Aktuatoren dient.A diagonal matrix is advantageously determined from the transfer function and serves in the control device as a transfer function between the sensors and the actuators.
Insbesondere kann die Regeleinrichtung nach dem LMS-Verfahren arbeiten.In particular, the control device can operate according to the LMS method.
Bevorzugt können die Schwingungsmoden radiale Schwingungsmoden umfassen.The oscillation modes can preferably comprise radial oscillation modes.
Beispielsweise sind die Sensoren in Form von parallel zueinander ausgerichteten Ringen angeordnet, wobei bevorzugt für jeden Ring mindestens eine modale Amplitude als Eingangsgröße für die Regeleinrichtung verwendet wird.For example, the sensors are arranged in the form of rings aligned parallel to one another, with at least one modal amplitude preferably being used as input variable for the control device for each ring.
Vorteilhaft wird eine zeitliche und/oder eine räumliche Fouriertransformation für einzelne Ringanordnungen von Sensoren bei der größten Amplitude durchgeführt, um eine dominante Mode zu ermitteln. Dabei sind bevorzugt die Schwingungsmoden dominante Schwingungsmoden, z. B. durch diskrete Fouriertransformation ermittelt werden.A temporal and / or a spatial Fourier transformation for individual ring arrangements of sensors with the greatest amplitude is advantageously carried out in order to determine a dominant mode. The vibration modes are preferably dominant vibration modes, e.g. B. can be determined by discrete Fourier transformation.
Bevorzugt wird durch Wichtungskoeffizienten die Regelung auf dominierende Azimuthalmoden und /oder Radialmoden konzentriert, wobei abschließend eine Aufspaltung eines mehrdimensionalen Adaptionsalgorithmus auf mehrere eindimensionale Regeleinheiten erfolgen kann.The weighting coefficients are preferably used to concentrate the control on dominant azimuth and / or radial modes, in which case a multidimensional adaptation algorithm can finally be split into a plurality of one-dimensional control units.
Das erfindungsgemäße System zur aktiven Minderung der Schallabstrahlung von Triebwerken umfasst eine Vielzahl von Sensoren zur Messung eines Schallfeldes, eine Vielzahl von Aktuatoren zur Erzeugung eines sekundären Schallfeldes, das sich einem primären Schallfeld des Triebwerks überlagert, und eine Regeleinrichtung zur Ansteuerung der Aktuatoren, wobei das gemessene Schallfeld minimiert wird, und wobei der Regeleinrichtung ein oder mehrere dominierende Schwingungsmoden als Eingangsgrößen zugeführt werden, wobei innerhalb der Regeleinrichtung z. B. eine Aufspaltung eines mehrdimensionalen Adaptionsalgorithmus auf mehrere eindimensionale Regeleinheiten erfolgt.The system according to the invention for actively reducing the sound radiation from engines comprises a large number of sensors for measuring a sound field, a large number of actuators for generating a secondary sound field which is superimposed on a primary sound field of the engine, and a control device for controlling the actuators, the measured one Sound field is minimized, and wherein the control device one or more dominant vibration modes are supplied as input variables, with z. B. a multi-dimensional adaptation algorithm is split into several one-dimensional control units.
Vorteilhafterweise ist die Regeleinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestattet.
Bevorzugt sind die Aktuatoren und/oder Sensoren im Betrieb in Form von parallelen Ringen angeordnet, deren gemeinsame Achse mit der Achse eines Triebwerkskanals eines schallabstrahlenden Triebwerkes übereinstimmt.The control device is advantageously equipped to carry out the method according to the invention. During operation, the actuators and / or sensors are preferably arranged in the form of parallel rings, the common axis of which coincides with the axis of an engine duct of a sound-emitting engine.
Eine mehrstufige Signalkonditionierung erreicht zum Beispiel, dass der Regelaufwand durch Wichtungskoeffizienten auf dominierende Azimuthalmoden oder Radialmoden konzentriert wird. Dazu werden insbesondere Modellannahmen über die Modenausbreitung im Kanal in den Algorithmus integriert. Abschließend erfolgt eine Aufspaltung des mehrdimensionalen Adaptionsalgorithmus auf mehrere eindimensionale Regeleinheiten.Multi-level signal conditioning, for example, means that the control effort is concentrated on dominant azimuth or radial modes using weighting coefficients. For this purpose, model assumptions about the mode propagation in the channel in particular are integrated into the algorithm. Finally, the multidimensional adaptation algorithm is split up into several one-dimensional control units.
Den verwendeten Wichtungskoeffizienten sind physikalische Vorgänge im Kanal des Triebwerkes zugeordnet. So ist es möglich, gezielt die Abstrahlcharakteristik vom Kanalende zu beeinflussen. Für jede Teilregelung kann ein eigener Schrittweitenparameter festgelegt werden, der die Adaptionsgeschwindigkeit optimal anpasst und eine Stellgrößengewichtung der Aktuatorsignale ermöglicht. Der Aufwand für die Berechnung der modalen Zwischengrößen wird in die Berechnung der unabhängigen Regeleinheiten integriert und benötigt deshalb keine zusätzliche Rechenzeit während des Regelungsprozesses. Teilregelungen mit geringem Beitrag zum Gesamtfehler können entfallen. Somit wird die Rechenzeit deutlich verringert. Es ist ebenfalls möglich, den Rechenaufwand zu mindern, indem nur modale Größen berücksichtigt werden, die dominant im Primärschallfeld vorhanden sind.The weighting coefficients used are assigned to physical processes in the engine duct. It is thus possible to specifically influence the radiation characteristics from the end of the channel. A separate step size parameter can be defined for each partial control, which optimally adapts the adaptation speed and enables a manipulated variable weighting of the actuator signals. The effort for the calculation of the modal intermediate quantities is integrated into the calculation of the independent control units and therefore does not require any additional computing time during the control process. Partial regulations with a small contribution to the overall error can be omitted. This significantly reduces the computing time. It is also possible to reduce the computational effort by only considering modal quantities that are dominant in the primary sound field.
Das Verfahren bietet die Möglichkeit, ein Schallfeld, für dessen Reduktion eine große Anzahl von Sensoren und Aktuatoren benötigt wird, mit minimalen Rechenaufwand zu reduzieren und gleichzeitig, durch die Variation von Regelungsparametern die Eigenschaften des Algorithmus gezielt zu beeinflussen.The method offers the possibility of reducing a sound field, for the reduction of which a large number of sensors and actuators is required, with minimal computational effort and, at the same time, of specifically influencing the properties of the algorithm by varying control parameters.
Insbesondere wird die Schallabstrahlung vom Einlauf von Flugzeugtriebwerken, die wesentlich durch die Rotor-Stator-Wechselwirkung verursacht wird, durch die Überlagerung mit einem Antischallfeld reduziert bzw. ausgelöscht. Das Spektrum der abgestrahlten Schallleistungen besitzt deutliche tonale Komponenten bei Vielfachen der Blattfolgefrequenzen. Diese harmonischen Schallanteile werden durch eine geeignete Regelung ausgelöscht.In particular, the sound radiation from the intake of aircraft engines, which is essentially caused by the rotor-stator interaction, is reduced or canceled out by the superimposition with an anti-noise field. The spectrum of the radiated sound power has clear tonal components with multiples of the leaf repetition frequencies. These harmonic sound components are canceled out by a suitable regulation.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand bevorzugter Ausführungsformen mit zugehörigen Figuren beschrieben, in denen
Fig. 1 schematisch einen Kanal, insbesondere Triebwerkskanal mit ringförmiger SensoranThe invention is described below by way of example using preferred embodiments with associated figures, in which: Fig. 1 shows schematically a channel, in particular engine channel with an annular sensor
Ordnung zeigt; Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Regelung zeigt; Fig. 3 ein Blockschaltbild einer weiteren bevorzugten Regelung zeigt; Fig. 4 ein weiteres Blockschaltbild einer Regelung zeigt; und Fig. 5 ein erfindungsgemäßes System an einem Triebwerk in schematischer Darstellung alsShows order; 2 shows a block diagram of a regulation; 3 shows a block diagram of a further preferred regulation; 4 shows a further block diagram of a regulation; and FIG. 5 shows a system according to the invention on an engine in a schematic representation as
Längsschnitt zeigt.Longitudinal section shows.
Figur 1 zeigt als bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ein System zur aktiven Schallminderung an einem Kanal 10 in Form eines Triebwerkkanals. Innerhalb des Kanals 10 befindet sich ein Rotor 1 1. Ringförmige Anordnungen von Sensoren 20 sind an einer Wandung 12 des Kanals 10 angeordnet, wobei sich jeder Ring 21, 22, 23 in Umfangrichtung des Kanals 10 erstreckt, sodass jeder Ring 21, 22, 23 einen bestimmten Kanalquerschnitt an einer bestimmten Position x1, x2, x3 in Längsrichtung x des Kanals 10 umschließt. An einer Eingangsöffnung 13 des Kanals 10 strömt ein Medium mit einer Geschwindigkeit v in das Kanalinnere, während es an einer Austrittsöffnung 14 austritt.FIG. 1 shows as a preferred embodiment of the invention a system for active noise reduction on a duct 10 in the form of an engine duct. A rotor 11 is located within the channel 10. Annular arrangements of sensors 20 are arranged on a wall 12 of the channel 10, each ring 21, 22, 23 extending in the circumferential direction of the channel 10, so that each ring 21, 22, 23 encloses a specific channel cross section at a specific position x1, x2, x3 in the longitudinal direction x of the channel 10. At an inlet opening 13 of the channel 10, a medium flows into the interior of the channel at a speed v, while it exits at an outlet opening 14.
Das Schallfeld im Kanal 10 kann mit folgender Gleichung beschrieben werden.The sound field in channel 10 can be described with the following equation.
wobeiin which
x die Position in Längsrichtung des Kanals 10 beschreibt, r die Position in radialer Richtung beschreibt, φ Position in azimuthaler Richtung ist, t die Zeit ist, p das Schallfeld beschreibt, σ Eigenwert der Schwingungsmode der Ordnung mn ist.
die Funktion fnm{ r„mr)d\e Schalldruckverteilung einer Mode der Ordnung mn in radialer Richtung beschreibt, m der Index für die Umgangsordnung der Mode ist, was auch an Hand der Phasenabhängigkeit des Schalldrucks in Umfangsrichtung φ durch den Ausdruck e~Jω> deutlich wird, und n der Index für die radiale Ordnung der Mode ist.x describes the position in the longitudinal direction of the channel 10, r describes the position in the radial direction, φ is position in the azimuthal direction, t is the time, p describes the sound field, σ is the eigenvalue of the vibration mode of order mn. the function f nm {r „ m r) d \ e describes the sound pressure distribution of a mode of order mn in the radial direction, m is the index for the order of the mode, which is also evident from the phase dependence of the sound pressure in the circumferential direction φ by the expression e ~ Jω> becomes clear, and n is the index for the radial order of fashion.
Der Ausdruck in der Klammer beschreibt das Ausbreitungsverhalten der Mode mn in positiver Achsrichtung mit komplexer Amplitude A*m und in negativer Achsrichtung mit der Amplitude Λ- mn 'The expression in brackets describes the propagation behavior of mode mn in the positive axis direction with complex amplitude A * m and in the negative axis direction with the amplitude Λ- mn '
Weil der Schalldruck nur an der Kanalwand gemessen wird, beschränkt sich die weitere Beschreibung des Schalldruckfeldes auf werte des mit dem Kanalradius normierten Radius r von r=1. In der Formel (1) reduziert sich die radiale Verteilung für eine Mode auf einen Faktor fmn(σmn), der auch durch die Amplituden A*m und A~ m berücksichtigt werden kann. Weiterhin ist es sinnvoll, alle Radialmoden mit der selben Umfangsordnung zusammenzufassen. Es ergibt sich dann folgende Formel für den WandschalldruckBecause the sound pressure is only measured on the duct wall, the further description of the sound pressure field is limited to values of the radius r of r = 1 standardized with the duct radius. In the formula (1) the radial distribution for a mode is reduced to a factor fmn (σmn), which can also be taken into account by the amplitudes A * m and A ~ m . Furthermore, it makes sense to combine all radial modes with the same circumferential order. The following formula then results for the wall sound pressure
Das Ausbreitungsverhalten der Kanalmoden wird durch den Wellenvektoren kM in Richtung und Geschwindigkeit bestimmt. Der Vektor setzt sich aus den beiden orthogonalen Wellenzahlen k*n und krφ zusammen. Die Wellenzahl in der r-φ- Ebene ermittelt sich aus dem Eigenwert der Mode und dem Kanalradius R.The propagation behavior of the channel modes is determined by the wave vectors k M in direction and speed. The vector is composed of the two orthogonal wave numbers k * n and k rφ . The wave number in the r-φ plane is determined from the eigenvalue of the mode and the channel radius R.
KΦ =^- (4)
Der Betrag des Wellenvektors kM entspricht für ein ruhendes Medium der FreifeldwellenzahlK Φ = ^ - (4) The amount of the wave vector k M corresponds to the free field wave number for a stationary medium
k = — , dem Quotienten aus Kreisfrequenz und Ausbreitungsgeschwindigkeit. Wird eine c gleichförmige Strömungsgeschwindigkeit mit der Machzahl M der Schallausbreitung überlagert, ergibt sich die Wellenzahl folgendermaßen:k = -, the quotient of angular frequency and propagation speed. If a uniform flow velocity c is superimposed on the Mach number M of sound propagation, the wave number results as follows:
kli - klm +k]φ = (k-M -knm)2 . Wird die Gleichung nach kmn umgestellt, erhält man die Gleichungkli - kl m + k] φ = (kM -k nm ) 2 . Converting the equation to k mn gives the equation
Die Ausbreitungsrichtung der modalen Wellenfronten im Kanal ist durch die FormelThe direction of propagation of the modal wave fronts in the channel is given by the formula
gegeben. Dieser Winkel entspricht für den Fall M=0 auch der Hauptrichtung mit der die akustische Energie ins Freifeld abgestrahlt wird.given. For the case M = 0, this angle also corresponds to the main direction with which the acoustic energy is emitted into the free field.
Aus Gleichung 2 ist ersichtlich, dass aus den Fourierkomponenten der Sensorsignale (für die zu regelnde Frequenz »ein Vektor E(jω) mit Elementen für jeden Sensor) durch eine diskrete räumliche Fouriertransformation in azimuthaler Richtung θ die modalen Amplituden Am an jedem Mikrofonring (Vektor EM(j<o)) berechnet werden können. Die Operation kann durch eine Matrix MS realisiert werden, die orthonormiert ist, wenn die Sensoren auf jedem Ring äquidistant angeordnet sind.From equation 2 it can be seen that from the Fourier components of the sensor signals (for the frequency to be controlled, a vector E (jω) with elements for each sensor) by means of a discrete spatial Fourier transformation in the azimuthal direction θ, the modal amplitudes A m on each microphone ring (vector E M (j <o)) can be calculated. The operation can be implemented by a matrix MS, which is orthonormal if the sensors are arranged equidistantly on each ring.
EM = MS*E (7)E M = MS * E (7)
In ähnlicher Weise wird die Anregung einer Azimuthalmode realisiert, indem die Aktuatoren wie die Sensoren ringweise angeordnet werden und durch eine Matrix MA miteinander verknüpft werden. Die Matrix MA stellt die inverse diskrete räumliche Fouriertransformation dar.In a similar way, the excitation of an azimuth mode is realized in that the actuators, like the sensors, are arranged in rings and are linked to one another by a matrix MA. The matrix MA represents the inverse discrete spatial Fourier transformation.
QA = MA*QM (8)
Die Berechnung der Amplitude für Mode m am Ring / ist unabhängig von den Sensorsignalen an den Ringen r≠i. Jede Zeile von MS enthält daher nur Si elemente die ungleich 0 sind. Si ist die Anzahl der Sensoren am Ring i mit den azimuthalen Winkelpositionen φi bis φsj. Die Zeile der Matrix für die modale Amplitude für m=mι am Ring i lautet:Q A = MA * Q M (8) The calculation of the amplitude for mode m on the ring / is independent of the sensor signals on the rings r ≠ i. Each line of MS therefore contains only Si elements that are not equal to 0. Si is the number of sensors on ring i with the azimuthal angular positions φi to φsj. The line of the matrix for the modal amplitude for m = mi on ring i is:
MSm i = [eJmA ej" h . e Φs> \ (9)MS mi = [e JmA e j " h . E Φs> \ (9)
Der Vektor zur Berechnung der Ansteuersignale der Aktuatoren am Ring i mit der Mode mι ergibt sich zu:The vector for calculating the control signals of the actuators on the ring i with the mode mi results from:
φι bis sind die Aktuatorpositionen.φι bis are the actuator positions.
Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild als Beispiel für die erfindungsge äße Regelung.Figure 2 shows a block diagram as an example of the inventive control.
Der Funktionsblock 100 stellt mit der Transfermatrix C die Ausbreitungsvorgänge im Kanal zwischen den Aktuatorsignalen QA und Sensorsignalen E dar. Die weiteren Blöcke symbolisieren Funktionen, die vom Regler realisiert werden. Die Sensorsignale ergeben sich aus einer Überlagerung des Primärschalls P mit dem vom Regler generierten sekundären Schallfeld S. Die Blöcke mit den Transformationsmatrizen MS und MA wurden bereits erläutert. Mit dem Vektor EM wird der Fehler in Form der Amplituden von Azimuthalmoden dargestellt.With the transfer matrix C, the function block 100 represents the propagation processes in the channel between the actuator signals QA and sensor signals E. The further blocks symbolize functions that are implemented by the controller. The sensor signals result from a superposition of the primary sound P with the secondary sound field S generated by the controller. The blocks with the transformation matrices MS and MA have already been explained. The vector EM is used to represent the error in the form of the amplitudes of azimuthal modes.
Die Diagonalmatrix W ermöglicht eine Gewichtung der einzelnen Azimuthalmoden innerhalb des Regelungsprozesses. Werden n Diagonalelement w(i,i)=0 gesetzt, werden diese Moden von der Regelung ausgeschlossen. Diese Vorgehensweise erlaubt eine signifikante Minderung der benötigten Rechenzeit, wenn das Primärschallfeld nur durch einige wenige Moden wiedergegeben werden kann (z. B. Buzz-Saw-Noise, Tyler-Sofrin-Mode bei Rotor-Stator- Interaktion). Die Fehlerfunktion ist wie folgt:The diagonal matrix W enables weighting of the individual azimuthal modes within the control process. If n diagonal elements w (i, i) = 0 are set, these modes are excluded from the control. This procedure allows a significant reduction in the computing time required if the primary sound field can only be reproduced by a few modes (eg buzz-saw noise, Tyler-Sofrin mode in rotor-stator interaction). The error function is as follows:
Jw (W reell) (11)
Bis zu diesem Schritt bilden die gewichteten modalen Amplituden EW und die modalen Amplituden der Aktuatoransteuerung QM die Ein- bzw. Ausgangssignale für den LMS-Algorithmus. Anschließend wird die Regelungsaufgabe in unabhängige Teilregelungen aufgespalten. Die dafür notwendigen Berechnungen beziehen sich nur auf die Transferfunktion zwischen diesen beiden Ein- und Ausgangsgrößen die wie folgt angegeben wird.J w (W real) (11) Up to this step, the weighted modal amplitudes EW and the modal amplitudes of the actuator control QM form the input and output signals for the LMS algorithm. The control task is then split into independent sub-regulations. The calculations required for this only relate to the transfer function between these two input and output variables, which is specified as follows.
W-EM = Ew =W-CMod -QM WE M = E w = WC Mod -Q M
^WMod = " ' ^Mod (^ WMod = "'^ Mod (
Mittels der Singular-Value-Decompisiton (SVD) wird die Transfermatrix C^^ in eine Diagonalmatrix D, die die Wurzeln der reellen Eigenwerte von C^^C^^ enthalten, und in die rechts- und linksseitigen Eigenvektoren in den Matrizen V und U aufgespalten.Using the singular value decomposition (SVD), the transfer matrix C ^^ is converted into a diagonal matrix D, which contains the roots of the real eigenvalues of C ^^ C ^^, and into the right and left-hand eigenvectors in the matrices V and U split.
EW = VH -D-UH -QM (14)E W = V H -DU H -Q M (14)
Die Substitution von V-Ew = EK und UH QM = QK für zu einer diagonalen Transferfunktion zwischen S^ und Eκ ..The substitution of VE w = E K and U H Q M = Q K for a diagonal transfer function between S ^ and E κ ..
EK = D-QK (15)E K = DQ K (15)
Somit lautet die LMS-Adaptionsvorschrift zur Minimierung von JWThe LMS adaptation rule for minimizing JW is therefore
Wegen der Diagonalmatrix D" erfolgt eine Aufspaltung in Teilregelungen.Because of the diagonal matrix D ", there is a split into partial regulations.
Mit den Vektor K werden die Adaptionsschrittweisen jeder einzelnen Teilregelung während des Regelungsvorganges optimiert. With the vector K, the adaptation steps of each individual partial control are optimized during the control process.
Die Messung der Transferfunktion CMod erfolgt einmalig vor der Regelung. Jedes mal wenn die modalen Wichtungsfaktoren W verändert werden ist eine Neuberechnung der Matrizen C Moώ U, V und D notwendig. Vor Beginn der Regelung werden die Matrizen zur Berechnung von QA und ER zusammengefasst.The transfer function CM od is measured once before the control. Every time the modal weighting factors W are changed, the matrices C Moώ U, V and D have to be recalculated. Before the regulation begins, the matrices for calculating QA and ER are combined.
QA = MA-U- QK = TA-QK (18)Q A = MA-U- Q K = TA-Q K (18)
EK = V -W-MS-E = TS-E (19)E K = V -W-MS-E = TS-E (19)
Die Fehlerfunktion bleibt von der Diagonalisierung unverändert.The error function remains unchanged from the diagonalization.
JW = EW -EW = EK -V -V -EK = EK -EK (20)J W = E W -E W = E K -V -V -E K = E K -E K (20)
Sehr kleine Fehlergrößen E ) können von der Regelung ausgenommen werden. Wird die Fehlerfunktion in Abhängigkeit von den Aktuatorsignalen dargestellt, wird ersichtlich, dass Teilregelungen mit kleinen Diagonalelementen D(i,i) den Fehler nur mit sehr großem Leistungsaufwand reduzieren können und deswegen sinnvollerweise ebenfalls vom Regelungspro- zess ausgeschlossen werden.Very small error sizes E) can be excluded from the regulation. If the error function is shown as a function of the actuator signals, it can be seen that partial controls with small diagonal elements D (i, i) can only reduce the error with a very high expenditure of power and are therefore also usefully excluded from the control process.
Figur 3 zeigt ein weiteres Blockschaltbild als Beispiel einer Regelung. Dabei wird die Richtungscharakteristik beeinflusst.Figure 3 shows another block diagram as an example of a control. The directional characteristic is influenced.
Dieser Ausführungsform liegt der Gedanke zugrunde, dass eine weitere Einsparung an Aktua- torleistung erreicht werden kann, wenn die Regelung statt der gewichteten Summe der Amplitudenquadrate von Azimuthalmoden die Summe der Amplitudenquadrate von Radialmoden Amn minimiert. Jede Radialmode hat eine dominante Hautabstrahlrichtung (Gleichung 6).
Durch w Wichtungskoeffizienten in der Diagonalmatrix W kann die Regelung auf einen Winkelbereich konzentriert werden.This embodiment is based on the idea that a further saving in actuator power can be achieved if the control instead of the weighted sum of the amplitude squares of azimuthhalmodes minimizes the sum of the amplitude squares of radial modes Amn. Each radial mode has a dominant skin radiation direction (Equation 6). With w weighting coefficients in the diagonal matrix W, the control can be concentrated on an angular range.
Wie bei der Wichtung der Azimuthalmoden müssen die Radialmoden vorher bestimmt werden. Dazu dient das Modell der Modenausbreitung im Kanal (Gleichung 3). Die Wellenzahlen sind durch Gleichung 4 und 5 vorgegeben. Gleichung 3 wird jetzt in Matrix-Schreibweise angegeben. Ein Vektor mit den Radialmoden Amn, hier der Einfachheit halber nur auf eine Azimut- halmodenordnung angebeben, wird über eine Kanalmatrix Syst mit den Azimuthalmoden (Vektor Am) an den L Sensorringen verknüpft.As with the weighting of the azimuthal modes, the radial modes must be determined beforehand. The model of mode propagation in the channel serves this purpose (equation 3). The wavenumbers are given by equations 4 and 5. Equation 3 is now given in matrix notation. A vector with the radial modes Amn, here given for the sake of simplicity only to an azimuth mode order, is linked via a channel matrix Syst with the azimuth modes (vector Am) at the L sensor rings.
AM = Syst-A„m A M = Syst-A " m
Syst = (22)Syst = (22)
2~ßmQxL 2 ~ ßmQ x L
Durch Invertierung dieser Kanalmatrix erhält man die Matrix TR, die eine Berechnung der Radialmoden aus den Amplituden der Azimuthalmoden ermöglicht.By inverting this channel matrix, the matrix TR is obtained, which enables the radial modes to be calculated from the amplitudes of the azimuth modes.
ER = TA -EM (23)E R = TA -E M (23)
TA = Syst~ (24)TA = system ~ (24)
Mit der Erweiterung von Gleichung 12 auf der linken und rechten Seite mit W-TR ergibt sich für die Transferfunktion zwischen Qmod und EW folgender Zusammenhang.With the expansion of equation 12 on the left and right side with W-TR, the following relationship results for the transfer function between Qmod and EW.
CψRad — W - LR - Mod CψR ad - W - LR - Mod
Die Bestimmung von U und V erfolgt wie oben beschrieben mittels SVD aus der Matrix C, WRad -
Durch das gezeigte System und Verfahren wird insbesondere die Schallabstrahlung vom Einlauf von Flugzeugtriebwerken, die durch den Rotor oder die Rotor-Stator-Wechselwirkung verursacht wird, durch Überlagerung mit einem Antischallfeld reduziert. Das Spektrum der abgestrahlten Schallleistung besitzt deutliche tonale Komponenten bei Vielfachen der Blattfolgefrequenzen. Diese harmonischen Schallanteile werden durch eine geeignete Regelung ausgelöst.U and V are determined as described above using SVD from matrix C, WRad - The system and method shown reduce, in particular, the sound radiation from the intake of aircraft engines, which is caused by the rotor or the rotor-stator interaction, by superimposition with an anti-noise field. The spectrum of the radiated sound power has clear tonal components with multiples of the leaf repetition frequencies. These harmonic sound components are triggered by a suitable regulation.
Insbesondere ist es möglich und oftmals vollkommen ausreichend, nur die Abstrahlcharakteristik vom Einlauf ins Fernfeld zu modifizieren. Bei Flugzeugtriebwerken bewirken zum Beispiel nur diejenigen Schallanteile eine Belästigung der Anwohner, die seitlich zum Erdboden abstrahlen.In particular, it is possible and often completely sufficient to modify only the radiation characteristics from the entry into the far field. In the case of aircraft engines, for example, only those noise components that radiate to the side of the ground are annoying.
Nachfolgend werden weitere mögliche Details der Erfindung beschrieben, die in verschiedenen Ausführungsformen Anwendungen finden können:Further possible details of the invention are described below, which can be used in various embodiments:
Aus der Transfei unktion (Systemmatrix) zwischen Aktuatoren und Sensoren werden Transformationsmatrizen berechnet, mit deren Hilfe in einer Nach- und Vorbereitungsstufe aus den Vektoren der Aktuator- und Sensorsignale die unabhängigen Koordinaten des Regelsystems gebildet werden. Diese unabhängigen Koordinaten werden als Ein- und Ausgangsgrößen für den LMS-Regler benutzt.From the transfer function (system matrix) between actuators and sensors, transformation matrices are calculated, with the help of which the independent coordinates of the control system are formed in a post-processing and preparation stage from the vectors of the actuator and sensor signals. These independent coordinates are used as input and output variables for the LMS controller.
Der LMS-Regler ist allgemein bekannt und beispielsweise in Nelson, P.A. and Elliot, S. J.: „Active Control of Sound", Academy Press, London, 1992, beschrieben.The LMS controller is well known and is described, for example, in Nelson, P.A. and Elliot, S.J .: "Active Control of Sound", Academy Press, London, 1992.
Durch die Verwendung der unabhängigen Koordinaten wird die Systemmatrix diagonalisiert und die Komplexität des Reglers von der Dimension NxM auf N reduziert. Damit sinkt der Rechenaufwand und die Stabilität wird erhöht.By using the independent coordinates, the system matrix is diagonalized and the complexity of the controller is reduced from the dimension NxM to N. This reduces the computing effort and the stability is increased.
Während im allgemeinen jede Amplitude der Sensorsignale im gleichen Maße zum Fehlerkriterium beiträgt, können die Beiträge der einzelnen Koordinaten sehr unterschiedlich sein. Die Amplituden von Koordinaten, die nur einen kleinen Beitrag liefern, können als Rauschanteile betrachtet und somit von der Regelung ausgeschlossen werden. Die Komplexität verringert sich somit weiter um den Faktor (N-X)/N.
Die gesamte Regelung wird in N oder N-X unabhängige Regelkluster mit nur einer Eingangsund Ausgangsgröße ausgespaltet. Zur Nutzung eines Newton-Algorithmus muss deshalb keine vollbesetzte Matrix invertiert werden sondern nur eine Diagonalmatrix.While in general each amplitude of the sensor signals contributes to the error criterion to the same extent, the contributions of the individual coordinates can be very different. The amplitudes of coordinates that only make a small contribution can be considered as noise components and can therefore be excluded from the control. The complexity is further reduced by the factor (NX) / N. The entire control system is split into N or NX independent control clusters with only one input and output variable. To use a Newton algorithm, it is therefore not necessary to invert a fully occupied matrix, but only a diagonal matrix.
Im allgemeinen wird die Konvergenz des Reglers durch einen Schrittweitenparameter ange- passt. Die maximale Schrittweite wird durch ein Stabilitätskriterium bezüglich des größten Eigenwertes der Systemmatrix begrenzt. Schallanteile, die mit kleineren Eigenwerten verknüpft sind, konvergieren langsamer. Das oben beschriebene Verfahren stellt sicher, dass die nach Eigenwerten getrennten Schallanteile einem separaten Regelkluster zugeführt werden. Für jedes Kluster besteht die Möglichkeit, einen eigenen, für diesen Schallanteil bzw. für die Mode optimalen Schrittweitenparameter zu definieren.In general, the convergence of the controller is adjusted by a step size parameter. The maximum step size is limited by a stability criterion with regard to the largest eigenvalue of the system matrix. Sound components that are associated with smaller eigenvalues converge more slowly. The method described above ensures that the sound components separated according to their own values are fed to a separate control cluster. For each cluster it is possible to define its own step size parameters that are optimal for this sound component or for fashion.
Durch Vergleich der Fehlerkriterien für jedes Klusters, lässt sich schnell ableiten, in<welchem Kluster am sinnvollsten die Parameter weiter zu optimieren sind.By comparing the error criteria for each cluster, you can quickly determine in which cluster the parameters are most useful to optimize.
Figur 4 zeigt ergänzend ein Blockschaltbild einer Regelung im Frequenzbereich. Dabei handelt es sich um eine Realisierung für eine schmalbandige filtered-x-LMS Regelung im Frequenzbereich. Die Signale und Transferfunktionen sind komplexe Funktionen der Frequenz. Die momentane Frequenz kann durch geeignete Geber, z. B. mit Hilfe eines Tachosignals, ermittelt werden.FIG. 4 additionally shows a block diagram of a control in the frequency domain. This is an implementation for a narrowband filtered-x-LMS control in the frequency domain. The signals and transfer functions are complex functions of frequency. The current frequency can be adjusted by suitable sensors, e.g. B. can be determined with the aid of a speedometer signal.
Die Blöcke T1, F und T2 sind Bestandteil des Reglers. C ist die Zeitvariante Übertragungsmatrix, welche die akustischen Eigenschaften der Regelstrecke beschreibt und als bekannt vorausgesetzt wird. Diese wird z. B. in Versuchen experimentell ermittelt.Blocks T1, F and T2 are part of the controller. C is the time variant of the transmission matrix, which describes the acoustic properties of the controlled system and is assumed to be known. This is z. B. experimentally determined in experiments.
Zur Erzeugung des sekundären Schallfeldes werden N Aktuatoren im Einlauf des Triebwerks angeordnet, z. B. wandbündig auf der Kanalwand oder integriert in die Statorblätter. Diese Aktuatoren werden vom Regler mit den Stellgrößen y angeregt, um das primäre Schallfeld p auszulösen. Stromabwärts von den Aktuatoren befinden sich M akustische Sensoren zur Messung der Referenz- bzw. Fehlergröße e, die aus der Überlagerung des primären- mit dem sekundären Schallfeld resultiert.To generate the secondary sound field, N actuators are arranged in the engine inlet, e.g. B. flush with the channel wall or integrated in the stator blades. These actuators are excited by the controller with the manipulated variables y in order to trigger the primary sound field p. Downstream from the actuators are M acoustic sensors for measuring the reference or error quantity e, which results from the superposition of the primary and secondary sound fields.
Ziel der Regelung mit Hilfe des filtered-x-LMS-Algorithmus ist die Minimierung der Amplitudenquadrate der Fehlersignale.
Ein Bestandteil des Verfahrens ist die Definition der Matrix T1 und T2, mit denen die Eingangs- und Ausgangssignale des LMS-Reglers (Block F) in geeigneter Weise konditioniert werden, um die Konvergenzeigenschaften des LMS-Algorithmus optimal an die akustischen Eigenschaften der Übertragungsstrecke anpassen zu können.The aim of the control using the filtered-x-LMS algorithm is to minimize the amplitude squares of the error signals. A component of the method is the definition of the matrix T1 and T2, with which the input and output signals of the LMS controller (block F) are conditioned in a suitable manner in order to optimally adapt the convergence properties of the LMS algorithm to the acoustic properties of the transmission path can.
Alternativ zur Darstellung in Figur 4 können die Signale y, e, s und p sowie die Matrix C sich auf modale Größen beziehen, um geeignete Fehlergrößen zu minimieren, die in Relation zur Kanalakustik des Einlaufkanals stehen. Das Verfahren ist weiterhin auch anwendbar, wenn es sich bei den Sensorsignalen e um virtuelle Signale des Schalldrucks an Positionen außerhalb des Einlaufkanals handelt, wo sich zum Zeitpunkt der Regelung keine Sensoren befinden. Die virtuellen Signale werden von Sensoren im Einlaufkanal mittels einer bekannten Übertragungsfunktion berechnet. Diese ist z. B. im Roure, A. and Albarrazin, A.: The Remote Mi- corphone Technique for Actice Noise Control, ACTIVE99, Ford Lauderdale, USA, pp1233- 1244 beschrieben.As an alternative to the illustration in FIG. 4, the signals y, e, s and p and the matrix C can relate to modal variables in order to minimize suitable error variables which are related to the channel acoustics of the inlet channel. The method can also be used if the sensor signals e are virtual signals of the sound pressure at positions outside the inlet channel where there are no sensors at the time of the control. The virtual signals are calculated by sensors in the inlet channel using a known transfer function. This is e.g. B. in Roure, A. and Albarrazin, A .: The Remote Microphone Technique for Actice Noise Control, ACTIVE99, Ford Lauderdale, USA, pp1233-1244.
In Fig. 4 werden die Matrizen T1 und T2 werden aus der Systemmatrix C berechnet. Die Systemmatrix wird in eine Diagonalmatrix W, welche die Eigenwerte von C enthält, zerlegt.4, the matrices T1 and T2 are calculated from the system matrix C. The system matrix is broken down into a diagonal matrix W, which contains the eigenvalues of C.
C = U -W - VH (26)C = U -W - V H (26)
Die rechte und linke Matrix beinhaltet die rechtsseitigen bzw. linksseitigen orthonormierten Eigenvektoren, so dass giltThe right and left matrix contains the right-hand and left-hand orthonormal eigenvectors, so that applies
U" - U = V - VH = 7 . (27)U "- U = V - V H = 7. (27)
/ ist die Einheitsmatrix./ is the unit matrix.
Die Matrix T1 berechnet sich wie folgt:The matrix T1 is calculated as follows:
Tl = K - WH - U" (28)Tl = K - W H - U "(28)
K ist eine Diagonalmatrix mit beliebigen reellen Diagonalelementen, die jedoch ungleich null sind. Somit wird die neue Fehlergröße für den LMS-Algorithmus (Block F)K is a diagonal matrix with any real diagonal elements that are nonzero. Thus the new error size for the LMS algorithm (block F)
ek = K -W" - UH -e (29)
Die neue Fehlerfunktion lautetek = K -W "- U H -e (29) The new error function is
Die Matrix T 2 ist die konjugiert komplexe Matrix der rechtsseitigen Eigenvektoren von C.The matrix T 2 is the conjugate complex matrix of the right-hand eigenvectors of C.
T2 = V (31)T2 = V (31)
Die Übertragungsfunktion der offenen Regelstrecke wird somit eine Diagonalmatrix mit rein reellen Diagonalelementen.The transfer function of the open controlled system thus becomes a diagonal matrix with purely real diagonal elements.
Der LMS-Algorithmus zur Adaption der Stellgrößen yk zum Zeitpunkt n ergibt sich zuThe LMS algorithm for adapting the manipulated variables yk at time n results in
yk{n+ ) = yk{n -a -Ck - ek(n) oder yk = yk -a - ß diag(S)i ■ ek?> i = 1... _V (33)yk {n +) = yk {n -a -Ck - ek (n) or yk = yk -a - ß diag (S) i ■ ek?> i = 1 ... _V (33)
Die Regelung wurde auf N eindimensionale Regelungen (Teilregelungen) reduziert. Zusätzlich zur globalen Schrittweite α wurde ein reeller Schrittweitenvektor ß definiert, mit dem sich die Konvergenzgeschwindigkeit für jeder Teilregelung optimieren lässt. Wird a = 1 gewählt und istThe regulation was reduced to N one-dimensional regulations (partial regulations). In addition to the global step size α, a real step size vector ß was defined, with which the convergence speed can be optimized for each partial control. If a = 1 is chosen and is
konvergiert jede Teilregelung in einem Adaptionsschritt zur optimalen Lösung (Newton- Algorithmus. Alternativ kann K =
gewählt werden, wodurch sich ß, = diag(S)i = 1 ergibt.converts each partial control in an adaptation step to the optimal solution (Newton algorithm. Alternatively, K = can be selected, which results in ß, = diag (S) i = 1.
Laufzeiten im Übertragungspfad und eine fehlerbehaftete Systemmatrix C können zu Instabilitäten einzelner Teilregelungen führen. Der Vorteil bei dem hier beschriebenen Verfahren be-
steht darin, dass Instabilitäten in einer Teilregelung i durch Verkleinerung von ß unterdrückt werden können, ohne die Konvergenz der übrigen Teilregelungen zu beeinträchtigen.Runtimes in the transmission path and a faulty system matrix C can lead to instabilities of individual sub-regulations. The advantage of the method described here is is that instabilities in a partial regulation i can be suppressed by reducing β without impairing the convergence of the other partial regulations.
Jede Fehlergröße der LMS-Regelung trägt zum quadratischen Fehler der Sensorsignale wie folgt beiEach error quantity of the LMS control contributes to the quadratic error of the sensor signals as follows
Schallanteile e/c,-, die mit kleinen Beträgen der Eigenwerte
verbunden sind, können nur mit vergleichsweise starken Anregungsamplituden yk,- kompensiert werden. Tragen diese Anteile weiterhin nur geringfügig zum Gesamtfehler nach Gleichung 35 bei, kann auf die Regelung dieser Schallanteile (Teilregelung i) verzichtet werden. Dadurch wird im Gegensatz zur LMS-Regelung. mit Leakage-Parameter eine Begrenzung der Anregungsamplitude erreicht, ohne die Konvergenzeigenschaften der dominierenden Schallanteile zu beeinflussen. Durch die Beschränkung auf N-x Teilregelungen wird der Rechenaufwand erheblich gesenkt. Eine Darstellung der Fehler, die durch jedes Element des Fehlervektors ek, nach Gleichung 35 hervorgerufen wird, zeigt auf, welches Fehlerelement ek, den größten Fehleranteil verursacht und folglich, welcher Schrittweitenparameter ß, erhöht werden sollte. Hierbei sei hervorgehoben, dass durch die Orthogonalität der Matrix U in Gleichung 28 die Vektorelemente ek in Gleichung 35 durch eine reelle Diagonalmatrix verknüpft sind, wodurch die Berechnung der Fehleranteile mit minimalen Aufwand realisiert werden kann.Sound components e / c, - that with small amounts of eigenvalues can only be compensated with comparatively strong excitation amplitudes yk, -. If these parts continue to contribute only slightly to the total error according to equation 35, the regulation of these sound parts (partial control i) can be dispensed with. This is in contrast to the LMS regulation. A limitation of the excitation amplitude is achieved with leakage parameters without influencing the convergence properties of the dominating sound components. The computational effort is considerably reduced due to the limitation to Nx partial regulations. A representation of the errors caused by each element of the error vector ek, according to equation 35, shows which error element ek causes the largest error component and consequently which step size parameter β should be increased. It should be emphasized here that due to the orthogonality of the matrix U in equation 28, the vector elements ek in equation 35 are linked by a real diagonal matrix, so that the calculation of the error components can be implemented with minimal effort.
Figur 5 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel ein Triebwerk 200 mit einem Rotor 21 1 in einem Längsschnitt. An der Außenseite der Wandung 212 des Triebwerkskanals 210 sind ringförmige Anordnungen von Sensoren 220 in Form von Mikrofonen vorgesehen. In Längsrichtung des Kanals 210 stromaufwärts befinden sich, ebenfalls im Bereich der Wandung 212, z. B. ringförmige Anordnungen von Aktuatoren 230 bzw. Lautsprechern zur Erzeugung des Antischallfeldes. Ein Regler 215 ist an die Sensoren 220 und Aktuatoren 230 gekoppelt, um die Aktuatoren 230 in Antwort auf von den Sensoren 220 erzeugte Signale anzusteuern. Dabei können weitere Regelgrößen, wie z. B. ein rpm-Signal, das die aktuelle Drehzahl des Rotors angibt, in dem Regler 215 verarbeitet werden.FIG. 5 shows a further embodiment of an engine 200 with a rotor 21 1 in a longitudinal section. Annular arrangements of sensors 220 in the form of microphones are provided on the outside of the wall 212 of the engine duct 210. In the longitudinal direction of the channel 210 upstream, likewise in the region of the wall 212, there are e.g. B. annular arrangements of actuators 230 or speakers to generate the anti-noise field. A controller 215 is coupled to the sensors 220 and actuators 230 to drive the actuators 230 in response to signals generated by the sensors 220. Further control variables, such as. B. an rpm signal, which indicates the current speed of the rotor, are processed in the controller 215.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhaft durch einen Prozessor gesteuert und kann z. B. auch als Computerprogramm zur Steuerung des Reglers 215 realisiert sein.
The inventive method is advantageously controlled by a processor and can, for. B. can also be implemented as a computer program for controlling the controller 215.
Claims
1. Verfahren zur aktiven Minderung der Schallabstrahlung von Triebwerken, bei dem mit einer Vielzahl von Sensoren (20;220) ein Schallfeld gemessen wird, das sich aus einem primären Schallfeld und einem diesem zur Schallreduktion überlagerten sekundären Schallfeld ergibt, wobei Aktuatoren (230) zur Erzeugung des sekundären Schallfeldes mittels einer Regeleinrichtung (215) gesteuert werden, die aufgrund einer bekannten Übertragungsfunktion zwischen den Aktuatoren (230) und den Sensoren (20;220) das gemessene Schallfeld minimiert, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Schallfeld mehrere Schwingungsmoden ermittelt werden, deren Amplituden als Eingangsgröße für die Regeleinrichtung (215) verwendet werden.1. A method for actively reducing the sound radiation from engines, in which a plurality of sensors (20; 220) is used to measure a sound field which results from a primary sound field and a secondary sound field superimposed on it for sound reduction, with actuators (230) for Generation of the secondary sound field can be controlled by means of a control device (215), which minimizes the measured sound field on the basis of a known transfer function between the actuators (230) and the sensors (20; 220), characterized in that several vibration modes are determined from the sound field, the Amplitudes can be used as an input variable for the control device (215).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Übertragungsfunktion eine Diagonalmatrix ermittelt wird, die in der Regeleinrichtung (215) als Transferfunktion zwischen den Sensoren und den Aktuatoren dient.2. The method according to claim 1, characterized in that a diagonal matrix is determined from the transfer function, which serves in the control device (215) as a transfer function between the sensors and the actuators.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (215) nach dem LMS-Verfahren arbeitet.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the control device (215) operates according to the LMS method.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsmoden radiale Schwingungsmoden sind oder umfassen.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the vibration modes are or include radial vibration modes.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (20;220) in Form von parallel zueinander ausgerichteten Ringen (21,22,23) angeordnet sind, wobei für jeden Ring (21, 22, 23) mindestens eine modale Amplitude als Eingangsgröße für die Regeleinrichtung verwendet wird.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the sensors (20; 220) are arranged in the form of rings (21, 22, 23) aligned parallel to one another, at least one for each ring (21, 22, 23) modal amplitude is used as an input variable for the control device.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zeitliche und eine räumliche Fouriertransformation für einzelne Ringanordnungen (21, 22, 23) von Sensoren bei der größten Amplitude durchgeführt wird um eine dominante Mode zu ermitteln. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a temporal and a spatial Fourier transformation for individual ring arrangements (21, 22, 23) of sensors is carried out at the greatest amplitude in order to determine a dominant mode.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsmoden dominante Schwingungsmoden sind, die durch diskrete Fouriertransformation ermittelt werden.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the vibration modes are dominant vibration modes, which are determined by discrete Fourier transformation.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Wichtungskoeffizienten die Regelung auf dominierende Azimuthalmoden und/oder Radialmoden konzentriert wird und abschließend eine Aufspaltung eines, mehrdimensionalen Adaptionsalgorithmus auf mehrere eindimensionale Regeleinheiten erfolgt.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the control is concentrated on dominant azimuth and / or radial modes by means of weighting coefficients, and finally, a multi-dimensional adaptation algorithm is split up into a plurality of one-dimensional control units.
9. System zur aktiven Minderung der Schallabstrahlung von Triebwerken mit9. System for active reduction of sound radiation from engines with
einer Vielzahl von Sensoren (20; 220) zur Messung eines Schallfeldes, einer Vielzahl von Aktuatoren (230) zur Erzeugung eines sekundären Schallfeldes, das sich einem primären Schallfeld des Triebwerks überlagert, einer Regeleinrichtung (215) zur Ansteuerung das Aktuatoren (230), wobei das gemessene Schallfeld minimiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Regeleinrichtung (215) ein oder mehrere dominierende Schwingungsmoden als Eingangsgrößen zugeführt werden, wobei innerhalb der Regeleinrichtung (215) eine Aufspaltung eines mehrdimensionalen Adaptionsalgorithmus auf mehrere eindimensionale Regeleinheiten erfolgt.a plurality of sensors (20; 220) for measuring a sound field, a plurality of actuators (230) for generating a secondary sound field which is superimposed on a primary sound field of the engine, a control device (215) for controlling the actuator (230), wherein the measured sound field is minimized, characterized in that the control device (215) is supplied with one or more dominant vibration modes as input variables, with a multi-dimensional adaptation algorithm being split up into a plurality of one-dimensional control units within the control device (215).
10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (215) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgestattet ist.10. System according to claim 9, characterized in that the control device (215) is equipped for performing the method according to one of claims 1 to 8.
1 1. System nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoren (230) und/oder Sensoren (20; 220) im Betrieb in Form von parallelen Ringen (21, 22, 23) angeordnet sind, deren gemeinsame Achse mit der Achse eines Triebwerkskanals (10; 210) eines schallabstrahlenden Triebwerkes übereinstimmt. 1 1. System according to claim 9 or 10, characterized in that the actuators (230) and / or sensors (20; 220) are arranged in operation in the form of parallel rings (21, 22, 23) whose common axis with the Axis of an engine duct (10; 210) of a sound-emitting engine coincides.
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