WO2008006404A2 - Method for operating an active noise canceling system - Google Patents

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WO2008006404A2
WO2008006404A2 PCT/EP2006/064173 EP2006064173W WO2008006404A2 WO 2008006404 A2 WO2008006404 A2 WO 2008006404A2 EP 2006064173 W EP2006064173 W EP 2006064173W WO 2008006404 A2 WO2008006404 A2 WO 2008006404A2
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transmission
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Harry Bachmann
Sigmund Eggenberger
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    • G10K11/1787General system configurations
    • G10K11/17879General system configurations using both a reference signal and an error signal

Definitions

  • the present invention relates to a method for
  • Noise sources are increasingly perceived as environmental pollution and are regarded as a reduction of
  • ANC Active Noise Canceling
  • the principle of Active Noise Canceling is based on the cancellation of sound waves due to interference. These interferences are generated by one or more electro-acoustic transducers, such as loudspeakers.
  • the signal radiated by the electro-acoustic transducers is calculated by means of a suitable algorithm and continuously corrected.
  • the basis for the calculation of the signal to be radiated by the electro-acoustic transducers is the information supplied by one or more sensors. These are on the one hand information about the nature of the signal to be minimized. For this purpose, for example, a microphone can be used which detects the noise to be minimized. On the other hand, but also information about the remaining residual signal needed. Again, microphones can be used.
  • An active noise reduction algorithm requires information from at least one sensor (for example, a microphone) that determines the residual error.
  • another sensor is provided that provides information about the nature of the signal to be minimized.
  • an adaptive noise reduction system requires one or more actuators (for example in the form of loudspeakers) to output the correction signal.
  • the information from the sensors must be converted by an analog / digital converter into a suitable format. After processing by the algorithm, the signal is reconverted from a digital to analog converter and transmitted to the actuators.
  • One problem associated with active noise reduction through adaptive processes is the fact that the adaptive process takes some time to process the signals; All signals to be processed are thus subject to one through the adaptive process caused time delay. This time delay is a limitation. Thus, it is decisive whether a signal can even be processed by the adaptive process at all.
  • ANC Active noise reduction
  • LMS Least Mean Square
  • Fx-LMS Frtered-x-Algorithm
  • the Fx algorithms have good stability and can therefore be used well in ANC systems.
  • the prefix “Fx” indicates the reproduction of the so-called “secondary path”, which includes the characteristics of the actuators, sensors, amplifiers, analog / digital converters, digital / analog converters and the transmission path as well as all other influences includes the signal to be transmitted.
  • the “secondary path” is also referred to below as "component influence”.
  • offline modeling of the secondary path (component influence).
  • the known method for determining the secondary path is therefore referred to as "offline modeling", since the properties of the secondary path are determined beforehand, ie while the system is not in operation.
  • the present invention is therefore based on the object to provide a method which does not have the disadvantages mentioned above.
  • the invention relates to a method for operating an active noise reduction system comprising a transmission path consisting of at least one Actuator, a space and at least one sensor unit, wherein a replica of the transmission path is made such that in the room reaching noise is eliminated or at least reduced.
  • the invention is characterized in that a time delay resulting from transmission characteristics of the space and / or actuator unit and / or sensor unit is determined and that the determined time delay is taken into account in the simulation of the transmission path. This ensures that with changing characteristics of the transmission line, the active noise reduction system does not become unstable.
  • the time delay is of paramount importance, as it is strongly dependent on temperature changes and at the same time exerts a great influence on the stability.
  • a further embodiment of the method according to the invention is characterized in that the time delay is determined from a residual signal which is generated from an output signal of the transmission path and an output signal of the simulated transmission path and either an input signal of the transmission path or a signal derived therefrom.
  • a more specific embodiment is that the determination of the time delay in the time domain. Another embodiment is that the time delay is determined from a convolution of the residual signal with an input signal of the transmission path or a signal derived therefrom.
  • a still further embodiment variant is that spectral transmission properties of space, actuator unit and sensor unit are determined in the frequency domain and that the spectral transmission characteristics are taken into account in the simulation of the transmission path.
  • a still further embodiment variant is that an amplitude spectrum is determined from the spectral transmission characteristics and that the amplitude spectrum is taken into account in the simulation of the transmission path.
  • a further embodiment variant is that at least one of the following properties is determined when a change in these properties must be expected: Time delay, •
  • a further embodiment variant is that the temperature in the room is determined and that a redetermination of the transmission properties, namely time delay, amplitude spectrum and / or spectral transmission properties, is triggered when the temperature changes above a predetermined value.
  • Transmission properties lie within a predetermined range around existing or prior to the start of the active noise reduction system determined transmission characteristics.
  • Fig. 1 is a simplified block diagram of an active
  • FIG. 3 is a simplified block diagram of an active noise reduction system employing a secondary path determination method of the invention during operation.
  • FIG. 4 shows a further simplified block diagram of an active noise reduction system according to the invention, in which a method according to the invention for determining the secondary path during operation is used,
  • Fig. 5 is a perspective view of a room in which an active noise reduction system is used.
  • 6 and 7 show two courses of an impulse response, with reference to which a further embodiment for determining the time delay is explained.
  • Fig. 1 shows, in a simplified representation, a block diagram of a noise reduction system, with which the so-called Secondary-Path (component influence) is determined.
  • the noise reduction system consists of a signal source 1, which generates a reference signal x (n) 2.
  • the reference signal x (n) is emitted by an actuator unit 3 into a room 11 and received there by a sensor unit 4.
  • the received signal is influenced in the example shown by the properties of the actuator unit 3, the sensor unit 4 and the space 11, which is referred to as secondary-path or component influence.
  • the signal emitted by the actuator unit 3 moves in the space 11 at a predetermined speed, which depends in particular on the air humidity and the temperature of the air.
  • the transit time (or the time delay) which the reference signal x (n) sent by the actuator unit 3 to the sensor 4 requires is designated T.
  • the reference signal x (n) is further supplied to a filter unit 9 with an adjustable transfer function, which is adjusted by means of an adaptive unit 10 such that a residual signal e (n), which is determined from the output signals of the sensor unit 4 and the filter unit 9, is minimal. This comes in the
  • Filter unit 9 is an adaptive algorithm used. To form the residual signal e (n), an addition unit 7 is provided after the sensor unit 4, in which the difference between the output signals of the sensor unit 4 and the filter unit 9 is formed
  • Output of the filter unit 9 is inverted before the addition unit 7 is applied.
  • the filter unit 9 thus describes in an optimum case the properties of the actuator unit 3, the sensor unit 4 and the space 11.
  • the influence of room 11 should be as small as possible in the calculations. It is therefore advisable to place the actuator unit 3 as close as possible to the sensor unit 4.
  • the influences of the space 11 and the time delay T required by the reference signal x (n) can not be completely ruled out.
  • the secondary path determined with such a method is therefore subject to an error. Accordingly, the quality of the active noise reduction system based on such secondary-path adjustment is reduced.
  • the method used is also referred to as "offline modeling".
  • the parameters of the secondary path are thereby preferably determined in a time period during which the system does not make an active noise reduction, i. the noise reduction system, only the known reference signal x (n) of the signal source 1 is supplied.
  • a reference signal x (n) for example, a white noise is used.
  • the transfer function of the filter unit 9 completely describes the secondary path, ie the influence of the components, for example in the form of a frequency-dependent function.
  • it is not the entire frequency-dependent function that is of primary interest, but primarily the time delay T, which experiences a signal from the actuator unit 3 to the sensor unit 4. by virtue of the "off-line" determination of the time delay T is an indication of the range in which the time delay T is most likely to be during the operation of the noise reduction system.
  • the conditions are created to continuously determine the changing component influence during normal operation of the noise reduction system and make appropriate corrections. The method used in this regard will be explained with reference to FIG. 2.
  • Fig. 2 shows, again in a simplified representation, a block diagram of a known active noise reduction system in which the parameters of the secondary path, in particular the time delay T, in advance, i. "off-line" or before the normal operation of the active noise reduction system, have been determined.
  • the determination of the parameters of the secondary path, i. the transfer function of the secondary path, in particular the time delay T, is carried out, for example, according to the explanations in connection with FIG.
  • a sensor unit detects the unknown signal x (n) to be minimized, which is applied to the transmission path 6 with the transfer function H (n).
  • Secondary path namely in particular the properties of the actuator units and sensor units which are known in advance or known by the manufacturer, and the acoustic path between the actuator unit and the sensor unit is denoted by 13 and has a transfer function S (n) on.
  • S (n) is an estimate of the characteristics of the secondary path determined according to the "off-line” method, wherein the parameters of the actuator unit and the sensor unit, in addition to the room characteristics and the temperature at the time of determining the secondary path also included in the esteemed secondary path S (n).
  • the adaptive algorithm processed in the adaptive unit 10 provides the transfer function of
  • Sensor unit also influences the stability of the overall system during the processing of the input signal x (n).
  • the instantaneous time delay T is not continually adjusted to the current conditions, the whole system is less stable when, for example, the temperature in the room changes. Accordingly, the performance deteriorates or the active noise reduction system becomes unstable.
  • FIG. 3 shows, in a simplified representation, a block diagram of an inventive active noise reduction system, in which a method for determining the properties of the secondary path under Inclusion of the occurring and time-varying time delay T is used.
  • a delay time difference ⁇ T is determined which corresponds to the deviation from the delay time T determined by the "off-line" method. Variants in which each of the actual delay time is determined directly, are also conceivable.
  • Block 14 includes an estimate of the secondary-path characteristics in the frequency domain, where signal delays - such as the delay time - are not included in this estimate because only the amplitude spectrum is considered.
  • the delay time T of the estimated secondary path S (n) is set in the variable time delay element 18, wherein the adjustment of the time delay T is ongoing, i. during operation of the active noise reduction system.
  • the interaction of the blocks 14 and 18 thus gives a complete estimate of the transfer function of the secondary path, including the occurring delay time of the signal.
  • the block 14 representing the estimated secondary path is not provided, which means that the amplitude spectrum of the secondary path is not taken into account, but only the current time delay. It has been shown that the current time delay by far the has the greatest influence on a possible instability of the active noise reduction system. With the consideration of the constantly changing delay time during the operation of the active noise reduction system, ie with the determination and
  • Block 13 is the secondary path S (n) including the delay time T.
  • the transmission path with the transfer function H (n) is again denoted by 6.
  • the input signal x (n) is supplied to the transmission link 6, the estimated secondary path (block 14), a switching unit 17 and the filter unit 9.
  • the filter unit 9 is set by the adaptive unit 10, in which an adaptive algorithm is executed, wherein the filter unit 9, which may be in particular of the type transverse FIR filter, recursive IIR filter or lattice filter, set such that the residual signal e (n + a) designated output signal of the addition unit 7 is minimal.
  • Either the output signal y of the filter unit 9 or the input signal x (n) is selected by means of the switching unit 17 and used as the signal f (n), which is supplied to the correlation unit 16.
  • the switching unit 17 can be set automatically by a user, for example, manually or by means of a control unit (not shown in FIG. 3). This is a choice to choose the way of determining the current delay time. So there are two variants that can be selected on the switch position in the switching unit 17. However, it is also conceivable that one or the other embodiment variant is implemented, so that no switching unit is necessary and the determination of the
  • Delay time is limited to the realized embodiment. Of course, such a realization does not allow switching to another variant.
  • the cross-correlation between the signal f (n) and the residual signal e (n + a) is calculated, giving a measure of the time delay difference ⁇ T between these signals - or possibly the instantaneous time delay directly - is determined.
  • the adjustment of the current time delay in the time delay element 18 can be adjusted.
  • the signal f (n) may be either the input signal x (n) or the output signal y of the filter unit 9 in accordance with the switching state of the switching unit 17. Both signals are suitable, since in both signals information about the waveform is included before an injection into the to calm the room. Thus, a cross-correlation of the signal f (n) with the residual signal e (n + a) as calculated in the correlation unit 16 gives results with respect to the time delay ⁇ T that a signal experiences through the room to be quieted. The time delay ⁇ T calculated in the correlation unit 16 is given to
  • Time delay element 18 is supplied for adaptation, whereby the controlled with this adaptive algorithm, which is processed in the adaptive unit 10, much more stable.
  • Correlation unit 16 is constantly in operation. It is conceivable in a further embodiment of the invention that a temperature measuring unit (not shown in Fig. 3) is provided, which is arranged in the room to be calm and sends a start signal to the correlation unit 16 as soon as the temperature changes by a predetermined value. Only by an active start signal to the correlation unit 16 do a recalculation of a correlation and a forwarding of the new value for the delay time to the delay element 18 begin.
  • an area in which the greatest correlation is to be expected is predefined, this range being derived either from a previous value for the time delay or from the time delay determined with the "off-line" method, for example the time delay value, a tolerance range is superimposed.
  • the determination of the new time delay is then limited to the determination of the largest correlation in this tolerance range. This largest correlation then gives the new time delay.
  • FIG. 4 shows, again in a simplified representation, a block diagram of a further active noise reduction system according to the invention, in which a further method for determining the properties of the secondary path, taking into account the occurring time delays, is used.
  • Block 23 is an additional time delay. Likewise - in the same signal path - another block with the estimated secondary path 25 included. Blocks 14 and 25 are the same estimate S (n) of the secondary path, even though they are not physically the same filter, ie, blocks 14 and 25 have the same transfer function, but become independent of each other operated.
  • the transfer functions may be the
  • Amplitude spectrum of the estimated secondary path act, in which case the delay time is not taken into account.
  • the delay time is then contained in the delay element 18 and in the further delay element 23.
  • both time delay elements 23 and 18 are set at the same value ⁇ T. Different values selected in the
  • Time delays 23 and 18 can lead to instabilities of the system.
  • Filter 22 which in turn can be of the type transverse FIR filter, recursive IIR filter or lattice filter.
  • the output signal from the filter 22 is subtracted in a second addition unit 21 from the output signal of the filter unit 9, which may also be of the type transverse FIR filter, recursive IIR filter or lattice filter.
  • a signal is inputted Feedback path formed.
  • a minimization of the residual signal e (n + a) is attempted.
  • a variant of the embodiment according to FIG. 4 is that the blocks 14 and 25, which contain the estimated transfer function of the secondary path without delay time, are omitted since the delay time is the most important one Information for the stabilization of the entire system applies.
  • switching unit 17 again points to the two alternative embodiments, as they have already been explained with reference to FIG. 3.
  • Fig. 5 shows a space 26 in which an actuator unit 27 (for example a loudspeaker) emits a reference signal which is received by a sensor unit 28 (for example a microphone).
  • the time t amb 29 is the time that the signal output by the actuator unit 27 is for
  • the time t amb is thus dependent on the distance between the actuator unit 27 and the sensor unit 28.
  • time t amb is a part of the total
  • Time is, which has been referred to in Fig. 1 as a time delay T.
  • a further embodiment of the inventive method will be explained, with which the Time delay T can be determined.
  • the time delay T required for the suppression is determined.
  • the component contained in the impulse response H (t) which occurs before a first maximum 31 of the impulse response H (t) is erased, for example by means of a known peak search method, by a certain number in the information contained in the impulse response Samples are looked back.
  • a curve as shown in FIG. 7 is obtained.
  • the advantage of this method is that the delay time T can be determined very accurately.

Abstract

The invention relates to a method for operating an active noise canceling system which comprises a transmission path that consists of at least one actuator unit (3), a room (11) and at least one sensor unit (4). The transmission path is reproduced by eliminating or at least reducing noises that reach the room (11). The invention is characterized in that a time delay (T) caused by the transmission properties of the room (11), the actuator unit (3) and the sensor unit (4) is determined and the determined time delay (T) is taken into consideration for reproduction. As it is considerably less time-consuming to determine the delay time (T) than all transmission properties during operation, computation time is reduced, thereby also reducing the costs for the required hardware.

Description

Verfahren zum Betrieb eines aktiven GeräuschreduktionssystemsMethod for operating an active noise reduction system
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zumThe present invention relates to a method for
Betrieb eines aktiven Geräuschreduktionssystems nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.Operation of an active noise reduction system according to the preamble of claim 1.
Lärmquellen werden zunehmend als Umweltbelastung wahrgenommen und gelten als Verminderung derNoise sources are increasingly perceived as environmental pollution and are regarded as a reduction of
Lebensqualität. Da sich Lärmquellen häufig jedoch nicht vermeiden lassen, wurden bereits Verfahren zur Geräuschreduktion vorgeschlagen, die auf dem Prinzip der Wellenauslöschung basieren.Life quality. However, as noise sources are often unavoidable, noise reduction methods based on the principle of wave cancellation have already been proposed.
Das Prinzip der aktiven Geräuschreduktion (ANC oder "Active Noise Cancelling") beruht auf der Auslöschung von Schallwellen durch Interferenzen. Diese Interferenzen werden von einem oder mehreren elektro-akustischen Wandlern, beispielsweise von Lautsprechern, erzeugt. Das von den elektro-akustischen Wandlern abgestrahlte Signal wird mittels eines dazu geeigneten Algorithmus berechnet und laufend korrigiert. Als Grundlage für die Berechnung des von den elektro-akustischen Wandlern auszustrahlenden Signals dienen die von einem oder mehreren Sensoren gelieferten Informationen. Dies sind zum einen Informationen über die Beschaffenheit des zu minimierenden Signals. Hierzu kann zum Beispiel ein Mikrofon verwendet werden, welches das zu minimierende Geräusch erfasst. Zum anderen werden aber auch Informationen über das verbleibende Restsignal benötigt. Auch hierzu können Mikrofone verwendet werden.The principle of Active Noise Canceling (ANC) is based on the cancellation of sound waves due to interference. These interferences are generated by one or more electro-acoustic transducers, such as loudspeakers. The signal radiated by the electro-acoustic transducers is calculated by means of a suitable algorithm and continuously corrected. The basis for the calculation of the signal to be radiated by the electro-acoustic transducers is the information supplied by one or more sensors. These are on the one hand information about the nature of the signal to be minimized. For this purpose, for example, a microphone can be used which detects the noise to be minimized. On the other hand, but also information about the remaining residual signal needed. Again, microphones can be used.
Das bei aktiver Geräuschreduktion angewendete grundlegende Prinzip wurde von Dr. Paul Lueg in einer Patentschrift aus dem Jahr 1935 und der Offenlegungsnummer AT-141 998 B beschrieben. Durch diese Druckschrift ist offenbart, wie Lärm in einer Röhre mittels Erzeugung eines Signals mit entgegen gesetzter Phasenlage ausgelöscht werden kann.The basic principle applied with active noise reduction was Paul Lueg in a patent document from the year 1935 and the disclosure number AT-141 998 B described. By this document is disclosed how noise in a tube can be extinguished by generating a signal with opposite phase.
Ein Algorithmus zur aktiven Geräuschreduktion benötigt Informationen von mindestens einem Sensor (zum Beispiel ein Mikrofon), welcher den Restfehler ermittelt. Je nach Anwendung und verwendetem Algorithmus kommt ein weiterer Sensor dazu, der Informationen über die Beschaffenheit des zu minimierenden Signals liefert. Ferner benötigt ein adaptives Geräuschreduktionssystem einen oder mehrere Aktuatoren (zum Beispiel in der Form von Lautsprechern) zur Ausgabe des Korrektursignals. Die Informationen der Sensoren müssen von einem Analog/Digital-Wandler in ein entsprechendes Format umgewandelt werden. Nach der Bearbeitung durch den Algorithmus wird das Signal von einem Digital/Analog-Wandler zurückgewandelt und an die Aktuatoren übermittelt.An active noise reduction algorithm requires information from at least one sensor (for example, a microphone) that determines the residual error. Depending on the application and algorithm used, another sensor is provided that provides information about the nature of the signal to be minimized. Further, an adaptive noise reduction system requires one or more actuators (for example in the form of loudspeakers) to output the correction signal. The information from the sensors must be converted by an analog / digital converter into a suitable format. After processing by the algorithm, the signal is reconverted from a digital to analog converter and transmitted to the actuators.
Ein Problem, das sich im Zusammenhang mit aktiver Geräuschverminderung mittels adaptiver Prozesse stellt, ist die Tatsache, dass der adaptive Prozess eine gewisse Zeit zur Bearbeitung der Signale benötigt; alle zu bearbeitenden Signale unterliegen also einer durch den adaptiven Prozess hervorgerufenen zeitlichen Verzögerung. Diese zeitliche Verzögerung stellt eine Einschränkung dar. Mithin ist sie mitentscheidend, ob ein Signal durch den adaptiven Prozess überhaupt noch bearbeitet werden kann.One problem associated with active noise reduction through adaptive processes is the fact that the adaptive process takes some time to process the signals; All signals to be processed are thus subject to one through the adaptive process caused time delay. This time delay is a limitation. Thus, it is decisive whether a signal can even be processed by the adaptive process at all.
Bei einer aktiven Geräuschreduktion bzw. "Active Noise Cancelling", nachstehend ANC genannt, ist die Stabilität des verwendeten Algorithmus ein entscheidender Faktor. Derzeit werden eine Reihe von spezifischen Algorithmen eingesetzt, wie zum Beispiel der LMS- (Least Mean Square) oder der mit diesem verwandte Fx-LMS-Algorithmus (Filtered- x-Algorithm) . Insbesondere die Fx-Algorithmen weisen eine gute Stabilität auf und lassen sich daher bei ANC-Systemen gut verwenden. Das Präfix "Fx" deutet dabei auf die Nachbildung des so genannten "Secondary-Path" hin, der die Eigenschaften der verwendeten Aktuatoren, Sensoren, Verstärker, Analog/Digital-Wandler, Digital/Analog-Wandler und des Übertragungswegs sowie alle anderen Einflüsse auf das zu übertragende Signal beinhaltet. Der "Secondary-Path" wird im Folgenden auch etwa als "Komponenteneinfluss" bezeichnet.With active noise reduction or "Active Noise Canceling", hereinafter called ANC, the stability of the algorithm used is a decisive factor. At present, a number of specific algorithms are used, such as LMS (Least Mean Square) or the related Fx-LMS algorithm (Filtered-x-Algorithm). In particular, the Fx algorithms have good stability and can therefore be used well in ANC systems. The prefix "Fx" indicates the reproduction of the so-called "secondary path", which includes the characteristics of the actuators, sensors, amplifiers, analog / digital converters, digital / analog converters and the transmission path as well as all other influences includes the signal to be transmitted. The "secondary path" is also referred to below as "component influence".
Nachstehend werden einige gängige Verfahren zur Ermittlung des Secondary-Path (Komponenteneinfluss) beschrieben und deren Schwächen aufgezeigt.Below are some common methods for determining the secondary path (component influence) are described and their weaknesses shown.
Ein komplettes ANC-System mit integriertem Secondary-Path wird unter anderem im Dokument "A New Structure For Feed forward Active Noise Control Systems With Online Secondary- Path Modeling" beschrieben, welches von den Autoren - A -A complete ANC system with integrated secondary path is described, inter alia, in the document "A New Structure For Feed Forward Active Noise Control Systems With Online Secondary Path Modeling", by the authors - A -
Muhammad Tahir Akthar, Masahide Abe und Masayuki Kawamat anlässlich des "International Workshop on Acoustic Echo and Noise Control ( IWAENC2003) " im September 2003 in Kyoto publiziert wurde.Muhammad Tahir Akthar, Masahide Abe and Masayuki Kawamat were published in Kyoto in September 2003 at the International Workshop on Acoustic Echo and Noise Control (IWAENC2003).
In diesem Dokument wird ein Offline Modeling des Secondary- Path (Komponenteneinfluss) beschrieben. Das bekannte Verfahren zur Bestimmung des Secondary-Path wird daher als "Offline Modeling" bezeichnet, da die Eigenschaften des Secondary-Path vorgängig bestimmt werden, also währenddem das System nicht im Betrieb ist.This document describes offline modeling of the secondary path (component influence). The known method for determining the secondary path is therefore referred to as "offline modeling", since the properties of the secondary path are determined beforehand, ie while the system is not in operation.
Sobald der Komponenteneinfluss (Eigenschaften des Secondary-Path) mit Hilfe von weissem Rauschen bestimmt ist, wird ein Filter, welches diese Eigenschaften nachbildet, vom LMS-Algorithmus in die Berechnung miteinbezogen.Once the component influence (secondary-path properties) is determined using white noise, a filter that mimics these properties is included in the calculation by the LMS algorithm.
Eine weitere Methode zur Bestimmung des Secondary-Path während des Betriebs wird von Sen M. Kuo im US Patent mit der Nummer 5,940,519 beschrieben. Die Idee bei diesem Verfahren besteht darin, zusätzlich zum Rauschen, welches ausgelöscht werden soll, ein Signal beizumischen, welches dann mit dem Mikrophonsignal korreliert bzw. adaptiert wird. Aufgrund der Veränderung dieses Signals können dann die Eigenschaften des Secondary-Path (Komponenteneinfluss) bestimmt werden. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, dass dieses zusätzliche Signal immer vorhanden ist. Die bekannten Verfahren zur Bestimmung des Secondary-Path (Komponenteneinfluss) haben die Eigenschaft, dass die Änderung der Zeitverzögerung, welche zwischen Aktuator und Sensor auftritt, für die Berechnung des Komponenteneinfluss (Secondary-Path) nicht beachtet wird. Da die Veränderung der Zeitverzögerung aber eine wesentliche Eigenschaft des Secondary-Path ist, beeinträchtigt die Vernachlässigung einer Änderung der Zeitverzögerung bei der Modellierung des Komponenteneinfluss (Secondary-Path) die Effizienz und die Stabilität des ganzen Systems. Bei einer Veränderung der Umgebungsparameter, wie zum Beispiel der Temperatur, verändert sich nämlich auch die Laufzeit des Signals und damit die Zeitverzögerung. Wird die Laufzeit des Signals kleiner, ist der Algorithmus durch die im Modell des Secondary-Path vorgegebene Verzögerung zu langsam, um ein zufrieden stellendes Ergebnis zu liefern. Als Folge davon können schlechtere Dämpfungseigenschaften und im Extremfall ein instabiles System entstehen.Another method for determining the secondary path during operation is described by Sen M. Kuo in US Pat. No. 5,940,519. The idea with this method is to add a signal in addition to the noise that is to be canceled, which signal is then correlated with the microphone signal. Due to the change of this signal, the properties of the secondary path (component influence) can be determined. The disadvantage of this method is that this additional signal is always present. The known methods for determining the secondary path (component influence) have the property that the change in the time delay which occurs between the actuator and the sensor, for the calculation of the component influence (secondary-path) is ignored. However, since the change of the time delay is an essential property of the secondary path, neglecting a change of the time delay in the modeling of the secondary influence affects the efficiency and the stability of the whole system. In the case of a change in the environmental parameters, such as the temperature, in fact, the duration of the signal and thus the time delay change. As the signal's runtime becomes smaller, the algorithm's delay in the model of the secondary path makes the algorithm too slow to deliver a satisfactory result. As a result, poorer damping properties and, in extreme cases, an unstable system can arise.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das die vorstehend genannten Nachteile nicht aufweist.The present invention is therefore based on the object to provide a method which does not have the disadvantages mentioned above.
Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in weiteren Ansprüchen angegeben.This object is achieved by the features stated in the characterizing part of claim 1. Advantageous embodiments are specified in further claims.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines aktiven Geräuschreduktionssystems, das eine Übertragungsstrecke, bestehend aus mindestens einer Aktuatoreinheit , einem Raum und mindestens einer Sensoreinheit, aufweist, wobei eine Nachbildung der Übertragungsstrecke derart vorgenommen wird, dass in den Raum gelangende Störgeräusche eliminiert oder zumindest reduziert werden. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine aufgrund von Übertragungseigenschaften von Raum und/oder Aktuatoreinheit und/oder Sensoreinheit entstehende Zeitverzögerung ermittelt wird und dass die ermittelte Zeitverzögerung bei der Nachbildung der Übertragungsstrecke berücksichtigt wird. Damit ist gewährleistet, dass bei sich ändernden Eigenschaften der Übertragungsstrecke das aktive Geräuschreduktionssystem nicht instabil wird. Von den sich ändernden Übertragungseigenschaften ist insbesondere die Zeitverzögerung von überragender Bedeutung, da diese von Temperaturänderungen stark abhängig ist und gleichzeitig einen grossen Einfluss auf die Stabilität ausübt.The invention relates to a method for operating an active noise reduction system comprising a transmission path consisting of at least one Actuator, a space and at least one sensor unit, wherein a replica of the transmission path is made such that in the room reaching noise is eliminated or at least reduced. The invention is characterized in that a time delay resulting from transmission characteristics of the space and / or actuator unit and / or sensor unit is determined and that the determined time delay is taken into account in the simulation of the transmission path. This ensures that with changing characteristics of the transmission line, the active noise reduction system does not become unstable. Of the changing transmission characteristics in particular the time delay is of paramount importance, as it is strongly dependent on temperature changes and at the same time exerts a great influence on the stability.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Zeitverzögerung aus einem Restsignal, das aus einem Ausgangssignal der Übertragungsstrecke und einem Ausgangssignal der nachgebildeten Übertragungsstrecke erzeugt wird, und entweder einem Eingangssignal der Übertragungsstrecke oder einem von diesem abgeleiteten Signal ermittelt wird.A further embodiment of the method according to the invention is characterized in that the time delay is determined from a residual signal which is generated from an output signal of the transmission path and an output signal of the simulated transmission path and either an input signal of the transmission path or a signal derived therefrom.
Eine noch spezifischere Ausführungsvariante besteht darin, dass die Ermittlung der Zeitverzögerung im Zeitbereich erfolgt . Eine weitere Ausführungsform besteht darin, dass die Zeitverzögerung aus einer Faltung vom Restsignal mit einem Eingangssignal der Übertragungsstrecke oder einem von diesem abgeleiteten Signal ermittelt wird.A more specific embodiment is that the determination of the time delay in the time domain. Another embodiment is that the time delay is determined from a convolution of the residual signal with an input signal of the transmission path or a signal derived therefrom.
Eine noch weitere Ausführungsvariante besteht darin, dass spektrale Übertragungseigenschaften von Raum, Aktuatoreinheit und Sensoreinheit im Frequenzbereich ermittelt werden und dass die spektralen Übertragungseigenschaften bei der Nachbildung der Übertragungsstrecke berücksichtigt werden.A still further embodiment variant is that spectral transmission properties of space, actuator unit and sensor unit are determined in the frequency domain and that the spectral transmission characteristics are taken into account in the simulation of the transmission path.
Eine noch weitere Ausführungsvariante besteht darin, dass ein Amplitudenspektrum aus den spektralen Übertragungseigenschaften ermittelt wird und dass das Amplitudenspektrum bei der Nachbildung der Übertragungsstrecke berücksichtigt wird.A still further embodiment variant is that an amplitude spectrum is determined from the spectral transmission characteristics and that the amplitude spectrum is taken into account in the simulation of the transmission path.
Eine noch weitere Ausführungsvariante besteht darin, dass mindestens eine der nachfolgenden Eigenschaften laufend und während dem Betrieb des aktiven Geräuschreduktionssystems ermittelt wird bzw. werden:A still further embodiment variant is that at least one of the following properties is or are determined continuously during operation of the active noise reduction system:
- Zeitverzögerung;- Time Delay;
- Amplitudenspektrum; - spektrale Übertragungseigenschaften.- amplitude spectrum; - Spectral transmission properties.
Eine weitere Ausführungsvariante besteht darin, dass mindestens eine der nachfolgenden Eigenschaften dann ermittelt wird, wenn mit einer Änderung dieser Eigenschaften gerechnet werden muss: ZeitVerzögerung, A further embodiment variant is that at least one of the following properties is determined when a change in these properties must be expected: Time delay,
- Amplitudenspektrum;- amplitude spectrum;
- spektrale Übertragungseigenschaften.- Spectral transmission properties.
Eine weitere Ausführungsvariante besteht darin, dass die Temperatur im Raum ermittelt wird und dass eine Neubestimmung der Übertragungseigenschaften, nämlich Zeitverzögerung, Amplitudenspektrum und/oder spektrale Übertragungseigenschaften, ausgelöst wird, wenn sich die Temperatur über einen vorgegebenen Wert ändert.A further embodiment variant is that the temperature in the room is determined and that a redetermination of the transmission properties, namely time delay, amplitude spectrum and / or spectral transmission properties, is triggered when the temperature changes above a predetermined value.
Schliesslich besteht eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung darin, dass neu ermittelteFinally, there is another embodiment of the invention is that newly determined
Übertragungseigenschaften innerhalb eines vorbestimmten Bereiches um bestehende oder vor Inbetriebnahme des aktiven GeräuschreduktionsSystems ermittelte Übertragungseigenschaften liegen .Transmission properties lie within a predetermined range around existing or prior to the start of the active noise reduction system determined transmission characteristics.
Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen im Folgenden weiter erläutert. Es zeigen:The present invention will be further explained by means of exemplary embodiments with reference to drawings below. Show it:
Fig. 1 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines aktivenFig. 1 is a simplified block diagram of an active
Geräuschreduktionssystems, bei dem ein bekanntes "OffIine-Modeling"-Verfahren zur Bestimmung desNoise reduction system using a known "off-line modeling" method to determine the
Secondary-Path verwendet wird,Secondary path is used
Fig. 2 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines aktiven2 is a simplified block diagram of an active one
Geräuschreduktionssystems im Betrieb, wobei das bekannte "Offline"-Verfahren zur Bestimmung des Secondary-Path verwendet wurde,Noise reduction system in operation, the known "offline" method was used to determine the secondary path,
Fig. 3 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines aktiven Geräuschreduktionssystems, bei dem ein erfindungsgemässes Verfahren zur Bestimmung des Secondary-Path während dem Betrieb angewendet wird,3 is a simplified block diagram of an active noise reduction system employing a secondary path determination method of the invention during operation.
Fig. 4 ein weiteres vereinfachtes Blockdiagramm eines erfindungsgemässen aktiven Geräuschreduktionssystems, bei dem ein erfindungsgemässes Verfahren zur Bestimmung des Secondary-Path während dem Betrieb angewendet wird,4 shows a further simplified block diagram of an active noise reduction system according to the invention, in which a method according to the invention for determining the secondary path during operation is used,
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines Raumes, in dem ein aktives Geräuschreduktionssystem eingesetzt wird, undFig. 5 is a perspective view of a room in which an active noise reduction system is used, and
Fig. 6 und 7 zwei Verläufe einer Impulsantwort, anhand der eine weitere Ausführungsvariante zur Bestimmung der Zeitverzögerung erläutert wird.6 and 7 show two courses of an impulse response, with reference to which a further embodiment for determining the time delay is explained.
Fig. 1 zeigt, in vereinfachter Darstellung, ein Blockdiagramm eines Geräuschreduktionssystems, mit dem der so genannte Secondary-Path (Komponenteneinfluss) bestimmt wird. Das Geräuschreduktionssystem besteht aus einer Signalquelle 1, die ein Referenzsignal x(n) 2 generiert. Das Referenzsignal x(n) wird von einer Aktuatoreinheit 3 in einen Raum 11 ausgestrahlt und dort von einer Sensoreinheit 4 empfangen. Das empfangene Signal wird im gezeigten Beispiel durch die Eigenschaften der Aktuatoreinheit 3, der Sensoreinheit 4 und des Raumes 11 beeinflusst, was als Secondary-Path bzw. Komponenteneinfluss bezeichnet wird. Das von der Aktuatoreinheit 3 ausgesendete Signal bewegt sich im Raum 11 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit, die insbesondere von der Luftfeuchtigkeit und von der Temperatur der Luft abhängig ist. Die Laufzeit (bzw. die Zeitverzögerung) , welche das von der Aktuatoreinheit 3 ausgesendete Referenzsignal x(n) bis zum Sensor 4 benötigt, ist mit T bezeichnet.Fig. 1 shows, in a simplified representation, a block diagram of a noise reduction system, with which the so-called Secondary-Path (component influence) is determined. The noise reduction system consists of a signal source 1, which generates a reference signal x (n) 2. The reference signal x (n) is emitted by an actuator unit 3 into a room 11 and received there by a sensor unit 4. The received signal is influenced in the example shown by the properties of the actuator unit 3, the sensor unit 4 and the space 11, which is referred to as secondary-path or component influence. The signal emitted by the actuator unit 3 moves in the space 11 at a predetermined speed, which depends in particular on the air humidity and the temperature of the air. The transit time (or the time delay) which the reference signal x (n) sent by the actuator unit 3 to the sensor 4 requires is designated T.
Das Referenzsignal x(n) wird ferner einer Filtereinheit 9 mit einer einstellbaren Übertragungsfunktion zugeführt, die mit Hilfe einer adaptiven Einheit 10 derart eingestellt wird, dass ein Restsignal e(n), das aus den Ausgangssignalen der Sensoreinheit 4 und der Filtereinheit 9 bestimmt wird, minimal ist. Hierzu kommt in derThe reference signal x (n) is further supplied to a filter unit 9 with an adjustable transfer function, which is adjusted by means of an adaptive unit 10 such that a residual signal e (n), which is determined from the output signals of the sensor unit 4 and the filter unit 9, is minimal. This comes in the
Filtereinheit 9 ein adaptiver Algorithmus zum Einsatz. Zur Bildung des Restsignals e(n) ist nach der Sensoreinheit 4 eine Additionseinheit 7 vorgesehen, in der die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Sensoreinheit 4 und der Filtereinheit 9 gebildet wird, wobei hierzu dasFilter unit 9 is an adaptive algorithm used. To form the residual signal e (n), an addition unit 7 is provided after the sensor unit 4, in which the difference between the output signals of the sensor unit 4 and the filter unit 9 is formed
Ausgangssignal der Filtereinheit 9 invertiert wird, bevor es der Additionseinheit 7 beaufschlagt wird. Die Filtereinheit 9 beschreibt somit im Optimalfall die Eigenschaften der Aktuatoreinheit 3, der Sensoreinheit 4 und des Raumes 11. Der Einfluss des Raumes 11 sollte bei den Berechnungen so klein wie möglich sein. Es ist daher empfehlenswert, die Aktuatoreinheit 3 so nahe wie möglich bei der Sensoreinheit 4 zu platzieren. Die Einflüsse des Raumes 11 und der vom Referenzsignal x(n) benötigten Zeitverzögerung T können jedoch nicht ganz ausgeschlossen werden. Der mit einer derartigen Methode ermittelte Secondary-Path ist also mit einem Fehler behaftet. Dementsprechend ist die Qualität des aktiven Geräuschreduktionssystems, das auf einer solchen Einstellung des Secondary-Path basiert, vermindert.Output of the filter unit 9 is inverted before the addition unit 7 is applied. The filter unit 9 thus describes in an optimum case the properties of the actuator unit 3, the sensor unit 4 and the space 11. The influence of room 11 should be as small as possible in the calculations. It is therefore advisable to place the actuator unit 3 as close as possible to the sensor unit 4. However, the influences of the space 11 and the time delay T required by the reference signal x (n) can not be completely ruled out. The secondary path determined with such a method is therefore subject to an error. Accordingly, the quality of the active noise reduction system based on such secondary-path adjustment is reduced.
Das angewendete Verfahren wird auch etwa als "Offline Modeling" bezeichnet. Die Parameter des Secondary-Path werden dabei vorzugsweise in einem Zeitabschnitt ermittelt, während dem das System keine aktive Geräuschreduktion vornimmt, d.h. dem Geräuschreduktionssystem wird lediglich das bekannte Referenzsignal x(n) der Signalquelle 1 zugeführt. Als Referenzsignal x(n) wird beispielsweise ein weisses Rauschen verwendet.The method used is also referred to as "offline modeling". The parameters of the secondary path are thereby preferably determined in a time period during which the system does not make an active noise reduction, i. the noise reduction system, only the known reference signal x (n) of the signal source 1 is supplied. As a reference signal x (n), for example, a white noise is used.
Sobald das Restsignal e(n) am Ausgang des Geräuschreduktionssystems minimal ist, beschreibt die Übertragungsfunktion der Filtereinheit 9 den Secondary- Path, d.h. den Komponenteneinfluss, vollständig, beispielsweise in Form einer frequenzabhängigen Funktion. In einer Ausführungsvariante interessiert jedoch nicht die ganze frequenzabhängige Funktion sondern in erster Linie die Zeitverzögerung T, welche ein Signal von der Aktuatoreinheit 3 bis zur Sensoreinheit 4 erfährt. Aufgrund der "off-line"-Bestimmung der Zeitverzögerung T ist ein Anhaltspunkt gegeben, in welchem Bereich die Zeitverzögerung T während dem Betrieb des Geräuschreduktionssystems höchstwahrscheinlich zu liegen kommt. Damit sind die Voraussetzungen geschaffen, um den sich ändernden Komponenteneinfluss während dem normalen Betrieb des Geräuschreduktionssystems laufend zu bestimmen und entsprechende Korrekturen vorzunehmen. Das diesbezüglich angewendete Verfahren wird anhand der Fig. 2 erläutert.As soon as the residual signal e (n) at the output of the noise reduction system is minimal, the transfer function of the filter unit 9 completely describes the secondary path, ie the influence of the components, for example in the form of a frequency-dependent function. In one embodiment, however, it is not the entire frequency-dependent function that is of primary interest, but primarily the time delay T, which experiences a signal from the actuator unit 3 to the sensor unit 4. by virtue of the "off-line" determination of the time delay T is an indication of the range in which the time delay T is most likely to be during the operation of the noise reduction system. Thus, the conditions are created to continuously determine the changing component influence during normal operation of the noise reduction system and make appropriate corrections. The method used in this regard will be explained with reference to FIG. 2.
Fig. 2 zeigt, wiederum in vereinfachter Darstellung, ein Blockdiagramm eines bekannten aktiven Geräuschreduktionssystems, bei dem die Parameter des Secondary-Path, insbesondere die Zeitverzögerung T, vorab, d.h. "off-line" bzw. vor dem normalen Betrieb des aktiven Geräuschreduktionssystems, ermittelt worden sind. Die Bestimmung der Parameter des Secondary-Path, d.h. der Übertragungsfunktion des Secondary-Path, insbesondere die Zeitverzögerung T, ist beispielsweise gemäss den Erläuterungen im Zusammenhang mit Fig. 1 erfolgt.Fig. 2 shows, again in a simplified representation, a block diagram of a known active noise reduction system in which the parameters of the secondary path, in particular the time delay T, in advance, i. "off-line" or before the normal operation of the active noise reduction system, have been determined. The determination of the parameters of the secondary path, i. the transfer function of the secondary path, in particular the time delay T, is carried out, for example, according to the explanations in connection with FIG.
Eine Sensoreinheit erfasst das zu minimierende unbekannte Signal x(n), das der Übertragungsstrecke 6 mit der Übertragungsfunktion H(n) beaufschlagt wird. Ein Teil desA sensor unit detects the unknown signal x (n) to be minimized, which is applied to the transmission path 6 with the transfer function H (n). Part of the
Secondary-Path, nämlich insbesondere die vorab bestimmbaren bzw. vom Hersteller bekannten Eigenschaften der verwendeten Aktuatoreinheiten und Sensoreinheiten sowie der akustische Pfad zwischen Aktuatoreinheit und Sensoreinheit, ist mit 13 gekennzeichnet und weist eine Übertragungsfunktion S (n) auf. S(n) ist eine Schätzung der Eigenschaften des Secondary-Path, die gemäss dem "off-line"-Verfahren bestimmt worden ist, wobei die Parameter der Aktuatoreinheit und der Sensoreinheit neben den Raumeigenschaften und der Temperatur zum Zeitpunkt der Bestimmung des Secondary-Path auch im geschätzten Secondary-Path S(n) enthalten sind.Secondary path, namely in particular the properties of the actuator units and sensor units which are known in advance or known by the manufacturer, and the acoustic path between the actuator unit and the sensor unit is denoted by 13 and has a transfer function S (n) on. S (n) is an estimate of the characteristics of the secondary path determined according to the "off-line" method, wherein the parameters of the actuator unit and the sensor unit, in addition to the room characteristics and the temperature at the time of determining the secondary path also included in the esteemed secondary path S (n).
Der in der adaptiven Einheit 10 abgearbeitete adaptive Algorithmus stellt die Übertragungsfunktion derThe adaptive algorithm processed in the adaptive unit 10 provides the transfer function of
Filtereinheit 9 so ein, dass das Ausgangssignal der Additionseinheit 7 - d.h. das resultierende Restsignal e (n) - minimiert wird.Filter unit 9 so that the output of the addition unit 7 -. the resulting residual signal e (n) - is minimized.
Die Zeitverzögerung T zwischen Aktuatoreinheit undThe time delay T between the actuator unit and
Sensoreinheit beeinflusst auch hier die Stabilität des Gesamtsystems bei der Verarbeitung des Eingangssignals x(n) .Sensor unit also influences the stability of the overall system during the processing of the input signal x (n).
Da die momentane Zeitverzögerung T nicht laufend den aktuellen Verhältnissen angepasst wird, ist das ganze System weniger stabil, wenn sich beispielsweise die Temperatur im Raum ändert. Dementsprechend verschlechtert sich auch die Performance bzw. das aktive Geräuschreduktionssystem wird instabil.Since the instantaneous time delay T is not continually adjusted to the current conditions, the whole system is less stable when, for example, the temperature in the room changes. Accordingly, the performance deteriorates or the active noise reduction system becomes unstable.
Fig. 3 zeigt, in vereinfachter Darstellung, ein Blockdiagramm eines erfindungsgemässen aktiven Geräuschreduktionssystems, bei dem ein Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften des Secondary-Path unter Einbezug der auftretenden und sich zeitlich verändernden Zeitverzögerung T zur Anwendung kommt. Bei der dargestellten und beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Verzögerungszeitdifferenz ΔT bestimmt, welche der Abweichung von der mittels des "offline"-Verfahrens bestimmten Verzögerungszeit T entspricht. Ausführungsvarianten, bei denen jeweils direkt die aktuelle Verzögerungszeit bestimmt wird, sind ebenfalls denkbar.3 shows, in a simplified representation, a block diagram of an inventive active noise reduction system, in which a method for determining the properties of the secondary path under Inclusion of the occurring and time-varying time delay T is used. In the illustrated and described embodiment of the present invention, a delay time difference ΔT is determined which corresponds to the deviation from the delay time T determined by the "off-line" method. Variants in which each of the actual delay time is determined directly, are also conceivable.
Block 14 beinhaltet eine Schätzung der Eigenschaften des Secondary-Path im Frequenzbereich, wobei Signallaufzeiten - wie zum Beispiel die Verzögerungszeit - in dieser Schätzung nicht enthalten sind, da lediglich das Amplitudenspektrum berücksichtigt wird. Die Verzögerungszeit T des geschätzten Secondary-Path S(n) wird im variablen Zeitverzögerungsglied 18 eingestellt, wobei die Einstellung der Zeitverzögerung T laufend, d.h. während dem Betrieb des aktiven Geräuschreduktionssystems, vorgenommen wird. Durch das Zusammenwirken der Blöcke 14 und 18 erhält man also eine vollständige Schätzung der Übertragungsfunktion des Secondary-Path inklusive der auftretenden Verzögerungszeit des Signals.Block 14 includes an estimate of the secondary-path characteristics in the frequency domain, where signal delays - such as the delay time - are not included in this estimate because only the amplitude spectrum is considered. The delay time T of the estimated secondary path S (n) is set in the variable time delay element 18, wherein the adjustment of the time delay T is ongoing, i. during operation of the active noise reduction system. The interaction of the blocks 14 and 18 thus gives a complete estimate of the transfer function of the secondary path, including the occurring delay time of the signal.
In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der den geschätzten Secondary-Path repräsentierende Block 14 nicht vorgesehen ist, was bedeutet, dass das Amplitudenspektrum des Secondary-Path nicht berücksichtigt wird, sondern allein die aktuelle Zeitverzögerung. Es hat sich nämlich gezeigt, dass die aktuelle Zeitverzögerung bei weitem den grössten Einfluss auf eine mögliche Instabilität des aktiven Geräuschreduktionssystems hat. Mit der Berücksichtigung der sich laufend verändernden Verzögerungszeit während dem Betrieb des aktiven Geräuschreduktionssystems, d.h. mit der Bestimmung undIn one embodiment variant, it is provided that the block 14 representing the estimated secondary path is not provided, which means that the amplitude spectrum of the secondary path is not taken into account, but only the current time delay. It has been shown that the current time delay by far the has the greatest influence on a possible instability of the active noise reduction system. With the consideration of the constantly changing delay time during the operation of the active noise reduction system, ie with the determination and
Verwendung der jeweils aktuellen Verzögerungszeit, besteht die Möglichkeit, dass das aktive Geräuschreduktionssystem äusserst stabil bleibt. Die folgenden Erläuterungen, welche sich wiederum auf das Blockschaltbild mit dem Block 14 beziehen, sind in analoger Weise auch für dieUsing the current delay time, there is the possibility that the active noise reduction system remains extremely stable. The following explanations, which in turn relate to the block diagram with the block 14, are analogous to the
Ausführungsvariante ohne Block 14 anwendbar und gültig.Execution variant without block 14 applicable and valid.
Block 13 ist der Secondary-Path S (n) inklusive der Verzögerungszeit T. Die Übertragungsstrecke mit der Übertragungsfunktion H(n) ist wiederum mit 6 bezeichnet.Block 13 is the secondary path S (n) including the delay time T. The transmission path with the transfer function H (n) is again denoted by 6.
Das Eingangssignal x(n) wird der Übertragungsstrecke 6, dem geschätzten Secondary-Path (Block 14), einer Schalteinheit 17 und der Filtereinheit 9 zugeführt. Die Filtereinheit 9 wird von der adaptiven Einheit 10, in der ein adaptiver Algorithmus abgearbeitet wird, wobei die Filtereinheit 9, die insbesondere vom Typ transversales FIR-Filter, rekursives IIR-Filter oder Lattice-Filter sein kann, derart eingestellt, dass das als Restsignal e(n+a) bezeichnete Ausgangssignal der Additionseinheit 7 minimal ist.The input signal x (n) is supplied to the transmission link 6, the estimated secondary path (block 14), a switching unit 17 and the filter unit 9. The filter unit 9 is set by the adaptive unit 10, in which an adaptive algorithm is executed, wherein the filter unit 9, which may be in particular of the type transverse FIR filter, recursive IIR filter or lattice filter, set such that the residual signal e (n + a) designated output signal of the addition unit 7 is minimal.
Mittels der Schalteinheit 17 wird entweder das Ausgangssignal y der Filtereinheit 9 oder das Eingangssignal x(n) ausgewählt und als Signal f (n) verwendet, das der Korrelationseinheit 16 zugeführt wird. Die Schalteinheit 17 kann beispielsweise durch einen Benutzer manuell oder mittels einer Kontrolleinheit (in Fig. 3 nicht dargestellt) automatisch eingestellt werden. Es handelt sich hierbei um eine Wahlmöglichkeit, um die Art der Bestimmung der momentanen Verzögerungszeit zu wählen. Es handelt sich also um zwei Ausführungsvarianten, die über die Schalterstellung in der Schalteinheit 17 ausgewählt werden können. Denkbar ist jedoch auch, dass die eine oder andere Ausführungsvariante implementiert ist, so dass keine Schalteinheit notwendig ist und die Bestimmung derEither the output signal y of the filter unit 9 or the input signal x (n) is selected by means of the switching unit 17 and used as the signal f (n), which is supplied to the correlation unit 16. The switching unit 17 can be set automatically by a user, for example, manually or by means of a control unit (not shown in FIG. 3). This is a choice to choose the way of determining the current delay time. So there are two variants that can be selected on the switch position in the switching unit 17. However, it is also conceivable that one or the other embodiment variant is implemented, so that no switching unit is necessary and the determination of the
Verzögerungszeit auf die realisierte Ausführungsform beschränkt ist. Eine derartige Realisation erlaubt dann selbstverständlich kein Umschalten auf eine andere Ausführungsvariante .Delay time is limited to the realized embodiment. Of course, such a realization does not allow switching to another variant.
In der Korrelationseinheit 16, der überdies auch das Restsignal e(n+a) zugeführt wird, wird die Kreuzkorrelation zwischen dem Signal f(n) und dem Restsignal e(n+a) berechnet, woraus ein Mass für die Zeitverzögerungsdifferenz ΔT zwischen diesen Signalen - oder gegebenenfalls die momentane Zeitverzögerung direkt - bestimmt wird. In der Folge kann die Einstellung der momentanen Zeitverzögerung im Zeitverzögerungsglied 18 angepasst werden.In the correlation unit 16, which is also supplied with the residual signal e (n + a), the cross-correlation between the signal f (n) and the residual signal e (n + a) is calculated, giving a measure of the time delay difference ΔT between these signals - or possibly the instantaneous time delay directly - is determined. As a result, the adjustment of the current time delay in the time delay element 18 can be adjusted.
Das Signal f (n) kann entsprechend dem Schaltzustand der Schalteinheit 17 entweder das Eingangssignal x(n) oder das Ausgangssignal y der Filtereinheit 9 sein. Beide Signale eignen sich, da in beiden Signalen Informationen über den Signalverlauf enthalten sind, bevor eine Einspeisung in den zu beruhigenden Raum erfolgt. Damit ergibt eine Kreuzkorrelation des Signal f(n) mit dem Restsignal e(n+a), wie sie in der Korrelationseinheit 16 berechnet wird, Resultate in Bezug auf die Zeitverzögerung bzw. Zeitverzögerungsdifferenz ΔT, die ein Signal durch den zu beruhigenden Raum erfährt. Die in der Korrelationseinheit 16 berechnete Zeitverzögerung bzw. Zeitverzögerungsdifferenz ΔT wird demThe signal f (n) may be either the input signal x (n) or the output signal y of the filter unit 9 in accordance with the switching state of the switching unit 17. Both signals are suitable, since in both signals information about the waveform is included before an injection into the to calm the room. Thus, a cross-correlation of the signal f (n) with the residual signal e (n + a) as calculated in the correlation unit 16 gives results with respect to the time delay ΔT that a signal experiences through the room to be quieted. The time delay ΔT calculated in the correlation unit 16 is given to
Zeitverzögerungsglied 18 zur Anpassung zugeführt, womit der mit dieser gesteuerte adaptive Algorithmus, der in der adaptiven Einheit 10 verarbeitet wird, wesentlich stabiler ist .Time delay element 18 is supplied for adaptation, whereby the controlled with this adaptive algorithm, which is processed in the adaptive unit 10, much more stable.
Aufgrund der verhältnismässig langsamen Änderungen der Zeitverzögerung ist es nicht notwendig, dass dieDue to the relatively slow changes in the time delay, it is not necessary that the
Korrelationseinheit 16 dauernd in Betrieb ist. Denkbar ist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, dass eine Temperaturmesseinheit (in Fig. 3 nicht dargestellt) vorgesehen ist, die im zu beruhigenden Raum angeordnet ist und die ein Startsignal an die Korrelationseinheit 16 sendet, sobald sich die Temperatur um einen vorgegeben Wert ändert. Erst durch ein aktives Startsignal an die Korrelationseinheit 16 beginnen ein Neuberechnen einer Korrelation und ein Weiterleiten des neuen Wertes für die Verzögerungszeit an das Verzögerungsglied 18.Correlation unit 16 is constantly in operation. It is conceivable in a further embodiment of the invention that a temperature measuring unit (not shown in Fig. 3) is provided, which is arranged in the room to be calm and sends a start signal to the correlation unit 16 as soon as the temperature changes by a predetermined value. Only by an active start signal to the correlation unit 16 do a recalculation of a correlation and a forwarding of the new value for the delay time to the delay element 18 begin.
Bei der Berechnung der Korrelation in der Korrelationseinheit 16 wird im Wesentlichen eine Faltung zwischen den Eingangssignalen, nämlich entweder zwischen dem Eingangssignal x(n) und dem Restsignal e(n+a) oder dem Ausgangssignal y der Filtereinheit 9 und dem Restsignal e(n+a), durchgeführt. Da die grösste Korrelation zwischen den beiden Eingangssignalen nicht immer eindeutig erkennbar ist, wird in einer weiteren AusführungsVariante der vorliegenden Erfindung das Resultat der Faltung einerIn the calculation of the correlation in the correlation unit 16, essentially a convolution between the input signals, namely either between the input signal x (n) and the residual signal e (n + a) or the Output signal y of the filter unit 9 and the residual signal e (n + a) performed. Since the greatest correlation between the two input signals is not always clearly recognizable, in a further embodiment of the present invention the result of the convolution of a
Plausibilitätsprüfung unterzogen. Hierzu wird ein Bereich, in dem die grösste Korrelation zu erwarten ist, vorab festgelegt, wobei dieser Bereich entweder von einem vorherigen Wert für die Zeitverzögerung oder von der Zeitverzögerung, welche mit dem "Offline"-Verfahren ermittelt worden ist, abgeleitet wird, indem beispielsweise dem Zeitverzögerungswert ein Toleranzbereich überlagert wird. Die Bestimmung der neuen Zeitverzögerung beschränkt sich dann auf die Bestimmung der grössten Korrelation in diesem Toleranzbereich. Diese grösste Korrelation ergibt dann die neue Zeitverzögerung.Subject to plausibility check. For this purpose, an area in which the greatest correlation is to be expected is predefined, this range being derived either from a previous value for the time delay or from the time delay determined with the "off-line" method, for example the time delay value, a tolerance range is superimposed. The determination of the new time delay is then limited to the determination of the largest correlation in this tolerance range. This largest correlation then gives the new time delay.
Fig. 4 zeigt, wiederum in vereinfachter Darstellung, ein Blockdiagramm eines weiteren erfindungsgemässen aktiven Geräuschreduktionssystems, bei dem ein weiteres Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften des Secondary-Path unter Einbezug der auftretenden zeitlichen Verzögerungen zur Anwendung kommt .4 shows, again in a simplified representation, a block diagram of a further active noise reduction system according to the invention, in which a further method for determining the properties of the secondary path, taking into account the occurring time delays, is used.
Der Einfachheit halber werden im Folgenden lediglich die Unterschiede zum Blockschaltdiagramm gemäss Fig. 3 aufgezeigt :For the sake of simplicity, only the differences from the block circuit diagram according to FIG. 3 are shown below:
Block 23 ist ein zusätzliches Zeitverzögerungsglied. Ebenso ist - im gleichen Signalpfad - ein weiterer Block mit dem geschätzten Secondary-Path 25 enthalten. Bei den Blöcken 14 und 25 handelt es sich um die gleiche Schätzung S(n) des Secondary-Path, auch wenn es sich physikalisch nicht um das gleiche Filter handelt, d.h. die Blöcke 14 und 25 weisen die gleiche Übertragungsfunktion auf, werden aber voneinander unabhängig betrieben. Bei den Übertragungsfunktionen kann es sich um dasBlock 23 is an additional time delay. Likewise - in the same signal path - another block with the estimated secondary path 25 included. Blocks 14 and 25 are the same estimate S (n) of the secondary path, even though they are not physically the same filter, ie, blocks 14 and 25 have the same transfer function, but become independent of each other operated. The transfer functions may be the
Amplitudenspektrum des geschätzten Secondary-Path handeln, wobei dann die Verzögerungszeit nicht mitberücksichtigt ist. Die Verzögerungszeit ist dann im Verzögerungsglied 18 und im weiteren Verzögerungsglied 23 enthalten.Amplitude spectrum of the estimated secondary path act, in which case the delay time is not taken into account. The delay time is then contained in the delay element 18 and in the further delay element 23.
Wie aus der Fig. 4 ersichtlich ist, werden beide Zeitverzögerungsglieder 23 und 18 mit dem gleichen Wert ΔT eingestellt. Unterschiedlich gewählte Werte in denAs is apparent from Fig. 4, both time delay elements 23 and 18 are set at the same value ΔT. Different values selected in the
Zeitverzögerungsgliedern 23 und 18 können zu Instabilitäten des Systems führen.Time delays 23 and 18 can lead to instabilities of the system.
Ein weiterer Unterschied zu Fig. 3 ist der zusätzliche adaptive Algorithmus in Block 24 mit dem dazugehörendenAnother difference from FIG. 3 is the additional adaptive algorithm in block 24 with the associated one
Filter 22, das wiederum vom Typ transversales FIR-Filter, rekursives IIR-Filter oder Lattice-Filter sein kann. Das Ausgangssignal vom Filter 22 wird in einer zweiten Additionseinheit 21 vom Ausgangssignal der Filtereinheit 9, das ebenfalls vom Typ transversales FIR-Filter, rekursives IIR-Filter oder Lattice-Filter sein kann, subtrahiert. Mit dem Restsignal e(n+a) wird unter Einbezug des zusätzlichen Zeitverzögerungsgliedes 23, des Blocks 24 mit dem zusätzlichen adaptiven Algorithmus, des Blockes 25 mit dem geschätzten Secondary-Path und des Filters 22 ein Rückkopplungspfad gebildet. Auch hier wird auf eine Minimierung des Restsignals e(n+a) hingearbeitet.Filter 22, which in turn can be of the type transverse FIR filter, recursive IIR filter or lattice filter. The output signal from the filter 22 is subtracted in a second addition unit 21 from the output signal of the filter unit 9, which may also be of the type transverse FIR filter, recursive IIR filter or lattice filter. With the residual signal e (n + a), including the additional time delay element 23, the additional adaptive algorithm block 24, the estimated secondary path block 22, and the filter 22, a signal is inputted Feedback path formed. Here again, a minimization of the residual signal e (n + a) is attempted.
Wie bereits bei der Ausführungsform gemäss Fig. 3 besteht auch bei der Ausführungsform gemäss Fig. 4 eine Variante darin, dass die Blöcke 14 und 25, welche die geschätzte Übertragungsfunktion des Secondary-Path ohne Verzögerungszeit beinhalten, weggelassen werden, da die Verzögerungszeit als die wichtigste Information zur Stabilisierung des Gesamtsystems gilt.As in the case of the embodiment according to FIG. 3, a variant of the embodiment according to FIG. 4 is that the blocks 14 and 25, which contain the estimated transfer function of the secondary path without delay time, are omitted since the delay time is the most important one Information for the stabilization of the entire system applies.
Des Weiteren wird mit der Schalteinheit 17 wiederum auf die zwei alternativen Ausführungsformen hingewiesen, wie sie bereits anhand Fig. 3 erläutert worden sind.Furthermore, the switching unit 17 again points to the two alternative embodiments, as they have already been explained with reference to FIG. 3.
Fig. 5 zeigt einen Raum 26, in welchem eine Aktuatoreinheit 27 (beispielsweise ein Lautsprecher) ein Referenzsignal abgibt, das von einer Sensoreinheit 28 (beispielsweise ein Mikrofon) empfangen wird. Die Zeit tamb 29 ist die Zeit, die das von der Aktuatoreinheit 27 ausgegebene Signal zurFig. 5 shows a space 26 in which an actuator unit 27 (for example a loudspeaker) emits a reference signal which is received by a sensor unit 28 (for example a microphone). The time t amb 29 is the time that the signal output by the actuator unit 27 is for
Überwindung der Strecke bis zur Sensoreinheit 28 benötigt. Die Zeit tamb ist also von der Distanz zwischen der Aktuatoreinheit 27 und der Sensoreinheit 28 abhängig.Overcoming the distance to the sensor unit 28 required. The time t amb is thus dependent on the distance between the actuator unit 27 and the sensor unit 28.
Zu beachten ist, dass die Zeit tamb ein Teil der gesamtenIt should be noted that the time t amb is a part of the total
Zeit ist, welche in Fig. 1 als Zeitverzögerung T bezeichnet worden ist.Time is, which has been referred to in Fig. 1 as a time delay T.
Anhand von Fig. 6 wird eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemässen Verfahrens erläutert, mit der die Zeitverzögerung T bestimmt werden kann. Dabei ist in Fig. 6 eine mögliche Impulsantwort H(t) der Übertragungsstrecke dargestellt, wobei ein Impuls zum Zeitpunkt t=0 in die Übertragungsstrecke gegeben wird. Aus der Impulsantwort H(t) wird die zur Ausblendung gesuchte Zeitverzögerung T ermittelt. Hierzu wird nun der in der Impulsantwort H(t) enthaltene Anteil, welcher vor einem ersten Maximum 31 der Impulsantwort H(t) auftritt, beispielsweise mittels einer bekannten Peak-Search Methode gelöscht, indem in der in der Impulsantwort enthaltenen Information um eine bestimmte Anzahl Abtastwerte zurückgeschaut wird. Somit erhält man nach Anwendung der Peak-Search Methode einen Verlauf, wie er in Fig. 7 dargestellt ist. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Verzögerungszeit T sehr genau bestimmt werden kann. With reference to FIG. 6, a further embodiment of the inventive method will be explained, with which the Time delay T can be determined. In this case, a possible impulse response H (t) of the transmission path is shown in Fig. 6, wherein a pulse at the time t = 0 is given in the transmission path. From the impulse response H (t), the time delay T required for the suppression is determined. For this purpose, the component contained in the impulse response H (t), which occurs before a first maximum 31 of the impulse response H (t), is erased, for example by means of a known peak search method, by a certain number in the information contained in the impulse response Samples are looked back. Thus, after applying the peak search method, a curve as shown in FIG. 7 is obtained. The advantage of this method is that the delay time T can be determined very accurately.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Betrieb eines aktiven Geräuschreduktionssystems, das eine Übertragungsstrecke, bestehend aus mindestens einer Aktuatoreinheit (3), einem Raum (11) und mindestens einer Sensoreinheit (4), aufweist, wobei eine Nachbildung der Übertragungsstrecke derart vorgenommen wird, dass in den Raum (11) gelangende Störgeräusche eliminiert oder zumindest reduziert werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine aufgrund von Übertragungseigenschaften von Raum (11) und/oder Aktuatoreinheit (3) und/oder Sensoreinheit (4) entstehende Zeitverzögerung (T, ΔT) ermittelt wird und dass die ermittelte Zeitverzögerung (T, ΔT) bei der Nachbildung der Übertragungsstrecke berücksichtigt wird.A method for operating an active noise reduction system, comprising a transmission path, comprising at least one actuator unit (3), a space (11) and at least one sensor unit (4), wherein a replica of the transmission path is made such that in the room (11) resulting noise is eliminated or at least reduced, characterized in that due to transmission characteristics of space (11) and / or actuator unit (3) and / or sensor unit (4) resulting time delay (T, .DELTA.T) is determined and that the determined time delay (T, .DELTA.T) is taken into account in the simulation of the transmission path.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitverzögerung (T, ΔT) aus einem Restsignal, das aus einem Ausgangssignal der Übertragungsstrecke und einem Ausgangssignal der nachgebildeten Übertragungsstrecke erzeugt wird, und entweder einem Eingangssignal der Übertragungsstrecke oder einem von diesem abgeleiteten Signal ermittelt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the time delay (T, .DELTA.T) is determined from a residual signal which is generated from an output signal of the transmission path and an output signal of the simulated transmission path, and either an input signal of the transmission path or a signal derived therefrom becomes.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Zeitverzögerung (T, ΔT) im Zeitbereich erfolgt. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the determination of the time delay (T, ΔT) takes place in the time domain.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitverzögerung (T, ΔT) aus einer Faltung vom Restsignal mit einem Eingangssignal der Übertragungsstrecke oder einem von diesem abgeleiteten Signal ermittelt wird.4. The method according to any one of claims 2 to 3, characterized in that the time delay (T, .DELTA.T) is determined from a convolution of the residual signal with an input signal of the transmission path or a signal derived therefrom.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass spektrale Übertragungseigenschaften von Raum (11), Aktuatoreinheit (3) und Sensoreinheit (4) im Frequenzbereich ermittelt werden und dass die spektralen Übertragungseigenschaften bei der Nachbildung der Übertragungsstrecke berücksichtigt werden.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that spectral transmission characteristics of space (11), actuator unit (3) and sensor unit (4) are determined in the frequency domain and that the spectral transmission characteristics are taken into account in the replica of the transmission path.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Amplitudenspektrum aus den spektralen Übertragungseigenschaften ermittelt wird und dass das Amplitudenspektrum bei der Nachbildung der Übertragungsstrecke berücksichtigt wird.6. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that an amplitude spectrum is determined from the spectral transmission characteristics and that the amplitude spectrum is taken into account in the replica of the transmission path.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der nachfolgenden Eigenschaften laufend und während dem Betrieb des aktiven Geräuschreduktionssystems ermittelt wird bzw. werden:7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that at least one of the following properties is determined continuously and during operation of the active noise reduction system or are:
- Zeitverzögerung (T, ΔT) ; - Amplitudenspektrum;Time delay (T, ΔT); - amplitude spectrum;
- spektrale Übertragungseigenschaften.- Spectral transmission properties.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der nachfolgenden Eigenschaften dann ermittelt wird, wenn mit einer Änderung dieser Eigenschaften gerechnet werden muss:8. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that at least one of the following Properties is then determined when a change in these properties must be expected:
- Zeitverzögerung (T, ΔT) ;Time delay (T, ΔT);
- Amplitudenspektrum; - spektrale Übertragungseigenschaften.- amplitude spectrum; - Spectral transmission properties.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Raum (11) ermittelt wird und dass eine Neubestimmung der Übertragungseigenschaften, nämlich Zeitverzögerung, Amplitudenspektrum und/oder spektrale9. The method according to claim 8, characterized in that the temperature in the space (11) is determined and that a redetermination of the transmission properties, namely time delay, amplitude spectrum and / or spectral
Übertragungseigenschaften, ausgelöst wird, wenn sich die Temperatur über einen vorgegebenen Wert ändert.Transmission characteristics, is triggered when the temperature changes above a predetermined value.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass neu ermittelte10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that newly determined
Übertragungseigenschaften innerhalb eines vorbestimmten Bereiches um bestehende oder vor Inbetriebnahme des aktiven GeräuschreduktionsSystems ermittelte Übertragungseigenschaften liegen. Transmission properties lie within a predetermined range around existing or prior to the start of the active noise reduction system determined transmission characteristics.
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