DE3144052C2

DE3144052C2 -

Info

Publication number: DE3144052C2
Application number: DE3144052A
Authority: DE
Inventors: Glenn Edwin Erie Pa. Us Warnaka; Lynn Allen Poole; Jiri State College Pa. Us Tichy
Original assignee: ACTIVE NOISE AND VIBRATION TECHNOLOGIES Inc TEMPE ARIZ US
Current assignee: Active Noise and Vibration Technologies Inc
Priority date: 1980-12-05
Filing date: 1981-11-06
Publication date: 1993-07-15
Also published as: GB2088951A; JPH0325679B2; JPS5797989A; CA1161766A; GB2088951B; DE3144052A1; US4473906A; FR2495809A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine aktive Schalldämpfungseinrichtung nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1. Sie bezieht sich insbesondere auf eine Einrichtung, die in der Lage ist, ein schmales oder breites Band von niedriger Schallfrequenz sowie einzelne Frequenzen zu dämpfen, wenn sich der Schall von einer vorgegebenen Quelle durch einen eingegrenzten Bereich, wie beispielsweise einen Kanal, fortpflanzt, wobei dies durch die Einführung eines Aufhebungsschalls geschieht, der 180° phasenverschoben ist und eine gleiche Amplitude wie der Quellenschall aufweist.

Beträchtliche Reduktionen im Schalldruckpegel des Schalles, der durch eingegrenzte Umhüllungen, wie beispielsweise Kanäle, übertragen wird, haben über viele Jahre ein ungelöstes Problem dargestellt. Beispielsweise kann in Fabriken das durch Maschinen und verschiedene Herstelloperationen erzeugte Geräusch über die Heiz- und Ventilationskanäle in diesen Bereichen auf Kanäle übertragen werden, die mit Büros und anderen Teilen der Farbrik verbunden sind, in denen ein niedriger Geräuschpegel erwünscht ist. Dies stellt ein besonderes Problem bei niedrigfrequenten Geräuschen im Bereich des Infraschalls bis 800 Hertz dar, da passive Einrichtungen zur Dämpfung solcher Frequenzen kostspielig, relativ unwirksam und physikalisch groß sind, was sie unpraktisch für die Anwendung in den meisten Anwendungsfällen bei niedrigen Frequenzen macht.

Seit 1925 und danach mit extrem hoher Geschwindigkeit bis heute sind elektronische Entwicklungen gemacht worden, die das Konzept der aktiven Dämpfung des Geräusches verwenden und die nicht nur eine mögliche, sondern auch eine attraktive Alternative zur passiven Dämpfung von niedrigen Frequenzen darstellen. Das Prinzip der sogenannten aktiven Dämpfung beruht auf der Tatsache, daß die Schallgeschwindigkeit in Luft sehr viel geringer als die Geschwindigkeit der elektrischen Signale ist. In der Zeit, die erforderlich ist, damit eine Schallwelle von einem Ort, an der sie festgestellt wird, bis zu einem entfernten Ort, wo sie gedämpft werden kann, sich fortpflanzt, ist ausreichend Zeit vorhanden, die sich fortpflanzende Welle abzutasten, die enthaltene Information in einem elektronischen Schaltkreis zu verarbeiten und ein Signal zu erzeugen, um einen Lautsprecher anzusteuern, der einen um 180° phasenverschobenen Aufhebungsschall mit gleicher Amplitude wie der sich fortpflanzende Schall einführt. Obgleich das Verfahren der aktiven Schalldämpfung im Konzept einfach erscheint, ergibt ein Überblick über den Stand der Technik in diesem Bereich, daß es ein komplexes Problem darstellt, eine gute Dämpfung über ein relativ breites Band von niedrigen Frequenzen zu erhalten.

Eine der ersten Anstrengungen im Bereich der aktiven Dämpfungseinrichtungen kann der US-PS 20 43 416 in Fig. 1 entnommen werden. Das bekannte System ist ein Einpol, bestehend aus Mikrophon, Verstärker und Lautsprecher. Das Mikrophon stellt den Quellenschall fest und wandelt ihn in ein elektrisches Signal, das dem Verstärker zugeführt wird. Der durch den Verstärker angesteuerte Lautsprecher ist hinter dem Mikrophon an einem Ort angeordnet, der die notwendige Zeitverzögerung ergibt und eine 180°-Phasenumkehr des Quellenschalls verwirklicht. Der Lautsprecher injiziert ein Spiegelbild des Quellenschalls in den Kanal, so daß beim Vorbeilauf des Quellenschalls an dem Ort des Lautsprechers ein Volumen von entweder hohem oder niedrigem Luftdruck mit einer Phasenbeziehung von 180° zu dem entsprechenden hohen und niedrigen Luftdruck des Quellenschalls eingeführt wird. Wenn der Lautsprecher genau synchronisiert mit dem Vorbeilauf des Quellengeräusches ist, so ergibt sich das Mittel des Druckes der Geräuschquelle und des Lautsprechers zu 0, und das Geräusch wird aufgehoben.

Aus einer Prüfung des Lueg-Systems geht klar hervor, daß die Dämpfung auftritt, wenn der Abstand zwischen dem Mikrophon (wo die Schallquelle abgetastet wird) und dem Lautsprecher (wo der Aufhebungsschall eingeführt wird) dergestalt ist, daß die Zeitverzögerung des elektrischen Signals, das zu dem Verstärker gesandt wird, 180° oder einem ungeraden Vielfachen von 180° entspricht. Dieser Zustand tritt jedoch nur für ein spezifisches stationäres akustisches Signal auf, das zeitlich keiner Änderung unterliegt. Als praktische Folge hiervon ist das bekannte System nur für eine einzige Frequenz wirksam, da keine Mittel vorgesehen sind, um eine Anpassung an eine Phasenänderung zu erzielen. Aus dieser Einschränkung des bekannten Systems ergeben sich zwei Parameter, die für eine gute Dämpfung erfüllt werden müssen. Diese betreffen die Verzögerungszeit, die der akustischen Welle gestattet, sich von dem Punkt der Erfassung bis zu dem Punkt der Dämpfung zu bewegen, und die Phase, die sicherstellt, daß die Dämpfung an der Stelle der Einführung der aufhebenden akustischen Welle auftritt.

Zusätzlich zu der Beschränkung des bekannten Systems bezüglich der Phasenfeststellung und der Anpassung ergibt sich ein Problem bei der Erzeugung von stehenden Wellen durch den Lautsprecher in Richtung zu dem davorliegenden Mikrophon. Aufgrund der stehenden Wellen ist der Druck des Schallfeldes an dem Mikrophon künstlich ungleichförmig, was bedeutet, daß bei einer vorgegebenen Frequenz das Mikrophon in einem Knoten oder Bauch einer stehenden Welle angeordnet sein kann. Daher kann das Aufhebungssignal, das durch den Lautsprecher erzeugt wird, zu groß oder zu klein gemacht werden. Infolgedessen kann das Schallfeld durch die stehenden Wellen in solcher Weise verstärkt werden, daß die sich ergebende Fortpflanzung hinter dem Lautsprecher sogar größer als der durch die Quelle erzeugte Schall ist. Zusätzlich kann das Feld der stehenden Wellen den Schalldruck in dem Kanal intensivieren, und es kann mehr Schall durch die Wände des Kanals hindurchtreten, wodurch ein Sekundärproblem geschaffen wird.

In einer Anstrengung zur Vermeidung des zuvor erwähnten Problems der stehenden Wellen und zur Erweiterung des Dämpfungs- Frequenzbereiches sind verschiedene aktive Dämpfungssysteme nach diesem System entwickelt worden. Ein bekanntes System, das in Fig. 2 dargestellt ist, verwendet die Kombination einer Einpol/Dipol-Anordnung, wobei der Dipol an einer Wand des Kanals angeordnet ist und der Einpol in der dargestellten Weise auf der gegenüberliegenden Seite des Kanals angeordnet ist. Dieses System wurde zuerst von M. Jessel und G. Mangiante eingeführt und ist in einer Arbeit mit dem Titel "Active Sound Absorbers in an Air Duct", JSV (1972), 23 (3, 383-390), beschrieben. Der Dipol und der Einpol dieses Systems sind phasenversetzt, so daß sie sich stromabwärts addieren und stromaufwärts subtrahieren, wodurch eine Fortpflanzung in einer Richtung bei ausgeglichenen Quellen gestattet wird. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die mit diesem System erzielbaren Ergebnisse frequenzabhängig sind und auf die halbe Wellenlänge der Dipoltrennung bezogen sind. Zusätzlich eignet sich der Aufwand dieses Systems nicht für die Benutzung in vielen praktischen Anwendungsfällen.

Zur Vereinfachung dieses Systems und zur Erzielung einer verbesserten Leistung wurden die Dipolsysteme gemäß den Fig. 3 und 4 entwickelt. Das System gemäß Fig. 3 kann der US-PS 40 44 203 entnommen werden. Dort wird der Einpol entfernt, und es wird die Phasencharakteristik des Dipols verändert, so daß der sich fortpflanzende Schall beider Quellen stromabwärts addiert wird und stromaufwärts in Richtung auf das Mikrophon kompensiert wird. Die Dämpfungseinrichtung gemäß Fig. 4 ist in der US-PS 41 09 108 beschrieben, wobei das Mikrophon zwischen zwei Lautsprechern angeordnet ist, um einen Minimumpegel an der Stelle des Mikrophons zu erzeugen, wenn die richtige Phasenbeziehung zwischen den Lautsprechern vorliegt. Während dieses System reflektierend ist und eine stehende Welle stromaufwärts von dem Dipol erzeugt wird, wird das Detektorsystem (Mikrophon) nicht beeinflußt, da es zwischen den Lautsprechern angeordnet ist.

Beim Betrachten der Leistung des Dipol- und des Dipol/Einpol- Systems hat es sich herausgestellt, daß jedes dieser Mehrquellensysteme bezüglich der Geometrie mit Einschränkungen behaftet ist. Der physikalische Abstand der Lautsprecher und Mikrophone erzeugt einen Anpassungseffekt, der die Frequenz der besten Leistung und Bandbreite vorgibt. Obgleich hohe Dämpfungspegel möglich sind, speziell durch das System gemäß Fig. 3, ist eine solche Leistung nur über eine relativ schmale Bandbreite in der Größenordnung von ungefähr maximal 2½ Oktaven erzielbar. Demgemäß haben sich die jüngsten Lösungen der aktiven Geräuschdämpfung in Kanälen auf eine Verbesserung des zuerst erwähnten Einpolsystems konzentriert. In der US-PS 41 22 303 ist ein Beispiel eines Einpolsystems dargestellt und beschrieben, bei dem ein relativ ausgeklügelter elektronischer Schaltkreis in dem grundlegenden Mikrophon/ Lautsprecheraufbau enthalten ist. Es wird dort eine zweite Aufhebungswelle durch ein erstes elektrisches Signal erzeugt, welches die primäre, durch ein Mikrophon erfaßte Schallwelle darstellt. Das erste elektrische Signal wird mit dem zweiten Signal verknüpft, das von der System-Impulsantwort als ein Programm von Operationsschritten abgeleitet wird. Dieser Prozeß stellt die Standardoperation eines adaptiven Filters dar, wie es in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben ist: "Feedback and Control Systems", Schaum's Outline Series, 1967, Seiten 179-185; "Adaptive Filters", Widrow, B., Aspects of Network and System Theory (1971); "Principles and Applications of Adaptive Filters: A Tutorial Review", McCool, J. M.; Widrow, B., Institute of Electrical Engineers (1976). Zur Vermeidung des Problems der stehenden Wellen, die durch den Lautsprecher erzeugt werden und sich stromaufwärts zu dem Mikrophon fortpflanzen, wird in der US-PS 41 22 303 die Verwendung eines Einrichtungsmikrophons ohne die Auskleidung des Kanals zwischen dem Lautsprecher und dem Mikrophon mit akustisch absorbierendem Material vorgeschlagen. Zusätzlich wird dort die Möglichkeit der Aufnahme eines Schaltkreises vorgeschlagen, um eine zweite Faltung zu bilden, die in der Lage ist, das Rückführungssignal zu kompensieren, das durch die stromaufwärts befindlichen, stehenden Wellen erzeugt wird. Wie weiter unten näher erläutert wird, ist dieser sogenannte Adaptionsprozeß jedoch zeitaufwendig und benötigt eine Zeitperiode von 5 bis 30 Minuten, was voraussetzt, daß die Signalquelle im wesentlichen über diese Periode konstant bleibt. Darüber hinaus arbeitet das Steuersystem so langsam, daß es in den meisten praktischen Fällen manuell abgeschaltet werden muß, während der erste Faltungsprozeß noch wirksam ist, um Pendelschwingungen oder eine Oszillation zwischen besseren und schlechteren Resultaten zu vermeiden.

Es sei ferner vermerkt, daß jedes der zuvor erwähnten Systeme ein gemeinsames Problem aufweist, das in vielen praktischen Anwendungen seine mögliche Benutzung vermindert oder verbietet. In jedem Fall ist der Lautsprecherteil des Systems direkt in der Umgebung des Kanals angeordnet, um den Aufhebungsschall einzuführen. Es sei vorweggenommen, daß in vielen Anwendungsfällen die vorliegenden Lautsprecher nicht in der Lage sind, die Temperaturen, Partikel oder Fremdmaterialien zu überlegen, die sich in der Umgebung des Kanals oder in ungeschützten Bereichen außerhalb des Kanals vorfinden.

Die DE-OS 25 07 428 beschreibt ein System zur aktiven Schalldämpfung, bei welchem in einem von dem Schall durchströmten Kanal eine Eingangs-Sensoreinrichtung (Mikrophon) angeordnet ist, welche mit einer Aufhebungseinrichtung (Lautsprecher) betriebsverbunden ist. Durch entsprechende Phasenverschiebung des elektrischen Signals von der Eingangs-Sensoreinrichtung zu der Aufhebungseinrichtung läßt sich eine aktive Schalldämpfung in dem Kanal durch Schallkompensation erreichen. Der Nachteil besteht darin, daß keine Fehlerkorrektur vorgesehen ist, so daß insbesondere bei einer nicht exakt angebrachten Phasenverschiebung keine optimale Schalldämpfung möglich ist.

Die DE-OS 27 12 534, welche den nächstkommenden Stand der Technik bildet, welche zu der nachfolgend im einzelnen noch beschriebenen US-PS 41 22 303 korrespondiert, beschreibt ein ähnliches System zur aktiven Schalldämpfung. Bei diesem System wird jedoch eine Annäherungs- und Fehlerlösung verwendet, so daß dieses System nicht oder nur schlecht für den sich zufällig oder unvorhersehbar ändernden Quellenschall verwendbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine aktive akustische Einrichtung zur Dämpfung von Schall zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und wirksamer Betriebsweise eine optimale Schalldämpfung ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine aktive akustische Dämpfungseinrichtung vom modifizierten Einpoltyp, die man sich aus drei getrennten Komponenten bestehend denken kann, welche ein physikalisches System, einen elektronischen Schaltkreis und eine Kopplungskomponente zwischen dem physikalischen System und dem Schaltkreis umfassen. Das physikalische System besteht aus dem Kanal, durch den sich die Schallwellen von einer vorgegebenen Quelle fortpflanzen, einem akustischen Mischer, der in Reihe mit dem Kanal angeordnet ist, einem Lautsprecher in einer Schutzumhüllung in einem Abstand von dem Kanal und einer Wellenführung, die den Lautsprecher mit dem akustischen Mischer verbindet. Die elektronische Schaltkreiskomponente der aktiven Dämpfungseinrichtung besteht hier aus drei verschiedenen adaptiven Filtern, die eine Modifikation des Widrow-Roff-LMS-Algorithmus in einer echten adaptiven akustischen Aufhebungskonfiguration verwenden. Eine Mikrophonanordnung, die in dem Kanal an einer Stelle stromaufwärts von dem akustischen Mischer angeordnet ist und ein Mikrophon innerhalb des akustischen Mischers stromabwärts von der Wellenführung, bildet die Kopplungseinrichtung zwischen dem physikalischen System und dem elektronischen Schaltkreis.

Wie weiter unten in Einzelheiten erläutert wird, kann die Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung allgemein wie folgt beschrieben werden. Die Mikrophonanordnung erfaßt den Quellenschall in dem Kanal und wandelt ihn in ein elektrisches Signal um, das zu einem modifizierten adaptiven Filter in der elektronischen Schaltkreiskomponente gesandt wird. Das adaptive Filter erzeugt ein Signal, um den Lautsprecher anzusteuern und einen Aufhebungsschall zu erzeugen, der um 180° gegenüber dem Quellenschall phasenverschoben ist, welcher sich durch die Wellenführung zu dem akustischen Mischer fortpflanzt, wo er mit dem Quellenschall kombiniert wird. Das Mikrophon, das an einer Stelle stromabwärts von der Wellenführung innerhalb des akustischen Mischers angeordnet ist, erfaßt den Schall, der sich aus der Kombination des Quellenschalls und des Aufhebungsschalls ergibt, und erzeugt ein Signal, das den Fehler bzw. die Differenz zwischen der in dem akustischen Mischer erzielten Dämpfung und der gewünschten, auf voreingestellten Pegel basierenden Dämpfung darstellt. Dieses Fehlersignal wird in das adaptive Filter eingeführt, welches sodann sein den Lautsprecher ansteuerndes Signal einstellt, so daß sich der Aufhebungsschall, der sich in dem akustischen Mischer fortpflanzt, mehr dem Spiegelbild des Quellenschalls annähert. Hohe Dämpfungspegel werden somit innerhalb des akustischen Mischers und sonstwo in dem Fernfeld erzielt.

Verschiedene Verbesserungen und Abweichungen von dem bekannten aktiven Dämpfungssystem sind bei der vorliegenden Erfindung sowohl in dem physikalischen System als auch in den zuvor beschriebenen elektronischen Schaltkreiskomponenten vorgenommen worden. Diese gehen aus der nachfolgenden Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels hervor. Derartige Verbesserungen haben zu einer Leistungsfähigkeit der aktiven Dämpfungseinrichtung geführt, die weit weniger der bekannten Systeme sowohl bezüglich der erzielten Dämpfung als auch der Geschwindigkeit und Flexibilität der Operation übersteigt.

Anhand der Figuren der Zeichnung seien im folgenden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein bekanntes akustisches Einpol-Dämpfungssystem,

Fig. 2 ein bekanntes akustisches Dreipol- bzw. Einpol/Dipol- Dämpfungssystem,

Fig. 3 ein bekanntes akustisches Dipol-Dämpfungssystem,

Fig. 4 ein bekanntes akustisches Dipol-Dämpfungssystem,

Fig. 5 eine Ansicht einer vereinfachten Version der aktiven akustischen Dämpfungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 6 eine Teilansicht der vorliegenden Erfindung zur Veranschaulichung der verschiedenen Einführungsstellen der Wellenführung in den akustischen Mischer,

Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem zwei Wellenführungen symmetrisch in den akustischen Mischer eingeführt werden,

Fig. 7a eine Variation der symmetrischen Einführung der Wellenführung in den akustischen Mischer,

Fig. 7b einen Teilquerschnitt entlang der Linie 7b-7b in Fig. 7a,

Fig. 8 ein Diagramm der erzielten Dämpfung mit der erfindungsgemäßen Konfiguration gemäß Fig. 6,

Fig. 9 ein Diagramm der erzielten Dämpfung mit der erfindungsgemäßen Konfiguration gemäß Fig. 7b,

Fig. 10 eine Mehrstufenfunktion der vorliegenden Erfindung, bei welcher eine einzige elektrische Schaltkreiskomponente mit dem physikalischen System und den Kopplungskomponenten in zwei getrennten Kanälen verwendet wird,

Fig. 11 eine Mehrstufenfunktion der vorliegenden Erfindung, bei welcher zwei Gruppen von Mikrophonanordnungen, Lautsprechern und Fehlermikrophonen in Reihe innerhalb eines einzelnen Kanals und gesteuert durch eine einzige elektrische Schaltkreiskomponente angeordnet sind,

Fig. 12 ein Teilblockdiagramm der digitalen Realisierung eines adaptiven Filters mit dem Standard-Widrow-Roff- LMS-Algorithmus,

Fig. 13 ein Teilblockdiagramm der digitalen Realisierung eines adaptiven Filters mit einem modifizierten Widrow-Roff-LMS-Algorithmus,

Fig. 14 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltkreiskomponente,

Fig. 15 ein Blockdiagramm des adaptiven Entkopplungsfilters der elektrischen Schaltkreiskomponente,

Fig. 16 ein Blockdiagramm des adaptiven Kompensationsfilters der elektrischen Schaltkreiskomponente.

Anfänglich sei vermerkt, daß die bei der vorliegenden Erfindung zur Erzielung einer aktiven Geräuschdämpfung gefundene Lösung eine bedeutende Abkehr von der Lösung bildet, die bei der Entwicklung der bekannten Systeme verfolgt wurde. Alle zuvor bekannten Systementwürfe für die aktive Dämpfung von Schall innerhalb eines Kanals haben von Anfang an das Problem in seiner Gesamtheit zu lösen versucht. Diese Lösung beinhaltet invariabel eine symbolische mathematische Behandlung des Gegenstandes, welche das Bestreben hat, zu theoretischen Verallgemeinerungen auf Kosten der erhaltenen spezifischen Entwurfseinzelheiten zu führen.

Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert und entworfen mit der Erkenntnis, daß aktive Systeme für die Geräuschdämpfung in Kanälen drei diskrete Komponenten umfassen, welche das physikalische System, das elektronische System (Steuerung) und das Kopplungssystem zwischen beiden einschließen. Diese Lösung berücksichtigt die Parallelnatur des Systems und der Tatsache, daß die Systemleistung nicht die Leistung irgendeiner Komponente überschreiten kann. Durch unabhängige Entwicklung und Tests einer jeden Komponente des Systems wurde gefunden, daß Ergebnisse sehr viel rascher als in der Vergangenheit erzielt wurden. Dies ist in erster Linie auf die Tatsache zurückzuführen, daß irgendwelche in dem Systembetrieb angetroffenen Probleme sehr viel leichter als durch eine spezifische Komponente des Systems verursacht, identifiziert wurden, wodurch Arbeiten und unnötige Modifikationen eliminiert wurden. Obgleich ein solches Verfahren vom Konzept auf der Hand zu liegen scheint, ist anzunehmen, daß ein Fortschritt im Bereich der aktiven Schalldämpfung bis zu einem bestimmten Ausmaß unnötig verzögert worden ist, indem die Erfinder der bekannten Systeme unnötige aufwendige Annäherungen des Problems verwendet haben.

Unter Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 5 ist die aktive akustische Dämpfungseinrichtung gemäß der Erfindung allgemein mit der Bezugsziffer 11 versehen. Wie zuvor erläutert, kann die aktive Dämpfungseinrichtung 11 als aus drei verschiedenen Komponenten bestehend angesehen werden, und die Erläuterungen in diesem Abschnitt seien in erster Linie auf die physikalische Systemkomponente unter allgemeiner Bezugnahme auf die anderen Komponenten, dort, wo es notwendig ist, gerichtet. Das physikalische System umfaßt einen Kanal 13, durch welchen sich Schall aus einer vorgegebenen Quelle fortpflanzt, einen an den Kanal 13 angeschlossenen akustischen Mischer 15, einen Lautsprecher 17, der die Quelle des Aufhebungsschalls darstellt, und eine Wellenführung 19, die den Lautsprecher 17 (Aufhebungseinrichtung) mit dem akustischen Mischer 15 verbindet.

Obgleich der akustische Mischer 15 mit einem geringfügig größeren Durchmesser als der Kanal 13 dargestellt ist, ist diese geometrische Beziehung nicht für die richtige Ausführung der aktiven Dämpfungseinrichtung 11 erforderlich und hier nur für den Zweck der Erläuterung so dargestellt.

Einer der unmittelbar hervortretenden Vorteile der aktiven Dämpfungseinrichtung 11 gegenüber den bekannten Systemen ist der, daß der Lautsprecher 17 an einer von dem Kanal 13 entfernten Stelle angeordnet und mit dem akustischen Mischer 15 durch eine längliche Wellenführung 19 verbunden ist, wobei die Wellenführung mit nicht dargestellten Ventileinrichtungen versehen sein kann, um zu verhindern, daß Staubpartikel, ätzendes Material oder andere durch den Kanal 13 fließende Überbleibsel den Lautsprecher 17 beschädigen. Gemäß den Fig. 1 bis 4 wird in den bekannten aktiven Dämpfungseinrichtungen der Lautsprecher direkt in dem Kanal angeordnet, wo die internen und externen Zustände, die in vielen Anwendungsfällen angetroffen werden können, ihn rasch beschädigen oder außer Betrieb setzen. Der Lautsprecher 17 ist nicht nur gegenüber der internen Umgebung des Kanals 13 und des akustischen Mischers 15 durch die Wellenführung 19 geschützt, sondern in einer Umhüllung 21 enthalten, die den Lautsprecher 17 gegenüber der externen Umgebung des Kanals 13 schützt. Die Umhüllung 21 muß hohe Transmissionsverluste besitzen und kann ebenfalls mit akustisch absorbierendem Material ausgekleidet sein, um zu verhindern, daß das Ausgangssignal des Lautsprechers 17 sich in einer anderen Richtung als durch die Wellenführung 19 ausbreitet. Es versteht sich, daß die Wellenführung 19 vollständig von dem Kanal 13 und dem akustischen Mischer 15 getrennt ist; d. h., die Wellenführung 19 bildet keinen Verzweigungskanal, und somit wird kein Schallfluß von dem Hauptkanal 13 in die Wellenführung 19 übertragen. Die Wellenführung 19 ist allein zum Zweck der Übertragung des Aufhebungsgeräusches von dem Lautsprecher 17 zu dem akustischen Mischer 15 und zur Isolierung und zum Schutz des Lautsprechers 17 gegen die Umgebung des Kanals 13 vorgesehen.

Die elektronische Komponente der aktiven Dämpfungseinrichtung 11 ist in ihrer einfachsten Form in Fig. 5 zum Zweck der vorliegenden Erläuterung dargestellt. Eine detaillierte Beschreibung der Elektronik gemäß der Erfindung wird weiter hinten angegeben und umfaßt eine Erläuterung des vollständigen, hier benutzten Schaltkreises. Die einfachste Version der elektronischen Komponente der aktiven Dämpfungseinrichtung 11 umfaßt ein adaptives Filter 23, einen Verstärker 25, ein Phasenkorrekturfilter 29 und eine Gleichstromschleife, die allgemein mit der Bezugsziffer 31 versehen ist.

Die Kupplungskomponente gemäß der Erfindung, die das physikalische System mit dem elektronischen System koppelt, besteht aus einer Mikrophonanordnung 33 (Eingangssensoreinrichtung), welche in dem Kanal 13 stromaufwärts von der Wellenführung 19 zur Erfassung des Quellenschalls angeordnet ist, und aus einem Mikrophon 35 (Fehlersensoreinrichtung), das in dem akustischen Mischer 15 stromabwärts von der Wellenführung 19 für Zwecke angeordnet ist, die weiter unten noch erkennbar werden.

Im allgemeinen arbeitet die aktive Dämpfungseinrichtung 11 im Aufhebungs-Operationsmodus folgendermaßen. Ein breitbandiges Geräusch pflanzt sich durch den Kanal 13 fort und wird durch die Mikrophonanordnung 33 erfaßt, die ein Signal erzeugt, welches zu dem adaptiven Filter 23 gesendet wird. Das adaptive Filter 23 liefert ein Ausgangssignal zur Ansteuerung des Lautsprechers 17, der ein Aufhebungsgeräusch über die Wellenführung 19 in den akustischen Mischer 15 einführt. Da eine Schallwelle aus einer Folge von Kompressionen und Expansionen besteht, die sich mit einer vorgegebenen Phase und Frequenz fortpflanzen, kann der Druck solcher Schallwellen reduziert oder aufgehoben werden, indem eine zweite Schallwelle erzeugt wird, die Kompressionen und Expansionen mit gleicher Amplitude und einer Phasenverschiebung von 180° zu den primären Schallwellen aufweist. Das Mikrophon 35, das stromabwärts von der Wellenführung 19 in dem akustischen Mischer 15 angeordnet ist, erfaßt das Maß der Dämpfung bzw. Aufhebung des Quellenschalls, nachdem die durch den Lautsprecher 17 erzeugten Schallwellen mit diesem kombiniert worden sind. Das Signal von dem Mikrophon 35 wird zu dem adaptiven Filter 23 als ein Fehlersignal gesendet, welches tatsächlich ein Hinweis auf die innerhalb des akustischen Mischers 15 erzielte Dämpfung darstellt. Das adaptive Filter stellt sein Ausgangssignal in Abhängigkeit vom Wesen des Fehlersignals ein, so daß der Lautsprecher 17 angesteuert wird, um einen Aufhebungsschall zu erzeugen, dessen Amplitude und 180°-Phasenverschiebung besser an den Quellenschall angenähert wird.

Gemäß Fig. 6 ist ein geometrisches Erfordernis für den optimalen Betrieb der aktiven Dämpfungseinrichtung 11 dargestellt. In Fig. 6 ist die Wellenführung 19 so dargestellt, daß sie in den akustischen Mischer 15 an Stellen D₁, D₂ und D₃, gerechnet vom Ende des gesamten Kanalsystems, eintritt. Gemäß der unten in Gleichung (1) dargestellten Beziehung hat es sich herausgestellt, daß die Wellenführung 19 in einem spezifischen Abstand vom Ende des akustischen Mischers 15 angeordnet sein muß, um eine richtige Dämpfung des Quellensignals zu erhalten, bevor dieses das Kanalsystem verläßt. Diese Beziehung ist wie folgt gegeben:

D < 3l (1)

Hierin bedeutet:
D = Abstand der Wellenführung 19 vom Ende des Kanalsystems;
l = größte Abmessung (Höhe oder Breite) des akustischen Mischers 15 bzw. Durchmessers eines runden Kanals.

Die Beziehung gemäß Gleichung (1) gibt eine Grenzbedingung für die physikalische Anordnung der Wellenführung 19 vom Ende des Kanalsystems vor, wobei sich eine optimale Dämpfung ergibt. Die Gleichung (1) kann, bezogen auf die Dämpfung, wie folgt dargestellt werden:

A_dB = β tanh (αl) (2)

Hierin bedeuten:
A_dB = Dämpfung in Dezibel (dB);
β = eine begrenzende maximale Dämpfung für eine vorgegebene geometrische Beziehung;
l = charakteristische Kanalabmessung, z. B. Durchmesser eines runden Kanals, Länge einer Seite eines quadratischen Kanals oder längste Seite eines rechteckförmigen Kanals;
α = irgendeine Zahl von Null oder größer.

Die Gleichung (2) zeigt an, daß die mit der aktiven Dämpfungseinrichtung 11 erzielte Dämpfung gemäß dem hyperbolischen Tangens von αl variiert, wenn der Ort der Wellenführung 19, bezogen auf das Ende des Kanalsystems, bewegt wird, was in Fig. 6 als Abschluß des akustischen Mischers 15 dargestellt worden ist. Wie zuvor erwähnt, kann die Systemleistung der aktiven Dämpfungseinrichtung 11 nicht besser als die durch irgendeine der Komponenten vorgegebene Begrenzung sein. Die geometrische Begrenzung der zuvor erläuterten physikalischen Systemkomponente muß berücksichtigt werden, um die erzielbare Gesamtdämpfung zu optimieren.

Es sei vermerkt, daß, während die Fig. 5 und 6 die Wellenführung 19 unter einem rechten Winkel in den akustischen Mischer 15 eintretend zeigen, dies kein Erfordernis der vorliegenden Erfindung darstellt. Ausgedehnte Versuche sind ausgeführt worden, bei denen die Wellenführung 19 unter verschiedenen Winkeln, bezogen auf den akustischen Mischer 15, angeordnet wurde und diese Winkel 0°, 30°,45° und 60° betrugen. In jedem Fall war der beobachtete Dämpfungspegel im wesentlichen gleich, bezogen auf den Wert, der bei einer senkrechten Anordnung der Wellenführung 19 zu dem akustischen Mischer 15 erzielt wurde. Dieses Merkmal der vorliegenden Erfindung ist insbesondere von Vorteil vom Standpunkt der Installation, da vorauszusehen ist, daß in vielen Anwendungsfällen räumliche Beschränkungen vorliegen, die erfordern, daß die Wellenführung 19 in einen Kanal unter einem anderen Winkel als 90° eingeführt wird.

Aktive Geräuschdämpfer sind primär nützlich bei der Schalldämpfung von relativ geringen Frequenzen. Gemäß Fig. 8 ist ein Diagramm der in dem erfindungsgemäßen physikalischen System möglichen Dämpfung dargestellt, wenn das System die Konfiguration gemäß den Fig. 5 und 6 aufweist. Die erzielten Ergebnisse zeigen den Dämpfungsabfall, wenn die Wellenführung 19 in Richtung auf das Ende des Kanalsystems bewegt wird, wobei dies in Übereinstimmung mit den Gleichungen (1) und (2) geschieht. Die Dämpfungspegel wurden in einer Laborausführung beobachtet, bei der der Kanal eine Abmessung von 12,5 cm× 17,5 cm aufwies, ohne daß hierbei die elektrische Schaltkreiskomponente gemäß der Erfindung verwendet wurde. Somit geben die Daten die maximalen Dämpfungspegel an, die mit dem zuvor beschriebenen physikalischen System erhalten werden können. Tatsächliche Dämpfungspegel bei Verwendung der elektrischen Komponenten haben sich in dem Bereich zwischen 25 und 35 dB für den Kanal von 12,5 cm×17,5 cm und für Kanäle mit einem weiten Bereich von Abmessungen ergeben. Diese Verminderung des Dämpfungspegels ist auf normale Komponententoleranzen, Annäherungen und Fehler in dem elektronischen System und auf das Signal/Rauschverhältnis der bekannten elektrischen Komponenten in der Größenordnung von 60 dB zurückzuführen, was alles zur Begrenzung der Gesamt-Systemleistung beiträgt.

Wie aus Fig. 8 entnommen werden kann, ist die erfindungsgemäße Ausführung gemäß den Fig. 5 und 6 in der Lage, eine relativ hohe Dämpfung bis zu einem Frequenzpegel zu liefern, wo die erste Kreuzmodulation angetroffen wird. Für einen Kanal mit einer Abmessung von 12,5 cm×17,5 cm tritt die erste Kreuzmodulation ungefähr bei 980 Hz auf. Obgleich höhere Frequenzen unter Verwendung von passiven Einrichtungen gedämpft werden können, schränkt die Größe die Kosten und die Unwirksamkeit von passiven Dämpfungseinrichtungen ihrer Anwendbarkeit in vielen Anwendungsfällen ein. Es wurde jedoch unerwartet entdeckt, daß der Bereich der möglichen Dämpfung mit der aktiven Geräuschdämpfungseinrichtung 11 auf Frequenzen bis zur zweiten Kreuzmodulation erweitert werden kann, indem der Aufhebungsschall über Wellenführungen 19 eingeführt wird, wobei die Wellenführungen symmetrisch gemäß den Fig. 7 und 7a angeordnet sind. Fig. 9 zeigt ein Diagramm für eine Konfiguration der aktiven Dämpfungseinrichtung 11, die im wesentlichen derjenigen von Fig. 7a entspricht, bei der ein Paar von Wellenführungen 19 parallel und zu jeder Seite des Kanals 13 zugeführt werden, was zur Eliminierung der ersten Kreuzmodulation führt.

Die folgende Beschreibung liefert eine kurze Diskussion der theoretischen Gründe für die Eliminierung der ersten Kreuzmodulation, wenn der Aufhebungsschall symmetrisch in einen den Quellenschall führenden Kanal eingeführt wird. Gemäß Fig. 7b, welche eine Endansicht des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 7a darstellt, sind die Abmessungen des primären Kanals 13 durch a und b gegeben. Die Abmessungen des symmetrisch angeordneten sekundären Kanals 14 (entsprechend der Wellenführung 19) sind durch c und e gegeben. Unter der Annahme, daß der Quellenschall in dem primären Kanal 13 und der Aufhebungsschall in dem sekundären Kanal 14 sich in der Richtung z fortpflanzen, kann der Schalldruck an irgendeinem Punkt (x, y, z0) in dem Kanal wie folgt angegeben werden:

Hierin bedeuten:
A_mn: Ein von der Quelle abhängiger Koeffizient:

die Fortpflanzung der Wellen in x- und y-Richtung bei einem Kanal mit harten Wänden;
e^-jkz^z: die Fortpflanzung der Wellen in z-Richtung;
e^j ^ω ^t: ein Zeitterm.

Aus Gleichung (3) kann durch herkömmliche Lösungsmethoden gezeigt werden, daß der Schalldruck unterhalb der ersten Kreuzmodulation sich wie folgt angeben läßt:

Hierin bedeuten:
ρ = Dichte des Mediums,
c = Schallgeschwindigkeit,
U₁ = Geschwindigkeitsamplitude des Aufhebungsschalls,
U₂ = Geschwindigkeitsamplitude des Quellenschalls,
S₁ = Bereich, über dem die Geschwindigkeitsamplitude U₁ ist,
S₂ = Bereich, über dem die Geschwindigkeitsamplitude U₂ ist.

Zur Erzielung einer theoretisch vollständigen Aufhebung (Poo=0) reduziert sich Gleichung (4) auf folgenden Ausdruck:

U₁S₁+U₂S₂ = 0 (5)

oder anders ausgedrückt:

Die Gleichungen 5 und 6 zeigen auf, daß der Volumenfluß des Aufhebungsschalls die gleiche Größe wie der der Geräuschquelle haben muß, aber um 180° phasenverschoben sein muß, was wohlbekannt ist. Die Wirkung auf die Kreuzmodulation durch Einführung des Aufhebungsschalls symmetrisch zu dem Quellenschall ist jedoch überraschend und wurde empirisch gefunden. Basierend auf den zuvor angegebenen theoretischen Betrachtungen kann gezeigt werden, daß der Druck an irgendeiner Stelle (x, y, z0) in dem Kanal sich wie folgt darstellt:

Für den Aufhebungszustand der ebenen Wellen, wie er durch die Gleichungen (5) und (6) zuvor angegeben wurde, kann der Koeffizient B_mn in ähnlicher Weise durch herkömmliche Verfahren folgendermaßen angegeben werden:

Somit ergibt sich für die erste Kreuzmodulation, wobei m=1 und n=0 ist, und unter der Annahme, daß a größer als b ist, der Wert B_mo=0, da der Ausdruck [1+(-1)^m] in Gleichung (8) für m=1 den Wert Null einnimmt. Dies zeigt, daß in der erfindungsgemäßen Konfiguration gemäß den Fig. 7 und 7a der Frequenzbereich, über den eine relativ hohe akustische Dämpfung erzielt werden kann, in wirksamer Weise durch die Eliminierung der ersten Kreuzmodulation verdoppelt wird.

Verfahren ähnlich denen, wie sie in Timesharing-Computern benutzt werden, können auf die elektronische Schaltkreiskomponente im vorliegenden Fall angewendet werden, wobei die Mikrophon- und Lautsprecher-Wandlercharakteristiken geeignet modifiziert werden, um einen Duplex-Betrieb der aktiven Dämpfungseinrichtung 11 gemäß den Fig. 10 und 11 zu erzeugen. Gemäß Fig. 10 ist eine getrennte Mikrophonanordnung 33, ein Lautsprecher 17, eine Wellenführung 19 und ein Mikrophon 35 für zwei getrennte Kanäle 13 mit jeweils einem akustischen Mischer 15 vorgesehen. Eine einzige elektrische Schaltkreiskomponente gemäß der Erfindung, wie sie zuvor beschrieben wurde, ist in der Lage, die getrennten physikalischen Systemkomponenten zu steuern, um eine Dämpfung in beiden Kanälen 13 zu erzielen. In Anwendungsfällen, wo zwei getrennte Kanalsysteme parallel betrieben werden, wobei jedes System den gleichen oder einen unterschiedlichen Quellenschall überträgt, besitzt somit die aktive Dämpfungseinrichtung 11 die Fähigkeit, eine Dämpfung in beiden Systemen mit einer einzigen elektrischen Schaltkreiskomponente zu erzielen.

Ein zweiter Anwendungsfall für die Mehrstufigkeit bzw. den Duplex-Betrieb gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 11 dargestellt. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, einen Dämpfungspegel von mehr als 25 bis 35 dB zu erzielen. Die Konfiguration gemäß Fig. 11 umfaßt zwei Gruppen von Mikrophonanordnungen 33, Lautsprechern 17, Wellenführungen 19 und Mikrophon 35, wobei eine Gruppe stromabwärts von der anderen innerhalb des gleichen Kanals 13 angeordnet ist. Wenn sich der Quellenschall durch den Kanal 13 fortpflanzt, so wird er durch den ersten Lautsprecher 17, wie zuvor erläutert, gedämpft, und sodann wird der gedämpfte Quellenschall weiter durch den zweiten Lautsprecher 17 in der gleichen Weise gedämpft. Durch die Anordnung zweier getrennter physikalischer Systemkomponenten der aktiven Dämpfungseinrichtung 11 in Reihe innerhalb eines einzigen Kanals 13 addiert sich die erzielte Dämpfung und führt zu einer beträchtlichen Verminderung des Schallpegels, der schließlich das Kanalsystem verläßt. Erneut ist eine einzige elektrische Schaltkreiskom ponente gemäß der Erfindung durch einen Timesharing-Betrieb in der Lage, beide Gruppen von physikalischen Systemkompo nenten zu steuern.

Die zweite primäre Komponente der aktiven akustischen Dämp fungseinrichtung 11 gemäß der Erfindung stellt die elektronische Steuerung des zuvor beschriebenen physikalischen Systemes dar. Eine kurze Beschreibung des Standes der Technik kann helfen, die Fortschritte schätzen zu lernen, die mit dem vorliegenden elektronischen Steuerschaltkreis erzielt wurden. Die lineare Summierung von zwei gleichen und entgegengesetzten Signalen ist lange als eine Lösung angesehen worden, um den Wert Null elektronisch bzw. akustisch zu erzeugen. Verschiedene der akustischen Aufhebungseinrichtungen, die bis heute entwickelt wurden, machen von der Anwendung von gleichen und entgegengesetzten Werten Gebrauch, wobei eine Aufhebungswelle, die durch einen Lautsprecher erzeugt wird, in einen begrenzten Raum, wie beispielsweise einen Kanal, eingeführt wird, um die durch Schallwellen erzeugten Druckvariationen zu vermindern, welche sich von einer vorgegebenen Quelle durch den Kanal fortpflanzen. Im einfachsten Modell kann das durch die Quelle erzeugte Signal als ein reiner Ton angesehen werden, der sich durch einen einzigen rotierenden Vektor darstellt. Das Aufhebungssignal muß dem Quellensignal mit irgendeinem maximal statthaften Fehler folgen, um die gewünschte Dämpfung zu erzielen. Ein bedeutendes Problem bei dieser Lösung, das von der vorliegenden Erfindung erkannt und gelöst wurde, ist darin zu sehen, daß die statthaften Amplituden- und Phasenfehler sich innerhalb Toleranzen halten müssen, die nur in den allerbesten akustischen Einrichtungen verfügbar sind. Um beispielsweise einen Aufhebungspegel von 20 dB zu erzielen, müssen die Fehler in den Mikrophonen, Lautsprechern und elektronischen Schaltkreisen solcher Systeme kleiner als 1 dB in der Amplitude sein und dürfen keine Phasenverschiebung von mehr als 6° aufweisen. Wie weiter unten in näheren Einzelheiten erläutert wird, löst die vorliegende Erfindung dieses Problem unter Verwendung einer Toleranz-Relaxations technik, die auf Rückführungsprinzipien beruht. Anstelle Genauigkeit für alle Komponenten zu fordern, konzentriert das Rückführungssystem die Leistungsanforderungen in wenigen leicht steuerbaren Einrichtungen.

Eines der jüngsten sog. aktiven Dämpfungssysteme kann der US-PS 41 22 303 entnommen werden, wobei dort angeblich ein adaptiver Prozeß verwendet wird, um eine Aufhebungswelle zu erzeugen, die in der Lage ist, den Wert Null zu bilden, wenn sie mit den Schallwellen einer Quelle kombiniert wird. Eine Prüfung dieses Systems zeigt jedoch auf, daß der elektronische Schaltkreis nicht auf einem wahren adaptiven Prozeß beruht, sondern eine Annäherungs- und Fehlerlösung beinhaltet, wobei eine Reihe von aufeinanderfolgenden Annahmen bzw. Abschätzungen des Fehlersignales gemacht werden, welches durch die Differenz zwischen der gewünschten und tatsächlichen Dämpfung vorgegeben ist. Unter Umständen werden die Annahmen des Fehlersignales immer enger an das gesuchte Fehlersignal gemäß von voreingestellten Werten angenähert. Die Annäherungs- und Fehlermethode ist nicht nur unverhält nismäßig langsam (im Bereich zwischen 5 und 30 Minuten), sondern das System muß nach Beendigung des Verfahrens von Hand abgeschaltet werden, um eine Systempendelung bzw. Schwingung zwischen besseren und schlechteren Werten zu vermeiden. Wenn der Annäherungs- und Fehlerprozeß in dem bekannten System einmal begonnen hat, so führt jede Änderung des Quellenschalles in den 5 bis 30 Minuten, die erforderlich sind, um den Prozeß zu vervollständigen, zusätzlich zu einer Systempendelung.

Ein Grundaspekt des hier vorliegenden elektronischen Schalt kreises ist der, daß es sich um ein zwangsläufiges System handelt, das echte adaptive Filter im Gegensatz zu der An näherungs- und Fehlerlösung der zuvor erwähnten bekannten Einrichtung verwendet. Dies bedeutet, daß der elektronische Schaltkreis gemäß der Erfindung automatisch seine eigenen Parameter einstellt und seine Leistung gemäß spezifischen Kriterien zu optimieren versucht. Durch die Verwendung der zuvor erwähnten Rückführungsprinzipien ist der hier vorliegende elektronische Schaltkreis zusätzlich nicht so abhängig von den Toleranzanforderungen der akustischen Einrichtungen, wie sie in vielen bekannten Systemen verwendet werden. Wenn die statthaften Amplituden- und Phasenfehler der akustischen Einrichtungen in bekannten Systemen in der Größenordnung von 1 dB bezüglich der Amplitude und 6° bezüglich der Phase liegen, so kann der hier vorliegende elektronische Schaltkreis in der Tat Amplituden- und Phasenfehler im Bereich von wenigstens 10 dB und 45° tolerieren. Durch Entspannung der Toleranz anforderungen kann die Installierung und Wartung des Systems durch gewöhnlich ausgebildete Techniker ausgeführt werden, wodurch sich die aktive akustische Dämpfungseinrichtung 11 in einer Vielzahl von Anwendungsfällen als kommerziell lebens fähig erweist.

Der elektronische Schaltkreis der aktiven Dämpfungseinrichtung 11 verwendet eine modifizierte Form des adaptiven Widrow-Roff LMS-Algorithmus in einer echten adaptiven akustischen Aufhebungskonfiguration. Der LMS-Algorithmus wurde für die Verwendung in Signalverbesserungssystemen entworfen, wobei die Verbesserung des Verhältnisses von Signal zu Geräusch, d. h. die Geräuschverminderung, alleine in dem elektronischen Schaltkreis erzielt wurde. Dieser Algorithmus wurde beträchtlich in dem vorliegenden Schaltkreis modifiziert, um seinen Betrieb auch dann zu gestatten, wenn die Vibrations- bzw. Geräuschverminderung und/oder Aufhebung in einem physikalischen System erzielt werden soll, das mit Verzögerungen, wie beispielsweise in einem akustischen Feld, behaftet ist. Die Modifikationen des Widrow-Roff LMS-Algorithmus behalten die Vorteile der Signalverarbeitung in dem ursprünglichen Algo rithmus bei und gestatten die Anwendung dieser Vorteile auf aktive akustische Aufhebungsprobleme. Andere adaptive Algorithmen liegen für die Lösung der quadratischen Fehlerfunktion vor und viele dieser Lösungen könnten modifiziert werden, um befriedigend in einer akustischen Kompensationseinrichtung zu arbeiten. Der Zweck des adaptiven Algorithmus, der unten in Einzelheiten erläutert wird, liegt darin, eine optimale oder nahezu optimale Lösung für das Aufhebungsfilter zu finden. Andere Algorithmen, die gemäß der vorliegenden Lehre modifiziert werden, können diese Funktion ebenfalls verwirklichen und sollen daher als in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallend angesehen werden.

Bevor die Modifikation des LMS-Algorithmus in den adaptiven Filtern der vorliegenden Erfindung erläutert wird, sei ein adaptives Filter erläutert, dessen Betrieb durch einen LMS-Standard-Algorithmus gesteuert wird. Gemäß Fig. 12 ist ein adaptives Filter dargestellt, das den Widrow-Roff LMS-Standard-Algorithmus verwendet. Das Grundelement eines adaptiven Filters ist als Transversalfilter 53 bekannt, das durch gestrichelte Linien in Fig. 12 angezeigt ist. Das Transversalfilter 53 kann als eine Reihe von Verzögerungs elementen angesehen werden, wobei der Filterausgang von einer gewichteten Summierung der verzögerten Ausgangssignale abgeleitet wird. In Fig. 12 wird eine Gruppe von n Messungen S(t) abgetastet, um n Abtastmessungen S(j) zu bilden, wobei j den Abtast-Zeitindex darstellt. Jeder der Punkte 37 in Fig. 12 kann als Quelle von abgetasteten Eingangswerten angesehen werden, wobei der Faktor Z^-1 eine Verzögerung darstellt. Jeder Abtastwert 37 wird mit einem entsprechenden Gewichtskoeffizienten W(j) in dem Multiplizierer 39 multipliziert und die gewichteten Meßwerte werden in einen Summierer 41 eingegeben, um ein Ausgangssignal y_j am Ausgang des Transversalfilters 53 zu bilden. Dieses Ausgangssignal y_j wird mit einer geforderten Antwort d_j in einen Summierer 43 verglichen, um ein Fehler signal e_j zu bilden.

Das Ziel des LMS-Algorithmus, der den Betrieb des Transversalfilters 53 steuert, liegt darin, zwangsweise den Gewichts koeffizienten in solcher Weise zu erhalten, daß das Fehler signal e_j auf ein Minimum reduziert wird und die gewichtete Summe der Eingangssignale gefunden wird, die am besten der geforderten Antwort entspricht. Veränderungen in dem Gewichtsvektor zur Verwirklichung dieses Zieles werden entlang der Richtung des geschätzten Gradientenvektors vorgenommen, wobei diese Veränderungen auf der Methode des steilsten Abfalles der quadratischen Fehlerfläche basieren. Eine detaillierte Behandlung dieses Gegenstandes kann dem Artikel von Prof. Bernard Widrow mit dem Titel "Adaptive Filters" aus Aspects of Network and System Theory, herausgegeben von Rudolph E. Kalman und Nicholas DeClaris, entnommen werden. Eine Blockdiagrammdarstellung einer digitalen Verwirklichung des LMS-Algorithmus findet sich in dem rechten Teil von Fig. 12, der in den gestrichelten Linien enthalten ist und allgemein mit der Bezugsziffer 55 versehen ist. Obgleich hier eine digitale Form gezeigt ist, sei vermerkt, daß eine analoge Realisierung des LMS-Algorithmus und des Transversal filters ebenfalls verwendet werden kann.

Zum Zwecke der Darstellung sind nur zwei Abtast-Eingangswerte und ihre entsprechenden gewichteten Funktionen in der Zeichnung dargestellt. Der Eingang S(j) wird zu einem Multipli zierer 45 gesendet. Das Fehlersignal e_j zusammen mit einem Skalierungsfaktor µ, der die Konvergenzgeschwindigkeit und Stabilität des Algorithmus steuert, wird in einen Multi plizierer 45 eingegeben. Das skalierte Fehlersignal wird sodann in den Multiplizierer 45 mit dem Signal S(j) multi pliziert und dieses Produkt wird in einen Summierer 49 und eine Einheitsverzögerung 51 bzw. in einen Speicher C RAM (Koeffizient Random Access Memory) eingeführt. Die Gewichts einstellung W₁(j+1) wird zu dem einstellbaren Gewicht 39 entsprechend dem Eingangssignal S(j+1) zurückgesendet, dessen Produkt sodann einen Teil des Ausgangssignales des Trans versalfilters 53 bildet. Die gleiche Operation wird für das Eingangssignal S(j-1) entsprechend dem Gewicht W₂(j) ausgeführt. Wie zuvor erwähnt, hat sich der LMS-Algorithmus als wirksam in vielen adaptiven Signalverarbeitungsanwendungen erwiesen, wobei die von dem Fehlersignal festgestellte Ge wichtseinstellung direkt zu dem einstellbaren Gewicht ent sprechend dem Eingangssignal zurückgeführt werden kann, für welches es im wesentlichen ohne Verzögerung bestimmt wurde.

In der in Fig. 12 gezeigten Form sind der LMS-Algorithmus und das Transversalfilter nicht für die Anwendung bei einem akustischen Kompensationsproblem geeignet. Die Aufhebung einer akustischen Welle, die sich in einem Kanal fortpflanzt, erfordert ein gleiches und entgegengesetztes Signal zum Zu sammenwirken mit dieser Welle, um die maximalen Druckvariationen zu vermindern, die in dem akustischen Mischer 15 erzeugt werden. Die Zusammenwirkung von zwei Wellen erfordert eine endliche Länge der Wanderstrecke und einen entsprechenden Betrag an Zeit. Unter Bezugnahme auf die Fig. 13 und 14 kann beobachtet werden, daß in dem physikalischen System der aktiven Dämpfungseinrichtung 11 eine endliche Zeitdauer erforderlich ist, um zu der Mikrophonanordnung 33 fortzuschreiten, an der das Eingangssignal erfaßt wird. Zusätzlich liegt eine Zeitverzögerung für den Aufhebungsschall vor, der durch den Lautsprecher 17 erzeugt wird und sich durch die Wellenführung 19 zu dem akustischen Mischer 15 fortpflanzt. Diese Verzöge rungen müssen abgeschätzt werden aufgrund der Entfernungen in Metern in dem Kanal 13, dem akustischen Mischer 15 und der Wellenführung 19, wobei die Entfernung durch 330 m/sec zu dividieren ist, entsprechend der Schallgeschwindigkeit. Die zu erwartende Verzögerung für die meisten Systeme bewegt sich zwischen einigen Millisekunden und einigen Zehntel Sekunden. Unter Verwendung einer Abtastgeschwindigkeit von mehr als 2000 Abtastungen pro Sekunde ergibt sich - ausgedrückt in Abtastintervallen - die Verzögerung durch mehrere huntert Abtastintervalle.

Ausgedrückt in Abtastintervallen ergibt sich die Verzögerung wie folgt:

Verzögerung = K (1/Abtastgeschwindigkeit)

Hierin bedeutet K=eine ganzzahlige Konstante.

Der Widrow-Roff LMS-Algorithmus wurde modifiziert, um der dem physikalischen System der aktiven Dämpfungseinrichtung 11 anhaftenden Verzögerung Rechnung zu tragen, so daß die Gewichtskoeffizienten, die in dem Algorithmus festgelegt werden, an die entsprechenden Signaleingänge in dem Transversalfilter, für das die Gewichtskoeffizienten bestimmt wurden, angepaßt werden.

Für eine neue Signalabtastung S(j) kann der entsprechende Gewichtskoeffizient folgendermaßen angegeben werden:

W₁(j) = W₁(j-1) + µS [j-(K+1)] e(j-1) (10)

Hierin bedeutet µ=Skalierungsfaktor.

Der nächste Wert des Gewichts kann folgendermaßen angegeben werden:

W₁(j+1) = W₁(j) + µS (j-K) e(j) (11)

Hierin bedeutet:
i=Abgriffidentifikation,
s(j-k)=Eingangsabtastung K Intervalle danach.

Da jeder neue Abtastwert des Eingangssignales zu dem Transversalfilter 53 gesendet wird, erzeugt es das Produkt des ersten Gewichtskoeffizienten und der letzten Eingangsabtastung, welches Produkt zu dem Produkt aus dem zweiten Gewichts koeffizienten und der vorletzten Eingangsabtastung usw. bis zum letzten Gewichtskoeffizienten mal der ältesten Abtastung addiert wird. Die Gesamtansammlung dieser Ausdrücke bildet das Ausgangssignal y(j) des Transversalfilters 53. Die Ge wichtskoeffizienten werden durch die entsprechende Eingangs abtastung und das Fehlersignal fortgeschrieben, um den anhaf tenden Verzögerungen in dem physikalischen System Rechnung zu tragen. Fig. 13 zeigt eine digitale Realisierung des modifizierten LMS-Algorithmus gemäß der vorliegenden Erfindung (mit K=2), wobei die zuvor erläuterte Verzögerung berücksichtigt wird, so daß entsprechende Gewichtskoeffizienten, Eingangsabtastungen und Fehlersignale in dem adaptiven Filter kombiniert werden, um das Ausgangssignal y(j) zu erzeugen.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 5 und 14 sei nun der elektronische Schaltkreis der aktiven Dämpfungseinrichtung 11 ein schließlich der einen modifizierenden Widrow-Roff LMS-Algorithmus verwendenden adaptiven Filter erläutert. In seiner einfachsten Form gemäß Fig. 5 kann die grundlegende Operation der elektronischen Verwirklichung der aktiven Dämpfungsein richtung 11 durch die folgende Schrittfolge beschrieben werden:

1. Abtasten der Quellen-Schallwelle, die sich in dem Kanal 13 fortpflanzt (Signal).
2. Verzögerung, Filterung und Skalierung des Signales.
3. Ansteuerung des Lautsprechers 17 mit dem Ausgangssignal aus dem Schritt 2, um die geeignete Umkehrung des Signales zu injizieren.
4. Erfassen des akustischen Ausgangssignales des akustischen Mischers 15 (Fehler).
5. Einstellung (2) unter Verwendung des modifizierten LMS-Algorithmus.
6. Rückkehr zu (1).

Das adaptive Filter 23 gemäß Fig. 5 ist eine Anordnung mit drei Anschlüssen, wobei es zwei Eingänge und einen Ausgang aufweist. Es erhält ein Eingangssignal von der Mikrophonan ordnung 33 zugeführt, welches ein elektrisches Signal ent sprechend dem Quellenschall in dem Kanal 1 ist, und es erzeugt ein Ausgangssignal für die Ansteuerung des Lautsprechers 17 und die Erzeugung eines spiegelbildlichen Gegenstückes des Quellenschalls, wobei dieses Gegenstück in den akustischen Mischer 15 über die Wellenführung 19 eingeführt wird. Das durch das Mikrophon 35 erfaßte Ausgangssignal des akustischen Mischers 15 wird in das adaptive Filter 23 als ein Fehlersignal eingeführt, welches sich aus der Summierung des Quellenschalles und des spiegelbildlichen Gegenstückes in dem akustischen Mischer 15 ergibt.

Die akustische Fortpflanzungsverzögerung, die dem physikalischen System der aktiven Dämpfungseinrichtung 11 anhaftet, muß als eine Verzögerung über den vollen interessierenden Frequenzbereich auftreten. Die Phasentoleranz dieser Ver zögerung ist ungefähr ±45° bei jeder Frequenz. In dem Block diagrammschema des elektronischen Schaltkreises in Fig. 5 ist ein Phasenkorrekturfilter 29 zweiter Ordnung enthalten, um die akustischen Resonanzen in dem akustischen Mischer 15 zu kompensieren. Die Charakteristik des Filters 29 muß von Hand bestimmt werden unter Verwendung einer geeigneten Instrumentierung und basierend auf der Charakteristik des Kanals in einem speziellen Anwendungsfall. Wie weiter unten erläutert, kann diese Funktion mit einem adaptiven Filter verwirklicht werden, womit die manuelle Kalibrierung des Filters 29 ent fällt.

Eine Gleichstromschleife ist ebenfalls in dem Blockdiagramm der aktiven Dämpfungseinrichtung 11 in Fig. 5 enthalten und allgemein mit der Bezugsziffer 31 versehen. Das Mikrophon 35 ist nicht in der Lage, Komponenten sehr geringer Frequenz am Ausgang des akustischen Mischers 15 festzustellen, wobei diese Komponenten zusätzlich zu einer Gleichstromkomponente für den stabilen Betrieb des LMS-Algorithmus des adaptiven Filters 23 benötigt werden. Die Gleichstromschleife 31 ist enthalten, um die gleiche Komponente zu liefern und der LMS-Algorithmus ist modifiziert worden, um eine Anpassung an ein solches Eingangssignal herbeizuführen.

Gemäß den Fig. 14 bis 16 ist eine fortgeschrittene Ausführungsform der elektronischen Komponente der aktiven Dämpfungsein richtung 11 dargestellt. Drei diskrete adaptive Filter sind in der elektronischen Komponente der aktiven Dämpfungsein richtung 11 enthalten, wobei jedes Filter eine separate Funktion ausführt. Bevor die adaptiven Filterprozesse erläutert werden, sei die Funktion der verbleibenden Schaltkreiselemente erwähnt. Eine digitale Verwirklichung des adaptiven Algorithmus wird in dem Ausführungsbeispiel des elektronischen Schaltkreises der aktiven Dämpfungseinrichtung 11 verwendet. Die Analog/ Digital-Wandler (A/D), die in den Fig. 14 bis 16 allgemein mit der Bezugsziffer 63 versehen sind, liefern die Abtastwerte der ausgewählten Eigangssignale in digitaler Darstellung. Die Analog/Digital-Wandler 63 sind 12-Bit-Wandler mit sukzessiver Annäherung.

Der größte Teil der Signalverarbeitung innerhalb des elektronischen Schaltkreises erfolgt digital und die Abtastge schwindigkeit der Analog/Digital-Wandler 63 gibt einen oberen Grenzwert bezüglich der statthaften Bandbreite des Signales und der Fehlereingänge vor. Die beschränkte Abtast geschwindigkeit erfordert, daß die maximale Eingangsfrequenz weniger als die Hälfte der Abtastgeschwindigkeit betragen muß. Die Tiefpaßfilter 65 der Systemeingänge sind erforderlich, um die maximale Eingangsfrequenz auf weniger als die Hälfte der Analog/Digital-Abtastgeschwindigkeit zu begrenzen. Das Ausgangssignal des Digital/Analog-Wandlers 67 weist ebenfalls ein Frequenz-Zuordnungsproblem auf. Das Ausgangssignal der adaptiven Filter kann eine Resonanz in dem System anregen, wobei diese irgendein Vielfaches des Ausgangssignales des Digital/Analog-Wandlers 67 beträgt. Daher ist das Tief paßfilter 65 am Ausgang des Digital/Analog-Wandlers 67 er forderlich, um die maximale Ausgangsfrequenz auf das inter essierende Frequenzband zu begrenzen.

Die Multiplizierer 39, 45, 47 und 69 und die Akkumulatoren bzw. Addierer 41, 43, 49 und 71 in den Fig. 12-16 führen die für den adaptiven Prozeß erforderlichen Berechnungen durch. Es hat sich herausgestellt, daß der Multiplizierer/ Akkumulator für 12 parallele Bit der Firma TRW mit der Typenbezeichnung TDC1003J oder eine geeignete äquivalente Einrichtung, die hohen Anforderungen an die Rechengeschwindigkeit erfüllt.

Das erste der drei adaptiven Filter, die in der elektronischen Schaltkreiskomponente der aktiven Dämpfungseinrichtung 11 verwendet werden, kann als adaptives Aufhebungsfilter 22 bezeichnet werden, das in den Fig. 5 und 14 dargestellt ist. Das adaptive Aufhebungsfilter 23 umfaßt einen modifizierten LMS- Algorithmus, um den Betrieb seines Transversalfilters in der zuvor erläuterten Weise zu steuern. Die grundlegenden Filter funktionen des adaptiven Aufhebungsfilters 23, die das Phasen verhalten, die Amplitude und die Verzögerung beinhalten, werden durch das Transversalfilter verwirklicht, welches ein nicht-rekursives endliches Impuls-Antwortfilter ist. Die Filter verwirklichung ist ihrer Natur nach digital, wobei sowohl der Eingangssignalverlauf als auch die Abgriffgewichtung in einem Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) gespeichert sind. Wie zuvor erwähnt, kann die Operation des Transversalfilters beschrieben werden durch die Erzeugung des Produktes aus der ersten aus dem LMS-Algorithmus erhaltenen Gewichtung und der letzten Eingangsabtastung plus der zweiten Gewichtung aus dem Algorithmus mal der vorletzten Eingangsabtastung usw., bis die letzte Gewichtung mal der frühesten Abtastung aufsummiert ist. In Gleichungsform kann dies folgendermaßen angegeben werden:

Hierin bedeuten:
S_i=abgetastetes Eingangssignal entsprechend dem Abgriff i
W_i=Gewichtung des Abgriffes i,
i=Abgriffkennzeichnung,
I=Anzahl der Abgriffe.

Das adaptive Aufhebungsfilter 23 kann als ein Transversalfilter betrachtet werden, wenn die Gewichtungseinstellungen festgehalten werden. Der Betrieb des adaptiven Aufhebungsfilters 23 bestimmt die erforderlichen Werte für die Gewichtungen des gesuchten Filters (d. h. die optimalen Filterbedingungen) durch adaptive Einrichtungen und sie realisiert sodann die gesuchte Filterfunktion durch Verwendung der festgestellten Gewichtungen in dem Transversalfilter. Der Zweck des modifizierten LMS- Algorithmus ist es, den Betrieb des Transversalfilters zu steuern, indem die Filterfunktion des adaptiven Aufhebungs filters 23 an die gewünschte Filterfunktion angepaßt wird.

Das durch das Mikrophon 35 erfaßte Fehlersignal, welches zu dem adaptiven Aufhebungsfilter 23 gesendet wird, kann als die Summierung der durch das Mikrophon 33 erfaßten Quellendruckwelle, verzögert um die akustische Laufzeit von diesem Punkt zu dem Mikrophon 35, und der durch den Lautsprecher 17 erzeugten Aufhebungswelle, verzögert durch die Laufzeit über die Wellenführung 19 und den akustischen Mischer 15 zu dem Mikrophon 35, angesehen werden. Bei der physikalischen Positionierung der Mikrophonanordnung 33, des Lautsprechers 17, der Wellen führung 19 und des Mikrophons 35 in bezug aufeinander in dem Kanal 13 und in dem akustischen Mischer 15 muß die Gesamt verzögerung bzw. Länge von der Mikrophonanordnung 33 zu dem Mikrophon 35 größer als die Gesamtverzögerung bzw. Länge von dem Lautsprecher 17 zu dem Mikrophon 35 plus der Verzögerung durch die zugeordneten Tiefpaßfilter 65 sein. In Gleichungsform kann diese Beziehung folgendermaßen ausgedrückt werden (siehe Fig. 5):

Hierin bedeuten:
λmin=kürzeste interessierende Wellenlänge,
T=Abstand zwischen der Mikrophonanordnung 33 und dem Mikrophon 35,
d₁=Abstand von der Wellenführung 19 zu dem Mikro phon 35,
d₂=Abstand von dem akustischen Mischer 15 (d. h. in Ausrichtung mit dem Mikrophon 35) zu dem Lautsprecher 17,
D_f=Verzögerung, die den Tiefpaßfiltern 65 zuge ordnet ist.

Die Verzögerung D_f der Tiefpaßfilter 65 kann durch die Grenz frequenz F_max ausgedrückt werden. Ein Tiefpaßfilter 65 vierter Ordnung besitzt eine Verzögerung von 45° für jeden Pol der Grenzfrequenz und ein guter Filterentwurf stellt eine An näherung an ein konstantes Verzögerungsfilter dar. Daher kann die Verzögerung für ein Filter vierter Ordnung an 1/2F_Grenz angenähert werden und D_f kann als ungefähr gleich mit 1/F_Grenz für die zwei Gruppen von Filtern vierten Ordnung in Reihe angesehen werden.

Das zweite adaptive Filter in der elektrischen Schaltkreis komponente des aktiven Dämpfungsgliedes 11 kann als adaptives Entkopplungsfilter 75 bezeichnet werden, das in den Fig. 14 und 15 dargestellt ist. Ein den meisten aktiven Dämpfungsein richtungen zugeordnetes wichtiges Problem ist die Erzeugung von stehenden Wellen oder mechanischen Vibrationen des Kanales infolge des Aufhebungsschalles, der durch den Lautsprecher eingeführt wird und sich in Richtung auf das Mikrophon bzw. die Mikrophonanordnung fortpflanzt, die den Quellenschall erfaßt. Diese Kopplung hat das Bestreben, die Einschätzung des durch das Mikrophon erfaßten Signales des stromabwärts sich fortpflanzenden Quellenschalls zu beeinträchtigen und die Wirksamkeit des Aufhebungssystems zu vermindern. Obgleich in einer Richtung abstrahlende Mikrophone vorgeschlagen worden sind, um dieses Problem zu vermeiden, sind sie alleine nicht hinreichend wirksam, um diese dem System anhaftende Beschränkung zu vermeiden.

Das hier vorliegende adaptive Entkopplungsfilter 75 löst dieses Problem folgendermaßen. Gemäß Fig. 15 steuert eine breitbandige Geräuschquelle 76 den Aufhebungs-Lautsprecher 17 und das adaptive Entkopplungsfilter 75. Vor dem Start des Systems wird die Geräuschquelle 76 automatisch eingestellt, um den Kanal 13 auf einem Schallpegel zu betreiben, der höher als der Schallpegel der Quelle ist und für die Aufhebung des erwarteten Quellengeräuschs erforderlich ist. Der adaptive Prozeß vermindert das Ausgangssignal des Fehlersummierers und paßt die Übertragungsfunktion des Transversalfilters in dem adaptiven Entkopplungsfilter 75 an die akustische in dem Kanal 13 vorliegende Kopplung an, zu welchem Zeitpunkt die Geräuschquelle 76 abgeschlossen ist. Beim Start des Systems steuert das adaptive Entkopplungsfilter 75 den Lautsprecher 17 an. Die Komponenten der Lautsprechersteuerung, die in dem Ausgangssignal der Mikrophonanordnung 33 auftreten, werden entfernt, indem ein gleiches und entgegengesetztes Signal im Summierer 71 substrahiert wird. Der Subtraktionsprozeß wird im digitalen Bereich des adaptiven Entkopplungsfilters 75 und in dem Summierer 71 verwirklicht. Obgleich dieses Verfahren nicht gänzlich den Einfluß des Ausgangssignales von dem Lautsprecher 17 auf die Mikrophonanordnung 33 eliminiert, ist in den meisten Anwendungsfällen eine ausreichende Vermin derung erzielbar.

Gemäß den Fig. 14 und 16 ist das dritte adaptive Filter der elektronischen Schaltkreiskomponente in der aktiven Dämpfungs einrichtung 11 dargestellt, welches als ein adaptives Kompen sationsfilter 79 bezeichnet werden kann. Wie zuvor im Zusammen hang mit der Erläuterung der grundlegenden elektronischen Komponente gemäß Fig. 5 erwähnt, muß die Kompensationsein richtung in Reihe zwischen dem Ausgangssignal des adaptiven Aufhebungsfilters 23 und dem Eingang des Fehlersignales vor gesehen sein, um einen stabilen Betrieb des modifizierten LMS-Algorithmus sicherzustellen. Während diese Kompensation durch ein Phasenkorrekturfilter 29 zweiter Ordnung in Fig. 5 dargestellt wurde, wurde vermerkt, daß die manuelle Kali brierung des Filters 29 durch ein adaptives Filter verwirk licht werden kann. Das adaptive Kompensationsfilter 79 führt diese Funktion aus.

Gemäß Fig. 16 sind das adaptive Kompensationsfilter 79, der Lautsprecher 17, die Wellenführung 19, der akustische Mischer 15 und das Mikrophon 35 in Reihe zueinander und parallel zu dem Breitband-Verzögerungsschaltkreis, bestehend aus der Ver zögerung bzw. dem Speicher 78, geschaltet. Vor dem Start des Systems und nach Beendigung des zuvor beschrieben Entkopp lungsprozesses wird die Geräuschquelle 76 aktiviert, um den Kanal 13 und den akustischen Mischer 15 anzusteuern. Die Summierung der parallelen Signalpfade ergibt das Fehler-Ein gangssignal in das adaptive Kompensationsfilter 79. Der adaptive Prozeß paßt die Gesamt-Übertragungsfunktion der Reihen schaltung an die echte Verzögerung der Geräuschquelle 76 durch die Verzögerung 78 an. Auf diese Weise werden die Ge wichtungen für das gesuchte Filter erzeugt, und das durch das adaptive Aufhebungsfilter 23 empfangene Fehlersignal liegt innerhalb der richtigen Phasentoleranz, um den stabilen Be trieb sicherzustellen.

Der Verzögerungsschaltkreis 78 in Fig. 16 verzögert das Signal von der Geräuschquelle 76 um ein ganzzahliges Vielfaches der Eingangs-Abtastintervalle (K). Die Modifikation des LMS- Algorithmus im adaptiven Filter 23 in Fig. 14 liefert eine Verzögerung von K Abtastintervallen in der Berechnung für den nächsten Wert von W_i. Der Wert von K wird größer sein als die akustische Verzögerung von dem Lautsprecher 17 zu dem Signaleingang des adaptiven Kompensationsfilters 79 in Fig. 16. Der Wert von K kann groß eingestellt werden, so daß ein Wert in den meisten Anwendungsfällen benutzt werden kann. Die Anpassung der Verzögerung von dem Ausgang zu dem Fehler eingang des adaptiven Aufhebungsfilters 23 in Fig. 14 an die Verschiebung des abgetasteten Signales, das bei der Berechnung des Wertes für die nächste Gewichtung benutzt wird, stellt die Stabilität des modifizierten LMS-Algorithmus sicher.

Während die Erfindung unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, versteht es sich für die Fachleute, daß verschiedene Änderungen erfolgen können und Äquivalente für Elemente ersetzt werden können, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird. Zusätzlich können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine spezielle Situation oder ein Material an die Lehren der Erfindung anzu passen, ohne daß der wesentliche Rahmen verlassen wird. Die Erfindung soll daher alle Ausführungsbeispiele umfassen, die in den Rahmen der angefügten Ansprüche fallen.

Eine Schalldämpfungseinrichtung weist eine Mikrophonanordnung zur Erfassung des von einer Quelle ausgesandten und sich in einem Kanal ausbreitenden Schalles auf. Das von der Mikrophon anordnung in ein elektrisches Signal umgewandelte Schallsignal wird einem modifizierten adaptiven Filter in einem elektronischen Schaltkreis zugeführt. Das adaptive Filter steuert einen Lautsprecher an, der über eine Schallwellenzuführung einen Kompensationsschall einem akustischen Mischer zuführt, wobei dieser Kompensationsschall den gleichen Pegel wie der Quellenschall aber eine Phasenverschiebung von 180° zu diesem aufweist. Ein weiteres Mikrophon an einer Stelle stromabwärts von der Stelle, an der der Schall additiv überlagert wird, erzeugt ein Fehlersignal, das zur Korrektur der adaptiven Filtereinstellung verwendet wird, so daß eine optimale Dämpfung erzielt wird.

Claims

1. Einrichtung für die aktive Dämpfung von Schall, welche sich von einer Quelle in zumindest einem Kanal (13) fortpflanzt, mit

a) zumindest einer Eingangs-Sensoreinrichtung (33) zur Erfassung des Schalles aus der Quelle,
- - wobei mittels der Eingangs-Sensoreinrichtung (33) erste elektrische Signale erzeugt sind, welche die Amplituden- und die Phasencharakteristika des Schalles aus der Quelle darstellen, und
b) zumindest einer Aufhebungseinrichtung (17), zur Erzeugung von Aufhebungsschall,
- - wobei der Aufhebungsschall zur Schallkompensation des Schalles aus der Quelle in den Kanal (13) einführbar ist,
c) zumindest einer Fehler-Sensoreinrichtung (35) zur Erfassung der Kombination des Aufhebungs-Schalles und des Schalles aus der Quelle,
- - wobei mittels der Fehler-Sensoreinrichtung (35) zweite elektrische Signale erzeugbar sind, welche die Amplituden- und Phasencharakteristika des Schalls nach der Schallkompensation darstellen,
- - wobei die Erzeugung der zweiten elektrischen Signale durch die Fehler-Sensoreinrichtung (35) wegen der Ausbreitungszeit des Schalles aus der Quelle von der Eingangs-Sensoreinrichtung (33) zu der Aufhebungseinrichtung (17) und der Ausbrei tungszeit des Schalles aus der Quelle und des Auf hebungsschalles zu der Fehler-Sensoreinrichtung (35) zeitlich verzögert zu der Erzeugung der ersten elektrischen Signale durch die Ein gangs-Sensoreinrichtung (33) erfolgt, und
d) einer elektronischen Steuereinrichtung, welche zur Aktivierung und Regelung der Aufhebungseinrichtung (17) zur Erzeugung des Aufhebungsschalles mit der Eingangs-Sensoreinrichtung (33), der Aufhebungsein richtung (17) und der Fehler-Sensoreinrichtung (35) verbunden ist,
- - wobei die elektronische Steuereinrichtung ein anpaßbares Aufhebungsfilter (23) umfaßt, welches zur Anpassung der akustischen Ausbreitungsverzöge rungen einen modifizierten Bestimmungsalgorithmus verwendet,

gekennzeichnet durch
einen mit dem Kanal (13) verbundenen akustischen Mischer (15), der eine Fortsetzung des Kanales (13) für die Fortpflanzung des Quellenschalles bildet,
wobei der akustische Mischer (15) an dem Kanal (13) an einer Stelle angeschlossen ist, die einen Abstand von der Eingangs-Sensoreinrichtung (33) in Richtung der Fortpflanzung des Quellenschalles aufweist,
eine Wellenführung (19) zur Verbindung der Aufhebungs einrichtung (17) mit dem akustischen Mischer, wobei die Wellenführung (19) eine Wegstrecke für die Fortpflanzung des Aufhebungsschalles von der Aufhebungseinrichtung (17) zu dem akustischen Mischer (15) zur Dämpfung des Quellenschalles vorgibt und vom Ende des Kanales (13) in einem Abstand angeord net ist, der nicht geringer als die dreifache Abmessung des größeren Wertes von Höhe und Tiefe der Kanalabmes sung ist, um eine optimale Dämpfung zu erzielen,
wobei die Fehler-Sensoreinrichtung (35) innerhalb des akustischen Mischers (15) an einer Stelle, die einen Abstand von der Wellenführung (19) aufweist, angeordnet ist und das akustische Ausgangssignal von dem akustischen Mischer (15) erfaßt und elektrische Signale erzeugt, die die Amplituden- und Phasencharakteristik des akustischen Ausgangssignales repräsentieren,
und die elektronische Steuereinrichtung mit der Ein gangs-Sensoreinrichtung (33), der Aufhebungseinrichtung (17) und der Fehler-Sensoreinrichtung (35) verbunden ist und die elektrischen Signale von der Eingangs-Sensorein richtung (33) vergrößert, filtriert und skaliert, um die Ausgangssignale für die Ansteuerung der Aufhebungseinrichtung (17) und somit den Aufhebungsschall zu erzeugen und um zwangsweise die auf den elektrischen Signalen von der Fehler-Sensoreinrichtung (35) basierenden Ausgangs signale einzustellen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangs-Sensoreinrichtung (33) aus einer Mikrofon anordnung besteht.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhebungseinrichtung (17) aus einem Laut sprecher besteht.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuereinrichtung außer dem adaptiven Aufhebungsfilter (23) einen Verstärker (25), ein Phasenkorrekturfilter (29) und eine Gleichstromschleife umfaßt, wobei das adaptive Aufhe bungsfilter (23) ein Transversalfilter und einen dessen Betrieb steuernden modifizierten LMS-Algorithmus aufweist und eine Anpassung an die anhaftenden akustischen Zeitverzögerungen der Einrichtung vornimmt, die sich aus der Zeit ergeben, welche für die Fortpflanzung des Quellen schalls durch den Kanal (13) und des Aufhebungsschalles durch die Wellenführung (19) benötigt wird.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhebungseinrichtung (17) in einer Schutzumhüllung (21) angeordnet ist, welche mit akustisch absorbierendem Material ausgekleidet ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekenn zeichnet durch einen ersten und einen zweiten Kanal (13), eine erste und eine zweite Eingangs-Sensoreinrich tung (33) und eine erste und eine zweite Aufhebungsein richtung (17) für die Erzeugung von Aufhebungsschall mit entsprechender Amplitude und 180° Phasenverschiebung in Bezug auf den Quellenschall.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekenn zeichnet durch eine erste in dem Kanal (13) angeordnete Eingangs-Sensoreinrichtung (33) an einer Stelle in dem Mischer (15) in einem Abstand von der ersten Wellenfüh rung (19) in Richtung der Fortpflanzung des Quellen schalles, wobei die zweite Eingangs-Sensoreinrichtung (33) den Quellenschall erfaßt, der durch den ersten Aufhebungsschall gedämpft ist und wobei eine zweite Auf hebungseinrichtung (17) für die Erzeugung eines zweiten Aufhebungsschalles an dem Mischer (15) vorgesehen ist, welche mit einer zweiten Wellenführung (19) zur Ein leitung des Aufhebungsschalles verbunden ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekenn zeichnet durch ein Paar von Wellenführungen (19) Verbin dung der Aufhebungseinrichtung mit dem Mischer (15), wobei die Wellenführungen (19) parallel an gegenüber liegenden Seiten mit dem Mischer (15) an einer Stelle verbunden sind, die einen Abstand von der Sensorein richtung in Richtung der Fortpflanzung des Quellenschalles aufweist und wobei die Wellenführung den Aufhebungsschall in den Mischer (15) in der Fortpflanzungsrichtung des Quellenschalles einführt, wodurch die Bildung der ersten Kreuzmodulation des Quellenschalles in dem Mischer (15) verhindert wird.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von Wellenführungen (19) senkrecht mit dem akustischen Mischer (15) und zueinan der ausgerichtet auf beiden Seiten des Mischers (15) angeordnet sind, um getrennte Wegstrecken für die Fort pflanzung des Aufhebungsschalles von der Aufhebungsein richtung (17) zu dem akustischen Mischer (15) vorzugeben und dadurch die Bildung der ersten Kreuzmodulation des Quellenschalles innerhalb des Mischers (15) zu ver hindern.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das adaptive Aufhebungsfilter (23) die elektrischen Signale von der Eingangs-Sensoreinrichtung (33) verzögert, filtert und skaliert und Ausgangs signale für den Verstärker (25) erzeugt, wobei der Ver stärker die Aufhebungseinrichtung (17) ansteuert, um den Aufhebungsschall zu erzeugen, wobei das Phasenkompensa tionsfilter (29) die Phasencharakteristik des von der Fehler-Sensoreinrichtung (35) erzeugten elektrischen Signales einstellt und wobei die Gleichstromschleife ein Gleichstromsignal für die Einführung in das adaptive Aufhebungsfilter (23) erzeugt, um dessen stabilen Be trieb sicherzustellen und wobei das adaptive Aufhebungs filter (23) zwangsweise die Verzögerung, die Filterung und Skalierung der elektrischen Signale von der Ein gangs-Sensoreinrichtung (33) basierend auf dem von der Fehler-Sensoreinrichtung (35) empfangenen elektrischen Signal einstellt, um Ausgangssignale für die Ansteuerung der Aufhebungseinrichtung (17) und für die Erzeugung des Aufhebungsschalles so zu erzeugen, daß der Aufhebungs schall eine spiegelbildliche Amplitude und Phasen charakteristik zu dem Quellenschall innerhalb vorgegebener Grenzen aufweist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kanäle (13) vorgesehen sind.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Tiefpaßfilter eine Verarbei tungsverzögerung der Funktion des elektronischen Schalt kreises vorgeben, daß eine akustische Verzögerung durch die Zeit der Fortpflanzung des Qellenschalles von der Eingangs-Sensoreinrichtung (33) zu der Fehler-Sensorein richtung (34) und durch die Zeit der Fortpflanzung des Aufhebungsschalles von der Aufhebungseinrichtung (17) zu dem akustischen Mischer (17) erzeugt wird, wobei zur Anpassung an diese Verzögerungen der räumliche Abstand zwischen der Eingangs-Sensoreinrichtung (33), der Aufhe bungseinrichtung (17) und der Fehler-Sensoreinrichtung (35) gemäß folgender Beziehung vorgegeben wird: T < λmin/4 + d₁ + d₂ + D_fwobei
T=Abstand zwischen Eingangs-Sensoreinrichtung (33) und Fehler-Sensoreinrichtung (35),
λmin=kürzeste interessierende Wellenlänge in dem Quellenschall,
d₁=Abstand zwischen Aufhebungseinrichtung (17) und akustischem Mischer (15),
d₂=Abstand zwischen Wellenführung (19) und Fehler-Sensoreinrichtung (35),
D_f=den Tiefpaßfiltern zugeordnete Verzögerung.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufhebungsschall wenigstens einige stehende Wellen in entgegengesetzter Richtung zu dem Quellenschall erzeugt, wobei die stehenden Wellen durch die Eingangs-Sensoreinrichtung (33) feststellbar sind und eine Komponente der durch die Eingangs-Sensor einrichtung (33) erzeugten elektrischen Signale bilden.