DE4236155C2 - Verfahren und Anordnung zur aktiven Innengeräuschreduzierung bei Fahrzeugen - Google Patents
Verfahren und Anordnung zur aktiven Innengeräuschreduzierung bei FahrzeugenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur aktiven
Innengeräuschreduzierung bei Fahrzeugen gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1 und 10 und auf eine Anordnung zur Durchführung
des Verfahrens nach Patentanspruch 8.
Die Leistungsfähigkeit des Fahrers eines Kraftfahrzeuges wird
nicht unwesentlich vom Geräuschpegel im Fahrzeuginnenraum be
einflußt. Das Innengeräusch von Fahrzeugen mit Vierzylinder
motoren wird sehr stark von der Motordrehzahl bestimmt.
Es sind bereits Verfahren zur aktiven Geräuschminderung im
Innenraum von Fahrzeugen, insbesondere von Kraftfahrzeugen
bekannt. Dabei wird eine aktive Geräuschkompensation durch die
Auslöschung von Schall durch ein gegenphasig abgestrahltes
Schallfeld erreicht. Die Nachbildung und Invertierung des
Schallfeldes im Fahrzeug-Innenraum stößt aufgrund seiner
komplexen räumlichen Verteilung und der komplizierten
Frequenzbänder auf große Probleme. Es werden daher meist nur
ausgewählte Frequenzen, hauptsächlich die zweite Motor
harmonische, kompensiert.
In der "Automobiltechnischen Zeitschrift" 92 (1990) 1,
Seiten 6 bis 12, wird eine Einrichtung zur aktiven Innen
geräuschreduzierung vorgeschlagen, die von der Motordrehzahl
ausgeht. Die aktuelle Drehzahl wird direkt am Motorblock
erfaßt und einem digitalen Signalprozessor und einem Ton- bzw.
Sinusgenerator zur Bestimmung der geräuschbestimmenden zweiten
Motorordnung zugeführt. Als die zweite Motorordnung wird die
doppelte Frequenz der Kurbelwellendrehzahl bezeichnet. Die
Frequenz des Kompensationssignals wird aus dieser Messung der
Motordrehzahl bestimmt. Das Fahrzeuginnengeräusch wird von
Mikrofonen, die an geeigneten Stellen des Innenraumes angeord
net sind, während des Fahrbetriebes aufgenommen. Im Signal
prozessor wird fortlaufend die Amplitude und die Phase des
aufgenommenen Signals bestimmt und zur Steuerung des Tongene
rators verwendet, der ebenfalls auf die Kurbelwellendrehzahl
des Motors synchronisiert ist. Im Tongenerator wird ein Gegen
signal erzeugt, welches über Lautsprecher abgestrahlt wird.
Bei dem in der DE 27 21 754 A1 vorgeschlagenen Verfahren und
der Anordnung zur Verringerung des Geräuschpegels im Kopf
bereich von Personen wird einem besonders störenden Frequenz
anteil in dem von der Geräuschquelle verursachten Geräusch
pegel ein gegenphasiges sinusförmiges Schallsignal gleicher
Intensität überlagert.
Des weiteren ist aus der DE 39 08 881 A1 ein zusätzliches
Meßsignal zur Ermittlung der Übertragungsfunktion des Schallweges bekannt.
Nachteilig ist es bei allen bekannten Verfahren und Einrich
tungen, daß die Ermittlung des Kompensationssignales unab
hängig von dem Einfluß der physikalischen Umgebung, in der die
Übertragungsfunktion wirkt, erfolgt. Veränderte Umweltbe
dingungen werden damit nur unzureichend durch eine Nach
optimierung anhand des Meßsignals vom Meßmikrofon berück
sichtigt. Das Kompensationsverhalten kann sich jedoch
erfahrungsgemäß sehr schnell so stark verändern, daß die
gesamte Kompensationsanordnung zum Schwingen neigt.
Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren und eine Anordnung der gattungsgemäßen Art zu
schaffen, mit dem die Übertragungsfunktion aktuell bestimmt
und zur Berechnung des Kompensationssignals berücksichtigt
werden kann.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der
Ansprüche 1, 8 und des nebengeordneten Anspruches 10 gelöst.
Die Einbeziehung von Veränderungen bei den physikalischen
Umgebungsparametern durch Korrektur der nachgebildeten
Übertragungsfunktion erlaubt eine Innengeräuschreduzierung,
die über alle denkbaren Umgebungszustände konstant bleibt.
Neben der erreichbaren gleichbleibenden Güte der Geräusch
kompensation ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl
eine technisch weniger aufwendige Schmalbandkompensation einer
oder einiger weniger ausgewählter Frequenzen (z. B. der 2.
oder 2. und 4. Motorharmonischen) als auch eine echte breit
bandige Kompensation mit hohem Soft-und Hardware-Aufwand rea
lisierbar. Die Erweiterung auf eine breitbandige Kompensation
ist insbesondere mit einer hohen Signalverarbeitungsgeschwin
digkeit und einem großen Speicherplatzangebot u. a. für die
Eingabe vieler Tabellen zur Korrelation zwischen dem aktuellen
Geräuschpegel und der zu aktivierenden zugehörigen Übertra
gungsfunktion gewährleistet.
Durch die direkte Messung der Übertragungsfunktion während der
Kompensation mit einem unterschwelligen Anregungssignal,
dessen Pegel unter der durch die Fahrgeräusche erzeugten
Verdeckungsschwelle des menschlichen Gehörs liegt, ist es ohne
Störung der Fahrzeuginsassen möglich, ein optimales Ergebnis
der Geräuschreduzierung aller Fahrgeräusche im Fahrzeuginnen
raum zu erzielen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Ausführungs
beispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung
zeigen:
Fig. 1 das vereinfachte Blockschaltbild der Anordnung zur
aktiven Innengeräuschreduzierung,
Fig. 2 das Diagramm der Kompensationswellenlänge in
Abhängigkeit von der Temperatur und
Fig. 3 das Diagramm der Schalldruckpegel für verschiedene
Geräusche.
In der Fig. 1 ist das vereinfachte Blockschaltbild der Anord
nung zur aktiven Innengeräuschreduzierung anhand einer Schmal
bandkompensation dargestellt. Der zu kompensierende Raum 3,
hier der Fahrgastraum eines Kraftfahrzeuges, enthält Mikrofone
5 und Lautsprecher 6, zwischen denen der akustische Übertra
gungsweg 4 gebildet ist. Im Raum 3 ist ein Sensor 2 zur Er
fassung von physikalischen Parametern im zu kompensierenden
Raum 3 angeordnet. Das Signal des Sensors 2 wird mit in einem
Speicher 10 eines digitalen Prozessors 11 abgelegten Werten
korreliert. Der digitale Prozessor 11, der ein Signal
prozessor, ein Mikroprozessor o. dgl. sein kann und der mit
der notwendigen Peripherie zur Berechnung des Kompensations
signales ausgestattet ist, enthält gemäß der Fig. 1 als
wichtigste Funktionseinheiten einen Amplitudenregler 7, der
mit einem Phasenregler 8 gekoppelt ist, die beide über den
Speicher 10 mit dem Signal des Sensors 2 verbunden sind. Der
Prozessor 11 enthält des weiteren einen Sinusgenerator 12,
vorzugsweise zur Erzeugung von Frequenzen zwischen 50 und 900
Hz, dessen Ausgang an den Phasenregler 8 gelegt ist sowie
einen Optimierer 9, dessen Ausgangssignale jeweils an den
Amplitudenregler 7 und den Phasenregler 8 geführt sind und
welcher an seinem Eingang mit dem Kompensationsmikrofon 5
verbunden ist. Der eine Eingang des Prozessors 11 ist mit
einem drehzahlabhängigen Signal von der Kurbelwelle des Motors
1 beauflagt, das eine Synchronisierung des Sinusgenerators 12
mit der Kurbelwellendrehzahl bewirkt. Der Ausgang des Prozes
sors 11 ist auf den Kompensationslautsprecher 6 geschaltet.
Die durch den Sensor 2 zu erfassenden physikalischen Parameter
aus dem Raum 3 können z. B. die Temperatur im Raum, die
Feuchtigkeit, der Luftdruck, die Luftzusammensetzung und
Raumreflexionen sein. Im Beispiel dient der Sensor 2 zur
Erfassung der Temperatur.
Um eine wirksame Kompensation von Geräuschen am Kompensations
mikrofon 5 zu erhalten ist es notwendig, die Übertragungs
funktion der gesamten Übertragungskette (D/A-Wandler, Filter,
Luft, Filter, A/D-Wandler) zu ermitteln und bei der Berech
nung des Kompensationssignals zu berücksichtigen.
Veränderungen im Innenraum 3 des Kraftfahrzeuges äußern sich
in Veränderungen der Übertragungsfunktion. Diese Veränderungen
müssen, wenn sie gewisse Grenzwerte überschreiten, bei der
Berechnung des Kompensationssignals berücksichtigt werden. Die
Übertragungsfunktion, d. h. die Amplitude und die Phase des
zwischen dem Kompensationslautsprecher 6 und dem
Kompensationsmikrofon 5 zu übertragenden Signals, ist von der
physikalischen Umgebung in der sie wirkt abhängig, also von
den Bedingungen im Raum 3. Durch die Zuordnung der gemessenen
physikalischen Größen zur veränderten Schallausbreitung ist
eine entsprechende vorherbestimmte Signallaufzeitkorrektur
möglich, so daß sich die Kompensation am Kompensationsmikrofon
5 nicht wesentlich verschlechtert. Die Korrekturtabellen
stehen im Speicher 10 des Prozessors 11 zur Verfügung, oder es
werden im On-Line-Betrieb die Korrekturen berechnet und bei
der Bestimmung des Kompensationssignals berücksichtigt.
Im Beispiel wird durch den Sensor 2 die Temperatur im Raum 3
gemessen und mit den im Speicher 10 des digitalen Prozessors
11 abgelegten Tabellen korreliert.
Die Übertragungsfunktion zwischen dem Kompensationslaut
sprecher und dem Kompensationsmikrofon, welches als Meß
mikrofon dient, ist temperaturabhängig. Es besteht für die
Schallgeschwindigkeit c die folgende Abhängigkeit von der
Temperatur:
wobei bedeuten
K das Verhältnis der spezifischen Wärmen
R die Gaskonstante
T die absolute Temperatur
µ das Molekulargewicht.
K das Verhältnis der spezifischen Wärmen
R die Gaskonstante
T die absolute Temperatur
µ das Molekulargewicht.
Daraus ergibt sich bei einer konstanten Kompensationsfrequenz
f die Wellenlänge
Durch die Veränderung der Wellenlänge λ in Abhängigkeit von
der Temperatur verschieben sich am Mikrofon 5 die Schwingungs
bäuche und -knoten, so daß eine Veränderung des Kompensations
verhaltens bis hin zur Schwingneigung der ganzen
Kompensationsanordnung auftritt.
In der Fig. 2 ist die Phasenverschiebung des Kompensations
signales am Mikrofon 5 bei einer Temperaturänderung von 20°C
auf 40°C dargestellt.
Die Phasenverschiebung ϕ zwischen der Sinuswelle mit der
Wellenlänge λ 20 bei 20°C und der Sinuswelle mit der Wellen
länge λ 40 bei 40°C wird durch eine Laufzeitkorrektur aus
geglichen (Korrekturkurve α). Damit das Kompensationssignal
dem Störsignal nach einer Temperaturänderung phasenrichtig
überlagert werden kann, wird die Laufzeit durch eine ent
sprechende "Verzerrung" des Kompensationssignals anhand
einer mit der Temperaturänderung korrespondierenden Korrek
turgröße aus dem Speicher 10 ausgeglichen. Das eigentliche
Kompensationssignal wird in dem Optimierer 9 errechnet, der
aus den zugeführten Mikrofonsignalen und dem aktuellen dreh
zahlabhängigen Signal von der Kurbelwelle des Motors 1 die
Amplitude und entsprechende Gegenphase berechnet und über den
Sinusgenerator 12, dessen Frequenz ebenfalls von der Motor
drehzahl gesteuert wird, als phaseninvertierte Sinussignale
auf den Lautsprecher 6 gibt. Darüber hinaus ist es zweckmäßig,
über Sensoren den Besetzungsgrad im Fahrzeug zu erfassen und
daraus abgeleitet, die zugehörige Übertragungsfunktion zu
aktivieren, so daß Änderungen der Übertragungsfunktion durch
Besetzungsänderungen berücksichtigt werden. Die Besetzung mit
einer bis fünf Personen wird z. B. durch im Speicher 10
abgelegte Tabellen berücksichtigt, die dann ausgewählt und zur
Kompensation benutzt werden.
Das Ausführungsbeispiel zeigt den prinzipiellen Weg der
Geräuschreduzierung mittels einer Schmalbandkompensation, d. h.
einer ausgewählten Frequenz, hier der 2. Motorharmonischen.
Das Verfahren ist jedoch ohne weiteres für mehrere Harmonische
bzw. für beliebige Frequenzbereiche mittels einer Breitband
kompensation anwendbar. Die Einflußgrößen sind dann in einer
Vielzahl von beispielsweise Tabellen einzuspeichern.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird
anstelle der Messung der Umwelteinflüsse in der Umgebung der
Übertragungsfunktion eine direkte Messung der Übertragungs
funktion selbst während der Kompensation durchgeführt.
Die Fig. 3 zeigt in einem Diagramm den Schalldruck-Pegelver
lauf verschiedener Signale in Abhängigkeit von der Frequenz.
Durch die Kurve A ist das Fahrgeräusch symbolisiert, welches
durch ein Kompensationssignal B für die 2. Motorharmonische zu
der Kurve C für das kompensierte Fahrgeräusch geglättet ist.
Die Kurve D symbolisiert die durch das Fahrgeräusch im
menschlichen Gehör verursachte Verdeckungsschwelle, unter der
kein Geräusch mehr hörbar ist. Diese Verdeckungsschwelle wird
ausgenutzt, um mit einem unterschwelligen Meßsignal E eine
Messung der Übertragungsfunktion während der Kompensation,
auch im Fahrbetrieb durchzuführen. Das unterschwellige Meß
signal ist z. B. ein Gleitsinus. Durch z. B. signalangepaßte
Filterung, wird das Meßsignal, nach Durchlaufen des akustischen
Übertragungsweges und Aufnehmen durch das Meßmikrofon, vom
Fahrgeräusch getrennt und zur Bestimmung der aktuellen Über
tragungsfunktion verwendet.
Claims (10)
1. Verfahren zur aktiven Innengeräuschreduzierung bei
Fahrzeugen, mit mindestens einem Kompensationslautsprecher
zum Abstrahlen eines zum störenden Geräusch gegenphasigen
Schallfeldes und mindestens einem Meßmikrofon, bei dem zur
Ausmessung der Übertragungsfunktion über den Kompensations
lautsprecher Signale ausgesendet und über das Meßmikrofon
empfangen werden und eine adaptive Regelung des Fehlersignales
über die Verwendung des Kompensationssignales erfolgt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die auf die physikalische Übertragungsfunktion zwischen
dem mindestens einen Kompensationslautsprecher (6) und dem
mindestens einen Meßmikrofon (5) sowie zwischen mindestens
einer Störquelle und dem mindestens einen Meßmikrofon (5)
einwirkenden physikalischen Umgebungsparameter über Sensoren (2) erfaßt
werden, daß aus den von den Sensoren (2) gemessenen physi
kalischen Größen in der Schallausbreitung eine Kor
rektur der nachgebildeten Übertragungsfunktion vorgenommen
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Nachbildung der physikalischen Übertragungsfunktion in Form
einer Tabelle oder einer mathematischen Funktion oder einer
Kombination aus beiden erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
über die Sensoren (2) die Umgebungstemperatur gemessen wird
und die Korrektur der nachgebildeten Übertragungsfunktion in
Abhängigkeit von der Temperaturveränderung bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei
extremen Umgebungsbedingungen die Kompensation abgeschaltet
wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß für die Korrektur der nachgebildeten Übertra
gungsfunktion Korrekturtabellen in den Speicher (10) eines
Prozessors (11) eingegeben werden.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Korrekturen der nachgebildeten Übertra
gungsfunktionen im On-Line-Betrieb berechnet werden.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß im Innenraum (3) des Fahrzeuges die Besetzung
der Sitzplätze durch Sensoren erfaßt wird und daß in Abhängig
keit vom Besetzungsgrad die zugehörige Korrektur der nachge
bildeten Übertragungsfunktion erfolgt.
8. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den
Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum
(3) des Fahrzeuges mindestens ein Sensor (2) angeordnet ist,
der mit dem Eingang des Amplituden- und Phasenreglers (7, 8)
verbunden ist.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der
im Innenraum (3) angeordnete Sensor (2) ein Temperatursensor
ist, der über eine mit der gemessenen Temperatur korres
pondierenden Speichereinrichtung (10) mit den Eingängen des
Amplituden- und Phasenreglers (7, 8) verbunden ist.
10. Verfahren zur aktiven Innengeräuschreduzierung bei Fahr
zeugen mit mindestens einem Kompensationslautsprecher und
mindestens eine Meßmikrofon, unter Verwendung eines
zusätzlichen Meßsignals zur Ermittlung der Übertragungsfunktion des Schallweges,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Übertragungsfunktion während der Kompensation mit einem unter der
Gehörschwelle liegenden Meßsignal direkt gemessen wird, daß das
Anregungssignal nach dem Durchlaufen des akustischen Über
tragungsweges (4) und dem Aufnehmen durch das Meßmikrofon (5)
durch eine schmalbandige Bandpaßfilterung oder eine andere
signalangepaßte Filterung, wie durch das Kreuzkorrelations
verfahren, vom Fahrgeräusch getrennt und zur Bestimmung der
aktuellen Übertragungsfunktion verwendet wird.
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DE4236155A1 DE4236155A1 (de) | 1994-04-21 |
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DE4236155A Expired - Fee Related DE4236155C2 (de) | 1992-10-20 | 1992-10-20 | Verfahren und Anordnung zur aktiven Innengeräuschreduzierung bei Fahrzeugen |
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DE (1) | DE4236155C2 (de) |
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