DE3908881A1

DE3908881A1 - Elektronisches stoerschalldaempfungssystem

Info

Publication number: DE3908881A1
Application number: DE3908881A
Authority: DE
Inventors: Minoru Takahashi; Tanetoshi Miura; Hareo Hamada; Hideki Hyoudo; Ryusuke Gotoda; Yasushi Yoshimura; Takashi Kuribayashi; Akio Akasaka
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd; Hitachi Plant Engineering and Construction Co Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 1988-09-05
Filing date: 1989-03-17
Publication date: 1990-03-08
Anticipated expiration: 2009-03-18
Also published as: GB8904719D0; US5018202A; FR2636189B1; FR2636189A1; DE3908881C2; IT1232050B; GB2222501A; GB2222501B; JPH0270195A; IT8967207A0; JP2598483B2

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem System zum elektronischen Dämpfen von Störschall, und insbesondere befaßt sie sich mit einem elektronischen Störschalldämpfungssystem, das instatio näre Geräusche dämpfen kann, die in Ausbreitungskanälen, wie Leitungskanälen oder dergleichen auftreten, indem eine Adaptivsteuerung unter Verwendung eines Rechnersystems ange wandt wird, die einen Digitalfilter enthält.

Weit verbreitet ist die praktische Anwendung einer passiven Geräuschdämpfungseinrichtung, die in Leitungen infolge der Leitungsauslegung auftretende Geräusche unter Anwendung der Interferenz dämpft, oder die eine Schallabsorption auf Grund eines porösen Materials vornimmt, das an der Leitung ange bracht ist. Diese Art einer Geräuschdämpfungsvorrichtung hat sich jedoch als nachteilig dahingehend erwiesen, daß sie große Abmessungen hat, ein zu starker Druckabfall usw. auf tritt.

Andererseits gibt es auch eine aktive Geräuschdämpfungs vorrichtung, die schon lange vorgeschlagen wurde, und die eine andere Methode zur Reduktion von unerwünschten Geräuschen in der Leitung nutzt. In jüngster Zeit ist speziell das Inte resse auf ein elektronisches Geräuschdämpfungssystem dieser aktiven Form gerichtet, bei dem das sich von einer Geräusch quelle ausbreitetende Geräusch abgetastet wird, ein Unter drückungsschallgeräusch, das denselben Schalldruck wie das abgetastete Geräusch hat aber gegenphasig hierzu ist, als Gegenmaßnahme zu dem Geräusch erzeugt wird, um hierdurch eine Schallwelleninterferenz bzw. eine Schallwellenüber lagerung zwischen dem Geräusch und dem Unterdrückungsschall geräusch zu erzielen. Auf diese Weise kann das Geräusch zwangsläufig durch die Schallwelleninterferenz unterdrückt werden. Im Zuge der schnellen Entwicklung von elektronischen Einrichtungen, Signalverarbeitungstechniken und dergleichen, wurden in jüngster Zeit verschiedene Arten von Untersuchungen veröffentlicht, die sich mit einer solchen Methode und einer solchen Vorrichtung zur aktiven elektronischen Geräusch dämpfung befassen.

Jedoch gibt es noch viele zu lösende Schwierigkeiten, und daher sind dieses Verfahren oder diese Vorrichtung zur elektronischen Geräuschdämpfung bis jetzt nicht in die prak tische Anwendung überführt worden.

Eine technische Schwierigkeit bei der praktischen Anwendung eines derartigen elektronischen Geräuschdämpfungssystems liegt in der Erstellung eines Modells, das als eine Basis für die Auslegung eines Steuersystems des elektronischen Geräuschdämpfungssystems verwendet werden kann. Das Modell muß folgende Gesichtspunkte berücksichtigen. Zum einen ist ein Filter erforderlich, der Geräusche mit kontinuierlichen Spektren unterdrücken kann. Dies bedeutet, daß, wenn ein Unterdrückungsschallgeräusch bezüglich des Geräusches mit kontinuierlichen Spektren, wie Kraftfahrzeuggeräuschen, Luftströmungsgeräuschen und dergleichen sowie Geräusche mit diskreten Spektren, wie Transformatorgeräusche, Kompressor geräusche, und dergleichen, erzeugt werden kann, sich die Anwendungsgebiete des elektronischen Geräuschdämpfungs systems erweitern lassen. Um dies zu realisieren, ist ein Filter erforderlich, der freie bzw. beliebige Amplituden charakteristika und Phasencharakteristika bereitstellen kann.

Zum anderen ist es erforderlich, die Rückkopplung des Unter drückungsschallgeräusches bezüglich eines Abtastmikrophons zu verhindern. Bei dem elektronischen Geräuschdämpfungs system ist nämlich das Abtastmikrophon zwischen einer Ge räuschquelle und einer Quelle für die Unterdrückungsschall geräusche in einem Ausbreitungskanal angeordnet, durch den sich die Schallwellen ausbreiten, und es ist erforderlich, ein elektrisches Signal zum Treiben der Unterdrückungs schallgeräuschquelle zu erzeugen, die Schallwellen erzeugt, um die sich ausbreitenden Schallwellen von der Geräusch quelle nach Maßgabe der Schallgeräusche zu unterdrücken, die mit Hilfe des Abtastmikrophons und mit Hilfe entspre chender Signalerzeugungseinrichtungen erfaßt werden. In diesem Fall werden die Schallwellen, die von der Unter drückungsschallquelle erzeugt werden, ebenfalls von dem Abtastmikrophon eingefangen, und als Folge hiervon ergibt sich ein akustisches Rückkopplungssystem zwischen der Unter drückungsschallquelle und dem Abtastmikrophon. Aus diesem Grunde ist es wesentlich, Gegenmaßnahmen hinsichtlich dieser Umstände zu treffen. Um insbesondere das elektronische Geräuschdämpfungssystem kompakt auszulegen, und um zu er möglichen, daß es an einer beliebigen Stelle in einer Förder leitung, wie einem Leitungskanal, angeordnet werden kann, sollten das Abtastmikrophon und die Unterdrückungsschall quelle nahe beieinander angeordnet werden. Somit hat die vorstehend genannte akustische Rückkopplung einen großen Einfluß auf das elektronische Geräuschdämpfungssystem, und daher sind die Gegenmaßnahmen im Hinblick auf diese Proble matik von großer Bedeutung.

Zum dritten ist es erforderlich, daß es ermöglicht wird, daß die Charakteristika der elektroakustischen Wandler, wie eines Mikrophons, eines Lautsprechers und dergleichen, korrigiert werden, die in dem elektronischen Geräusch dämpfungssystem zur Anwendung kommen. Um die Steuerfunktion des elektronischen Geräuschdämpfungssystems zu stabilisie ren, ist es daher wesentlich, daß das Steuersystem des elektronischen Geräuschdämpfungssystems die Funktion er füllen kann, gemäß der die kleinste Verminderungsgröße der Charakteristika der elektroakustischen Wandler korrigiert werden kann. Dies ist ein weiteres zu lösendes Problem.

Im Hinblick hierauf haben die Anmelder bereits Modelle für ein elektronisches Geräuschdämpfungssystem aufgefunden und vorgeschlagen, die sich mit den vorstehend genannten Problem stellungen befassen (japanische Patentanmeldung No. 60-1 39 293, No. 60-1 39 924, No. 61-7 115, No. 62-1 48 254).

Bei dem vorgeschlagenen elektronischen Geräuschdämpfungs system wurde die vorstehend abgehandelte dritte Problemstel lung in geeigneter Weise wie folgt gelöst. Durch geeignetes Steuern der Charakteristika eines Digitalfilters zur Er zeugung eines elektrischen Signales, das an eine Unterdrückungs schallquelle angelegt wird, kann das System den Änderungen der Ausbreitungscharakteristika eines Schallwellenübertra gungsweges (z. B. einer Leitung), sowie den Änderungen der Charakteristika eines Steuersystems (das einen Lautsprecher als eine Unterdrückungsschallquelle, ein Mikrophon als einen Sensor und dergleichen umfaßt) Rechnung tragen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist eine Grundauslegungsform eines adaptiven elektronischen Schalldämpfungssystems bzw. Störschalldämpfungssystems mit einer monopolen Schallquelle gezeigt, das zwei Abtastmikrophone M 1, M 2 enthält.

Bei dieser Auslegungsform dient der Ausgang des Abtastmikro phons M 2, das auf der stromabwärtigen Seite in Fig. 1 liegt, als ein Fehlersignal. Die Grundarbeitsweise dieser Ausle gungsform ist so getroffen, daß die Übertragungsfunktion eines Digitalfilters 2 von dem Eingang X des Digitalfilters 2 und dem Ausgang E des Abtastmikrophons M 2 derart aktuali siert wird, daß die Energie des Ausgangs E bei einigen Aus wertungsmethoden oder dergleichen ein Minimalwert sein kann.

Wenn nun ein tatsächliches elektronisches Geräuschdämpfungs system entsprechend dem Modell nach Fig. 1 ausgelegt wird, dann kann man ein in Fig. 2 gezeigtes Modell erhalten. Das in Fig. 2 gezeigte Modell ist unter Berücksichtigung der Annahme, daß eine von einem Unterdrückungsschallautsprecher (einer zusätzlichen Schallquelle) S zu dem Abtastmikrophon M 1 zurückzuleitende Schallwelle elektrisch an einem Additions punkt 20 unterdrückt bzw. aufgehoben wird, so daß diese nicht zum Digitalfilter 2 eingegeben wird.

Hierbei ist von Bedeutung, daß eine Übertragungsfunktion D mit einer Zeitverzögerung vorhanden ist, die die Über tragungscharakteristika des Lautsprechers, der Leitung und dergleichen von dem Ausgang des Digitalfilters 2 zu dem Additionspunkt des Fehlersignals darstellt.

Um einen an sich bekannten adaptiven Steueralgorithmus, wie VS - LMS (variable Schrittmethode - Methode der kleinsten Fehlerquadrate) oder dergleichen anwenden zu können, muß nicht nur der Eingang X eines adaptiven Digitalfilters ge nau definiert sein, sondern es ist auch erforderlich, daß die Verbindung des Ausgangs Y des Digitalfilters mit einem Fehlersignal E geklärt ist. Bei einem System, bei dem nach der Bestimmung des Ausgangs des Digitalfilters 2 das Fehler signal E zu einem Zeitpunkt oder in einem System erkannt werden kann, bei dem das Fehlersignal E spätestens zu dem Zeitpunkt der Aktualisierung des nächsten Koeffizienten des Digitalfilters verarbeitet worden ist, ergeben sich im wesentlichen keine Schwierigkeiten und daher kann dieser an sich bekannte Algorithmus angewandt werden. Ein Echo unterdrückungsfilter ist ein gutes Beispiel zur Verarbei tung eines akustischen Signals, und bei diesem Filter wird der Ausgang Y des Filters wie er ist in dem Fehlersignal E wiedergegeben. Im Gegensatz hierzu ist bei dem elektroni schen Geräuschdämpfungssystem nach Fig. 1 der Filteraus gang nicht wie er ist mit dem Fehlersignal E verknüpft, sondern man erhält das Fehlersignal E nur mit Hilfe der elektroakustischen Umwandlungscharakteristika des Laut sprechers, der Übertragungscharakteristika von dem Laut sprecher zu dem Mikrophon, der Überlagerungsverarbeitung (Interferenz) der akustischen Signale im Raum und der akustischen-elektrischen Umwandlungscharakteristika des Mikrophons. Wenn in diesem Fall die vorstehend genannte Übertragungsfunktion D nicht berücksichtigt wird, kann man überhaupt keinen Geräuschunterdrückungseffekt bewirken.

In unserer früheren Anmeldung (japanische Patentanmeldung No. 62-1 48 254) ist entsprechend Fig. 8 die Begrenzung einer akustischen Rückkopplung nur dann wirksam, wenn die Über tragungsfunktion von dem Lautsprecher S zu dem Mikrophon M 1 praktisch gleich jener von dem Lautsprecher S zu dem Mikro phon M 2 ist. Die meisten geraden Leitungsanlagen erfüllen dieses Erfordernis.

Wenn jedoch eine Geräuschunterdrückungseinrichtung in der Weise ausgelegt wird, daß ein Lautsprecher an einem gebo genen Teil einer Leitung angebracht wird, kann die vor stehend beschriebene Auslegung des Systems seine Aufgabe nicht vollständig erfüllen. Hierzu wird die vorliegende Erfindung vorgeschlagen. Da die Begrenzung der akustischen Rückkopplung mit Hilfe der Identifizierung der Übertragungs funktion eines Rückkopplungssystems erfolgt, kann die Er findung bei allen Leitungen unabhängig von ihrer Ausge staltungsform angewandt werden. Die Erfindung kann selbst bei einem aktiven Geräuschunterdrückungssystem in einem dreidimensionalen Schallfeld (im Freien oder in geschlosse nen Räumen) zur Anwendung kommen.

Die Erfindung zielt darauf ab, die vorstehend im Zusammen hang mit den üblichen Systemen erläuterten Schwierigkeiten zu überwinden.

Die Erfindung bezweckt daher, ein elektronisches Geräusch dämpfungssystem bereitzustellen, das eine adaptive Steue rung unter Berücksichtigung der Übertragungsfunktion eines Übertragungssystems von einem zur Unterdrückung dienenden Schallquelle zu einem Mikrophon zur Auswertung durchführen kann und das auch eine akustische Rückkopplung bei einer beliebig gestalteten Leitung vornehmen kann.

Hierzu gibt die Erfindung ein elektronisches Dämpfungs system an, das eine Dämpfung einer Schallwelle erzielt, die von einer Geräuschquelle sich auf einem Übertragungsweg einer Schallwelle ausbreitet, indem eine weitere Schall welle 180° außerphasig erzeugt wird, und diese den gleichen Schalldruck wie die sich ausbreitende Schallwelle hat, um eine Schallwelleninterferenz zwischen den beiden Schall wellen in einer bestimmten Position auf dem Übertragungsweg zu erzeugen, wobei sich das System durch folgendes aus zeichnet: Eine erste mechanoelektrische Wandlereinrichtung, die an einer Stelle näher zur Geräuschquelle als die vor stehend genannte Stelle auf dem Übertragungsweg angeordnet ist, um die sich ausbreitende Schallwelle von der Geräusch quelle zu erfassen und diese in ein elektrisches Signal umzuwandeln; eine elektromechanische Wandlereinrichtung, die zwischen der Stelle der ersten mechanoelektrischen Wandlereinrichtung und der vorgegebenen Position auf dem Übertragungsweg angeordnet ist, um eine Schallwelle zur Unterdrückung der sich ausbreitenden Schallwelle von der Geräuschquelle an der gegebenen Position zu erzeugen; eine zweite mechanoelektrische Wandlereinrichtung, die zwischen der Position der elektromechanischen Wandlereinrichtung und der gegebenen Position oder an einer vorgegebenen Position angeordnet ist, um die sich ausbreitenden Schallwellen von der elektromechanischen Wandlereinrichtung sowie von der Geräuschquelle zu erfassen und diese in elektrische Signale umzuwandeln; eine Verarbeitungseinrichtung zum Eingeben des Ausgangssignals von der ersten mechanoelektrischen Wandler einrichtung und eines Treibersignals, das für die elektro mechanische Wandlereinrichtung bestimmt ist, um eine Differenz zwischen diesen zu ermitteln; eine Treibersignal erzeugungseinrichtung zur Eingabe des Ausgangssignals der Verarbeitungseinrichtung, um auf der Basis einer gegebenen Übertragungsfunktion ein der elektromechanischen Wandler einrichtung zuzuführendes Treibersignal derart zu erzeugen, daß die Größe der Geräusch- bzw. Störschallunterdrückung des elektronischen Geräuschdämpfungssystemes maximiert wer den kann; und eine Steuereinrichtung zur Bestimmung einer für die Treibersignalerzeugungseinrichtung bestimmten Über tragungsfunktion, welche in der Trenbersignalerzeugungs einrichtung einen Steuerparameter zur Spezifizierung der Übertragungsfunktion vorgibt und den Steuerparameter nach Maßgabe der Änderungen der Ausbreitungscharakteristika des Übertragungsweges sowie der Änderungen der Charakteristika des Steuersystems des elektronischen Geräuschdämpfungs systemes korrigiert, wobei sich die Steuereinrichtung da durch auszeichnet, daß sie ein Pseudosignal zu der elektro mechanischen Wandlereinrichtung ausgibt, um eine Schallwelle in dem Schallwellenübertragungsweg zu erzeugen, nach Maßgabe des Ausgangssignals der zweiten mechanoelektrischen Wandler einrichtung eine Übertragungsfunktion mit einer Zeitver zögerung aufstellt, die die Übertragungscharakteristika eines Übertragungssystems wiedergibt, das einen Schall wellenausbreitungsweg umfaßt, der zwischen dem Ausgangs anschluß der Treibersignalerzeugungseinrichtung zu der zweiten mechanoelektrischen Wandlereinrichtung und einem elektrischen Signalübertragungsweg liegt, so daß das Aus gangssignal der zweiten mechanoelektrischen Wandlerein richtung minimiert werden kann, wobei eine der Treiber signalerzeugungseinrichtung zuzuführende Übertragungs funktion nach Maßgabe eines vorgegebenen adaptiven Algo rithmus unter Berücksichtigung der spezifizierten Über tragungsfunktion mit einer Zeitverzögerung bestimmt wird.

Bei dem elektronischen Geräuschdämpfungssystem nach der Erfindung wird eine Schallwelle basierend auf einem künst lichen Signal auf einem Schallwellenübertragungsweg von der elektromechanischen Wandlereinrichtung erzeugt, die als eine Quelle für einen zusätzlichen Schall dient, und für diese Schallwelle wird eine Übertragungsfunktion mit einer Zeitverzögerung, die die Übertragungscharakteristika eines Übertragungssystems wiedergibt, das einen Schallwellen übertragungsweg umfaßt, der im Bereich von dem Ausgangs anschluß der Treibersignalerzeugungseinrichtung zu der zweiten mechanoelektrischen Wandlereinrichtung und einem elektrischen Schallübertragungsweg liegt, mit Hilfe der Steuereinrichtung derart aufgestellt, daß das Ausgangs signal (Fehlersignal) der zweiten mechanoelektrischen Wandlereinrichtung für die Auswertung der Schallunter drückungswirkungen minimiert wird.

Zusätzlich kann die Steuereinrichtung eine Übertragungs funktion für die vorstehend genannte Treibersignalerzeugungs einrichtung nach Maßgabe eines vorgegebenen adaptiven Algo rithmus unter Berücksichtigung der Übertragungsfunktion mit einer Zeitverzögerung bestimmen, die auf die vorstehende Weise spezifiziert ist.

Dank dieser Auslegung läßt sich ein elektronisches Geräusch dämpfungssystem verwirklichen, das bei einer Geräuschunter drückung äußerst wirksam ist.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevor zugten Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1 eine Ansicht zur Verdeutlichung des Prinzips der Grundauslegungsform eines elektronischen Geräusch dämpfungssystems nach der Erfindung,

Fig. 2 eine beispielhafte Ansicht einer Modellversion des elektronischen Geräuschdämpfungssystems nach Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Ausführungs form eines Modells des elektronischen Geräuschdämpfungs systems, das eine Steuereinrichtung zur Berücksichtigung einer Übertragungsfunktion D mit einer Zeitverzögerung ent hält,

Fig. 4 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des elektronischen Geräuschdämpfungssystems, der das Modell nach Fig. 3 zugrundeliegt,

Fig. 5 eine schematische Ansicht einer Ausführungs form der Arbeitsweise des Steuerteils des elektronischen Geräuschdämpfungssystemes nach Fig. 1 in Form eines Block diagramms,

Fig. 6 und 7 jeweils beispielhafte Ansichten von Ausführungsvarianten des Steuerteils des vorstehend genann ten elektronischen Geräuschdämpfungssystems, und

Fig. 8 eine Ansicht zur Verdeutlichung eines üblichen elektronischen Geräuschdämpfungssystems.

In den Figuren der Zeichnung sind gleiche oder ähnliche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform eines elektronischen Geräuschdämpfungssystemes nach der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher er läutert.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist eine Grundauslegungsform eines elektronischen Geräuschdämpfungssystems nach der Er findung gezeigt. Obgleich die Fig. 1 und 2 bereits in der Beschreibungseinleitung aus Übersichtlichkeitsgründen abge handelt sind, werden sie nachstehend nochmals eingehend er läutert, da diese für das Verständnis der Erfindung wesent lich sind.

In Fig. 1 sind in einem Übertragungsweg 1 für Schallwellen zwei Abtastmikrophone M 1, M 2, die jeweils zum Detektieren der jeweiligen sich von einer Geräuschquelle ausbreitenden Schallwellen verwendet werden, auf den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Seiten eines Lautsprechers S angeordnet, der als eine Quelle für zusätzlichen Schall dient, wobei der Lautsprecher S die Bezugsposition darstellt. Einer Addi tionsstelle 20 werden das Ausgangssignal des Abtastmikro phons M 1 und das Ausgangssignal eines digitalen Filters 22 zur Begrenzung der akustischen Rückkopplung derart zuge leitet, daß das Ausgangssignal des digitalen Filters 22 zu dem Ausgangssignal des Abtastmikrophons M 1 addiert wird, wobei das erstgenannte gegenphasig zu dem letztgenannten Signal ist.

Auch das Ausgangssignal der Additionsstelle 20 wird einem adaptiven Digitalfilter 2 und einem Steuerteil 10 zugeleitet. In das Steuerteil 10 wird der Ausgang des Abtastmikrophons M 2 als ein Fehlersignal E eingegeben.

Bei der vorstehend beschriebenen Auslegung werden die sich von der Geräuschquelle ausbreitenden Schallwellen mit Hilfe der Abtastmikrophone M 1 und M 2 detektiert, und das Aus gangssignal von dem Abtastmikrophon M 2 wird an das Steuer teil 10 als Fehlersignal E angelegt.

An der Additionsstelle 20 werden die Ausgänge des Abtast mikrophons M 1 und des Digitalfilters 22 zur Begrenzung der akustischen Rückkopplung in wechselseitig gegenläufigen Phasen aufaddiert, und der Additionsausgang hiervon wird dem digitalen Filter 2 und dem Steuerteil 10 zugeleitet.

Das Steuerteil 10 führt diese Addition aus und gibt aus, daß das Fehlersignal E einen Minimalwert annehmen kann. In anderen Worten ausgedrückt, ist das Steuerteil 10 eine Ein richtung mit adaptiven Eigenschaften, bestimmt nach Maßgabe des Eingangs X des digitalen Filters und des Fehlersignals E eine für das digitale Filter 2 bestimmte Übertragungs funktion und es liefert für den digitalen Filter 2 einen Filterkoeffizienten, der ein Steuerparameter zur Spezifi zierung der so bestimmten Übertragungsfunktion ist. In dem digitalen Filter 2 wird das Eingangssignal X verarbeitet oder in ein Signal umgewandelt, das eine gegebene Amplitude und eine gegebene Phasencharakteristika nach Maßgabe des vorgegebenen Filterkoeffizienten hat. Das Ausgangssignal des digitalen Filters 2 wird von der digitalen Form in eine analoge Form umgewandelt und wird dann an den Lautsprecher S ausgegeben, die eine Quelle für zusätzlichen Schall oder Unterdrückungsschall darstellt, und der derart ausgelegt ist, daß er Unterdrückungsschallwellen zur Unterdrückung der sich von der Geräuschquelle an der Stelle des Abtast mikrophons M 2 ausgebreiteten Wellen erzeugt. Auf diese Weise können die sich von der Geräuschquelle ausbreitenden Schallwellen an der Stelle des Abtastmikrophons M 2 unter drückt bzw. aufgehoben werden.

Die vorstehend genannten Unterdrückungsschallwellen von dem Lautsprecher S können mit Hilfe des Abtastmikrophons M 1 detektiert oder erfaßt werden, und die detektierten Kompo nenten des Abtastmikrophons M 1, d. h. die erfaßten Unter drückungsschallwellen, können dadurch unterdrückt werden, daß das Ausgangssignal des digitalen Filters 22, das die Übertragungscharakteristika von dem Schallunterdrückungs digitalfilter 2 zu der Additionsstelle 20 mit umgekehrter Phase darstellt, zu dem Ausgangssignal des Abtastmikrophons M 1 an der Additionsstelle 20 addiert wird, so daß die aku stische Rückkopplung von dem Lautsprecher S zu dem Abtast mikrophon M 1 begrenzt werden kann. Somit wirkt das digitale Filter 22 als ein digitales Filter zur Begrenzung der aku stischen Rückkopplung.

In Fig. 2 ist eine Modellversion des in Fig. 1 gezeigten elektronischen Geräuschdämpfungssystems gezeigt. Mit dem Bezugszeichen G ist eine Übertragungsfunktion bezeichnet, die die Übertragungscharakteristika der Schallwellen auf dem Übertragungsweg 1 zwischen den Abtastmikrophonen M 1 und M 2 und die Umwandlungscharakteristika der Abtastmikrophone M 1 und M 2 darstellt. Mit D ist wie zuvor beschrieben eine Übertragungsfunktion bezeichnet, die die Übertragungs charakteristika darstellt, welche die Schallwellenüber tragungscharakteristika der Übertragungswege umfaßt, die sich von dem Ausgangsanschluß des Digitalfilters 2 zu der Additionsstelle für das Fehlersignal ergeben, d. h. die Wege von dem Ausgangsanschluß des digitalen Filters 2 zu dem Lautsprecher S und von dem Lautsprecher S zu dem Mikrophon M 2, sowie die Umwandlungscharakteristika der elektroakusti schen Wandler selbst, wie des Lautsprechers S und des Abtastmikrophons M 2, umfaßt.

In Fig. 3 ist ein Modell gezeigt, das man bei einem elektro nischen Geräuschdämpfungssystem erhält, das eine Steuer einrichtung im Hinblick auf die vorstehend genannte Über tragungsfunktion D enthält. Bei diesem Modell wird der VS-LMS Algorithmus in dem Steuerteil 10 als ein adaptiver Steueralgorithmus spezifiziert, und die Multiplikation des Ausgangssignals X an der Additionsstelle 20 mit der Über tragungsfunktion D wird als Eingangssignal des digitalen Filters 2 betrachtet, wobei der Koeffizient des digitalen Filters 2 aktualisiert werden kann. Wenn man daher das Ein gangssignal X durch X × D als Eingang für die Verarbeitung nach Maßgabe des VS-LMS Algorithmus ersetzt, kann der Filterkoeffizient entsprechend dem VS-LMS Algorithmus aktualisiert werden.

Die Übertragungsfunktion D kann man durch das Steuerteil 10 vor der Verarbeitung des Systems entsprechend der nachstehen den Ausführungen erhalten, wodurch ein Filterkoeffizient bestimmt wird, der die Übertragungsfunktion D spezifiziert. Obgleich das System im Betrieb gezeigt ist, ist der Filter koeffizient fest vorgegeben und das digitale Filter 2 wird adaptiv nach Maßgabe des VS-LMS Algorithmus gesteuert.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4 ist eine konkrete Ausbildungs form eines elektronischen Geräuschdämpfungssystems gezeigt, welchem nach Modell nach Fig. 3 zugrundeliegt. In Fig. 4 sind auf dem Übertragungsweg 1 die Abtastmikrophone M 1, M 2 derart angeordnet, daß zwischen diesen der Lautsprecher S und die Quelle für den Unterdrückungsschall angeordnet ist.

Mit den Bezugsziffern 30, 32 sind jeweils Mikrophonverstärker zur Verstärkung der Ausgangssignale der jeweiligen Mikrophone M 1, M 2 bezeichnet, und mit 34 ist ein Leistungsverstärker gezeigt, der ein an den Lautsprecher S abzugebendes Treiber signal auf einen vorgegebenen Pegel verstärkt.

Mit 50 und 52 sind jeweils A/D-Wandler bezeichnet, mit 54 ist ein D/A-Wandler bezeichnet, und mit 1000 ist ein Steuer teil bezeichnet.

Das Steuerteil 1000 weist einen Steuerprozessor 100, der im allgemeinen das gesamte System steuert, digitale Signal verarbeitungseinrichtungen 102, 104, die jeweils als ein Geräuschgenerator zur Messung eines nachstehend noch er läuterten adaptiven digitalen Filters dienen, einen digitalen Filter mit fest vorgegebenem Koeffizienten und der vor stehend angegebenen Übertragungsfunktion D, und serielle/ parallele Schnittstellenadapter 106, 108 auf, die ein serielles Signal in ein paralleles Signal oder ein paralleles Signal in ein serielles Signal umwandeln, wobei alle diese Teile miteinander über Busleitungen 200 verbunden sind.

Nachstehend wird die Arbeitsweise des in Fig. 1 gezeigten elektronischen Geräuschdämpfungssystemes unter Bezugnahme auf Fig. 5 näher erläutert. Fig. 5 ist ein Blockdiagramm zur Verdeutlichung der Arbeitsweise des Steuerteils 1000. In Fig. 5 wird vor der Inbetriebnahme des Systems ein Schalter 208 zu einem Kontaktpunkt umgeschaltet, und ein pseudozufälliges Geräusch wird von dem Geräuschgenerator 206 an den D/A-Wandler 54 abgegeben.

Andererseits wird der digitale Signalprozessor 104 zur Be reitstellung eines adaptiven, digitalen Filters 210 verwendet. Der adaptive, digitale Filter 210 identifiziert die Über tragungsfunktion D des digitalen Filters 202 in Abhängigkeit von einem Eingangssignal (pseudozufälliges Geräusch) von dem Geräuschgenerator 206 und dem Ausgangssignal (Fehler signal) des A/D-Wandlers 52, das das Ausgangssignal von dem Abtastmikrophon M 2 ist.

In ähnlicher Weise identifiziert in Abhängigkeit von einem Eingangssignal von dem Geräuschgenerator 206 und dem Aus gangssignal des A/D-Wandlers 50, d. h. dem Ausgang von dem Abtastmikrophon M 1, ein adaptiver, digitaler Filter 410 die Übertragungsfunktion F des digitalen Filters 22 zur Begren zung der akustischen Rückkopplung.

Dann wird der Schalter 208 zu einem Kontaktpunkt b umgelegt, um das elektronische Geräuschdämpfungssystem betriebsbereit zu machen. Dann wird der Filterkoeffizient, der die Über tragungsfunktion D identifiziert durch das digitale Filter 210 darstellt, in dem digitalen Filter 202 vorgegeben, und in ähnlicher Weise wird der Filterkoeffizient, der die Über tragungsfunktion F identifiert durch das digitale Filter 410 in den digitalen Filter 22 vorgegeben. Die digitalen Filter 202 und 22 haben den digitalen Signalprozessor 102 hinsichtlich der Funktionsweise gemeinsam, und das adaptive, digitale Filter 204 und die Verarbeitungsschaltung 220 für den Aktualisierungsalgorithmus des adaptiven digitalen Filterkoeffizienten haben den digitalen Signalprozessor 104 hinsichtlich ihrer Funktionsweise gemeinsam. Das adaptive digitale Filter 204 entspricht dem digitalen Filter 2 bei dem Modell in Fig. 3.

In diesem Zustand werden der Additionsstelle bzw. der Ver knüpfungsstelle 20 elektrische Eingangssignale jeweils über den A/D-Wandler 50 und den digitalen Filter 22 zugeleitet, und an der Additionsstelle 20 werden der Signalausgang von dem A/D-Wandler 50 und die invertierte Form des Ausgangs signales des digitalen Filters 22 aufaddiert. Zusätzlich wird dem digitalen Filter 202 das Ausgangssignal X der Additionsstelle 20 mit der Übertragungsfunktion D multipli ziert, die im digitalen Filter 202 vorgegeben wird.

Die Verarbeitungsschaltung 220 für den adaptiven Digital filterkoeffizienten-Aktualisierungsalgorithmus erhält das Ausgangssignal des A/D-Wandlers 52 als das Fehlersignal, und in Abhängigkeit von diesem Signal und dem Ausgang X × D des digitalen Filters 202 wird der Filterkoeffizient des adaptiven, digitalen Filters 204 aktualisiert. Das adaptive, digitale Filter 204 nimmt eine vorgegebene Bearbeitung des Ausgangssignals X der Additionsstelle 20 vor, und mit Hilfe des Schalters 208 wird das Resultat an den D/A-Wandler 54 als das Treibersignal für den Lautsprecher S ausgegeben, um die sich ausbreitenden Schallwellen von der Geräusch quelle an der Stelle zu unterdrücken, an der sich das Abtastmikrophon M 2 befindet. Die Bearbeitung an der Addi tionsstelle 20 in Fig. 5 wird mit Hilfe des Steuerprozes sors 100 ausgeführt und ferner überträgt und empfängt der Steuerprozessor 100 Signale zu und von dem elektronischen Geräuschdämpfungssystem und weiteren Systemen (nicht ge zeigt), für die das elektronische Geräuschdämpfungssystem bestimmt ist, wie beispielsweise für eine Klimaanlage und dergleichen. Ferner überwacht der Steuerprozessor 100 die Arbeitsweise des elektronischen Geräuschdämpfungssystems, und wenn irgendwelche Störungen in dem System auftreten, erfolgt eine Bearbeitung zur Berücksichtigung derselben. Zusätzlich kann der Steuerprozessor 100 das digitale Ge räuschunterdrückungsfilter 204 hinsichtlich der Ein/Aus schaltung bei der Aktualisierung des Filterkoeffizienten prüfen, so daß die Betriebsweise des digitalen Filters 204 adaptiv gesteuert werden kann und somit das digitale Filter 204 auch instabilen Verhältnissen Rechnung trägt.

Obgleich bei den adaptiven, digitalen Filtern 204, 210, 410, die in Fig. 2 gezeigt sind, der VS-LMS Algorithmus ange wandt wird, ist hierin keine Beschränkung zu sehen, sondern es können auch andere adaptive Algorithmen, wie die BLMS- Methode (Blockmethode der kleinsten Fehlerquadrate) oder die FLMS-Methode (schnelle Methode der kleinsten Fehler quadrate) oder dergleichen angewandt werden. Bei der vor stehend genannten Ausführungsform ist die Additionsstelle 20 an einer Stelle vorgesehen, bei der die Verarbeitung digital ausgeführt werden kann. Jedoch kann die Additions stelle 20 auch zusammen mit dem digitalen Filter 22 extern von der Steuereinrichtung vorgesehen sein, und ferner kann die Verarbeitung in der analogen Signalstufe vorgenommen werden.

Ferner werden bei der Systemauslegung nach Fig. 4 zwei digitale Signalprozessoren und ein Steuerprozessor verwendet. Anstelle hierfür kann zur Ausführung dieser Verarbeitungen ein Mikroprozessor mit entsprechender funktioneller Aus legung verwendet werden. Darüber hinaus können die digitalen Signalprozessoren 102 und 104 jeweils durch eine Multi plizier/Addier-Einrichtung ersetzt werden, die mit hoher Geschwindigkeit arbeitet.

Nachstehend wird die Anwendung der Erfindung unter Hinzu ziehung eines Blockdiagramms nach Fig. 5 näher erläutert. Gleiche oder ähnliche Teile in Fig. 5 sind mit denselben Bezugszeichen versehen und eine Beschreibung derselben kann entfallen.

Wenn ein spezielles Geräusch zu unterdrücken ist, d. h. wenn die elektromechanische Wandlereinrichtung zur Erzeugung eines zusätzlichen oder Unterdrückungsschalls schwach mit der ersten mechanoelektrischen Wandlereinrichtung zur Detek tion eines sich ausbreitenden Signales von einer Geräusch quelle zur Umwandlung desselben in ein elektrisches Signal verbunden ist, braucht eine akustische Rückkopplungsbau gruppe nicht vorgesehen zu werden. Wenn beispielsweise die erste mechanoelektrische Wandlereinrichtung, wie ein Schwin gungsaufnehmer oder dergleichen, verwendet wird, um die Schwingungsgeschwindigkeitskomponenten einer Geräuschquelle und nicht einen Schalldruck zu detektieren, oder wenn bei der Auslegung die erste mechanoelektrische Wandlereinrich tung schwach mit der elektromechanischen Wandlereinrichtung zur Erzeugung des zusätzlichen Schalls verbunden ist, lassen sich die Eingangs- und Fehlersignale in Fig. 5 auf verein fachte Weise realisieren, da die erste mechanoelektrische Wandlereinrichtung entfernt von der elektromechanischen Wandlereinrichtung angeordnet ist. Im einfachsten Falle, der in Fig. 6 gezeigt ist, kann das Geräuschdetektions signal direkt als Eingangssignal des adaptiven, digitalen Filters 204 verwendet werden. Selbst in diesem Fall jedoch ist es auf Grund der Tatsache, daß im wesentlichen die Über tragungsfunktion mit einer Zeitverzögerung zwischen der elektromechanischen Wandlereinrichtung zur Erzeugung des zusätzlichen Schalls und der mechanoelektrischen Wandler einrichtung zur Detektion des Fehlersignals vorhanden ist, notwendig, ein äußerst geeignetes, adaptives, digitales Filtersystem nach der Erfindung gemäß Fig. 1 zuverlässiger weise bereitzustellen, das eine ausgezeichnete Geräuschunter drückungswirkung hat.

In Fig. 1 ist das digitale Filter 22 zur Begrenzung der akustischen Rückkopplung als ein digitales Filter mit einem fest vorgegebenen Koeffizienten ausgebildet. Jedoch ist es bekannt, daß ein größerer Anwendungsbereich nutzbar ist, wenn das digitale Filter 22 einen adaptiven, digitalen Filter aufweist.

In Fig. 7 ist eine konkrete Auslegungsform des vorstehend angegebenen, adaptiven, digitalen Filters gezeigt, wobei E ein Fehlersignal des digitalen Filters und X ein Eingangs signal desselben bezeichnet. Das adaptive, digitale Filter kann in Verbindung mit einem digitalen Filter 2 zur Anpaß steuerung/Geräuschunterdrückung verwendet werden, oder diese können gesondert vorgesehen sein.

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, ist die vorliegende Erfindung nicht nur auf ein elektronisches Ge räuschdämpfungssystem anwendbar, sondern sie ist auch bei allen adaptiven Steuersystemen verwendbar, die eine Über tragungsfunktion mit einer Zeitverzögerung haben.

Wie vorstehend angegeben ist, erzeugt bei dem elektronischen Geräuschdämpfungssystem nach der Erfindung die elektromecha nische Wandlereinrichtung als Quelle für den zusätzlichen Schall vor dem Bearbeiten des Systems eine Schallwelle im Übertragungsweg der Schallwellen nach Maßgabe eines Pseudo signals, die Steuereinrichtung, die auf die Schallwelle anspricht, die von der elektromechanischen Wandlereinrich tung erzeugt wurde, spezifiziert eine Übertragungsfunktion mit einer Zeitverzögerung, die die Ausbreitungscharakteri stika der Übertragungswege der Schallwellen wiedergibt, die zwischen dem Ausgangsanschluß der Treibersignalerzeugungs einrichtung zur Erzeugung eines Treibersignals für die elektromechanische Wandlereinrichtung und der zweiten mechanoelektrischen Wandlereinrichtung vorhanden sind, und die Übertragungscharakteristika der Übertragungssysteme einschließlich der Übertragungswege der elektrischen Sig nale derart, daß das Ausgangssignal (Fehlersignal) der zweiten mechanoelektrischen Wandlereinrichtung zur Auswer tung des Geräuschunterdrückungseffekts der erzeugten Schallwelle einen minimalen Wert annehmen kann, und die Steuereinrichtung bestimmt unter Berücksichtigung der spezifizierten Übertragungsfunktion mit einer Zeitverzöge rung eine Übertragungsfunktion für die Treibersignal erzeugungseinrichtung nach Maßgabe eines vorgegebenen, adaptiven Algorithmus. Daher erhält man bei der Erfindung ein elektronisches Geräuschdämpfungssystem mittels dem eine ausgezeichnete Geräuschunterdrückungswirkung erzielt wird.

Claims

1. Elektronisches Geräuschdämpfungssystem zur Dämpfung einer Schallwelle, die sich von einer Geräuschquelle auf einem Übertragungsweg einer Schallwelle ausbreitet durch Erzeugung einer weiteren Schallwelle welche 180° außer Phase ist, und den Schalldruck wie die sich ausbreitende Welle hat, um eine Interferenz zwischen den beiden Schallwellen an einer gegebenen Stelle des Übertragungsweges zu er zeugen, gekennzeichnet durch:
eine erste mechanoelektrische Wandlereinrichtung (M 1), die von der gegebenen Position auf dem Übertragungsweg (1) an einer Stelle näher zu der Geräuschquelle angeordnet ist, um die von der Geräuschquelle sich ausbreitende Schallwelle zu erfassen und diese in ein elektrisches Signal umzuwandeln,
eine elektromechanische Wandlereinrichtung (S), die zwischen der Stelle der ersten mechanoelektrischen Wandler einrichtung (M 1) und der gegebenen Position auf dem Über tragungsweg (1) angeordnet ist, um eine Schallwelle zur Unterdrückung der sich von der Geräuschquelle ausbreitenden Schallwelle an der gegebenen Position zu erzeugen,
eine zweite mechanoelektrische Wandlereinrichtung (M 2), die zwischen der Position der elektromechanischen Wandler einrichtung (S) und der gegebenen Position oder an einer vorgegebenen Position angeordnet ist, um die von der elektro mechanischen Wandlereinrichtung (S) und der Geräuschquelle sich ausbreitenden Schallwellen zu erfassen, und diese in elektrische Signale umzuwandeln,
eine Verarbeitungseinrichtung (10), welche das Aus gangssignal der ersten mechanoelektrischen Wandlereinrich tung (M 1) und ein für die elektromechanische Wandlereinrich tng (S) bestimmtes Treibersignal eingibt oder das Ausgangs signal eines digitalen Filters (2; 22) zur Eingabe des Trei bersignals zur Ermittlung einer Differenz dazwischen eingibt,
eine Treibersignalerzeugungseinrichtung zur Eingabe des Ausgangssignals der Verarbeitungseinrichtung (10), das für die elektromechanische Wandlereinrichtung (S) bestimmte Treibersignal in Abhängigkeit von einer gegebenen Übertra gungsfunktion (D) derart zu erzeugen, daß die Größe der Schallunterdrückung des elektronischen Geräuschdämpfungs system maximiert werden kann, und
eine Steuereinrichtung (1000) zur Bestimmung einer der Treibersignalerzeugungseinrichtung zuzuleitenden Über tragungsfunktion nach Maßgabe des Ausgangssignals der Ver arbeitungseinrichtung (10) und des Ausgangssignals der zweiten mechanoelektrischen Wandlereinrichtung (M 2), wobei in der Treibersignalerzeugungseinrichtung ein Steuerpara meter zur Spezifizierung der Übertragungsfunktion eingestellt wird und der Steuerparameter nach Maßgabe der Änderungen der Ausbreitungscharakteristika des Übertragungsweges (1) sowie der Änderungen der Charakteristika des Steuersystems des elektronischen Geräuschdämpfungssystems korrigiert wird.

2. Elektronisches Geräuschdämpfungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerein richtung (1000) ein Pseudosignal zu der elektromechanischen Wandlereinrichtung (S) ausgibt, um eine Schallwelle auf dem Übertragungsweg (1) der Schallwellen zu erzeugen, die nach Maßgabe des Ausgangssignals der zweiten mechanoelektrischen Wandlereinrichtung (M 2) eine Übertragungsfunktion (D) mit einer Zeitverzögerung spezifiziert, die die Ausbreitungs charakteristika der Übertragungswege zwischen dem Ausgangs anschluß der Treibersignalerzeugungseinrichtung und der zweiten mechanoelektrischen Wandlereinrichtung (M 2) und die Übertragungscharakteristika der Übertragungssysteme wieder gibt, die einen Übertragungsweg der elektrischen Signale umfassen, so daß das Ausgangssignal des zweiten mechano elektrischen Wandlers (M 2) ein minimaler Wert werden kann und die unter Berücksichtigung der spezifizierten Übertra gungsfunktion mit einer Zeitverzögerung eine Übertragungs funktion für die Treibersignalerzeugungseinrichtung nach Maß gabe eines vorgegebenen, adaptiven Algorithmus bestimmt.