DE69130112T2

DE69130112T2 - System zur aktiven regelung von schwingungen

Info

Publication number: DE69130112T2
Application number: DE69130112T
Authority: DE
Inventors: Graham Paul Caldecote Cambridge Cb3 7Nz Eatwell; Colin Fraser Stapleford Cambridge Cb2 5Bp Ross
Original assignee: Noise Cancellation Technologies Inc
Current assignee: Noise Cancellation Technologies Inc
Priority date: 1990-10-29
Filing date: 1991-10-22
Publication date: 1999-03-04
Anticipated expiration: 2011-10-23
Also published as: EP0555266A1; AU660423B2; JPH06502257A; WO1992008223A1; DE69130112D1; ES2121790T3; ATE170654T1; GB9023459D0; AU8739391A; CA2095033C; EP0555266B1; CA2095033A1; DK0555266T3

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft aktive Steuersysteme für Vibrationen, bei denen Vibrationen in einem Bereich reduziert werden, in denen es unerwünscht oder unmöglich ist, Störsensoren anzuordnen, um den reduzierten Vibrationspegel zu überwachen.

Hintergrund der Erfindung

Der Ausdruck "Vibrationen", wie er hier verwendet wird, ist so zu verstehen, daß Schall und andere lineare Störungen kleiner Amplitude umfaßt werden.
Die Verwendung von einfachen aktiven Techniken zur Steuerung von Schall oder Vibrationen ist an sich bekannt, und die Technologie auf diesem Gebiet schreitet rasch voran. Die ersten bekanntgewordenen Arbeiten bezogen sich auf die Steuerung von Schall in einer Leitung (Leug US 20 43 416). Bei dem in dieser Druckschrift beschriebenen System wurde ein "stromaufwärts" angeordnetes Mikrophon verwendet, das als Eingangs- Sensor eingesetzt wurde. Dieser Eingangs-Sensor erzeugte ein Signal, das auf die Amplitude und die Phasenlage der Schallwelle bezogen war, die in der Leitung nach abwärts gewandert ist (die primäre Schallwelle). Das Signal aus dem Eingangssensor wurde in einem Mitkopplungs-Steuergerät verwendet, um ein weiteres Signal zu erzeugen, das dazu diente, den in der Leitung weiter "stromabwärts" angeordneten Lautsprecher zu betreiben (die Bezeichnung "aufwärts" und "abwärts" bezieht sich dabei auf die Richtung des Fortschreitens der primären Schallwelle). Das sekundäre Schallfeld, das von dem Lautsprecher erzeugt wurde, führte zu einer destruktiven Beeinflussung des primären Schallfeldes, und einem ruhigeren Bereich stromabwärts in bezug auf den Lautsprecher. Die Übertragungsfunktion des Mitkopplungs-Steuergerätes (auch als Übertragungscharakteristik oder Frequenzansprechen oder Impulsansprechen bezeichnet), das das Ausgangssignal des Steuergerätes auf das Eingangssignal bezieht, wurde während einer Einstellphase eingestellt und wird dann als feststehend beibehalten. Seit der Einreichung der US 20 43 416 wurden ähnliche Systeme vorgeschlagen, die die gleiche Aufgabe erfüllt haben, bei denen jedoch eine modernere Technologie verwendet wurde.
In der GB 14 92 963 (Lawson-Tancred) wurde ein System für eine Leitung beschrieben, bei dem die Erkenntnis zugrunde lag, daß der Eingangssensor auch auf das Löschfeld (Sekundärfeld) ansprechen würde, das von dem Lautsprecher (oder Betätiger) erzeugt wurde. Dies machte es schwieriger, das Steuergerät einzustellen, da der Grad der Dämpfung möglicherweise sehr empfindlich gegenüber kleinen Änderungen in der Mitkopplungs-Übertragungsfunktion war. Infolgedessen ergaben kleinere Änderungen im akustischen Verhalten des zu steuernden Systems (hier eine Leitung) oder Änderungen in der Mitkopplungs-Übertragungsfunktion des Steuergerätes aufgrund der "Drift" in analogen Komponenten eine schwache Schallreduzierleistung. Ein Merkmal dieses Vorschlages bestand darin, eine passive Dämpfungsvorrichtung zwischen Lautsprecher und Eingangssensor einzusetzen. Mit der GB 14 56 018 (Swinbanks) wurden weitere Verbesserungen vorgeschlagen, indem ein Eingangssensor verwendet wurde, der nur auf Schall in einer Richtung angesprochen hat, und indem ein Betätiger verwendet wurde, der Schall nur in einer Richtung erzeugt hat, so daß der Eingangssensor und das Betätigungsglied akustisch entkoppelt würden. In der GB 15 55 760 (Chaplin) wurde erkannt, daß diese "akustische Rückkopplung" durch elektronische Subtraktion erzielt werden konnte, sobald die Digitaltechnik mit konstanteren charakteristischen Eigenschaften verfügbar war. Dieser Einsatz der Digitaltechnik und die Verwendung einer Signalsubtraktion war bei der Entwicklung dieser Technologie ausschlaggebend.
Mit GB 21 54 830 und GB 20 54 999 (Swinbanks) wurde ein Schema zum Einstellen der Mitkopplungs-Übertragungsfunktion des Steuergerätes in Abhängigkeit von dem Ausgang aus einem zweiten Mikrophon vorgeschlagen, das in dem Bereich positioniert war, in dem Ruhe gefordert wurde (ein Restsensor). Die anfängliche Arbeit sah eine Handeinstellung der Mitkopplungs-Übertragungsfunktion vor, hat jedoch erkannt, daß das Verfahren automatisiert werden konnte. In 1981 wurde mit der GB 20 97 629/US 44 80 333 (Ross) gezeigt, wie die Übertragungsfunktion des Mitkopplungsteiles des Steuergerätes automatisch unter Verwendung von Informationen aus einem Restsensor in dem Bereich eingestellt werden kann, in dem die Schallschwächung erforderlich war. Der Ausdruck "Steuergerät" wird verwendet, um den Mitkopplungspfad und den Mechanismus zu umfassen, der die Übertragungsfunktion des Mitkopplungspfades einstellt. Ein entscheidender Aspekt der Erfindung war das Erkennen der Tatsache, daß die Mitkopplungs-Übertragungsfunktion ihr Optimum hatte, wenn die Korrelation zwischen dem Eingangssensor und dem Restsensor ein Minimum war. Der automatische Vorgang hat die Korrelation auf ein Minimum gebracht, und ein selbsteichendes System beschrieben, das verwendet werden konnte, um den Schall in einem Bereich um den Restsensor herum zu reduzieren. Wenn ein System dieser Art z. B. in einer Leitung verwendet wird, weil das primäre Feld in einer Richtung fortschreitet, liegt der Bereich, in der Stille erzeugt wird, überall stromabwärts in bezug auf den Betätiger, und der Restsensor ist an einer Stelle angeordnet, die die akustische Erregung in diesem gesamten Bereich aufgrund von Wellen darstellt, die stromaufwärts in der Leitung entstehen. Obgleich somit der Bereich groß ist und über den Ort des Restsensors hinausgeht, liegt der Restsensor in dem Bereich, und das Steuergerät arbeitet in der Weise, daß der Schall an dem Restsensor ein Minimum wird.
PCT/GB 82/00299 und GB 21 07 960 (Chaplin) beschrieben in 1983 die Arbeitsweise eines Steuergerätes, die zur Steuerung "periodischer" Geräusche bestimmt war, die durch Rotieren oder wiederholte Quellen entstanden. Dieses Steuergerät benutzte einen Tachometer als Eingangssensor. Ein Eingangssensor dieser Art spricht nur auf die Phasenlage des (primären) Vibrationsfeldes an, da er nicht auf die Amplitude der Vibrationen anspricht. Das System benötigte Sensoren (Mikrophone oder Beschleunigungsmesser) in dem Bereich, in dem Stille erforderlich war, und die Betriebsweise des Systems bestand darin, die Korrelation des Signales des Restsensors mit dem Eingangs- Sensorsignal auf einem Minimum zu halten. Es gab weitere Entwicklungen derartiger Systeme, die die Verwendung von Mehrfach-Betätigern vorsehen, um das sekundäre Vibrationsfeld zu erzeugen, und Mehrfach-Restsensoren, um die Kombination der primären und sekundären Vibrationsfelder in dem Bereich zu messen, in welchem Stille gefordert wurde. GB 21 49 614 (Nelson und Elliott) beschreibt ein System dieser Art, bei dem einige Algorithmen verwendet werden, um den Schall in einer Kabine zu reduzieren. Das System minimiert die Summe der Quadrate der Amplitude der Restsensor- Signale.
Alle Systeme dieser Art ergeben die beste Vibrationsdämpfung an den oder in der Nähe der Restsensoren, wenn sie so ausgelegt sind, daß sie den Schall an diesen Stellen reduzieren. Ein grundlegendes Problem bestand darin, daß dann, wenn ein aktives Vibrationssteuersystem z. B. in einem Passagierfahrzeug installiert wird, es nicht einfach ist, die Restsensoren in dem Bereich zu positionieren, in dem die Schallreduzierung erwünscht ist. Typischerweise ist nur akzeptabel, die Mikrophone in der Dachtrimmung zu befestigen und trotzdem ist der Bereich, in dem die Schallreduzierung erforderlich ist, der Bereich, in dem sich die Ohren der Passagiere bewegen. Bisher ist ein Teil der Anstrengungen bei der Konstruktion eines aktiven Steuersystems für eine solche Kabine auf die Positionierung der Mikrophone verwendet worden, so daß dann, wenn der Schall an den Mikrophonen reduziert worden war, auch die Tendenz bestanden hat, in dem gewünschten Bereich eine Reduktion zu erzielen. Es gibt viele Veröffentlichungen, die ein internes Schallfeld, ausgedrückt in "akustischen Betriebsarten" beschreiben, ferner auch, wie die Mikrophone und Lautsprecher am besten zu positionieren sind, um die modalen Amplituden und damit den Schall in der Kabine im allgemeinen zu reduzieren (Nelson, Curtis, Elliott & Bullmore, Active minimization of harmonic enclosed sound fields, Journal of Sound and Vibration, 117 (1), 1-13). Alle diese Druckschriften hatten jedoch darauf abgestellt, Steuersysteme zu verwenden, die die Summe der Quadrate der Amplituden der Restsensor-Signale auf einem Minimum halten.
Weitere Veröffentlichungen entsprechend PCT/GB87/00706 (Nelson & Elliott) und eine Druckschrift, die vorstehender Anmeldung vorangeht, nämlich Elliot and Sothers "A multichannel adaptive algorithm for the active control of start-up transients", EURO- MECH 213, September 1986, Marseille) beschreiben weitere Steuersystem-Algorithmen für die Minimierung der Restsensor-Signale. Da es jedoch erwünscht war, den Schall in der Kabine zu reduzieren, schlägt diese Veröffentlichung generell vor, daß die beschrie benen Algorithmen dies erreichen lassen, und erwähnt nicht speziell, daß sie auf die Minimierung der Summe der Quadrate der Restsensor-Signale begrenzt sind, und daß jede Dämpfung des Primär-Schallfeldes generell durch die sorgfältige Positionierung der Betätiger und der Restsensoren bedingt ist.
Ein System zur Steuerung der Vibrationen ist bei einer Hubschrauberkonstruktion in US 48 19 182 und GB 21 60 840 (King) vorgeschlagen worden, bei der Mehrfach- Restsensoren (zwölf) verwendet werden; dieses System basiert darauf, daß durch Reduzieren der Vibrationen an den Beschleunigungsmessern die Vibrationen der Gesamtkonstruktion reduziert werden, es wird jedoch nicht beschrieben, wie dies erreicht werden kann.
Eine frühere Patentanmeldung PCT/GB 89/00964 (der Erfinder ist gleich dem in vorliegender Anmeldung) betrifft die Verwendung eines aktiven Steuersystems innerhalb einer Kabine, wobei eine Dämpfung des Schalles an den Kopfpositionen der Passagiere erreicht wird.
Schließlich ist Gegenstand des US-Patentes 46 89 821 ein System, bei dem ein oder mehrere Eingangssensoren erste Signale erzeugen, die auf die Phasenlage oder Amplitude eines primären Vibrationsfeldes bezogen sind, das durch einen Propeller/Turbogebläse erzeugt wird; ein Betätiger erzeugt ein sekundäres Vibrationsfeld; Überwachungssensoren, die in einem ersten Bereich positioniert sind, erzeugen dritte Signale, die auf eine Erregung durch die primären und sekundären Vibrationsfelder ansprechen, und ein Steuergerät, das einen Mitkopplungspfad aufweist, der auf die ersten Signale anspricht, um zweite Signale zum Reduzieren von Vibrationen in einem zweiten, von den primären und sekundären Vibrationsfeldern erregten Bereich erzeugt, tendiert zu einer Reduzierung. Das Steuergerät paßt die Übertragungsfunktion des Mitkopplungspfades in bezug auf die ersten und dritten Signale an, es wird jedoch nicht auf Beziehungen zwischen Vibrationsfeldern wie zwischen den ersten und zweiten Bereichen oder zwischen diesen Feldern und dem Ausgang des Steuergerätes eingegangen.

Beschreibung der Erfindung

Gemäß der Erfindung weist ein aktives Vibrations-Steuersystem auf einen oder mehrere Eingangssensoren, die erste Signale erzeugen, welche auf die Phasenlage und/oder die Amplitude eines primären Vibrationsfeldes bezogen sind, eine Mehrzahl von Betätigungsvorrichtungen, die von zweiten Signalen betrieben werden, welche ein sekundäres Vibrationsfeld erzeugen, eine Mehrzahl von Überwachungs-Sensoren, die in einem ersten Bereich positioniert sind, wo sie durch die Kombination der primären und sekundären Vibrationsfelder erregt werden, und die dritte Signale erzeugen, ein Steuergerät mit einem Mitkopplungspfad, der auf die ersten Signale anspricht und der die zweiten Signale erzeugt, derart, daß die Vibrationen in einem zweiten Bereich, der von den primären und sekundären Vibrationsfeldern erregt wird, dahin tendieren, daß sie reduziert werden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der zweite Bereich von dem ersten Bereich verschieden und frei von Überwachungssensoren ist, und daß das Steuergerät durch Ausnutzen einer Beziehung, die durch eine Eichung zwischen den primären Vibrationsfeldern in den ersten und zweiten Bereichen bestimmt ist, die Übertragungsfunktion des Mitkopplungspfades in bezug auf die ersten und dritten Signale angleicht, so daß die Vibrationen im zweiten Bereich auf einem reduzierten Pegel gehalten werden.
Die Beziehung wird vorzugsweise, zumindest zum Teil, aus einer gemessenen Beziehung zwischen den dritten und vierten Signalen bestimmt, die aus Eichsensoren erhalten werden, welche im zweiten Bereich nur während der Eichung positioniert sind.
Bei Vorstehendem kann die Anpassung der Übertragungsfunktion des Steuergerätes auch die Beziehung zwischen den sekundären Vibrationsfeldern im ersten Bereich und dem Steuergerät-Ausgang benutzen.
Die Anpassung der Übertragungsfunktion des Steuergerätes kann ferner die Beziehung zwischen dem sekundären Vibrationsfeld im zweiten Bereich und dem Steuergerät- Ausgang benutzt werden.
Des weiteren kann dabei die Anpassung der Übertragungsfunktion des Steuergerätes auch die Beziehung zwischen dem sekundären Vibrationsfeld in den ersten und zweiten Bereichen benutzen.
Die Anpassung an die Übertragungsfunktion des Steuergerätes kann auch so vorgenommen werden, daß die bewertete Summe von Produkten berechneter Signale, die die erwarteten Vibrationen im zweiten Bereich darstellen, und die bewertete Summe von Produkten der Übertragungsfunktionselemente minimiert werden.
Die Anpassung der Übertragungsfunktion des Steuergerätes kann ferner auch so vorgenommen werden, daß die bewertete Summe von Produkten der dritten Signale minimiert wird, wenn die bewertete Summe so gewählt wird, daß die Vibrationen im zweiten Bereich reduziert werden.
Das Steuergerät kann auch unter Verwendung von Eichsensoren geeicht werden, die im zweiten Bereich angeordnet sind, und die die vierten Signale erzeugen, die für die Vibrationen im zweiten Bereich repräsentativ sind.
Die Beziehungen A, B, C und D (wie nachstehend definiert) können erforderlichenfalls im Steuergerät gespeichert werden.
Die Beziehungen A, C oder D (wie nachstehend definiert) können eingestellt werden, um Änderungen zu berücksichtigen.
Der erste Bereich kann nahe der oder begrenzt durch die Oberfläche eines Kabineninnenraumes sein, der von mindestens einer Person eingenommen wird, wobei der zweite Bereich der Bereich innerhalb des Kabineninnenraumes ist, der normalerweise von dem Kopf der Person eingenommen wird.
Die Betätigungsvorrichtungen können nahe der oder an der Innenfläche des Kabineninnenraumes positioniert sein, oder sie können in die die Kabine umgebende Konstruktion eingesetzt sein.
In Anwendung auf ein Motorfahrzeug, z. B. ein Automobil, ist das primäre Vibrationsfeld das, das von dem Motor oder den Reifen des Fahrzeugs erzeugt wird, der Kabineninnenraum der Fahrgastraum des Fahrzeuges, und die Betätiger sind in dem Motor oder in den Befestigungssystemen der Aufhängung des Fahrzeuges eingebaut.
Der erste Bereich kann nahe der Oberfläche eines Körpers angeordnet oder durch diese Oberfläche begrenzt sein, und der zweite Bereich kann der umgebende Raum sein; die Betätigungsvorrichtungen können an oder in der Nähe der Oberfläche des Körpers positioniert oder in die Konstruktion des Körpers eingebaut sein.
Die ersten und zweiten Bereiche können sich teilweise überlappen.
Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 die Konstruktion bekannter Systeme, und
Fig. 2 eine Ausführungsform nach der Erfindung.
Bei dem bekannten System nach Fig. 1 sind die Restsensoren 8 in dem Bereich 9 positioniert, in dem Stille herrschen soll. Der Eingangssensor 2 ist ein einzelner Tachometer. Die Betätigungsvorrichtungen 1 sind Lautsprecher. Die Übertragungsfunktion des Mitkopplungsteils des Steuergerätes 7 wird in Abhängigkeit von den Signalen aus den Restsensor-Signalen eingestellt.
Vorliegende Erfindung betrifft ein aktives Vibrationssteuersystem, das die Vibrationen in einem (zweiten) Bereich reduziert, ohne daß es erforderlich ist, Restsensoren in diesem Bereich anzuordnen. Die Erfindung benötigt Sensoren (Überwachungssensoren), die aber außerhalb des zweiten Bereiches angeordnet sein können, wo die Vibrationen reduziert werden sollen. Um die Tatsache zu berücksichtigen, daß diese Überwachungssensoren nicht im zweiten Bereich erforderlich sind, werden sie als in einem ersten Bereich vorgesehen beschrieben. Wenn das System arbeitet, und die Vibrationen im zweiten Bereich reduziert werden (durch die Tendenz der primären und sekundären Felder, einander aufzuheben), haben die Vibrationen an den Überwachungssensoren (d. h. im ersten Bereich), die auch eine Kombination der primären und sekundären Felder sind, nicht notwendigerweise eine geringere Amplitude als das Primärfeld allein. Die dritten Signale (aus den Überwachungssensoren) werden in Verbindung mit den ersten (Eingangssensor)-Signalen verwendet, um die Übertragungsfunktion des Mitkopplungsteils des Steuergerätes anzupassen, um die Dämpfung im zweiten Bereich aufrecht zu erhalten.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann diese Betriebsweise als Berechnung der Amplitude der Vibrationen im zweiten Bereich aus den Werten der dritten Signale und der ersten Signale, und als Einstellung der Mitkopplungs-Übertragungsfunktion gedacht werden, um diesen berechneten Wert zu minimieren.
Daraus ergibt sich, daß vorliegende Erfindung sich von den vorbeschriebenen Systemen dadurch unterscheidet, daß die zusätzlichen Sensoren (die in diesem Fall mit Überwachungssensoren im Unterschied zu den "Rest"-Sensoren bekannter Systeme bezeichnet werden) nicht notwendigerweise in dem ruhigen Bereich vorgesehen sind, und daß somit die Anpassung der Mitkopplungs-Übertragungsfunktion des Steuergerätes nach der Erfindung die Summe der Quadrate der Amplituden dieser zusätzlichen Sensor-Signale nicht minimiert.
Eine Möglichkeit der Betriebsweise vorliegender Erfindung, um dies zu erreichen, wird nachstehend in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben. Das aktive Vibrationssteuersystem weist Betätigigungsvorrichtungen 1 auf, die durch zweite Signale betrieben werden, welche ein sekundäres Vibrationsfeld erzeugen, Eingangssensoren 2, die erste Signale erzeugen, welche auf die Phasenlage und/oder Amplitude des primären Vibrationsfeldes bezogen sind, Überwachungssensoren 3, die in einem ersten Bereich 4 positioniert sind, welche dritte Signale erzeugen, und ein Steuergerät 5, das die zweiten Signale in Abhängigkeit von den ersten und dritten Signalen erzeugt. Die primären und sekundären Felder treffen sich in einem zweiten Bereich 6, und die Übertragungsfunktion des Teiles des Steuergerätes zwischen den ersten Signalen und den zweiten Signalen (der Mitkopplungspfad) 7 wird in Abhängigkeit von den ersten und dritten Signalen eingestellt, um eine Reduzierung der Vibrationen in dem zweiten Bereich aufrecht zu erhalten.
Die Betriebsweise des Steuergerätes wird nachstehend in der Frequenz-Domäne beschrieben. Dies ist jedoch nicht als Beschränkung der Erfindung auf Systeme aufzufassen, die in der Frequenz-Domäne arbeiten. Es gibt viele äquivalente Zeit-Domänen- Systeme (und andere Frequenz-Domänen-Systeme), die die folgenden Formeln verwenden und bei denen der Fachmann die Übereinstimmung erkennt. Beispiele für die Korrespondenz zwischen unterschiedlichen Arten von Zeit- und Frequenz-Domänen- Algorithmen ergeben sich aus Widrow & Stearns (Adaptive Signal Processing, Prentice- Hall, USA 1985) und aus PCT/GB 87/00706 (Nelson & Elliott).
Während einer Eichphase werden, bevor eine Steuerung erforderlich ist, Eichsensoren im zweiten Bereich befestigt, um Informationen über die Akustik des zu steuernden Systems und die Statistiken der Signale zu erzielen. Diese Eichsensoren erzeugen vierte Signale. Die Eichsensoren können entfernt werden, nachdem der Eichvorgang abgeschlossen ist.
Die Signale aus den Eingangssensoren (die ersten Signale) werden durch u dargestellt (wobei u ein Vektor von i komplexen Zahlen für eine einzelne Frequenz ist und jedes Element einem der i ersten Signale entspricht). Die n zweiten Signale (die verwendet werden, um die n Betätigungsvorrichtungen zu betreiben), werden durch einen Vektor x der Längen dargestellt. Die dritten Signale (aus den Überwachungssensoren) aufgrund des Primärfeldes allein werden durch einen Ym und Pm der Länge P dargestellt, wenn die primären und sekundären Felder vorhanden sind. Die vierten Signale (aus den Eichsensoren) aufgrund des Primärfeldes allein werden durch einen Vektor Yc und Pc der Länge t dargestellt, wenn die primären und sekundären Felder vorhanden sind.
Die Übergangsfunktion dieses Teiles des Steuergerätes zwischen den ersten und zweiten Signalen wird durch eine komplexe Matrix Q dargestellt (die n Reihen entsprechend den n zweiten Signalen, und i Spalten entsprechend den i ersten Signalen hat). Somit gilt:
x = Qu. (1)
Die Übertragungsfunktion, die die zweiten Signale mit den dritten Signalen in Beziehung setzt, wird durch die komplexe Matrix A (die r Reihen und n Spalten besitzt) dargestellt, und die Übertragungsfunktion, die die zweiten Signale auf die vierten Signale bezieht, äst durch die komplexe Matrix D (die t Reihen und n Spalten besitzt) dargestellt. Somit gilt:
Pc = Yc + DQu, und (2)
Pm = Ym +AQu. (3)
Es ist ein Hauptziel des Systems nach der Erfindung, das Vibrationsfeld im zweiten Bereich zu minimieren. Dies wird durch Positionieren der Eichsensoren im zweiten Bereich auf einen Satz von Punkten erreicht, die für die Vibrationseigenschaften des zweiten Bereiches repräsentativ sind. Der Ausgang der Eichsensoren wird weiter oben als die vierten Signale beschrieben. Bei einer Ausführungsform der Erfindung arbeitet das aktive Vibrations-Steuersystem in der Weise, daß der erwartete Wert der vierten Signale aus den dritten Signalen und den ersten Signalen berechnet wird, und stellt die Mitkopp lungs-Übertragungsfunktion so ein, daß die bewertete Summe der Quadrate dieser berechneten Signale ein Minimum wird.
Während eines Teils einer anfänglichen Eichphase können die Beziehungen zwischen den Teilen der vierten und dritten Signale, die mit den Eingangssignalen in Beziehung stehen, und die nur durch das Primärfeld bedingt sind, gemessen und auf folgende Weise ausgedrückt werden:
{Ycu*}{uu*}&supmin;¹ = C{Ymu*}{uu*}&supmin;¹ + e (4)
wobei C eine komplexe Matrize mit t Reihen und r Spalten ist, die so gewählt werden, daß die Norm von e ein Minimum wird, und eine {...} der Erwartungsoperator ist.
Wenn somit das Steuersystem betrieben wird, ist der erwartete Wert der vierten Signale angenähert ausgedrückt durch
= C (Pm - AQu). (5)
Wenn die vierten Signale zur Verfügung stehen und das Ziel des Systems wäre, die bewertete Summe der Produkte dieser Signale, Pc * GPc zu minimieren (wobei G eine vollständige, t um t eingeführte, komplexe Hermitianische Matrix ist), ist die optimale Mitkopplungs-Übertragungsfunktion:
Qopt = -(D*GD)&supmin;¹ D*G{Ycu*}{uu*}&supmin;¹. (6)
Wenn zusätzlich die Varianz der zweiten Signale minimiert würde, so daß die Funktion für die Minimierung wäre Pc * GPc + ax * Hx (wobei H eine komplexe hermitianische Matrix ist), wäre die Mitkopplungs-Übertragungsfunktion
Qopt = -(D*GD + aH)&supmin;¹ D*G{Ycu*}{uu*}&supmin;¹. (7)
Während der Eichphase wird kein Versuch unternommen, die Vibrationen im zweiten Bereich zu minimieren, jedoch können die folgenden Größen gemessen werden:
D (die Beziehung zwischen den vierten Signalen und den zweiten Signalen) wird entweder gemessen bei abgeschaltetem primärem Feld, indem entsprechende zweite Signale während dieses ersten Teils der Eichung, xt an jede Betätigungsvorrichtung gegeben werden, die ein sekundäres Vibrationsfeld erregen, und indem das resultierende vierte Signal, pc aufgezeichnet wird, wobei in diesem Fall das Signal/Geräusch- Verhältnis gut ist, oder indem wahlweise das Primärfeld eingeschaltet wird, wenn das Signal/Geräusch-Verhältnis dadurch verbessert werden kann, daß der Pegel des zweiten Signals während dieses ersten Teils der Eichung erhöht wird. Die Schätzung von D ist
{pcxt*}{xtxt*}&supmin;¹. (8)
A (die Beziehung zwischen den dritten Signalen und den zweiten Signalen) wird entweder gemessen bei angeschaltetem Primärfeld, indem andere geeignete zweite Signale während dieses zweiten Teils der Eichung xr in jede Betätigungsvorrichtung eingespeist werden, die ein sekundäres Vibrationsfeld erregen, und das resultierende dritte Signal pm aufgezeichnet wird, wobei das Signal/Geräusch-Verhältnis gut ist, oder indem wahlweise bei angeschaltetem Primärfeld, wenn das Signal/Geräusch-Verhältnis verbessert werden kann, der Eichpegel der zweiten Signale während dieses zweiten Teils der Eichung erhöht wird. Die Schätzung von A beträgt
{pmxr*}{xrxr*}&supmin;¹. (9)
C (die Beziehung zwischen dem Teil der vierten und dritten Signale, der mit den Eingangssignalen verknüpft ist, und der darauf beruht, daß das Primärfeld allein sich über den gesamten Bereich der erwarteten Primärfelder verändert) wird während des dritten Teils der Eichung dadurch gemessen, daß das Primärfeld sich über den gesamten Bereich von erwarteten Feldern verändern kann und daß Yc, Ym, u während der Änderung aufgezeichnet wird. Die Schätzung von C wird dann berechnet als
{Ycu*}{uu*}&supmin;¹{uu*}&supmin;¹{uYm*}[{Ymu*}&supmin;¹{uu*}&supmin;¹{uu*}&supmin;¹{uYm*}]&supmin;¹. (10)
Wenn das System zuerst eingeschaltet wird, kann die Mitkopplungs-Übertragungsfunktion des Steuergerätes gleich dem Wert gesetzt werden, der in Gleichung (6) oder (7) gegeben ist. Wenn das System jedoch einmal für eine bestimmte Zeit in Betrieb gesetzt ist, können die Vibrationseigenschaften sich geändert haben und es mag wünschenswert sein, die Mitkopplungs-Übertragungsfunktion des Steuergerätes anzupassen, um die Änderungen zu kompensieren. Dies macht erforderlich, den berechneten Wert des vierten Signals zu benutzen, wenn die Eichsensoren nicht mehr zur Verfügung stehen.
Der neue Wert der optimalen Mitkopplungs-Übertragungsfunktion ist
Qopt' = -(D*GD + aH)&supmin;¹ D*G {C(Pm - AQopt u)u*}{uu*}&supmin;¹. (11)
Er kann in einem Gradienten-Abfall-Algorithmus der folgenden Form aktualisiert werden:
Qopt' = (1-f)Qopt - cD*G {CPmu* + (D - CA)Qoptuu*}{uu*}&supmin;¹. (12)
wobei c die Stufengröße und f ein kleiner Faktor ist, der gestattet, die Größe der zweiten Signale zu begrenzen, während die Vibrationen im zweiten Bereich ein Minimum werden.
Während des Betriebes des Steuergerätes ist es nicht nur erwünscht, die Mitkopplungs- Übertragungsfunktion anzupassen, sondern auch die gespeicherten Werte von Parametern einzustellen, von denen der Anpassungsprozeß abhängt und die sich geändert haben können. Es ist möglich, den Wert von A online direkt unter Verwendung einer "System-Identifizierung", wie in GB 21 07 960 (Chaplin) beschrieben, neu zu schätzen.
Es ist andererseits schwieriger, einen exakten Wert entweder von C oder von D aufrecht zu erhalten.
Modifikation von D. Die Übertragungsfunktion D repräsentiert den Signalpfad von den zweiten Signalen über die Betätigungsvorrichtung durch das die Vibrationen tragende Medium zum zweiten Bereich. Die Übertragungsfunktion A repräsentiert den Signalpfad von den zweiten Signalen durch die Betätigungsvorrichtung über das Vibrationen tragende Medium in den ersten Bereich, und schließlich durch die Überwachungsmikrophone. Ein Teil der Elemente der beiden Übertragungsfunktionen ist ähnlich, so daß es zweckmäßig sein kann, die Übertragungsfunktion D als das Produkt BA festzulegen, wobei B so gewählt wird, daß D = BA. Änderungen von A können dann verwendet werden, um D zu aktualisieren, indem angenommen wird, daß B konstant bleibt.
Wahl von C. Die anfängliche Wahl von C, die Gleichung (4) erfüllt, ist durch Gleichung (10) gegeben. Es ist jedoch wahrscheinlich, daß die Matrix [{Ymu*}{uu*}&supmin;¹{uu*}&supmin;¹{uYm*}], die den Bereich von erwarteten primären Vibrationsfeldern abdeckt, schlecht konditioniert und damit eine Berechnung der Gleichung (10) ungenau ist. Dies gibt an, daß in der Wahl von C für Erregungen, die nicht in den Teilraum [{Ymu*}{uu*}&supmin;¹{uu*}&supmin;¹{uYm*}] fallen, eine gewisse Flexibilität besteht. Wenn das Primärfeld aus diesem Teilraum herausfällt, ist es erwünscht, daß die Leistung des Systems aufrecht erhalten wird. Es kann beispielsweise sein, daß das System die gewichtete Summe der Produkte der Überwachungssensor-Signale (dritte Signale) für Felder außerhalb der Klasse minimiert, und dies kann dadurch erreicht werden, daß sichergestellt wird, daß die Matrix C so wird, daß D-CA = 0 (oder C nach B tendiert) für die Klasse der Erregungen außerhalb des bekannten Teilraumes wird. In diesem Fall arbeitet das System so, daß der Schall in dem zweiten Bereich ein Minimum wird, indem eine gewichtete Summe von Produkten der dritten Signale ein Minimum wird, wobei die Gewichte so gewählt werden, daß die Vibrationen in dem zweiten Bereich minimiert werden.
Eine alternative Methode des Auffindens von C erweitert den Bereich von primären Vibrationsfeldern, die während des dritten Teils der Eichung gemessen werden, indem zusätzliche Quellen verwendet werden, die durch zusätzliche Testsignale betrieben werden und die nahe den Positionen der echten Quellen angeordnet sind. Dies stellt sicher, daß das System fortfahren wird, die gewichtete Summe von Produkten der erwarteten vierten Signale für alle Klassen von erwarteten Primärfeldern, und die, die durch die zusätzlichen Testsignale geschaffen werden, zu minimieren, welche gewählt werden, um wahrscheinliche Abweichungen des Primärfeldes von dem normalen Zustand zu repräsentieren.
Vorliegende Erfindung ist insbesondere zweckmäßig anwendbar zur Steuerung von Schall in einer Kabine oder einem Passagierraum eines Passagierfahrzeuges. In diesem Fall können die Überwachungssensoren in der Trimmung der Kabinenwandungen, oder in oder in der Nähe der Sitze plaziert werden, und der zweite Bereich kann der Bereich in der Kabine sein, der von den Köpfen der Passagiere eingenommen wird. Die Betätigungsvorrichtungen zum Erzeugen des sekundären Vibrationsfeldes können Lautsprecher sein, die in oder in der Nähe der Trimmung der Kabine oder in oder in der Nähe der Sitze positioniert sind. Wahlweise könnten die Betätigungsvorrichtungen einen Teil des Aufbaues der Kabinenwandungen bilden. Beispielsweise können sie elektro- oder magnetostriktive Materialien sein, die mit den Kabinenwandungen verbunden sind, welche die Kabinenwandungen zum Vibrieren bringen. Eine weitere alternative Ausführungsform von Betätigungsvorrichtungen kann in oder nahe der Aufhängungsbuchsen oder Motorbefestigungen oder beliebiger anderer Teile des Vibrationspfades von einer Schallquelle in einer Fahrzeugkabine zum Kabineninneren sein. In diesem Fall werden die Überwachungssensoren zweckmäßigerweise nahe den Betätigungsvorrichtungen und nicht in der Trimmung, wie zuerst beschrieben, positioniert.
Die Erfindung ist auch zweckmäßig zur Steuerung des Geräusches anzuwenden, das von einem Objekt ausgeht, wenn es schwierig oder praktisch nicht möglich ist, Restsensoren in dem fernen Feld zu positionieren. Dies würde der Fall sein bei der Steuerung des abgestrahlten Geräusches von einem Transformatorgehäuse, einem Schiff oder den Reifen eines Straßenfahrzeuges. In all diesen Fällen sind die Überwachungssensoren nahe genug der Oberfläche des abstrahlenden Körpers angeordnet, damit sie in dem nahen Feld der Betätigungsvorrichtung und des Körpers selbst angeordnet sind. Während somit die primären und sekundären Felder kombiniert werden, werden sie nicht in solcher Weise kombiniert, daß sie einander aufheben, wenn die Aufhebung in dem fernen Feld ihr Optimum hat. Vorliegende Erfindung ist somit insbesondere zweckmäßig bei der Steuerung von Geräusch aus solchen Objekten anwendbar.
Die Erfindung ist nicht auf Situationen beschränkt, bei denen die ersten und zweiten Bereiche sich nicht überlappen.

Claims

1. Aktives Vibrations-Steuersystem mit

einem oder mehreren Eingangssensoren (2), die erste Signale erzeugen, welche auf die Phasenlage und/oder die Amplitude eines primären Vibrationsfeldes bezogen sind,

einer Mehrzahl von Betätigungsvorrichtungen (1), die von zweiten Signalen betrieben werden, welche ein sekundäres Vibrationsfeld erzeugen,

einer Mehrzahl von Überwachungs-Sensoren (3), die in einem ersten Bereich (4) positioniert sind, wo sie durch die Kombination der primären und sekundären Vibrationsfelder erregt werden und die dritte Signale erzeugen,

einem Steuergerät (5) mit einem Mitkopplungspfad, der auf die ersten Signale anspricht und der die zweiten Signale erzeugt, derart, daß die Vibrationen in einem zweiten Bereich (6), der von den primären und sekundären Vibrationsfeldern erregt wird, dahin tendiert, daß sie reduziert werden,

dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Bereich (6) von dem ersten Bereich (4) verschieden ist und frei von Überwachungssensoren ist, und daß das Steuergerät (5) durch Ausnutzen einer Beziehung, die durch eine Eichung zwischen den primären Vibrationsfeldern in den ersten und zweiten Bereichen (4, 6) bestimmt ist, die Übertragungsfunktion des Mitkopplungspfades in bezug auf die ersten und dritten Signale angleicht, derart, daß die Vibrationen im zweiten Bereich auf einem reduzierten Pegel gehalten werden.

2. System nach Anspruch 1, bei dem die Beziehung mindestens teilweise durch eine gemessene Beziehung zwischen den dritten Signalen und den vierten Signalen festgelegt ist, die aus Eichsensoren erhalten werden, die in dem zweiten Bereich (6) nur während der Eichung positioniert sind.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Anpassung der Übertragungsfunktion des Steuergerätes auch die Beziehung zwischen dem sekundären Vibrationsfeld im ersten Bereich (4) und dem Ausgang des Steuergeräts (5) verwendet.

4. System nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die Anpassung der Übertragungsfunktion des Steuergerätes auch die Beziehung zwischen dem sekundären Vibrationsfeld im zweiten Bereich (6) und dem Ausgang des Steuergeräts (5) verwendet.

5. System nach einem der Ansprüche 1-4, bei dem die Anpassung der Übertragungsfunktion des Steuergerätes auch die Beziehung zwischen dem sekundären Vibrationsfeld in den ersten und zweiten Bereichen (4, 6) verwendet.

6. System nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem die Anpassung der Übertragungsfunktion des Steuergerätes so vorgenommen wird, daß die bewertete Summe von Produkten von berechneten Signalen minimiert wird, die die erwartete Vibrationen im zweiten Bereich (6) darstellen.

7. System nach einem der Ansprüche 1-6, bei dem die Anpassung der Übertragungsfunktion des Steuergerätes so vorgenommen wird, daß die bewertete Summe von Produkten von berechneten Signalen minimiert wird, die die erwarteten Vibrationen im zweiten Bereich (6) und die bewertete Summe von Produkten der Übertragungs-Funktionselemente darstellen.

8. System nach einem der Ansprüche 1-6, bei dem die Anpassung der Übertragungsfunktion des Steuergerätes so vorgenommen wird, daß die bewertete Summe von Produkten der dritten Signale minimiert wird, wobei die bewertete Summe so gewählt wird, daß die Vibrationen im zweiten Bereich (6) reduziert werden.

9. System nach Anspruch 2 oder einem von Anspruch 2 abhängigen Anspruch, bei dem das Steuergerät (S) unter Verwendung von Eichsensoren geeicht wird, die im zweiten Bereich (6) positioniert sind, und die die vierten Signale erzeugen, welche für die Vibrationen im zweiten Bereich repräsentativ sind.

10. System nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem irgendwelche der Beziehungen A, B, C oder D der vorbeschriebenen Art in dem Steuergerät (5) gespeichert sind.

11. System nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem die Beziehungen A, C oder D der vorbeschriebenen Art eingestellt werden, um Änderungen zu berücksichtigen.

12. System nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem der erste Bereich (4) nahe der Oberfläche des Inneren einer Kabine vorgesehen und /oder durch die Oberfläche des Inneren der Kabine begrenzt ist, und der zweite Bereich (6) der Teil des Inneren der Kabine ist, in der die Köpfe der Insassen sich üblicherweise befinden.

13. System nach Anspruch 12, bei dem die Betätigungsvorrichtungen (1) nahe der oder an der Innenfläche des Inneren der Kabine positioniert sind.

14. System nach Anspruch 12, bei dem die Betätigungsvorrichtungen (1) in den die Kabine umgebenden Aufbau eingebaut sind.

15. System nach Anspruch 12, bei dem das primäre Vibrationsfeld durch den Motor oder die Reifen eines Fahrzeuges erzeugt wird, wobei das Kabineninnere sich im Fahrzeug befindet und die Betätigungsvorrichtungen (1) in den Motor oder in die Aufhängungs-Befestigungssysteme eingebaut sind.

16. System nach einem der Ansprüche 1-11, bei dem der erste Bereich (4) gegenüber der Oberfläche eines Gehäuses oder Körpers geschlossen und/oder dagegen begrenzt ist, und der zweite Bereich (6) der umgebende Raum ist.

17. System nach Anspruch 16, bei dem die Betätigungsvorrichtungen (1) an oder nahe der Oberfläche des Gehäuses bzw. Körpers positioniert sind.

18. System nach Anspruch 16, bei dem die Betätigungsvorrichtungen (1) in den Aufbau des Gehäuses oder Körpers eingebaut sind.

19. System nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem die ersten und zweiten Bereiche (4, 6) sich teilweise überlappen.