具有用于减小两个体积的开放边界区域的声音传递的副激励器的特定布置的有源消声系统的制作方法

专利名称：具有用于减小两个体积的开放边界区域的声音传递的副激励器的特定布置的有源消声系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种有源消声系统(active countersound system), 该系 统用于有源减小从发射主声波的主激励器发出的至少一个主声波的声波， 并且具有副激励器的特定布置来减小在两个体积的开放边界区域或者 穿过该开放边界区域的声波传递。而且，本发明还涉及一种有源消声 系统装置， 一种用于有源减小声波的方法，以及有源反声波系统的一种 用途，该用途用于有源减小针对至少部分开放的控制体积的声波。
背景技术：
一般地，声波，特别是干扰声波如噪声，可以利用噪声吸收i殳备无源 地使其减小，或者通过有源噪声控制(ANC)有源地使其减小。已知的ANC系统大体上如下工作主激励器，例如噪声源，产生至少一个主声波，例如正弦声波。为了 有源减小或者甚至消除该干扰主声波，最好必须是使用具有相同幅度和频 率、树目移180。的副声波或反声波来叠加该主声波。为此，提供ANC调 节器。该调节器处理相对于主声波同步的、例如借助于参考传感器获取的 参考信号，以及已经由误差传感器如误差麦克风记录的误差信号，并且由 此计算出具有参考信号的频率、但幅度和相位不同的副信号。该副信号传 送到副激励器，例如扬声器，该副激励器将副信号转换成一个反声波或数 个反声波。然后，经叠加的声波再次由误差传感器获取，并且继续进g 节和控制，以便实现最后所得到的声波的最小化。
所^^知的是，例如，如同2004年9月20日至22日在弗吉尼亚州威 廉斯堡市在ACTIVE 04之际由Colin H Hansen (Active Noise and Vibration Control Group, School of Mechanical Engineering, University of Adelaide, SA 5005， Australia, chansen@mecheng.adelaide.edu.au) 所作的报告"Current and Future Industrial Applications of Active Noise Control"中所述，通过ANC系统来消除或减小管道中的声波，所述管道 也就是具有两个开放的通过区域的半开放控制体积。然而，这是具有一维 声波传播的简单的整体系统，在该系统中，通il^管道中布置副激励器， 可以容易地实现有源声波减小。而且，在封闭的控制体积中实现有源声波减小也是/>知的。根据同样的于2004年9月20日至22日在弗吉尼亚州威廉斯堡市、 在ACTIVE 04框架内由Jon Gorman, Richard Hinchliffe和Ian Stothers (Ultra Electronics Controls Division, Vitrum Building, St. John's Innovation Park, Cowley Road， Cambridge, CB4 0WS, England, jon.Gorman@ultracontrols.aero)所作的报告"Active Sound Control on the Flight Deck of a C130 Hercules",已经>^开了一种ANC系统，该系统 用于在封闭的控制体积内，即飞机机身中，衰减局部区域或者减小局部区 域中的主声波。由A. Jakob 、 R. Bauers、 M. M6ser (Institute of Technical Acoustics, Technical University of Berlin， Einsteinufer 25, D-10587 Berlin, Germany, andre.jakob@tu-berlin.de)于2004年8月22日至25日在捷克共和国的 布4i^、在"The 33rd International Congress and Exposition on Noise Control Engineering"上所作的报告"An Actively Controlled triple-glazed window"中公开了一种用于三层玻璃窗的ANC系统。这里，在三层玻璃 的两个玻璃格(glass pane)之间的空隙内的封闭的控制体积中，也实现 了主声波的有源声波减小。在这个布置中，副激励器布置在间隙的边缘， 从而使得封闭控制体积内部的声波减小。这样，可以减小穿过封闭窗户进 入到后方体积的声音传递。上述系统具有以下缺点，即仅可以在封闭控制体积中或者简单的几何 控制体积中实现有源声波减小，其中， 一维声波传播在所述控制体积的内部。 发明内容其中，本发明的目的是实现在至少部分开放的控制体积或空间中、在 若干方向上传播的主声波的有效的有源声波减小，其中，声波减小不^ 生在局部，而且涉及整个空间或者整个控制体积。该目的可以由具有副激励器的特定布置的有源消声系统利用如独立 权利要求1所述的特征来实现，所述副激励器的特定布置用于减小在两个体积的开放边界区域的声音传递；而且，本发明的目的可以由一种有源消 声系统装置、 一种用于有源减小声波的方法以及有源消声系统的一种用途 通过如其余独立权利要求所述的特征来实现，其中，所述用途用于有源减 小针对至少部分开放的控制体积的声波。根据本发明的有源消声系统包括至少 一个调节器单元、至少 一个误差 传感器、至少一个参考传感器以及一个或多个副激励器。副激励器i殳计成 发射反声波。耦合到调节器单元的误差传感器获取叠加的声波，并且在该 声波是可获取的情况下，将其作为误差信号通过耦合传送到调节器单元。 耦合到调节器单元的参考传感器获取主声波，并且通it^合将对应的参考 信号传送到调节器单元，其中，所述主声波至少有一个。耦合到副激励器 的调节器单元处理误差信号和参考信号，并且根据它们生成副信号，该副信号通it^合传送给副激励器，以便取决于误差信号、通过副信号来控制副激励器，从而所述副激励器产生减小误差信号的反声波，以便可以实现 最佳的声波消除。在这个方案中，副激励器布置成位于至少部分开放的通过区域的边 缘，以便通过以幕的形式的反声波，确保布置在该通过区域之后的至少部 分空间的有源声波消除，所述通过区域包括边缘并且将被主声波穿过，并 且所述空间是至少部分开放的。此外，根据本发明，构建了具有控制体积、并且具有包括上述特征的 有源消声系统的有源消声装置，用于有源地减小控制体积中的主声波的声 波。在根据本发明的、用于有源消除M射主声波的主激励器发出的至少 一个主声波的声波的方法中，借助于参考传感器获取主声波的参考信号。 此外，借助于误差传感器，利用叠加的声波获取误差信号。误差信号和参考信号通it^合传送到调节器单元。而且，调节器单元估计所传送的信号， 则产生了副信号。副信号通it^合传送到副激励器。副激励器布置在针对
主声波的开放通过区域的边缘。而且，借助于副激励器，才艮据传送的副信 号产生副声波，以幕的形式的所述副声波叠加在开放通过区域上，^f吏得传 播通过开放通过区域的主声波被至少减小和/或被消除，其中，所述步骤 在被设计为控制电路的有源消声系统中重复并且/或者连续执行。此外，根据本发明，提供了有源消声系统的、用于有源地减小至少部 分开放的控制体积中的声波的用途。本发明的基本思想包括具有副激励器的有源消声系统的装配，其中， 对所述副激励器进行布置，使其布置得边缘化，即沿着针对主声波的开放 通过区域的边缘布置，并且使其产生在开放通过区域中被叠加在主声波上 的副声波或反声波，从而减小或消除主声波。这样，可以构建一种"声幕(acoustic curtain )，，，通过该声幕，可以至少减小在通过区域之后的、在 其传播方向上的所有主声波。一般而言，主声波是噪声波。因此，副声波或反声波是对应的(经相 移的)噪声波。相对应地，用于产生这些噪声波的副激励器是扬声器。开放通过区域是封闭的边缘所环绕的区域，主声波通过该区域到达空 间或控制体积。所述边缘可以具有任何封闭的几何形状。然而，特别地，所述边缘可 以布置在一个平面中。例如，所述边缘可以被设计为简单几何形状的圆周， 所述简单几何形状包括三角形、圆形、卵形、椭圓形、四边形、多边形、 正方形、长方形、梯形、菱形等。所述边缘也可以设计为所谓的包封，以便能够实现对设计为噪声源的主激励器的封闭。这样，在该包封^:后的整个周围将实现主声波减小。副激励器优选地布置成沿通过区域的边缘是等距离的。这样，能够实 现最佳的主声波消除。沿所述边缘的等距离分布使得可以设计具有更简单 的算法的更为简单的计算模型，用于调节和控制有源消声系统，从而保证更有效的主声波减小。用于有效的主声波减小的副激励器的数量取决于大量参数，所述M包括要屏蔽的空间的几何形状；或者取决于控制体积、通过区域的几何形 状、主声波的诿成分、主声波的幅度和/或频率、主声波的带宽、所需要 的声波减小的程度等等。术语"要屏蔽的空间"指的是其中将发生有源(主)声波减小的空间 或控制体积。 一般而言，反声波幕越密集越好，即，其中，调节器单元越快越精确， 则主声波减小越多。这意味着为了实现有效的主声波减小，应该保证副激 励器的质量和/或数量，以及调节器单元的对应的品质，或者一般而言， 调节的对应的品质。在窄带主声波的情况下，只有窄带副激励器是必需的。例如，在主声 波具有大的幅度的情况下，更强大的副激励器、或者对应地更大数量的副 激励器是必需的。然而，依赖于^组合，由于存在许多可能的应用，所 以不可能陈述所有各种设计的选项。副激励器类型的情况也类似。这里，为了有效地减小主声波，副激励 器的类型也取决于4艮多^t，所述^t包括控制体积或者要屏蔽的空间的 几何形状、通过区域的几何形状、主声波的谙成分、主声波的幅度和/或 频率、主声波的带宽、所需要的声波减小的程度等等。与以上具有大的幅度的主声波的示例类似，可能需要更大数量的副激 励器，或者需要具有能够产生同样具有更大幅度的反声波的装置的同样数 量的副激励器。如果主声波的频率在低频范围内，则可仅需要产生4氐频范 围的副激励器。而且，基于錄彼此之间的相关性，在本文献中不可能列出所有的组 合和/或实施例。然而，特别地， 一些组合，例如大量的高品质副激励器 以及快速的高品质调节，导致有效的主声波减小，其中，设计尺寸，尤其 是副激励器的设计尺寸也应当总在被考虑之中。另外，误差传感器的位置可能影响有源消声系统的有效性。正如副激励器的类型和数量一样，误差传感器的数量和/或类型也取 决于各参数，诸如要屏蔽的空间的几何形状、控制体积、通过区域的几何 形状、主声波的诿成分、主声波的幅度和/或频率、所需要的声波消除的 程度等等。此外，参考传感器和误差传感器可以被^殳计成集成在一个传感器中。 这样，可以设计所谓的前馈系统和反馈系统两者。因此，除了借助于参考 传感器获取参考信号之外，该参考信号也能够从已经被结合并且集成在一 个传感器中的误差传感器和参考传感器获取。根据本发明的有源消声系统的用途是多方面的，该有源消声系统具有 副激励器的特定边缘布置来有源地减小针对至少部分开放的控制体积的 声波。例如，有源消声系统可布置在噪声衰减空间的入口区，以便实现有
效的噪声减小。特别地，利用该系统，能够对被"i史计为噪声源的主激4&器 进行有效地封闭。同样地，例如在车间大厅中，某些区域(其中，例如由 于法规的要求，噪声减小是强制性的)能够有效地受到保护，避免噪声的 影响，而不需要针对整个车间大厅采取噪声保护措施。这导致有源消声装置的大量的应用选择，所述有源消声装置具有至少 部分开放的控制体积，具有包括边缘的开放的通过区域，并且具有才艮据本 发明的有源消声系统。例如，副激励器沿着平面长方形布置，利用若干这种装置，各个区域 能够以隔声区或屏障的方式类似设计为噪声衰减的区域。同样，可以想到 的是飞机场上、沿高速公路或铁路线、建筑工地等等的实施例。根据本发明的装置的用途具有以下优点，即所述装置在视觉上不遮蔽 开放的通过区域，这与例如无源噪声保护屏障的情形不同。作为噪声保护 屏障或噪声保护屏障元件的用途还可以提供以下优点，即实质上仅仅改变 了听觉。优选地，副激励器的、或者开放通过区域的边缘的布置被设计为简单 的几何形状。而且，为了产生大面积的噪声保护，若干这种装置能够由此 以模块化的方式布置在一起。当与如上所陈述的涉及三层玻璃窗的ANC系统相比较时，本发明中 所提出的系统在窗户打开的情况下同样是有效的。在该应用中，作为"声 幕"的用途或功能变得特别清楚。


本发明的一个示例性实施例在图中示出，并且在下面予以更加详细的 说明。该图示出了才艮据本发明的有源消声系统的原理图。 该图中的图示是图解性的，并不成比例。
具体实施方式
下面，参考附图，描述根据本发明一个实施例的有源消声系统装置30。 有源消声系统装置30包括有源消声系统10和控制体积20。有源消 声系统10包括调节器单元11、两个误差传感器12、参考传感器13和四 个副激励器14。副激励器14被设计为能够产生反声波15的扬声器。这 些反声波15是正弦声波，并且通过两个误差传感器12来获取，其中，所 述两个误差传感器12在本实施例中被对应设计为麦克风。误差传感器12 通过线路耦合到调节器单元11。通过这个线路，由误差传感器12获取的 误差信号F被发送到调节器单元11。由主激励器(未示出)产生的主声 波16由参考传感器13获取作为参考信号R。在该实施例中，主声波16 以正弦噪声波或声波的形状示出。对应地，在该实施例中，参考传感器 13是麦克风。该参考传感器也通过设计为线路的耦合而被耦合到调节器 单元ll。通过该线路，参考信号R被发送到调节器单元ll。调节器单元 11估算这两个发送信号R、 F，并且根据它们计算出副信号S。调节器单 元11通过线路耦合到副激励器14。通过该耦合，由调节器单元产生的副 信号S从调节器单元llM送到副激励器14。对应地，副激励器14将 副信号S转换成反声波15，其中，主声波16叠加在该反声波15上。这 个叠加的声波或者这些叠加的声波再次由误差传感器12获取，并且连续 执行调节或重复调节。控制体积20设计为部分开放的控制体积，其在图中被图解性地示出 为正平行六面体，其一个面祐:设计为开放通过区域21。通过该开放通过 区域21，主声波16，或者主声波16，(或者已经叠加了反声波的声波，或 者该主声波16，已4iL良声波衰减)到达控制体积20的内部。开放通过区域21由边缘围绕。该边缘在所示实施例中为矩形形状， 副激励器14沿着该边缘布置。在该布置中，副激励器14彼此分隔，以便 是等距离的。由副激励器14沿着开放通过区域21发射的反声波15形成 "声幕"，使得所有通过该开放通过区域21i^v控制体积20内部的主声 波16都会叠加这些反声波15。叠加产生了衰减的主声波16，，其中，衰 减的程度与噪声的减小或主声波的减小是相等的。另外，应当指出的是，"包括"并不排除其它元件或步骤，并且"一" 或"一个"并不排除多数。而且，应当指出的是，参考以上实施例中的一 个实施例所描述的特征或步骤也能够与上述其它实施例的其它特征或步 骤结合使用。权利要求中的参考号不应该解释为限制。
参考列表10 有源消声系统11 调节器单元12 误差传感器13 参考传感器14 副激励器15 反声波16 主声波16， 叠加的/衰减的主声波20 控制体积21 开放通过区域F 误差信号R 参考信号S 副信号
权利要求
1. 一种有源消声系统(10)，用于有源减小M射主声波(16)的 主激励器发出的至少一个主声波的声波，具有至少一个调节器单元(ii);具有至少一个误差传感器(12); 具有至少一个参考传感器(13); 具有若干副激励器(14);其中，所述副激励器(14)被设计成发射反声波(15 );其中，耦合到所述调节器单元(11)的所述误差传感器(12)获取叠 加声波(15, 16， 16，)，所述叠加声波(15, 16， 16，)作为误差信号(F) 通过所iiM合传送到所述调节器单元(11);其中，耦合到所述调节单元(11)的所述参考传感器(13 )获取具有 至少一个的所述主声波(16),所述主声波(16)通过所述耦合传送到所 述调节器单元(u);其中，耦合到所述副激励器(15)的所述调节器单元(11)处理所述 误差信号(F)和所述参考信号(R),并且产生副信号(S)，所述副信号 (S )通过所述耦合传送到所述副激励器(14 ),以便取决于所述误差信号 (F)、借助于所述副信号(S)来控制所述副激励器(14)，使得所述副 激励器(14)产生减小所述误差信号(F)的反声波(15)，从而实现最优 的声波消除；其中，所述副激励器(14)布置成位于至少部分开放的通过区域的边 缘，以便通过以幕的形式的反声波(15),确保在布置于所述开放通过区 域(21)之后的至少部分空间的有源声波消除，所述通过区域包括边缘并 且将被所述主声波(16)穿过，并且所述空间是至少部分开放的。
2. 如权利要求1所述的有源消声系统(10 )，其中，所述副激励器(14 ) 沿所述开放通过区域(21)的所述边缘是等距离的。
3. 如权利要求1或2所述的有源消声系统(10 )，其中，副激励器(14) 的数量取决于^t来选择，该参数诸如要屏蔽的所述空间的几何形状、所 述开放通过区域(21)的几何形状、所述主声波(16)的镨成分、所述主 声波(16)的幅度和/或频率、所需要的声波消除的程度。
4. 如权利要求1至3中任何一项所述的有源消声系统(10 )，其中， 所述副激励器(14)的类型取决于参数来选择，该M诸如要屏蔽的所述 空间的几何形状、所述开放通过区域(21)的几何形状、所述主声波(16) 的镨成分、所述主声波(16)的幅度和/或频率、所需要的声波消除的程 度。
5. 如权利要求1至4中任何一项所述的有源消声系统(10),其中， 若干误差传感器(12)处于适当位置，其中，所述误差传感器(12)的数 量和/或定位取决于参数来选择，该参数诸如要屏蔽的所述空间的几何形 状、所述开放通过区域(21)的几何形状、所述主声波(16)的镨成分、 所述主声波(16)的幅度和/或频率、所需要的声波消除的程度。
6. 如权利要求1至5中任何一项所述的有源消声系统(10)，其中， 所述参考传感器(13)和所述误差传感器设计成集成在一个传感器中。
7. —种用于有源消除^UC射主声波的主激励器发出的至少一个主声 波中的声波的方法，所述方法中，借助于参考传感器(13)，获取主声波(16)的参考信号(R);借助于误差传感器(12)，获取叠加声波(15， 16， 16，)的误差信号 (F);借助于耦合，所述误差信号(F)和所述参考信号(R) t良送到调 节器单元(11);所述调节器单元(11)估计所发送的信号(R， F)，则产生了副信号 (S);所述副信号(S)借助于耦合发送到副激励器(14);所述副激励器(14 )布置在针对所述主声波(16 )的开放通过区域(21) 的边缘上；以及所述副激励器(14)根据所发送的副信号(S)产生反声波(15 )，所 迷反声波(15)以幕的形式叠加在所述开放通过区域(21)上，使得传播 通过所述开放通过区域的所述主声波(16， 16，)减小或者消除，其中， 在控制电路中重复执行所述步骤。
8. —种消声系统装置(30)，包括至少部分开放的控制体积(20 )， 该控制体积(20)具有包括边缘的开放通过区域(21);包括如权利要求1至6中的任何一项所述的有源消声系统(10)，用于有源减小所述控制 体积(20)中的主声波(16)中的声波。
9.有源消声系统(10)的用途，用于有源减小针对至少部分开放的 控制容积(20)的声波。
全文摘要
一种用于有源减小主声波(16)的声波的有源消声系统，该系统具有调节器单元(11)、误差传感器(12)、参考传感器(13)和若干副激励器(14)。所述副激励器(14)被设计发射反声波(15)，其中，耦合到副激励器(15)的调节器单元(11)处理误差信号(F)和参考信号(R)，并且产生副信号(S)，该副信号(S)通过耦合传送到副激励器(14)，以便通过副信号(S)控制副激励器(14)，使得所述副激励器(14)产生减小误差信号(F)的反声波(15)，从而实现最佳的声波消除，其中，所述副激励器(14)布置成位于开放通过区域(21)的边缘，以便通过以幕的形式的反声波(15)保证开放空间的有源声波消除，其中，所述通过区域(21)包括边缘，并且将被主声波(16)穿过，所述开放空间在通过的方向上布置在开放通过区域(21)之后。
文档编号G10K11/178GK101147189SQ200680009803
公开日2008年3月19日 申请日期2006年4月5日 优先权日2005年4月7日
发明者克里斯蒂安·格尔纳, 哈拉尔德·布赖特巴赫, 德尔夫·扎豪, 约亨·佐默 申请人:空中客车德国有限公司