用于主动声音影响的系统和方法与流程

本发明涉及一种用于主动声音影响的系统和方法。待影响的声音在此例如可以在车辆的内燃机的排气设备或进气设备中被引导。则内燃机表现为待影响的声音的噪声源。

背景技术：

用于内燃机的排气设备通常由无源的组件构成，所述无源的组件在所有运行情况下总体由排气流过，且一起形成了排气设备。除了一个或多个管线段之外，这些组件例如可以是一个或多个涡轮增压器、一个或多个催化器和/或一个或多个消声器。用于内燃机的进气设备相应地在所有运行情况下由空气流过且通常具有一个或多个滤波器、阀和压气机。

最近一段时间开始以一种系统补充所述排气设备和进气设备，所述系统用于主动影响在排气设备或进气设备中被引导的、由于内燃机的运行而导致的噪声。这种系统把在排气设备或进气设备中被引导的、主要由内燃机产生的噪声与人工产生的声波相叠加，该声波抑制或改变在排气设备或进气设备中被引导的噪声。结果，向排气设备或进气设备外部排放的声音应该符合相应的制造商的形象，使客户满意并遵守法定的极限值。

这由下述方式实现，即设置至少一个声音产生器，该声音产生器与排气设备或进气设备流体连接且因此把声音射入排气设备或进气设备内部。这种人工产生的声音和由内燃机产生的声音相叠加并一起从排气设备或进气设备出来。这种系统也能够用于消声。为了实现完全破坏在排气设备或进气设备中被引导的噪声的和由声音产生器产生的声音的声波干扰，由扬声器导致的声波在振幅和频率上必须与在排气设备或进气设备中被引导的声波相当，同时却相对于该声波具有180度的相位移。如果尽管由内燃机的运行导致的、在排气设备或进气设备中被引导的声波和由扬声器产生的声波在频率上彼此相当且相对于彼此具有180度的相位移，然而所述声波在振幅上彼此不相等，则仅削弱了从排气设备或进气设备输出的噪声。

下面参考图1和2说明来自现有技术的、具有用于主动影响在排气设备中被引导的声音的系统的排气设备：

具有用于主动影响在排气设备4中被引导的声音的系统7的排气设备4具有形式为隔音的壳体的声音产生器3，所述壳体包含扬声器2，并在尾管1的区域内通过声音管线连接至排气设备4。尾管1具有通入口8，该通入口把在排气设备4中被引导的排气和在排气设备4中被引导的空气载声向外排出。在尾管1上设置了误差麦克风5。误差麦克风5测量尾管1内部的声音。这种借助于误差麦克风5的测量在一区域下游的部段中进行，在所述区域中声音管线通入排气设备4中且进而提供了排气设备4与声音产生器3之间的流体连接。在此，概念“下游”是相对于排气设备4的尾管1中的排气的流动方向而言。在图2中通过箭头示出排气的流动方向。在排气设备4和声音产生器3之间的流体连接部的区域与内燃机6之间可以设置排气设备4的其它组件，例如催化器和消声器(未示出)。扬声器2和误差麦克风5分别与调节装置9连接。此外，调节装置9通过CAN总线与内燃机6的发动机控制装置6'连接。内燃机6还具有进气设备6”。调节装置9根据由误差麦克风5测量的声音和根据通过CAN总线接收的内燃机6的运行参数为扬声器2计算出一信号，且把该信号输出至扬声器2，所述信号在与在排气设备4的尾管1的内部被引导的声音叠加时产生了所追求的总噪声。在此，调节装置例如可以使用X滤波最小均方算法(FxLMS)，且尝试通过经由扬声器输出声音而把借助于误差麦克风测得的反馈信号/误差信号调节至零(在声音消除的情况下)或者调节至一预给定的阈值(在声音影响的情况下)。代替CAN总线也可以使用其它总线系统。

下面参考图3至5以防噪调节装置(ANC(active noise cancellation(主动消声))调节装置)为例进一步说明调节装置的工作方式。

许多由机器像例如内燃机、压缩机或者螺旋桨推进器引起的噪声具有周期性的分量。这使得能够通过利用合适的传感器(例如转速表)监控相应的机器来提供时间相关的输入波矢量该输入波矢量具有与主要由机器产生的噪声的基本频率和谐波的相关性。例如排气背压、排气的质量流量、排气的温度等可以进入这种相关性中。许多机器产生不同基本频率的噪声；这些通常称为发动机阶次。

像图3示出的，这些时间相关的输入波矢量对由噪声源根据噪声源的首先未知的z变换的传递函数P(z)产生的信号d(n)(对应于所产生的噪声)有影响，且由用于主动影响声音的系统的控制算法(在图3、4A、4B和6A中称为“ANC核心(ANC-Kern)”)用于产生与信号u(n)对应的声音，所述声音在与对应于信号d(n)的声音叠加时引起了期望的、对应于反馈信号e(n)的噪声。信号u(n)(在运行区域内部)对应于声音产生器的声压，所述声音产生器产生待叠加的声音。传递函数P(z)可以根据经验确定。

在图3中，叠加通过求和记号Σ表示，且在声音区域(例如排气管线)中进行。由叠加得到的反馈信号e(n)例如借助于误差麦克风来检测且作为反馈信号输送回控制算法(ANC核心)。

e(n)＝d(n)-u(n)

因此，反馈信号e(n)对应于叠加的噪声的声压。

图3中P(z)是噪声源的传递函数的z变换。该传递函数P(z)除了产生噪声的机器的基本量(在此是代表转速的、时间相关的输入波矢量)之外还可以取决于多个物理参数，例如引导声音的系统的压力、质量流量和温度。因此，传递函数P(z)通常不能准确地已知且通常根据经验来确定。

已知的是，图3中示出的ANC调节装置的模型具有不足，这是因为输送回控制算法的反馈信号e(n)包含不能归因于噪声源的传递函数P(z)的分量，其中所述反馈信号e(n)由从噪声源借助传递函数P(z)产生的信号d(n)和从声音产生器相应于信号u(n)产生的声音的叠加得到。

因此，像在图4A、4B中示出的那样，以第二传递函数S(z)扩展了ANC调节装置的模型。

该第二传递函数S(z)一方面考虑了在电学区域中所用的数模(D/A)转换器、滤波器、放大器、声音产生器等的不足，然而也考虑了在声学区域中还未被第一传递函数P(z)考虑的从声音产生/声音叠加的地点到确定反馈信号e(n)的误差麦克风的地点的路径的不足，以及最终还有在电学区域中与此相连的误差麦克风、前置放大器、抗混叠滤波器和模数(A/D)转换器等的不足。

因此在图3的模型的扩展中，在图4A、4B的模型中从ANC核心输出的信号y(n)考虑了第二传递函数S(z)，该第二传递函数说明了从由ANC核心输出的信号y(n)向信号u(n)的转换。在此，u(n)对应于由声音产生器产生的信号的(以数学方式理想化的)振幅。

在此，第二传递函数S(z)考虑了从调节装置的输出端(y(n))直至调节装置的反馈信号(e(n))的整个区域。

当通过噪声源产生噪声时(也就是说，接通了噪声源)，得到第二传递函数S(z)为，

S(z)＝u(z)/y(z)

且u(n)对应于信号s(n)和y(n)的卷积(褶积)

u(n)＝conv[s(n),y(n)],

其中s(n)是第二传递函数S(z)的脉冲响应。e(z)、y(z)和u(z)分别是信号e(n)、y(n)和u(n)的Z变换。

图4B以细节放大图示出了图4A的模型。可以看出，由ANC核心输出的信号y(n)由两个由正弦发生器提供的、相对彼此位移了90°的正弦振荡sin(ω₀n)、cos(ω₀n)组成，所述正弦振荡之前借助于两个放大器放大了不同的放大系数w₁(n)、w₂(n)，以便产生两个具有不同的振幅的、相对彼此相移了90°的信号y₁(n)、y₂(n)。两个放大器的放大度在此由适配电路动态地基于反馈信号e(n)相应地匹配。

例如，如果对于内燃机的一定转速RPM来说要消除第i个发动机阶次EO_i，则得到待消除的基本频率f₀为

f₀＝EO_i·RPM/60

ω₀＝2πf₀

在图4B中用于匹配放大度的适配电路以时钟频率运行，该时钟频率决定ANC核心的时钟频率。

图5示意性地示出噪声的振幅(Magn)在频率(F_req)上的谱分布。在此，d(n)表示在给出的基本频率f₀下当前的声压(单位是帕斯卡)。在此，∥d(f)∥表示对谐波来说，在一确定的时间点上的幅值/振幅大小。

ANC调节装置的输入波矢量在此被如此定义(矢量以箭头符号标示)：

在Sen M.Kuo和Dennis R.Morgan的论文"Active Noise Control:A tutorial review"(发表在IEEE会议的论文集中，卷87，第6期，1999年六月)中已经指出，在起振时间之后，ANC调节装置使反馈信号e(n)最小化。该论文的内容被全文援引且尤其援引其中描述的窄带前馈调节。

在此，表示输入波矢量的转置，且由输入波矢量的列和行的互换得到。

在此，由放大系数形成的矢量被称作ANC调节装置的相矢量(Phasor-Vektor)。

像在图4B中示出的，正弦波的放大度借助于相矢量分别通过适配进行匹配。

其中μ表示适配速度。

因为对于ANC核心来说不是每时每刻都已知传递函数S(z)，所以取而代之使用了估计从而所述适配应为

其中是的脉冲响应。

对声音产生器的传递函数的估计按已知方式产生。将由声音产生器输出的信号与输入声音产生器的信号相比较。信号间的每个差通过声音产生器对输入信号的调控而产生。对于不同的运行状态(即输入信号)，本发明对由声音产生器输出的信号和由误差麦克风测得的信号与输入声音产生器的信号进行比较，以得到所谓的对传递函数的估计其也被称为“最佳的可用的函数”。所述估计尤其考虑了数模(D/A)转换器、重构滤波器、放大器、扬声器、扬声器与误差麦克风之间的声学路径、误差麦克风、前置放大器、抗混叠滤波器以及模数(A/D)转换器的效果。

有若干种方法确定例如通过使用由Isermann和Münchhof所著的书籍“Identification of Dynamic Systems”(Springer出版社，ISBN 978-3-540-78878-2)系统识别方法中的一种。在此作为示例，一真实系统的储存在ANC算法中作为离散的IIR滤波器：

另一种可选方案是将传递函数存成数据表格，其优点是，不需要IIR计算和数据缓冲。

TF_Amplitude

＝[2043；2069；2070；2070；2068；2075；2075；2074；2077；2076；2056；2073；2074；2077；2073；2098；2094；2095；2090；2087；2068；2085；2082；2079；2077；2077；2071；2066；2063；2059；2039；2051；2047；2041；2037；2032；2054；2051；2040；2034；2013；2026；2020；2014；2007；2005；1998；1990；1988；1981；1960；1970；1964；1959；1955；1949；1944；1950；1943；1935；1920；1926；1921；1917；1912；1906；1901；1896；1891；1883；1870；1874；1871；1867；1860；1858；1850；1845；1840；1832；1823；1823；1819；1812；1809；1802；1796；1792；1782；1775；1763；1764；1756；1749；1742；1738；1727；1720；1711；1698]

TF_Phase＝

[-113；-131；-150；-169；-187；-206；-224；-242；-262；-280；-299；-317；-335；-353；-372；-398；-415；-434；-452；-471；-491；-507；-526；-544；-563；-581；-600；-618；-637；-656；-676；-694；-713；-731；-750；-770；-791；-809；-828；-847；-869；-885；-905；-925；-943；-963；-983；-1002；-1021；-1042；-1064；-1081；-1100；-1120；-1140；-1159；-1179；-1198；-1219；-1239；-1262；-1279；-1299；-1318；-1339；-1359；-1378；-1398；-1418；-1439；-1462；-1478；-1498；-1519；-1539；-1559；-1578；-1598；-1618；-1638；-1662；-1679；-1698；-1718；-1738；-1758；-1778；-1796；-1817；-1837；-1859；-1875；-1895；-1916；-1935；-1955；-1974；-1994；-2013；-2038]

在现有技术中已经指出，在假设a)待叠加的信号d(n)是一个简单波；以及b)所用的执行器可以提供振幅||u(n)||≥||d(n)||的情况下，可以实现显著减小e(n)的平均值(AVG)：

AVG[e(n)_FINAL]～0

要强调的是，上述实施方案仅是示例性的，本发明还包括其它已知的用于产生由ANC核心输出的信号y(n)的可能方案。

在已知的用于主动声音影响的系统中缺点在于，通常试图尽可能地或完全地消除由噪声源产生的噪声。由此得到了所用的执行器的很大的负荷，且因此出现了所得到的声压等级的极不规律的变化曲线。

技术实现要素：

因此本发明的任务在于，提出一种用于主动声音影响的系统和方法，其提供了在声音影响时较大的自由度。根据一实施形式提供了一种用于主动声音影响的系统和方法，其允许如此抑制或放大待调控的声音，使得出现可预给定的声压等级。

用于主动声音影响的系统的实施形式具有至少各一声音产生器、误差传感器、信号发生器、调节器、加法器和加权器。在此声音产生器(其例如可具有扬声器)被设计为，在加载有音频信号时产生声音并把该声音与待调控的声音相叠加。该由声音产生器产生的声音通常也被称为“防噪”。误差传感器(其例如可以是麦克风或压力传感器)设计为，测量经叠加的声音并输出相应的反馈信号，该经叠加的声音由待调控的声音与由声音产生器产生的声音相叠加而得到。信号发生器(其例如可以是现有技术中的防噪系统)设计为，产生并输出声音信号。调节器(其例如可以是在编程技术上设置的微处理器)设计为，产生第一调节信号和第二调节信号。加法器设计为，从反馈信号中减去第二调节信号，并把这样得到的经修正的反馈信号输出至信号发生器。加权器设计为，用由调节器产生的第一调节信号对由信号发生器输出的声音信号进行加权，并输出这样加权的声音信号用以产生音频信号。在此，信号发生器设计为，基于经修正的反馈信号产生声音信号，调节器设计为，如此产生第一、第二调节信号，使得反馈信号的幅值相当于/等于可预给定的值。

上述结构实现了，待调控的声音通过叠加了由声音产生器由于由信号发生器产生的、基于第一调节信号放大或减小的声音信号而如此增大或减弱，使得由此得到的经叠加的声音具有可通过可预给定的值调节的、在可预给定的值恒定时同样也基本恒定的声压等级(幅值)。这使得能准确地遵守法律规定。在此，用于相应的基本频率的可预给定的值可以低于、高于或等于在系统关掉时反馈信号的幅值。

根据一实施形式，调节器设计为，在使用基本调节信号的情况下产生第一、第二调节信号。在此，基本调节信号代表一大于或等于零的有理数序列的值。在此，只要由声音产生器产生的信号的幅值大于阈值(该阈值大于零)，则基本调节信号相当于/等于可预给定的值与由声音产生器产生的信号的幅值的商。在另一种情况下，如果由声音产生器产生的信号的幅值小于或等于所述阈值，则基本调节信号相当于/等于预给定的最大值。这种基本调节信号能以简单的方式得到。因为用于放大或减弱由声音产生器产生的声音信号的第一调节信号和用于调控反馈信号的第二调节信号二者都根据共同的基本调节信号获得，所以特别简单地确保了第一调节信号和第二调节信号之间的协调。在此，在产生基本调节信号时上述区分是必需的，以便阻止被零除。因此，阈值可以是非零的任意小的正值。

根据一实施形式，调节器设计用于，由1和基本调节信号的差产生第一调节信号。

根据一实施形式，调节器设计用于，由基本调节信号和由信号发生器在一较早时间点上产生的信号的乘积产生第二调节信号。因此，第二调节信号(以小的时间延迟)跟随由声音产生器产生的、用于与待调控的声音叠加的声音。该时间延迟是必需的，因为由声音产生器产生的信号间接地依赖于第二调节信号，且否则会得到一个代数环。

根据一实施形式，由声音产生器产生的信号的较早的时间点相对于基本调节信号回溯了一倍或多倍的信号发生器的内部时钟频率，并进而尽可能得短地回溯。由于小的时间间距，在产生第二调节信号时引入的误差保持在狭窄的范围内。

根据一实施形式，由声音产生器产生的信号考虑了声音产生器的传递函数，且否则的话则基于由加权器输出的经加权的声音信号。

根据一实施形式，调节器设计为，通过声音产生器的传递函数与由加权器输出的经加权的声音信号的卷积来确定由声音产生器产生的信号。确定由声音产生器产生的信号对计算第二调节信号来说是必须的。通过信号发生器产生声音信号也想要了解声音产生器的传递函数。

根据一实施形式，调节器设计为，取代声音产生器的传递函数而使用估计的传递函数，该估计的传递函数存储在调节器中，以便得到用于由声音产生器产生的信号的估计值。为每种可能的运行状态确定声音产生器的传递函数是极为费力的。然而通过试验可以为不同的运行状态通过经验确定声音产生器的传递函数，并例如表格式地或者以函数的形式存储在系统中。也可以通过输入数据预给定估计的传递函数。

根据一实施形式，信号发生器进一步设计为，得到与待调控的声音有关的输入波矢量，且基于输入波矢量产生声音信号。输入波矢量基本上是值的1×N阶矩阵(单列矢量)。主动声音消除具有如下问题，即不能足够快地通过简单地测量当前排气噪声和产生合适的防噪信号来消除排气噪声。例如，输入波矢量(其在Sen M.Kuo和Dennis R.Morgan的论文"Active Noise Control:A tutorial review"(IEEE会议论文集，卷87，第6期，1999年六月)中也称为“参考输入矢量”)可以是内燃机转速的谐波函数。例如，如果给定发动机转速RPM和EO_i(＝所期望的发动机噪声或者待消除或改变或降低的发动机噪声)，则应对噪声进行影响/改变/降低的频率f₀(例如对于四冲程发动机)通过下述公式来计算：

f₀＝EO_i*RPM/60，

相应的脉动为ω₀＝2πf₀，如广泛已知的。

在采样时间n计算出的输入波矢量为

在此，输入波矢量可以是代表产生待调控的声音的发动机的转矩或转速或发动机负荷。额外地或替代地，输入波矢量可以是代表油门位置或油门梯度(每单位时间油门位置的变化)，其中，油门控制产生待调控的声音的发动机。额外地或替代地，输入波矢量可以是代表离合器或变速器的状态，所述离合器或变速器与产生待调控的声音的发动机相连接。额外地或替代地，输入波矢量可以是代表产生待调控的声音的发动机的运行模式(例如“运动的”或“节能的”)。额外地或替代地，输入波矢量可以是代表与产生待调控的声音的发动机相连接的电池的电压(因为通常由该电压可以推断出发动机的运行状态)。额外地或替代地，输入波矢量可以是代表产生待调控的声音的发动机的运行状态(例如，发动机准备好起动/点火装置接通、发动机起动、发动机运转)。

所述系统根据一实施形式还可以具有麦克风，该麦克风测量待调控的声音且输出与该声音对应的测量信号，其中，信号发生器进一步设计为，在考虑通过麦克风输出的测量信号的情况下产生声音信号。替代地或附加地，所述系统根据一实施形式还可以具有用户接口，该用户接口设计用于，接收用户输入，其中，信号发生器进一步设计为，在考虑测量通过用户接口接收的用户输入的情况下产生声音信号。替代地或附加地，根据一实施形式，信号发生器可以与发动机的发动机控制装置连接，且信号发生器设计为，在考虑由发动机控制装置接收到的信号的情况下产生声音信号。

根据一实施形式，信号发生器设计为，在使用X滤波最小均方算法(FxLMS)的情况下产生声音信号。

根据一实施形式，信号发生器设计为，为待调控的声音的每个阶次(如果待调控的声音的源是内燃机时，则为每个发动机阶次)分开地产生声音信号。

机动车的实施形式具有一带有发动机控制装置的内燃机和前述系统。发动机控制装置与信号发生器和/或调节器连接且被设计为，确定内燃机的转矩和/或转速和/或发动机负荷，并把相应的输入波矢量输出至信号发生器和/或调节器。

用于主动声音影响的方法的实施形式具有如下步骤：产生声音信号；测量经叠加的声音，以便得到相应的反馈信号，该经叠加的声音由基于声音信号产生的声音与待调控的声音的叠加而得到；产生基本调节信号，其中，基本调节信号代表一大于或等于零的有理数序列的值，其中，只要由声音产生器产生的信号的幅值大于阈值(该阈值大于零)，则基本调节信号相当于可预给定的值与由声音产生器产生的信号的幅值的商，其中，如果由声音产生器产生的信号的幅值小于或等于所述阈值，则基本调节信号相当于预给定的最大值；由1和基本调节信号的差产生第一调节信号，由基本调节信号和一信号的乘积产生第二调节信号，该信号与在一较早时间点上基于声音信号产生的声音相对应；利用第一调节信号对声音信号进行加权，以便得到经加权的信号；从反馈信号中减去第二调节信号，以便得到经修正的反馈信号，其中，在产生声音信号的步骤中，在使用经修正的反馈信号的情况下产生声音信号；以及使用经加权的声音信号以产生基于声音信号产生的声音。

在本文中要指出的是，在该说明书和权利要求中用于列举特征而使用的术语“包括”、“具有”、“包含”、“含有”和“带有”，以及其语法上的变型统统应该理解为对特征、例如方法步骤、设备、范围、尺寸大小等的非穷尽的列举，并不排除存在其它或额外的特征或其他或额外的特征的组合。

附图说明

由如下对实施例的说明结合权利要求以及附图得到本发明的其他特征。附图中相同或相似的元件以相同的或相似的附图标记表示。要指出的是，本发明并不局限于所述实施例的实施形式，而是由所附的权利要求的范围来决定。在根据本发明的实施形式中，各个特征尤其能够以和在下文中给出的例子中不同的数量和组合实现。参考附图对本本发明的实施例进行如下描述，其中：

图1透视地示出根据现有技术的用于主动影响在排气设备中被引导的声音的系统；

图2示意性地示出根据图1的用于主动影响在排气设备中被引导的声音的系统的框图；

图3示意性地示出根据现有技术的用于主动影响声音的系统的信号流程图；

图4A、4B示意性地示出根据现有技术的用于主动影响声音的系统的细化程度不同的信号流程图；

图5示意性地示出待调控的噪声的振幅曲线图；

图6示意性地示出根据本发明的实施形式的用于主动影响声音的系统的信号流程图；

图7示意性地示出具有图6中的系统的、以内燃机驱动的车辆；

图8示意性地示出根据本发明的用于主动影响在排气设备中被引导的声音的方法的流程图；

图9A示意性地示出在使用根据图4A、4B的现有技术的系统时，声压等级的时间曲线图；

图9B示意性地示出在使用根据图6的系统时，在极限数据输入下声压等级的时间曲线图；

图10示意性地示出在使用根据图6的系统时，声压等级的时间曲线图；

图11A、11B示意性地示出在使用根据图6的系统时，对于不同的可预给定的值，声压等级的时间曲线图；以及

图12A、12B、12C示意性地示出，当额外地采取了用于声音影响的被动/无源措施时，在使用根据图6的系统时声压等级的时间曲线图。

附图标记列表：

1 尾管

2 扬声器

3 声音产生器

4 排气设备

5 误差麦克风

6 内燃机

6' 发动机控制装置

6” 进气设备

7 用于主动声音消除的系统

8 通入口

9 调节装置

20 声音产生器/执行器

40 排气设备

41 麦克风

50 误差传感器

60 发动机

80 尾管

91 信号发生器/ANC核心

92 调节器

94 加法器

95 加权器

96 ANC扩展系统

97 输入接口

d(n)由传递函数P(z)产生的、待叠加的信号(对应于由噪声源产生的噪声)

e(n)(经修正的)反馈信号(对应于叠加的噪声的声压)

e'(n)未经修正的反馈信号

e(z)信号e(n)的z变换

EO_i第i个发动机阶次

f₀基本频率

P(z)噪声源的传递函数的z变换(对应于如下函数，通过噪声源的信号产生(以及进而声音产生)以此函数为基础)

u(n)用于叠加的信号(对应于声音产生器的声压，该声音产生器产生待叠加的声音)

u'(n)经加权的、用于叠加的信号

u(n-1)较早的用于叠加的信号

u(z)信号u(n)的z变换

S(z)声音产生器的传递函数的z变换(对应于信号y(n)向信号u(n)的变换)

s(n)第二传递函数S(z)的脉冲响应

对第二传递函数的z变换的估计

第二传递函数的估计的脉冲响应

相矢量/放大度

相矢量的转置

w₁(n)，w₂(n)放大系数

输入波矢量

输入波矢量的转置

y(n)由ANC核心输出的(声音)信号

y'(n)经加权的、由ANC核心输出的(声音)信号

y₁(n)，y₂(n)由ANC核心输出的、相对彼此位移了90°的信号

y(z)信号y(n)的z变换

ε₁大于零的阈值

μ适配速度

λ基本调节信号

λ₁，λ₂第一/第二调节信号

Δ用于反馈信号的幅值的预给定的值

Λ_MAX基本调节信号的最大值

具体实施方式

下面参考附图说明本发明的优选实施形式。

在图7中示意性示出的机动车具有形式为内燃机60的发动机以及排气设备40，在内燃机60中在运行中产生的排气和声音通过该排气设备被引导至尾管80。在排气和声音通过尾管80排放到环境中之前，在排气设备40中排气被清洁/净化且声音被减弱。

在示意性地示出根据本发明的实施形式的用于主动影响声音的系统的信号流程图的图6中，由内燃机60产生的且在排气设备40中被引导的噪声对应于待叠加的信号d(n)。在此，与n的相关性要表达的是，由内燃机60产生的噪声与内燃机60的运行状态(例如内燃机60的转速和/或转矩)相关，且进而以时间曲线变化。然而在此，n的值不是连续的，而是离散的。

在排气设备中，具有扬声器的声音产生器20(执行器)通过Y管线耦联至排气设备。扬声器被加载声音信号y'(n)且(在考虑声音产生器的传递函数S(z)和所属分量的情况下)产生一声音，该声音对应于被加权的、用于叠加的信号u'(n)，且与在排气设备中被引导的噪声相叠加。

如果与在排气设备中被引导的噪声相对应的、待叠加的信号d(n)相对于由扬声器产生的声音的被加权的、用于叠加的信号u'(n)具有90°的相位移，且信号d(n)和u'(n)在振幅方面也相当(也就是说d(n)＝-u'(n))，则出现了完全消除在排气设备中被引导的噪声。

通过被设计为误差麦克风的误差传感器50测量通过尾管80输出的声音并输出相应的反馈信号e'(n)，所述误差传感器相对于排气设备中排气的流动方向设置于在排气设备中被引导的噪声和由扬声器产生的声音的叠加位置的下游。

利用声音信号y'(n)运行扬声器，该声音信号由包括ANC核心91和ANC扩展系统96的防噪系统提供。

ANC核心91具有正弦发生器，第一放大器、第二放大器和适配电路，且因此形成了一个信号发生器。参见图4B的实施方案。

ANC扩展系统96具有调节器92、加权器95(在此其通过具有可调节的放大度的放大器形成)、输入接口97(在此其设计为形式为键盘的人机界面)和加法器94。

在图6示出的实施形式中，ANC核心91和ANC扩展系统96通过分开的微处理器实现。然而可选地，二者也可以通过唯一的微处理器实现。

ANC核心91和ANC扩展系统96与内燃机60的发动机控制装置(未特意示出)相连接且由发动机控制装置接收形式为输入波矢量的控制信号，该输入波矢量说明了内燃机60的当前转速和当前转矩。此外，ANC扩展系统96的调节器92通过输入接口97接收用户的输入。在此，用户输入是用于反馈信号幅值的预给定的值Δ。然而该预给定的值Δ不必是恒定的，也可以是随时间变化的。

要强调的是，本发明不局限于使用键盘作为输入接口97。可选地，例如也能够以表格形式把用于反馈信号幅值的合适的预给定的值Δ存储在ANC扩展系统96中并在需要时读取。在此，预给定的值Δ也可以具有与输入波矢量的相关性。

ANC核心91根据接收到的转速和转矩通过已知的方式(在此是使用FxLMS算法)产生声音信号y(n)，该声音信号适用于，当扬声器以声音信号y(n)运行时，消除对应于在排气设备中被引导的声音的、待叠加的信号d(n)。在此，ANC核心91考虑了声音产生器20的传递函数S(z)。

进一步地，调节器92基于接收到的转速、接收到的转矩和通过输入接口97接收的、用于反馈信号的幅值的值Δ，产生第一调节信号λ₁(n)和第二调节信号λ₂(n)。

具体地，在该实施形式中，在调节器92中，为机动车的各个转矩和转速确定了基本调节信号λ(n)。基本调节信号λ(n)在此分别是大于等于零的有理数。因此，在时间变化曲线中，通过调节器92确定了基本调节信号λ(n)序列，所述序列代表一系列大于或等于零的有理数。

为了确定基本调节信号λ(n)，首先检查，在较早的时间点上由声音产生器20为了叠加的目的而产生的信号的幅值(∥u(n-1)∥)是否大于事先存储在调节器92中的阈值ε₁。在该示出的实施形式中，事先存储的阈值ε₁极小，为0.0001。如果大于，则基本调节信号λ(n)确定为可预给定的值Δ与在较早的时间点上由声音产生器20为了叠加的目的而产生的信号的幅值∥u(n-1)∥的商。否则，如果在较早的时间点上由声音产生器20为了叠加的目的而产生的信号的幅值∥u(n-1)∥小于或等于的阈值ε₁，则基本调节信号λ(n)被设定为预给定的最大值Λ_MAX，在此该最大值为值“60”。

要强调的是，本发明不局限于具体的阈值ε₁。阈值ε₁大于零就可以了。同样地，本发明也不局限于最大值Λ_MAX“60”。相反，最大值Λ_MAX取决于所用的系统的组件。

在该示出的实施形式中，由声音产生器产生的信号u(n-1)的较早的时间点(n-1)相对于当前时间点分别回溯了信号发生器的内部时钟频率的十倍。然而，本发明不局限于此；当然，应该让较早的时间点尽可能接近当前时间点，以便保持小的误差。

稍后阐述用于确定由声音产生器20在较早的时间点产生的信号的振幅∥u(n-1)∥的不同的方法。

第一调节信号λ₁(n)通过调节器92确定为1和基本调节信号λ(n)之间的差。

第二调节信号λ₂(n)通过调节器92确定为基本调节信号λ(n)与由声音产生器20在较早的时间点为了叠加的目的而产生的信号u(n-1)的乘积。

ANC核心91把声音信号y(n)输出至加权器95，而ANC扩展系统96的调节器92把第一调节信号λ₁(n)输出至加权器95。

加权器95利用第一调节信号λ₁(n)对声音信号y(n)进行加权，并把如此加权的声音信号y'(n)输出至声音产生器20的扬声器。因此，用经加权的声音信号y'(n)运行扬声器。在考虑声音产生器20的传递函数S(z)的情况下，把与加权的信号u'(n)相对应的声音与在排气设备中被引导的、对应于信号d(n)的声音相叠加。

因为由ANC核心91初始产生的声音信号y(n)之前已经利用第一调节信号λ₁(n)被加权，所以经加权的声音信号y'(n)通常不再能够，当以声音信号y'(n)运行扬声器时，完全消除在排气设备40中被引导的声音。而是，在排气设备中被引导的声音通常仅一定部分被消除或者还被放大。这取决于在确定基本调节信号λ(n)时所用的预给定的值Δ。

由加法器94从由误差传感器50接收的反馈信号e'(n)中减去第二调节信号λ₂(n)，以便得到经修正的反馈信号e(n)。

ANC核心91得到经修正的反馈信号e(n)，并在产生声音信号y(n)时以已知的方式考虑该反馈信号，当扬声器以声音信号y(n)运行时，该声音信号适用于，消除在排气设备40中被引导的声音d(n)。

在此在ANC核心91和ANC扩展系统中执行的算法基于如下考虑(所述考虑对于内燃机60的每个发动机阶次来说单独进行)：

对于确定的发动机阶次和转速以及进而对于确定的输入波矢量(以及进而频率f₀)来说，待消除的、在排气设备40中被引导的声音d(n)可以表示为具有随时间改变的相位和振幅的基本上的谐波信号

d(n)＝D(n)sin(ω₀n+φ_d(n))ω₀＝2πf₀

其中，在此“n”表示时间变化(离散时间序列的时间指数)。φ_d(n)称为“系统相位”且仅取决于噪声源。

相应地，为了消除/叠加而待由扬声器发射的声音必须同样对应于具有随时间改变的相位和振幅的谐波信号u(n)：

u(n)＝U(n)sin(ω₀n+φ_u(n))

在此，D(n)和φ_d(n)首先不是已知的。然而一旦ANC控制装置收敛，则允许如下近似：

φ_u(n)≈φ_d(n)(u(n)和d(n)同相)

因此u(n)可以改写为：

u(n)＝U(n)sin(ω₀n+φ_d(n))

在通过与由扬声器发射的声音相应的信号u(n)叠加了与在排气设备40中被引导的声音相应的信号d(n)之后，对于频率f₀得到了在尾管80处保留的声音e(n)：

e(n)＝d(n)–u(n)

因此，e(n)同样是谐波信号的线性组合且因此也同样可以表达为“系统相位”φ_d(n)的函数:

e(n)＝E(n)sin(ω₀n+φ_d(n))

现在应该利用根据本发明的系统和方法控制振幅E(n)。

在成功地声音消除中，在若干时间之后，对相应的基本频率f₀来说e(n)向着零收敛，从而在成功地声音消除中有：

e(n)＝d(n)–u(n)→0≈d(n)–u(n)

该公式可以改写为：

d(n)–λu(n)+λu(n)–u(n)≈0

以及进一步为

d(n)–(1-λ)u(n)-λu(n)≈0

在此，λ是实数。

引入同样也在图6中使用的如下新的变量e'(n)，u'(n)和y'(n)：

e'(n)＝d(n)–(1-λ)u(n)→e(n)＝e'(n)–λu(n)

u'(n)＝(1-λ)u(n)＝(1-λ)conv[s(n),y(n)]＝conv[s(n),(1-λ)y(n)]

(其中conv是两个时间序列的卷积)

y'(n)＝(1-λ)y(n)

如上所述，借助于根据本发明的系统和方法不应追求完全的声音消除，而是追求与预给定的值Δ相当的反馈信号的幅值。该预给定的值可以低于、高于或等于在系统关掉时对于反馈信号的振幅所得到的值。因此在叠加之后得到所追求的信号(FINAL)为：

e’(n)_FINAL≈λu(n)

根据本发明，该值应该相应于预给定的值Δ：

∥e’(n)_FINAL∥＝Δ→λ∥u(n)∥＝Δ

其中Δ是可预给定的值且进而是期望的声压等级水平。

因为u(n)不是恒定的，而是在n上时间变化的信号，所以λ也必须是时间变化的。

该公式不能直接用在ANC扩展系统中，因为代数环的问题在于：u(n)依赖于λ(n)，而λ(n)依赖于u(n)。该问题可以由下述方式回避，即：使用在时间上略微回溯的u(n)的值(这些在时间上回溯的值称为“n-1”)。在此，时间间距应该选择得尽可能的小，从而有：

∥u(n)∥≈∥u(n-1)∥

还必须避免被“零”除。

现在，要通过调节器92计算出∥u(n)∥或∥u(n-1)∥。如在说明图4A和4B时已经阐述的那样，u(n)对应于信号s(n)和y(n)的卷积(褶积)

u(n)＝conv[s(n),y(n)]，

其中s(n)是声音产生器20以及与声音产生器相连接的组件的传递函数S(z)的脉冲响应。s(n)是未知的。然而可以按经验确定用于声音产生的组件的传递函数以及脉冲响应并如此估计。

因此允许如下估计：

其中估计了代表由声音产生器20输出的声音的信号。

如果卷积运算符conv[.]用于谐波信号，则该信号可以在给定的基本频率f₀下简单地通过相位延迟TF_PHASE和振幅衰减TF_AMP来表示：

在给定的基本频率f₀下，振幅衰减：

在给定的基本频率f₀下，相位延迟：

因此，可以用如下的伪代码计算所寻找的信号：

function Estimate_Actuator()

{

}

然后得到了经修正的反馈信号e(n)为

以及经加权的声音信号y'(n)为

y'(n)＝[1-λ(n)]y(n)＝λ₁(n)y(n)

为了计算第一和第二调节信号λ₁(n)、λ₂(n)可以使用如下伪代码：

在此，和分别利用“0”初始化，并在每次计算λ₁(n)和λ₂(n)之后更新，从而不出现代数环。值Λ_MAX和ε₁是常量，其可以取决于在ANC核心和ANC扩展系统中所用的微处理器(或者数字信号处理器)、声音产生器的功率等并按经验确定。

幅值始终变化，因此应该利用系统的每个时钟频率更新。

建议了如下四种用于计算的方法：

1)长度法("Magnitude method(幅值法)")

可以视作两个正交矢量的和；因此，所述幅值可以利用如下伪代码通过矢量长度来计算：

function Estimate_ActuatorWaveAmplitude()/*Magnitude method*/

{

}

其中SQRT是平方根。其可以作为特征曲线族存储在调节器92中，从而该方法在计算能力方面可以是极其高效的。

2)解析法("Analytical method")

可以如下地表示：

[cos(ω₀n)cos(TF_PHASE)-sin(ω₀n)sin(TF_PHASE)]}

如果在此定义

sin(τ)＝sin(ω₀n)cos(TF_PHASE)+cos(ω₀n)sin(TF_PHASE)

cos(τ)＝cos(ω₀n)cos(TF_PHASE)-sin(ω₀n)sin(TF_PHASE)

k₁(n)＝TF_AMP(ω₀)w₁(n)

k₂(n)＝TF_AMP(ω₀)w₂(n)

则可以得到用于的更简单的表达：

振幅是上述谐波函数的局部最大值MAX_LOCAL，其中找出下述点，在所述点处的一阶导数等于零(因为信号是正弦振荡，因此有abs(MIN_LOCAL)＝MAX_LOCAL)。函数“abs(.)”在此提供绝对值。

因此，可以利用如下伪代码计算：

在此，arctg是反正切函数。ε₀是一小的值，所述小的值取决于算法的解以及所用的微处理器(或者数字信号处理器)，且典型地为0.001。反正切函数可以作为特征曲线族存储在调节器92中，从而该方法在计算能力方面可以特别高效。此外，当w₂(n)＝0时，反正切函数的奇点被正确地处理。

上述两种方法实现了，准确地计算

因为与噪声d(n)相应的信号的振幅与频率相比变化极其缓慢，所以可以比时钟频率慢地更新(例如以1：2至1：20的比例)，从而减少了所需的计算功率。

3)具有减少的采样的解析方法("Under-sampled analytical method")由得出，可以视作相矢量的线性函数。当相矢量平行于X轴或者Y轴时，幅值简单地就是相量的一个或另一个分量w₁(n)或w₂(n)的一部分。在该方法中，对于每个周期1/f₀更新两次或四次。像已经描述的，不需要以每个时钟频率更新

因此，可以利用如下伪代码计算

或者

在此，ε₀是个小的值，所述小的值取决于算法的解以及所用的微处理器(或者数字信号处理器)，且典型地为0.01。这种计算方式是特别高效的。

4)比较法("Compare method")

对于波形信号来说还存在一种不那么最佳的方法，该方法可以通过如下伪代码描述：

该方法的优点是，不需要平方根或反正切函数。然而在此，在每个波周期内也仅更新两次。

下面参考图8描述用于运行上述系统的方法。

在第一步骤S1中，在ANC扩展系统96的调节器92中，用于所用的变量和常量的起始值为：ε₁＝0.0001；Λ_MAX＝60。

接着在步骤S2中通过输入接口97在调节器92中得到预给定的值Δ。

与此并行地，在步骤S3中借助于误差传感器50测量被叠加的声音，以便得到相应的反馈信号e'(n)。

此外，与此并行地，还在步骤S4中通过ANC核心91在使用被调控的反馈信号e(n)的情况下产生声音信号y(n)。

在跟随步骤S2之后的步骤S20中确定，是否满足条件为此在步骤S20'中计算出用于和的值。这在上文中已经详细说明且例如可以在使用如下公式的情况下进行：

要强调的是，可以按照上述的或由现有技术已知的每种方法进行在步骤S20'中完成的对用于和的值的计算。

如果在步骤S20中满足所述条件，则在步骤S21中以计算基本调节信号λ(n)。

否则，当在步骤S20中不满足所述条件时，在步骤S22中把基本调节信号λ(n)设为最大值Λ_MAX。

接着在步骤S23中如下地计算第一、第二调节信号λ₁(n)、λ₂(n)：

λ₁(n)＝1-λ(n)

在随后的步骤S5中，在使用在步骤S23中得到的第二调节信号λ₂(n)以及在步骤S3中测得的反馈信号e'(n)的情况下，按照下述公示计算出经修改的反馈信号e(n)：

e(n)＝e'(n)-λ₂(n)

在步骤S4中使用经修改的反馈信号e(n)，这通过虚线示出。

与此并行地，在步骤S6中在使用在步骤S23中得到的第一调节信号λ₁(n)以及在步骤S4中产生的声音信号y(n)的情况下，按照下述公示计算出经加权的声音信号y'(n)：

y'(n)＝λ₁(n)·y(n)

在步骤S1的输出端处继续所述方法之前，在步骤S7中输出经加权的声音信号y'(n)，以借助于声音产生器20产生与经加权的音频信号u'(n)对应的声音以及把由声音产生器20产生的声音与待调控的声音叠加。

在图9A至12C中示出，根据本发明的系统和方法发挥了哪些作用。在此，内燃机驱动的车辆的排气设备相应地过度工作了且补充了根据本发明的系统。

像从图9A可见的，传统的系统(ANC AN)尝试连续地把声压等级相对于未调控的声音(ANC AUS)降低到尽可能小的值(在此约20dB)。只要所用的系统的动力和效率允许，这就一直进行。在例如第13秒和第15秒之间可识别出瞬变(不稳定的起振状态)，这种瞬变可归因于，所用系统的动力不足够。补充地示出了在执行器(声音产生器)处得到的压力等级。

与此相比，借助于根据本发明的系统实现了，声压等级相对于未调控的声音(ANC AUS)升高至可任意预给定的值Δ(直至大约3.5秒为止和在15秒与16秒之间约为60dB)或降低至可任意预给定的值Δ(从大约4秒直至大约7秒约为20dB，从大约8秒直至大约9秒约为40dB，从大约9.5秒直至大约13.5秒约为20dB)。在可预给定的值Δ的每次改变时，出现了控制上的短暂的起振行为且进而导致信号曲线中的瞬变。需要注意的是，对该例子来说选择了极端的数据(可预给定的值Δ具有剧烈的跳跃)。

在图10中，在高的声压等级时(在该声压等级下所用的声音产生器接近其功率极限)，把根据本发明的系统和方法的行为与现有技术中的系统相比较。可以看出，借助于本发明(ANC AN)实现了，声压等级相对于未调控的声音(ANC AUS)基本恒定地保持在预给定的值Δ(在此约为130dB)上且输出的声音为此或者升高(直至例如2000 1/min)或者降低(高于约2000 1/min)或者大致保持恒定(在3200 1/min左右的范围内)。相对地，现有技术中的系统(ANC现有技术)具有极不均匀的声压等级。

图11A中示出了不同的测量结果，如在根据本发明的系统的不同的数据输入下在柴油机汽车的排气设备中已经设定的那样。在此预给定的值Δ不保持恒定，而是随着转速线性增大。在此，与现有技术(ANC现有技术)相比，本发明(ANC AN)也表现出声压等级的明显更平静的走向。视数据输入而定，在此也完成了声压等级的相对于未调控的声音(ANC AUS)的升高和/或降低。

在图11B中同样示出了不同的测量结果，像在根据本发明的系统的不同数据输入下在柴油机汽车的排气设备中已经设定的那样。在此，预给定的值Δ不保持恒定，而是直至例如2600 1/min为止恒定地保持在相对较低的第一值上并且在2600 1/min之上升高至较大的值。

由图12A、12B和12C可以看出，可以如何说明根据本发明的系统的应用。在此，在时间曲线中，所用的内燃机的转速首先线性地从每分钟1200转升高至每分钟2000转，保持一段时间的恒定，且随后再次线性降低。对用于第三发动机阶次的声压等级进行测量。

图12A至12C分别示出在系统接通(ANC AN)或切断(ANC AUS)时声压等级的变化曲线以及在系统接通时执行器的压力等级。可以看到，根据本发明的系统导致了基本恒定的约33dB的声压等级。

在图12B中，相对于图12A，机械地抑制了排气设备并且因此整体低了约4dB。明显地，这种机械的抑制对“根据本发明的系统导致基本恒定的约33dB的声压等级”并未造成任何改变。同时其需要用于执行器的更多的能量，这是因为声压等级相对于切断的系统而言必须提高。这种效应在传统的系统中不出现。

在图12C中，相对于图12A，排气设备机械地高了约4dB。明显地，这对“根据本发明的系统导致基本恒定的约33dB的声压等级”并未造成任何改变。

因此，在内燃机驱动的车辆中可以利用如下方法说明本发明：

首先在切断系统的情况下在受控的条件下(例如在转速从每分钟800转增加至4500转时在50％的恒定负荷下)，借助于排气设备中的误差麦克风在声音叠加区域的下游测量声压等级。

接着在接通系统的情况下在相同的条件下借助于同一个误差麦克风测量声压等级。同时还测量对执行器(声音产生器)的激励。选出所获得的测量曲线的若干静态工作点。

现在，通过机械措施如此改变无源的排气设备的几何形状，使得借助于误差麦克风测量的声压等级变低或变高(了约3dB)。

接着，在接通系统的情况下重新对静态工作点进行测量。测得的信号根据其发动机阶次被特定地滤波。

如果使用本发明，则对排气设备的机械操控不应该导致用于影响声音的系统的不稳定。此外，利用误差麦克风测得的声压等级在接通系统时在机械操控的系统中在考虑一定的公差的情况下应该相应于在接通系统时在未机械操控的系统中利用误差麦克风测得的声压等级(对静态工作点来说)。