自適應噪音控制系統的製作方法

2023-06-30 17:50:46

專利名稱：自適應噪音控制系統的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及對機動車輛產生的噪音的控制，更具體地說，涉及 以自適應系統通過控制噪音從噪音源沿聲學傳遞路逕到達噪音接收處的 傳播，來減少機動車輛乘客廂中的噪音，該自適應系統通過數學模型提高 產生聲學反應。
背景技術：
機動車中動力系統的運行是造成機動車乘客廂中接收到的噪音的主
要來源之一。新的動力系統技術，例如電動閥啟動(electronic valve actuation)禾口可變排量式發動機(variable displacement engine)， 需要新
的控制內部噪音的方法。為了改善消費者感知內部噪音的質量，乘客廂主 動噪音控制已成為研究的流行策略。這些噪音控制方法將在以下相對於公 知技術進行討論。總體上，這些方法成本高，且其僅控制問題的接收終端， 例如乘客、駕駛員的耳朵位置，這會影響乘客的聽說能力。已開發了其它 針對源頭的控制噪音方法，例如對進氣或排氣系統的主動控制。然而，主 動控制能力受到限制，並且非常複雜而且昂貴。因此，即使主動噪音控制 的方法和技術能力已存在多年，主動噪音控制系統還是未被證明得到普 及。
乘客廂主動聲音抑制技術的例子可見1985年3月19日授予Shinichi Matsui的4,506，380號美國專利，其中，向位於車輛儀錶板中的揚聲器單獨 地施加電壓，以選擇性控制相對於發動機振動產生的共振。類似地，1995 年l月31日授予ToshiskiKobayashi等人的5,386,372號美國專利公開了一種 主動振動/噪音控制系統，其中，揚聲器排列在乘客廂儀錶板的適當位置上， 以控制來自發動機的噪音。自膨脹發動機底座具有壓電元件(piezo-electricelement)或磁致伸縮元件(magnetostrictive element)製成的激發器，以防 止振動從發動機傳播。
在整個機動車輛中都使用被動吸聲材料以減少噪音的傳播。2006年3 月28日授予Girma Gebreselassie等人的7,017,250號美國專利中可以看到這 樣的例子，其中，前艙壁隔音系統具有由泡沫製成的基板，其用於吸收導 向前艙壁隔音裝置的聲音。1986年3月ll日授予HeinemannGahlaii等人的 4,574，915號美國專利中，由黏彈性泡沫材料製成的隔音覆層安裝在前端艙 壁的表面，以提供隔音區域。如1992年3月10日授予TakashiMaeda等人的 5,094，318號美國專利、1996年9月lO日授予Hiroshi Matsukawa等人的 5,554,831號美國專利、1998年10月6日授予Motohiro Orimo等人的5，817,408 號美國專禾l」、2000年8月15日授予Kouichi Nemoto的6,102,465號美國專利以 及2003年4月29日授予Kyoichi Watanabe的6，554,101號美國專利所公開的， 將吸聲材料用在車輛的儀錶板區域提供被動噪音控制系統，其防止發動機 艙產生的噪音傳播到乘客廂中。
2004年7月27日授予Christian Junker、並轉讓給福特全球技術公司 (Ford Global Technologies, LLC)的6，767,050號美國專利和2006年7月4日 授予Michael Campbell的7，070,848號美國專利中公開了一種由注模泡沫
(cast foam)製成的隔音系統，其裝在車輛儀錶板在水平和垂直部分，以 減少來自發動機艙的不想要的噪音和振動的傳播。2005年7月14日公開的 JayTudor等人的公布號為2005/0150720的美國專利申請公開了一種用於 減少噪音從發動機到車輛內部傳播的機動車前艙壁隔音系統，其由吸聲層 形成，該吸聲層包含黏彈性泡沫。
在2003年7月8日授予JunOkada等人的6,589，643號美國專利中可以看 到一種使用壓電控制系統配置的噪音控制系統，其中，將吸聲材料、例如 壓電材料用於在車輛中對儀錶板隔音，以吸收和防止低頻噪音從發動機進 入到乘客廂中。2004年7月8日公開的DavidHein的公布號為2004/0130081 的美國專利申請中，公開了一種包含在儀錶板中的各種結構之間的壓電激 發器和傳感器總成，其用以使儀錶板結構中的振動最小化。
自適應濾波器亦己被用於控制噪音源、例如機動車發動機產生的噪
音，如1992年7月14日授予Hiroyuki Hashimoto等人的5,131，047號美國專利 所公開的，其中，揚聲器被用於再生控制發動機噪音的發動機噪音。在1994 年6月14日授予Yi Yuan的5，321，759號美國專利中，將具有橫向濾波器的自 適應濾波器用於主動噪音控制系統，以控制發動機產生的振動噪音。2001 年10月23日授予Hans-WilheimRuhl的6，305,732號美國專利公開了將定向 傳聲器集成到儀錶板中，以獲得控制機動車噪音的定向效果。在2001年11 月27日授予Henry Azima等人的6,324，294號美國專利中，將擴音器面板粘 附或安裝在機動車儀錶板中。2004年12月2日公開的Yoshio Nakamura的公 布號為2004/0240678的美國專利申請公開了一種主動噪音控制系統，其使 用揚聲器控制發動機產生的有問題的噪音。
需要提供一種針對傳播路徑、而不是噪音源或接收處減少發動機噪音 的系統。還需要提供一種利用數學模型確定箱式結構內的系統的聲學反應 的系統，該箱式結構置於噪音從聲源到接收處的傳遞路徑中。

發明內容
本發明的一個目的是，通過提供一種針對噪音傳播的傳遞路徑的噪音 控制系統，克服上述公知技術的缺點。
本發明的另一個目的是，提供一種配置在機動車儀錶板的雙艙壁集氣 室中、用於控制發動機所產生的噪音的自適應系統。
本發明的一個特徵是車輛儀錶板的雙艙壁集氣室沿傳遞路徑設置，發 動機噪音沿該傳遞路徑傳播到乘客廂中。
本發明的一個優點是，在雙艙壁集氣室中應用聲音控制技術針對的是 噪音的傳播，而不是針對噪音源或噪音接收處。
本發明的另一個優點是，主動聲學傳遞功能提供對通過儀錶板傳入機 動車輛車廂的噪音進行有效控制。本發明的另一個特徵是，雙艙壁集氣室的限定容積有助於提供更有效 的噪音控制系統。
本發明的另一個優點是，配置簡單的硬體和軟體就可以在車輛儀錶板 的雙艙壁集氣室中提供低成本、高性能的主動噪音控制，以在乘客廂內影 響噪音。
本發明的另一個目的是，通過阻斷噪音傳播的傳遞路徑來減少發動機 噪音傳播到機動車輛的乘客廂中。
本發明的另一個特徵是，在機動車儀錶板的雙艙壁集氣室中提供自適 應噪音控制系統。
本發明的另一個特徵是，利用雙艙壁集氣室中的揚聲器控制通過集氣 室傳播的發動機噪音。
本發明的另一個優點是，集氣室可以用安裝在形成艙壁的金屬板表面 的吸聲聲學材料阻尼。
本發明的另一個優點是，該噪音控制系統可以置於比在噪音源中使用 更低苛刻條件的環境中。
本發明的另一個優點是，該噪音控制系統可以適用於任何採用雙艙壁 儀錶板設計的機動車輛中。
本發明的另一個目的是，提供一種噪音控制系統，其利用算法生成數 學模型，預測生成並通過雙艙壁集氣室傳播到乘客廂的噪音的特徵。
本發明的另一個特徵是，雙艙壁集氣室中的控制裝置的聲學反應基於 數學模型，以提供開放迴路的控制系統。
本發明的另一個優點是，控制器監控反應，並周期性地更新系統的內 部模型，對運行條件調整數學模型。
本發明的另一個特徵是，利用傳感器確定車輛運行條件，並確定噪音 控制系統的終止結果。
本發明的另一個優點是，修訂數學模型以適應聲學環境的改變。
本發明的另一個目的是，提供一種針對噪音傳播的傳遞路徑的自適應 噪音控制系統，其結構經久耐用、製造成本低、維護方便、組裝簡易並且 使用方便有效。
這些以及其它目的、特徵和優點根據本發明通過提供箱式結構內可操 作的自適應噪音控制系統得以實現，該箱式結構位於傳遞路徑中，噪音沿 該傳遞路徑從生成噪音的聲源傳播到汽車乘客廂中的噪音接收處。該自適 應噪音控制系統可以設置在車輛儀錶板的雙艙壁中，提供限定的容積，發 動機噪音可以在其中被控制。該自適應控制系統響應置於發動機艙中的傳 感器所確定的聲學環境，生成將被控制的噪音的數學模型。乘客廂中的傳 感器確定噪音控制系統的效能。控制器可操作，以響應聲學環境的變化更 新數學模型，從而在雙艙壁集氣室內提供適當的聲學反應，用以沿傳遞路 徑控制噪音。


本發明的優點在考慮以下對發明的詳細說明、尤其是結合附圖時將變 得顯而易見，其中
圖l為具有結合了本發明原理的噪音控制系統的機動車輛的局部示意 性側視立面圖2為具有雙艙壁集氣室(dual bulkhead plenum)的機動車輛的局部 示意性透視圖，噪音控制系統配置在上述雙艙壁集氣室中，以控制發動 機噪音傳播到乘客廂；
圖3為利用安裝在機動車儀錶板的雙艙壁集氣室中的揚聲器的主動噪 音控制系統的示意圖；以及
圖4為雙艙壁集氣室的示意性側視立面圖，用以說明集氣室中聲學材 料的應用。
具體實施例方式
參照圖l-4，可見結合了本發明原理的機動車輛。對進入機動車乘客 廂的不期望的噪音進行控制己成為最近研發的主題。某些噪音控制系統採 用在聲波進入乘客廂之後對其進行對抗的方法，例如，通過適當排列在乘 客廂中的揚聲器引入反向的聲波。其它的噪音控制系統採用在聲波產生點 對其進行對抗的方法，例如通過適當地位於發動機內和/或發動機周圍、例 如位於發動機進氣管上的揚聲器引入反向的聲波。本發明採用獨特的方法 通過沿噪音的傳播路徑、不同於在接收處或產生處反聲波控制噪音。
為了控制音源、例如發動機13和接收處、例如機動車10的乘客廂12之 間的聲音傳遞，沿產生處和接收處之間的傳遞路徑放置箱式結構，其在本 申請中定義為具有固定的容積。在某些機動車輛10中，儀錶板15具有位於 發動機和乘客廂之間的雙艙壁集氣室20。雙艙壁集氣室20提供適合的箱式 結構，以控制聲波或振動沿傳遞路徑穿過儀錶板15進入乘客廂12的傳遞。 由於穿過集氣室20的聲音或振動能量的低水平以及集氣室20的限定容積， 成本極低、但性能高的主動噪音控制系統可以用在使用相對簡單的硬體和 軟體系統的集氣室20中。
噪音控制系統30可以包括發動機艙中的傳感器31 ，其用以確定由發動 機31產生的、穿過雙艙壁集氣室20傳遞到乘客廂12的聲能的頻率和振幅， 以及乘客廂12中的傳感器32，其用以確定傳播到乘客廂12中的聲能的頻率 和振幅。這些傳感器31探知車輛10的聲學環境，並且可以感應諸如溫度、 車速和發動機每分鐘轉速(RPM)的條件。因此，這些傳感器31可在使用 控制算法的開放迴路控制系統中使用，其中的控制算法可以生成由集氣室 20內揚聲器35引入的反聲波。控制器25響應這些環境條件通過控制算法使 用車輛聲學反應的數學模型，並響應預設的聲能水平產生聲波的抵消。
因此，將揚聲器35置於集氣室20內，以引入對抗聲能，控制沿傳遞路 徑穿過集氣室20傳播的聲能。振動能也可以由相反的抵消振動能對抗，該 相反的抵消振動能由振蕩器36導至集氣室20內，該振蕩器36在圖4中示意 性表示，其在集氣室壁上產生振動，該振動具有與發動機13或其它車輛部件發射、並穿過集氣室20傳播的振動相反的頻率和振幅。作為提供與穿過 集氣室20的聲音和/或振動相反的頻率和振幅的可選方法，揚聲器35和/或 振蕩器36可以通過提供部分相反的頻率和振幅對穿過集氣室20傳播的聲 音進行整形，從而可使預先設定的聲音或振動到達乘客廂。
自適應橫向濾波器可以用在噪音控制系統30中，取代傳統的前饋/反饋 (feedforward/feedback)主動噪音控制器。自適應控制是一種特殊類型的 開放迴路主動控制，控制器25在其中使用車輛聲學反應、以及可能的激發 器和傳感器的數學模型。由於聲學環境可能因為車輛10的溫度和其它運行 條件的變化而隨時間發生變化，所以控制器25監控反應，例如通過傳感 器32識別噪音控制系統30控制生成噪音的成功，並持續或周期性地更新系 統的內部慢性。
可選擇地，或作為對揚聲器35和/或振蕩器36的任選添加，集氣室20 可以襯有聲學材料27、 29，如圖4所示。這種被動聲音管理方法的例子有 聲阻尼材料，例如具有黏彈性表面阻尼板，用以提供寬溫度和頻率範圍的 高阻尼。吸聲材料，例如聲學泡沫29可以提供最小厚度的施加到集氣室20
的金屬板表面以減少振動的泡沫層和最大的吸聲效果。聲屏障材料，例如 具有減少撞擊噪音的泡沫的用以阻止空氣載聲的重乙烯基屏障27,提供最 大的聲音衰減和傳播損耗。將被動聲學材料和主動聲音控制系統30結合， 可以提供高性能的噪音控制系統，如圖4所示。
應該理解，上述用於解釋本發明原理的對部件的細節、材料、步驟和 排列的說明和闡述可以發生改變，並且所屬技術領域的技術人員在閱讀本 公開之後，在本發明的原理和保護範圍內也可以做出這樣的改變。以上對 本發明的較佳實施例進行了說明，然而，基於該說明的思想也可以用於其 它實施例中，而不脫離本發明的保護範圍。
例如，本噪音控制系統可以調整和擴展，以用於其它車輛結構中，例 如車輪擋泥板和行李箱，只要可以在車輛結構的範圍內可以實現固定的容 積。本噪音控制技術的其它應用可以包括施工設備以及其它重型設備、航 空航天業以及供暖、通風和空調業。
權利要求
1.一種機動車輛，包含底盤，其確定發動機艙和縱向間隔的乘客廂；發動機，其安裝在上述發動機艙中並可運行生成噪音能量；橫向的箱式結構，其設在上述發動機艙和上述乘客廂之間、從上述發動機傳播到上述乘客廂的噪音能量的傳遞路徑中；以及噪音控制系統，其安放在上述箱式結構中，控制上述噪音能量傳遞到上述乘客廂中，上述噪音控制系統包括可操作的傳感器，其探知車輛的聲學環境，並且生成表示其的信號；可操作的控制器，其由上述傳感器生成的信號生成聲學反應的數學模型，以據此確定預設的聲能水平；以及抵消噪音生成裝置，其位於上述箱式結構內，並且可操作地連接至上述控制器，以製造用於預設聲能水平的抵消聲波。
2. 根據權利要求1所述的機動車輛，其特徵在於，橫向的箱式結構為 連接到儀錶板的雙艙壁集氣室，其中該儀錶板位於上述乘客廂中的前方位 置。
3. 根據權利要求2所述的機動車輛，其特徵在於，上述傳感器包括支 承在上述車輛上的環境傳感器，用以感應與上述發動機有關的運行條件。
4. 根據權利要求3所述的機動車輛，其特徵在於，上述傳感器還包括 位於上述乘客廂內的反應傳感器，用以探知上述噪音控制系統的效能。
5. 根據權利要求4所述的機動車輛，其特徵在於，上述抵消噪音生成 裝置包括至少一個安裝在上述雙艙壁集氣室中的揚聲器，上述揚聲器可操 作，以生成上述抵消聲波。
6. 根據權利要求5所述的機動車輛，其特徵在於，上述控制器可操作， 以響應由上述環境和反應傳感器檢測到的聲學環境更新數學模型。
7. 根據權利要求6所述的機動車輛，其特徵在於，上述噪音控制系統 還包括安裝在上述集氣室中的振動生成器，用以在上述集氣室中產生對抗 振動能量，上述振動生成器由上述控制器響應所用的數學模型控制運行。
8. —種噪音控制系統，其可與製造生成噪音能量的噪音生成裝置和遠 離上述噪音生成裝置用以接收上述生成噪音能量的接收處一起工作，包 含至少一個傳感器，用以感應運行環境條件；可操作的控制器，用以接收來自說說至少一個傳感器的信號，基於感 應到的運行環境條件使用控制算法生成預設噪音能量的數學模型，並生成 噪音控制信號，抵消上述生成噪音能量；以及對抗能量生成裝置，其可操作地連接至上述控制器，以接收上述噪音 控制信號並產生對抗噪音能量。
9. 根據權利要求8所述的噪音控制系統，其特徵在於，上述控制器可 操作，用以響應上述運行環境條件的改變而修改上述數學模型。
10. 根據權利要求9所述的噪音控制系統，其特徵在於，還包含箱式結構，其位於在上述噪音生成裝置和接收處之間延伸的傳遞路徑 上，上述對抗能量生成裝置安裝在上述箱式結構中
11. 根據權利要求IO所述的噪音控制系統，其特徵在於，上述噪音能 量為具有振幅和頻率的生成聲波形式。上述對抗能量生成裝置為揚聲器， 上述控制器向上述揚聲器發送信號，以生成具有頻率和振幅的反聲波，該 頻率和振幅與上述生成聲波的相應振幅和頻率相反，以抵消生成聲波。
12. 根據權利要求ll所述的噪音控制系統，其特徵在於，上述箱式結 構為連接到機動車輛儀錶板的雙艙壁集氣室，其位於上述車輛乘客廂中的 前方位置。
13. 根據權利要求12所述的噪音控制系統，其特徵在於，上述至少一 個傳感器包括與上述噪音生成裝置結合的環境傳感器，用以檢測運行環境條件，以及與上述與乘客廂結合的反應傳感器，用以檢測進入上述乘客廂 的噪音能量，上述控制器可操作，用以接收來自上述環境傳感器和上述反 應傳感器的信號，以修改上述數學模型。
14. 一種控制噪音能量從產生生成噪音能量的噪音生成裝置到遠離上述噪音生成裝置、接收上述生成噪音能量的接收處傳播的方法，包含以下步驟沿在上述噪音生成裝置和上述接收處之間延伸的傳遞路徑截取上述生成噪音能量；沿上述傳遞路徑安裝對抗能量生成裝置；感應與上述噪音生成裝置有關的運行環境條件；由控制器利用控制算法生成預設噪音能量的數學模型；由上述控制器響應上述數學模型生成噪音控制信號，並將上述噪音控 制信號發送到上述對抗能量生成裝置；以及由上述對抗能量生成裝置響應上述噪音控制信號產生對抗噪音能量，以沿上述傳遞路徑抵消上述生成噪音能量。
15. 根據權利要求14所述的方法，其特徵在於，上述截取步驟包括以下步驟使用位於上述傳遞路徑上的箱式結構，上述對抗能量生成裝置安裝在上述箱式結構中。
16. 根據權利要求15所述的方法，其特徵在於，上述感應步驟還包括以下步驟，由與上述噪音生成裝置結合的環境傳感器檢測上述運行環境條件，由反應傳感器檢測上述接收處接收的生成噪音能量，上述方法還包含以下步驟響應上述環境傳感器檢測到的上述運行環境條件和上述反應傳感器 檢測到的上述生成噪音能量的改變而修改上述數學模型。
17. 根據權利要求16所述的方法，其特徵在於，上述對抗能量生成裝 置為可操作的揚聲器，用以產生反聲波，上述生成噪音能量包括具有振幅 和頻率的生成聲波，上述產生步驟基於對應於上述數學模型的經修改的預 設聲波而生成上述具有對抗振幅和對抗頻率的反聲波，以抵消上述生成聲 波。
18. 根據權利要求16所述的方法，其特徵在於，上述對抗能量生成裝 置為可操作的振動生成器，用以產生對抗振動能量，上述生成噪音能量包 括具有振幅和頻率的生成振動能量，上述產生步驟生成上述具有對抗振幅 和對抗頻率的對抗振動能量，以抵消上述生成振動能量。
19. 根據權利要求16所述的方法，其特徵在於，上述箱式結構為結合 在機動車輛儀錶板上的雙艙壁集氣室，上述雙艙壁集氣室在上述車輛的乘 客廂中的前方在上述車輛的橫向延伸。
全文摘要
一種自適應噪音控制系統，配置在位於傳遞路徑中的箱式結構內，噪音沿該傳遞路徑從生成噪音的聲源傳播到汽車乘客廂中的噪音接收處。該自適應噪音控制系統可以設置在車輛儀錶板的雙艙壁中，提供限定的容積，發動機噪音可以在其中被控制。該自適應控制系統響應置於發動機艙中的傳感器所確定的聲學環境，生成將被控制的噪音的數學模型。乘客廂中的傳感器確定噪音控制系統的效能。控制器可操作，以響應聲學環境的變化更新數學模型，從而在雙艙壁集氣室內提供適當的聲學反應，用以沿傳遞路徑控制噪音。
文檔編號G10K11/178GK101206853SQ20071019577
公開日2008年6月25日 申請日期2007年12月13日 優先權日2006年12月14日
發明者安倍武, 羅伯特·G·瑞班特二世, 鄭明德 申請人:福特全球技術公司