СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ УЗКОПОЛОСНЫХ ШУМОВ В ПАССАЖИРСКОМ САЛОНЕ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

1. Способ активного, в режиме реального времени ослабления узкополосного шума, по существу моночастотного, по меньшей мере на одной определенной частоте, в пассажирском салоне транспортного средства посредством обратной связи, включающий испускание звука по меньшей мере через один преобразователь, обычно громкоговоритель, управляемый сигналом u(t) или U(t) в случае SISO или MIMO соответственно, причем сигнал генерируется программируемым вычислительным устройством в виде функции сигнала акустических измерений y(t) или Y(t), соответствующего указанному случаю, акустические измерения выполняют посредством по меньшей мере одного акустического датчика, обычно микрофона, при этом использование одного датчика соответствует случаю SISO, один вход - один выход - одна переменная, а использование нескольких датчиков соответствует случаю MIMO, множество входов - множество выходов - множество переменных, при этом
на первой стадии - стадии проектирования - моделируют электроакустическую характеристику звена, образованного пассажирским салоном, преобразователем и датчиком, посредством электроакустической модели в виде электроакустической передаточной функции, которую определяют и рассчитывают, после чего определяют и рассчитывают закон управления исходя из глобальной модели системы, в которой указанный закон управления применяют к электроакустической передаточной функции, на выход которой дополнительно подается подлежащий ослаблению сигнал шума p(t), с тем чтобы на указанной стадии проектирования получить сигнал y(t) или Y(t), при этом указанный закон управления позволяет формировать сигнал u(t) или U(t) в виде функции акустических измерений y(t) или Y(t), a
на второй стадии - стадии использования - для ослабления упомянутого шума используют рассчитанный закон управления в вычислительном устройстве для формирования сигнала u(t) или U(t), посылаемого затем в преобразователь, в виде функции сигнала y(t) или Y(t), полученного от датчика,
отличающийся тем, что реализуют закон управления, который включает в себя применение параметра Юлы к центральному регулятору и который является таким, что в этом законе управления только параметр Юлы имеет коэффициенты, которые зависят от частоты подлежащего ослаблению шума, при этом центральный регулятор имеет постоянные коэффициенты, параметр Юлы имеет вид З фильтра с бесконечной импульсной характеристикой, а после определения и расчета закона управления в памяти вычислительного устройства сохраняют по меньшей мере указанные переменные коэффициенты, предпочтительно в таблице в виде функции определенной частоты или определенных частот шума p(t), используемого на стадии проектирования, при этом на стадии использования, в режиме реального времени:
получают текущую частоту шума, подлежащего ослаблению,
обеспечивают с помощью вычислительного устройства расчет закона управления, включающего в себя центральный регулятор с параметром Юлы, при этом используют в качестве параметра Юлы сохраненные в памяти коэффициенты для определенной частоты, соответствующей текущей частоте шума, подлежащего ослаблению.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае SISO, один вход - один выход, на стадии проектирования:
a) - на первом этапе используют линейную электроакустическую модель, причем электроакустическая модель имеет форму дискретной рациональной электроакустической передаточной функции, и указанную электроакустическую модель определяют и рассчитывают путем акустического возбуждения пассажирского салона посредством преобразователя и акустических измерений, выполняемых датчиком, и с применением затем процесса идентификации линейной системы, выполняемого с указанными измерениями и указанной моделью,
<mover accent="true"><mi>X</mi><mo>⌢</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>X</mi><mo>⌢</mo></mover>
-1
-1
-1
b) - на втором этапе реализуют центральный регулятор, который применяют к указанной определенной и рассчитанной электроакустической модели, причем центральный регулятор имеет вид RS-регулятора, состоящего из двух блоков -
и Ro(q); в центральном регуляторе блок
формирует сигнал u(t) и принимает в качестве входного сигнала инвертированный выходной сигнал блока Ro(q), а указанный блок Ro(q) принимает в качестве входного сигнала сигнал y(t), соответствующий сумме шума p(t) и выходного сигнала электроакустической передаточной функции электроакустической модели; и определяют и рассчитывают указанный центральный регулятор;
-1
-1
-1
-1
<mrow><mi>Q</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>q</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>β</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>q</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>α</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>q</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
<mover accent="true"><mi>X</mi><mo>⌢</mo></mover>
c) - на третьем этапе к центральному регулятору присоединяют параметр Юлы для формирования закона управления, причем параметр Юлы имеет вид блока Q(q), фильтра с бесконечной импульсной характеристикой, с
, присоединенного к центральному RS-регулятору; причем указанный блок (Q(q)) Юлы принимает оценку шума, полученную путем расчета из сигналов u(t) и y(t) и имеющую вид функции электроакустической передаточной функции, и выходной сигнал указанного блока (Q(q)) Юлы вычитают из инвертированного сигнала Ro(q), поданного на вход блока
центрального RS-регулятора; а параметр Юлы в законе управления, содержащем центральный регулятор, с которым связан параметр Юлы, определяют и рассчитывают по меньшей мере для одной частоты шума p(t), включая по меньшей мере указанную определенную частоту шума, подлежащего ослаблению,
при этом на стадии использования, в режиме реального времени:
- получают текущую частоту шума, подлежащего ослаблению,
-1
-1
- обеспечивают с помощью вычислительного устройства расчет закона управления, включающего в себя RS-регулятор с параметром Юлы, используя в качестве параметра Юлы коэффициенты, рассчитанные для частоты шума, соответствующей текущей частоте шума, подлежащего ослаблению, причем коэффициенты Ro(q) и So(q) являются постоянными коэффициентами.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что на стадии проектирования выполняют следующие операции:
a) - на первом этапе пассажирский салон подвергают акустическому возбуждению, подавая на преобразователь сигнал возбуждения, спектральная плотность которого является по существу равномерной на эффективной полосе частот,
-1
-1
b) - на втором этапе определяют и рассчитывают полиномы Ro(q) и So(q) центрального регулятора таким образом, чтобы указанный центральный регулятор был эквивалентен регулятору, рассчитанному посредством размещения полюсов замкнутого контура при применении центрального регулятора к электроакустической передаточной функции, причем n полюсов замкнутого контура помещаются на n полюсов передаточной функции электроакустической системы,
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
<mrow><mfrac><mrow><mi>β</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>q</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>α</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>q</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mi>H</mi><mi>S</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>q</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>α</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>q</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
c) - на третьем этапе по меньшей мере для одной частоты шума p(t), включая по меньшей мере указанную определенную частоту шума, подлежащего ослаблению, определяют и рассчитывают числитель и знаменатель блока Q(q) Юлы в законе управления в виде функции критерия ослабления, причем блок Q(q) выражается в виде отношения
таким образом, чтобы получить значения коэффициентов полиномов α(q) и β(q) для указанной частоты или каждой частоты, расчет β(q) и α(q) выполняют путем получения дискретной передаточной функции
, являющейся результатом дискретизации непрерывной передаточной функции второго порядка, полином β(q) рассчитывают путем решения уравнения Безу,
при этом на стадии использования, в режиме реального времени выполняют следующие операции:
-1
-1
-1
- обеспечивают с помощью вычислительного устройства расчет закона управления, центрального регулятора с постоянными коэффициентами и параметра Юлы с переменными коэффициентами, для формирования сигнала u(t), посылаемого в преобразователь, в виде функции акустических измерений y(t), при этом используют для блока Q(q) Юлы значения коэффициентов полиномов α(q) и β(q), определенные и рассчитанные для определенной частоты, соответствующей текущей частоте.
4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что для электроакустической модели используют электроакустическую передаточную функцию в виде:
<mrow><mfrac><mrow><mi>y</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>u</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mi>q</mi><mrow><mo>−</mo><mi>d</mi></mrow></msup><mi>B</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>q</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>A</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>q</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
-1
где d - количество составляющих задержку периодов дискретизации, В и А - полиномы q, причем:
-1
-1
-nb
0
1
nb
B(q)=b+b·q+…b·q
-1
-1
-na
1
na
A(q)=1+a·q+…a·q
1
1
-1
-d
-1
-1
где b; и a - скалярные величины, и q - оператор задержки периода дискретизации, при этом расчет оценки шума получают путем применения функции qB(q) к u(t) и вычитания результата из результата применения y(t) к функции A(q).
-1
-1
5. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что для этапа (b) полиномы Ro(q) и So(q) центрального регулятора определяют и рассчитывают посредством способа размещения полюсов для замкнутого контура, при этом n доминирующих полюсов замкнутого контура, снабженного центральным регулятором, выбираются равными n полюсам электроакустической передаточной функции, и m вспомогательных полюсов являются полюсами, расположенными на высокой частоте.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что на стадии проектирования:
-1
а) - на первом этапе используют линейную электроакустическую модель, при этом электроакустическая модель имеет вид представления состояния матричных блоков: Н, W, G и q, где G - матрица перехода, Н - входная матрица, W - выходная матрица, и I - единичная матрица, при этом представление состояния может быть выражено рекуррентным уравнением:
X(t+Te=)=G·X(t)+H·U(t)
Y(t)=W·X(t)
где X(t): вектор состояния, U(t): вектор входных сигналов; Y(t): вектор выходных сигналов,
причем электроакустическую модель определяют и рассчитывают путем акустического возбуждения пассажирского салона посредством преобразователей и акустических измерений, выполняемых датчиками, с применением затем процесса идентификации линейной системы, выполняемого с указанными измерениями и указанной моделью,
<mover accent="true"><mi>X</mi><mo>⌢</mo></mover>
b) - на втором этапе реализуют центральный регулятор, применяемый к указанной определенной и рассчитанной модели, причем центральный регулятор имеет вид "наблюдателя" состояния и обратной связи по оцененному состоянию, которая итеративно выражает
, вектор состояния "наблюдателя", в виде функции Kf, коэффициента усиления "наблюдателя", Kc, вектора обратной связи по оцененному состоянию, так же как и ранее определенной и рассчитанной электроакустической модели, то есть:
<mrow><mover accent="true"><mi>X</mi><mo>^</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>T</mi><mi>e</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>G</mi><mo>⋅</mo><mover accent="true"><mi>X</mi><mo>^</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>H</mi><mo>⋅</mo><mi>U</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>K</mi><mi>f</mi><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>Y</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mi>W</mi><mo>⋅</mo><mover accent="true"><mi>X</mi><mo>^</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>U</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>K</mi><mi>c</mi><mo>⋅</mo><mover accent="true"><mi>X</mi><mo>^</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
где управляющее воздействие
,
и определяют и рассчитывают указанный центральный регулятор,
<mrow><mi>W</mi><mo>.</mo><mover accent="true"><mi>X</mi><mo>^</mo></mover><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mi>H</mi><mi>s</mi><mi>i</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>q</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>α</mi><mi>i</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>q</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
c) - на третьем этапе к центральному регулятору присоединяют параметр Юлы для формирования закона управления, причем параметр Юлы имеет вид блока Q для случая MIMO, множество входов - множество выходов - множество переменных, состоящего из матриц AQ, BQ, CQ состояний, присоединенного к центральному регулятору, также выражающемуся в виде представления состояния; блок Q, выходной сигнал которого, сложенный с выходным сигналом центрального регулятора, образует сигнал, который формирует сигнал, противоположный U(t), и на входе которого принимается сигнал Y(t), из которого вычтен сигнал
; и параметр Юлы в законе управления, содержащем центральный регулятор, с которым связан параметр Юлы, определяется и рассчитывается по меньшей мере для одной частоты шума p(t), включая по меньшей мере указанную определенную частоту шума, подлежащего ослаблению; расчет коэффициентов матриц: AQ, BQ, CQ выполняют путем получения дискретных передаточных функций
, являющихся результатом дискретизации непрерывных передаточных функций второго порядка и путем размещения полюсов, а также решения уравнений асимптотического подавления,
при этом на стадии использования, в режиме реального времени:
- получают текущую частоту шума, подлежащего ослаблению,
- обеспечивают с помощью вычислительного устройства расчет закона управления, включающего в себя центральный регулятор с постоянными коэффициентами и параметр Юлы с переменными коэффициентами, используя в качестве параметра Юлы коэффициенты, рассчитанные для частоты шума, соответствующей текущей частоте шума, подлежащего ослаблению.
7. Способ по п.6, отличающийся тем, что на стадии проектирования выполняют следующие операции:
a) - на первом этапе пассажирский салон подвергают акустическому возбуждению, подавая на преобразователи сигналы возбуждения, спектральная плотность которых по существу равномерна на эффективной полосе частот, причем сигналы возбуждения являются декоррелированными по отношению друг к другу,
b) - во втором этапе определяют и рассчитывают центральный регулятор таким образом, чтобы он был эквивалентен регулятору с "наблюдателем" состояния и обратной связью по рассчитанному состоянию, посредством размещения полюсов при применении центрального регулятора к электроакустической передаточной функции, причем с этой целью выбирают нулевой коэффициент усиления "наблюдателя", то есть Kf=0, и коэффициент Kc усиления обратной связи по состоянию выбирают таким образом, чтобы обеспечить робастность закона управления, снабженного параметром Юлы, посредством LQ-оптимизации,
c) - на третьем этапе при рассмотрении представления увеличенного "наблюдателя" состояния определяют и рассчитывают коэффициенты блока Q Юлы в законе управления, по меньшей мере для одной частоты шума P(t), включая по меньшей мере указанную определенную частоту шума, подлежащего ослаблению, в виде функции критерия ослабления, таким образом, чтобы получить значения коэффициентов параметра Юлы для указанной частоты или каждой частоты,
при этом на стадии использования, в режиме реального времени, выполняют следующие операции:
- обеспечивают с помощью вычислительного устройства расчет закона управления, центрального регулятора с постоянными коэффициентами и параметра Юлы с переменными коэффициентами, для получения сигнала U(t), посылаемого к преобразователям, в виде функции акустических измерений Y(t), при этом используют для параметра Юлы значения коэффициентов, определенные и рассчитанные для определенной частоты, соответствующей текущей частоте.
8. Способ по любому из пп.2, 3, 6, 7, отличающийся тем, что способ приспособлен для множества определенных частот шума, подлежащего ослаблению, и этап (c) повторяют для каждой из указанных определенных частот, при этом на стадии использования, в случае, когда ни одна из указанных определенных частот не соответствует текущей частоте шума, подлежащего ослаблению, производят интерполяцию на указанной текущей частоте для значений коэффициентов блока Q Юлы на основе значений коэффициентов указанного блока Q Юлы, которые известны для указанных определенных частот.
9. Способ по любому из пп.2, 3, 6, 7, отличающийся тем, что дискретизацию сигналов производят с частотой Fe, а на этапе (а) эффективная полоса частот, используемых для сигнала возбуждения, по существу равна [0, Fe/2].
10. Способ по любому из пп.2, 3, 6, 7, отличающийся тем, что перед стадией использования, к стадии проектирования добавляют четвертый этап (d), предназначенный для проверки устойчивости и робастности модели электроакустической системы и закона управления, центрального регулятора с параметром Юлы, ранее полученного на этапах a)-c), путем выполнения моделирования применения закона управления, полученного на этапах b) и c), применяемого к электроакустической модели, полученной на этапе а), для указанной определенной частоты или определенных частот, и в случае когда заданный критерий устойчивости и/или робастности не удовлетворяется, производят повторение по меньшей мере этапа c) путем изменения критерия ослабления.
11. Способ по любому из пп.1-3, 6, 7, отличающийся тем, что стадия проектирования представляет собой предварительную стадию и ее выполняют один раз, предварительно по отношению к стадии использования, с сохранением в памяти результатов определения и расчета для использования на стадии использования.
12. Способ по любому из пп.1-3, 6, 7, отличающийся тем, что текущую частоту шума, подлежащего ослаблению, получают из измерения, производимого счетчиком оборотов двигателя транспортного средства.
13. Способ по любому из пп.1-3, 6, 7, отличающийся тем, что шум производится на одной определенной частоте fpert.
14. Способ по любому из пп.1-3, 6, 7, отличающийся тем, что шум производится на двух определенных частотах: с первой частотой fpert и второй частотой η.fpert, где η является константой или непрерывно изменяется с fpert.
15. Устройство для осуществления способа по любому из пп.1-14 для ослабления узкополосного шума, по существу моночастотного, по меньшей мере на одной определенной частоте, содержащее по меньшей мере один преобразователь, обычно громкоговоритель, управляемый сигналом, генерируемым программируемым вычислительным устройством в виде функции сигнала акустических измерений, выполняемых по меньшей мере одним акустическим датчиком, обычно микрофоном, при этом на первой стадии - стадии проектирования - определен и рассчитан закон управления, и указанный рассчитанный закон управления используется на второй стадии - стадии использовании - в вычислительном устройстве для получения сигнала, посылаемого в преобразователь, в виде функции сигнала, принимаемого от датчика, для ослабления указанного шума, отличающееся тем, что содержит средства для реализации в вычислительном устройстве закона управления, включающего применение параметра Юлы к центральному регулятору, причем в указанном законе управления лишь один передаточный блок с переменными коэффициентами соответствует параметру Юлы, имеющему коэффициенты, которые зависят от частоты шума, подлежащего ослаблению; при этом центральный регулятор имеет постоянные коэффициенты, а в памяти вычислительного устройства хранятся по меньшей мере указанные переменные коэффициенты, предпочтительно, в таблице в виде функции указанной определенной частоты или определенных частот шума p(t), используемых на стадии проектирования.