DE19861018C2

DE19861018C2 - Gesteuerter akustischer Wellenleiter zur Schalldämpfung

Info

Publication number: DE19861018C2
Application number: DE19861018A
Authority: DE
Inventors: Jan Krueger; Philip Leistner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-12-15
Filing date: 1998-12-15
Publication date: 2001-06-13
Anticipated expiration: 2018-12-16
Also published as: EP1141936A1; DE19861018A1; DE59908778D1; EP1141936B1; US6963647B1; WO2000036589A1; ATE261170T1; JP2002532999A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen gesteuerten akustischen Wellenleiter nach Art einer langgestreckten Hohlkammer (1), der über eine Öffnung (2) an seiner ersten Stirnseite (3) mit einem schallführenden Kanal (4) verbunden ist, wobei die Längsresonanzen der Hohlkammer (1) auf ein zu dämpfendes Schallspektrum abstimmbar sind, indem mittels eines Mikrofons (10), das sich unmittelbar vor der Membran (8) mindestens eines Lautsprechers (9) an der zweiten Stirnseite (6) der Hohlkammer (1) befindet, die Membranschwingungen erfaßt werden und das Mikrofonsignal mit einem Verstärker (11) invertiert und in Abhängigkeit von einem das Schallspektrum im Kanal (4) charakterisierenden Signal eines Sensors (12) verstärkt an den Lautsprecher (9) rückgekoppelt wird.

Description

1. Gegenstand der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen gesteuerten akustischen Wellenleiter zur Schall dämpfung nach Art einer langgestreckten Hohlkammer, der über eine Öffnung an seiner ersten Stirnseite mit einem schallführenden Kanal verbunden ist und dessen Längsresonanzen auf ein zu dämpfendes Schallspektrum ab stimmbar sind, indem mittels eines Mikrofons, das sich unmittelbar vor der Membran mindestens eines Lautsprechers an der zweiten Stirnseite der Hohlkammer befindet, die Membranschwingungen erfaßt werden und das Mi krofonsignal mit einem Verstärker invertiert und in Abhängigkeit von einem den Schall im Kanal charakterisierenden Signal eines Sensors verstärkt an den Lautsprecher rückgekoppelt wird.

2. Stand der Technik

Zur Dämpfung von tieffrequentem Lärm in Kanälen sind Schalldämpfer be kannt, bei denen die Längsresonanzen langgestreckter Hohlkammern, soge nannter akustischer Wellenleiter, ausgenutzt werden, z. B. nach DE 196 12 572, oder Lamancusa; J. S.: An actively tuned passive muffler system for engine silencing. Proceedings Noise-Con 87, 1987, S. 313-318. Diese Wellenleiter sind über eine stirnseitige Öffnung an den schallführenden Kanal angekoppelt und stehen entweder senkrecht vom Kanal ab oder schmiegen sich parallel laufend an diesen an. Insbesondere bei der ersten Längsresonanz, bei der die Kammerlänge einem Viertel der Wellenlänge der Resonanzfrequenz ent spricht, werden schmalbandig hohe Dämpfungen erreicht. Diese Begrenzung des Frequenzbereiches ist jedoch problematisch, wenn entweder eine breit bandige Dämpfung gefordert ist oder sich das bei der Dimensionierung des Wellenleiters zugrunde gelegte Lärmspektrum ändert. Die notwendige Anpas sung der Kammerlänge wird in Lamancusa zumindest stufenweise realisiert, indem von vornherein sehr lange Kammern mit Unterteilungen vorgesehen sind, die bei Bedarf geöffnet bzw. geschlossen werden können. Eine andere Möglichkeit, die nachteilige Schmalbandigkeit zu umgehen, ist die gleichzeitige Verwendung unterschiedlicher Kammerlängen nach US 19612572.

Aus der WO 92/15088 ist eine ähnliche Einrichtung bekannt, wobei die Resonanzfrequenz einer längsgestreckten Hohlkammer in der Länge durch einen beweglichen Kolben mechanisch regulierbar ist. Diese Regelung ist nachteilig, da die Nachregelung über einen regelbaren Lautsprecher selbst wesentlich schneller erfolgen kann. Weiterhin wird vorgeschlagen, eine Hohl kammer, die mit dem schallführenden Kanal verbunden ist, wobei die Verbindung des Kanals und der Hohlkammer durch eine federnde, abdich tende Masse gebildet wird, mit Druckluft zu beaufschlagen. Hierdurch wird die Masse in die besagte Resonanzschwingung versetzt. Eine Druckbeaufschla gung ist aber wesentlich langsamer als eine elektrische Regelung eines Lautsprechers.

Eine weitere Gruppe von Schalldämpfern und -absorbern für tiefe Frequenzen umfaßt Hohlraumresonatoren, d. h. sowohl akustische Wellenleiter nach Okamoto, Y.; Boden, H.; Abom, M.: Active noise control in ducts via side branch resonators. Journ. of the Acoust. Soc. of America 96 (1994), H. 9, S. 1533-1538, als auch Helmholtz-Resonatoren nach DE 42 26 885, oder US 5233137, WO 93/25999, die über eine Öffnung mit einem schallführenden Kanal oder Raum verbunden sind und deren Eigenschaften mit elek troakustischen bzw. aktiven Komponenten verändert werden. Diese Systeme verbindet die Vorgehensweise, daß sich mindestens ein Mikrofon im Kanal oder Raum befindet. Das damit erfaßte Schalldrucksignal dient nach einer Filterung, Verstärkung und weiteren Analyseschritten als Regelgröße für min destens einen Lautsprecher im Wellenleiter oder Hohlraum. Im Ergebnis strahlt der Lautsprecher ein Signal ab, das sich, wiederum nach seiner Modi fikation durch den Resonator, mit dem Schall am Ort des Mikrofons im Kanal oder Raum gegenphasig überlagert und dadurch eine Schalldämpfung be wirkt. Durch diese aktiv beeinflußten Resonatoren können einerseits bei tiefen Frequenzen hohe Schalldrücke erzeugt und damit auch gedämpft werden, und andererseits ist zumindest der Lautsprecher vor möglichen z. B. thermischen Belastungen im Kanal geschützt. Nachteile dieser Verfahren bestehen in der festgelegten Dimensionierung der Resonatoren, unabhängig von möglichen aufprägt. Es wurden die Eigenschaften der Komponenten gründlich untersucht und beschrieben. Danach sind zur Umsetzung dieses Verfahrens zwangs läufig komplexe und in der Praxis nur näherungsweise realisierbare Übertra gungsfunktionen des Signalformers zu implementieren.

Gänzlich ohne zusätzliche passive Schichten oder Resonanzsysteme kommen reaktive Schalldämpfer nach WO 97/43754 aus, bei denen die Membran eines Lautsprechers unmittelbarer Bestandteil der Wand eines schallführenden Kanals ist und die mittels einer Rückkopplungsschaltung geregelten bzw. verstärkten Membranschwingungen das Schallfeld im Kanal direkt beeinflussen. Die auch hier notwendige Anpassung an ein zu dämpfendes Schallspektrum beruht auf der Dimensionierung des Resonanzsystems bestehend aus Membranmasse und der dahinter befindlichen Luftfeder in Gestalt des Rückvolumens.

Aufgabe der Erfindung ist es den Wirkungsgrad der Schalldämpfung in Kanälen o. ä. zu verbessern und die Herstellkosten der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu verringern.

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

3. Beschreibung

Der Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen gesteuerten Wellenleiters nach Fig. 1 besteht in einer langgestreckten Hohlkammer (1) mit ausgeprägten Längsresonanzen, die über eine Öffnung (2) an der ersten Stirnseite (3) mit einem schallführenden Kanal (4) oder Raum akustisch verbunden ist. Die Länge L der Hohlkammer (1) richtet sich nach dem im Kanal (4) auftretenden Schallspektrum, bei dem die Frequenzen mit der höchsten Schallamplitude betriebsbedingt in einem bestimmten Bereich schwanken, z. B. als Folge einer wechselnden Gastemperatur im Kanal (4). Die Länge L entspricht in diesem Fall etwa einem Viertel der Wellenlänge der oberen Grenzfrequenz dieses Bereiches. An der zweiten Stirnseite (6) der Hohlkammer (1) befindet sich vor einem weiteren Hohlraum (7) die Membran (8) mindestens eines Lautsprechers (9), wobei der Hohlraum (7) als Luftfeder und die Membran (8) als flächenhafte Masse ein Resonanzsystem bilden. Unmittelbar vor der Membran (8) ist ein Mikrofon (10) zur Erfassung der Membranschwingungen positioniert. Das Mikrofonsignal liegt am Eingang eines invertierenden Verstärkers (11) mit einstellbarer Verstärkung an, dessen Ausgangssignal zur Ansteuerung des Lautsprechers (9) dient. In Abhängigkeit von der Höhe der Verstärkung ändern sich die Membranschwingungen und damit die akustisch wirksame Länge der Hohlkammer (1), die deutlich (ca. viermal) größer als die tatsächliche Länge L ist. Die infolge der erhöhten Verstärkung erreichte akustisch wirksame Verlängerung der Hohlkammer (1) bedeutet eine Verschiebung ihrer ersten Längsresonanz zu tieferen Frequenzen, vorteilhafterweise bis zur unteren Grenze des Frequenzbereiches des im Kanal (4) auftretenden Schallspektrums. Die Einstellung der Verstärkung beruht auf dem Steuersignal von mindestens einem zusätzlichen Sensor (12), der eine für die Frequenzen mit der höchsten Schallamplitude im Kanal charakteristische Größe an den Verstärker (11) liefert.

Als Sensor (12) sind beispielsweise Temperaturfühler im Kanal (4), Drehzahlgeber an Ventilatoren, Generatoren oder Motoren sowie Meßglieder für den Gasfluß von Brennern und Abgassystemen zu nennen. Vorteilhafterweise kommt der Sensor (12) ohne einen gesonderten Schutz aus, wie er z. B. bei Mikrofonen in einem Abgassystem erforderlich wäre. Eine beispielhafte, besonders einfache Ausführung des Sensors (12) stellt ein temperaturabhängiger Widerstand dar, der die Temperatur im Kanal (4) erfaßt und gleichzeitig Teil des Rückkopplungszweiges eines an sich bekannten invertierenden Verstärkers (11) ist und dadurch dessen Gesamtverstärkung steuert. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen beziehen die Verwendung spannungs- und stromgesteuerter Verstärker (11) ein und erweitern die Auswahl möglicher Sensoren (12).

Zum Schutz gegen eine mögliche Verschmutzung der Hohlkammer (1) und gegen eindringende heiße Abgase aus dem Kanal (4) befindet sich vor oder hinter der Öffnung (2) zum Kanal (4) eine schalldurchlässige Abdeckung (5) aus Lochblech, Vlies, Folie und dergleichen. In Abhängigkeit von baulichen Gegebenheiten in der Umgebung des Kanals (4) kann die Hohlkammer (1) eine gerade oder gekrümmte Form aufweisen, schräg oder senkrecht vom Kanal abstehen oder in Längsrichtung am Kanal (4) anliegen. In diesem Fall ist, wie in Fig. 2 gezeigt, eine Wärmedämmschicht (13) zwischen Hohlkammer (1) und Kanal (4) vorgesehen. Bei zu erwartender Erwärmung der Hohlkam mer (1) verbessern die in Fig. 2 dargestellten Kühlkörper (14) als Teil der Hohlkammerwand die Wärmeabfuhr ebenso wie eine erzwungene Kühlung (15) nach Art eines Wärmetauschers oder mit sogenannten Peltier-Elementen in der Hohlkammer. Um eine breitbandigere Dämpfung zu erreichen, bilden eine Querunterteilung (16) der Hohlkammer (1) in mehrere unterschiedlich lange Röhren sowie eine absorbierende innere Wandauskleidung (17) der Hohlkammer (1) vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen gesteuerten Wellenleiters (Fig. 3).

Eine beispielhafte Ausführung des erfindungsgemäßen gesteuerten Wellen leiters ist in Fig. 4 gezeigt. Die zusammen mit einem konventionellen passiven Dämpfer (18) an der gegenüberliegenden Kanalwand erreichten Dämp fungswerte in Fig. 5 repräsentieren die beiden Grenzfälle im Frequenzbereich in Abhängigkeit von der eingestellten Verstärkung (11). Den geringen Tempe ratureinfluß auf die Dämpfung des erfindungsgemäßen gesteuerten Wellen leiters nach Fig. 4 unterstreicht die Gegenüberstellung der gemessenen Dämpfung bei 20°C und 150°C im Kanal in Fig. 6.

4. Vorteile gegenüber dem Stand der Technik

Die Vorteile des erfindungsgemäßen gesteuerten Wellenleiters gegenüber bestehenden Schalldämpfern beziehen sich auf folgende Merkmale:

- Im Vergleich mit bekannten akustischen Wellenleitern erreicht der erfin dungsgemäße gesteuerte Wellenleiter mit geringerem Bauvolumen (Hohlkammern bis ca. viermal kürzer) eine hohe Schalldämpfung bei tiefen Frequenzen.
- Der Frequenzbereich mit hoher Schalldämpfung des erfindungsgemäßen gesteuerten Wellenleiters ist aufgrund der Adaptivität an veränderliche Schallspektren auf ca. 2 Oktaven erweitert.
- Der erfindungsgemäße gesteuerte Wellenleiter zeichnet sich durch eine einfache Konstruktion und insbesondere durch eine preiswerte analoge Verstärkung und Steuerung ohne aufwendige elektronische Filter oder digitale Signalanalyse aus.
- Weiterhin sind alle elektroakustischen Komponenten in der Hohlkammer des erfindungsgemäßen gesteuerten Wellenleiters nachhaltig vor Einflüs sen durch Strömung, Staub und aggressive Medien im Kanal geschützt.
- Dieser Schutz erstreckt sich ebenfalls auf hohe Temperaturen z. B. in Ab gassystemen, da beim erfindungsgemäßen gesteuerten Wellenleiter meh rere Möglichkeiten für eine effektive thermische Entkopplung vom Kanal gegeben sind.

5. Bilder

Fig. 1: Aufbau des erfindungsgemäßen gesteuerten Wellenleiters

Fig. 2: Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen gesteuerten Wellenleiters mit einer Wärmedämmschicht (13) zwischen Hohl kammer (1) und Kanal (4), mit Kühlkörpern (14) als Teil der Hohl kammerwand, mit einer erzwungenen Kühlung (15) nach Art eines Wärmetauschers sowie mit einer absorbierenden inneren Wandauskleidung (17)

Fig. 3: Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen gesteuerten Wellenleiters mit einer Unterteilung der Hohlkammer (1) in mehrere unterschiedlich lange Röhren (16)

Fig. 4: Beispielhafte Ausführung des erfindungsgemäßen gesteuerten Wellenleiters mit einem konventionellen passiven Dämpfer (18) an der gegenüberliegenden Kanalwand (Abmessungen in mm)

Fig. 5: Gemessene Einfügungsdämpfung des beispielhaften gesteuerten Wellenleiters nach Fig. 4 ohne und mit Verstärkung

Fig. 6: Gemessene Einfügungsdämpfung des beispielhaften gesteuerten Wellenleiters nach Fig. 4 mit Verstärkung bei 20°C und 150°C Lufttemperatur im Kanal (4)

Fig. 7: Beispielhafter gesteuerter Wellenleiter mit schräg vom Kanal (4) abstehender Hohlkammer (1)

Fig. 8: Beispielhafter gesteuerter Wellenleiter mit einer an einem gekrümmten Kanal (4) anliegenden Hohlkammer (1)

Fig. 9: Beispielhafte Anordnung mehrerer gesteuerter Wellenleiter an mehreren Seitenwänden eines Kanals (4)

Fig. 10: Beispielhafter gesteuerter Wellenleiter mit aerodynamisch günstiger Gestaltung und Positionierung nach Art einer Mittelkulisse innerhalb eines großen Kanals (4)

Claims

1. Gesteuerter akustischer Wellenleiter nach Art einer langgestreckten Hohl kammer (1), der über eine Öffnung (2) an seiner ersten Stirnseite (3) mit ei nem schallführenden Kanal (4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsresonanzen der Hohlkammer (1) auf ein zu dämpfendes Schall spektrum abstimmbar sind, indem mittels eines Mikrofons (10), das sich un mittelbar vor der Membran (8) mindestens eines Lautsprechers (9) an der zweiten Stirnseite (6) der Hohlkammer (1) befindet, die Membranschwingun gen erfaßt werden und das Mikrofonsignal mit einem Verstärker (11) invertiert und in Abhängigkeit von einem das Schallspektrum im Kanal (4) charakterisie renden Signal eines Sensors (12) verstärkt an den Lautsprecher (9) rückgekoppelt wird.

2. Gesteuerter Wellenleiter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (2) mit einer schalldurchlässigen Schutzabdeckung (5) aus Lochblech, Vlies oder Folien versehen ist.

3. Gesteuerter Wellenleiter nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkammer (1) senkrecht oder schräg vom Kanal (4) absteht oder an der geraden oder gekrümmten Kanalwand anliegt.

4. Gesteuerter Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1-3 dadurch gekennzeichnet, daß sich bei an der Wand des Kanals (4) anliegender Hohlkammer (1) eine Wärmedämmschicht (13) zwischen Kanal- und Hohlkammerwand befindet.

5. Gesteuerter Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1-4 dadurch gekennzeichnet, daß die Wände der Hohlkammer (1) teil- oder vollflächig mit Kühlkörpern (11) ausgestattet sind.

6. Gesteuerter Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1-5 dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Hohlkammer (1) eine erzwungene Kühlung (15) nach Art von Wärmetauschern oder Peltier-Elementen befindet.

7. Gesteuerter Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1-6 dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkammer (1) durch eine Querunterteilung (16) in unterschiedliche lange Röhren geteilt ist.

8. Gesteuerter Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1-7 dadurch gekennzeichnet, daß die Wände der Hohlkammer (1) teil- oder vollflächig mit einer schallab sorbierenden Verkleidung (17) ausgestattet sind.

9. Gesteuerter Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1-8 dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor (12) für das im Kanal (4) auftretende Schallspektrum Tempe raturfühler, Drehzahlgeber sowie Meßglieder für den Gasfluß von Brennern und Abgassystemen verwendet werden.

10. Gesteuerte Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1-9 dadurch gekennzeichnet, daß mehrere gesteuerte Wellenleiter an mehreren Seitenwänden von Kanälen (4) mit rechteckigem Querschnitt verwendet werden.

11. Gesteuerter Wellenleiter nach einem der Anspüche 1-9 dadurch gekennzeichnet, daß eine ringförmige Hohlkammer (1) umlaufend um einen zylindrischen Ka nal (4) verwendet wird.

12. Gesteuerter Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1, 2 und 6-9 dadurch gekennzeichnet, daß der gesteuerte Wellenleiter aerodynamisch günstig gestaltet und nach Art einer Mittelkulisse innerhalb eines großen rechteckigen oder zylindrischen Kanals (4) positioniert ist.

13. Gesteuerter Wellenleiter nach einem der Ansprüche und 3-9 dadurch gekennzeichnet, daß statt der schalldurchlässigen Öffnung (2) eine akustisch wirksame Membran oder Platte die Verbindung zum Kanal (4) bildet.)