DE10052093A1

DE10052093A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Verbesserung der Schalldämmung von teilweise geöffneten Fenstern

Info

Publication number: DE10052093A1
Application number: DE10052093A
Authority: DE
Inventors: Andre Jakob; Joachim Feldmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-10-20
Filing date: 2000-10-20
Publication date: 2002-05-02
Anticipated expiration: 2020-10-21
Also published as: DE10052093B4

Abstract

Teilweise geöffnete Fenster, z. B. Fenster in Kippstellung, bieten dem von außen einfallenden Schall/Lärm eine direkte Möglichkeit, ungehindert in den dahinter liegenden Raum zu gelangen. Aufgrund des Öffnungsschlitzes beträgt das resultierende Schalldämmmaß auch bei hochwertigen Fenstern erfahrungsgemäß oft nur noch 10...15dB. Dieser Umstand ist z. B. bei Schallschutzfenstern ein Problem, wenn diese bei fehlender Zwangsbelüftung aus raumlufttechnischen Gründen geöffnet werden müssen. DOLLAR A Durch geeignete Ausgestaltung/Beeinflussung des Öffnungsschlitzes zwischen äußerem Fensterrahmen bzw. dem das Fenster umgebenden Mauerwerk und innerem Fensterrahmen eines teilweise geöffneten Fensters mit Schallerzeugern wird dem eindringenden Schall ein phasen-invertierter Schall ("Antischall") entgegengesetzt und so die Schalldämmung des Öffnungsschlitzes verbessert. Diese aktive Maßnahme kann sowohl in einer Feedback-Anordnung als auch in einer Feedforward-Anordnung realisiert werden. Die aktive Maßnahme kann durch zusätzliche passive Maßnahmen (Absorber) ergänzt werden. DOLLAR A Bei teilweise geöffneten Fenstern kann durch die Erfindung die Schalldämmung bei gleichzeitigem Erhalt der Lüftungswirkung verbessert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verbesserung der Schalldämmung von geöffneten Fenstern insbesondere von teilweise geöffneten Fenstern in Kippstellung mit Hilfe des Antischallkonzeptes ("aktive Lärmbekämpfung"). Auch für Schiebefenster, Hebefenster oder Dachfenster kann die Erfindung genutzt werden. Die Erfindung ist dem Gebiet der Technischen Akustik insbesondere dem Lärmschutz zuzuordnen.

Stand der Technik

Teilweise geöffnete Fenster, z. B. Fenster in Kippstellung, bieten dem von außen einfallenden Schall/Lärm eine direkte Möglichkeit, ungehindert in den dahinter liegenden Raum zu gelangen. Aufgrund des Öffnungsschlitzes beträgt das resultierende Schalldämmmaß auch bei hochwertigen Fenstern erfahrungsgemäß oft nur noch 10. . .15 dB. Dieser Umstand ist z. B. bei Schallschutzfenstern ein Problem, wenn diese bei fehlender Zwangsbelüftung aus raumlufttechnischen Gründen geöffnet werden müssen. Entsprechendes gilt auch für teilweise geöffnete Schiebe-, Hebe- und Dachfenster.

In der aktiven Lärmbekämpfung wird dem primären Schallfeld (dem Lärm) ein sekundäres künstlich erzeugtes Gegenschallfeld überlagert mit dem Ziel der Reduzierung des entstehenden Gesamtfeldes. Das sekundäre Schallfeld kann z. B. über Lautsprecher erzeugt werden. Der oder die Lautsprecher werden so angesteuert, dass die Signale von einem oder mehreren im Schallfeld befindlichen Mikrofonen minimiert werden. Die Mikrofonsignale liefern dabei einen Schätzwert über das gesamte Schallfeld.

Es sind zwei Anordnungen/Verschaltungen bekannt:

a) Bei der Feedback-Anordnung, die dem klassischen Regelkreis entspricht, werden die Mikrofonsignale über einen geeigneten Regler an die Lautsprecher geführt. Der Regler wird so ausgelegt, dass die Signale der Fehlermikrofone minimiert werden. Der Regler kann zeit-kontinuierlich oder zeit-diskret entworfen werden. Daraus resultiert eine analoge oder digitale Realisierung. Der Entwurf eines solchen zeit-invarianten Reglers (zeit-kontinuierlich oder zeit-diskret) kann mit den in der Regelungstechnik bekannten Verfahren, wie z. B. Optimalregler, robuste Regler, etc. geschehen. Alternativ dazu ist besonders für die aktive Lärmbekämpfung im Falle der zeit diskreten Realisierung ein adaptiver, also sich selbst einstellender, Regler (d. h. ein zeit-varianter Regler) nach dem aus der Regelungstechnik bekannten Internal Model Control (IMC) Verfahren [1] geeignet. Ein adaptiver Algorithmus für diesen Regler ist in [2, 3, 4] angegeben.
b) Bei der Feedforward-Anordnung werden die Signale von zusätzlichen sogenannten Referenzsensoren, die auch Mikrofone sein können, über einen i. a. adaptiven Regler an die Lautsprecher geführt. Dieser Regler wird i. a. zeit-diskret realisiert. Die Referenzmikrofone sollten dabei von den Lautsprechern möglichst gut entkoppelt sein und sich näher an der Schallquelle befinden. Die Einstellung des adaptiven Reglers geschieht derart, dass die Signale der Fehlermikrofone im zu reduzierenden Schallfeld minimiert werden. Für die Feedforward-Anordnung sind unterschiedliche Algorithmen bekannt. Der bekannteste ist der sogenannte Filtered-X Least Mean Squares (LMS) Algorithmus [5], der z. B. in [6] in seiner mehrkanaligen Version angegeben ist. Der unter a) genannte adaptive Algorithmus für das IMC-Verfahren ist eine Abwandlung des Filtered-X LMS.

Literatur zum Stand der Technik

[1] M. Morari, E. Zafiriou. Robust Process Control. Prentice Hall, 1989.
[2] S. M. Kuo, D. Vijayan. Adaptive algorithms and experimental verification of feedback active noise control systems. Noise Control Engineering Journal, 42(

2

): 37-46, 1994
[3] S. J. Elliott, T. J. Sutton, B. Rafaely, M. Johnson. Design of feedback controllers using a feedforward approach. In Proceedings of Active

95

, pages 863-874, 1995.
[4] S. M. Kuo, D. R. Morgan. Active nolse control systems. John Wiley & Sons, 1996.
[5] B. Widrow, S. D. Stearns. Adaptive Signal Processing. Prentice-Hall, 1985.
[6] S. J. Elliott, P. A. Nelson. Active Noise Control. Noise/News International, 2(

2

): 75-98, 1994.

Aufgabe

Durch geeignete Ausgestaltung/Beeinflussung des Öffnungsschlitzes zwischen äußerem Fensterrahmen bzw. dem das Fenster umgebenden Mauerwerk und innerem Fensterrahmen eines teilweise geöffneten Fensters mit aktiven Maßnahmen (Antischall) wird die Schalldämmung verbessert. Die aktive Maßnahme kann sowohl in einer Feedback-Anordnung als auch in einer Feedforward-Anordnung realisiert werden. Die aktive Maßnahme kann durch zusätzliche passive Maßnahmen (Absorber) ergänzt werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

a) dass nach dem Antischallkonzept ("aktive Lärmbekämpfung") dem einfallenden Schall im Bereich des Öffnungsschlitzes durch Lautsprecher o. ä. ein sekundäres Schallfeld überlagert wird, mit dem Ziel der gegenseitigen Reduzierung beider Schallfelder und der damit verbundenen Reduzierung des Schalldurchganges durch den Öffnungsschlitz in den dahinter liegenden Raum,
b) dass die Lautsprecher über einen geeigneten Regler von den Signalen ebenfalls im Bereich des Schlitzes befindlicher Mikrofone gesteuert werden (Feedback- Anordnung),
c) dass der Regler mit Hilfe der Lautsprecher die Signale der Mikrofone minimiert,
d) dass zusätzlich zu den Mikrofonen im Schlitzbereich Mikrofone außerhalb des Gebäudes als Referenzsensoren verwendet werden (Feedforward-Anordnung),
e) dass die aktive Maßnahme nach a) bis d) entweder allein oder kombiniert mit passiven Maßnahmen (Absorbern) eingesetzt wird.

Vorteile

Die Schalldämmung von geöffneten Fenstern kann durch das Verfahren verbessert werden bei gleichzeitigem Erhalt der Lüftungswirkung.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines gekippten Fensters mit eingebauten Lautsprechern und Mikrofonen,

Fig. 2 einen Schnitt durch ein gekipptes Fenster senkrecht zur Fensterebene in vertikaler Richtung mit eingebauten Lautsprechern und Mikrofonen,

Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Ansteuerung der Lautsprecher in Feedback-Anordnung,

Fig. 4 ein Blockschaltbild zur Ansteuerung der Lautsprecher in Feedforward-Anordnung,

Fig. 5 eine Ansicht eines gekippten Fensters mit eingebauten Lautsprechern und Mikrofonen in Kombination mit passiven Absorbern,

Fig. 6 einen Schnitt im Bereich der zusätzlich eingebauten passiven Absorber durch ein gekipptes Fenster senkrecht zur Fensterebene in vertikaler Richtung,

Fig. 7 eine Detail-Schnittzeichnung des oberen äußeren Fensterrahmens und des Mauerwerkes mit unterschiedlich abgestimmten Absorbern.

Bezugszeichenliste

1

Öffnungsschlitz,

2

Lautsprecher,

3

Fehlermikrofone,

4

äußerer Fensterrahmen,

5

innerer Fensterrahmen,

6

Mauerwerk oder ähnlich geartete Laibung,

7

passive Absorber,

8

Referenzmikrofone.

Bei dem in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Antischallkonzept wird dem den Schlitz (1) passierenden Schall/Lärm durch Lautsprecher (2) ein Gegenschall überlagert, so dass insgesamt durch die entstandene destruktive Interferenz beider Schallfelder weniger Schall den hinter dem Fenster liegenden Raum erreicht. Damit wird die Schalldämmung von teilweise geöffneten Fenstern verbessert, obwohl gleichzeitig ein ungestörter Luftaustausch stattfinden kann.

Der Gegenschall kann über einen oder mehrere Lautsprecher (Fig. 1 und 2) erzeugt werden. Aber auch andere schallerzeugende Elemente, wie Piezokeramiken oder zu Schwingungen angeregte Streifen o. ä., können verwendet werden.

Der oder die Lautsprecher können sowohl im inneren (5) oder äußeren (4) Fensterrahmen als auch im umgebenden Mauerwerk oder in einer ähnlich gearteten Laibung (6) über den Umfang des Fensters verteilt werden, wie in Fig. 2 angedeutet ist. In Fig. 1 ist der Lautsprecher als Beispiel in das das Fenster umgebende Mauerwerk (6) eingelassen.

Um das jeweils geeignete Schallsignal erzeugen zu können, d. h. auf den jeweils eintreffenden Lärm reagieren zu können, muß letzterer gemessen werden. Dazu werden zusätzlich ein oder mehrere Mikrofone (3) in den äußeren Rahmen (4) und/oder inneren Rahmen (5) des Fensters und/oder in das umgebende Mauerwerk oder eine ähnlich geartete Laibung (6) eingebaut (Fig. 1 und 2).

Ein geeigneter Regler erzeugt in der Feedback-Anordnung aus den Mikrofonsignalen die entsprechenden Lautsprechersignale (Fig. 3). Dieser elektronische Regler kann sowohl analog (als analoges Filter) als auch digital (z. B. mit einem digitalen Signalprozessor - DSP) realisiert weden. Im Falle des digitalen Reglers können sowohl zeit-invariante Regelalgorithmen als auch adaptive, also zeit-variante, Algorithmen eingesetzt werden.

Eine Alternative zur Erzeugung der Lautsprechersignale nur aus den Signalen der Mikrofone im Schlitz (Feedback-Anordnung) ist die Verwendung von Referenzmikrofonen (8) außerhalb des Gebäudes und der Feedforward-Anordnung (Fig. 4). Die Referenzmikrofone (8) sind sinnvoller Weise näher in Richtung Lärmquelle zu plazieren, also z. B. bei Verkehrslärm in Einfamilienhaussiedlungen am Gartenzaum auf der Straßenseite oder z. B. bei Wohnlagen in der Nähe von Flugplätzen auf dem Dach des Hauses. Der adaptive Feedforward-Regler steuert mit Hilfe der Signale der Referenzmikrofone (8) die Lautsprecher (2) derart, dass die Signale der Mikrofone (3) im Schlitz minimiert werden.

Zusätzlich zu der aktiven Maßnahme können passive Maßnahmen (Absorber, z. B. Plattenabsorber, poröse Absorber, Lochplattenabsorber, Lambda-Viertel-Absorber, o. ä.) eingesetzt werden. Eine Kombination von aktiver Maßnahme und zusätzlichen (passiven) Absorbern (7) kann je nach Auslegung beider Teilsysteme die Schalldämmung entweder weiter erhöhen oder den wirksamen Frequenzbereich erweitern. Die Absorber (7) können ebenso wie die Lautsprecher (2) und Mikrofone (3) in den äußeren Rahmen (4) und/oder inneren Rahmen (5) des Fensters und/oder in das umgebende Mauerwerk (6) eingebaut werden (Fig. 5 und 6). Die Wirkungen der einzelnen passiven Absorber (7) können an unterschiedliche Frequenzbereiche angepasst werden, wie z. B. durch unterschiedliche Einbautiefen der Lochplattenabsorber in Fig. 7 angedeutet ist.

Claims

1. Vorrichtung und Verfahren zur Erhöhung der Schalldämmung von teilweise geöffneten Fenstern, wie z. B. Fenstern in Kippstellung, teilweise geöffneten Schiebe- oder Hebefenstern sowie Dachfenstern, dadurch gekennzeichnet,

a) dass im Bereich des durch das teilweise Öffnen zwischen äußerem (4) und innerem (5) Fensterrahmen entstehenden Öffnungsschlitzes (1) der einfallende Schall durch Schallerzeuger, wie z. B. Lautsprecher (2) o. ä., mit einem Gegenschallfeld derart überlagert wird, dass es reduziert wird,
b) dass der einfallende Lärm mit Hilfe von Mikrofonen (3) gemessen wird,
c) dass die Lautsprecher (2) und Mikrofone (3) in den inneren Fensterrahmen (5) und/oder in den äußeren Fensterrahmen (4) und/oder in das das Fenster umgebende Mauerwerk oder eine ähnlich geartete Laibung (6) eingebaut werden,
d) dass die Mikrofonsignale über einen Regler an die Lautsprecher rückgekoppelt werden (Feedback-Anordnung).

2. Vorrichtung und Verfahren nach 1. a) bis c), dadurch gekennzeichnet,

a) dass zusätzliche Mikrofone als Referenzmikrofone (8) eingesetzt werden, die sich außerhalb des Gebäudes oder auf dessen Dach befinden (Feedforward- Anordnung),
b) dass die Signale der Referenzmikrofone (8) über den Regler an die Lautsprecher (2) gegeben werden,
c) dass die Mikrofone (3) im Öffnungsschlitz (1) zur Adaption des Reglers, also als Fehlermikrofone, verwendet werden.

3. Vorrichtung und Verfahren nach 1. oder 2., dadurch gekennzeichnet,

a) dass im Bereich des Öffnungsschlitzes (1) zusätzlich (passive) Absorber (7) mit der aktiven Maßnahme kombiniert werden mit dem Ziel, den eintreffenden Schall weiter zu reduzieren,
b) dass die zusätzlichen Absorber (7) in den inneren Fensterrahmen (5) und/oder in den äußeren Fensterrahmen (4) und/oder in das das Fenster umgebende Mauerwerk oder eine ähnlich geartete Laibung (6) eingebaut werden,
c) dass die zusätzlichen Absorber (7) unterschiedlich oder identisch abgestimmt werden können.