DE10052093B4

DE10052093B4 - Verwendung von Schallerzeugern in Fensterrahmen zur Schalldämmung

Info

Publication number: DE10052093B4
Application number: DE10052093A
Authority: DE
Inventors: Andre Jakob; Joachim Feldmann
Original assignee: Jakob Andre Dr
Current assignee: Jakob Andre Dr
Priority date: 2000-10-20
Filing date: 2000-10-20
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2020-10-21
Also published as: DE10052093A1

Abstract

Verwendung von Schallerzeugern zur Schalldämung in Fensterrahmen von Fenstern mit Kippstellung, Schiebe-, Hebe- oder Dachfenstern in Gebäuden sowie von Mikrofonen (3), die einfallenden Lärm messen, wobei die Mikrofonsignale über einen Regler an die ein Gegenschallfeld für den einfallenden Lärm erzeugenden Schallerzeuger rückgekoppelt sind.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung von Schallerzeugern zur Schalldämmung in Fensterrahmen von Fenstern mit Kippstellung, Schiebe-, Hebeoder Dachfenstern in Gebäuden. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar zur Verbesserung der Schalldämmung von geöffneten Fenstern, insbesondere von teilweise geöffneten Fenstern in Kippstellung mit Hilfe eines Antischallkonzeptes („aktive Lärmbekämpfung").
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. Entsprechendes gilt auch für teilweise geöffnete Schiebe-, Hebe- und Dachfenster.
Bei der an sich bekannten 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 weiden 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 prinzipielle 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 zeitkontinuierlich 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 geeignet, bekannt z.B. aus M. Morari, E. Zafiriou, Robust Process Control, Prentice Hall, 1989. Ein adaptiver Algorithmus für diesen Regler ist aus vielen Veröffentlichungen bekannt, siehe z.B. – 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 – J. Elliott, T.J. Sutton, B. Rafaely, M. Johnson, Design of Feedback Controllers Using a Feedforward Approach, Proceedings of Active 95, pages 863–874, 1995. – S.M. Kuo, D.R. Morgan, Active Noise Control Systems, John Wiley & Sons, 1996.
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 (siehe B. Widrow, S.D. Stearns, Adaptive Signal Processing, Prentice-Hall, 1985), der z.B. von S.J. Elliott, P.A. Nelson, Active Noise Control, Noise/News International, 2(2): 75–98, 1994 [6] in seiner mehrkanaligen Version angegeben ist. Der unter a) genannte adaptive Algorithmus für das IMC-Verfahren ist eine Abwandlung des Filtered-X LMS.

Aus DE 197 50 218 A1 und DE 197 42 741 A1 sind Verfahren zur Unterdrückung von niederfrequenten Druckänderungen (sogenanntes „Wummergeräusch") mittels Gegenschall bekannt, die an der Abrisskante von Öffnungen durch Strömungsturbulenzen entstehen, typischerweise an Schiebedächern von Kfz. Die am Schiebedach eintretende Strömung lässt sich mit Hilfe von Lautsprechern jedoch nicht wirklich beherrschen. Die Wirkung der Abrisskante wird nicht verhindert, die Strömung bzw. der Schall tritt in kurzem Abstand hinter dem Lautsprecher trotzdem ein.

Diese und andere Vorschläge zur aktiven Schalldämmung sind über Jahrzehnte immer wieder aufgegriffen worden und versucht worden, zur Anwendung zu bringen. Reale Anwendungen sind jedoch nicht bekannt geworden. Das liegt daran, dass Schall eine räumlich komplizierte Ausbreitung hat und sich nur örtlich begrenzt durch einen Gegenschall auslöschen lässt.

Lässt sich keine Gegenphasigkeit erreichen, so kann es sogar zur Verstärkung des Ausgangsschalls kommen.

Aufgabe der Erfindung ist es, durch geeignete Maßnahmen die Schalldämmung insbesondere bei teilweise geöffneten Fenstern zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Danach wird der einfallende Lärm mittel Mikrofonen erfasst und die Mikrofonsignale über einen Regler an ein Gegenschallfeld für den einfallenden Lärm erzeugende Schallerzeuger zurückgekoppelt.

Dem einfallenden Schall wird im Bereich des Öffnungsschlitzes der Fenster durch Lautsprecher o.ä. Schallerzeuger ein sekundäres Schallfeld überlagert mit dem Ziel der gegenseitigen Reduzierung beider Schallfelder und der damit verbundenen Reduzierung des Schalldurchganges durch den Öffnungsschlitz in den dahinter liegenden Raum.

Die Lautsprecher werden über einen geeigneten Regler von den Signalen ebenfalls im Bereich des Schlitzes befindlicher Mikrofone gesteuert (Feedback-Anordnung). Der Regler minimiert mit Hilfe der Lautsprecher die Signale der Mikrofone.

Zusätzlich zu den Mikrofonen im Schlitzbereich können außerhalb des Gebäudes Mikrofone als Referenzsensoren verwendet werden (Feedforward-Anordnung).

Die Maßnahmen können allein oder kombiniert mit passiven Maßnahmen (Absorbern) eingesetzt wird.

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.

Überraschend hat sich gezeigt, dass das an sich bekannte Antischallprinzip im vorliegenden Anwendungsfall tatsächlich erfolgreich angewendet werden kann. Dadurch, dass bei einem leicht geöffneten Fenster der Schall nur durch einen Öffnungsschlitz eindringen kann, also im Bereich des Schlitzes eine verhältnismäßig einfache räumliche Struktur aufweist, lässt sich wirksam ein Gegenschallfeld erzeugen. Die Schalldämmung von geöffneten Fenstern wird verbessert bei gleichzeitigem Erhalt der Lüftungswirkung.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1: einen Schnitt durch ein gekipptes Fenster senkrecht zur Fensterebene in vertikaler Richtung mit eingebauten Lautsprechern und Mikrofonen,
2: eine Ansicht eines gekippten Fensters mit eingebauten Lautsprechern und Mikrofonen,
3: ein Blockschaltbild zur Ansteuerung der Lautsprecher in Feedback-Anordnung,
4: ein Blockschaltbild zur Ansteuerung der Lautsprecher in Feedforward-Anordnung,
5: einen Schnitt im Bereich der zusätzlich eingebauten passiven Absorber durch ein gekipptes Fenster senkrecht zur Fensterebene in vertikaler Richtung,
6: eine Ansicht eines gekippten Fensters mit eingebauten Lautsprechern und Mikrofonen in Kombination mit passiven Absorbern und
7: eine Detail-Schnittzeichnung des oberen äußeren Fensterrahmens und des Mauerwerkes mit unterschiedlich abgestimmten Absorbern.
Bei dem in den 1 bis 3 gezeigten Antischallkonzept wird dem einen 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 2 (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 2 können sowohl im inneren Fensterrahmen 5 oder äußeren Fensterrahmen 4 als auch im umgebenden Mauerwerk 6 oder in einer ähnlich gearteten Laibung über den Umfang des Fensters verteilt werden, wie in 2 angedeutet ist. In 1 ist der Lautsprecher 2 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 Fensterrahmen 4 und/oder inneren Fensterrahmen 5 des Fensters und/oder in das umgebende Mauerwerk 6 oder eine ähnlich geartete Laibung eingebaut (1 und 2).
Ein geeigneter Regler erzeugt in der Feedback-Anordnung aus den Mikrofonsignalen die entsprechenden Lautsprechersignale (3). Dieser elektronische Regler kann sowohl analog (als analoges Filter) als auch digital (z.B. mit einem digitalen Signalprozessor-DSP) realisiert werden. 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 3 im Schlitz 1 (Feedback-Anordnung) ist die Verwendung von Referenzmikrofonen 8 außerhalb des Gebäudes und der Feedforward-Anordnung (4). Die Referenzmikrofone 8 sind sinnvoller Weise näher in Richtung Lärmquelle zu platzieren, 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 1 minimiert werden.
Zusätzlich zu der aktiven Maßnahme können passive Maßnahmen (Absorber 7, 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 Fensterrahmen 4 und/oder inneren Fensterrahmen 5 des Fensters und/oder in das umgebende Mauerwerk 6 eingebaut werden (5 und 6). Die Wirkungen der einzelnen passiven Absorber 7 können an unterschiedliche Frequenzbereiche angepasst werden, wie z.B. durch unterschiedliche Einbautiefen von Lochplattenabsorbern in 7 angedeutet ist.

1: Öffnungsschlitz
2: Lautsprecher
3: Mikrofon
4: äußerer Fensterrahmen
5: innerer Fensterrahmen
6: Mauerwerk
7: Absorber
8: Referenzmikrofone

Claims

Verwendung von Schallerzeugern zur Schalldämung in Fensterrahmen von Fenstern mit Kippstellung, Schiebe-, Hebe- oder Dachfenstern in Gebäuden sowie von Mikrofonen (3), die einfallenden Lärm messen, wobei die Mikrofonsignale über einen Regler an die ein Gegenschallfeld für den einfallenden Lärm erzeugenden Schallerzeuger rückgekoppelt sind.
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallerzeuger Lautsprecher (2) sind.
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallerzeuger Piezokeramiken sind.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallerzeuger und/oder Mikrofone (3) in einen inneren Fensterrahmen (5) eines Fensters eingebaut sind.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallerzeuger und/oder Mikrofone (3) in einen äußeren Fensterrahmen (4) eines Fensters eingebaut sind.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallerzeuger und Mikrofone (3) in das Fenster umgebendes Mauerwerk (6) eingebaut sind.
Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb des Gebäudes oder auf dessen Dach zusätzliche Referenzmikrofone (8) angeordnet sind, deren Signale über den Regler an die Schallerzeuger gelangen, und die Mikrofone (3) zur Adaption des Reglers dienen.
Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Fensterrahmens passive Schallabsorber (7) angeordnet sind.