DE10103942C1 - Strömungsbetriebener Schallgenerator - Google Patents

Abstract

Von der Entstehung her läßt sich Lärm auf die beiden Klassen Strömungslärm und Körperabstrahlung zurückführen. Die englischen Bezeichnungen lauten: airborne noise und structureborne noise. Zum Strömungslärm zählt der aerodynamische Lärm beim Flugzeug, der periodische und turbulente Lärmanteil bei Rotoren und Propellern, das Windgeräusch beim Kfz, das Geräusch in Rohrströmungen, der Strahllärm in der Vermischungszone zweier unterschiedlich schneller Fluide und ebenso der Verbrennungslärm. Beschrieben wird ein Schallgenerator der seine Energie aus einem vorgegebenem - oder auch speziell eingerichtetem - Strömungsfeld bezieht und mit dem gesteuerte Schallfelder erzeugt werden können. Eine Anwendung ist die Aufgabe von Warn- und Hinweissignalen, die Hauptanwendung ist die Erzeugung eines Antischallfeldes mit dem Strömungslärm und auch die Körperschallabstrahlung einer umströmten Struktur destruktiv weginterferiert wird. Ein solcher Schallgenerator besteht aus Aktoren mit einer gesteuerten Beeinflussung der Strömung und einer Freisetzung von akustisch wirksamen Divergenzen und Kräften. Nahewirkende Aktoren zur Beeinflussung der Strömungsgrenzschicht sind sich über Einsaugen/Ausblasen, Temperatur und Vibrationspegel an der Struktur realisiert. Aktoren mit Fernwirkung sind Injektoren, Laser- und Ultraschallstrahlen. Mit in-, meta- und bistabilen Konstellationen kann zusätzlich die für die Steuerung des Schallgenerators notwendige Energie aus der Strömung gewonnen werden. Eine ...

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Schallgenerator, der seine Antriebsenergie aus einem Strö­ mungsfeld bezieht. Vorzugsweise sind dies aero- und hydrodynamische oder auch hydrauli­ sche Strömungsfelder, wie sie technisch bei Fahrzeugen, Flugzeugen, Rotoren und Propellern, Rohr- und Ventilströmungen, instationäre Windkräfte an Bauwerken, Turmschattenschlag bei Windkraftanlagen, Mischungsstahlen, Verbrennungsströmungen usw. sowieso gegeben sind. In gleicher Weise eingeschlossen sind künstliche, eigens für eine Schallgeneration eingerich­ tete Strömungen. Der damit realisierte Schallgenerator dient zur Erzeugung von Nutzschall, von akustischen Warnsignalen und - zusammen mit Sensor und Steuerung - von Antischall­ feldern zur gesteuerten Interferenzauslöschung.

Stand der Technik sind vor allem pneumatisch betriebene Schallgeneratoren. Bereits seit über ein Jahrhundert bekannt ist das Sirenenprinzip. Hierbei wird ein separat erzeugter Druckluft­ strom durch eine Sirenenscheibe periodisch unterbrochen. Damit verwandt sind Geräte bei denen der Luftstrom von Ventilen gesteuert wird, in der englischen Bezeichnung air modula­ ted devices. Diese sind vorzugsweise zur Erzeugung hoher Schalleistungen eingesetzt. Nach­ teilig ist die eingeschränkte Signaltreue, das Klirrverhalten bei hohen Arbeitsdrücken und der schlechtere Wirkungsgrad hervorgerufen durch das funktionsbedingte Abbremsen und Be­ schleunigen der Luftströmung. Bei den elektrisch betriebenen Luftschutzsirenen wirkt ein Rotor einmal als Luftverdichter (Radialgebläse) und nach dem Sirenenprinzip zusätzlich als Unterbrecher. Aus DE 196 28 849 A1 ist bekannt, ebenfalls nach dem Unterbrecherprinzip aus einer aerodynamischen Strömung gesteuerten Ultraschall zu erzeugen, und aus diesem nach der Theorie der Amplitudenmodulation hörbaren und gerichteten Nutzschall freizuset­ zen. - Im weiteren sind die sog. Aeolientöne,- Hieb- und Schneidentöne - bekannt. An Strö­ mungskörpern treten im Nachlauf instabile rückgekoppelte Stömungszustände auf, das be­ kannteste Beispiel ist die Karmansche Wirbelschleppe, wie sie bei einer Rohrumströmung beobachtet werden kann. Der - hier periodische - Stömungswechsel verursacht sekundär eine gleichperiodische Schallabstrahlung. Dieses stömungsbedingte Schallphänomen macht sich meist störend bemerkbar und wird durch aerodynamische Mittel, (Spoiler, Abreißkanten) möglichst eliminiert. Störend ist ebenfalls der auf der Wechselwirkung mit einer umströmten Struktur auftretende Grenzschichtlärm. Es ist bekannt, die Grenzschicht und damit auch den - lärm durch Grenzschichtzäune zu stabilisieren. Bei dieser Lärmart und noch mehr bei der Mi­ schung unterschiedlich schneller Strömungen - das bekannteste Beispiel dazu ist das Strahl­ triebwerk - ist der freigesetzte Lärm statistischer Natur mit einem breitbandigen Schallspek­ trum.

Aufgabe der Erfindung ist ein Schallgenerator, der seine Antriebsenergie aus einer bereits vorgegebenen Fluidströmung, vorzugsweise einer aerodynamischen oder hydraulischen Strö­ mung bezieht und damit gezielter Nutzschall, vorzugsweise Antischall zur destruktiven Inter­ ferenzauslöschung von unerwünschter Lärmemission erzeugt wird.

Nach dem Hauptmerkmal der Erfindung werden durch gesteuerte Aktoren Betrag und Rich­ tung der Stömungsgeschwindigkeit verändert. Als Aktoren mit Durchströmung werden Diffu­ sor- und Umlenkklappen verwendet. Aktoren die in die umströmte Struktur integriert sind und die anliegende Strömung beeinflussen sind vibrierende Oberflächen und auch gesteuerte Oberflächenheizung zur Erzeugung von Radiometerkräften. Fernwirkende Aktoren werden durch Injektionen von Gasen, Fluiden, Partikeln und Hypergolen, durch Ultraschallemitter für die direkte Einwirkung und/oder als Parametric Array und bei elektrisch leitenden Fluidströ­ mungen durch elektomagnetische Kräfte realisiert. Diese Aktoren werden nach den bekannten Regeln der Antischalltechnik gesteuert. Als Sensoren werden in die Struktur integrierte Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden in die Oberfläche der umströmten Struktur aus der Fluidik-Technik bekannte Steuerelemente, z. B. Flipflop, Uniflop eingeprägt, so daß deren Steuerlogik eine lärmabstrahlende Störung in der Umströmung selbsttätig weg­ geregelt oder die Strömung so stabilisiert wird, daß Störungen bereits in status nascendi auf­ gehoben werden.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden an bistabilen Stellen in der Strömung, an Orten die zum Strömungsumschlag neigen oder an Bifurkurationen Aktoren eingesetzt, sodaß die Strömungsbeeinflussung mit einem Minimum an Steuerenergie möglich ist.

Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal erfolgt die Strömungsbeeinflussung durch Steue­ rung der natürlichen - und auch einer künstlich erzeugten - Turbulenz. Während in laminarer Strömung die gaskinetische Viskosität (Scher- und Volumenviskosität) maßgebend ist, wirkt . bei Turbulenz die - von Prandtl abgeleitete - turbulente Viskosität. Diese ist um Größenord­ nungen (Faktor 100 000!) wirksamer als bei Laminarität. Vorteilhaft ist wegen der großen Dynamik die gesteuerte Verkleinerung und Vergrößerung der turbulenten Viskosität. Dank ihrer Fernwirkung sind dabei (Ultra)Schallstrahlen und Fluidinjektionen als Aktoren beson­ ders vorteilhaft.

Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal werden die akustischen Störungen durch Sensoren, z. B. Drucksensoren aufgenommen und durch Aktoren instantan und direkt am Entstehungsort destruktiv ausgelöscht, dies hilft die Strömung an einer Struktur laminar zu halten und so den Strömungswiderstand zu reduzieren.

Der Erfindungsgegenstand ist anhand mehrerer Ausführungsbeispiele dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 bis 7: Strömungsbetriebene Schallgeneratoren.

Fig. 8 bis 19: In die Struktur integrierte, strömungsbetriebene Schallgeneratoren.

Fig. 20 bis 22: In Rohre eingebaute, strömungsbetriebene Schallgeneratoren.

Fig. 23 und 24: Strömungsbetriebener Schallgenerator zur Auslöschung des Rotorlärms.

Fig. 25: Strömungsbetriebener Schallgenerator zur Auslöschung des Verbrennungslärms.

Fig. 26 und 27: Strömungsbetriebene Schallgeneratoren zur Auslöschung der Strahllärms.

Fig. 28: Schallgenerator zur Auslöschung des Airpumping-Lärms bei Reifen.

Fig. 29: Strömungbetriebener Schallgenerator zur Antischallauslöschung des Eigenlärms von bewegten Strukturen.

Zur rationellen Beschreibung werden folgende Bezeichnungen vereinbart. X = Nummer der Figur): X1 = Vorgegebenes Strömungsfeld eines Fluides, z. B. Luftumströmung um eine Flug- oder Fahrzeugstruktur. X2 bzw. X3 = Aktor bzw. Aktorkomponente zur Beeinflussung der Strömung. Der Antrieb und die Steuerung der Aktoren ist nicht besonders dargestellt. X4 = Struktur, z. B. die Beplankung bei einem Flugzeug oder Fahrzeugkorosserie. X5 = Sensor z. B. Drucksensor, (Hitzdraht)Anemometer, Laser-Doppler-Strömungsmesser zur Detektion und Interferenzauslöschung. In den Fig. 1 bis 19 mit den verschiedenen Aktorausführungen ist der Sensor nicht mit aufgenommen. In den Anwendungsbeispiel der Fig. 20 bis 29 ist der Sensor nur symbolisch angegeben; im allgemeinen Fall werden bei der Antischallauslöschung mehre­ re Sensoren benötigt. Die Anordnung und Auslegung der Sensoren ist aus der Antischalltech­ nik bekannt und braucht nicht mehr beschrieben zu werden, auch nicht die Logiken zur anti­ phasen Steuerung der Aktoren.

Die Beschreibung wird weiter vereinfacht, wenn die den einzelnen Ausführungsbeispielen zugrunde liegenden Effekte geschlossen und vorab abgehandelt werden. Dazu werden zwei Aktortypen, flächenförmige und volumenförmige, idealisiert. Bei den in einer Fläche A mit der Normalenvektor n angeordneten Aktoren in den Fig. 1 bis 3 habe die Strömung vor und nach dem Passieren der Aktorfläche A die Geschwindigkeiten v₁ und v₂. (Die Vektoren sind durch Fettdruck gekennzeichnet, n.v = Skalarprodukt, nv = Tensorprodukt) Eine solche Ge­ schwindigkeitsänderung von v₁ auf v₂ verursacht eine flächenbezogene Volumendivergenz Q mit der Dimension m³/sm² = m/s und eine Flächenkraft F mit der Dimension N/m² = Pa. Mit dem bekannten flächenbezogenen Operator Div und mit der Bezeichnung Δv = v₂ - v₁ als der gesamten Geschwindigkeitsänderung in der Aktorebene A so läßt sich mit den Linearisierun­ gen Δv << v₁, v₂ und ρ₁ ≈ ρ₂ ≈ ρ (ρ = Fluiddichte) vereinfachen:

Q = Div v = n.(v₂ - v₁) = n.Δv (A)

F = Div ρ vv = n.(ρ₂v₂v₂ - ρ₁v₁v₁) ≈ ρn.(v₁Δv + Δvv₁) (B)

Dieser Effekt besteht nur bei n.v ≠ 0, bei dieser Konstellation wird die Aktorfläche A durch­ strömt. Aber auch für den Fall, daß die Aktoren in die umströmte Struktur integriert und so Aktorfläche A und v parallel sind, d. h. n.v = 0, lassen sich durch die Steuerung der an der Oberfläche wirksamen Scherviskosität η Divergenzen Q und Kräfte F darstellen. Bezeichnet h die von der lokalen Scherviskosität η abhängige Grenzschichtdicke so ist (t Zeit)

Q = dh/dt = h° F = ηdv/dn (C, D)

Ein zeitliche Änderung von Q, dh dQ/dt = Q° induziert eine akustische Monopolstrahlung, die Änderung F° ergibt Strahler höherer Ordnung. Sind die Abmessungen der Aktorfläche A klein gegen die abgestrahlte Schallwellenlänge λ so besteht Kugel- bzw. Dipolcharakteristik. - Um die über ein Strömungsvolumen wirkenden Aktoren zu beschreiben wird auf die elemen­ tare Stömungsgleichung für ein reibungsbehaftetes Fluid zurückgegriffen:

p∂v/∂t + ρv∇v = grad p + η(Δv + grad div v/3) + µ grad div v (E)

Läßt sich das Strömungsfeld v in eine stationäre Strömung v₀ mit einer turbulenten Kompo­ nenten v_T aufteilen nach v = v₀ + v_T, so lassen sich durch Steuerung der turbulenten Scher- und Volumenviskosität η und µ Kräfte f[N/m³] in der Strömung erzeugen

f = η(Δv + grad div v/3) + µ grad div v (F)

Eine zeitliche Änderung df/dt = f° durch Steuerung der turbulenten Scher- und Volumenvis­ kosität η und µ ergibt wieder Schallabstrahlung. Neben der Volumenkraft f und durch diese verursacht, besteht auch eine akustisch wirksame Volumenänderung q[m³/m³s = 1/s]: Herrscht in einem Referenzvolumen eine mittlere Geschwindigkeit v und die mittlere Ver­ weilzeit τ und deren zeitliche Änderung τ° = dτ/dt, so ist q und der monopolrelevante Quell­ term q° [1/s²]

q = vτ° q° = vτ°° + v°τ° (G)

In den Fig. 1 bis 7 sind Schallgeneratoren dargestellt, die von einem Fluid durchströmt wer­ den. Die durch eine Fluidströmung gesteuerte Schallerzeugung erfolgt hier nach den Glei­ chungen A und B. Nach den Regeln der Antischalltechnik ist damit auch deren Einsatz als Antischallgenerator bekannt und wird bei den einzelnen Ausführungsbeispielen nicht wieder­ holt. Fig. 1: In einer - hier der Einfachheit als parallel und homogen dargestellten - Luftströ­ mung 11 befinden sich Klappen 12, die sich um eine Achse 13 um einen Winkel α gesteuert drehbar sind und so eine zeitlich veränderliche Umlenkung der Luftströmung 10 und damit eine Schallemission ergeben. In diesem Fall kann der Quellraum durch die Fläche A ersetzt werden. Bei einer synchronen Winkelverstellung α liegt im wesentlichen eine Krafteinwir­ kung im Quellraum 11 und damit eine Dipolabstrahlung vor. Bei unterschiedlichen Umlen­ kungen der Klappen 12 werden konvergente und divergente Strömungen mit vorzugsweise Monopolstrahlung erzeugt. - In Fig. 2 sind die Klappen 22 radial angebracht. Diese sind wieder kollektiv und/oder individuell um eine Achse 23 um einen Winkel α verstellbar. Vorteil­ haft ist auch ein Grundeinstellwinkel α₀ als Arbeitspunkt, damit lassen sich auch bei kollek­ tiver Verstellung und Umlenkung der Strömung 21 gleichzeitig Mono- und Dipolemission realisieren. - Ein Fortentwicklung dazu ist in Fig. 3 dargestellt. Die Wirkungsweise der um die Achsen 33 drehbaren Klappen 32 ist analog zu Fig. 2. Zusätzlich befinden sich in der Ab­ strömung 31' ebenfalls Klappen 32' mit einer weiteren. Strömungsbeeinflussung. Eine solche Anordnung besitzt zwei Quellräume. Wird die Verbindung 38 als elastischer Drehstab ausge­ führt, so kann damit auch Drehschwingung zur Luftumlenkung herangezogen werden. Mit einer solchen zweipoligen - und noch allgemeiner mit mehrpoligen - Schallquellen lassen auch kompliziertere akustische Richtcharakteristiken nachbilden, was bei Antischall essentiell ist. Werden zwei oder mehrere Klappenebenen 32, 32' 32" . . . entsprechend ihrem Laufweg in Koinzidenz geschaltet, so kann damit auch ein Richtstrahler realisiert werden.

In den Beispielen nach Fig. 4 und 5 befinden sich in den Strömungen 41 und 51 Profile 44 und 54. Im Staupunkt von Profil 41 befindet sich eine Öffnung 42 und daran angeschlossen ein steuerbares Ventil 43. Durch den Staudruck bildet sich in der Öffnung 42 ein Luftstrom aus, der durch das Ventil 43 gesteuerte Volumenfluß bildet eine Schallquelle. Da die Abmes­ sungen der Öffnung 42 klein gegen die abgestrahlten Schaltwellenlängen X sind, handelt es sich bei diesem Sonderfall um eine Monopolschallquelle. In Fig. 5 befindet sich ein Ultra­ schallsender oder Vibrator als Aktor 52 im hinteren Bereich des Profils 54. Dazu wird an den klassischen Windkanalversuch erinnert, bei dem durch den Schall einer Trillerpfeife der Luftwiderstand einer Kugel - um den Faktor 4 - verringert wird. Bekanntlich sorgt der Tril­ lerschall für eine anliegende Strömung und löst den Nachlaufwirbel - den Totwasserbereich - auf. Durch Modulation des Aktorsignals kann damit die Verweilzeit der Luft im Nachlauf gesteuert und damit gemäß Gleichung G eine gesteuerte Schallquelle realisiert werden.

In Fig. 6a passiert eine Fluidströmung 61 ein Gitter 62. Die Fig. 6b bis 6f sind Querschnitte durch die Gitter 62 und zeigen die verschiedenen Aktorprinzipien. In Fig. 6b hat das Gitter­ profil 62 im Nachlauf einen Ultraschallgenerator 63, seine Wirkung ist identisch nach Fig. 5. In Fig. 6c wird der Luftstrom analog zu Fig. 1 durch Umlenkklappen 63' gesteuert. In Fig. 6d befinden sich im Profil 62 Vertiefungen 63" als sog. λ/4-Resonatoren. In einer Strömung geben diese Ultraschall ab und haben dieselbe widerstandsverringernde Wirkung wie beim Golfball. Durch die Anströmung und/oder die Dämpfung des λ/4-Resonators kann dessen Schallemission und damit der Gitterwiderstand gesteuert werden. Ein gesteuerte Wider­ standskraft wirkt nach Gleichung B als Schallgenerator. In den Fig. 6e und 6f führt das Gitter 63''' translatorische und/oder rotatorische Schwingungen aus; bei letzterem werden Magnus- Kräfte aktiviert. Während in Fig. 6 das Gitter 62 in einer Luftströmung feststeht sind, in Fig. 7 die Geschwindigkeitsverhältnisse umgekehrt; hier rotiert ein Gitter 72 in einem in Ruhe be­ findlichen Fluid, z. B. Luft. Die Querschnittsformen und damit die schallerzeugenden Wir­ kungen des Gitters 72 sind analog zu den Fig. 6b bis 6f.

In den Ausführungen der Fig. 8 bis 19 verläuft die Fluidströmung 81 bis 191 parallel zur Oberfläche der Strukturen 84 bis 194. Die Aktoren 82 bis 192, durch die Strömung beeinflußt und dadurch Schall bzw. Antischall generiert wird sind in die Strukturen 84 bis 194 integriert. Insofern liegt der Mechanismus der Gleichungen C und D vor. In Fig. 8 befinden sich Öff­ nungen 82 in der Struktur 84. Vergleichbar zu Fig. 4 kann die Differenz zwischen Stau- und kinetischen Druck eine Fluidströmung in der Öffnung 82 aufrechterhalten. Durch ein Ventil 83 kann damit ein gesteuertes Schallfeld emittiert werden. In Fig. 9 sind in die Oberfläche der Struktur 94 Vertiefungen als λ/4-Resonatoren 92 eingelassen. Eine Resonatorsteuerung ana­ log Fig. 6d beeinflußt die Strömungsgrenzschicht, ergibt eine wechselnde Reibkraft und wirkt damit als (Anti)Schallemitter. In Fig. 10 wird dasselbe Wirkprinzip benützt, die gesteuerte Abstrahlung von Ultraschall wird hier durch elektrisch gesteuerte elektro- oder magnetostrik­ tive Ultaschallgeneratoren 102 erreicht. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Lösung ist, daß damit neben der Amplitude und Frequenz auch die Abstrahlrichtung des Ultraschalls eingestellt werden kann. Wird die anliegende Struktur als Wellenleiter benützt und deren Ausbreitungs­ geschwindigkeit gleich der Wellengeschwindigkeit des Fluids gemacht, so besteht Koinzidenz und damit Abstrahlung direkt in die Strömungsgrenzschicht. In Fig. 11 sind in die Strukturo­ berfläche 114 Plattenresonatoren 112 integriert. Diese werden durch aufgebrachte Piezofolien 113 zu mechanischen Schwingungen angeregt und beeinflussen dadurch die Grenzschicht, was nach den Gleichungen C und D wieder als gesteuerter Schallemitter genutzt werden. Zur lokalen Fixierung der Resonatoren 112 und zur Einstellung deren Eigenfrequenz können nach DP 198 02 359.6 auch Negativfedern verwendet werden. In Fig. 12 sind in die Struktur 124 elastische Zungen 122 eingebracht. In einer Luftströmung wird je nach Vorzeichen des Zun­ genausschlages Luft an- oder abgesaugt. Wird der Zungenausschlag durch Piezoelemente 123 gesteuert so läßt sich damit der Luftstrom und damit auch das emittierte Schallsignal steuern. In Fig. 13 sind in die Oberfläche der Struktur 134 Injektoren 132 eingebaut mit denen ein Fluid, z. B. Wasser, Luft in die Strömung 131 eingespritzt wird, um damit gesteuerte Kräfte zu erzeugen. Injektoren 132 und deren Steuerung sind bei Tintenstrahldruckern bekannt. In Fig. 14 sind in die Struktur 144 Bistabilitäten 142 integriert. Das bekannteste Beispiel ist die Tel­ lerfeder, die zwischen zwei stabilen Auslenkungen hin- und hergeschaltet werden kann. Wer­ den bei einem Metallblech die Außenschichten gegenüber der Mittelschicht gedehnt (oder gestaucht) so lassen sich auch damit auch bistabile Partien direkt in die Struktur 144 einprä­ gen. Weitere Methoden finden sich z. B. in DP 198 02 359.6. Da die Bistabilitäten 142 nur zwei Zustände, nicht aber Zwischenstellungen kennen ist damit keine kontinuierliche Propor­ tionalsteuerung möglich. Dieser Nachteil kann durch hochfrequente Schalthäufigkeit kompen­ siert werden. Als Schalter eignen sich besonders Piezoelemente 143. In Fig. 14 war die Struktur 144 bistabil. Bei realen Umströmungen gibt es natürliche In-, Meta- und Bistabiltäten die für die Beeinflussung und Steuerung der Strömung ausgenützt werden können. In Fig. 15 erhält die Struktur 154 eine Einbuchtung 152 um eine künstliche bistabile Strömung zu erzeu­ gen: Einmal kann die Strömung auf grund des Coanda-Effektes anliegen oder abreißen. 1-11er­ bei genügen extrem kleine Steuerenergien zur Umschaltung. Als Schalter 153 kann z. B. ein Ultraschallgeber eingesetzt werden. Mit der Hintereinander- und Parallelschaltung eines zweiten Satzes von Einbuchtungen 152' lassen sich auch Fluidik-Elemente, z. B. Flipflop, Uniflop und eine logische Verknüfung nach der Fluidtechnik relisieren. Während alle bisheri­ gen Ausführungsbeispiele auf beliebige gasförmige und flüssige Fluidströmungen anwendbar waren, so wird in Fig. 16 eine elektrische Leitfähigkeit des Fluids vorausgesetzt; technische Anwendungen sind Meerwasser und Plasma. Dazu sind in die Struktur 164 Linearmotoren 162 eingebaut. Das elektrisch leitende Fluid kann als Stator aufgefaßt werden, in dem vom Linearmotor 162 Kräfte und auch Momente eingebracht werden können. Damit läßt sich die Strömung 161 feinfühlig steuern. Um die von der umströmten Struktur 164 ausgehenden (Schall)Störungen direkt beim Entstehen zu unterbinden, genügt es nach der Antischalltheorie die Störkräfte zu kompensieren. Dies hilft mit die Strömung laminar zu halten und neben dem Eigengeräusch wird dadurch auch der Strömungswiderstand verringert. Eine weitere Stellgrö­ ße eine Strömung zu beeinflussen ist die Temperatur. In Fig. 17 ist auf die Struktur 174 eine Heizschicht 172 aufgebracht und kann durch Ohmsche Heizung oder durch elektromagneti­ sche Induktion beheizt werden. Da die Scherviskosität temperaturabhängig ist, wird damit auch die Grenzschicht der Strömung 171 beeinflußt. Ein Temperaturgradient in der Oberflä­ che der Heizschicht 172 induziert in der anliegenden Strömung 171 eine Scherkraft (Radio­ meter-Effekt) Mit einer feinfühligen Steuerung von Temperatur und -gradient gelingt es so Antischall zur Auslöschung des Eigenlärms zu generieren. Nachzutragen ist lediglich, daß für einen guten Wirkungsgrad die Heizschicht 172 gegenüber der Struktur 174 thermisch und elektrisch isoliert ist und daß deren Wärmekapazität möglichst klein ist. Dazu verwandt ist in Fig. 18 die Heizung einer Ablationschicht 182 durch einen externen Laser 183. Damit lassen zeitlich und lokal festgelegte Temperaturfelder erzeugen. Bei einer erneuerbaren Ablations­ schicht 182 können auch extreme Oberflächentemperaturen mit Verdampfung zugelassen werden. Ein Verdampfung entspricht der konventionellen Luftausblasung an einem Flugzeug­ flügel zur Verringerung des Flugwiderstandes. In Fig. 19 sind in Draufsicht auf eine Struktur 194 ein Anbau 193, z. B. Spoiler oder Grenzschichtzaune dargestellt. Mit einem Leit­ blech 192 genügt eine kleine Umlenkung der Strömung 191 um eine verstärkte Strömungsän­ derung an dem Anbau 193. Gleichzeitig wird damit auch die nutzbare Schallemission ver­ stärkt.

Während in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 19 die verschiedenen Grundsituationen dargestellt wurden, sollen diese in Fig. 20 bis 29 an ausgewählten Einsätzen konkretisiert werden. In einem Rohr 204, z. B. einem Auspuff oder einer Klimaanlage besteht eine Luftströmung 201. Um die Lärmabstrahlung nach außen zu verhindern sind am Ende des Rohres 204 und über den Rohrquerschnitt verteilt, Aktoren 202, z. B. in der Ausführung nach den Fig. 1, 6 oder 7 angebracht. Nimmt ein Sensor 205 den auszulöschenden Störschall auf, so kann dieser durch die Steuerung der Aktoren 202 nach den bekannten Vorschriften der Antischalltechnik ausgelöscht werden. In Fig. 21 besteht eine Strömung 211 in einem ge­ krümmten Rohr 214. Gesteuert durch einen Sensor 215 kann mit einem zweckmäßigerweise in der Rohrkrümmung angebrachten Aktor 212 der störende Rohrschall ausgelöscht werden. Die Erzeugung von Antischall in einem Rohr 224 wird nach Fig. 22 effizienter und läßt sich besser steuern, wenn die Aktoren 222 in einer Rohrströmung 221 im Bereich einer Rohrdis­ kontinuität 223, (z. B. ein Querschnittssprung, eingebaute Ventile, Hähne, Blenden) eingebaut sind. Der auszulöschende Störschall wird wieder durch Sensoren 225 detektiert. - Grundsätz­ lich können an der Innenwand eines Rohres auch die in Fig. 8 bis 17 dargestellten Aktortypen eingesetzt werden.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 23 zeigt in axialer Sicht einen Propeller 234 mit einem an­ gesetzten Winglet 233 als Träger eines Aktors 232, einmal mechanische Verstellung des Winglets 233, Fluidinjektionen oder Ultraschalleinwirkung. An der Außenkante eines rotie­ renden Propellers 234 bildet sich ein Randwirbel. Eine Dralländerung des Randwirbels wirkt als Volumendivergenz und damit als akustischer Emitter 232. Eine gesteuerte Dralländerung mit der Umlauffrequenz und den höheren Harmonischen des Propellers 234 ermöglicht es, damit den Propellerlärm antiphas nachzubilden und damit auszulöschen. Fig. 24 betrifft wie­ der die Antischallauslöschung des periodischen Lärms eines Rotors 244. Durch einen Aktor 232-Ultraschall, Oberflächenheizung oder Fluidinjektion - wird die Grenzschichtdicke nach Gleichung C propellerperiodisch gesteuert, was einer monopolartigen akustische Quelle ent­ spricht. Mit der Beschränkung auf die Antischallauslöschung der periodischen Schallkompo­ neten sind in den beiden Fig. 23 und 24 keine Sensoren notwendig.

In Fig. 25 ist ein Brenner 254 mit der Flamme 251 skizziert. In die Flamme 251 strahlt ein steuerbarer Ultraschallgeber als Aktor 252. Das Ultraschallfeld steuert Brenngasströmung, deren Durchmischung und die Verbrennungsgeschwindigkeit, so daß damit eine Schallquelle 251 realisiert werden kann. Wird diese zur Auslöschung des unerwünschten Brennerlärms benützt, so ist dazu zusätzlich ein Sensor 255 und eine - hier nicht eingezeichnete - An­ tischallsteuerung notwendig.

In den Fig. 26 und 27 geht es um die Schallerzeugung in einem Düsenstrahl, vorzugsweise um die Antischallauslöschung der Strahltriebwerke 264 und 274. In den Vermischungszonen 261 und 271 von Düsenstrahl mit der Umgebungsluft entsteht der dominante Strahllärm. In Fig. 26 ist der Aktor 262 über eine Strebe 266 direkt in die Vermischungszone 261 eingebracht. Als Aktor 262 kann eines der Grundprinzipien der Fig. 1 bis 19 eingesetzt werden. Die Senso­ ren 265 für die Antischallauslöschung sind ebenfalls in die Strebe 266 integriert. In Fig. 27 sind außerhalb der Vermischungszone 271 ein steuerbarer Laserstrahl als Aktor 272 und ein Laser-Doppler-Anemometer als Sensor 275 untergebracht. Durch einen Dispenser 273 wer­ den in die Vermischungszone 271 Partikel bestehend aus verdampf- und/oder brennbarem Material, z. B. Wasser, Kerosin . . . injiziert. Der Sensor 275 bestimmt aus der Bewegung der Partikel das Schallfeld in der Vermischungszone 271. Werden die Partikel mit dem Laserlicht des Aktors 272 verdampft oder gezündet, so wird aufgrund der Volumenvergrößerung Schall freigesetzt. Mit einer nach der Antischallauslöschung gezielten Verdampfung bzw. Verbren­ nung der Partikel kann damit der Lärm des Strahltriebwerkes 274 reduziert werden. Bezüglich Umweltschutz kann eine solche Maßnahme auf Start und Landeanflug beschränkt werden. In Fig. 28 geht es um die Antischallauslöschung des sog. Airpumping-Lärms infolge der Ne­ gativprofile 284 eines KfZ-Reifens. Im Kontaktbereich mit der Straße ist das Negativprofil 284 zusammengedrückt, die dadurch freiwerdende Luft tritt seitlich aus wirkt als Volumen­ quelle. Beim Kontaktende besteht die inverse Luftbewegung. Dieser Luftumsatz verursacht den Airpumping-Lärm. Um diese Luftbewegung lokal zu kompensieren ist nahe jedem Nega­ tivprofil eine Hohltasche 282 zugeordnet, diese sind durch Luftkanäle untereinander verbun­ den. Die Außenseite einer Hohltasche 282 ist bistabil ausgeführt (Vergl. Fig. 14). Das Diffe­ renzvolumen der beiden bistabilen Zustände I und II ist gleich groß dem Airpumping- Volumen. Im Kontaktbereich erfährt der Reifen eine seitliche Ausbuchtung 283, diese Ver­ formung läßt sich als Schalter zwischen den beiden Zuständen I und II ausnützen: Am Kon­ taktbeginn (und dem Beginn der Ausbuchtung 283) springt die Hohltasche 282 in den bista­ bilen volumenarmen Zustand I, bildet damit eine Volumensenke und neutralisiert so die im Negativprofil 284 freigesetzte Luft. Am Kontaktende, am Ende der Ausbuchtung 283, spielt sich der umgekehrte Vorgang ab und die Hohltasche 282 springt vom Zustand I auf II, bildet eine Volumenquelle und kompensiert die vom Negativprofil angesaugt Luft. In der Skizze von Fig. 28 sind Negativprofil 284 und Hohltasche 282 übereinander eingezeichnet. Durch eine gegenseitige Verschiebung kann der Phasenwinkel eingestellt werden. Bei einer Phasen­ verschiebung um 180° vertauschen sich die Volumenverhältnisse der Zustände I und II.

In Fig. 29 ist eine bewegte Struktur 294 in einem ruhenden Fluid dargestellt. Technische Si­ tuationen sind die Rotation von Wellen, Trommeln, Zentrifugen . . . und die Translation von Platten, Bändern und Drähten. Infolge der Relativbewegung liegt an der Struktur 294 eine Grenzschicht 291 an. Eine feststehende, durch ein Stellglied 293 steuerbare Schneide 292 als Aktor schält einen Teil der Grenzschicht 291 ab; dieses Fluidvolumen wird über einen Kanal 296 abgeführt. Ein solcher Volumenumsatz bildet einen akustischen Monopolstrahler, der einen von Sensoren 295 detektierten Störlärm nach der Antischalltechnik auslöschen kann.

Bei allen in den Grundsatzbeispielen in Fig. 1 bis 19 beschriebenen Schallgeneratoren wird die Strömungsenergie direkt oder indirekt in Nutzschall umgewandelt. Zusätzlich aufzubringen ist lediglich die Energie zur Steuerung der Aktoren. Die Aktoren der Fig. 1 bis 7 arbeiten nach dem Turbinenprinzip. Der Wirkungsgrad von - stationären - Turbinen liegt bei 70%, im Ver­ gleich dazu ist der Lautsprecherwirkungsgrad um Größenordnungen geringer. Die wichtigste Anwendung der erfindungsgemäßen Schallgeneratoren betrifft die Antischallauslöschung des Eigenlärms von umströmten Strukturen. Da der Strömungslärm nur einen Wirkungsgrad von ca. 0,1% hat und die destruktive Interferenz im Optimum lediglich akustische Blind- aber keine Wirkleistung verlangt, ist der Energieaufwand an sich unerheblich. Wenn speziell in den Fig. 16 und 19 die Steuerenergie minimiert wird, so deshalb um bei akkugetriebenen Aktoren die Ladezyklen zu verlängern oder Systeme autark zu machen und mit den bekannten Generatoren den Energieverbrauch z. B. aus der Geschwindigkeit oder aus Druckschwankun­ gen der Strömung zu decken.

Bei destruktiver Interferenz sind Schall und Antischall lediglich um 180° phasenverschoben, haben aber dieselbe Schalldruckamplitude. Auch wenn der Antischallgenerator nur Blindlei­ stung abgibt, wird trotzdem seine Größe durch die Leistung der auszulöschenden Lärmquelle bestimmt. Beim Strömungslärm ist deshalb vorteilhaft, mittels Antischallgeber die Strömung so zu stabilisieren, daß Störungen gedämpft und nicht angefacht werden.

Claims (22)

1. Strömungsbetriebener Schallgenerator, wobei in eine umströmte Struktur X4 steuerbare Aktoren X2 integriert werden, mit denen durch Beeinflussung der Strömung X1 Volu­ mendivergenzen und Kräfte und damit akustische Monopol- und Dipolstrahler freigesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß nach der an sich bekannten Antischalltechnik mit zusätzlichen Schall- und/oder Strömungssensoren X5 das von einer umströmten Struktur X4 verursachte Störschallfeld detektiert und mit einem von den Aktoren X2 generiertem, dazu antiphasem Schallfeld ausgelöscht wird.

2. Strömungsbetriebener Schallgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer engmaschigen Anordnung von Sensoren X5 und Aktoren X2 an der Struktur X4 die Entstehung von Störschall direkt am Entstehungsort unterbunden und so gleichzeitig zum Störschall auch der Strömungswiderstand verringert wird.

3. Strömungsbetriebener Schallgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktoren von durchströmten Umlenkklappen (12, 22, 32, 32'. . .) gebildet und bei Än­ derung des Umlenkwinkels akustische Monopol- und Dipolquellen erzeugt werden.

4. Strömungsbetriebener Schallgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktoren von Öffnungen (42) in der Struktur gebildet werden in denen eine strö­ mungsbedingte Druckdifferenz ein Fluidströmung aufrechterhalten wird deren Volumen­ strom durch ein Ventil (43) gesteuert wird.

5. Strömungsbetriebener Schallgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktoren von an der Struktur im Bereich von Totwassergebieten angebrachten, steuerbaren Ultraschallgebern (52) und (102) gebildet, mit denen die turbulente Viskosität beeinflußt und damit akustisch wirksame Strömungskräfte freigesetzt werden.

6. Strömungsbetriebener Schallgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktoren von in die Struktur eingelassenen und von der anliegenden Strömung an­ getriebenen Ultraschallresonatoren (62" und 92) gebildet, deren Intensität von Steuerele­ menten (63 und 93) gesteuert werden.

7. Strömungsbetriebener Schallgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktoren von in die umströmte Struktur integrierten und von Piezogebern (113) an­ getriebenen Plattenresonatoren (112) gebildet werden, deren gesteuerter Vibrationspegel die Strömung beeinflußt und so nutzschallgenerierende Kräfte freisetzt.

8. Strömungsbetriebener Schallgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktoren von in die umströmte Struktur eingelassenen, von Piezoelementen (123) angetriebenen elastischen Zungen (122) gebildet werden, daß abhängig vom Zungenaus­ schlag Fluid zu- oder abfließt und diese Volumenänderung einen nutzschallerzeugenden akustischen Monopol erzeugt.

9. Strömungsbetriebener Schallgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktoren von Injektoren (132) gebildet werden und das Volumen und der Impuls des in die Strömung injizierten Mediums einen akustischen Monopol- und Dipolstrahler dar­ stellt.

10. Strömungsbetriebener Schallgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktoren von in die umströmte Struktur eingelassenen, von Schaltern (143) gesteu­ erten, mechanischen Bistabilitäten (142) gebildet werden, und einmal direkt über die Volu­ menänderung und indirekt über die Strömungsbeeinflußung Nutzschall generiert wird.

11. Strömungsbetriebener Schallgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß von in die Struktur integrierten Störungen (153) oder (193) strömungsbedingte in-, bi- oder metastabile Strömung erzeugt werden, die von Aktoren, z. B. einem Ultraschallgeber (152) oder einem Leitblech (192) beeinflußt wird und damit nutzschallerzeugende Strö­ mungskräfte freigesetzt.

12. Strömungsbetriebener Schallgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Strömungen mit elektrisch leitenden Fluiden die Aktoren von in die Struktur un­ tergebrachten Linearmotoren (162) gebildet werden deren gesteuerte Kräftefelder direkt Nutzschall abstrahlen.

13. Strömungsbetriebener Schallgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf die Struktur wärme- und stromisoliert aufgebrachte Heizschicht (172) als Ak­ tor über seine gesteuerte Temperaturverteilung auf die umgebende Strömung einwirkt und sekundär nutzschallerzeugende Strömungskräfte freisetzt.

14. Strömungsbetriebener Schallgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf die Struktur aufgebrachte Ablationsschicht (182) als Aktor wirkt und diese von einem externen Laserstrahl örtlich und zeitlich gesteuert aufgeheizt wird und die Tempe­ raturverteilung und auch Verdampfung auf die umgebende Strömung einwirkt und nutz­ schallerzeugende Strömungskräfte freisetzt.

15. Strömungsbetriebener Schallgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Lärm in Rohren (204, 214, 224) mittels Sensoren (205, 215, 225) de­ tektiert und damit auf die Rohrströmung einwirkende und nutzschallerzeugende Aktoren (202, 212, 222) nach der Antischalltechnik gesteuert werden.

16. Strömungsbetriebener Schallgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der periodische Lärm von Propellern (234 und 244) durch Aktorsteue­ rung eines Winglet (232) oder einer Heizschicht (242) nach der Antischalltechnik ausgelöscht wird.

17. Strömungsbetriebener Schallgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Verbrennungslärm durch einen Sensor (255) detektiert und durch die Einwirkung eines gesteuerten Ultraschallstrahl (252) destruktiv weginterferiert wird.

18. Strömungsbetriebener Schallgenerator nach den Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Strahllärm durch Sensoren (265) detektiert wird und durch den Nutzschall der in der Vermischungszone befindliche Aktoren destruktiv weginterferiert wird.

19. Strömungsbetriebener Schallgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß durch Dispenser (272) verdampf- und/oder brennbare Partikel in die Vermi­ schungszone eines Strahltriebwerkes eingebracht werden, mittels eines externen Laser- Doppler-Anemometer (275) das auszulöschende Störschallfeld und die Turbulenzströmung detektiert und die Partikel durch einen Laserstrahl (273) nach der Antischalltechnik gesteu­ ert, vorzugsweise an Bifurkurationsstellen gezündet werden.

20. Strömungsbetriebener Schallgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Antischallauslöschung des Airpumping-Lärms von Reifen entsprechend der Teilung der Negativprofile (284) Hohltaschen (282) mit einer bistabilen von der Reifen­ ausbuchtung (283) im Kontaktbereich der Straße geschalteten Außenseite den von den Ne­ gativprofilen freigesetzten Volumenstrom neutralisieren.

21. Strömungsbetriebener Schallgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Antischallauslöschung eines durch einen Sensor (295) detektiertes Eigen­ geräusches einer bewegten Struktur (294) mittels einer durch Piezofolie (293) gesteuerten Schneide (292) ein Teil der Grenzschicht (291) der bewegten Struktur (294) abgeschält und und diese durch einen Kanal (296) abgeleitet wird.

22. Strömungsbetriebener Schallgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Energie zum Betrieb als Antischallgenerator mittels Generatoren aus der kinetischen Energie oder aus Druckschwankungen der Strömung gewonnen wird.