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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie Vorrichtungen zur
Geräuschminderung
einer durch einen Motor angetriebenen Vorrichtung, insbesondere
eines Lüfteraggregats
in einem Kraftfahrzeug.
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Bei
Heiz- und Kühlsystemen,
insbesondere bei Kraftfahrzeugen, treten oft unangenehme Lüftungsgeräusche auf.
Diese sind besonders störend, wenn
durch äußere Gegebenheiten
die Heiz- und Lüftungsaggregate
bzw. Rohrleitungen nicht optimal auszulegen sind. Diese Lüftergeräusche können außerdem bei
Kraftfahrzeugen die Konzentration des Fahrers mindern und die Kommunikation
der Fahrzeuginsassen beeinträchtigen.
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Dieses
Problem wird bei Kraftfahrzeugen noch dadurch verstärkt, dass
durch ausgelagerte Klimaelemente Motor- und Fahrgeräusche über die
Lüfterkanäle in den
Passagierraum eingekoppelt werden, besonders, wenn – bedingt
durch den engen Platz im Cockpit – immer mehr Komponenten in
den Motorraum verlagert werden.
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Wird
die Geometrie der eingesetzten Lüfterrohre
immer mehr dem Cockpit-Design angepasst, entstehen darüber hinaus
oft Pfeif- und Dröhngeräusche. Erkannt
werden diese oft erst nach Fertigstellung der Konstruktion, welche
dann in einer späteren Entwicklungsphase
nur stark eingeschränkt
und mit sehr hohem Aufwand modifiziert werden kann. Dieser Nachteil
tritt besonders bei vergleichsweise sehr starken Lüfteraggregaten
auf.
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Besonders
kostengünstige
und leichte Lüfteraggregate
haben oft eine beträchtliche
Unwucht. Das daraus resultierende Vibrieren des gesamten Moduls
des Lüfteraggregats
hat einen erheblichen Verschleiß der
Lager- und Gehäuseteile
sowie deren Befestigung zur Folge.
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Vorgenannte
negative Erscheinungen können
teilweise z.B. auch bei Lüfteraggregaten
in Laptops auftreten.
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Als
allgemeiner Stand der Technik ist es in diesem Zusammenhang bereits
bekannt, durch steifere Wandungen, richtige Auslegung der Lüftungskanal-Geometrie
sowie durch passende Resonanz- und Dämpfungskammern den Geräuschpegel
zu vermindern. Auch das Einbringen von Dämmmaterial sowie eine entsprechende
Oberflächenbeschaffenheit
der Materialien tragen zur Geräuschbeeinflussung
bei.
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Nachteilig
ist jedoch, dass – bedingt
durch den geringen Platz im Cockpit – die Freiräume für eine schallgünstigere
Gestaltung stark eingeschränkt sind.
Auch die zusätzlichen
Dämmmaterialien
sowie die höheren
Wandstärken
wirken sich wegen des zusätzlichen
Gewichts ungünstig
auf die Fahrzeugeigenschaften, insbesondere Benzinverbrauch, Beschleunigung
usw., aus.
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Darüber hinaus
muss der durch zusätzliche Dämmung bedingte
Strömungsverlust
durch eine höhere
Motorleistung des Lüfteraggregats
ausgeglichen werden. Dies bedeutet größere und schwerere Motoren
und größeren Energiebedarf,
was sich wiederum in erhöhtem
Benzinverbrauch bemerkbar macht.
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Die
Unwucht der Lüfteraggregate
könnte
mit erhöhtem
Aufwand an Materialeigenschaften und Fertigungsqualität der Komponenten
verringert werden. Es geht jedoch hier darum, ein einigermaßen kostengünstiges
Aggregat zur Verfügung
zu stellen, wobei jedoch bei geringerwertigen Fahrzeugtypen die
einzelnen Komponenten meist schon nach fünf bis sieben Jahren das Ende
ihrer Lebensdauer erreichen.
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Als
Stand der Technik sind sogenannte ANC-Anordnungen (Active Noise
Control) bekannt (
US-PS 5,778,081 ).
Weiterer Stand der Technik ist ein Verfahren zum Steuern des Luftdurchsatzes
bei einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges (
DE 199 44 735 C1 ).
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Darüber hinaus
sind Verfahren und Vorrichtungen zur aktiven Beeinflussung einer
Geräuschkulisse
einer rotierenden Teile aufweisenden Maschine (
DE 198 26 170 C1 ) sowie
ein System zur aktiven Verringerung von Drehungsungleichförmigkeiten
einer Welle, insbesondere der Triebwelle eines Verbrennungsmotors
(
DE 195 32 163 A1 )
bekannt. Bei Lüfteraggregaten
zählt es
außerdem
bereits zum Stand der Technik, mit einem Mikrophon und einem Tachometer über eine
Zwischenanordnung die Lüftergeräusche eines
Aggregates zu verringern (
EP
0 715 131 A2 ).
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Alle
vorgenannten Vorrichtungen bzw. Verfahren sind jedoch entweder kosten-
oder bauaufwändig
und/oder in ihren speziellen Anwendungsgebieten stark eingeschränkt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren bzw. Vorrichtungen der eingangs genannten Art zu schaffen, welche
bei reduziertem Bauaufwand in der Lage ist, eine Geräuschminderung
des Lüfteraggregates
herbeizuführen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass bei dem mit einer Wechselspannung angetriebenen Motor zum eigenen
Störgeräusch ein
Zusatzgeräusch
erzeugt wird, dessen Frequenz und Amplitude gleich der des Störgeräuschs und
gegensätzlich
in der Phase ist, wobei durch Überlagerung
der Geräusche
das Störgeräusch beseitigt
wird.
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Die
Erfindung beruht also im Wesentlichen darauf, dass Motoren, welche
mit einer Wechselspannung angesteuert werden, ei nen Schall entsprechend
der Wechselspannungsfrequenz und Amplitude ausgeben, also als Schall
imitierende Quelle ähnlich
eines Lautsprechers arbeiten. Zur aktiven Geräuschunterdrückung wird nun der Motor so
betrieben, dass er zu seinem eigenen Störgeräusch ein Zusatzgeräusch erzeugt.
Dieses ist in der Frequenz und Amplitude dem selbst erzeugten Störgeräusch gleich,
in der Phase jedoch gegensätzlich.
Damit reduziert sich das Störgeräusch auf
einen erträglichen Pegel
oder es wird ausgelöscht.
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Bei
einer Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
mit einer Anordnung, bei welcher der Motor des Lüfteraggregats mit einer mit
einem Regler versehenen Gleichspannungsquelle verbunden ist, kann
erfindungsgemäß zu der
vorgenannten Anordnung in Serie eine mit einem zweiten Regler versehene
Signalquelle geschaltet sein, wobei eine Differenzschaltung vorgesehen ist,
deren Signal dem zweiten Regler zum Erzeugen des Zusatzgeräuschs zuführbar ist.
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In
praktischer Durchführung
besteht die Möglichkeit,
dass die beiden Spannungsquellen und die beiden Regelungen zusammengefasst
sind, mit einer Puls-Pausen-Modulations-Endstufe, einer Signal verarbeitenden
Einheit und einem A/D-Wandler. Es kann auch ein zusätzliches
Mikrophon zur Verbesserung der Regeleigenschaften eingesetzt werden, sowie
ein mit dem Mikrophon verbundener Filter. Wahlweise können auch
getrennte Leitungen verwendet werden. In diesem Fall fällt die
Differenzstufe weg und das Mikrophonsignal kann direkt an den A/D-Wandler
angeschlossen werden.
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Zur
Verbesserung des Wirkungsgrades des Lüfteraggregats in seiner Lautsprecherfunktion
bzw. zur Reduzierung der Energieverbrauchs der Ansteuerquelle kann
das Lüfteraggregat
in weiterer Ausgestaltung der Erfindung ähnlich eines Lautsprechers eine
Spule beinhalten. Bei entsprechender Ansteuerung erzeugt diese Spule
ein Wechselmagnetfeld. Liegt es im Wirkungsbereich eines Permanentmagneten,
wird der das Lüfteraggregat antreibende
Motor im Takt der Ansteuerwechselspannung bewegt. Diese wird auf
die Rotorblätter übertragen,
die dort den „Gegenschall" abgeben. Hier können Motor
und Spule in Serie geschaltet werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der gleiche Effekt erzielt
werden, wenn der Motor des Lüfteraggregats
auf einem Piezoelement befestigt wird. Es beseht erfindungsgemäß auch die Möglichkeit,
eine Konstruktion vorzusehen, bei welcher die Rotorblätter selbst
durch eine Spule oder Piezoelemente ausgelegt werden.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung kann für eine effiziente Ansteuerung
der Motor in einer Brückenschaltung
betrieben werden. Oft ist diese Schaltung z.B. bei rechtslinkslaufenden
Motoren notwendig. Die Ansteuerung der betreffenden Schalter wird
jedoch getrennt von der Regelung ausgeführt. Durch den Motor fließt der zum
Betrieb des Motors notwendige effektive Gleichstromanteil und der überlagerte
Wechselstrom.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
lässt sich auch
zur Minderung von Vibrationen einsetzen, wobei in diesem Fall der
Eigenvibration eines Gegenstandes eine zusätzlich aufgezwungene Vibration überlagert
wird, deren Frequenz und Amplitude gleich der der Eigenvibration
und gegensätzlich
in der Phase ist und wobei durch Überlagerung der Vibrationen
die Eigenvibration vermindert oder beseitigt wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen
näher beschrieben.
In der Zeichnung zeigen:
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1 ein
Diagramm mit Störgeräusch, Zusatzgeräusch und
Resultierender
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2 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung
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3 eine
Verbesserung der Vorrichtung nach 2 in schematischer
Darstellung
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3, 4 zwei
weitere Ausführungsmöglichkeiten
der Erfindung in schematischer Darstellung
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5 ein
Diagramm in der praktischen Auslegung analog des Diagramms nach 1
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7 Darstellung
des Motorbetriebs in Brückenschaltung.
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Nach 1 geht
das erfindungsgemäße Verfahren
von Folgendem aus:
Bei einer durch einen Motor angetriebenen
Vorrichtung, insbesondere einem Lüfteraggregat in einem Kraftfahrzeug
wird von dem Motor, welcher mit einer Wechselspannung angetrieben
wird, ein Schall entsprechend der Wechselspannungsfrequenz und der Amplitude
ausgegeben, welcher als Störgeräusch a vorliegt.
Zu diesem Störgeräusch a wird
nun ein Zusatzgeräusch
b durch den Motor erzeugt; welches in der Frequenz und Amplitude
dem Störgeräusch a gleich,
in der Phase jedoch gegensätzlich
ist. Dieses Zusatzgeräusch
b löscht
das Störgeräusch a aus oder
vermindert es so, dass es als Resultierende c akustisch nicht mehr
ins Gewicht fällt.
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Bei
einer Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
nach 2 findet ein Motor 1 Anwendung, welcher
mit einem Lüfteraggregat 2 in
Verbindung steht, wobei der Motor 1 und das Lüfteraggregat 2 in
einem Luftkanal 9 untergebracht sind. Der Motor 1 steht
mit einer regelbaren Gleichspannungsquelle 4 in Verbindung.
Dieser kann das Lüfteraggregat 2 einschalten,
ausschalten oder die Geschwindigkeit re geln. Dazu wird sie z.B.
von einer temperaturgesteuerten Regelung 5 angesteuert oder
geschaltet.
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In
Serie dazu wird eine Signalquelle 6 geschaltet. Diese Signalquelle 6 steht
mit einer zweiten Regelung 7 in Verbindung und wird von
dieser so betrieben, dass ein zusätzliches Wechselspannungssignal
I von der zweiten Signalquelle 6 an das Lüfteraggregat 2 gegeben
wird. Das Signal I erzeugt durch den Motorenmechanismus eine der
Drehbewegung überlagerte,
mechanische Bewegung an den Rotorblättern des Lüfteraggregats. Die Folge davon
ist, dass daraufhin im Luftkanal 9 ein akustisches Signal II
erzeugt wird. Das Lüfteraggregat 2 wirkt
also zusätzlich
als eine Art Lautsprecher.
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Zur
wirksamen Unterdrückung
bzw. Ausregelung von Störgeräuschen,
d.h. zum Erhalt der Resultierenden c nach 1 wird die
Information über das
akustische Störsignal
a selbst benötigt.
Die dazu notwendige Information über
das Störgeräusch a wird
von einer Differenzschaltung 12 gewonnen, die das am Lüfteraggregat 2 abgenommene
Wechselspannungssignal III von dem Wechselspannungssignal I subtrahiert,
verstärkt
und filtert. Das Lüfteraggregat 2 wirkt
also hier außerdem
wie ein Mikrophon.
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Das
Störsignal
a wird der zweiten Regelung 7 zugeführt. Diese steuert das Wechselspannungssignal
I so, dass ein akustisches Signal, also ein Zusatzsignal b (1)
erzeugt wird, welches in Frequenz und Amplitude dem im Lüftungskanal 9 aufgetretenen
Störgeräusch a gleich
und in der Phase entgegengesetzt ist. Damit wird das Störgeräusch a vermindert
oder ausgelöscht,
so dass hieraus die Resultierende c entsteht.
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3 stellt
eine realisierbare Ausführung der
Konstruktion nach 2 dar. Hier werden sowohl die
beiden Spannungsquellen 4 und 6 als auch die beiden
Regelungen 5 und 7 zusammengefasst. Die Spannungsquelle
ist in Frequenz, Phase, Wechselspannungsamplitude und effektivem
Gleichspannungsanteil steu erbar. Sie ist als Puls-Pausen-Modulation
Endstufe 10 ausgelegt. Dabei bestimmt ein Grund-Puls-Pausenverhältnis den
effektiven Gleichspannungsanteil und damit die Drehzahl, wobei der Gleichspannungsanteil
z.B. von der Temperatur oder von manuellen Einstellungen bestimmt
wird.
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Zusätzlich wird
ein Zusatzsignal b überlagert,
das wiederum durch bestimmte Frequenz, Phase und Puls-Pausen-Verhältnis Parameter
bestimmt wird. Diese werden von einer Signal verarbeitenden Einheit 20 generiert,
die wie oben beschrieben, arbeitet. Regelsignal ist dabei die Differenz
aus dem internen normierten Ansteuersignal und der digitalisierten Rückführung des
Signals an den Anschluss des Lüfteraggregats.
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Die
Regelung der Signal verarbeitenden Einheit 20 verarbeitet
neben der herkömmlichen
Lüftung und
Klimaregelung also auch die vorgenannte Geräusch-Unterdrückung (ANC).
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Bei
ungünstigen
geometrischen Verhältnissen
oder zur Verbesserung der Regeleigenschaften kann erfindungsgemäß ein zusätzliches
Mikrophon verwendet werden. Damit können dann auch entfernt auftretende
Störgeräusche, z.B.
am Lüftungsgitter, wirkungsvoll
ausgeregelt werden. Das Mikrophon kann dabei über einen Filter das Signal
in die Versorgung des Lüfteraggregats
einkoppeln.
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Zur
Verbesserung des Wirkungsgrades des Lüfteraggregats in seiner Lautsprecherfunktion
bzw. zur Reduzierung des Energieverbrauchs der Ansteuerquelle kann
das Lüfteraggregat 2 ähnlich eines Lautsprechers
eine Spule 21 beinhalten, wie in 4 dargestellt.
Bei entsprechender Ansteuerung erzeugt diese Spule 21 ein
Wechselmagnetfeld. Liegt dieses Wechselmagnetfeld im Wirkungsbereich
eines Permanentmagneten 31 am Motor 1, wird dieser
im Takt der Ansteuerwechselspannung bewegt. Diese Bewegung wird
auf die Rotorblätter übertragen,
welche dort den „Gegenschall
abgeben. Hierbei können Spule 21 und
Motor 1 in Serie geschaltet werden.
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Gemäß 5 findet
ein Piezoelement 32 Anwendung, wodurch der gleiche vorgenannte
Effekt erzielt wird.
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Bei
Anwendung der vorgenannten Vorrichtungen ergibt sich ein Diagramm
nach 5 mit einer Resultierenden c aus dem Störgeräusch a und dem
Zusatzgeräusch
b.
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Bei
vielen Anwendungen wird das Störgeräusch a selbst
erzeugt. Meist ist es dann ein immer gleich klingendes Geräusch, das
also vorherbestimmbar bzw. in der Entwicklungsphase erfassbar ist.
In diesem Fall kann auf den Regelteil und auf die Rückführung des
Störsignals
a an die Regelung verzichtet werden. Angesteuert wird hierbei das
Stellelement mit einem überlagerten
Signal, das ein zu erwartendes Geräusch kompensiert, d.h. ein
in der Phase verdrehtes äquivalentes
Signal dazu wird an den Motor angelegt. Dieses Signal wird einmalig
erfasst oder vorberechnet. Auch kann bei erfasster Temperatur- und
Luftdruckänderung
das Signal entsprechend angepasst werden, um das Ergebnis zu verbessern.
Damit wird unter Hinweis auf das Diagramm nach 1 das
Störgeräusch a während des Schaltens
reduziert, so dass sich wiederum eine Resultierende c ergibt.
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Nach 7 besteht
die Möglichkeit,
für eine effiziente
Ansteuerung des Motor 1 eine Brückenschaltung vorzusehen. Oft
ist diese Schaltung z.B. bei rechts-links laufenden Motoren notwendig.
Die Ansteuerung der Schalter 22 bzw. 23 wird jeweils
getrennt von der Regelung ausgeführt.
Hierzu fließt durch
den Motor 1 der zum Betrieb des Motors notwendige effektive
Gleichstromanteil und der überlagerte
Wechselstrom.
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Die
Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind sehr vielseitig
und können
sich auf alle gesteuerten oder geregelten elektromagnetischen oder
piezobasierten Aggregaten in der Geräusch- und Vibrationsunterdrückung erstrecken.
Hierbei wird der in der Figurenbeschreibung beschriebene Motor 1 der
Lüfteranlage
durch einen entsprechenden Aktuator ersetzt.
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Bei
der Vibrationsunterdrückung
besteht die Möglichkeit
der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
dadurch, dass zur Minderung von Vibrationen analog wie folgt vorgegangen
wird:
Der Eigenvibration eines Gegenstandes wird eine zusätzlich aufgezwungene
Vibration überlagert,
deren Frequenz und Amplitude gleich der der Eigenvibration und gegensätzlich in
der Phase ist, wobei durch Überlagerung
der Vibrationen die Eigenvibration vermindert oder beseitigt wird.
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Beispiele
sind
- – Lüfteranlagen,
d.h. Heiz- oder Kühlersystem
bei Kraftfahrzeugen, Komponentenkühlung, Gebäudekühlung. Weitere Anwendungen
liegen auch bei Strömungen
im Kühlmittel,
wie z.B. im Klimakompressor, in dem Kühlmittelpumpe entsprechend
angesteuert wird.
- – Luftklappen;
in Luftkanälen,
beispielsweise HVAC, Motoransaugkanal, Gebäudetechnik, werden – bedingt
durch die Regelung – Luftklappen automatisch
geschaltet, was sich akustisch störend bemerkbar macht. Durch
Einbringen eines Gegenschalls während
des Schaltvorganges kann das Geräusch
unterdrückt
werden. Dabei wird der „Gegenschall" an der Luftklappe
dadurch erzeugt, dass ein Signal an der Ansteuerspannung der Klappen überlagert
wird.
- – Innen-
und Außenspiegel
an Kraftfahrzeugen; bei den Spiegeln entstehen oft, bedingt durch
die Fahrzeugvibration und ungenügender
Aufhängung – Schwingungen
an der Spiegeloberfläche, welche
sich durch mechanische Maßnahmen nicht
gänzlich
vermeiden lassen. Dadurch wird nachteiligerweise die Sicht nach
hinten getrübt und
die Fahrsicherheit beeinträch tigt.
Durch äquivalente
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
auf die Einstellungsmotoren können
hierbei vorteilhafterweise die Vibrationen an der Spiegeloberfläche unterdrückt werden.
- – Scheibenwischer;
diese erzeugen beim Wischen über
die Glasoberfläche
ein unangenehmes Geräusch,
das durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens vermieden werden kann.
- – Bewegliche
Elemente, wie Fenster, Schiebedächer
und Schiebelemente. Vorteil ist hier besonders, dass auch von außen eingekoppelte
Geräusche
wie Windgeräusche
oder Verkehrslärm
vermindert werden können.
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Erfindungsgemäß ergibt
sich damit ein breites Anwendungsgebiet, wobei sich darüber hinaus folgende
Vorteile ergeben:
- • Es werden keine zusätzlichen
Aggregate mehr benötigt.
- • Der
Systemaufwand bezüglich
Kosten, Komponenten und Entwicklung ist deutlich geringer als herkömmliche
ANC-Lösungen.
- • Die
Zusammenfassung der Regelungen bringt Vorteile bezüglich lediglich
einer Verarbeitungseinheit, gemeinsamer Ressourcen sowie RAM und
ROM Einsparungen.
- • Es
ist kein zusätzlicher
Platzbedarf für
Aktuatoren, Sensoren sowie deren Befestigung erforderlich.
- • Es
wird keine zusätzliche
Verkabelung benötigt. Die
Fahrzeugarchitektur braucht nicht verändert zu werden.
- • Es
ergibt sich nur ein minimaler zusätzlicher elektronischer Mehraufwand,
welcher sich auf einfache Weise in die übrige Elektronik integrieren lassen
kann, beispielsweise zur Reduzierung von Lüftergeräuschen in Laptops.