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Die
Erfindung betrifft einen aktiven Druckwellenüberlagerer gemäß den Merkmalen
im Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zur aktiven Überlagerung
von Druckwellen gemäß den Maßnahmen
im Oberbegriff von Patentanspruch 6.
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Druckwellenüberlagerer
sind im Stand der Technik bekannt. Sie gehen beispielsweise aus
der
DE 10 2005 011 747 hervor.
In dieser Druckschrift ist der Druckwellenüberlagerer als Abgasschalldämpfer für Abgas
führende
Rohrleitungen ausgeführt.
Mit einem Mikrofon wird die Schallcharakteristik aufgenommen und über eine
Kontrolleinheit ein Wandler angesteuert, der einen auf den Abgasschall
abgestimmten Gegenschall erzeugt. Weiterhin kann ein Thermometer
eingesetzt werden, um die Temperatur des Abgasstroms zu messen.
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Es
hat sich gezeigt, dass mit den bekannten Druckwellenüberlagerern
eine phasen- und amplitudengenaue Druckwellenüberlagerung aufgrund der Druckwellenausbreitungscharakteristik
von Medium und Druckwellenpfad oftmals nicht erreicht werden kann.
Insbesondere bei einer um 180 Grad phasenverschobenen Druckwellenüberlagerung
verbleibt ein Restrauschen infolge einer unvollständigen Auslöschung.
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Aus
der Telekommunikation ist der Einsatz von Pilottönen bekannt. Ein Pilotton ist
ein Signal, das außerhalb
und unabhängig
von einem eigentlichen Nutzsignal über einen Kanal übertragen
wird. Es dient Kontroll-, Steuerungs-, Referenz- oder Überwachungszwecken.
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Aus
der
DE 696 27 395
T2 geht ein digitales vorwärtsgeregeltes System für aktive
Lärmkontrolle hervor.
Bei diesem System wird in einem Druckwellenpfad eine Druckwelle
mit einem Mikrophon aufgenommen, das mit einem Steuergerät gekoppelt
ist. Ein ebenfalls mit dem Steuergerät gekoppelter Druckwellenerzeuger
erzeugt dann stromabwärts eine
zweite Druckwelle, die mit der ersten Druckwelle zur Überlagerung
gebracht wird. Ferner kann ein Fehlermikrophon vorgesehen sein,
das hinter dem Druckwellenerzeuger angeordnet ist und ebenfalls mit
dem Steuergerät
gekoppelt ist.
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Die
DE 199 37 131 A1 betrifft
eine Pilottonregelung zur automatischen Lärmkompensation. Bei diesem
Verfahren wird von einem Gegenschall erzeugenden Lautsprecher zusätzlich ein
Pilotton erzeugt, der mit einem Mirkophon aufgefangen wird. Durch
eine Steuereinheit wird daraufhin ein verbessertes Gegenschallsignal
erzeugt, das wiederum durch den Gegenschallerzeuger ausgestrahlt
wird. Mit diesem Verfahren wird die Regelstrecke zwischen dem Lautsprecher
und einem Ohr besser überwacht
und auf diese Weise ein besseres Oberlagerungsergebnis erzielt.
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Ausgehend
vom Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zu Grunde,
einen aktiven Druckwellenüberlagerer
und ein Verfahren zur aktiven Überlagerung
von Druckwellen aufzuzeigen, bei welchen die Druckwellen hinsichtlich
der Frequenzen, Phasen und Amplituden besser aufeinander abgestimmt
sind.
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Der
gegenständliche
Teil der Aufgabe wird durch einen aktiven Druckwellenüberlagerer
mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.
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Hiernach
ist ein aktiver Druckwellenüberlagerer
vorgesehen, bei dem eine von einer Druckwellenquelle ausgehende,
sich über
einen Druckwellenpfad ausbreitende 1. Druckwelle mit wenigstens
einem Druckwellenaufnehmer detektierbar und durch wenigstens einen
im Druckwellenpfad hinter dem Druckwellenaufnehmer angeordneten
Druckwellenerzeuger mit einer 2. Druckwelle überlagerbar ist. Der Druckwellenaufnehmer
und der Druckwellenerzeuger sind über ein Steuergerät gekoppelt.
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Kennzeichnend
für die
Erfindung ist, dass im Druckwellenpfad zwischen der Druckwellenquelle und
dem wenigstens einen Druckwellenaufnehmer wenigstens ein Pilotdruckwellenerzeuger
angeordnet ist, der mit dem Steuergerät gekoppelt ist.
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Der
besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass die Druckwellenausbreitungscharakteristik
im Druckwellenpfad erfassbar ist und als Regelgröße zur Erzeugung der 2. Druckwelle
verwendet werden kann. Auf diese Weise kann die zweite Druckwelle
genauer auf die 1. Druckwelle abgestimmt werden, so dass das Ergebnis
der Überlagerung
verbessert wird. Insbesondere bei phasenverschobener Druckwellenüberlagerung
wird das Restrauschen spürbar
verringert. Zudem wird die Stabilität des Regelkreises verbessert.
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Grundsätzlich kann
der Druckwellenüberlagerer
sowohl zur Verstärkung
der 1. Druckwelle als auch zur Auslöschung derselben verwendet
werden. Auf diese Weise ergeben sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten
für den
aktiven Druckwellenüberlagerer.
Er eignet sich beispielsweise als aktiver Schalldämpfer für Abgas-
und Luftansaugleitungen, für
Innenraum-Zuluftanlagen in Kraftfahrzeugen, zur Dämpfung von
Körperschall
und Schwingungen in Strukturteilen von Kraftfahrzeugen sowie bei
Motoren, zur Schwingungsdämpfung
von Fahrwerken und Radaufhängungen,
zur Schall- und Schwing(Transfer-)Pfadanalyse, für Modal- und Strömungsuntersuchungen
sowie für
die (Ultra-)Schallmesstechnik, z. B. bei zerstörungsfreien Werkstoffuntersuchungen, und
schließlich
auch zur Sprach- bzw. Störschall-Evakuierung
in Fahrzeugen, (Pausen-)Räumen
und Werkhallen.
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Die
Druckwellen werden auf den Druckwellenpfad in einem Medium übertragen.
Dieses Medium kann entweder fest, flüssig oder gasförmig sein.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
und praktische Weiterbildungen des aktiven Druckwellenüberlagerers
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche
2 bis 5.
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Als
besonders vorteilhaft wird angesehen, wenn der Abstand zwischen
der Druckwellenquelle oder der Druckwelleneinleitungsstelle und
dem Pilotdruckwellenerzeuger kleiner ist als das 0,2-fache, bevorzugt
das 0,1-fache, weiter bevorzugt das 0,05-fache, des Abstandes zwischen
der Druckwellenquelle oder der Druckwelleneinleitungsstelle und
dem Druckwellenaufnehmer. Die Druckwellenquelle und die Druckwelleneinleitungsstelle
fallen zusammen, wenn die Druckwellenquelle an der Druckwelleneinleitungsstelle,
d. h. am Eingang des Druckwellenpfads angeordnet ist. Die Druckwellenquelle
kann aber auch entfernt angeordnet sein. In diesem Fall ist die
Druckwelleneinleitungsstelle am Eingang des Druckwellenpfads maßgeblich.
Auf diese Weise muss die Pilotdruckwelle den gleichen Druckwellenpfad
durchlaufen wie auch die 1. Druckwelle. Dies hat den Vorteil, dass
Veränderungen,
die sich an den Druckwellen auf Grund des Druckwellenpfades und/oder
des Mediums ergeben, vom Druckwellenaufnehmer vollständiger detektierbar
sind.
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Wenigstens
ein Kontrollaufnehmer im Druckwellenpfad ist hinter dem Druckwellenerzeuger
angeordnet und mit dem Steuergerät
gekoppelt. Der Kontrollaufnehmer erfasst die sich aus der Überlagerung der
1. Druckwelle mit der 2. Druckwelle ergebende Druckwelle. Je nach
Anwendungsfall soll diese Druckwelle gegenüber der 1. Druckwelle verstärkt oder
gedämpft
sein. Etwaige Abweichungen oder ein Rauschen sind mit dem Kontrollaufnehmer
detektierbar und können
als Regelgröße in die
Erzeugung der 2. Druckwelle einfließen.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn die Druckwellenquelle mit dem Steuergerät gekoppelt
ist. Eine Druckwellenquelle kann beispielsweise ein Verbrennungsmotor
sein, der eine Motorelektronik aufweist. Das Steuergerät kann dann
sehr einfach mit der Motorelektronik gekoppelt werden, so dass die
Zündzeitpunkte
in den einzelnen Zylindern direkt an das Steuergerät übertragbar
sind und in die Erzeugung der 2. Druckwelle einfließen können.
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Wenigstens
ein Thermometer ist im Druckwellenpfad angeordnet und mit dem Steuergerät gekoppelt.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Druckwellen ist abhängig von
der Temperatur des Mediums, in dem sich die Druckwelle ausbreitet. Durch
die Verwendung eines Thermometers im Druckwellenpfad kann die Temperatur
des Mediums bei der Erzeugung der 2. Druckwelle ebenfalls als Regelgröße einfließen.
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Der
verfahrensmäßige Teil
der Aufgabe wird durch ein Verfahren zur aktiven Überlagerung
von Druckwellen mit den Maßnahmen
von Patentanspruch 6 gelöst.
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Hiernach
wird eine von einer Druckwellenquelle ausgehende, sich über einen
Druckwellenpfad ausbreitende 1. Druckwelle von einem Druckwellenaufnehmer
erfasst, von einem Steuergerät
verarbeitet und mit einer durch einen Druckwellenerzeuger erzeugten
2. Druckwelle überlagert.
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Kennzeichnend
für das
Verfahren ist, dass vom Steuergerät gesteuert mit einem Pilotdruckwellenerzeuger
eine Pilotdruckwelle erzeugt wird, die sich über den Druckwellenpfad ausbreitet,
vom Druckwellenaufnehmer aufgenommen und in Signalform an das Steuergerät weitergeleitet
wird, worauf das Steuergerät
Veränderungen
der Eigenschaften der Pilotdruckwelle ermittelt und auf Basis dieser
Veränderungen
die Erzeugung der 2. Druckwelle mit dem Druckwellenerzeuger steuert.
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Mit
dem Verfahren wird die Druckwellenausbreitungscharakteristik im
Druckwellenpfad erfassbar gemacht und geht als Regelgröße in die
Erzeugung der 2. Druckwelle ein. Auf diese Weise ist die 2. Druckwelle
besser auf die. 1. Druckwelle abgestimmt, so dass sich eine effektive
Verstärkung
oder Dämpfung
der 1. Druckwelle ergibt und Rauschen oder Verzerrungen auf Grund
der Überlagerungen vermindert
werden.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
und Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 7 bis
12.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn eine Pilotdruckwelle erzeugt wird, die
innerhalb des Spektrums der 1. Druckwelle liegt. Das Spektrum der
1. Druckwelle wird durch ihre Frequenz, Amplitude und Phasenlage
definiert. Die Pilotdruckwelle hat damit die annähernd gleichen Eigenschaften
wie die 1. Druckwelle, so dass zu erwarten ist, dass sich keine größeren Abweichungen
bei der erfassten Veränderung
der Schallcharakteristik gegenüber
der 1. Druckwelle ergeben.
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Alternativ
kann eine Pilotdruckwelle erzeugt werden, die außerhalb des Spektrums der 1.
Druckwelle liegt. Auf diese Weise können die 1. Druckwelle und
Pilotdruckwelle, die vom Druckwellenaufnehmer überlagert erfasst wurden, durch
Filter im Steuergerät
einfach voneinander getrennt und dann separat weiterverarbeitet
werden. Dadurch wird das Steuergerät in einer Konstruktion vereinfacht
und Veränderungen
der Pilotdruckwelle können
leichter erfasst werden.
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Die
Pilotdruckwelle und die 1. Druckwelle werden gleichzeitig erzeugt.
Dies ist z. B. dann der Fall, wenn ein Pilotton während des
laufenden Betriebs eines Kraftfahrzeuges auf die Abgasleitung einwirkt.
Auf diese Weise können
die sich dynamisch ändernden
Eigenschaften eines Abgasstroms erfasst werden. Alternativ kann
die Pilotdruckwelle zeitversetzt zu der 1. Druckwelle erzeugt werden.
Dies stellt eine Vereinfachung dar. Die Ausbreitungscharakteristik
des Druckwellen übertragenden
Mediums wird dann vollständig
getrennt von der 1. Druckwelle erfasst. Die Vorgehensweise bietet
sich an, wenn das Medium keine oder nur sehr geringe dynamische Änderungen
seiner Druckwellenausbreitungseigenschaften aufweist.
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Vorteilhaft
ist es, wenn eine gleichförmige
Pilotdruckwelle erzeugt wird. Diese zeichnet sich durch eine einfach
erfassbare Charakteristik aus, die bei bestimmten Medien vollkommen
ausreichend für eine
effektive Korrektur der Überlagerung
der Druckwellen sein kann.
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Die
Druckwelle kann jedoch auch ungleichförmig erzeugt werden. Dies ist
insbesondere dann von Vorteil, wenn das Medium eine frequenz-, amplituden- oder phasenlagenabhängige Ausbreitungscharakteristik
zeigt.
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Gemäß einer
weiteren Maßnahme
ist vorgesehen, dass die Temperatur eines den Druckwellenpfad ausfüllenden
Mediums gemessen und als Regelgröße zur Erzeugung
der 2. Druckwelle verwendet wird. Die Ausbreitung von Druckwellen
in Medien wird wesentlich durch die Temperatur derselben bestimmt.
Die Berücksichtigung
der Temperatur als Regelgröße hat daher
einen großen
Einfluss auf die Qualität
der Überlagerung
von Druckwellen.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass die sich durch die Überlagerung der 1. Druckwelle
und der 2. Druckwelle ergebende überlagerte
Druckwelle von einem Kontrollaufnehmer erfasst und als Regelgröße zur Erzeugung
der 2. Druckwelle verwendet wird. Auf diese Weise wird das Ergebnis
der Überlagerung
verwendet, um die Erzeugung der 2. Druckwelle zu optimieren, so
dass die 2. Druckwelle hinsichtlich ihrer Amplituden-, Frequenz-
und Phasenlage besser auf die 1. Druckwelle abgestimmt ist.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei in den Zeichnungen schematisch
dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
Druckwellenüberlagerer
mit einem Druckwellenaufnehmer und
-
2 einen
Druckwellenüberlagerer
mit zwei Druckwellenaufnehmern.
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In
den 1 und 2 sind Druckwellenüberlagerer 1 bzw. 2 dargestellt.
Von einer Druckwellenquelle 3, die hier als Lautsprecher
dargestellt ist, in der Praxis aber beispielsweise ein Verbrennungsmotor
sein kann, wird eine 1. Druckwelle 4 erzeugt, die sich
ausgehend von einer Druckwelleneinleitungsstelle 3a über einen
Druckwellenpfad 5, hier eine Rohrleitung 6, in
einem gasförmigen
Medium 7, wie z. B. Abgas, ausbreitet. Stromabwärts ist
im Druckwellenpfad 5 ein Druckaufnehmer 8, in
Form eines Mikrofons oder eines Beschleunigungssensors, angeordnet,
der mit einem Eingang 9 eines Steuergeräts 10 gekoppelt ist.
An einen Ausgang 11 des Steuergeräts 10 ist ein Druckwellenerzeuger 12 angeschlossen.
Der Druckwellenerzeuger 12 ist ein Lautsprecher, der eine
2. Druckwelle 13 erzeugt, welche sich mit der 1. Druckwelle 4 überlagert.
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An
einen weiteren Ausgang 14 des Steuergeräts 10 ist ein Pilotdruckwellenerzeuger 15,
hier ebenfalls ein Lautsprecher, angeschlossen, der in unmittelbarer
Nähe der
Druckwellenquelle 3 bzw. der Druckwelleneinleitungsstelle 3a,
die in diesem Beispiel zusammenfallen, angeordnet ist und eine Pilotdruckwelle 16 erzeugt,
die sich auf dem Druckwellenpfad 5 ausbreitet und vom Druckwellenaufnehmer 8 ebenfalls
erfasst wird. Der Abstand A zwischen der Druckwellenquelle 3 und
dem Pilotdruckwellenerzeuger 15 ist kleiner als das 0,1-fache
des Abstandes B zwischen der Druckwellenquelle 3 und dem Druckwellenaufnehmer 8,
so dass die Pilotdruckwelle 16 und die 1. Druckwelle 4 in
etwa den gleichen Weg bis zum Druckwellenaufnehmer 8 haben.
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Die
Pilotdruckwelle 16 wird innerhalb des Spektrums der 1.
Druckwelle 4 und gleichzeitig zu dieser erzeugt. Die Pilotdruckwelle 16 ist
ungleichförmig
und wird in mehreren Frequenzen ausgelöst, d. h. sie ist musterbehaftet.
Zudem wird die Pilotdruckwelle 16 nicht kontinuierlich
erzeugt, sondern nur in diskreten Zeitabständen über eine kurze Zeitdauer.
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Der
Druckwellenüberlagerer 2 der 2 unterscheidet
sich vom Druckwellenüberlagerer 1 der 1 dadurch,
dass zwei Druckwellenaufnehmer 8, 17 vorgesehen
sind. Jeder Druckwellenaufnehmer 8, 17 ist mit
einem Eingang 9, 18 im Steuergerät 10 gekoppelt.
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Ferner
ist ein Thermometer 25 vorgesehen, das in die Rohrleitung 6 ragt,
um die Temperatur des Mediums 7 in der Rohrleitung 6 zu
erfassen. Das Thermometer 25 ist ebenfalls mit dem Steuergerät 10 gekoppelt.
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Im
Steuergerät 10 wird,
ausgehend von den Eingängen 9, 18 das
Eingangssignal durch einen Filterbaustein 19, 20,
bestehend aus einem Hochpassfilter und einem nachgeschalteten Anti-Aliasingfilter, gefiltert.
Anschließend
wird es in Analog/Digital-Wandlern 21, 22 umgewandelt.
Im nächsten Schritt
wird in weiteren Bausteinen 23, 24 eine Fast Fourier
Transformation vorgenommen.
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Das
mit dem Thermometer erfasste Temperatursignal wird im Steuergerät 10 durch
einen weiteren Analog/Digital-Wandler 26 verarbeitet.
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Darüber hinaus
ist auch die Druckwellenquelle 3 mit der Verarbeitungseinheit 27 des
Steuergeräts 10 gekoppelt.
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Die
so erhaltenden Eingangssignale werden zusammengefasst und in einer
Verarbeitungseinheit 27 digital verarbeitet. Die digitalen
Ausgangssignale werden durch Digital/Analog-Wandler 28, 29 umgewandelt
und an die Ausgänge 14, 11 des
Steuergeräts 10 geleitet.
Die Ausgänge 14, 11 sind,
wie bereits beschrieben, mit dem Pilotdruckwellenerzeuger 15 und
dem Druckwellenerzeuger 12 gekoppelt.
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Weiterhin
ist ein Kontrollaufnehmer 30 im Druckwellenpfad 5 hinter
dem Druckwellenerzeuger 12 angeordnet. Bei dem Kontrollaufnehmer 30 handelt
es sich um ein Mikrofon. Der Kontrollaufnehmer 30 ist ebenfalls
mit einem Eingang 31 gekoppelt. Im Steuergerät 10 ist
der Eingang 31 über
einen Filterbaustein 32, bestehend aus einem Hochpassfilter und
einem nachgeschalteten Anti-Aliasingfilter, einen Analog/Digital-Wandler 33 und
einen Fast Fourier Transformator 34 an die Verarbeitungseinheit 27 angeschlossen.
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Erfindungsgemäß wird die
1. Druckwelle 4 mit einer auf die 1. Druckwelle 4 abgestimmten
2. Druckwelle 13 überlagert,
wobei die 2. Druckwelle 13 unter Berücksichtigung der Regelgrößen der
Ausbreitungscharakteristik der 1. Druckwelle 4 im Medium 7,
der Temperatur des Mediums 7 sowie gegebenenfalls der mit
dem Kontrollaufnehmer 30 erfassten überlagerten Druckwelle 35 erzeugt
wird. Auf diese Weise wird eine genauere Abstimmung der 2. Druckwelle 13 auf
die 1. Druckwelle 4 erreicht, so dass das Ergebnis der Überlagerung
je nach Anwendungsfall, d. h. Dämpfung
oder Verstärkung,
verbessert wird.
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- 1
- Druckwellenüberlagerer
- 2
- Druckwellenüberlagerer
- 3
- Druckwellenquelle
- 3a
- Druckwelleneinleitungsstelle
- 4
- 1.
Druckwelle
- 5
- Druckwellenpfad
- 6
- Rohrleitung
- 7
- Medium
- 8
- Druckwellenaufnehmer
- 9
- Eingang
- 1
- Steuergerät
- 11
- Ausgang
- 12
- Druckwellenerzeuger
- 13
- 2.
Druckwelle
- 14
- Ausgang
- 15
- Pilotdruckwellenerzeuger
- 16
- Pilotdruckwelle
- 17
- Druckwellenaufnehmer
- 18
- Eingang
- 19
- Filterbaustein
- 20
- Filterbaustein
- 21
- Analog/Digital-Wandler
- 22
- Analog/Digital-Wandler
- 23
- Baustein
- 24
- Baustein
- 25
- Thermometer
- 26
- Analog/Digital-Wandler
- 27
- Verarbeitungseinheit
- 28
- Digital/Analog-Wandler
- 29
- Digital/Analog-Wandler
- 30
- Kontrollaufnehmer
- 31
- Eingang
- 32
- Filterbaustein
- 33
- Analog/Digital-Wandler
- 34
- Fast
Fourier Transformator
- 35
- überlagerte
Druckwelle
- A
- Abstand
- B
- Abstand