Die Erfindung betrifft einen Schalldämpfer zum Dämpfen von Fluid- oder Schallwellen in einem Fluid, wobei der Schalldämpfer eine Fluidführung und ein Stellglied umfasst, das einen elektroakustischen Wandler aufweist. Der Begriff ”Schalldämpfer” im Sinne der Patentansprüche ist nicht beschränkt auf Abgasschalldämpfer; ein Schalldämpfer kann auch ein Zuluftschalldämpfer oder ein Windkessel sein.The invention relates to a silencer for damping fluid or sound waves in a fluid, the silencer comprising a fluid guide and an actuator having an electroacoustic transducer. The term "silencer" within the meaning of the claims is not limited to exhaust silencer; a muffler can also be an intake air muffler or a windkettle.
Außerdem betrifft die Erfindung eine Schalldämpferanordnung, wobei die Schalldämpferanordnung ein Stellglied und einen zweiten Schalldämpfer mit einem Fluidausgang zum Bereitstellen des Fluids umfasst. Der zweite Schalldämpfer kann ein Vorschalldämpfer sein.In addition, the invention relates to a muffler assembly, wherein the muffler assembly comprises an actuator and a second muffler having a fluid outlet for providing the fluid. The second silencer may be a pre-silencer.
Die WO 97/43754 beschreibt einen reaktiven Schalldämpfer mit einem Sensor zur Aufnahme einer Schallgröße in einem Kanal. Der Sensor ist im Kanal und in unmittelbarer Nähe einer Membrane angeordnet. Mittels eines Verstärkers wird das Sensorsignal verstärkt und zur Steuerung einer Auslenkung der Membrane mittels elektromechanischen Antriebs (elektroakustischen Wandlers) verwendet. Diese Anordnung kann als einfacher Phasenregelkreis angesehen werden, der dazu vorgesehen ist, die Regelgröße (Schalldruck) mittels einer phasensynchronen Auslenkung der Membrane entgegenzuwirken. Wenn ein solcher Schalldämpfer in einem Abgassystem einer Verbrennungsmaschine verwendet wird, muss die Membrane aufgrund der hohen Abgastemperatur von typischerweise 300°C im Endrohr eines aufgeladenen Ottomotors einen mechanisch und thermisch besonders stabilen Aufbau haben. Die Membrane muss daher eine Masse aufweisen, die bei einer Bewegung der Membrane zu Trägheitskräften führt, welche nicht vernachlässigbar sind. In der Praxis ist eine Geschwindigkeit und eine Beschleunigung, mit der der elektromechanische Antrieb die Membrane bewegen kann, aus technischen und aus Kostengründen begrenzt. Daher führen die Trägheitskräfte, die bei einem Oszillieren der Membrane auftreten, neben der elektrischen oder mechanischen Dämpfung, die der Bewegung der Membrane entgegengesetzt ist, zu einem Zeitverzug (Nacheilen) der Auslenkung der Membrane in Bezug zu einem zeitlichen Kraftverlauf im Antrieb der Membran. Dies kann auch mit Maßnahmen zum Ebnen eines Frequenzgangs des elektromechanischen Wandlers nicht verhindert werden. Typischerweise nimmt ein Quotient aus Zeitverzug und Schwingungsperiode mit steigender Beschleunigung der Membran, also mit steigender Frequenz zu. Dann wirkt die Membrane umso weniger schalldämpfend je größer der Zeitverzug, also je höher die Schallfrequenz ist. Bei einem Zeitverzug von mehr als einer halben Periode der Fluid- bzw. Schallwellen kommt es zu einer kontraproduktiven, also unerwünschten Verstärkung der zu dämpfenden Fluid- bzw. Schallwellen.The WO 97/43754 describes a reactive muffler with a sensor for receiving a sound size in a channel. The sensor is located in the channel and in the immediate vicinity of a membrane. By means of an amplifier, the sensor signal is amplified and used to control a deflection of the membrane by means of electromechanical drive (electroacoustic transducer). This arrangement can be regarded as a simple phase-locked loop, which is intended to counteract the controlled variable (sound pressure) by means of a phase-synchronous deflection of the diaphragm. If such a muffler is used in an exhaust system of an internal combustion engine, the membrane must have a mechanically and thermally particularly stable construction due to the high exhaust gas temperature of typically 300 ° C in the tailpipe of a supercharged gasoline engine. The membrane must therefore have a mass that leads to inertial forces during movement of the membrane, which are not negligible. In practice, a speed and acceleration with which the electromechanical drive can move the diaphragm is limited for technical and cost reasons. Therefore, in addition to the electrical or mechanical damping which opposes the movement of the diaphragm, the inertial forces which occur when the diaphragm oscillates lead to a delay (lag) in the deflection of the diaphragm in relation to a temporal force curve in the drive of the diaphragm. This can not be prevented even with measures for leveling a frequency response of the electromechanical transducer. Typically, a quotient of time delay and oscillation period increases with increasing acceleration of the membrane, ie with increasing frequency. Then the membrane acts the less sound-absorbing the greater the time delay, ie the higher the sound frequency. At a time delay of more than half a period of the fluid or sound waves, there is a counterproductive, so unwanted reinforcement of the fluid or sound waves to be damped.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Schalldämpfer bereitzustellen, der im Vergleich zu dem konventionellen Schalldämpfer eine schalldämpfende Wirkung in einem erweiterten Schallfrequenzbereich ermöglicht.It is an object of the invention to provide a muffler which, in comparison to the conventional muffler, enables a sound-damping effect in an extended sound-frequency range.
Diese Aufgabe ist bei einem Schalldämpfer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved in a muffler with the features of claim 1. Advantageous developments of the inventive concept are the subject of the dependent claims.
Bei dem erfindungsgemäßen Schalldämpfer umfasst das Stellglied einen elektrischen Schwingkreis.In the case of the silencer according to the invention, the actuator comprises an electrical oscillating circuit.
Das Stellglied kann Teil einer Regelungsschaltung sein, die des Weiteren einen ersten Sensor und einen Regler umfasst.The actuator may be part of a control circuit further comprising a first sensor and a controller.
Das Stellglied kann einen elektrisch antreibbaren Oszillator umfassen.The actuator may comprise an electrically drivable oscillator.
Die Regelungsschaltung kann einen Phasenregelkreis umfassen.The control circuit may comprise a phase locked loop.
Die Regelungsschaltung kann einen Amplitudenregelkreis umfassen.The control circuit may comprise an amplitude control loop.
Die Fluidführung kann so ausgebildet sein, dass sich in der Fluidführung in einem gesamten Frequenzbereich von 0,6 kHz bis 12 kHz, insbesondere von 1 kHz bis 10 kHz, nur eine Mode ausbilden kann.The fluid guide can be designed so that only one mode can form in the fluid guide over a total frequency range from 0.6 kHz to 12 kHz, in particular from 1 kHz to 10 kHz.
Auch kann die Fluidführung so ausgebildet sein, dass sich lediglich Moden im Frequenzbereich von 0,6 kHz bis 12 kHz, insbesondere von 1 kHz bis 10 kHz, ausbilden können.Also, the fluid guide can be designed so that only modes in the frequency range from 0.6 kHz to 12 kHz, in particular from 1 kHz to 10 kHz, can form.
Das Stellglied kann einen Wechselrichter und/oder ein Filter mit steuerbaren Eigenschaften und/oder einen Teil des elektromechanischen Wandlers umfassen.The actuator may comprise an inverter and / or a filter with controllable properties and / or a part of the electromechanical transducer.
Der erste Sensor kann dazu geeignet und/oder vorgesehen sein, einen Phasenwinkel zwischen einer von dem elektromechanischen Wandler oder dem Filter aufgenommenen Stromstärke und einer an dem elektromechanischen Wandler bzw. an dem Filter angelegten elektrischen Spannung zu erfassen.The first sensor may be suitable and / or provided to detect a phase angle between a current absorbed by the electromechanical transducer or the filter and an electrical voltage applied to the electromechanical transducer or to the filter.
Der Regler kann dazu geeignet und/oder vorgesehen sein, den Phasenwinkel größer als einen minimalen Phasensollwinkel zu halten und/oder kleiner als einen maximalen Phasensollwinkel zu halten.The controller may be suitable and / or provided to keep the phase angle greater than a minimum phase reference angle and / or to keep smaller than a maximum phase reference angle.
Eine Weiterbildung des (ersten) Schalldämpfers sieht vor, dass der minimale Phasensollwinkel von einem Schallphasenkennwinkel des Fluids um nicht mehr als 90°, insbesondere um nicht mehr als 60°, insbesondere um nicht mehr als 30° des Schallphasenkennwinkels des Fluids abweicht. Damit ist ein Abbau von Fluid- bzw. Schallenergie möglich.A development of the (first) silencer provides that the minimum phase reference angle deviates from a Schallphasenkennwinkel of the fluid by not more than 90 °, in particular by not more than 60 °, in particular by not more than 30 ° of the Schallphasenkennwinkels of the fluid. For a reduction of fluid or sound energy is possible.
Eine andere Weiterentwicklung des (ersten) Schalldämpfers sieht vor, dass der maximale Phasensollwinkel von einem Schallphasenkennwinkel des Fluids um nicht mehr als um nicht mehr als 90°, insbesondere um nicht mehr als 60°, insbesondere um nicht mehr als 30° des Schallphasenkennwinkels des Fluids abweicht. Damit kann eine Instabilität des Schwingungsverhaltens der Membrane vermieden werden.Another development of the (first) silencer provides that the maximum phase reference angle of a fluid phase of the fluid by not more than not more than 90 °, in particular by not more than 60 °, in particular by not more than 30 ° of the acoustic phase of the fluid differs. Thus, instability of the vibration behavior of the membrane can be avoided.
Der erste Sensor kann dazu vorgesehen und/oder geeignet sein, aus einer an den elektromechanischen Wandler oder an das Filter angelegten Spannung und/oder aus einer von dem elektromechanischen Wandler bzw. dem Filter aufgenommenen Stromstärke einen Phasenwinkel zwischen einer Schwingung des elektromechanischen Wandlers und einer Schwingung des Schwingkreises zu ermitteln.The first sensor can be provided and / or suitable for a phase angle between a vibration of the electromechanical transducer and a vibration from a voltage applied to the electromechanical transducer or to the filter and / or from a current absorbed by the electromechanical transducer or the filter to determine the resonant circuit.
Der Schalldämpfer kann einen zweiten Sensor aufweisen, der dazu geeignet und/oder vorgesehen ist, eine Eigenschaft des Fluids zu ermitteln. Der Regler kann dazu vorgesehen und/oder geeignet sein, unter Berücksichtigung der ermittelten Eigenschaft des Fluids eine Stellgröße zur Steuerung des Stellglieds zu erzeugen.The muffler may include a second sensor that is suitable and / or intended to determine a property of the fluid. The controller may be provided and / or adapted to generate a manipulated variable for controlling the actuator taking into account the determined property of the fluid.
Die Eigenschaft des Fluids kann eine Schallgeschwindigkeit und/oder eine Fluiddichte und/oder eine Fluidtemperatur sein.The property of the fluid may be a sonic velocity and / or a fluid density and / or a fluid temperature.
Der in WO 97/43754 beschriebene reaktive Schalldämpfer hat den Nachteil, dass dessen schalldämpfende Wirkung nahezu vollständig verlorengeht, wenn eine aktive Komponente des konventionellen Schalldämpfers ausfällt. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine schalldämpfende Vorrichtung bereitzustellen, die auch bei einem Ausfall aller aktiven Komponenten der Vorrichtung noch eine gute schalldämpfende Wirkung ermöglicht. Diese Aufgabe ist bei einer Schalldämpferanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16 gelöst.The in WO 97/43754 described reactive muffler has the disadvantage that its sound-absorbing effect is almost completely lost when an active component of the conventional muffler fails. It is an object of the invention to provide a sound-damping device that still allows a good sound-absorbing effect even in case of failure of all active components of the device. This object is achieved with a silencer arrangement having the features of patent claim 16.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous developments of the inventive concept are the subject of the dependent claims.
Bei der erfindungsgemäßen Schalldämpferanordnung weist der Fluidausgang des zweiten Schalldämpfers eine Schalleingangsimpedanz auf, deren Realteil und/oder deren Imaginärteil von dem Realteil bzw. von minus Eins mal dem Imaginärteil einer Schallkennimpedanz des Fluids um nicht mehr als 30 Prozent, insbesondere um nicht mehr als 20 Prozent, insbesondere um nicht mehr als 10 Prozent des Realteils bzw. Imaginärteils der Schallkennimpedanz des Fluids abweicht. Der zweite Schalldämpfer kann so ausgebildet sein, dass sich Moden eines geradzahligen Vielfachen einer Motorordnung nicht ausbilden können, wobei die Moden vom Fluidwechseldruck hervorgerufen werden. Die Motorordnung ist bei einem 4-Zylinder-4-Takt-Ottomotor typischerweise 33,3 bis 200 Hz (entspricht 1000 bis 6000 Umdrehungen/min).In the case of the silencer arrangement according to the invention, the fluid output of the second silencer has a sound input impedance whose real part and / or its imaginary part is not more than 30 percent, in particular not more than 20 percent, of the real part or minus one time the imaginary part of a sound characteristic impedance of the fluid , in particular deviates by no more than 10 percent of the real part or imaginary part of the acoustic characteristic impedance of the fluid. The second muffler may be configured such that even-numbered multiple modes of engine order can not form, the modes being caused by fluid change pressure. The engine order is typically 33.3 to 200 Hz (1000 to 6000 revolutions per minute) for a 4-cylinder 4-stroke gasoline engine.
Die Schalldämpferanordnung kann einen erfindungsgemäßen Schalldämpfer umfassen.The muffler assembly may include a muffler according to the invention.
Insbesondere ist eine Schalldämpferanordnung vorteilhaft, in der eine Schalldämpfung für das Fluid für Fluid- oder Schallwellen mit Schallfrequenzen unterhalb einer höchsten zu dämpfenden Schallkreisfrequenz in Auslassrichtung an einem Fluidauslass mehr als 3 dB beträgt, insbesondere mehr als 6 dB beträgt.In particular, a muffler arrangement is advantageous in which a sound attenuation for the fluid for fluid or sound waves with sound frequencies below a maximum sound path to be damped in the outlet direction at a fluid outlet is more than 3 dB, in particular more than 6 dB.
Auch ist eine Schalldämpfung zweckmäßig, in der an einem Fluidauslass für Schallwellen mit Schallfrequenzen innerhalb eines gesamten Frequenzbereichs zwischen einer niedrigsten und einer höchsten zu dämpfenden Fluid- oder Schallkreisfrequenz mehr als 3 dB beträgt, insbesondere mehr als 6 dB beträgt.Also, a sound attenuation is expedient in which at a fluid outlet for sound waves with sound frequencies within a total frequency range between a lowest and a maximum to be damped fluid or sound circuit frequency is more than 3 dB, in particular more than 6 dB.
Ein Fluidauslass kann ein Schallschirmgitter mit Löchern aufweisen.A fluid outlet may have a screen grille with holes.
Bevorzugt ist, wenn ein Durchmesser der Löcher des Schallschirmgitters nicht größer als eine kleinste Schallwellenlänge der höchsten zu dämpfenden Frequenz ist.It is preferred if a diameter of the holes of the screen shade is not greater than a smallest sound wave length of the highest frequency to be damped.
Die Löcher des Schallschirmgitters können unregelmäßig angeordnet sein.The holes of the screen shade can be arranged irregularly.
Insbesondere bevorzugt ist, wenn eine Tiefe der Löcher des Schallschirmgitters kann mindestens das Einfache einer höchsten Schallauslenkung beträgt, insbesondere mindestens das Zweifache der höchsten Schallauslenkung beträgt.It is particularly preferred if a depth of the holes of the screen grille is at least equal to a maximum sound deflection, in particular at least twice the highest sound deflection.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to embodiments shown in the schematic drawings. Show it:
1 einen schematischen Überblick über eine Anlage mit einer ersten Schalldämpferanordnung; 1 a schematic overview of a system with a first muffler assembly;
2 eine Übersicht über zeitliche Fluid-Druckverläufe in der Abgasanlage auf denen der Schalldruck moduliert ist, wobei die Schallwelle wiederum von dem Fluidstrom der Abgasanlage getragen wird; 2 an overview of temporal fluid pressure profiles in the exhaust system on which the sound pressure is modulated, wherein the sound wave is in turn carried by the fluid flow of the exhaust system;
3 schematisch eine Vorrichtung zum Unterdrücken von Quermoden und obliquen Moden in der Fluidführung; 3 schematically a device for suppressing transverse modes and oblique modes in the fluid guide;
4 ein Ersatzschaltbild für die Mechanik eines Lautsprechers im elektrischen Leerlauf ohne Berücksichtigung der mechanischen Wechselwirkung der Lautsprechermembrane mit dem Fluid; 4 an equivalent circuit diagram for the mechanics of a loudspeaker in electrical idle without consideration of the mechanical interaction of the speaker diaphragm with the fluid;
5 ein Ersatzschaltbild eines elektrodynamischen Lautsprechers aus Sicht seiner elektrischen Anschlussklemmen; 5 an equivalent circuit diagram of an electrodynamic loudspeaker from the perspective of its electrical terminals;
6 ein elektrisches Ersatzschaltbild für den Lautsprecher (als elektrischer Verbraucher); 6 an electrical equivalent circuit diagram for the loudspeaker (as an electrical consumer);
7 ein mechanisches Ersatzschaltbild für den Lautsprecher (als elektrischer Generator); 7 a mechanical equivalent circuit diagram for the loudspeaker (as an electric generator);
8 eine schematische Regelungsschaltung zur Leistungsanpassung; 8th a schematic control circuit for power adjustment;
9 ein schematisches Schaltbild einer elektrischen Last und/oder Spannungsquelle mit einem ersten Filter; 9 a schematic diagram of an electrical load and / or voltage source with a first filter;
10 einen zweiten Filter; 10 a second filter;
11 einen dritten Filter; 11 a third filter;
12 einen vierten Filter; 12 a fourth filter;
13 einen schematischen Querschnitt eines aktiven Schalldämpfers in einer ersten Ausführungsform; 13 a schematic cross section of an active silencer in a first embodiment;
14 einen schematischen Querschnitt eines aktiven Schalldämpfers in einer zweiten Ausführungsform; 14 a schematic cross section of an active muffler in a second embodiment;
15 einen schematischen Querschnitt eines aktiven Schalldämpfers in einer dritten Ausführungsform; 15 a schematic cross section of an active silencer in a third embodiment;
16 einen schematischen Querschnitt eines aktiven Schalldämpfers in einer vierten Ausführungsform; 16 a schematic cross section of an active silencer in a fourth embodiment;
17 einen schematischen Querschnitt eines aktiven Schalldämpfers in einer fünften Ausführungsform; 17 a schematic cross section of an active silencer in a fifth embodiment;
18 einen schematischen Querschnitt eines aktiven Schalldämpfers in einer sechsten Ausführungsform; 18 a schematic cross section of an active silencer in a sixth embodiment;
19 einen schematischen Überblick über eine Anlage mit einer zweiten Schalldämpferanordnung; 19 a schematic overview of a system with a second muffler assembly;
20 einen schematischen Überblick über eine Anlage mit einer dritten Schalldämpferanordnung und 20 a schematic overview of a system with a third muffler assembly and
21 eine schematische, perspektivische Durchsicht durch ein Abzweigteil. 21 a schematic perspective view through a branch part.
Im Folgenden werden ein Schalldämpfer 10 und eine Schalldämpferanordnung 12 am Beispiel einer Abgasanlage 14 eines Kraftfahrzeugs erläutert. Das beschriebene erfinderische Konzept ist auch auf andere fluidführende Systeme, beispielsweise Verdichter, Ansauganlagen oder Lüftungskanäle, insbesondere auch auf flüssigkeitsführende Systeme, beispielsweise Wasserturbinen- und Strömungsgenerator-Anlagen anwendbar. Unter ”Fluid- oder Schallwellen” wird hier eine zeitliche oder örtliche Änderung des äußeren (hydraulischen) und/oder des inneren (akustischen) Drucks eines Fluids verstanden. Die Schwingfrequenz und die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit einer äußeren (hydraulischen) Druckänderung können wesentlich geringer sein als eine Schwingfrequenz und eine Wellenausbreitungsgeschwindigkeit einer inneren Druckänderung, die mit ”Schall” bezeichnet werden kann.The following are a silencer 10 and a muffler assembly 12 the example of an exhaust system 14 of a motor vehicle explained. The described inventive concept is also applicable to other fluid-carrying systems, for example compressors, intake systems or ventilation ducts, in particular also to liquid-carrying systems, for example water turbine and flow generator systems. By "fluid or sound waves" is meant a temporal or spatial change of the external (hydraulic) and / or the internal (acoustic) pressure of a fluid. The oscillation frequency and the wave propagation velocity of an external (hydraulic) pressure change may be substantially less than an oscillation frequency and a wave propagation velocity of an internal pressure change, which may be referred to as "sound".
1 zeigt schematisch eine vierzylindrige Verbrennungskraftmaschine 16 und eine Abgasanlage 14, die vier in einen Abgassammler mündende Abgaskrümmer 18, ein Hosenrohr 20, einen Vorschalldämpfer 22, eine Fluidführung 24, einen aktiven Schalldämpfer 10 und ein Abgasrohr 28 (siehe 14) umfasst. Die Fluidführung 24 umfasst ein Abzweigteil 26 zum Anschluss des Abgasrohrs 28. Alle Teile sind miteinander direkt oder mittels Befestigungselementen 30 mechanisch verbunden. 1 schematically shows a four-cylinder internal combustion engine 16 and an exhaust system 14 , the four exhaust manifolds opening into an exhaust manifold 18 , a bifurcation 20 , a pre-silencer 22 , a fluid guide 24 , an active silencer 10 and an exhaust pipe 28 (please refer 14 ). The fluid guide 24 includes a branch part 26 for connecting the exhaust pipe 28 , All parts are connected directly or by means of fasteners 30 mechanically connected.
2a bis 2d zeigen für jeden Abgaskrümmer 18 einen zeitlichen Fluid-Druckverlauf 32 innerhalb zweier Nockenwellenumdrehungen der Verbrennungsmaschine 16 aufgetragen über eine gemeinsame Zeit 34. 2e zeigt einen Fluid-Druckverlauf 36 am Ausgang des Hosenrohrs 20. Der Fluid-Druckverlauf 36 hat einen Fluidgleichdruckanteil 38, der über das Abgasrohr 28 möglichst schallfrei abgeführt werden soll. Außerdem zeigt der Druckverlauf 36 Fluidwechseldruckanteile 40, die einen Schall anregen können und dabei möglichst nicht in das Abgasrohr 28 gelangen sollen. 2a to 2d show for each exhaust manifold 18 a temporal fluid pressure curve 32 within two camshaft revolutions of the internal combustion engine 16 applied over a common time 34 , 2e shows a fluid-pressure curve 36 at the exit of the bifurcated pipe 20 , The fluid pressure curve 36 has a fluid equilibrium proportion 38 that is above the exhaust pipe 28 should be dissipated sound-free as possible. In addition, the pressure curve shows 36 Fluid alternating pressure shares 40 that can stimulate a sound while not possible in the exhaust pipe 28 to arrive.
2f zeigt einen Druckverlauf 42 am Ausgang 44 des Vorschalldämpfers 22. An dem Druckverlauf 42 ist erkennbar, dass der Vorschalldämpfer 22 aus dem Abgasstrom 46 nicht alle Fluidwechseldruckanteile 40 entfernt. Trotzdem soll ein Druckverlauf im Abgasrohr 28 in einem zu dämpfenden Frequenzbereich [f1; f2] möglichst ohne Welligkeit sein, d. h. möglichst ohne jeglichen Fluidwechseldruckanteil. 2g zeigt einen gewünschten Druckverlauf 48 am Ausgang 50 des Abgasrohrs 28. Nicht dargestellt ist der von dem Fluid 56 getragene Schalldruck, der ebenfalls eine Dämpfung im Vorschalldämpfer 22 und im aktiven Schalldämpfer 10 durch energetische Umwandlung erfährt. 2f shows a pressure gradient 42 at the exit 44 of the pre-silencer 22 , At the pressure gradient 42 it can be seen that the front silencer 22 from the exhaust stream 46 not all fluid change pressure components 40 away. Nevertheless, a pressure gradient in the exhaust pipe 28 in a frequency range to be attenuated [f1; f2] should be as undimmed as possible, ie as possible without any fluid pressure change component. 2g shows a desired pressure curve 48 at the exit 50 of the exhaust pipe 28 , Not shown is that of the fluid 56 supported sound pressure, which also dampens the front silencer 22 and in the active silencer 10 through energetic transformation.
1 zeigt eine Verteilung von Fluidgleichstromanteilen 52 und Fluidwechselstromanteilen 54 in der Abgasanlage 14. Bei der Dimensionierung der Rohrquerschnitte ist zu berücksichtigen, dass ein Fluidgleichstromwiderstand, der dem Abgasstrom entgegengesetzt wird, niedrig genug ist, um eine Funktionsweise oder einen energetischen Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine 16 nicht wesentlich zu beeinträchtigen. Außerdem soll der Fluidwechseldruckanteil 40, der nach dem Vorschalldämpfer 22 verbleibt, möglichst nicht ins Abgasrohr 28 gelangen. Im Interesse einer leichteren Verständlichkeit wird in den folgenden Betrachtungen zunächst unterstellt, dass die Fluidwechselstromquelle 22 (Schallquelle) in die Fluidführung 24 zwar Fluidwechselstromanteile 54 mit unterschiedlichen Frequenzen ω einspeisen kann, allerdings nur mit konstanter Amplitude A und mit jeweils einer Kreisfrequenz ω. D. h. es wird zunächst unterstellt, dass das eingespeiste Fluid 52, 54, 56 stationär ist und (abgesehen vom Fluidgleichstromanteil 52) zu jedem Zeitpunkt nur eine Kreisfrequenzkomponente ω hat. Außerdem wird großteils unterstellt, dass das Schwingungsverhalten des Fluids 56 näherungsweise linear und zeitinvariant ist und somit das Überlagerungsprinzip (Superpositionsprinzip) anwendbar ist. Körperschall wird im Folgenden nicht betrachtet. 1 shows a distribution of fluid DC components 52 and fluid exchange rates 54 in the exhaust system 14 , When dimensioning the pipe cross-sections, it should be noted that a fluid DC resistance, which is opposed to the exhaust gas flow, is low enough to an operation or energy efficiency of the internal combustion engine 16 not significantly affect. In addition, the fluid exchange pressure share 40 , after the front silencer 22 remains, if possible not in the exhaust pipe 28 reach. For ease of understanding, it is assumed in the following considerations that the fluid source of alternating current is first assumed 22 (Sound source) in the fluid guide 24 Although fluid AC shares 54 With different frequencies ω can feed, but only with constant amplitude A and each with an angular frequency ω. Ie. it is first assumed that the injected fluid 52 . 54 . 56 is stationary and (apart from the fluid DC component 52 ) has only one angular frequency component ω at any one time. In addition, it is largely assumed that the vibration behavior of the fluid 56 is approximately linear and time invariant and thus the superposition principle (superposition principle) is applicable. Structure-borne noise is not considered below.
Um den Fluidwechseldruckanteil 40 so abzubauen, dass er nicht ins Abgasrohr 28 gelangt, ist eine Fluidwechselstromsenke 58 (Schallsenke) vorgesehen. Damit der gesamte Fluidgleichstromanteil 52 zum Abgasrohr 28 gelangt, ist die Fluidwechselstromsenke 58 (abgesehen von der Fluidführung 14) nach außen hermetisch abgeschlossen. D. h. die Fluidwechselstromsenke 58 hat einen unendlich hohen Fluidgleichstromwiderstand.To the fluid exchange pressure component 40 so that he does not break into the exhaust pipe 28 passes, is a fluid alternating current sink 58 (Sound sink) provided. So that the entire fluid DC component 52 to the exhaust pipe 28 passes, is the fluid alternating current sink 58 (apart from the fluid guide 14 ) hermetically sealed to the outside. Ie. the fluid alternating current sink 58 has an infinite fluid DC resistance.
Der Widerstand der Fluidwechselstromsenke 58 für das Fluid 52, 54 kann gemäß der Leitungstheorie als eine Abschlussimpedanz Zm angesehen werden. Sowohl Realteil Re(Zm) als auch Imaginärteil Im(Zm) der Abschlussimpedanz Zm können frequenzabhängig sein. Für den Fluidgleichstromanteil 52 ist der Imaginärteil Im(Zm) der Abschlussimpedanz Zm gleich Null und der Realteil Re(Zm) unendlich. Die Abschlussimpedanz Zm kann auch mit Polarkoordinaten: |Z| = ((Re(Zm))2 + (Im(Zm))2)½ und α(Zm) = arctan(Im(Zm)/Re(Zm)) beschrieben werden.The resistance of the fluid alternating current sink 58 for the fluid 52 . 54 can be considered as a termination impedance Z m according to the theory of conduction. Both the real part Re (Z m ) and the imaginary part Im (Z m ) of the terminating impedance Z m can be frequency-dependent. For the fluid DC component 52 the imaginary part Im (Z m ) of the terminating impedance Z m is zero and the real part Re (Z m ) is infinite. The termination impedance Z m can also be used with polar coordinates: | Z | = ((Re (Z m )) 2 + (Im (Z m )) 2 ) ½ and α (Z m ) = arctane (Im (Z m ) / Re (Z m )) to be discribed.
Wenn die Abschlussimpedanz Zm der Fluidwechselstromsenke 58 für eine bestimmte Kreisfrequenz ω des Fluidwechselstromanteils 52 keinen Imaginärteil Im(Zm) aufweist, ist die Kreisfrequenz ω des Fluidanteils 54 gleich der Resonanzkreisfrequenz ω0 der Fluidwechselstromsenke 58. Wenn die Abschlussimpedanz Zm der Fluidwechselstromsenke 58 für eine bestimmte Kreisfrequenz ω des Fluids 56 einen Imaginärteil Im(Zm) ungleich Null aufweist, ist der Phasenwinkel α(Zm) der Abschlussimpedanz Zm ungleich Null (abgesehen von einer Ausnahme, die später betrachtet wird). An der Fluidwechselstromsenke 58 eilt dann ein zeitlicher Verlauf des Fluidwechselstromanteils 54 (d. h. eine Auslenkung von Fluidteilchen) einem Fluidwechseldruckanteil 40 vor- oder nach.When the termination impedance Z m of the fluid alternating current sink 58 for a specific angular frequency ω of the fluid alternating current component 52 has no imaginary part Im (Z m ), the angular frequency ω of the fluid component 54 equal to the resonant circuit frequency ω 0 of the fluid alternating current sink 58 , When the termination impedance Z m of the fluid alternating current sink 58 for a certain angular frequency ω of the fluid 56 has an imaginary part Im (Z m ) other than zero, the phase angle α (Z m ) of the terminating impedance Z m is nonzero (except for an exception to be considered later). At the fluid alternating current sink 58 Then lags a time course of the fluid exchange rate 54 (ie a deflection of fluid particles) a fluid exchange pressure component 40 before or after.
Nun wird der Fall betrachtet, dass der Schallabschluss 70 der Fluidwechselstromsenke 58 im Verhältnis zur Fluidwechselstromquelle 22 (Schallquelle) starr und ortsfest ist. In diesem Fall kann auf Seiten der Fluidwechselstromsenke 58 keine Energie aufgenommen werden, so dass sie für das entgegengesetzte Schwingen weder Leistung aufbringen muss noch kann. Die Schwingungsenergie in dem Fluidwechselstromanteil 54 bleibt erhalten. In der 1 kennzeichnen die Pfeile an den Fluidwechselstromanteilen 54 eine Ausbreitungsrichtung des Fluidwechseldruckanteils 40 und damit auch eine Ausbreitungsrichtung einer Fluidwechselenergie. Die Ausbreitungsrichtung und Stärke der Fluidwechselenergie kann mit einem Pointingvektor beschrieben werden. Der Pointingvektor der Schallwelle 64 wird an einer Grenzfläche 66 der Fluidwechselstromsenke 58 reflektiert, so dass die Schallwelle 64 als reflektierte Schallwelle 68 in Richtung Abzweigteil 26 zurückläuft. Die Grenzfläche 66 stellt einen Reflektor dar, dem eine Fluidwechselstromquelle 22 und/oder eine Impedanzänderung gegenübersteht. Es kann sich eine stehende Schallwelle mit Knoten und Bäuchen ausbilden.Now the case is considered that the sound termination 70 the fluid alternating current sink 58 in relation to the fluid AC source 22 (Sound source) is rigid and stationary. In this case, on the part of the fluid alternating current sink 58 no energy is absorbed so that it does not have to apply power for the opposite swing nor can. The vibrational energy in the fluid alternating current component 54 remains. In the 1 indicate the arrows on the fluid flow components 54 a propagation direction of the fluid exchange pressure component 40 and thus also a propagation direction of a fluid exchange energy. The propagation direction and strength of the fluid exchange energy can be described with a pointing vector. The pointing vector of the sound wave 64 is at an interface 66 the fluid alternating current sink 58 reflected, so the sound wave 64 as a reflected sound wave 68 in the direction of the branch 26 running back. The interface 66 represents a reflector, which is a fluid AC source 22 and / or facing an impedance change. It can become a standing Train sound wave with knots and bellies.
Die erwähnte Ausnahme besteht darin, dass der Phasenwinkel 180° betragen kann. Auch in diesem Fall ist die Kreisfrequenz ω des Fluidwechselstromanteils 54 gleich der Resonanzkreisfrequenz ω0 der Fluidwechselstromsenke 58. Allerdings schwingt dann der Schallabschluss 70 der Fluidwechselstromsenke 58 nicht mitsinnig, sondern gegensinnig zu dem Fluidwechselstromanteil 54 an der Grenzfläche 66 zwischen dem Fluidwechselstromanteil 54 und dem Schallabschluss 70 der Fluidwechselstromsenke 58. Wie im Reflektionsfall bleibt die von dem Fluidwechselstromanteil 54 zugeführte Schwingungsenergie in dem Fluidwechselstromanteil 54 erhalten. Der Pointingvektor der Schallwelle 64 wird an der Grenzfläche 66 reflektiert, so dass die Schallwelle 64 als reflektierte Schallwelle 68 in Richtung Abzweigteil 26 zurückläuft. Wie im Reflektionsfall an dem starren Schallabschluss 10 kann sich eine stehende Schallwelle mit Knoten und Bäuchen ausbilden. Da sich der Schallabschluss 70 der Fluidwechselstromsenke 58 an der Grenzfläche 66 zwischen dem Fluidwechselstromanteil 54 und dem Schallabschluss 70 der Fluidwechselstromsenke 58 gegensinnig zu dem ankommenden Fluidwechselstromanteil 54 bewegt und dazu Energie aufwenden muss, hat der Schallabschluss 70 der Fluidwechselstromsenke 58 zusätzlich zu der reflektierenden Wirkung dann auch eine schallerzeugende Wirkung. Das gegensinnige Schwingen des Abschlusses Zm der Fluidwechselstromsenke 58 führt dann also nicht zu dem angestrebten Abbau von Schwingungsenergie des Fluidwechselstromanteils 54, sondern infolge Addition der Schwingungsamplitude A zu einer Vergrößerung der Schwingungsenergie von Fluidwechselstromanteilen 54 dieser Kreisfrequenz ω. Die Fluidwechselstromsenke 58 wirkt dann nicht als Fluidwechselstromsenke 58, sondern (zusätzlich zu der Fluidwechselstromquelle 22) als weitere Fluidwechselstromquelle Zm, die einen weiteren Pointingvektor erzeugt, der dem ankommenden und dem reflektierten Pointingvektor überlagert ist. Für die weitere Fluidwechselstromquelle Zm ist eine Energiequelle erforderlich, um die Schallleistung bereitzustellen. Ein Zuführen von Schallenergie in ein System 12, das schalldämpfend wirken soll, wäre daher kontraproduktiv. Es überrascht daher nicht, dass sich diverse konventionelle Systeme nicht durchsetzen konnten, welche auf ”Gegenschall” beruhen.The exception mentioned is that the phase angle can be 180 °. Also in this case, the angular frequency ω of the fluid alternating current component 54 equal to the resonant circuit frequency ω 0 of the fluid alternating current sink 58 , However, then vibrates the sound 70 the fluid alternating current sink 58 not in the wrong direction, but in the opposite direction to the fluid exchange component 54 at the interface 66 between the fluid alternating current component 54 and the sound ending 70 the fluid alternating current sink 58 , As in the case of reflection, that of the fluid alternating current component remains 54 supplied vibrational energy in the fluid alternating current component 54 receive. The pointing vector of the sound wave 64 will be at the interface 66 reflected, so the sound wave 64 as a reflected sound wave 68 in the direction of the branch 26 running back. As in the case of reflection on the rigid sound termination 10 can form a standing sound wave with knots and bellies. As is the sound conclusion 70 the fluid alternating current sink 58 at the interface 66 between the fluid alternating current component 54 and the sound ending 70 the fluid alternating current sink 58 in the opposite direction to the incoming fluid flow component 54 has to move and spend energy, the sound has 70 the fluid alternating current sink 58 In addition to the reflective effect then also a sound-generating effect. The opposite sense of the conclusion Z m the fluid alternating current sink 58 So then does not lead to the desired reduction of vibrational energy of the fluid flow component 54 but due to addition of the vibration amplitude A to an increase in the vibration energy of fluid AC components 54 this angular frequency ω. The fluid alternating current sink 58 then does not act as a fluid alternating current sink 58 but (in addition to the fluid AC source 22 ) as another fluid alternating current source Z m , which generates a further pointing vector, which is superimposed on the incoming and the reflected pointing vector. For the further fluid alternating current source Z m , a power source is required to provide the sound power. A feeding of sound energy into a system 12 that should be sound-absorbing, would therefore be counterproductive. It is therefore not surprising that various conventional systems could not prevail, which are based on "counter sound".
Auch kann daran gedacht werden, die reflektierte Schallwelle 68 so zu verstärken, dass sich die zugeführte 64 und die reflektierte 68 Schallwelle im Bereich des Abzweigteils 26 auslöschen und sich dort ein Schwingungsknoten ausbildet. Bei einem weiten zu dämpfenden Frequenzbereich [f1; f2] ist es unter Praxisbedingungen allerdings schwierig, den Schwingungsknoten für alle Frequenzen und bei allen Betriebsbedingungen τ, ρ, vF im Bereich des Abzweigteils 26 zu halten.Also, it can be thought of the reflected sound wave 68 to strengthen so that the supplied 64 and the reflected 68 Sound wave in the region of the branch part 26 extinguish and form a node there. For a wide frequency range to be damped [f1; f2], it is however difficult under practical conditions to use the vibration node for all frequencies and under all operating conditions τ, ρ, v F in the region of the branch part 26 to keep.
Ein für niedrige Kreisfrequenzen ω grundsätzlich praktikabler Ansatz, den die WO 97/43754 nutzt und der im Gegensatz zu einem ”Gegenschallverfahren” als ”Mitschallverfahren” bezeichnet werden kann, besteht darin, die Fluidwechselstromsenke 58 mit einem Phasenwinkel α von null Grad inphasig mit dem Fluidwechseldruckanteil 40 zu betreiben. Wenn dies auch hinsichtlich der Amplitude A des Fluidwechseldruckanteils 40 exakt durchgeführt wird, bewegt die Grenzfläche 66 der Fluidwechselstromsenke 58 genauso wie das angrenzende schwingende Fluidteilchen. Mit anderen Worten: Die Grenzfläche 66 wird genauso bewegt, wie ein direkt angrenzendes Fluidteilchen schwingen würde, wenn die Fluidwechselstromsenke 58 keine Membrane 63 hätte, sondern aus einer Rohrleitung bestehen würde, die sich kontinuierlich bis ins Unendliche fortsetzt. Unter dieser Voraussetzung kann sich beim Schwingen der Fluidteilchen im Bereich der Membrane 70 weder ein zusätzlicher Fluidwechseldruck noch ein zusätzliches Fluidwechselvakuum aufbauen. Mit anderen Worten: Die Anwesenheit der Membrane 70 führt dann zu keinen Reflexionen und bildet auch keine Schallquelle, die einen zusätzlichen Pointingvektor erzeugen würde.An approach which is fundamentally practicable for low angular frequencies ω, which the WO 97/43754 and which, in contrast to a "counter-sound method", can be called a "co-sounding method", is the fluid alternating current sink 58 with a phase angle α of zero degrees in-phase with the fluid exchange pressure portion 40 to operate. If so, also with regard to the amplitude A of the fluid exchange pressure component 40 is carried out exactly, moves the interface 66 the fluid alternating current sink 58 as well as the adjacent vibrating fluid particle. In other words, the interface 66 is moved just as a directly adjacent fluid particle would vibrate when the fluid AC sink 58 no membrane 63 but would consist of a pipeline that continues continuously to infinity. Under this condition, when vibrating the fluid particles in the region of the membrane 70 build up neither an additional fluid exchange pressure nor an additional fluid exchange vacuum. In other words: the presence of the membrane 70 then leads to no reflections and also does not form a sound source, which would produce an additional pointing vector.
Wenn die Amplitude der inphasigen Schwingung der Membrane 70 zu klein ist, das heißt, wenn die Schwingungsgeschwindigkeit der Membrane 70 geringer als die der Fluidteilchen bzw. die Schallschnelle vs, entsteht ein zusätzlicher Pointingvektor, weil die Membrane 70 dann als Reflektor wirkt. Auch wenn die Amplitude Am der Schwingung 64 zu groß ist, dass heißt, wenn die Schwingungsgeschwindigkeit der Membrane 70 höher ist als die der Fluidteilchen bzw. die Schallschnelle vs, entsteht ein zusätzlicher Pointingvektor, weil die Membrane 70 dann als Schallquelle wirkt.When the amplitude of the in-phase oscillation of the membrane 70 too small, that is, if the vibration velocity of the membrane 70 less than that of the fluid particles or the sound velocity v s , an additional pointing vector is produced because the membrane 70 then acts as a reflector. Even if the amplitude A m of the vibration 64 that is, if the vibration velocity of the diaphragm is too large 70 is higher than that of the fluid particles or the sound velocity v s , creates an additional pointing vector, because the membrane 70 then acts as a sound source.
Um mit der Membrane 70 die natürliche Bewegung der Fluidteilchen an der Grenzfläche 66 mitphasig nachzubilden, müsste deren Amplituden-, Phasen- und Schwingungsrichtungsverteilung für jeden Ort der gesamten Grenzfläche 66 bekannt sein und mittels der Membrane 70 und deren Antrieb 72 korrigierbar sein. Eine solche Vorrichtung wäre eine adaptive akustische Spiegeloptik nach Art eines ”phased array”, wie sie beispielsweise im optischen Bereich angewendet wird, um bei Teleskopen Brechungsindexschwankungen zu kompensieren, die durch Luftdruckschwankungen entstehen. Entsprechend stellt die Anordnung der WO 97/43754 mit den vielen mitphasigen Membranen eine einfache adaptive akustische Spiegelanordnung dar. Um auch bei hohen Frequenzen an jedem Ort der gesamten Grenzfläche 66 Amplitude Am und Phase αm der Membrane 70 zu korrigieren, dürfte ein Rasterabstand der korrigierbaren Membranenelemente nicht größer als die halbe Schallwellenlänge sein. Beispielsweise dürfte das einzelne Membranenelement bei 300°C und 10 kHz und Luft als Fluid einen Durchmesser von maximal 2,25 cm und eine Fläche von maximal 4 cm2 haben. Bei einer Membrane 70 von beispielsweise 30 cm2 wären dann zur Schalldämpfung mindestens 8 unabhängig voneinander ansteuerbare Membranenelemente erforderlich.To deal with the membrane 70 the natural motion of the fluid particles at the interface 66 to replicate with phase, would have their amplitude, phase and vibration distribution for each location of the entire interface 66 be known and by means of the membrane 70 and their drive 72 be correctable. Such a device would be an adaptive acoustic mirror optics in the manner of a "phased array", as it is used for example in the optical range, to compensate for telescopes refractive index variations caused by air pressure fluctuations. Accordingly, the arrangement of the WO 97/43754 with the many mitphasigen membranes a simple adaptive acoustic mirror arrangement dar. Even at high frequencies at any location of the entire interface 66 Amplitude A m and phase α m of the membrane 70 to correct, a grid spacing of the correctable membrane elements should not be greater than half the sound wavelength. For example, the individual membrane element at 300 ° C and 10 kHz and air as a fluid should have a maximum diameter of 2.25 cm and a maximum area of 4 cm 2 . With a membrane 70 For example, 30 cm 2 would be required for sound attenuation at least 8 independently controllable membrane elements.
Um den dafür erforderlichen Entwicklungs- und Herstellungsaufwand zu vermeiden, kann durch eine andere technische Maßnahme sichergestellt werden, dass alle Orte der gesamten Grenzfläche 66 mit derselben Amplitude AF, in derselben Phase αF und innerhalb der Fluidführung 24 in derselben Richtung schwingen. Die beweglich gelagerte Membrane 70 kann als plane und in sich steife Membrane 70 ausgebildet sein, die aufgrund ihres Aufbaus, zumindest in dem zu dämpfenden Frequenzbereich [f1; f2], keine Eigenfrequenzen aufweist. Außerdem sollte die Membrane 70 mit ihrem Flächenvektor 76 in einer Richtung einer Hauptachse 74 der Fluidführung 24 zeigen. Akusto-optisch betrachtet ist so eine Membrane 70 ein telezentrischer Spiegel. Wie 3 zeigt, kann in der Fluidführung 24 eine Vorrichtung 78 zum Unterdrücken von Quermoden und obliquen Moden angeordnet werden, die erzwingt, dass sich in der Fluidführung 24 bis zur höchsten zu dämpfenden Kreisfrequenz ω2 keine Quermoden und auch keine obliquen Moden, sondern nur Axialmoden ausbilden können.In order to avoid the development and production costs required for this, it can be ensured by means of another technical measure that all locations of the entire interface 66 with the same amplitude A F , in the same phase α F and within the fluid guide 24 swing in the same direction. The movably mounted membrane 70 can be as a flat and rigid membrane 70 be formed, due to their structure, at least in the frequency range to be attenuated [f1; f2], has no natural frequencies. Furthermore should the membrane 70 with their area vector 76 in a direction of a major axis 74 the fluid guide 24 demonstrate. Seen acousto-optically is such a membrane 70 a telecentric mirror. As 3 shows, in the fluid guide 24 a device 78 be arranged to suppress transverse modes and oblique modes, which forces in the fluid guide 24 up to the highest angular frequency ω2 to be damped, no transverse modes and no oblique modes, but only axial modes can form.
Selbst dann, wenn man für die in den 15 bis 18 dargestellten Ausführungsformen unterstellt, dass sich in der Rohrkrümmung 146 keine obliquen Moden ausbilden, ist die für das erfindungsgemäße Schalldämpfungskonzept erforderliche Kohärenz am Ort der Membrane nur für niedrige Schallfrequenzen näherungsweise erfüllt. Für Schallfrequenzen über 900 Hz verursacht ein Weglängenunterschied der ”Schallstrahlen” durch die Rohrkrümmung 146 von beispielsweise 5 cm bereits einen Phasenunterschied der Schallstrahlen an der Membrane von mehr als 30°.Even if you look for those in the 15 to 18 illustrated embodiments assumed that in the pipe bend 146 form no oblique modes, the required for the inventive sound attenuation concept coherence at the location of the membrane is only approximately fulfilled for low sound frequencies. For sound frequencies above 900 Hz causes a path length difference of the "sound rays" by the pipe curvature 146 For example, 5 cm already a phase difference of the sound beams at the diaphragm of more than 30 °.
In der Fluidführung 24 können sich Axialmoden unterschiedlicher Kreisfrequenzen ω überlagern. In einer Systemanalyse können die einzelnen Axialmoden unterschiedlicher Kreisfrequenzen ω aufgrund des Superpositionsprinzips zunächst separat betrachtet werden, um danach die so ermittelten Einzelergebnisse zu einem Gesamtergebnis aufzusummieren, wobei näherungsweise Linearität unterstellt wird.In the fluid guide 24 Axial modes of different angular frequencies ω can overlap. In a system analysis, the individual axial modes of different angular frequencies ω can initially be considered separately on the basis of the superposition principle, in order then to sum up the individual results determined in this way to give an overall result, assuming approximately linearity.
4 zeigt ein Ersatzschaltbild für die Mechanik eines Lautsprechers 80 im elektrischen Leerlauf (d. h. mit offenen Anschlussklemmen 82, 84) ohne Berücksichtigung einer mechanischen Wechselwirkung der Lautsprechermembrane 70 mit dem Fluid 56. Die Membrane 70 kann Teil eines mechanischen Oszillators 86 sein, der mechanische Schwingungen ausführen kann. Vergleicht man einen Druck p auf die Membrane 70 mit einer elektrischen Spannung Um und eine Auslenkung xm der Membrane 70 mit einer elektrischen Stromstärke Im, kann der mechanische Oszillator 86 als elektrischer Schaltkreis 88 dargestellt werden. In dieser Analogie entspricht dabei eine Masse m der Membrane 70 einer Induktivität Lm, deren Stromstärke ILm (Auslenkung xm) bei Anliegen einer elektrischen Spannung Um (Druck p) aufgrund der Trägheitskraft (Selbstinduktion) von Null aus langsam ansteigt. In der analogen Darstellung entspricht eine Nachgiebigkeit CMS der Lagerung 90 der Membrane 70 einer Kapazität Cm, deren Spannung Um (Federkraft) bei Stromaufnahme ICm (Auslenkung xm) von Null aus langsam ansteigt. 4 shows an equivalent circuit diagram for the mechanics of a loudspeaker 80 in electrical idling (ie with open terminals 82 . 84 ) without consideration of a mechanical interaction of the speaker diaphragm 70 with the fluid 56 , The membrane 70 can be part of a mechanical oscillator 86 be able to perform mechanical vibrations. Comparing a pressure p on the membrane 70 with an electrical voltage U m and a deflection x m of the membrane 70 with an electric current I m , the mechanical oscillator can 86 as an electrical circuit 88 being represented. In this analogy corresponds to a mass m of the membrane 70 an inductance L m whose current intensity I Lm (deflection x m ) when applying an electrical voltage U m (pressure p) due to the inertial force (self-induction) increases slowly from zero. In the analogous representation, a compliance C MS corresponds to the storage 90 the membrane 70 a capacitance C m whose voltage U m (spring force) slowly increases from zero at current consumption I Cm (deflection x m ).
Um das Schwingungsverhalten des mechanischen Oszillators 86 (Membrane 70 mit ihrer federelastisch nachgiebigen Lagerung 90) aktiv beeinflussen zu können, kann die Membrane 70 mit einer Abtriebsseite eines elektromechanischen Antriebs 92 mechanisch verbunden sein. Die Membrane 70 und der elektromechanische Antrieb 92 können mittels eines elektrodynamischen Lautsprechers 80 oder eines elektrodynamischen Mikrophons bereitgestellt werden. Ein elektrodynamischer Lautsprecher ist in der Regel robuster aufgebaut als ein elektrodynamisches Mikrophon, unterscheidet sich aber vom Funktionsprinzip nicht grundlegend davon. Deshalb wird hier für den elektromechanischen Antrieb 92 nur der Begriff ”Lautsprecher” verwendet. Grundsätzlich kann auch ein nicht rückwirkungsfreier, nicht elektrodynamischer Lautsprecher verwendet werden, beispielsweise ein Piezolautsprecher. Eine ggf. vorhandene Druckkammer 94 des Lautsprechers 80 kann in erster Näherung als Teil der Lagerung 90 der Membrane 70 betrachtet werden, welche einen Beitrag zu der Federsteifigkeit D der Lagerung 90 leistet.To the vibration behavior of the mechanical oscillator 86 (Membrane 70 with its springy flexible storage 90 ) can actively influence the membrane 70 with a driven side of an electromechanical drive 92 be mechanically connected. The membrane 70 and the electromechanical drive 92 can by means of an electrodynamic loudspeaker 80 or an electrodynamic microphone. An electrodynamic loudspeaker is generally more robust than an electrodynamic microphone, but does not fundamentally differ from the functional principle. Therefore, here is for the electromechanical drive 92 only the term "speaker" is used. In principle, it is also possible to use a non-reaction-free, non-electrodynamic loudspeaker, for example a piezo loudspeaker. A possibly existing pressure chamber 94 of the speaker 80 can in first approximation as part of storage 90 the membrane 70 which contributes to the spring stiffness D of the bearing 90 guaranteed.
In der Praxis kann davon ausgegangen werden, dass die Induktivität Lm im Ersatzschaltbild 96 des Lautsprechers 80 im Wesentlichen durch die bewegten Massen m von Membrane 70 und der daran befestigten und mitbewegten Spule 98 bzw. (bei feststehender Spule) durch den daran befestigten und mitbewegten Permanentmagneten 100 gebildet wird, also eher nicht durch eine elektrische Kapazität. Die Kapazität Cm im Ersatzschaltbild 96 des Lautsprechers 80 wird im Wesentlichen durch die Nachgiebigkeit CMS der mechanischen Feder 90 gebildet. Je nach Federgüte kann beim Spannen der Feder 90 mittels Verformungsarbeit ein Teil der aus der Trägheitsenergie der Masse m zugeführten Energie in Wärme statt in Federenergie umgewandelt werden. Entsprechend kann beim Entspannen der Feder 90 durch Verformungsarbeit ein Teil der in der Feder 90 gespeicherten Energie in Wärme statt in Trägheitsenergie der Masse m umgewandelt werden, so das die entspannte Feder nicht die Ausgangslänge annimmt, sondern ein Relaxionsrest verbleibt. Die Auslenkung x der Feder 90 ist also verlustbehaftet, sofern das Fluid nicht betrachtet wird. Das Abbremsen und Beschleunigen der Masse m ist jedoch eher nicht verlustbehaftet. Der Verlustwiderstand Rm des mechanischen Systems m des Lautsprechers 80 ist also der Feder 90 zuzuordnen, d. h. im Ersatzschaltbild 96 ausschließlich der Kapazität Cm. Da Energieverluste in der Feder 90 nur während einer Auslenkung xm (entspricht der Stromstärke ICm) der Feder 90 entstehen, also nicht schon allein unmittelbar durch ein Anlegen einer Kraft (als Skalarprodukt eines Druckvektors p mit einem Flächenvektor) an die Masse m (entspricht der elektrischen Spannung UCm) wirkt der Verlustwiderstand Rm im Ersatzschaltbild bei einer Stromstärke ICm durch die Kapazität Cm. Im Ersatzschaltbild 96 ist der mechanische Verlustwiderstand Rm der Feder 90 also in Serie mit der Kapazität Cm anzuordnen. Außerdem hat die Spule 98 aufgrund des begrenzten Leiterquerschnitts und des spezifischen elektrischen Widerstands des Leiters einen eigenen ohmschen Widerstand Rel.In practice, it can be assumed that the inductance L m in the equivalent circuit diagram 96 of the speaker 80 essentially by the moving masses m of membrane 70 and the attached and moved along coil 98 or (in the case of a stationary coil) by the permanent magnet attached thereto and moving along 100 is formed, so rather not by an electrical capacity. The capacity C m in the equivalent circuit diagram 96 of the speaker 80 is essentially due to the compliance C MS of the mechanical spring 90 educated. Depending on the spring quality can be when tensioning the spring 90 By means of deformation work, a part of the energy supplied from the inertial energy of the mass m is converted into heat instead of spring energy. Accordingly, when relaxing the spring 90 by deformation work a part of the spring 90 stored energy is converted into heat instead of inertia energy of the mass m, so that the relaxed spring does not take the initial length, but remains a relaxation residue. The deflection x of the spring 90 is lossy, so long as the fluid is not considered. However, the deceleration and acceleration of the mass m is rather not lossy. The loss resistance R m of the mechanical system m of the loudspeaker 80 is the spring 90 assigned, ie in the equivalent circuit diagram 96 excluding the capacity C m . Because energy losses in the spring 90 only during a deflection x m (corresponds to the current I Cm ) of the spring 90 arise, so not alone directly by applying a force (as the scalar product of a pressure vector p with a surface vector) to the mass m (corresponding to the electrical voltage U Cm ), the loss resistance R m in the equivalent circuit at a current strength I Cm by the capacitance C. m . In the equivalent circuit diagram 96 is the mechanical loss resistance R m of the spring 90 So to arrange in series with the capacity C m . Besides, the coil has 98 due to limited conductor cross-section and the electrical resistivity of the conductor has its own ohmic resistance R el .
5 zeigt ein Ersatzschaltbild 102 eines elektrodynamischen Lautsprechers 80 aus Sicht seiner elektrischen Anschlussklemmen 82, 84. Die Spule 98 eines elektrodynamischen Antriebs 92 eines Lautsprechers 80 hat (von dem Klemmenverhalten her betrachtet) in der Praxis eine Induktivität Lel; bei optimaler Abstimmung des mit dem Lautsprecher 80 verbundenen magnetischen, mechanischen und akustischen Systems, entspricht der elektrodynamische Antrieb 92 des Lautsprechers 80 (von seinem Klemmenverhalten her gesehen) der Eingangs- bzw. Ausgangswicklung eines Transformators 104. Hierbei wird eine an der jeweils anderen Wicklung angeschlossene Impedanz mit einem Übersetzungsverhältnis (n1/n2)1/2 bzw. (n2/n1)1/2 so auf die betrachtete Eingangs- oder Ausgangswicklung des Transformators 104 gespiegelt, als wenn es den Transformator 104 gar nicht gäbe. In einer ersten Näherung kann man also, sofern das Übersetzungsverhältnis n2/n1 des Transformators 104 berücksichtigt wird, das elektrische Ersatzschaltbild 102 für den mechanischen Oszillator 86 als mit der elektrischen Last und/oder Spannungsquelle Zel für den Lautsprecher 80 direkt angeschlossen betrachten (6). 5 shows an equivalent circuit diagram 102 an electrodynamic loudspeaker 80 from the point of view of its electrical connection terminals 82 . 84 , The sink 98 an electrodynamic drive 92 a speaker 80 has (in terms of terminal behavior) in practice an inductance L el ; with optimal tuning of the speaker 80 connected magnetic, mechanical and acoustic system, corresponds to the electrodynamic drive 92 of the speaker 80 (Seen from its terminal behavior ago) the input and output winding of a transformer 104 , In this case, an impedance connected to the respective other winding with a transmission ratio (n1 / n2) 1/2 or (n2 / n1) 1/2 is thus applied to the considered input or output winding of the transformer 104 mirrored, as if it were the transformer 104 not at all. In a first approximation one can therefore, provided that the transmission ratio n2 / n1 of the transformer 104 is taken into account, the electrical equivalent circuit diagram 102 for the mechanical oscillator 86 as with the electrical load and / or voltage source Z el for the speaker 80 look directly connected ( 6 ).
Da es sich bei einem elektrodynamischen Lautsprecher 80 um ein nicht-rückwirkungsfreies System handelt, kann das entsprechende Ersatzschaltbild 108 des Lautsprechers 80 so aussehen, wie in 7 dargestellt. Der akustische Schallwellenleiter 24 (Fluidführung) wird mit einem elektrodynamischen Lautsprecher 80 also mit folgender Impedanz Z abgeschlossen: Zm = ωLm || (1/(ωCm) + Rm) || (Rel + ZeL) mit a || b = ab/(a + b). Zur Induktivität Lm im Ersatzschaltbild 102 des Lautsprechers 80 kann außer der Masse m auch eine elektrische Eigeninduktivität Lel der mitbewegten bzw. feststehenden Spule beitragen.As is the case with an electrodynamic loudspeaker 80 is a non-feedback-free system, the equivalent equivalent circuit diagram 108 of the speaker 80 look like, like in 7 shown. The acoustic sound wave guide 24 (Fluid guide) comes with an electrodynamic speaker 80 thus concluded with the following impedance Z: Z m = ωL m || (1 / (ωC m ) + R m ) || (R el + Z eL ) with a || b = ab / (a + b). For the inductance L m in the equivalent circuit diagram 102 of the speaker 80 In addition to the mass m, an electrical self-inductance L el of the co-moving or stationary coil can also contribute.
Mittels Anschluss einer elektrischen Impedanz Zel an den Anschlussklemmen 82, 84 des Lautsprechers 80 kann das Schwingungsverhalten der Gesamtanordnung Zm beeinflusst werden. Wenn die Impedanz Zel ein Schwingkreis 110 ist, der eine Eigenkreisfrequenz ω0S hat, die von der des Lautsprechers 80 abweicht, und wenn auf die Lautsprechermembrane 70 eine Fluid- oder Schalldruckwelle 64 mit einer Kreisfrequenz einwirkt, die deutlich näher an der Eigenkreisfrequenz ω0m des Lautsprechers 80 liegt als an der Eigenkreisfrequenz ω0S des Schwingkreises 110 der Impedanz Zel, wird nur der Schwingkreis 102 des Lautsprechers 80 zu Schwingungen angeregt, die angeschlossene Impedanz Zel jedoch nicht. Wenn aber auf die Lautsprechermembrane 70 eine Fluid- oder Schalldruckwelle 64 mit einer Kreisfrequenz ω einwirkt, die deutlich näher an der Eigenkreisfrequenz ω0S des Schwingkreises 110 der Impedanz Zel liegt als an der Eigenkreisfrequenz ω0m des Lautsprechers 80, kann die Lautsprechermembrane 70 zwar durch die Schwingung der Fluid- bzw. Schalldruckwelle 64 bewegt werden, so dass der Lautsprecher 80 als Wechselspannungsquelle wirkt und die angeschlossene Impedanz Zel anregt. Wegen des Unterschieds zur Eigenkreisfrequenz ω0m des Lautsprechers 80 ist die Schwingung der Lautsprechermembrane 70 dann aber gedämpft.By connecting an electrical impedance Z el to the terminals 82 . 84 of the speaker 80 the vibration behavior of the overall arrangement Z m can be influenced. If the impedance Z el a resonant circuit 110 is that has a natural angular frequency ω 0S , that of the speaker 80 deviates, and if on the speaker diaphragm 70 a fluid or sound pressure wave 64 with an angular frequency that is significantly closer to the natural angular frequency ω 0m of the speaker 80 is as at the natural angular frequency ω 0S of the resonant circuit 110 the impedance Z el , only the resonant circuit 102 of the speaker 80 excited to vibrations, the connected impedance Z el but not. But if on the speaker membrane 70 a fluid or sound pressure wave 64 acting with an angular frequency ω, which is significantly closer to the natural angular frequency ω 0S of the resonant circuit 110 the impedance Z el is as at the natural angular frequency ω 0m of the speaker 80 , the speaker diaphragm can 70 although by the vibration of the fluid or sound pressure wave 64 be moved so that the speaker 80 acts as an AC voltage source and the connected impedance Z el excites. Because of the difference to the natural angular frequency ω 0m of the speaker 80 is the vibration of the speaker diaphragm 70 but then muffled.
Die Eigenkreisfrequenz ω0S eines LC-Schwingkreises berechnet sich aus der Kapazität C und der Induktivität L mit ω0S = LC–½. Um beispielsweise eine Resonanz des mechanischen Systems des Lautsprechers 80 bei 10 kHz zu erreichen, müsste bei Verwendung einer stabilen (und daher nicht als massearm anzunehmenden) Membrane 70 die Nachgiebigkeit CMS der Feder 90 verhältnismäßig klein sein. Eine vorteilhafte Anordnung besteht darin, die Membrane 70 mit einer verhältnismäßig steifen Feder 90 zu lagern, also einen Lautsprecher 80 vorzusehen, dessen Resonanzkreisfrequenz ω0m bewusst außerhalb einer zu dämpfenden Kreisfrequenz ω liegt und durch die Schwingkreisdämpfung 1/Q bedingte Energieverluste mittels Zuführung von (vorzugsweise elektrischer) Schwingungsenergie zu ersetzen. Der Lautsprecher 80 kann dann gemeinsam mit der elektrischen Beschaltung Zel einen knapp unterkritischen Oszillator Zm bilden, der bei geringer Zufuhr von fluidischer oder Schallenergie mit seiner Eigenkreisfrequenz zu schwingen beginnt und eine Schwingamplitude A entsprechend der Schwingperiode und der Schnelle vs des anregenden Fluids annimmt.The natural angular frequency ω 0S of an LC resonant circuit is calculated from the capacitance C and the inductance L with ω 0S = LC -½ . For example, a resonance of the mechanical system of the speaker 80 Achieving 10 kHz would require the use of a stable (and therefore not as low-mass) membrane 70 the compliance C MS of the spring 90 be relatively small. An advantageous arrangement is the membrane 70 with a relatively stiff spring 90 to store, so a speaker 80 to provide, whose resonant circuit frequency ω 0m is deliberately outside of an angular frequency to be damped ω and to replace by the resonant circuit damping 1 / Q conditioned energy losses by supplying (preferably electrical) vibration energy. The speaker 80 can then form together with the electrical wiring Z el a just subcritical oscillator Z m , which begins to oscillate at low supply of fluidic or acoustic energy with its natural angular frequency and an oscillation amplitude A corresponding to the oscillation period and the speed v s of the exciting fluid.
Nach der Leitungstheorie ist für eine optimale Schalldämpfung, d. h. eine Schalldämpfung ohne resultierenden Pointing-Vektor in Ausbreitungs- oder Reflektionsrichtung, eine Leistungsanpassung erforderlich. Dafür muss der Lautsprecher 80 gemeinsam mit der elektrischen Impedanz Zel eine akustische Abschlussimpedanz Zm bilden, die möglichst genau dem konjugiert komplexen Schallwellenwiderstand ZF* des Fluidabschnitts vor der Grenzfläche 66 entspricht. Damit verhält sich der Lautsprecher 80 aus Sicht des Fluids 56 so, als wenn es den Lautsprecher 80 gar nicht gäbe, d. h. so, als wenn sich das Fluid 56 mit unveränderter Geometrie und Dynamik bis ins Unendliche fortsetzen würde. Der Realteil Re(ZF) des komplexen Schallwellenwiderstands ZF berechnet sich mit Re(ZF) = ρvF (Fluiddichte mal Schallgeschwindigkeit). Er kann also von der Temperatur τ des Fluids 56 (Abgases) und der Zusammensetzung des Stoffgemischs des Fluids 56 abhängig sein. Die Schallgeschwindigkeit ist typischerweise proportional zur Wurzel aus der absoluten Temperatur τ des Fluids 56.According to the theory of conducts, power adaptation is required for optimum sound damping, ie sound attenuation without a resulting pointing vector in the propagation or reflection direction. This requires the speaker 80 together with the electrical impedance Z el form an acoustic termination impedance Z m , which is as precisely as possible the conjugate complex acoustic impedance Z F * of the fluid section in front of the interface 66 equivalent. This behaves the speaker 80 from the perspective of the fluid 56 as if it were the speaker 80 not at all, ie as if the fluid were 56 with unchanged geometry and dynamics would continue to infinity. The real part Re (Z F ) of the complex acoustic impedance Z F is calculated as Re (Z F ) = ρv F (fluid density times the speed of sound). So he can from the temperature τ of the fluid 56 (Exhaust gas) and the composition of the mixture of the fluid 56 be dependent. The speed of sound is typically proportional to the root of the absolute temperature τ of the fluid 56 ,
Zum besseren Verständnis kann angemerkt werden, dass sich der Realteil Re(ZF) des komplexen Schallwellenwiderstands ZF aus Größen ρ, vF berechnet, die vor allem Schallwellenlänge Λ und Kreisfrequenz ω der Schallwellen 64, 68 beeinflussen, einen Energieverlust oder eine damit einhergehende Amplitudenänderung jedoch eher nicht beeinflussen. Im Gegensatz dazu bestimmt ein Imaginärteil Im(ZF) des komplexen Schallwellenwiderstandes ZF einen Energieverlust über eine ”Leitungslänge” der Fluidzuführung 24 und eine damit einhergehende Amplitudenänderung. Ein Imaginärteil Im(ZF) des Schallwellenwiderstands ZF beeinflusst die Schallwellenlänge Λ und Kreisfrequenz ω der Schallwellen 64, 68 jedoch nicht. For a better understanding v F may be noted that the real part Re (Z F) of the complex acoustic wave impedance Z F ρ of sizes calculated, the ω especially acoustic wavelength Λ and angular frequency of the sound waves 64 . 68 rather, they do not tend to affect an energy loss or an associated amplitude change. In contrast, an imaginary part Im (Z F ) of the complex acoustic wave resistance Z F determines an energy loss over a "line length" of the fluid supply 24 and a concomitant amplitude change. An imaginary part Im (Z F ) of the acoustic impedance Z F influences the sound wave length Λ and the angular frequency ω of the sound waves 64 . 68 However not.
Wenn die Membrane 70 mit genau derselben Kreisfrequenz ω wie die Fluidteilchen an ihrer Grenzfläche 66 schwingt und außerdem eine Auslenkung xF der Fluidteilchen mit der Auslenkung xm der Membrane 70 exakt in Phase ist, kann die Membrane 70 keinen Druck p von den Fluidteilchen aufnehmen, und es kann dann auch keine Arbeit an der Membrane 70 verrichtet werden. Da aber der Leistungsfluss des Pointing-Vektors erhalten bleiben muss, führt diese Betriebsweise zu einer Umlenkung des Pointing-Vektors in Gegenrichtung, also zu einer Reflektion der Schallwelle 64 an der schwingenden Membrane. Im Gegensatz zu der Reflektion an der starren, schallharten Membrane, bei der sich die Wellenrichtung unter Beibehaltung des Amplitudenvorzeichens umkehrt, invertiert auch das Amplitudenvorzeichen bei Reflektion am ”schallweichen” Abschluss. Die Amplitude xmA der Auslenkung von Fluidteilchen von Abgas kann wie folgt abgeschätzt werden. Die Schallkennimpedanz ZF von Luft bei 20° beträgt unter Normalbedingungen 413 Ns/m3. Die Schallgeschwindigkeit cF von Fluiden ist proportional zur Wurzel aus der absoluten Fluidtemperatur τ. Die Abgasdichte ρ berechnet sich mit ρ = p/(R·τ) mit p = Abgasdruck und R = 287 Nm/(kg·K) = Allgemeine Gaskonstante. Die Schallkennimpedanz ZF berechnet sich mit ZF = cFρ und ist folglich proportional zu 1/√(τ). Folglich ist zu erwarten, dass die Schallkennimpedanz ZF300 von Abgas bei 300°C sich grob wie folgt berechnet: ZF300 = (413 Ns/m3)·√(293 K/573 K) = 295 Ns/m3. Die Schallauslenkung ξ berechnet sich mit ξ = p/(ωZF). Für Abgas bei 300°C berechnet sich die Schallauslenkung bei 1000 Hz also mit ξ300 = p·5,4·10–7·m3/Ns. Um beispielsweise bei 1000 Hz mittels einer aktiven Membrane einen Schalldruck von 1000 Pa = 1000 N/m2 dämpfen zu können, müsste sie einen Hub in Höhe der Schallauslenkung von ξ300 = 5,4·10–4 m = 0,54 mm ausführen. Bei höheren oder niedrigeren Schalldrücken p ist es entsprechend mehr oder weniger. Bei 1000 Hz und einem Maximalhub der Membrane von 5 mm Schall kann also ein Schalldruck von bis zu ca. 10 kPa gedämpft werden, ohne dass es zu einer mechanischen Übersteuerung und damit einhergehenden Reflektionen an der Membrane kommt.If the membrane 70 with exactly the same angular frequency ω as the fluid particles at their interface 66 and in addition a deflection x F of the fluid particles with the deflection x m of the membrane 70 is exactly in phase, the membrane can 70 do not absorb pressure p from the fluid particles, and then no work can be done on the membrane 70 be performed. However, since the power flow of the pointing vector must be maintained, this mode of operation leads to a deflection of the pointing vector in the opposite direction, ie to a reflection of the sound wave 64 on the oscillating membrane. In contrast to the reflection on the rigid, reverberant membrane, in which the wave direction reverses while maintaining the amplitude sign, the amplitude sign also inverts when reflected at the "soft sounding" termination. The amplitude x mA of the deflection of fluid particles of exhaust gas can be estimated as follows. The acoustic characteristic impedance Z F of air at 20 ° is 413 Ns / m 3 under normal conditions. The speed of sound c F of fluids is proportional to the root of the absolute fluid temperature τ. The exhaust gas density ρ is calculated as ρ = p / (R · τ) with p = exhaust gas pressure and R = 287 Nm / (kg · K) = general gas constant. The acoustic characteristic impedance Z F is calculated as Z F = c F ρ and is therefore proportional to 1 / √ (τ). Consequently, it is expected that the acoustic characteristic impedance Z F300 of exhaust gas at 300 ° C is roughly calculated as follows: Z F300 = (413 Ns / m 3 ) · √ (293 K / 573 K) = 295 Ns / m 3 . The sound deflection ξ is calculated with ξ = p / (ωZ F ). For exhaust gas at 300 ° C, the sound deflection at 1000 Hz is calculated as ξ 300 = p · 5.4 · 10 -7 · m 3 / Ns. For example, in order to be able to attenuate a sound pressure of 1000 Pa = 1000 N / m 2 at 1000 Hz by means of an active diaphragm, it would have to execute a stroke at the level of the sound deflection of ξ 300 = 5.4 × 10 -4 m = 0.54 mm , At higher or lower sound pressures p, it is correspondingly more or less. At 1000 Hz and a maximum lift of the membrane of 5 mm sound, a sound pressure of up to approx. 10 kPa can thus be damped, without any mechanical overload and concomitant reflections on the diaphragm.
Nun wird unterstellt, dass der Lautsprecher 80 gemeinsam mit der elektrischen Beschaltung Zel einen knapp unterkritischen Oszillator Zm bildet. Wenn die Membrane 70 mit genau derselben Kreisfrequenz ω wie die Fluidteilchen an ihrer Grenzfläche 66 schwingt und die Auslenkung xF der Fluidteilchen der Auslenkung xm der Membrane 70 um 90° voreilt, kann von den Fluidteilchen ein maximaler Fluid- oder Schalldruck p auf die Membrane 70 ausgeübt werden und eine maximale Arbeit an der Membrane 70 verrichtet werden. Diese Betriebsart kann aber dazu führen, dass die durch die Fluidteilchen zugeführte Energie die effektive Dämpfung des leicht unterkritischen Oszillators Zm überwiegt und sich das Lautsprechersystem 80 aufgrund Resonanz zu immer höheren Amplituden Am aufschaukelt. Damit würde dann letztlich auch die Schwingung der Membrane 70 hinsichtlich der Phase αF außer Tritt kommen. Ein Betrieb des Lautsprechers 80 mit Leistungsanpassung zeichnet sich bei konstanter Schallkreisfrequenz ω also dadurch aus, dass die Phase der Schwingung der Membrane 70 kontinuierlich so angepasst wird, dass mechanische und elektrische Dämpfungsverluste im Abschluss Zm gerade eben ausgeglichen werden.Now assume that the speaker 80 together with the electrical wiring Z el forms a subcritical oscillator Z m . If the membrane 70 with exactly the same angular frequency ω as the fluid particles at their interface 66 oscillates and the deflection x F of the fluid particles of the deflection x m of the membrane 70 advanced by 90 °, from the fluid particles a maximum fluid or sound pressure p on the membrane 70 be exercised and a maximum work on the membrane 70 be performed. However, this mode of operation can cause the energy supplied by the fluid particles to outweigh the effective attenuation of the slightly subcritical oscillator Z m and the loudspeaker system 80 due to resonance to ever higher amplitudes A m aufkelt. This would then ultimately the vibration of the membrane 70 with respect to the phase α F out of step. An operation of the speaker 80 with power adjustment is thus characterized by a constant sound circuit frequency ω in that the phase of the vibration of the membrane 70 is continuously adjusted so that mechanical and electrical damping losses in the final Z m just be compensated.
8 zeigt eine Regelungsschaltung 112 zur Leistungsanpassung. Wie auch sonst bei Wechselstrommaschinen üblich, entspricht die Phase αel der Lautsprecherspannung Uel aufgrund des Induktionsgesetzes der periodischen Auslenkungsänderung dx/dt. Die Phase des Lautsprecherstroms Iel hingegen entspricht aufgrund der Lorentzkraft der periodischen Fluiddruckänderung, also dem Schalldruck p. Folglich kann mittels eines Spannungsdetektors 114 für die Lautsprecherspannung Uel, eines Stromdetektors 116 für den Lautsprecherstrom Iel und einem Phasenvergleicher 118 ein Phasenwinkel αm zwischen dem Schalldruck p und der Fluidauslenkung xm an der Grenzfläche 66 bestimmt werden. Dieser Phasenwinkel αm kann in einem Phasenregelkreis 120 als Regelgröße mit einem Sollwert verglichen werden, um die Resonanzkreisfrequenz ω des elektrischen Schwingkreises 110 geringfügig zu erhöhen, wenn der Phasenwinkel αm größer als der Sollwert ist und um die Resonanzkreisfrequenz ω des elektrischen Schwingkreises 110 geringfügig zu verringern, wenn der Phasenwinkel αm kleiner als der Sollwert ist. 8th shows a control circuit 112 for performance adjustment. As is usual with alternating current machines, the phase α el of the loudspeaker voltage U el corresponds to the periodic displacement change dx / dt due to the law of induction. The phase of the loudspeaker current I el, on the other hand, corresponds to the periodic fluid pressure change, ie the sound pressure p, due to the Lorentz force. Consequently, by means of a voltage detector 114 for the loudspeaker voltage U el , a current detector 116 for the loudspeaker current I el and a phase comparator 118 a phase angle α m between the sound pressure p and the fluid displacement x m at the interface 66 be determined. This phase angle α m can be in a phase-locked loop 120 be compared as a control variable with a desired value to the resonant circuit frequency ω of the electrical resonant circuit 110 slightly increase when the phase angle α m is greater than the desired value and the resonant circuit frequency ω of the electrical resonant circuit 110 slightly decrease when the phase angle α m is smaller than the setpoint.
Zusätzlich kann aus der Amplitude des erfassten Verlaufs der Spannung Uel und der Amplitude des erfassten Verlaufs des Stroms Iel eine Scheinleistung ermittelt werden und in einem Amplitudenregelkreis 122 mit einem Sollwert verglichen werden, um eine Energiezufuhr zu dem Schwingkreis 110 zu erhöhen, wenn die Scheinleistung kleiner als der Sollwert ist, und um die Scheinleistung des Schwingkreises 110 zu verringern, wenn die Scheinleistung den Sollwert übersteigt.In addition, an apparent power can be determined from the amplitude of the detected curve of the voltage U el and the amplitude of the detected curve of the current I el and in an amplitude-locked loop 122 be compared with a setpoint to a power supply to the resonant circuit 110 increase if the apparent power is less than the setpoint, and the apparent power of the resonant circuit 110 decrease when the apparent power exceeds the setpoint.
Jeder der Axialmoden 64 kann mittels des breitbandigen Lautsprechers 80 gleichzeitig mit dem Filter 111 wechselwirken. Das Filter 111 kann ein Butterworth-Filter umfassen. Das Filter 111 kann für jede zu dämpfende Axialmoden (d. h. jede zu dämpfende Frequenz) einen eigenen Schwingkreis 110 umfassen. Eine Resonanzkreisfrequenz ωel eines Schwingkreises 110 des Filters 111 bzw. Resonanzfrequenzen mehrerer Schwingkreise 110 des Filters 111 kann an die jeweils zu dämpfende bzw. die jeweils zu dämpfenden Frequenzen f anpassbar sein. Each of the axial modes 64 can by means of the broadband speaker 80 simultaneously with the filter 111 interact. The filter 111 may include a Butterworth filter. The filter 111 For each axial mode to be damped (ie each frequency to be damped) it can have its own resonant circuit 110 include. A resonant circuit frequency ω el of a resonant circuit 110 of the filter 111 or resonant frequencies of several resonant circuits 110 of the filter 111 can be adaptable to the respectively to be damped or the respectively to be damped frequencies f.
9 zeigt ein schematisches Schaltbild der elektrischen Last und/oder Spannungsquelle Zel mit einem ersten Filter 110. Die elektrische Last und/oder Spannungsquelle Zel kann einen halbleitergesteuerten Wechselrichter oder Umrichter 128 umfassen. Der Wechselrichter bzw. Umrichter 128 kann ein Vierquadranten-Wechselrichter bzw. Vierquadranten-Umrichter sein. Der Wechselrichter bzw. Umrichter 128 kann an einer Spannungs- oder Stromquelle 150 angeschlossen sein. Auf der Versorgungsseite des Wechselrichters bzw. Umrichters 128 kann eine Impedanz 148 angeschlossen sein. 9 shows a schematic diagram of the electrical load and / or voltage source Z el with a first filter 110 , The electrical load and / or voltage source Z el may be a semiconductor-controlled inverter or inverter 128 include. The inverter or inverter 128 can be a four-quadrant inverter or four-quadrant inverter. The inverter or inverter 128 can be connected to a voltage or current source 150 be connected. On the supply side of the inverter or converter 128 can be an impedance 148 be connected.
10 zeigt schematisch ein zweites Filter 110, das alternativ oder additiv zu dem ersten Filter verwendet werden kann. 11 zeigt schematisch ein drittes Filter 110, das alternativ oder additiv zu dem ersten Filter verwendet werden kann. 12 zeigt schematisch ein viertes Filter 110, das alternativ oder additiv zu dem ersten Filter verwendet werden kann. 10 schematically shows a second filter 110 which can be used alternatively or in addition to the first filter. 11 schematically shows a third filter 110 which can be used alternatively or in addition to the first filter. 12 schematically shows a fourth filter 110 which can be used alternatively or in addition to the first filter.
13 zeigt einen schematischen Querschnitt eines aktiven Schalldämpfers 10 in einer ersten Ausführungsform. Der Schalldämpfer 10 umfasst ein Einlassrohr 142 mit einer Kühlrippe 152, einen trompetenförmigen Zwischenabschnitt 144, einen Abzweigteil 26 und ein Stellglied Zm. Die Fluidzuführung 24 ist koaxial zu dem Einlassrohr 142. Zum Schutz der Membrane 70 vor zu großen Abgas-Pulsationen, vor Funkenflug und vor Verbrennungsrückständen kann die Fluidführung ein perforiertes Schirmblech 25 aufweisen. 13 shows a schematic cross section of an active silencer 10 in a first embodiment. The silencer 10 includes an inlet tube 142 with a cooling fin 152 , a trumpet-shaped intermediate section 144 , a branch part 26 and an actuator Z m . The fluid supply 24 is coaxial with the inlet pipe 142 , To protect the membrane 70 before too large exhaust gas pulsations, before flying sparks and before combustion residues, the fluid guide, a perforated shield plate 25 exhibit.
14 zeigt einen schematischen Querschnitt eines aktiven Schalldämpfers 10 in einer zweiten Ausführungsform. Der Schalldämpfer 10 umfasst gleiche Bauteile wie der aktive Schalldämpfer 10 der ersten Ausführungsform. Die Fluidzuführung 24 weist zwischen dem Abzweigteil 26 und dem Stellglied Zm eine Rohrkrümmung 146 auf. 14 shows a schematic cross section of an active silencer 10 in a second embodiment. The silencer 10 includes the same components as the active silencer 10 the first embodiment. The fluid supply 24 points between the branch part 26 and the actuator Z m a pipe bend 146 on.
15 zeigt einen schematischen Querschnitt eines aktiven Schalldämpfers 10 in einer dritten Ausführungsform, wobei die Rohrkrümmung 146 einen rechtwinkligen Verlauf aufweist. 15 shows a schematic cross section of an active silencer 10 in a third embodiment, wherein the pipe bend 146 has a right-angled course.
16 zeigt einen schematischen Querschnitt eines aktiven Schalldämpfers 10 in einer vierten Ausführungsform, wobei das Einlassrohr 142 trompetenförmig ist, die Fluidführung 24 einen kegelstumpfförmigen Abschnitt aufweist und die Rohrkrümmung 146 einen rechtwinkligen Verlauf aufweist. 16 shows a schematic cross section of an active silencer 10 in a fourth embodiment, wherein the inlet pipe 142 is trumpet-shaped, the fluid guide 24 has a frusto-conical portion and the tube curvature 146 has a right-angled course.
17 zeigt einen schematischen Querschnitt eines aktiven Schalldämpfers 10 in einer fünften Ausführungsform, wobei das Einlassrohr 142 trompetenförmig ist und die Fluidführung 24 einen kegelstumpfförmigen Abschnitt und einen Abschnitt mit einer Rohrkrümmung 146 aufweist. 17 shows a schematic cross section of an active silencer 10 in a fifth embodiment, wherein the inlet pipe 142 is trumpet-shaped and the fluid guide 24 a frustoconical portion and a portion with a tube curvature 146 having.
18 zeigt einen schematischen Querschnitt eines aktiven Schalldämpfers 10 in einer sechsten Ausführungsform, wobei das Einlassrohr 142 trompetenförmig ist, die Fluidführung 24 einen kegelstumpfförmigen Abschnitt aufweist und die Fluidzuführung koaxial zu dem Einlassrohr 142 ist. 18 shows a schematic cross section of an active silencer 10 in a sixth embodiment, wherein the inlet pipe 142 is trumpet-shaped, the fluid guide 24 a frustoconical portion and the fluid supply coaxial with the inlet tube 142 is.
19 zeigt einen schematischen Überblick über eine Anlage 12 mit einer zweiten Schalldämpferanordnung. Eine Übereinstimmung zwischen Schalleingangsimpedanz ZF des Fluidausgangs 134 des zweiten Schalldämpfers 132 und Schallkennimpedanz ZF des Fluids 56 kann innerhalb eines gesamten Temperaturbereichs zwischen 100°C und 400°C, insbesondere zwischen 200°C und 300°C, erfüllt sein. Dadurch kann eine Reflektion von rücklaufenden Schallwellen 68 an dem Fluidausgang 134 des zweiten Schalldämpfers 132 vermieden werden. 19 shows a schematic overview of a plant 12 with a second muffler assembly. A match between the sound input impedance Z F of the fluid output 134 of the second silencer 132 and acoustic impedance Z F of the fluid 56 may be satisfied within a whole temperature range between 100 ° C and 400 ° C, especially between 200 ° C and 300 ° C. This can be a reflection of returning sound waves 68 at the fluid outlet 134 of the second silencer 132 be avoided.
20 zeigt einen schematischen Überblick über eine passive Anlage 12 mit einer dritten Schalldämpferanordnung mit einem Schallschirmgitter 136, in der die Fluidführung 24 rückgekoppelt und in zwei unterschiedlich lange Fluidführungen 241, 242 aufgeteilt ist, so dass sich jede Axialmode im Laufe mehrerer Umläufe durch die Fluidführung 24 selbst auslöscht, ohne in den Fluidauslass 28 zu gelangen. 20 shows a schematic overview of a passive system 12 with a third muffler assembly with a screen grille 136 in which the fluid guide 24 fed back and in two different lengths of fluid guides 241 . 242 is split, so that each axial mode in the course of several rounds through the fluid guide 24 itself extinguished without entering the fluid outlet 28 to get.
Um folgende Erläuterungen überschaubar zu halten, werden ohne Beschränkung der Allgemeinheit idealisierende Annahmen getroffen: 1. Der Betrieb der Kolbenmaschine 16 und der Abgasanlage 14 ist stationär, d. h. u. a., dass er mit konstanter Drehzahl der Kolbenmaschine 16 und bei konstanter Betriebstemperatur τ erfolgt. 2. Im betrachteten Teil der Abgasanlage 14 finden nur adiabatische Zustandsänderungen statt. D. h. es wird bis zum Ende des Abgasrohrs 28 keine Wärme abgeführt und keine Wärme zugeführt.In order to keep the following explanations straightforward, idealizing assumptions are made without limiting the general public: 1. The operation of the reciprocating engine 16 and the exhaust system 14 is stationary, dhua, that he is at constant speed of the piston engine 16 and at constant operating temperature τ takes place. 2. In the considered part of the exhaust system 14 only adiabatic state changes take place. Ie. It will be until the end of the exhaust pipe 28 no heat dissipated and no heat supplied.
Das Frequenzspektrum (die Fouriertransformierte) des pneumatischen Drucks bzw. Schalldrucks am Ausgang des Vorschalldämpfers 22 kann ausgeprägte Frequenzlinien aufweisen, die sich aus dem Rauschanteil des Frequenzspektrums herausheben. Eine höhere Anforderung an die aktive Schalldämpfung besteht dann, wenn das Frequenzspektrum (Fouriertransformierte) des pneumatischen Drucks bzw. Schalldrucks am Ausgang des Vorschalldämpfers 22 nur aus einem Rauschen besteht, also gar keine ausgeprägten Frequenzlinien aufweist, die sich aus dem Rauschanteil des Frequenzspektrums herausheben. Ein großer Rauschanteil kann z. B. entstehen, wenn sich in einem Vorschalldämpfer 22 viele unterschiedliche Arten von Moden ausbilden können und miteinander interferieren. Dieser Fall, in welchem der Vorschalldämpfer an seinem Ausgang ein Rauschen ohne ausgeprägte Frequenzlinien liefert, wird im Folgenden betrachtet. Das Rauschen des Fluid- oder Schalldrucks enthält im Bereich der betrachteten Frequenzen alle Frequenzen mit allen Phasenlagen. Auf einen solchen rauschen-artigen Fluid- oder Schalldruck kann eine aktive Schalldämpfung Zm bestenfalls reagieren, wenn momentane Frequenzanteile des Rauschens mit ihren jeweiligen Phasenlagen mittels eines Sensors rechtzeitig gemessen werden, so dass eine synchrone Anpassung der Auslenkung xm der Membrane 70 möglich ist.The frequency spectrum (the Fourier transform) of the pneumatic pressure or sound pressure at the output of the pre-silencer 22 may have pronounced frequency lines resulting from the noise component of the frequency spectrum lift out. A higher requirement for the active sound attenuation exists if the frequency spectrum (Fourier transform) of the pneumatic pressure or sound pressure at the output of the pre-silencer 22 only consists of a noise, so has no pronounced frequency lines that stand out from the noise component of the frequency spectrum. A large amount of noise can z. B. arise when in a pre-muffler 22 many different types of modes can form and interfere with each other. This case, in which the pre-silencer provides noise without pronounced frequency lines at its output, is considered below. The noise of the fluid or sound pressure contains in the range of the frequencies considered all frequencies with all phases. At such a noise-like fluid or sound pressure active muffling Z m can respond at best, if instantaneous frequency components of the noise with their respective phase angles are measured by a sensor in time, so that a synchronous adjustment of the deflection x m of the membrane 70 is possible.
Nun werden zu den idealisierenden Annahmen noch folgende hinzugefügt: 3. Der Ausgang des Vorschalldämpfers 22 wird als Fluiddruck- bzw. Schallquelle angesehen. 4. Ein größter Durchmesser der Abgasführung der Abgasanlage ist kleiner als die halbe Wellenlänge der höchsten zu betrachtenden Frequenz. 5. Der betrachtete Teil der Abgasführung 24 ist über seine gesamte Länge rotationssymmetrisch. 6. Eine Reibung des Fluids an Wandungen der Fluidführung 24 ist vernachlässigbar. 7. Körperschall bleibt unbetrachtet. 8. Bei der Bestimmung der Position eines Fluidteilchens bleibt die Brownsche Molekularbewegung unberücksichtigt. 9. Sowohl Fluid 56 als auch die Abgasanlage 14 sind linear und zeitinvariant (LTI-System).Now the following are added to the idealizing assumptions: 3. The output of the pre-silencer 22 is considered as fluid pressure or sound source. 4. A maximum diameter of the flue gas exhaust system is smaller than half the wavelength of the highest frequency to be considered. 5. The considered part of the exhaust system 24 is rotationally symmetric over its entire length. 6. A friction of the fluid to walls of the fluid guide 24 is negligible. 7. Structure-borne sound remains unnoticed. 8. In determining the position of a fluid particle, Brownian motion is ignored. 9. Both fluid 56 as well as the exhaust system 14 are linear and time-invariant (LTI system).
Der Vorschalldämpfer 22 liefert an seinem Ausgang einen zeitabhängigen (hier annahmegemäß nur rauschen-artigen) pneumatischen oder akustischen Wechseldruck. Betrachtet man ein einzelnes Fluidteilchen, so hat das Fluidteilchen unter Annahme 7 zu jedem Moment des stationären Betriebs eine diracstoß-artige – also nicht verschmierte – räumliche Aufenthaltswahrscheinlichkeitsverteilung. Aufgrund der Annahmen 4 bis 6 können sich in der Abgasanlage nur Axialmoden von Longitudinalwellen ausbilden. Daraus folgt auch, dass pneumatische und akustische Ausbreitungsrichtung identisch sind.The front silencer 22 provides at its output a time-dependent (here, according to assumptions only noise-like) pneumatic or acoustic alternating pressure. Considering a single fluid particle, assuming 7 at each instant of steady state operation, the fluid particle has a dirac-like, ie not blurred, spatial probability distribution. On the basis of assumptions 4 to 6, only axial modes of longitudinal waves can form in the exhaust system. It also follows that pneumatic and acoustic propagation directions are identical.
In Abschnitten mit konstantem Durchmesser der Fluidführung 24 bleibt eine relative Position eines jeden Fluidteilchens in seiner Fluidfläche zu einem jedem anderen Fluidteilchen, das sich ebenfalls in der betrachteten Fluidfläche befindet, erhalten. Unter Fluidfläche wird hier eine Fluidfläche verstanden, deren Hauptachse mit der Hauptachse 74 der Abgasführung deckungsgleich ist, also auch deckungsgleich oder parallel zur der Ausbreitungsrichtung. In Bereichen, in denen der Durchmesser der Fluidführung 24 konstant ist, bewegt sich das Fluidteilchen gemeinsam und kohärent mit den anderen Fluidteilchen derselben Fluidfläche durch die Abgasanlage 14.In constant diameter sections of the fluid guide 24 a relative position of each fluid particle in its fluid area to each other fluid particle also located in the considered fluid area is maintained. Fluid surface is here understood to mean a fluid surface whose main axis is aligned with the main axis 74 the exhaust system is congruent, ie congruent or parallel to the propagation direction. In areas where the diameter of the fluid guide 24 is constant, the fluid particle moves together and coherently with the other fluid particles of the same fluid surface through the exhaust system 14 ,
Würde es sich um Fundamentalmoden handeln (die in Systemen mit Transversalwellen vorkommen), würde die Lautsprechermembrane 70 eine Grundschwingung durch Formänderung ausführen, wobei innere Bereiche der Membrane zwischen konkaver und konvexer Form hin- und her oszillieren und ein Ring- oder Randbereich der Membrane im Wesentlichen ortsfest bleibt. Aufgrund Annahme 6 ist davon auszugehen, dass keine Fundamentalmoden, sondern Axialmoden vorliegen. Die Axialmoden erfordern eine kolbendeckelartige Bewegung der Membrane 70, wobei Fluidteilchen im Zentrum der Membrane 70 die gleiche Bewegung ausführen wie Fluidteilchen am Rand der Membrane 70. Mit anderen Worten: die Chladnische Klangfigur der Membrane weist keine Knotenlinie auf.If they were fundamental modes (which occur in systems with transversal waves), the speaker diaphragm would 70 perform a fundamental vibration by changing shape, with inner regions of the membrane oscillate back and forth between concave and convex shape and a ring or edge region of the membrane remains substantially stationary. Based on assumption 6 it can be assumed that there are no fundamental modes, but axial modes. The axial modes require a piston-cap-like movement of the diaphragm 70 , wherein fluid particles in the center of the membrane 70 perform the same movement as fluid particles at the edge of the membrane 70 , In other words, the Chladine sound figure of the membrane has no nodal line.
In Bereichen 24, 142, in denen sich der Durchmesser der Fluidführung 24 monoton weitet oder verengt, findet eine adiabatische Zustandsänderung statt (Annahme 2). Auf unterschiedlichen Radien angeordnete Fluidteilchen derselben Fluidfläche legen pro Zeiteinheit die gleiche Entfernung zurück. Deshalb erfährt die Fluidfläche bei einer Weitung oder Verengung des Durchmessers der Fluidführung 24 eine konforme Abbildung in eine gewölbte Fluidfläche. Außerdem verringert bzw. erhöht sich an dem Ort 24, 142 der Weitung bzw. Verengung die zeitlich konstante Fortbewegungsgeschwindigkeit der Fluidfläche räumlich.In areas 24 . 142 in which the diameter of the fluid guide 24 monotonic enlarges or narrows, an adiabatic change of state takes place (assumption 2). Fluid particles of the same fluid area arranged at different radii travel the same distance per unit of time. Therefore, the fluid surface experiences a widening or narrowing of the diameter of the fluid guide 24 a conformal image in a curved fluid surface. It also decreases or increases in the place 24 . 142 the widening or narrowing the temporally constant speed of movement of the fluid surface spatially.
Die Fluidfläche folgt der pneumatischen Strömung/Druckschwankung an dem Ort der Fluidfläche. Außerdem folgt sie einem Schalldruck an dem Ort der Fluidfläche, der der pneumatischen Strömung/Druckschwankung überlagert ist. Grobbetrachtet bewegt sich die Fluidfläche mit dem Fluidgleichstromanteil 52 in Ausbreitungsrichtung durch die Fluidführung 24. Die Fortbewegungsgeschwindigkeit der Fluidfläche ist (abgesehen von den Weitungs- bzw. Verengungsbereichen 24, 142) konstant. Feinbetrachtet wird die konstante Fortbewegung (der in dem Fluidgleichstromanteil 52 mitschwimmenden) Fluidfläche von einem puls- und rauschen-artigen Hin- und Her-Zittern der Fluidfläche in Ausbreitungsrichtung überlagert. Das axiale Hin- und Her-Zittern ist das Ergebnis einer Superposition der niederfrequenten pneumatischen Schwankungen (Abgas-Pulsationen) mit den longitudinalen Schallwellen. Jede (infinitesimal dünne) Fluidfläche hat zu einem bestimmten Zeitpunkt nur genau folgende drei folgenden Zustandsvariablen: a) Aufenthaltsort in Axialrichtung bzw. Ausbreitungsrichtung; b) Fluiddruck (Longitudinalwellen können auch mit Hilfe von Fluidscheiben einer infinitesimale Scheibendicke beschrieben werden, wobei die Scheibendicke oszilliert; die infinitesimale Scheibendicke ist umkehrt proportional zu dem Fluiddruck); c) axialer Druckgradient.The fluid surface follows the pneumatic flow / pressure fluctuation at the location of the fluid surface. It also follows a sound pressure at the location of the fluid surface superimposed on the pneumatic flow / pressure swing. Roughly considered, the fluid surface moves with the fluid DC component 52 in the propagation direction through the fluid guide 24 , The rate of travel of the fluid surface is (apart from the dilation and constriction areas 24 . 142 ) constant. Carefully considered is the constant locomotion (which in the fluid DC component 52 floating) fluid surface of a pulse and noise-like back and forth trembling of the fluid surface in the propagation direction superimposed. Axial dithering is the result of a superposition of low frequency pneumatic fluctuations (exhaust gas pulsations) with the longitudinal sound waves. Each (infinitesimally thin) fluid surface has only exactly the following three at a given time State variables: a) location in the axial direction or propagation direction; b) fluid pressure (longitudinal waves can also be described by means of fluid disks of infinitesimal disk thickness, the disk thickness oscillating, the infinitesimal disk thickness being inversely proportional to the fluid pressure); c) axial pressure gradient.
Dies gilt selbst dann, wenn man berücksichtigt, dass die Schallgeschwindigkeit cf im Fluid 56 in der Regel frequenzabhängig ist. Zwar verändert Dispersion eine Zeitbeziehung zwischen Longitudinalwellen unterschiedlicher Frequenz dergestalt, dass eine sprungartige Druckänderung (die in mehrere Frequenzkomponenten zerlegbar ist) am Ort der Fluid- bzw. Schallquelle auf dem Weg zu der beobachteten Fluidfläche umso mehr verschmiert, wie dieser Weg lang ist. Trotzdem bleibt jede infinitesimal dünne Fluidfläche als solche erhalten. Sie verläuft oder verschmiert also infolge Dispersion nicht. Auch in dem Fall, in welchem sich Fluid- bzw. Schallwellen infolge Dispersion mit stark unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten, hat jede dünne Fluidfläche zu einem bestimmten Zeitpunkt keine weiteren Zustandsvariablen als die obengenannten.This is true even if one considers that the speed of sound c f in the fluid 56 usually frequency dependent. Although dispersion alters a time relationship between longitudinal waves of different frequencies such that a sudden pressure change (which is decomposable into a plurality of frequency components) at the location of the fluid source on the way to the observed fluid surface smears all the more as this path is long. Nevertheless, any infinitesimally thin fluid surface remains as such. It does not run or smudge due to dispersion. Also, in the case where fluid or sound waves propagate due to dispersion at widely different velocities, each thin fluid surface has no other state variables at a particular time than those mentioned above.
Betrachtet man einen bestimmten Ort auf der Ausbreitungsachse, dann gibt es hier zu jedem Zeitpunkt nur genau einen Fluiddruck, dessen Zeitverlauf alle Auswirkungen von pneumatischen Schwankungen und Schallwellen auf diesen Ort beschreibt. Unter obigen Annahmen 1 bis 9 ist die longitudinale Druckausbreitung also mit genau einem Fluidgleichstromanteil 52 und genau einem Fluidwechselstromanteil 54 vollständig beschreibbar, wobei niederfrequente Anteile des Wechselanteils 54 als pneumatische Schwankungen aufgefasst werden können und höherfrequente Anteile des Wechselanteils 54 als Schallwellen. Außerdem ist der Wechselanteil 54 mittels Fouriertransformation in ein einziges Frequenzspektrum umrechenbar. Im stationären Fall gibt es für jeden Ort auf der Ausbreitungsachse genau ein Frequenzspektrum, das den zeitlichen Verlauf aller Druckanteile des Wechseldrucks des Fluids 56 für diesen Ort vollständig beschreibt.Looking at a particular location on the axis of propagation, there is only one fluid pressure at any one time, the time history of which describes all the effects of pneumatic fluctuations and sound waves on that location. Under the above assumptions 1 to 9, the longitudinal pressure propagation is thus with exactly one fluid DC component 52 and exactly one fluid alternating current component 54 completely writable, with low-frequency components of the alternating component 54 can be considered as pneumatic fluctuations and higher-frequency components of the alternating component 54 as sound waves. In addition, the alternating component 54 can be converted into a single frequency spectrum by Fourier transformation. In the stationary case, there is exactly one frequency spectrum for each location on the propagation axis, which is the time profile of all pressure components of the alternating pressure of the fluid 56 completely describing this place.
Eine größte Abweichung des obigen Beschreibungsmodells gegenüber der realen Entwicklung der Fluid- und Schallwellen in einer Abgasanlage 14 dürfte darin begründet sein, dass die Annahme einer Linearität der Abgasanlage 14 (siehe Annahme 9) aufgrund der Fluideigenschaften nicht erfüllt ist. Die Schallwellen haben typischerweise eine viel kleinere Amplitude als Abgas-Pulsationen. Folglich kann ein Einfluss der Schallwellen auf die Ausbreitung der Fluidwelle in der Abgasanlage 14 vernachlässigt werden. Die Schallkennimpedanz Zf hängt von dem Momentan-Fluiddruck des Abgases am betrachteten Ort (auf der Achse der Abgasanlage 14) ab. Der Momentan-Fluiddruck hängt von dem Druck ab, der von der Abgas-Pulsation (Fluidwelle) am betrachteten Ort verursacht wird. Insofern können die Abgas-Pulsationen als ”äußere Druckänderung” angesehen werden, die eine Umgebungsbedingung für eine ”innere Druckänderung” durch Schallwellen vorgibt.A greatest deviation of the above description model from the real development of fluid and sound waves in an exhaust system 14 may be due to the fact that the assumption of a linearity of the exhaust system 14 (see assumption 9) is not fulfilled due to the fluid properties. The sound waves typically have a much smaller amplitude than exhaust gas pulsations. Consequently, an influence of sound waves on the propagation of the fluid wave in the exhaust system 14 be ignored. The acoustic characteristic impedance Z f depends on the instantaneous fluid pressure of the exhaust gas at the location considered (on the axis of the exhaust system 14 ). The instantaneous fluid pressure depends on the pressure caused by the exhaust gas pulsation (fluid wave) at the location under consideration. In this respect, the exhaust gas pulsations can be regarded as "external pressure change", which specifies an ambient condition for an "internal pressure change" by sound waves.
Infolge der Nichtlinearität entstehen am betrachteten Ort Intermodulationsprodukte zwischen der Abgas-Pulsation und schon vorhandenen Schallwellen. Die Intermodulationsprodukte sind neue Schallwellen, die in einer genaueren Berechnung der Schallentwicklung berücksichtigt werden können. Deshalb ist eine Abgasanlage 14 genaugenommen kein LTI-System, sondern eine nichtlineare Leitung mit einem ”Modulatorbelag”.As a result of the nonlinearity, intermodulation products between the exhaust gas pulsation and already existing sound waves arise at the considered location. The intermodulation products are new sound waves that can be considered in a more accurate calculation of sound development. That is why an exhaust system 14 strictly speaking, no LTI system, but a nonlinear line with a "Modulatorbelag".
Damit die aktive Lautsprechermembrane 70 wenigstens näherungsweise den gewünschten Entzug von Fluidwellen- bzw. Schallwellenenergie ausführen kann, ist für zu dämpfende Frequenzen ein akustischer Kurzschluss mit dem Abgasauslass 50 zu vermeiden. Dazu kann am Ausgang des Abzweigteils 26 zum Abgasrohr 28 ein Sperrfilter 136 für den Fluidwechselstromanteil 54 vorgesehen sein. Bei einem akustischen Kurzschluss mit Abgasauslass 50 würden zu dämpfenden Fluid- bzw. Schallwellen (trotz Existenz der aktiven Lautsprechermembrane) die Abgasanlage durch das Abgasrohr 28 verlassen, weil sie (nicht anders als elektrischer Wechselstrom) den Weg des geringsten Widerstandes bevorzugen. Und die Membrane 70 könnte dann kaum eine Schalldämpfung bewirken. Es kann daher zweckmäßig sein, wenn eine Tiefe 140 der Löcher 138 des Schallschirmgitters 136 mindestens das Einfache einer höchsten Schallauslenkung ξA beträgt, insbesondere mindestens das Zweifache der höchsten Schallauslenkung ξA beträgt. Hierdurch kann weitgehend vermieden werden, dass Schallauslenkungen ξA an der Oberfläche des Schallschirmgitters 136 Fluidwechseldruckanteile in das Abgasrohr 28 weiterleiten. Das Sperrfilter 136 wirkt dann für die Axialmoden 64 richtungssperrend. (Die Funktion des Sperrfilters 136 ist ähnlich der eines Polarisationssperrfilter für zu sperrende Transversalwellen).Thus the active loudspeaker diaphragm 70 At least approximately can perform the desired withdrawal of fluid wave or sound wave energy is an acoustic short circuit to the exhaust gas outlet for frequencies to be damped 50 to avoid. This can be done at the output of the branch part 26 to the exhaust pipe 28 a blocking filter 136 for the fluid alternating current component 54 be provided. For an acoustic short circuit with exhaust outlet 50 would be to be damped fluid or sound waves (despite existence of active speaker diaphragm) the exhaust system through the exhaust pipe 28 leave because they (unlike electric AC) prefer the path of least resistance. And the membrane 70 could then hardly cause a sound attenuation. It may therefore be appropriate if a depth 140 the holes 138 of the screen shade 136 at least the simplicity of a maximum sound deflection ξ A , in particular at least twice the highest sound deflection ξ A is. In this way it can be largely avoided that sound deflections ξ A on the surface of the screen shade 136 Fluid change pressure components in the exhaust pipe 28 hand off. The blocking filter 136 then acts for the axial modes 64 direction off. (The function of the blocking filter 136 is similar to that of a polarization rejection filter for transverse waves to be blocked).
Stromaufwärts des Abzweigteils 26 kann ein Sensor zur Erfassung einer Fluid- oder Schallfrequenz vorgesehen sein. Wenn aus Messwerten, die dieser Sensor liefert, ein Prognosewert für eine Fluid- oder Schallfrequenz am Ort der Lautsprechermembrane 70 ermittelt wird, kann es zweckmäßig sein, einen Dopplereffekt zu berücksichtigen, der am Abzweigteil 26 dadurch entsteht, dass sich die Fluid- und Schallwellen bis zu dem Abzweigteil 26 mit ihrer jeweiligen Ausbreitungsgeschwindigkeit cf in dem Fluidgleichstromanteil 52 fortpflanzen (also mit Schallgeschwindigkeit cf plus einer konstanten Fließgeschwindigkeit des Fluidgleichstromanteils 52), aber zwischen dem Abzweigteil 26 und der Lautsprechermembrane 70 nur mit ihrer jeweiligen Schallgeschwindigkeit cf.Upstream of the branch part 26 a sensor for detecting a fluid or sound frequency can be provided. When measured values supplied by this sensor provide a predictive value for a fluid or sound frequency at the location of the loudspeaker diaphragm 70 determined, it may be appropriate to take into account a Doppler effect, which at the branch part 26 This results in that the fluid and sound waves up to the branch part 26 with their respective propagation velocity c f in the fluid DC component 52 propagate (ie with the speed of sound c f plus a constant flow rate of the fluid DC component 52 ), but between the branch part 26 and the Speaker diaphragm 70 only with their respective speed of sound c f .
Die Bauweise der mechanischen Aufhängung der Membrane 70 kann berücksichtigen, dass die Membrane 70 im Normalbetrieb nicht um ihre Ruhelage herum schwingt, sondern um eine konstante Auslenkung, die sich infolge eines Drucks einstellt, der von dem Fluidgleichstromanteil 52 verursacht wird.The construction of the mechanical suspension of the membrane 70 can take into account that the membrane 70 in normal operation does not oscillate around its rest position, but to a constant displacement, which occurs as a result of a pressure, which depends on the fluid DC component 52 is caused.
Im Abzweigteil 26 ist über eine axiale Länge des Abzweigteils 26 der gesamte Fluidgleichstromanteil 52 abzuzweigen. Dies sollte so geschehen, das die Axialmoden 64 möglichst unverändert erhalten bleiben, also möglichst so, dass beim Abzweigen des Fluidgleichstromanteils 52 möglichst keine Energie von Axialmoden 64 in Energien von obliquen Moden oder Quermoden umgewandelt wird. 21 zeigt schematisch ein Abzweigteil 26, das den Fluidstrom zwischen seinem Eingang 162 und seinem Ausgang 164 auf mehrere Rohre 166 auffächert. Aus Übersichtsgründen ist nur das mittlere 166' von neun Rohren mit quadratischem Querschnitt dargestellt. Von den umliegenden acht Rohren 166 zeigt die Figur nur Eingangs- 171, Mittel- 172 und Ausgangsquerschnitte 173. Jedes dieser Rohre 166 ist zwischen Eingang 162 und Ausgang 164 verjüngt und hat eine Wandung 174 mit vielen Auslasslöchern 175 zum Abzweigen des Fluidgleichstromanteils 52. Der Fluidgleichstromanteil 52 kann hier entweder direkt in die Atmosphäre 180 entlassen werden (in der Figur nicht dargestellt). Alternativ können die Rohre 166 von einem gemeinsamen zweiten Hosenrohr 182 umgeben sein, das den abgezweigten Fluidgleichstromanteil 52 in das Abgasrohr 28 leitet.In the branch part 26 is over an axial length of the branch part 26 the entire fluid DC component 52 divert. This should be done so that the axial modes 64 remain unchanged as possible, so if possible so that when branching the fluid DC component 52 preferably no energy from axial modes 64 is converted into energies of oblique modes or cross modes. 21 schematically shows a branch part 26 that controls the fluid flow between its entrance 162 and his exit 164 on several pipes 166 fan out. For clarity, only the middle one is 166 ' represented by nine tubes with square cross-section. From the surrounding eight pipes 166 the figure shows only input 171 , Medium- 172 and output cross sections 173 , Each of these pipes 166 is between entrance 162 and exit 164 rejuvenates and has a wall 174 with many outlet holes 175 for branching off the fluid DC component 52 , The fluid DC component 52 can either go directly to the atmosphere here 180 be dismissed (not shown in the figure). Alternatively, the pipes can 166 from a common second riser 182 be surrounded, that the diverted fluid DC component 52 in the exhaust pipe 28 passes.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
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1010
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Schalldämpfersilencer
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1212
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Schalldämpferanordnungmuffler assembly
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1414
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Abgasanlageexhaust system
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1616
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VerbrennungskraftmaschineInternal combustion engine
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1818
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Abgaskrümmerexhaust manifold
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2020
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HosenrohrY-pipe
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2222
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Vorschalldämpfer; Schallquelle; Fluidwechselstromquellesilencer; Sound source; Fluid AC power source
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2424
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Fluidführungfluid guide
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2525
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Schirmgitter zum Schutz der Membrane 70 Screen grid to protect the membrane 70
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2626
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Abzweigteilbranch member
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2828
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Abgasrohr; Fluidauslass; EndrohrExhaust pipe; fluid outlet; tailpipe
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3030
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Befestigungselementefasteners
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3232
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Fluid-Druckverlauf im Abgaskrümmer 18 Fluid pressure curve in the exhaust manifold 18
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3434
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ZeitTime
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3636
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Druckverlauf am Ausgang des Hosenrohrs 20 Pressure curve at the exit of the bifurcated tube 20
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3838
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FluidgleichdruckanteilFluid balance PrintShare
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4040
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FluidwechseldruckanteilFluid change PrintShare
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4242
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Druckverlauf am Ausgang 44 des Vorschalldämpfers 22 Pressure curve at the exit 44 of the pre-silencer 22
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4444
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Ausgang des Vorschalldämpfers 22 Output of the pre-silencer 22
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4646
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Abgasstromexhaust gas flow
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4848
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Druckverlauf am Ausgang 50 des Abgasrohrs 28 Pressure curve at the exit 50 of the exhaust pipe 28
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5050
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Ausgang des Abgasrohrs 28 Outlet of the exhaust pipe 28
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5252
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FluidgleichstromanteilFluid DC component
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5454
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FluidwechselstromanteilFluid AC component
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5656
-
Fluidfluid
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5858
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Fluidwechselstromsenke (Schallsenke)Fluid alternating current sink (sound sink)
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6060
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Zeigerdiagrammvector diagram
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6363
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Membranemembrane
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6464
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Schalldruckwelle; AxialmodeSound pressure wave; axial mode
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6666
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Grenzfläche der Fluidwechselstromsenke 58 Interface of the fluid alternating current sink 58
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6868
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reflektierte Schallwellereflected sound wave
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7070
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Membrane; SchallabschlussMembrane; sound conclusion
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7272
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Antrieb der Membrane 70 Drive the membrane 70
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7474
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Hauptachsemain axis
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7676
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Flächenvektorsurface vector
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7878
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Vorrichtung zum Unterdrücken von Quermoden und obliquen ModenDevice for suppressing transverse modes and oblique modes
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8080
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Lautsprecher; elektromechanischer WandlerSpeaker; electromechanical transducer
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8282
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erste Anschlussklemme des Lautsprechers 80 first terminal of the speaker 80
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8484
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zweite Anschlussklemme des Lautsprechers 80 second terminal of the speaker 80
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8686
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mechanischer Oszillatormechanical oscillator
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8888
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Ersatzschaltkreis des mechanischen Oszillators 86 Spare circuit of the mechanical oscillator 86
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9090
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Lagerung der Membrane 70 (Feder)Storage of the membrane 70 (Feather)
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9292
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elektromechanischer Antrieb des Lautsprechers 80 (Elektromagnet)Electromechanical drive of the loudspeaker 80 (Solenoid)
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9494
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Druckkammer des Lautsprechers 80 Pressure chamber of the speaker 80
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9696
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Ersatzschaltbild für die Mechanik des Lautsprechers 80 Replacement circuit diagram for the mechanics of the loudspeaker 80
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9898
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Spule des Lautsprechers 80 Coil of the speaker 80
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100100
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Permanentmagnet des Lautsprechers 80 Permanent magnet of the speaker 80
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102102
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elektrisches Ersatzschaltbild aus Sicht der AnschlussklemmenElectrical equivalent circuit diagram from the point of view of the terminals
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104104
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Transformatortransformer
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108108
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Ersatzschaltbild des Lautsprechers 80 als nicht-rückwirkungsfreies SystemEquivalent circuit diagram of the loudspeaker 80 as a non-reaction-free system
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110110
-
Schwingkreisresonant circuit
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111111
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Filterfilter
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112112
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Regelungsschaltungcontrol circuit
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114114
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Spannungsdetektor; Spannungs-MessaufnehmerVoltage detector; Voltage sensor
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115115
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Amplitudendetektoramplitude detector
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116116
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Stromstärke-Detektor; Stromstärke-MessaufnehmerCurrent detector; Current-sensor
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118118
-
Phasenvergleicherphase comparator
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119119
-
Amplitudenvergleicheramplitude comparator
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120120
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PhasenregelkreisPhase-locked loop
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122122
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AmplitudenregelkreisAmplitude control loop
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124 124
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erster Sensor; Phasensensorfirst sensor; phase sensor
-
126126
-
Reglerregulator
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128128
-
Wechselrichter; UmrichterInverters; inverter
-
130130
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zweiter Sensorsecond sensor
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132132
-
zweiter Schalldämpfersecond silencer
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134134
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Fluidausgang des zweiten Schalldämpfers 132 Fluid outlet of the second silencer 132
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136136
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Schallschirmgitter des Fluidauslasses 28 Screen grille of the fluid outlet 28
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138138
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Loch des Schallschirmgitters 136 Hole of the screen shade 136
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140140
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Tiefe eines Loches 138 Depth of a hole 138
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142142
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Einlassrohrinlet pipe
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144144
-
Zwischenabschnittintermediate section
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146146
-
Rohrkrümmungpipe bend
-
148148
-
Impedanzimpedance
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150150
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Spannungs- oder StromquelleVoltage or current source
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152152
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Kühlrippecooling fin
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162162
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Eingang des Abzweigteils 26 Entrance of the branch part 26
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164164
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Ausgang des Abzweigteils 26 Output of the branch part 26
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166166
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Rohre des Abzweigteils 26 Pipes of the branch part 26
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171171
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Eingangsquerschnitt des Rohrs 166 Input cross section of the pipe 166
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172172
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Mittelquerschnitt des Rohrs 166 Center cross-section of the pipe 166
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173173
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Ausgangsquerschnitt des Rohrs 166 Output cross-section of the pipe 166
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172172
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Wandung des Rohrs 166 Wall of the pipe 166
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172172
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Auslassloch des Rohrs 166 Outlet hole of the pipe 166
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180180
-
Atmosphärethe atmosphere
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182182
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zweites Hosenrohrsecond nozzle tube
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cf c f
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Schallgeschwindigkeitspeed of sound
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CMS C MS
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Nachgiebigkeit der Lagerung 90 (bzw. der Feder)Resiliency of storage 90 (or the spring)
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ff
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Frequenzfrequency
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f1f1
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untere Grenze des zu dämpfenden Frequenzbereichslower limit of the frequency range to be damped
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f2f2
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obere Grenze des zu dämpfenden Frequenzbereichsupper limit of the frequency range to be damped
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[f1; f2][F1; f2]
-
zu dämpfender Frequenzbereichto be damped frequency range
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Imin the
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Imaginärteil einer SchallkennimpedanzImaginary part of a sound characteristic impedance
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mm
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Masse mechanisches SystemMass mechanical system
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pp
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Schalldrucksound pressure
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Rere
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Realteil einer SchallkennimpedanzReal part of a sound characteristic impedance
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TT
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Periodeperiod
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vF v F
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Schallgeschwindigkeit des Fluids 56 Speed of sound of the fluid 56
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vS v p
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Schallschnelle des Fluids 56 Sonic speed of the fluid 56
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xx
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Auslenkung der Feder 90 Deflection of the spring 90
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xmA
xmA
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Amplitude der mechanischen Auslenkung xAmplitude of the mechanical deflection x
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ZF Z F
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Schallkennimpedanz des Fluids 56 Sound characteristic impedance of the fluid 56
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ZF*Z F *
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konjugiert komplexe Schallkennimpedanz des Fluids 56 conjugates complex acoustic characteristic impedance of the fluid 56
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Zm Z m
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Abschluss; Schallabschluss; weitere Fluidwechselstromquelle; Oszillator, StellgliedGraduation; Sound conclusion; another fluid AC source; Oscillator, actuator
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Zel Z el
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elektrische Last und/oder Spannungsquelle für den Lautsprecher 80 electrical load and / or voltage source for the loudspeaker 80
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αα
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Phasenwinkelphase angle
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αmin α min
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minimaler Phasenwinkelminimum phase angle
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αmax α max
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maximaler Phasenwinkelmaximum phase angle
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ΛΛ
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Wellenlänge der Schallwelle 64, 68 Wavelength of the sound wave 64 . 68
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ξξ
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SchallauslenkungSchallauslenkung
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ρρ
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Fluiddichte des Fluids 56 Fluid density of the fluid 56
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ττ
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Fluidtemperatur des Fluids 56 Fluid temperature of the fluid 56
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ωω
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Kreisfrequenz (ω = 2π·f, f = 1/T)Angular frequency (ω = 2π · f, f = 1 / T)
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ω0 ω 0
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Resonanzkreisfrequenz der Fluidwechselstromsenke 58 Resonant circuit frequency of the fluid alternating current sink 58
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ω0m ω 0m
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Resonanzkreisfrequenz des Lautsprechers 80 Resonant circuit frequency of the speaker 80
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ω0S ω 0s
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Resonanzkreisfrequenz des Schwingkreises 110 Resonant circuit frequency of the resonant circuit 110
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ω1ω1
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Kreisfrequenz von f1Angular frequency of f1
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ω2ω2
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Kreisfrequenz von f2Angular frequency of f2
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ωm ω m
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Schwingungskreisfrequenz des elektromagnetischen Wandlers 80 Vibration loop frequency of the electromagnetic transducer 80
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ωel ω el
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Schwingungskreisfrequenz des Schwingkreises 110 Oscillation circle frequency of the resonant circuit 110
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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WO 97/43754 [0003, 0021, 0064, 0066] WO 97/43754 [0003, 0021, 0064, 0066]
