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Die Erfindung betrifft zunächst eine Anordnung zur Verringerung des durch eine Schallquelle verursachten Schalls durch von einer Gegenschallquelle.
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Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verringerung des durch eine Schallquelle verursachten Schalls durch Erzeugung von Gegenschall mittels einer Gegenschallquelle, wobei der von der Schallquelle erzeugte Schall durch mindestens einen Sensor erfasst wird.
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Derartige Anordnungen und Verfahren sind bereits bekannt geworden. Es wird insbesondere auf die
US 7,272,234 B2 verwiesen. Hinsichtlich der Anordnung der Gegenschallquelle ist dort auf eine Anordnung in derselben Ebene abgestellt. Diese Anordnung ist zwar auch zu bevorzugen, aber es wird noch nach weiteren Kriterien gesucht.
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Die Aufgabe ist hinsichtlich der Anordnung dadurch gelöst, dass auf Basis einer Frequenzanalyse des abgestrahlten Schalls der Abstand von der Schallquelle zu der Gegenschallquelle im Hinblick auf eine in einem bestimmten Frequenzbereich gegebene Wellenlänge des abgestrahlten Schalls, bevorzugt die kleinste Wellenlänge in dem Frequenzbereich, kleiner ist als die Hälfte der Wellenlänge, dass zwei oder mehr Mikrophone vorgesehen sind und dass die Mikrophone näher an der Schallquelle als an der Gegenschallquelle, bevorzugt zwischen der Schallquelle und der Gegenschallquelle (bezogen auf Ebenen, die durch die Schallquelle bzw. die Gegenschallquelle gehen und senkrecht zu der Verbindungslinie zwischen der Schallquelle und der Gegenschallquelle verlaufen) bevorzugt gemeinsam in einer Teilungsebene, die bevorzugt senkrecht zu einer Verbindungslinie zwischen der Schallquelle und der Gegenschallquelle mit bevorzugt gleichem Abstand zu der Schallquelle und der Gegenschallquelle verläuft, jedenfalls aber bezogen auf eine Anordnungsebene, welche die genannte Verbindungslinie als Erzeugende besitzt und in welcher jedenfalls eines der Mikrophone angeordnet ist derart, dass die Mikrophone bezogen auf die Anordnungsebene gegenüberliegend zu der Verbindungslinie angeordnet sind, wobei im Falle, dass eines der Mikrophone nicht in der Anordnungslinie liegt, zur Prüfung seiner Lage in Bezug auf die Verbindungslinie von einer senkrechten Projektion dieses Mikrophons auf die Anordnungsebene auszugehen ist.
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Wesentlich ist also zunächst, dass der Abstand zwischen der Schallquelle und der Gegenschallquelle entsprechend eingestellt wird, nämlich auf einen Abstand kleiner als die Hälfte der Wellenlänge. Diese Wellenlänge wird durch eine Analyse der durch die Schallquelle abgestrahlten Schallwellen, also mittels einer Frequenzanalyse, gewonnen. Hierbei kann bei einem großen Frequenzband eine Unterteilung, etwa in zwei, drei, vier oder mehr Bereiche der analysierten Frequenzen zunächst vorgenommen werden. So kann ein Frequenzbereich definiert werden, der sich durch eine der genannten Unterteilungen eben ergibt, und hieraus eine Wellenlänge als für den Abstand bestimmende Wellenlänge gewählt werden. Bevorzugt wird die kleinste Wellenlänge in einem so gebildeten Frequenzbereich gewählt, da dann alle in der Frequenz darunter befindlichen Schallwellen größerer Wellenlängen optimalerweise durch die Anordnung stark gedämpft oder sogar ausgelöscht werden können.
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Durch die Mikrophone wird ermittelt, inwieweit an dem gegebenen Standort der Mikrophone, der zugleich bevorzugt definiert ist beziehungsweise in einem Rechner hinsichtlich des Standortes relativ zu der Schallquelle und der Gegenschallquelle und der Verbindungslinie von Positionsdaten her eingegeben wird, wird überprüft, ob an den gegebenen Orten die angestrebte Dämpfung erreicht wird. Um zu einem erfindungsgemäß günstigen Ergebnis zu kommen, ist hierbei die Anordnung der Mikrophone auch in weiterer Einzelheit von Bedeutung. Zum einen, dass die Mikrophone zwischen der Schallquelle und der Gegenschallquelle angeordnet sind. Dies bedeutet, ausgehend von der genannten Verbindungslinie, dass sie sich in einem Bereich zwischen zwei Ebenen befinden, die zu der Verbindungslinie senkrecht verlaufen und durch die Schallquelle oder die Gegenschallquelle gehen. Weiter können die Mikrophone, was in der Regel einem Optimum entspricht, in einer Ebene, die hier als Teilungsebene angesprochen ist, angeordnet sein, die der Hälfte des Abstandes zwischen der Schallquelle und der Gegenschallquelle auf der Verbindungslinie entspricht. Diese Teilungsebene verläuft in gleicher Weise wie die schon genannte Ebene senkrecht zu der Verbindungslinie. Jedenfalls aber befinden sich die Mikrophone in zwei unterschiedlichen räumlichen Sektoren. Diese räumlichen Sektoren sind hier dadurch definiert, dass eine Anordnungsebene postuliert ist, die sich dadurch auszeichnet, dass sie die Verbindungslinie als Erzeugende besitzt. Ersichtlich kann hierdurch eine ganze Schar von Anordnungsebenen gegeben sein, die die Verbindungslinie als gemeinsame Rotationsachse besitzen. Bezüglich zweier Mikrophone lässt sich die Anordnungsebene immer derart finden, dass sie einerseits die Verbindungslinie enthält und andererseits jedenfalls eines der Mikrophone. Bevorzugt enthält sie beide Mikrophone.
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Insofern ist hinsichtlich der genannten räumlichen Sektoren von Bedeutung, dass die Mikrophone – bezogen auf die Anordnungslinie – gegenüberliegend angeordnet sind. Im Falle, dass nur eines der Mikrophone in der Anordnungsebene sich befindet, wird zur Bestimmung der Eigenschaft „gegenüberliegend” nicht auf den tatsächlichen Ort des anderen Mikrophons zurückgegriffen, sondern auf dessen senkrechte Projektion auf die Anordnungsebene. Befinden sich beide Mikrophone auf derselben Seite der Verbindungslinie, entspricht dies nicht einer erfindungsgemäßen Anordnung.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird darauf abgestellt, dass eine Frequenzanalyse des abgestrahlten Schalls durchgeführt wird, dass der Abstand der Gegenschallquelle im Hinblick auf die Schallquelle in Bezug auf eine in einem bestimmten Frequenzbereich gegebene Wellenlänge des Schalls, bevorzugt der kleinsten Wellenlänge in dem Frequenzbereich, kleiner als die Hälfte dieser Wellenlänge gewählt wird, dass weiter zwei oder mehr Mikrophone vorgesehen werden, wobei die Mikrophone zwischen der Schallquelle und der Gegenschallquelle angeordnet werden, bevorzugt in einer Teilungsebene, die senkrecht zu einer Verbindungslinie zwischen der Schallquelle und der Gegenschallquelle mit gleichem Abstand zu der Schallquelle und der Gegenschallquelle verläuft, jedenfalls aber bezogen auf eine Anordnungsebene, welche die genannte Verbindungslinie als Erzeugende besitzt, und in welcher jedenfalls eines der Mikrophone angeordnet wird derart, dass die Mikrophone bezogen auf die Anordnungsebene gegenüberliegend zu der Verbindungslinie angeordnet werden, wobei im Falle, dass eines der Mikrophone nicht in der Anordnungsebene liegt, es zur Prüfung seiner Lage in Bezug auf die Verbindungslinie von einer senkrechten Projektion dieses Mikrophons auf die Anordnungsebene ausgegangen wird.
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Wenn es sich bei der Schallquelle und der Gegenschall jeweils für sich gesehen um akustische Monopole handelt, ist so durch die Anordnung von Schallquelle und Gegenschallquelle die Möglichkeit gegeben, einen akustischen Dipol auszubilden. Falls zudem die Mikrophone erfindungsgemäß angeordnet werden und ein aus der Literatur bekannter Algorithmus auf eine Minimierung der Leistung der als Fehlersensoren verwendeten Mikrophonsignale abstellt, bildet sich tatsächlich ein Dipol aus. Dieser Dipol führt dazu, dass die zuvor durch den einzelnen Monopol abgestrahlte akustische Wirkleistung zu großen Teilen in akustische Blindleistung umgewandelt wird und eine Dämpfung des zuvor durch den einzelnen Monopol abgestrahlten Geräuschs bewirkt.
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Bei der Schallquelle kann es sich aber auch bereits um einen Dipol handeln. Da bevorzugt die Gegenschallquelle gleichartig gewählt wird, wird dann als Gegenschallquelle bevorzugt auch eine Dipol-Gegenschallquelle vorgesehen. Da insofern die Schallquelle wie auch die Gegenschallquelle eine Schallrichtung aufweisen, die sich durch die Verbindungslinie der Mittelpunkte der beiden den Dipol bildenden Pole ergibt, kann auch ein „Vor” und ein „Hinter” betreffend die Schallquelle angesprochen werden, denn eine der Richtungen kann als Schallrichtung gewählt werden. Die Gegenschallquelle kann in dieser Hinsicht vor und/oder hinter der Schallquelle angeordnet sein.
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Eine praktische Anwendung kann beispielsweise darin gegeben sein, ein Geräusch, das ein Lüfterrad eines Lüfters eines Computers verursacht, zu reduzieren oder aufzuheben.
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Dieses Lüfterrad stellt in der Regel schalltechnisch einen Dipol dar.
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In dem gegebenen Beispielfall ist die Gegenschallquelle, auch als Dipol, möglichst nah am Lüfter, entsprechend der genannten Bemessungsregel, jedoch in einem Axialabstand zu dem Lüfter, bezogen auf die genannte Abstrahlachse beziehungsweise Abstrahlrichtung, hier aber auch konkret beispielsweise und vorzugsweise abgegriffen in Richtung einer Drehachse des Lüfterrades, angeordnet.
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Hinsichtlich des oder der Mikrophone kann vorgesehen sein, dass diese weiter entfernt, bezogen auf die eingangs genannte Verbindungslinie, seitlich hierzu, angeordnet werden.
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Ein akustisches Zentrum der Gegenschallquelle liegt entsprechend im Bereich der Schallausbreitung der Schallquelle und nimmt von dieser einen in der beschriebenen Weise bestimmten Axialabstand ein. Der Axialabstand ist größer als Null und kleiner als eine halbe Wellenlänge des zu dämpfenden Schalls in dem bestimmten Frequenzbereich.
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Es wird ein akustischer Kurzschluss erzeugt, der im Nahbereich der Schallquelle gegeben ist.
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Im Falle lediglich einer einzigen Gegenschallquelle können die Schallquelle und die Gegenschallquelle auf einer Achse liegen, die als Zentralachse der Abstrahlrichtung bezeichnet werden kann.
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Es können aber auch mehrere Gegenschallquellen vorgesehen sein. Jede der Gegenschallquellen kann in einer vorbestimmten bzw. einer ausgewählten Position, von mehreren Abstrahlrichtungen der Schallquelle ausgerichtet angeordnet sein. Jedoch auch hier unter Beachtung der genannten Regel zur Ermittlung des (maximalen) Axialabstandes zu der Schallquelle, wobei im Hinblick auf mehrere Gegenschallquellen auch der Abstand bezüglich unterschiedlicher Frequenzbereiche der Schallquelle in der genannten Weise bestimmt werden kann. Es kann also bei einer zweiten Gegenschallquelle die Abstandsbestimmung (maximal) auf Basis einer anderen Wellenlänge bestimmt sein als bei einer ersten Schallquelle. Die Anordnung mehrerer Gegenschallquellen ist weiter bevorzugt symmetrisch bezüglich der Schallquelle, soweit diese eine Zentralachse der Abstrahlung aufweist. In diesem Fall sind bezüglich der gegebenen Zentralachse in Querrichtung hierzu die Gegenschallquelle mit gleichen Abständen angeordnet. Bevorzugt weisen sie dann auch einen gleichen direkten Abstand zu der Schallquelle auf.
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Letzteres ist jedenfalls auch für eine monopole Schallquelle möglich.
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Für jede Gegenschallquelle ist, wie im Falle einer einzigen Gegenschallquelle auch, ein Paar von Mikrophonen erforderlich. Hierbei können ein oder mehrere Mikrophone auch zwischen zwei benachbarten Gegenschallquellen gemeinsam verwendet werden. Etwa indem diese Mikrophone dann nach Art eines Time-Sharing-Betriebs einerseits für die Signalerzeugung der einen Gegenschallquelle und andererseits für die Signalerzeugung der anderen Gegenschallquelle herangezogen werden. Die ein oder mehreren Mikrophone sind bevorzugt benachbart zur Gegenschallquelle vorgesehen. Die Mikrophone liegen weiter bevorzugt jeweils paarweise auf einer Normalebene zur Verbindungsstrecke zwischen Schallquelle und der entsprechenden Gegenschallquelle.
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Bevorzugt ergibt sich durch diese Anordnungen für jede Schallquelle, insbesondere in dem ausgewählten Frequenzbereich, ein akustischer Dipol, der eine optimale Dämpfung des Betriebsgeräusches, jedenfalls in dem genannten Frequenzbereich, zur Folge hat.
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Weiterhin ist bevorzugt, dass die Mikrophone zumindest gruppenweise in einer selben Ebene liegen, so dass die von der Schallquelle ausgehenden Betriebsgeräusche von den jeweils beteiligten Mikrophonen auch in derselben Ebene erfasst und zur Auswertung weitergegeben werden. Ersichtlich hat dies jedenfalls dann Bedeutung, wenn es sich um mehr als zwei Mikrophone handelt. Bezogen auf eine tatsächliche Anordnung von Schallquelle und Gegenschallquelle sowie Mikrophonen in einem realen Raum betrifft dies insbesondere eine horizontale Ebene. Die Ebene kann aber auch eine vertikale Ebene sein oder eine Ebene mit einem Winkel zwischen einer vertikalen und einer horizontalen Ebene. Durch derartige Anordnungen können einzelnen Mikrofongruppen zur Berechnung eines Schalldruckgradienten bzw. daraus der Schallschnelle und gemeinsam mit dem Schalldruck zur Berechnung der Schallintensität herangezogen werden, so dass ein aus der Literatur bekannter Algorithmus auf die Optimierung der entsprechenden akustischen Größen abstellen kann.
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Im Hinblick auf eine Anordnung mehrerer Gegenschallquellen bezüglich einer Schallquelle, insbesondere, bezogen auf eine gegebenenfalls gegebene Zentralachse der Abstrahlung der Schallquelle, eine symmetrische Anordnung dieser mehreren Gegenschallquellen, ist bevorzugt, dass die Mikrophone zwei Mikrophongruppen bilden, von denen jeweils jede Gruppe in einer selben Ebene liegen. Weiter bevorzugt können die Mikrophongruppen zusammen in einer selben Ebene liegen.
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An einem oder mehreren der genannten Mikrophone ist bevorzugt (jeweils) der Ort gegeben, beziehungsweise die Anordnung der Mikrophone ist bevorzugt so vorgenommen, an welchen bei einer gegebenen Anordnung von Schallquellen und Gegenschallquellen ein kleinstmöglicher Schalldruck bzw. die bestmögliche Dämpfung erreicht ist.
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Die beschriebenen Mikrophone dienen als Fehlersensoren zur Minimierung des Schalldrucks an den entsprechenden Positionen dieser Mikrophone. Ein Algorithmus adaptiert zu diesem Zweck ein Signal-Filter, welches aus einem weiteren Signal, dem sogenannten Führungs- oder Referenzsignal, das zur Minimierung der Schalldrücke benötigte Gegenschallsignal erzeugt mit der die entsprechende Gegenschallquelle beaufschlagt wird. Der Abgriff bzw. die Herleitung des Führungs- oder Referenzsignals sowie die zu verwendenden Algorithmen sind aus dem Stand der Technik bekannt und in der Literatur hinreichend dokumentiert.
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Handelt es sich bei der Schallquelle beispielsweise um den Lüfter eines PCs oder ähnliches, können die periodisch wiederkehrenden Teile zum Beispiel durch eine Fourier-Analyse berechnet werden. Hierzu sind dann ersichtlich die auftretenden Periodizitäten zu erfassen.
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Dies kann zum Beispiel durch eine Vorrichtung zur Drehzahlerfassung des Lüfters geschehen.
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Da im Übrigen die Anzahl der Lüfterblätter bekannt ist, kann bei Kenntnis der Betriebsdrehzahl die Frequenz der Anregung zur Geräuschentwicklung bestimmt werden.
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Bevorzugt sitzt eine oder die jeweilige Gegenschallquelle in einem jeweils separaten Gehäuse, welches axial vor oder hinter der dipolartigen (einen idealer Dipol existiert in der technischen Realität praktisch nicht) Schallquelle angeordnet ist. Das Gehäuse umschließt die Gegenschallquellen bevorzugt derart, dass dort selbst kein Dipol entsteht.
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Die Gegenschallquelle, die insbesondere ein Lautsprecher sein kann, bildet bevorzugt nur einen Monopol. Im Hinblick auf mehrere Gegenschallquellen bildet bevorzugt jede für sich gesehen ein Monopol. Mehrere Lautsprecher zusammen können auch jeweils als eine einzelne Gegenschallquelle betrachtet werden, insbesondere wenn sie unmittelbar nebeneinander oder übereinander angeordnet sind.
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Sollte eine dipolartige Gegenschallquelle benötigt werden, so kann diese aus zwei in jeweils einem einzelnen Gehäuse angeordneten Lautsprechern oder durch einen offenen, nicht in ein Gehäuse eingebauten Lautsprecher erzeugt werden, wobei letztere Ausführung in der Praxis aufgrund der verfügbaren Lautsprecheranordnungen seltener zu einer Erzeugung eines idealen Dipols führt. Durch Verwendung zweier unabhängiger Monopolquellen kann bei unterschiedlicher Ansteuerung auch eine Modifikation der dipolartigen Abstrahlcharakteristik vorgenommen werden.
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Durch den akustischen Kurzschluss, eine entsprechende Überlagerung der Schallquellen, zwischen den Schallwellen, die von der Schallquelle abgegeben werden und den Schallwellen, die von der Gegenschallquelle abgegeben werden, erfolgt die Dämpfung, indem an den Punkten, an denen die Mikrophone angeordnet sind, ein kleinstmöglicher Schalldruck erzeugt wird, d. h. der Schalldruck minimiert wird, gegebenenfalls bis hin zu Null. Durch iterative numerische Verfahren kann im Zuge der Abstrahlung des Schalls von der Gegenschallquelle eine Optimierung erreicht werden. Hierzu werden die von der Schallquelle erzeugten Schwingungen, die durch die Mikrophone erfasst werden, in Signale umgesetzt, die ihrerseits wiederum zur Steuerung der Gegenschallquelle verwendet werden.
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Hierzu erfolgt zunächst eine Signalerfassung der periodisch wiederkehrenden Anteile des zu dämpfenden Geräusches der Schallquelle.
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Im Falle, dass es sich um das Betriebsgeräusch eines Lüfters oder eines sonstigen sich drehenden Bauteiles handelt, kann zu diesem Zweck auch ein Drehzahlmesser Verwendung finden, der zum Beispiel aus der von dem Lüfterrad ausgehenden Signalfolge die periodisch wiederkehrenden Anteile erfasst, etwa beim Durchlaufen verschiedener Drehzahlen.
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Das gewonnene frequenzabhängige Signal wird dann zur Berechnung der von der Gegenschallquelle zu erzeugenden Geräusche verwendet, um den angestrebten akustischen Kurzschluss zwischen der Schallquelle und der Gegenschallquelle zu erreichen.
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Hierdurch entsteht im ersten Moment eine Überlagerung der von der Schallquelle und der Gegenschallquelle ausgehenden Geräusche, die ihrerseits von den im Abstrahlraum der Schallquelle vorgesehenen Mikrophonen erfasst werden.
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Durch die Mikrophone lässt sich entsprechend eine Überprüfung der erzielten Dämpfungsquantität vornehmen, wobei ein Signalausgang der Mikrophone zur iterativen Erreichung einer noch besseren Dämpfungsquantität erneut der Signalverarbeitungsanlage aufgegeben wird.
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Es erfolgt mithin eine laufende Iteration der Dämpfung des Geräusches der Schallquelle bis hin zu dem minimal möglichen Wert des Schalldrucks in dem (örtlich) erfassten Bereich.
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Während der Iteration werden die Ausgangssignale des oder der Mikrophone fortlaufend der elektronischen Signalverarbeitungsanlage zugeführt und dort über ein EDV-Programm algorithmisch so aufgearbeitet, dass die Gegenschallquelle zur Abstrahlung der für die Geräuschverringerung notwendigen Schallwellen zur Erzeugung des akustischen Kurzschlusses damit beaufschlagt ist.
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Ersichtlich ist die beschriebene Anordnung dann dahingehend zu vervollständigen, dass ein Prozessor, vorzugsweise ein Digitaler Signal Prozessor, vorgesehen ist, auf dem ein bestimmtes Rechenprogramm zur Ermittlung des erforderlichen Gegenschalls abläuft, wobei diesem Rechenprogramm die Signale, die durch die Mikrophone ermittelt werden, aufgegeben werden. Zudem kann auf diesem Prozessor dann durch ein weiteres geeignetes Programm auch (zunächst) eine Frequenzanalyse in der beschriebenen Weise und mit dem beschriebenen Zweck durchgeführt werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein schematisches 3D-Bild der Erfindung;
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1a eine Einzeldarstellung gemäß 1 zur Verdeutlichung der Projektion;
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2 eine symmetrische Anordnung mehrerer Gegenschallquellen;
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3 eine schematische Anordnung zwischen Gegenschallquellen und paarweise in Ebenen angeordneten Mikrophonen;
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4 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit jeweils als Monopol ausgebildeter Gegenschallquelle und Rechneranbindung;
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5 eine Detaildarstellung einer Gegenschallquelle (Monopol);
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6 eine allgemeine Darstellung der Erfindung mit gleichen Lautsprecherabständen und gleichen Abständen zwischen Schallquelle und Gegenschallquelle zur Normalebene;
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7 eine schematische Darstellung der Erfindung mit gleichen Abständen von Schallquelle und Gegenschallquelle zur Normalebene sowie ungleichen Lautsprecherabständen.
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Sofern im Folgenden nichts anderes gesagt ist, gilt die folgende Beschreibung stets für alle Figuren.
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Die Figuren zeigen eine Anordnung zur aktiven Geräuschverringerung nach vorliegender Erfindung.
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Es geht um das Betriebsgeräusch einer Schallquelle 1. Die Schallquelle 1 kann eine Punktschallquelle, auch als Monopol angesprochen, darstellen oder (zunächst) vereinfachend als solche angenommen werden.
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Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen wird angenommen, dass die Schallquelle 1 der Lüfter 13 eines PCs oder dergleichen sein kann.
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Eine derartige Schallquelle weist periodisch wiederkehrende und nicht periodisch wiederkehrende Geräuschanteile auf.
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Es geht vorwiegend darum, die periodisch wiederkehrenden Geräuschanteile möglichst effektiv zu dämpfen. Zu diesem Zweck dient das hier beschriebene Verfahren zur Erzeugung eines akustischen Kurzschlusses.
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Bei diesem Verfahren ist wenigstens eine Gegenschallquelle vorgesehen, deren Abstrahlrichtung 4 koaxial zur Abstrahlrichtung 3 der Schallquelle orientiert ist.
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Dieser Sachverhalt wird am räumlichen Bild der 1 verdeutlicht.
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Die Punktschallquelle 1 strahlt ungerichtet aus und bildet auf diese Weise einen Monopol. Im Falle eines Dipols kann wie weiter vorne ausgeführt, von einer Zentralachse gesprochen werden.
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Im Falle eines Lüfters 13 handelt es sich in der Regel um einen solchen Dipol. Er strahlt entsprechend in zwei entgegengesetzten Richtungen Schall ab. Für die andere Richtung gelten die folgenden Ausführungen entsprechend.
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Zu diesem Zweck ist auch im rückwärtigen Teil der 1 eine entsprechende erfindungsgemäße Anordnung vorgesehen bzw. angedeutet.
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Es gilt nun, zumindest die periodischen Anteile der von der Schallquelle 1 ausgehenden Geräusche zu erfassen und durch einen akustischen Kurzschluss mit der Gegenschallquelle 2 zu dämpfen.
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Zu diesem Zweck ist die Gegenschallquelle 2 so ausgerichtet, dass bezogen auf eine Verbindungslinie 4 der Abstand zwischen der Gegenschallquelle 2 und der Schallquelle 1 kleiner ist als die Hälfte einer ausgewählten Wellenlänge. Hinsichtlich der Auswahl der Wellenlänge wird auf die Ausführungen weiter vorne verwiesen.
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Es sind Mikrophone 5, 6 vorgesehen, welche der Erfassung des Betriebsgeräuschs der Schallquelle 1 dienen und dazu verwendet werden, die Gegenschallquelle 2 so anzusteuern, dass die gewünschte Dämpfung erreicht wird.
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Bezüglich der Verbindungslinie 4 kann eine Ebene E1 (Teilungsebene) definiert werden, die senkrecht auf der Verbindungslinie 4 steht und den gleichen Abstand zu der Schallquelle 1 wie der Gegenschallquelle 2 aufweist. Wie ersichtlich sind hier die Mikrophone 5, 6 zwischen der Ebene E1 und der Gegenschallquelle 2 angeordnet. Zudem bezüglich der Verbindungslinie 4 gegenüberliegend. Hierzu kann auch noch, je nach gegebener Konstellation, eine Ebene E2 (Anordnungsebene) postuliert werden, in welcher die Verbindungslinie 4 verläuft. Es kann sich gleichsam eine Ebenenschar ergeben, die um die Verbindungslinie 4 rotiert. Wenn nicht beide Mikrophone 5, 6 zusammen in einer Anordnungsebene E2 liegen, in welcher auch die Verbindungslinie 4 verläuft, kann gegebenenfalls nur eines der Mikrophone, hier im Beispielfall das Mikrophon 5, in der Anordnungsebene E2 liegen und bezüglich des zweiten Mikrophons 6 eine senkrechte Projektion vorgenommen werden. Dann muss bezüglich des durch die senkrechte Projektion gewonnenen Projektionspunktes P, siehe 1a, die Anordnung zu der Verbindungslinie 4 gegenüberliegend sein.
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Bevorzugt liegen die Schallquelle, die Gegenschallquelle und die Mikrophon-Paare, bezogen auf die Verbindungslinie 4, jeweils in separaten, zu der Verbindungslinie 4 senkrecht verlaufenden Ebenen, jedenfalls aber nicht in einer gemeinsamen Ebene mit der Schallquelle 1.
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Im Falle der 1 liegt die Gegenschallquelle 2 in der Ebene, welche zu der Schallquelle 1 den Abstand 7 einnimmt.
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Die Gegenschallquelle 2 ist somit in einer als Frontebene zu bezeichnenden Ebene angeordnet.
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Die Mikrophone 5, 6 liegen von dieser Frontebene versetzt um den Axialabstand 9 in Richtung auf die Schallquelle 1.
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Wie weiterhin die Figuren zeigen, können auch eine oder mehrere Gegenschallquellen 2, 2a, 2b... vor und/oder hinter der Schallquelle liegen. Insbesondere 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem zwei Gegenschallquellen 2, 2a mit ihren Mikrophonen jeweils einzeln vor und hinter der Schallquelle 1 angeordnet sind.
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Diese bilden allerdings jeweils einen Dipol, der, wie in 3 angedeutet, sowohl nach vorne als auch nach hinten strahlt.
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Weiterhin ist wesentlich, dass für jede einzelne Gegenschallquelle ein Paar von Mikrophonen 5, 6; 5a, 6a; vorgesehen ist zur Erfassung der beidseits der Gegenschallquelle auszulöschenden, im Idealfall praktisch jedoch nur zu dämpfenden Geräuschschwingungen, die von der Schallquelle 1 ausgehen. Mit den erfassten Werten kann dann die Gegenschallquelle 2 entsprechend angesteuert werden, um die Geräusche im Sinne der vorliegenden Erfindung effektiv zu dämpfen.
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Insbesondere 2 zeigt eine Weiterbildung, bei welcher mehrere Gegenschallquellen 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h symmetrisch um die Schallquelle 1 herum angeordnet sind.
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Bei dieser Darstellung handelt es sich ausdrücklich um eine Draufsicht in axialer Richtung auf die Schallquelle 1 und es soll ausdrücklich gesagt sein, dass die Ebene, in welcher die Schallquelle 1 liegt, praktisch hinter derjenigen Ebene liegt, welche durch die einzelnen Gegenschallquellen 2a–2h aufgespannt wird.
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Die einzelnen Gegenschallquellen liegen somit in einer oberhalb der Papierebene gedachten Ebene, während die Schallquelle 1 in der Papierebene liegt.
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Die jeweils paarweise angeordneten Mikrophone 5a, 6a; 5b, 6b; 5c, 6c; 5h, 6h liegen zweckmäßigerweise alle in derselben Ebene, weil in diesem Ausführungsbeispiel davon ausgegangen werden soll, dass die Schallquelle 1 ein allseits in gleicher Weise abstrahlender Monopolist und der Schall sich somit axial-symmetrisch um die Senkrechte auf der Papierebene stehende Achse ausbreitet.
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Durch die symmetrische Ausbreitung empfiehlt sich auch die symmetrische Erfassung der Schallwellen, was durch die radiale Anordnung der Mikrophonpaare 5a, 6b... realisiert ist.
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Wie insbesondere aus der Darstellung gemäß 3 ersichtlich, liegen die Mikrophonpaare 5, 6; 5a, 6a; in jeweiligen Ebenen, die stets zwischen der Abstrahlebene der Schallquelle 1 und der Abstrahlebene der Gegenschallquelle(n) 2, 2a, liegen.
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Es kann daher aufgrund des axialen Versatzes zwischen Schallquelle 1 und Gegenschallquelle 2 sowie des axialen Zurückversatzes der Lautsprecherebenen zur Schallquelle 1 davon ausgegangen werden, dass die Dämpfung sehr effektiv sein wird, wobei durch die laufende Erfassung des gedämpften Signals eine konvergente Iteration erfolgen kann, die bei einem minimal möglichen Wert, der idealerweise Null ist, für bestimmte Frequenzbereiche endet.
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Ergänzend hierzu zeigt 4 eine Weiterbildung, bei welcher die Schallquelle 1 als Lüfter 13 eines PCs oder ähnliches ausgeführt ist. Für diesen Fall gelten obige Ausführungen entsprechend.
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Die Schallquelle 1 des Lüfters 13 kann als Dipolquelle angenommen werden, die auch als zwei axial, dicht beieinander angeordnete und gegenphasig wirkende Monopolquellen betrachtet werden kann.
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Weiterhin ist wesentlich, dass die Gegenschallquelle 2 in einer Box 11 sitzen kann und auf diese Weise einen Monopol bildet.
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Es handelt sich hier näherungsweise um einen Monopol, weil der Lautsprecher der Gegenschallquelle 2 nicht mit umgekehrter Phase nach hinten abstrahlen kann und die Schalldruckausbreitung bei ausreichend tiefen Frequenzen kugelförmig stattfindet.
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Auf diese Weise kann die Gegenschallquelle 2 mit dem einen, der Gegenschallquelle 2 zugewandten und zu dem Dipol des Lüfters 13 gehörenden Monopol einen akustischen Kurzschluss eingehen.
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Zusätzlich ist als Führungs- bzw. Referenzsensor ein Drehzahlsensor 10 vorgesehen, mit dessen Hilfe die Drehzahl des Lüfters 13 erfasst wird.
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Die von dem Lautsprecherpaar 5, 6 aufgenommenen Signale und das vom Drehzahlsensor 10 erfasste Signal, welches ein Maß für die Drehzahl des Lüfters 13 ist, werden zusammen einer Signalverarbeitungsanlage 12 zugeführt und dort verarbeitet.
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Über ein entsprechendes Rechenprogramm werden dann die Signale erzeugt, die zur Beaufschlagung der Gegenschallquelle dienen, um den akustischen Kurzschluss mit dem Ergebnis der Dämpfung/Löschung der entsprechenden Lärmgeräusche der Schallquelle zu erzielen.
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Weiterhin zeigt 4, dass durchaus auch auf der anderen Seite der Schallquelle 1 eine korrespondierende Gegenschallquelle in einer entsprechenden Box 11' angeordnet werden kann.
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Diese Maßnahme trägt der Tatsache Rechnung, dass ein Lüfter, wie er in 4 gezeigt ist, üblicherweise ein Dipol ist und dass infolge dessen auch die zur anderen Seite abgestrahlten Geräusche gedämpft werden sollten.
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Ergänzend hierzu zeigt 5 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welcher die Gegenschallquelle 2 in einer Box 11 sitzt.
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Die Box 11 ist mit Ausnahme der Lautsprecherebene, die hier die Gegenschallquelle 2 darstellt, allseits geschlossen.
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Seitlich zu der Gegenschallquelle 2 befindet sich das Mikrophonpaar 5, 6.
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Die Mikrophone liegen allerdings näher an der Schallquelle 1, die sich axial oberhalb der gezeigten Box befindet, als die Gegenschallquelle.
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Zusätzlich ist hier der Sensor 10 als Führungs- bzw. Referenzsensor zur Erfassung der Drehzahl des Lüfters 13 in die Box 11 integriert und befindet sich, der Schallquelle 1 zugewandt, auf dem nächstmöglichen Abstand zur Schallquelle 1.
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Wie sich aus den Figuren ergibt, entsteht durch die monopole oder dipole Ausbreitung der Schallwellen eine im Wesentlichen kugelförmige Ausbreitung 15 oder eine achtförmige Ausbreitung mit einer Zentralachse, die auf dem Zentrum der Schallquelle 1 senkrecht steht.
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Innerhalb eines kugelförmigen Ausbreitungsraumes muss mit möglichst kleinem Axialabstand 7 erfindungsgemäß die Gegenschallquelle 2 angeordnet werden.
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Dabei beträgt der Axialabstand 7 zwischen Schallquelle und Gegenschallquelle λ/2 oder weniger, um die Anteile des Betriebsgeräusches mit den Frequenzen, deren Wellenlänge größer als λ ist möglichst effektiv dämpfen zu können.
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Hierbei ist wesentlich, dass mit den Mikrophonen 5, 6 Kontrollpunkte existieren, mit denen die Quantität der Dämpfung fortlaufend erfasst werden kann, sodass über entsprechende Iterationsschritte in der elektronischen Signalverarbeitungsanlage kleinstmöglicher Schalldruck oder die bestmögliche Dämpfung in der Mikrophonebene erzielt werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren beruht daher auch auf einer konvergenten Iteration, weil mit einer zunehmenden Anzahl von Iterationsschritten die Quantität der Dämpfung besser und besser wird.
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Da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere die periodischen Anteile aus dem zu dämpfenden Betriebsgeräusch praktisch unhörbar gemacht werden können, eignet sich das Verfahren insbesondere für solche Schallquellen, bei denen das erzeugte Betriebsgeräusch einen hohen Anteil an periodisch wiederkehrenden Schwingungen aufweist.
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Ergänzend hierzu zeigen die 6 und 7 noch einmal den allgemeinen Teil der Erfindung.
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Von der Schallquelle 1 ausgehend sind die sphärischen Flächen durch punktuierte Linien angedeutet, in denen sich der Schall ausbreitet.
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Auf einer dieser sphärischen Linien liegt die Gegenschallquelle 2, so dass zwischen Schallquelle 1 und Gegenschallquelle 2 eine Verbindungsstrecke entsteht, welche die Normale zu der Ebene ist, in welcher die Mikrophone 5, 6 liegen.
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Die Ebene der Lautsprecher 5, 6 ist daher eine Normalebene auf der Verbindungsstrecke zwischen Schallquelle 1 und Gegenschallquelle 2.
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Im Falle der 6 wird der Abstand zwischen Schallquelle 1 und Gegenschallquelle 2, der das Bezugszeichen 7 trägt, von der Normalebene 17 halbiert.
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Dies ist auch im Falle der 7 der Fall, wobei allerdings dies ein besonderer Fall der Erfindung ist.
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Die Halbierung des Abstandes zwischen Schallquelle 1 und Gegenschallquelle 2 ist eine Besonderheit, da die Normalebene 17 auch irgendwo anders die Verbindungsstrecke zwischen Schallquelle 1 und Gegenschallquelle 2 schneiden kann.
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Als weitere Besonderheit zeigt 6, dass der Abstand 16 zwischen den Mikrophonen 5, 6 durch die Verbindungsstrecke zwischen Schallquelle 1 und Gegenschallquelle 2 halbiert wird.
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Dies muss nicht so sein.
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Wie insbesondere 7 zeigt, kann die Verbindungsstrecke 16 zwischen den Mikrophonen 5 und 6 auch ungleich durch die Verbindungsstrecke zwischen Schallquelle 1 und Gegenschallquelle 2 geteilt sein.
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Des Weiteren kommt es für die Realisierung der Erfindung auch nicht absolut zwingend darauf an, dass die Ebene 17 genau eine Normalebene ist.
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Die Ebene 17 kann durchaus in einem Winkelbereich von +/–5° von der Normalebene abweichen, ohne dass der Erfindungsgedanke verlassen wird.
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Der wesentliche Gedanke der Erfindung beruht darauf, dass die Gegenschallquelle 2 im Nahbereich zur Schallquelle 1 anzuordnen ist. Hierunter ist ein Abstand zwischen Schallquelle und Gegenschallquelle zu verstehen, der kleiner als die halbe Wellenlänge der zu dämpfenden Schwingung ist, während der Abstand zwischen den Mikrophonen 5, 6 im Fernbereich liegen kann.
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Im Idealfalle sind beide Mikrophone auf einer Geraden angeordnet, welche die Verbindungsstrecke zwischen Schallquelle 1 und Gegenschallquelle 2 mittig schneidet, während im besonders bevorzugten Falle auch die Verbindungsstrecke 16 zwischen den Mikrophonen 5, 6 durch die Strecke zwischen Schallquelle 1 und Gegenschallquelle 2 mittig geschnitten wird.
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Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen. Die Unteransprüche charakterisieren in ihrer fakultativ nebengeordneten Fassung eigenständige erfinderische Weiterbildungen des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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