DE102015117770A1

DE102015117770A1 - Schallreduktionssystem und Verfahren zur Schallreduzierung

Info

Publication number: DE102015117770A1
Application number: DE102015117770.6A
Authority: DE
Inventors: Martin Pohl; Thomas Haase
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2015-10-19
Filing date: 2015-10-19
Publication date: 2017-04-20
Anticipated expiration: 2035-10-20
Also published as: DE102015117770B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schallreduktionssystem zur Schallreduzierung bezüglich einer Schalltransmission einer Schallquelle, wobei mithilfe einer Sensoreinrichtung Schalltransmissionen erfasst und mithilfe einer Aktuatoreinrichtung diese Schalltransmission reduziert werden soll. Mithilfe eines Schallreferenzsensors sollen dabei die überlagerten Schallwellen erfasst werden, wobei eine Mehrzahl von beabstandeten Sensoreinheiten vorgesehen sind, die jeweils zum Messen der überlagerten Schallwellen ausgebildet sind, wobei mithilfe einer Signalfiltereinrichtung für jeden Signalausgang ein Ausgangssignal generiert wird, indem für jedes Ausgangssignal die einzelnen Sensorsignale der Sensoreinheiten in Abhängigkeiten von einem und dem jeweiligen Signalausgang zugeordneten Schallstrahlungs- oder Schwingungsmode gewichtet und zu einem gemeinsamen Ausgangssignal für den jeweiligen Signalausgang zusammengeführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schallreduktionssystem zur Schallreduzierung bezüglich einer Schalltransmission einer Schallquelle. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zur Schallreduktion bezüglich einer Schalltransmission einer Schallquelle.
Sowohl im Automobilbereich als auch in der Luft- und Raumfahrt werden aus Gründen der Energieeffizienz vermehrt Leichtbaustrukturen, wie beispielsweise Faserverbundwerkstoffe, eingesetzt, da diese Werkstoffe gegenüber herkömmlichen Werkstoffen eine hohe gewichtsspezifische Festigkeit und Steifigkeit aufweisen. Unter dem stetig steigenden Kostendruck bieten derartige Leichtbaustoffe den Vorteil, den im proportionalen Zusammenhang mit dem Gewicht eines Fahrzeuges stehenden Treibstoffverbrauch zu senken, um so die Betriebskosten zu reduzieren und wettbewerbsfähig zu bleiben.
Allerdings weisen Leichtbauwerkstoffe, wie beispielsweise Faserverbundwerkstoffe, insbesondere im tieffrequenten Schallbereich (kleiner als 2 kHz) eine sehr geringe Dämmungswirkung von Schalltransmissionen auf, so dass externe Fahr- und/oder Fluggeräusche sich ungestört in den Innenraum des Fahrzeuges (Straßenfahrzeug, Flugzeug, etc.) fortpflanzen können. Dies kann zu einer erheblichen Beeinträchtigung des Komforts sowie der Gesundheit der Passagiere führen. Derartige Schalltransmissionen entstehen an externen Schallquellen der Fahrzeuge, beispielsweise durch am Flugzeug angeordnete Triebwerke. Die Schalltransmissionen können aber auch Abrollgeräusche der Räder oder andere aerodynamische Geräusche sein.
Grundsätzlich lassen sich Schalltransmissionen dadurch reduzieren, dass mithilfe von Schalldämmmaterialien der Innenraum des Fahrzeuges gegen eine Abstrahlung von Schalltransmissionen in den Innenraum abgedichtet wird. Dabei werden häufig Materialien eingesetzt, die eine relativ hohe spezifische Masse aufweisen, um den gewünschten Schalldämmungseffekt zu erzielen. Allerdings stehen derartige passive, konstruktive Schalldämmungsverfahren im Gegensatz zu der Leichtbauphilosophie und lassen sich nur bedingt hiermit in Einklang bringen.
Allgemein bekannt sind beispielsweise aktive Lärmminderungsmaßnahmen, wie beispielsweise Active Noise Control oder Active Vibration Control, bei denen mithilfe von Sensoren der Luft- oder Körperschall erfasst, ausgewertet und mithilfe von Aktoren ein Gegenschall erzeugt wird, um so das negative Geräusch aufgrund einer Überlagerung der Schallwellen zu reduzieren oder gänzlich zu eliminieren.
Aus der US 2010/0252677 A1 ist eine Lärmminderungsvorrichtung für Flugzeuge bekannt, bei der in der Innenverkleidung der Druckkabine Aktuatoren angeordnet sind, die die innere Schicht der Innenverkleidung vibrieren lassen, so dass in den Innenraum der Druckkabine abgeschallter Luftschall reduziert werden kann. Die innere Schicht der Innenverkleidung der Druckkabine dient dabei mithilfe der Aktuatoren als eine Art Lautsprecher, wodurch aufgrund der Vibration der Innenverkleidung Gegen-Schallwellen in den Innenraum der Druckkabine eingeleitet werden können. Nachteilig hierbei ist, dass nur eine lokale Minimierung der Störgröße erreicht wird und ggf. eine Vergrößerung der Störgröße im anderen Bereich, was für das Bordpersonal als unangenehm empfunden werden kann. Des Weiteren sind der hohe Verkabelungs- und Masseaufwand ein entscheidender Nachteil, da jedes Innenverkleidungselement mit einer derartigen Vorrichtung ausgestattet sein muss.
Um eine Abstrahlung von Störschall in den Innenraum eines Fahrzeuges zu reduzieren, ist des Weiteren aus der DE 10 2014 101 732 A1 bekannt, in einem Körperschallpfad eines Flugzeuges, entlang dessen sich der Körperschall in Richtung Innenraum ausbreitet, Sensoren und Aktuatoren vorzusehen, um einen Körperschall mithilfe der Aktuatoren einleiten zu können, der den störenden Körperschall der externen Schallquelle reduzieren soll. Ein derartiges System muss allerdings auf die lokalen Bedingungen Rücksicht nehmen und an die kompletten Ausgestaltungen angepasst sein. Physische Veränderungen des schallübertragenden Körpers können dazu führen, dass der eingeleitete Gegenschall den Störschall nicht mindert, sondern erhöht, was zu einer Erhöhung der abgestrahlten Schallleistung in den Innenraum des Fahrzeuges führt. Derartige Veränderungen können beispielsweise dadurch entstehen, dass der Körper, in dem sich der Körperschall ausbreitet und/oder der die Abstrahlung in den Innenraum bewirkt, d.h. die Einkopplung des Körperschalls in die Luft, durch äußere Einflüsse verändert, wie beispielsweise durch Temperierung. Gerade im Flugzeugbereich ist dies ein nicht unerheblicher Faktor, da die Einsatztemperatur eines Flugzeuges zwischen 25° C am Boden und –50° C in der Luft enorm groß ist. Durch die Veränderung der Temperatur des schallleitenden Körpers wird jedoch das Schwingungsverhalten verändert, was bei der Erzeugung des Gegenschalls berücksichtigt werden muss, wenn die abgestrahlte Schallleistung reduziert werden soll.
Aus der GB 2 256 111 ist beispielsweise ein piezoelektrisches Sensorfeld bekannt, das eine Art Referenzsensor darstellt, um die abgestrahlte Schallleistung im gesamten Abstrahlfeld erfassen zu können. Basierend auf der gemessenen Schallleistung kann dann bei sich verändernden äußeren Randbedingungen auf die Erzeugung des Gegenschalls zur Schallreduzierung Einfluss genommen werden. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass ein solcher Sensor in der Regel aus einer Vielzahl einzelner Sensoreinheiten besteht, die Eingang in die verarbeitende Elektronik finden müssen, was die Kosten derartiger digitaler Signalverarbeitungseinheiten drastisch erhöht. Außerdem nimmt die benötigte Verarbeitungszeit mit der Anzahl der Eingangskanäle derartiger Referenzsensoren stark zu, wobei es wünschenswert ist, dass die hierdurch entstehende Totzeit nicht größer ist als eine Abtastrate, da sich dies ansonsten negativ auf die Steuerung auswirkt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Schallreduktionssystem anzugeben, bei dem die Anzahl der Eingangskanäle für das Regelungssystem stark reduziert werden kann und gleichzeitig die Verarbeitungsgeschwindigkeit erhöht werden kann, ohne die Kontrolle der Reduzierung der Schallleistung negativ zu beeinflussen.
Die Aufgabe wird mit dem Schallreduktionssystem gemäß Anspruch 1, einem Schallreferenzsensor gemäß Anspruch 8 sowie einem Verfahren zur Schallreduktion gemäß Anspruch 9 erfindungsgemäß gelöst.
Gemäß Patentanspruch 1 wird ein Schallreduktionssystem zur Schallreduzierung bezüglich einer Schalltransmission einer Schallquelle vorgeschlagen, wobei das Schallreduktionssystem eine Sensoreinrichtung, eine Aktuatoreinrichtung und eine digitale Signalverarbeitungseinheit hat.
Die Sensoreinrichtung weist eine oder mehrere Schallsensoren auf, die zum Erfassen von Schallwellen der Schalltransmission der Schallquelle ausgebildet sind. Die Schallsensoren können dabei insbesondere so ausgebildet sein, dass sie zumindest einen die Schallwellen charakterisierenden Schallparameter erfassen können, um so den zu reduzierenden Störschall der Schalltransmission, der reduziert werden soll, signaltechnisch zu erfassen. Ein solcher Schallparameter kann beispielsweise Amplitude und/oder Frequenz der Schallwellen, beispielsweise Luftschall oder Körperschall, sein. Denkbar sind aber auch andere die Schallwellen charakterisierende Schallparameter wie Schalldruck, Schalldruckpegel, Schallschnelle, Schallauslenkung, Schallbeschleunigung, Schallintensität, Schallleistung, Schallenergiedichte, Schallenergie, Schallfluss, Schallimpedanz und/oder Schallgeschwindigkeit.
Die Schallsensoren der Sensoreinrichtung sind mit der digitalen Signalverarbeitungseinheit signaltechnisch verbunden, so dass das von den Schallsensoren generierte Eingangssignal von der digitalen Signalverarbeitungseinheit erfasst und weiterverarbeitet werden kann. Die digitale Signalverarbeitungseinheit ist dabei so eingerichtet, in Abhängigkeit von den detektierten Schallwellen der Schalltransmission Steuersignale zu generieren, mit denen Aktuatoren einer Aktuatoreinrichtung angesteuert werden können, um bezüglich der störenden Schallwellen der Schalltransmission interferierende Schallwellen zu erzeugen, die sich dann mit den Schallwellen der Schalltransmission überlagern und aufgrund der Welleninterferenz die Schalltransmission insgesamt reduzieren. Hierzu sind die Aktuatoren der Aktuatoreinrichtung mit der digitalen Signalverarbeitungseinheit signaltechnisch ebenso verbunden und werden von der digitalen Signalverarbeitungseinheit angesteuert, um eben jene interferierenden Schallwellen zu erzeugen, die sich dann mit den Schallwellen der Schalltransmission überlagern und die Schallreduktion bewirken. Ziel ist es hierbei, wie bei den aus dem Stand der Technik bekannten aktiven Schallreduktionssystemen, die Schallleistung (oder einen anderen charakteristischen Schallparameter) mithilfe von Welleninterferenzen zu reduzieren, indem interferierende Schallwellen erzeugt werden.
Unter dem Begriff Schallreduktion wird im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere verstanden, dass einer oder mehrere, die Schallwellen charakterisierende Schallparameter reduziert wird, um so beispielsweise die Lautstärke von Störgeräuschen zu reduzieren. Ein solcher Schallparameter, der bezüglich der Schalltransmission reduziert werden soll, kann insbesondere der Schalldruck, der Schalldruckpegel sowie die Schallleistung sein.
Um nun die Güte der Schallreduktion, die durch die Sensoreinrichtung, digitale Signalverarbeitungseinheit und Aktuatoreinrichtung erreicht werden soll, ist erfindungsgemäß des Weiteren ein Schallreferenzsensor vorgesehen, der zum Erfassen der überlagerten Schallwellen eingerichtet ist. Hierfür weist der Schallreferenzsensor eine Mehrzahl von beabstandet angeordneten Sensoreinheiten auf, die jeweils zum Messen von einem die überlagerten Schallwellen charakterisierenden Schallparameter und zum Ausgeben eines den Messwert des gemessenen Schallparameters enthaltenen Sensorsignals ausgebildet sind. Der Schallreferenzsensor ist vorzugsweise in dem Schallübertragungspfad ausgehend von den überlagerten Schallwellen hin zu einem referenzierten Empfänger der überlagerten Schallwellen, bei dem die Störgeräusche reduziert werden sollen, angeordnet. Mithilfe der Sensoreinheiten lassen sich insbesondere die Schallleistungen der überlagerten Schallwellen ermitteln, wobei die Sensoreinheiten beispielsweise einfache Beschleunigungssensoren oder PVDFs sein können, mit denen die Frequenz und Amplitude der Schallwellen ermittelt werden, so dass die Sensoreinheiten als ein Schallstrahlungs/Volumenverschiebesensor angesehen werden können.
Der Schallreferenzsensor weist eine Mehrzahl von Signalausgängen auf, die als Signaleingänge mit der Signalverarbeitungseinheit verbunden sind. Dadurch lässt sich das Messergebnis des Schallreferenzsensors in die digitale Signalverarbeitungseinheit einspeisen, so dass sie dort bei der Erzeugung der interferierenden Schallwellen mit berücksichtigt werden können. Der digitalen Signalverarbeitungseinheit liegt somit eine Güte über die Schallreduktion vor.
Um bei einer Vielzahl von Sensoreinheiten des Schallreferenzsensors die Eingänge in die digitale Signalverarbeitungseinheit möglichst klein zu halten, ist erfindungsgemäß des Weiteren vorgesehen, dass zwischen den Sensoreinheiten und den Signalausgängen eine Signalfiltereinrichtung vorgesehen ist, die ausgebildet ist, für jeden Signalausgang ein Ausgangssignal zu generieren. Die Signalfiltereinrichtung ist dabei so eingerichtet, dass für jedes Ausgangssignal die einzelnen Sensorsignale der Sensoreinheiten in Abhängigkeit von dem jeweiligen Signalausgang zugeordneten Schallstrahlung- oder Schwingungsmode gewichtet und zu einem gemeinsamen Ausgangsignal für den jeweiligen Signalausgang zusammengeführt werden.
Dadurch werden die einzelnen Sensorsignale der Sensoreinheiten bezüglich eines den Signalausgang betreffenden Schwingungs- bzw. Schallstrahlungsmode, der dem jeweiligen Signalausgang zugeordnet ist, gewichtet, wodurch für jeden Signalausgang bezüglich des dem jeweiligen Signalausgang zugeordneten Schallstrahlungs- oder Schwingungsmode aus den gesamten Sensorsignalen der Sensoreinheiten ein Ausgangssignal generiert wird, das den Schallstrahlungs- oder Schwingungsmode, der dem jeweiligen Signalausgang zugrunde liegt, berücksichtigt.
Weist der Schallreferenzsensor beispielsweise 100 Sensoreinheiten auf, durch die jeweils ein entsprechendes Sensorsignal bezüglich der überlagerten Schallwellen erzeugt wird, so können die Signalausgänge des Schallreferenzsensors stark reduziert werden, je nach Anzahl der gewünschten, zu berücksichtigenden Schallstrahlungs- oder Schwingungsmoden. Sind beispielsweise 5 Schallstrahlungs- oder Schwingungsmoden gewünscht, so werden die 100 Sensorsignale auf jeweils 5 Ausgangssignale der 5 Signalausgänge zusammengefasst. Die Signalausgänge können dabei beispielsweise den Schallstrahlungs- oder Schwingungsmoden nullter bis vierter Ordnung entsprechen.
Durch die drastische Reduzierung der Ausgangssignale bedarf es bei der digitalen Signalverarbeitungseinheit nunmehr einer drastisch reduzierten Anzahl von Signaleingängen für die Ermittlung der Güte der Schallreduktion, was die Kosten der digitalen Signalverarbeitungseinheit stark reduziert. Des Weiteren wird durch die stark reduzierte Anzahl der Signaleingänge an der digitalen Signalverarbeitungseinheit auch die Verarbeitungsgeschwindigkeit erhöht, da nunmehr nicht die gesamte Anzahl der Sensorsignale verarbeitet werden muss, sondern lediglich die Ausgangssignale bezüglich der einzelnen gewünschten Schallstrahlungs- oder Schwingungsmoden.
Vorteilhafterweise ist die digitale Signalverarbeitungseinheit zum Erzeugen der interferierenden Schall- oder Körperschallwellen demnach weiterhin auch in Abhängigkeit von an den Signaleingängen anliegenden Eingangssignalen, die die Ausgangssignale der Signalausgänge der Signalfiltereinrichtung sind, eingerichtet. Dadurch hat die digitale Signalverarbeitungseinheit bezüglich der mit einzelnen Schallstrahlungs- oder Schwingungsmoden derart überlagerten Schallwellen die Möglichkeit, die Güte der Schallreduktion festzustellen, so dass beispielsweise bei Veränderung der äußeren Randbedingungen, wie beispielsweise eine Temperierung des schallabgebenden Körpers, das Schallreduktionssystem hierauf Rücksicht nehmen kann und die Parameter zur Erzeugung der interferierenden Schallwellen anpassen kann, um auch weiterhin eine Schallreduktion zu bewirken. Aufgrund der Tatsache, dass für die einzelnen Schallstrahlungs- oder Schwingungsmoden jeweils ein Schallparameter bereitgestellt wird, beispielsweise die kumulierte Schallleistung für jeden Schallstrahlungs- oder Schwingungsmode, kann die digitale Signalverarbeitungseinheit feststellen, wie gut die Schallwellen der Schalltransmission durch die interferierenden, erzeugten Schallwellen reduziert werden, so dass basierend auf dieser Güteinformation der Schallreduktion dann die interferierenden Schallwellen in ihrer Erzeugung angepasst werden können, um so Rücksicht auf sich verändernde Umgebungsparameter zu nehmen.
Die Signalfiltereinrichtung kann vorteilhafterweise eine digitale Parallellogik enthalten, die eingerichtet ist, die Ausgangssignale zu generieren. Eine digitale Parallellogik ist beispielsweise eine mikroprozessorgesteuerte parallele Recheneinheit, beispielsweise ein FPGA.
In einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform hierzu weist die Signalfiltereinrichtung für jeden Signalausgang eine Verstärkereinheit auf, wobei jede Verstärkereinheit vorteilhafterweise als Eingang die Sensorsignale der Sensoreinheiten hat und mit einem Signalausgang des Schallreferenzsensors verbunden ist. Jedem Signalausgang ist dabei erfindungsgemäß ein Schallstrahlungs- oder Schwingungsmode zugeordnet, so dass der Signalausgang einer jeden Verstärkereinheit ebenfalls dem Schallstrahlungs- oder Schwingungsmode des jeweiligen Signalausgangs des Schallreferenzsensors zugeordnet ist.
Jede Verstärkereinheit weist eine Mehrzahl von elektronischen Verstärkern auf, die jeweils mit den eingehenden Sensorsignalen in Verbindung stehen. Jedes einer Verstärkereinheit zugrundeliegendes Sensorsignal wird dabei durch jeweils einen elektronischen Verstärker geführt, um das Signal zu verstärken. Die verstärkten Sensorsignale werden dann zu einem Ausgangssignal zusammengeführt und an den Signalausgang angelegt.
Das Verstärken der einzelnen Sensorsignale erfolgt dabei in Abhängigkeit von dem Schallstrahlungs- oder Schwingungsmode, der dem Signalausgang der jeweiligen Verstärkereinheit zugrunde liegt, und der jeweiligen Position der Sensoreinheit innerhalb des Schallreferenzsensors, die Einfluss auf die jeweilige Gewichtung in Bezug auf den zugrunde liegenden Schallstrahlungs- oder Schwingungsmode hat. Die Sensorsignale werden somit je nach gewünschtem Schallstrahlungs- oder Schwingungsmode durch den elektronischen Verstärker verstärkt und somit gewichtet, so dass Sensorsignale, die aufgrund ihrer Position bezüglich des jeweiligen Schallstrahlungs- oder Schwingungsmode einen größeren Einfluss auf die Schallleistungen haben, stärker gewichtet werden können, als jene Signale, die in Bezug auf den Schallstrahlungs- oder Schwingungsmode nur wenig Relevanz haben. Dadurch können Sensorsignale für jeden Schallstrahlungs- oder Schwingungsmode herausgefiltert werden, die für den betreffenden Schallstrahlungs- oder Schwingungsmode kein relevantes Signal darstellen, bzw. die Sensorsignale werden je nach Relevanz für den jeweiligen Schallstrahlungs- oder Schwingungsmode entsprechend gewichtet.
Durch die analoge Verarbeitung und Gewichtung der Sensorsignale mithilfe von elektronischen Verstärkern wird es möglich, aus einer Vielzahl von Sensorsignalen in sehr kurzer Verarbeitungszeit die für die Steuerung relevanten Ausgangssignale zu generieren, ohne dass hierfür teure und komplexe Hardware notwendig wird. Darüber hinaus lässt sich ein solches System modular aufbauen, indem jede Verstärkereinheit ein Modul darstellt, das zusammen mit weiteren Modulen je nach Bedarf zusammengestellt werden kann. Hierdurch kann die Anzahl der Signalausgänge und somit auch die Anzahl der berücksichtigten Schallstrahlungs- oder Schwingungsmoden angepasst werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die einzelnen elektronischen Verstärker zum Einstellen der Signalverstärkung mittels einer mikroprozessorgesteuerten Recheneinheit ausgebildet, so dass jeder einzelne Verstärker einer Verstärkereinheit entsprechend der Sensorposition des eingehenden Sensorsignals und dem zu berücksichtigenden Schallstrahlung- oder Schwingungsmode des Signalausgangs eingestellt werden kann, um das jeweilige Sensorsignal der Sensoreinheit entsprechend zu gewichten.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Verstärkereinheiten zum Zusammenführen der gewichteten Sensorsignale durch Signaladdition ausgebildet sind, um so aus den vielen verstärkten Sensorsignalen ein Ausgangssignal zu generieren.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Schallsensoren der Sensoreinrichtung zum Erfassen von Körperschall eines Formkörpers ausgebildet, insbesondere zum Erfassen von den Körperschall charakterisierenden Schallparametern, wie beispielsweise Amplitude und Frequenz.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Sensoreinheiten des Schallreferenzsensors zum Messen des Schallparameters der überlagerten Körperschallwellen ausgebildet sind, wobei die Aktuatoren zum Erzeugen von mechanischen Schwingungen in dem Formkörper zur Erzeugung von interferierenden Körperschallwellen ausgebildet sind.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:
1 – Schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Schallreduktionssystems;
2 – Schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Schallreferenzsensors;
3 – Schematische Darstellung einer analogen Verschaltung und Gewichtung.
1 zeigt schematisch ein Schallreduktionssystem 10, das zur Schallreduktion vorgesehen ist. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist hierfür schematisch eine externe Schallquelle 1 vorgesehen, die Schallwellen 2 als Schalltransmission aussendet. Diese Schallwellen 2, die auch als Störschall bezeichnet werden können, sollen hinsichtlich einer Person 3 reduziert werden. Zwischen der externen Schallquelle 1 und der Person 3 befindet sich ein Formkörper 4, in den die Schallwellen 2 der Schalltransmission der Schallquelle 1 einkoppeln und auf der Seite des Benutzers 3 wieder als Störschall abgegeben werden.
In bzw. an dem Formkörper 4 sind nun Schallsensoren 11 angeordnet, um die in dem Formkörper 4 eingekoppelten Störschallwellen der Schalltransmission der externen Schallquelle 1 erfassen zu können. Die Schallsensoren 11 sind dabei so ausgebildet, dass sie die Schallwellen in Form von Körperschall erfassen können. Denkbar ist aber auch, dass direkt die Luftschallwellen 2 der Schalltransmission erfassen.
Die Schallsensoren 11 sind mit einer digitalen Signalverarbeitungseinheit 12 verbunden, die in Abhängigkeit der erfassten Schallwellen, die von den Schallsensoren 11 in Form von Sensorsignalen geliefert werden, Steuersignale zur Ansteuerung von Aktuatoren 13 generiert, die ebenfalls an den Formkörper 4 angeordnet sind und zum Erzeugen von interferierenden Schallwellen, beispielsweise in Form von Körperschallwellen, ausgebildet sind. Die in den Formkörper 4 eingekoppelten Schallwellen 2 der Schallquelle 1 werden durch die von den Aktuatoren 13 erzeugten Körperschallwellen überlagert, wodurch eine Schallreduktion insbesondere hinsichtlich der Schallleistung erfolgen soll.
Der Formkörper 4 gibt dann die überlagerten Schallwellen 5 in Richtung der Person 3 ab, die dann eine Geräuschminderung wahrnimmt.
Zum Messen der Güte der überlagerten Schallwellen 5 ist an dem Formkörper 4 des Weiteren ein Schallreferenzsensor 14 vorgesehen, der zum Erfassen der überlagerten Schallwellen 5, insbesondere die überlagerten Körperschallwellen innerhalb des Formkörpers 4 ausgebildet ist. Der Schallreferenzsensor 14 liefert dann ein oder mehrere Signale einer digitalen Verarbeitungseinheit 12, der dann eine qualitative Güte der reduzierten Schallleistung zur Verfügung steht, wobei basierend auf dieser Schallreduktionsgüte dann die Parameter der Ansteuerung der Aktuatoren 13 angepasst werden kann, um so die Schallreduktion weiter zu erhöhen.
2 zeigt schematisch den Aufbau eines solchen Schallreferenzsensors 14. Der Schallreferenzsensor 14 weist eine Mehrzahl von Sensoreinheiten 15 auf, die in Form eines Sensornetzes bzw. Sensornetzwerkes, insbesondere in einer zweidimensionalen, flächigen Anordnung, ausgebildet sind. Ein derartiges Sensornetzwerk mit einer Vielzahl von Sensoreinheiten 15 kann dabei beispielsweise an dem aus der 1 gezeigten Formkörper 4 angeordnet werden, um so möglichst ganzflächig die entsprechend abgestrahlte Schallleistung erfassen zu können. Damit kann über den gesamten Formkörper 4 hinweg, zumindest auf der Abstrahlungsseite, die überlagerten Schallwellen in Form von Körperschall oder Luftschall an verschiedenen Punkten erfasst werden, wodurch sich ein gutes Bild der abgestrahlten Schallleistung ergibt.
Die Sensoreinheiten 15 des Schallreferenzsensors 14 liefern dabei Sensorsignale, die in einer Signalfiltereinrichtung 16 zusammenlaufen. Die Signalfiltereinrichtung 16 ist dabei ausgebildet, für jeden Signalausgang des Schallreferenzsensors 14 ein Ausgangssignal zu generieren, in dem für jedes Ausgangssignal die einzelnen Sensorsignale der Sensoreinheiten 15 in Abhängigkeit von ein und dem jeweiligen Signalausgang zugeordneten Schallstrahlung- oder Schwingungsmode gewichtet und zu einem gemeinsamen Ausgangssignal für den jeweiligen Signalausgang zusammengeführt werden. Die einzelnen Signalausgänge der Signalfiltereinrichtung 16 dienen dann als Eingang in die digitale Signalverarbeitungseinheit 12 und werden dort zur Berechnung der Schallreduktionsgüte herangezogen.
Dabei ist in 2 schematisch dargestellt, dass die Signalfiltereinrichtung 16 eine Vielzahl von Sensorsignalen der Sensoreinheiten 15 als Eingang hat, jedoch nur eine begrenzte Anzahl von Ausgängen, die mit den gewünschten Schallstrahlungs- oder Schwingungsmoden, die bei der Schallreduktionsgüteberechnung berücksichtigt werden, korrespondieren.
3 zeigt schematisch den Aufbau der Signalfiltereinrichtung 16, bei der im Ausführungsbeispiel der 3 eine analoge Verschaltung vorgesehen ist. Die Signalfiltereinrichtung 16 erhält als Eingang die Sensorsignale der Sensoreinheiten 15. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind in dem Ausführungsbeispiel der 3 lediglich drei Sensoreinheiten 15 vorgesehen. In der praktischen Umsetzung dürften dies jedoch weitaus mehr sein.
Die einzelnen Sensorsignale der Sensoreinheiten 15 werden zunächst durch eine Vorverstärkungs- und Vorfilterungseinheit 17 geleitet bei der die einzelnen Sensorsignale durch einen ICP-Decoder, einen Verstärker mit konstantem Verstärker und einem analogen Vorfilter geführt werden. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist hier auch nur ein Verstärker dargestellt.
An diese Vorverstärkungs- und Vorfilterungseinheit 17 schließen sich dann die Verstärkereinheiten 18 an, und zwar je eine Verstärkereinheit 18 für einen Signalausgang 19. Dabei wird jedes Sensorsignal der Sensoreinheiten 15 in jede Verstärkereinheit 18 geführt, so dass das Ausgangssignal, was an den Signalausgang 19 angelegt werden soll, auch basierend auf jedem Sensorsignal der Sensoreinheiten 15 basiert.
Die Verstärkereinheiten 18 sind dabei so ausgebildet, dass in jeweils eine Verstärkereinheit 18 alle Sensorsignale der Sensoren 15 geführt werden, wobei jedes Sensorsignal einer Sensoreinheit dann durch einen Verstärker geleitet wird, der das Signal entsprechend verstärkt. Anschließend werden die verstärkten Signale durch Signaladditionen zusammengeführt und auf dem jeweiligen Signalausgang ausgegeben.
Erfindungsgemäß ist dabei jedem Signalausgang ein Schallstrahlungs- oder Schwingungsmode zugeordnet, so dass im Ausführungsbeispiel der 3 beispielsweise der Signalausgang 19a dem Schallstrahlungs- oder Schwingungsmode nullter Ordnung zugeordnet ist, dem Signalausgang 19b dem Schallstrahlungs- oder Schwingungsmode erster Ordnung und dem Signalausgang 19c dem Schallstrahlungs- oder Schwingungsmode zweiter Ordnung zugeordnet ist.
Die einzelnen elektronischen Verstärker 20 der Verstärkereinheiten 18 sind dabei so ausgebildet, dass sie in Abhängigkeit des Schallstrahlungs- oder Schwingungsmode, der dem Ausgang der jeweiligen Verstärkereinheit 18 zugeordnet ist, die Sensorsignale verstärken, so dass die Sensorsignale je nach Schallstrahlungs- oder Schwingungsmode, der der Verstärkereinheit zugrunde liegt und der Position des jeweiligen Sensors, der das Sensorsignal liefert, gewichtet werden. Denn durch die Verstärkung der Signale können die einzelnen Sensorsignale gewichtet werden, so dass sie je nachdem, welcher Schallstrahlungs- oder Schwingungsmode der Verstärkung zugrunde liegt, entsprechend mehr Relevanz im Gesamtsignal haben oder weniger.
Die einzelnen Verstärker 20 der Verstärkereinheiten 18 können dabei beispielsweise mithilfe einer mikroprozessorgesteuerten Recheneinheit eingestellt werden, so dass die einzelnen Verstärkereinheiten individuell angepasst werden können.
Darüber hinaus können durch einen modularen Aufbau Verstärkereinheiten 18 hinzugefügt oder entfernt werden, je nachdem, wie viele Ausgangssignale und Schallstrahlungs- oder Schwingungsmoden letztendlich betrachtet werden sollen.
Darüber hinaus hat die analoge Verschaltung den Vorteil, dass die Sensorsignale sehr schnell verarbeitet werden können, so dass keine Totzeiten entstehen, die möglicherweise die Steuerung beeinflussen. Darüber hinaus kann durch die Reduzierung der Ausgangskanäle auf die gewünschte Anzahl von Schallstrahlungs- oder Schwingungsmoden die Anzahl der notwendigen Eingangskanäle in der digitalen Signalverarbeitungseinheit reduziert werden, was die Anlage selber deutlich weniger komplex und kostengünstiger gestaltet.
Bezugszeichenliste

1: Schallquelle
2: Schallwellen der Schalltransmission der Schallquelle
3: Personen
4: Formkörper
5: überlagerte Schallquellen
10: Schallreduktionssystem
11: Schallsensoren der Sensoreinrichtung
12: digitale Signalverarbeitungseinheit
13: Aktuatoren der Aktuatoreinrichtung
14: Schallreferenzsensor
15: Sensoreinheiten
16: Signalfiltereinrichtung
17: Vorverstärkungs- und Vorfilterungseinheit
18: Verstärkereinheiten
19: Signalausgänge
20: elektronischer Verstärker

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2010/0252677 A1 [0006]
DE 102014101732 A1 [0007]
GB 2256111 [0008]

Claims

Schallreduktionssystem (10) zur Schallreduzierung bzgl. einer Schalltransmission einer Schallquelle (1) mit – einer Sensoreinrichtung, die einen oder mehrere Schallsensoren (11) zum Erfassen von Schallwellen der Schalltransmission der Schallquelle (2) hat, – einer Aktuatoreinrichtung, die einen oder mehrere Aktuatoren (13) zum Erzeugen von interferierenden Schallwellen hat, und – einer digitalen Signalverarbeitungseinheit (12), die eingerichtet ist, in Abhängigkeit von den detektierten Schallwellen der Schallquelle (1) die Aktuatoren der Aktuatoreinrichtung (13) zum Erzeugen von mit den detektierenden Schallwellen interferierenden Schallwellen anzusteuern, um durch die interferierenden Schallwellen eine Überlagerung mit den Schallwellen der Schalltransmission zur Schallreduktion zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Schallreferenzsensor (14) zum Erfassen der überlagerten Schallwellen (5) vorgesehen ist, der eine Mehrzahl von beabstandet angeordneten Sensoreinheiten (15) aufweist, die jeweils zum Messen von einem die überlagerten Schallwellen (5) charakterisierenden Schallparametern und zum Ausgeben eines den Messwert des gemessenen Schallparameters enthaltenen Sensorsignals ausgebildet sind, und der mehrere Signalausgänge (19) aufweist, die als Signaleingänge mit der Signalverarbeitungseinheit verbunden sind, – wobei zwischen den Sensoreinheiten (15) und den Signalausgängen (19) eine Signalfiltereinrichtung (16) vorgesehen ist, die ausgebildet ist, für jeden Signalausgang (19) ein Ausgangssignal zu generieren, indem für jedes Ausgangssignal die einzelnen Sensorsignale der Sensoreinheiten (15) in Abhängigkeit von einem dem jeweiligen Signalausgang (19) zugeordneten Schallstrahlungs- oder Schwingungsmode gewichtet und zu einem gemeinsamen Ausgangssignal für den jeweiligen Signalausgang (19) zusammengeführt werden.
Schallreduktionssystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Signalverarbeitungseinheit zum Erzeugen der interferierenden Schallwellen weiterhin auch in Abhängigkeit von an den Signaleingängen anliegenden Eingangssignalen, die die Ausgangssignale der Signalausgänge (19) der Signalfiltereinrichtung (16) sind, eingerichtet ist.
Schallreduktionssystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalfiltereinrichtung (16) eine digitale Parallellogik enthält, die eingerichtet ist, die Ausgangssignale zu generieren.
Schallreduktionssystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalfiltereinrichtung (16) für jeden Signalausgang (19) eine Verstärkereinheit (18) hat, wobei jede Verstärkereinheit (18) für jedes dem jeweiligen Signalausgang (19) der jeweiligen Verstärkereinheit (18) zugrundeliegenden Sensorsignals mindestens einen elektronischen Verstärker (20) aufweist, durch den das jeweilige Sensorsignal geführt wird, wobei die elektronischen Verstärker (20) zum Verstärken des durch den jeweiligen Verstärker geführten Sensorsignals in Abhängigkeit von dem Schallstrahlungs- oder Schwingungsmode, der dem jeweiligen Signalausgang (19) der jeweiligen Verstärkereinheit (18) zugeordnet ist, und einer Position der das jeweilige Sensorsignal erzeugenden Sensoreinheit (15), ausgebildet ist, um die Sensorsignale zu gewichten, wobei die jeweilige Verstärkereinheit (18) zum Generieren des jeweiligen Ausgangssignals durch Zusammenführen der durch die jeweilige Verstärkereinheit (18) verstärkten Sensorsignale eingerichtet ist.
Schallreduktionssystem (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Verstärker (20) zum Einstellen der Signalverstärkung mittels einer mikroprozessorgesteuerten Recheneinheit ausgebildet sind.
Schallreduktionssystem (10) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkereinheiten (18) zum Zusammenführen der gewichteten Sensorsignale durch Signaladdition ausgebildet sind.
Schallreduktionssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallsensoren der Sensoreinrichtung zum Erfassen von Körperschall eines Formkörpers ausgebildet ist, wobei die Sensoreinheiten (15) des Schallreferenzsensors (14) zum Messen des Schallparameters der überlagerten Körperschallwellen ausgebildet ist.
Schallreferenzsensor (14) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Schallreduktion bezüglich einer Schalltransmission einer Schallquelle (1), mit den Schritten: – Erfassen von Schallwellen der Schalltransmission der Schallquelle (1) mittels Schallsensoren einer Sensoreinrichtung (11), – Generieren von Steuersignalen zur Ansteuerung von Aktuatoren einer Aktuatoreinrichtung (13) in Abhängigkeit von den erfassten Schallwellen der Schalltransmission (2) mittels einer digitalen Signalverarbeitungseinheit derart, dass durch die Aktuatoren interferierende Schallwellen erzeugt werden, die die Schallwellen der Schalltransmission (2) zur Schallreduktion überlagern, und – Ansteuern der Aktuatoren der Aktuatoreinrichtung (13) mittels der generierten Steuersignale zum Erzeugen der interferierenden Schallwellen, gekennzeichnet durch – Messen von einem die überlagerten Schallwellen charakterisierenden Schallparametern jeweils mittels einer Sensoreinheit (15) eines Schallreferenzsensors (14) und Bereitstellen eines Sensorsignals jeweils für jede Sensoreinheit (15), – Generieren von Ausgangssignalen für verschiedene Signalausgänge (19) des Schallreferenzsensors (14), indem für jedes Ausgangssignal die einzelnen Sensorsignale der Sensoreinheiten (15) in Abhängigkeit von einem dem jeweiligen Signalausgang zugeordneten Schallstrahlungs- oder Schwingungsmode gewichtet und zu einem gemeinsamen Ausgangssignal für den jeweiligen Signalausgang (19) zusammengeführt werden, – Generieren der Steuersignale zur Ansteuerung der Aktuatoren weiterhin in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Signalausgänge (19) des Schallreferenzsensors (14).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Ausgangssignal die dem jeweiligen Ausgangssignal zugrundeliegenden Sensorsignale durch jeweils einen elektronischen Verstärker (20) geführt werden, um das jeweilige Sensorsignal in Abhängigkeit von dem Schallstrahlungs- oder Schwingungsmode, der dem jeweiligen Signalausgang (19) zugeordnet ist, und einer Position der das jeweilige Sensorsignal erzeugenden Sensoreinheit (15) zu verstärken, um die Sensorsignale zu gewichten, wobei die verstärkten Sensorsignale zum Generieren des jeweiligen Ausgangssignals zusammengeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die verstärkten Sensorsignale durch Signaladdition zusammengeführt werden.