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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des von raumlufttechnischen Geräten ausgehenden Betriebsschalls sowie einen Schallpegelregler für raumlufttechnische Geräte. Das Schallpegelregelungsverfahren und der Schallpegelregler eignen sich insbesondere für raumlufttechnische Geräte, die in Räumen mit stark veränderlicher anthropogener Geräuschkulisse eingesetzt werden, zum Beispiel in Schulklassenräumen, Konferenzräumen, Wartezimmern, Großraumbüros oder Filialräumen von Banken und Versicherungen ebenso wie in Gaststätten und Restaurants.
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In Abhängigkeit der jeweils ausgeübten Tätigkeit reagieren Menschen sehr unterschiedlich auf die Geräuschkulisse ihrer Umgebung. Nimmt der Hintergrundschall überhand, werden die Geräusche als unerwünschter Lärm empfunden. Konzentrierte geistige Arbeit erfordert zum Beispiel regelmäßig einen niedrigeren Geräusch- bzw. Hintergrundschallpegel als körperlich betonte Aktivität.
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Auch die Hintergrundschallemission von raumlufttechnischen Geräten wird je nach Situation als störend oder als akzeptabel empfunden. Problematisch ist dies insbesondere in Räumen mit stark veränderlicher menschlicher Aktivität, d. h., in Räumen, in denen sich Phasen konzentrierter, ruhebedürftiger Arbeit und körperlicher Aktivität abwechseln. Ein Beispiel für solche Räume sind Schulklassenräume, in denen während des Unterrichts die Lärmbelästigung - auch durch raumlufttechnische Geräte - zu vermeiden ist, während in Pausenzeiten Hintergrundgeräusche untergehen dürften und vernachlässigbar sind.
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Der Einsatz von raumlufttechnischen Geräten in solchen Räumen mit mehreren darin befindlichen Personen - vor allem zur zunehmend an Bedeutung gewinnenden Durchlüftung und Luftreinigung - bringt es mit sich, dass die raumlufttechnischen Geräte, wenn der von ihnen ausgehende Lärm in den ruhebedürftigen Phasen als störend empfunden wird, der Einfachheit halber abgeschaltet werden. Sobald sich der Aktivitätsgrad im Raum erhöht, wird jedoch das raumlufttechnische Gerät nicht notwendigerweise wieder in Betrieb genommen, was letztlich dazu führt, dass ein keimreduzierender Luftaustausch dann nicht mehr stattfindet: Diese Situation gilt es zu vermeiden.
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Zielsetzung der Erfindung ist es daher, Betriebsschallemission von raumlufttechnischen Geräten in Ruhebedarfsphasen zu unterbinden oder zu reduzieren (ohne das raumlufttechnische Gerät außer Funktion zu setzen) und in Aktivitätsphasen zuzulassen; der von den raumlufttechnischen Geräten ausgehende Schallpegel soll situationsbedingt an eine gewünschte Geräuschkulisse im jeweiligen Raum angepasst werden.
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Bei Geräten und Systemen mit Lautsprechern wird eine solche Schallpegelanpassung seit langem angewandt. Bei dieser auch als automatische Lautstärkereglung bekannten Technologie wird die Lautstärke eines Lautsprechers in Abhängigkeit der Lautstärke der Umgebungsgeräusche erhöht oder gesenkt. So wird zum Beispiel bei Autoradios die Lautstärke indirekt in Abhängigkeit der Fahrtgeschwindigkeit geregelt. Bekannt ist zudem, die Signallautstärke von Ampelanlagen mit integrierter akustischer Signalgebung direkt in Abhängigkeit der gemessenen Umgebungslautstärke zu regeln.
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Solche Lautstärkeregelungen können zudem Sensoren beinhalten, die anthropogene Geräusche, wie zum Beispiel Sprache, in einer Hintergrundgeräuschkulisse erkennen. Einen solchen Sprachdetektor offenbart beispielsweise
US 2019 0104360 A1 .
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Diese bekannten automatischen Lautstärkeregelungen beeinflussen allerdings lediglich die an sich beabsichtigte und in einfacher Weise steuerbare Schallemission eines Lautsprechers, nehmen dagegen jedoch keinen Einfluss auf die unvermeidliche Schallabstrahlung von in Betrieb befindlichen Maschinen, wie zum Beispiel raumlufttechnischen Geräten, die bei Betrieb permanent Schall abstrahlen.
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Eines der Probleme von Schallpegelregelkreisen ist zudem die Selbstbeeinflussung durch die zu regelnde Schallquelle. So kann es zum Beispiel durch den Rückkopplungseffekt dazu kommen, dass der Regler die gewünschte Lautstärke unnötig stark erhöht.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, eine Schallpegelregelung für ein raumlufttechnisches Gerät bereitzustellen, die es ermöglicht, den Schallpegel des vom raumlufttechnischen Gerät ausgehenden Betriebsschalls in Abhängigkeit der menschlichen Aktivität im jeweiligen Raum zu regeln.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Regelung des Schallpegels des von einem raumlufttechnischen Gerät emittierten Schalls mit den Merkmalen nach Anspruch 1 sowie einen Schallpegelregler für raumlufttechnische Geräte nach Anspruch 7 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 6 sowie 8 und 9 aufgeführt.
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Nach Maßgabe der Erfindung erfolgt die Regelung des Schallpegels des von einem raumlufttechnischen Gerät in einen Raum emittierten Schalls durch die Leistungsregelung des raumlufttechnischen Geräts in Abhängigkeit des im Raum detektierten Sprachschallpegels. D. h., der Sprachschallpegel wird als Indikator für die Stärke der menschlichen Aktivität im Raum verwendet, um die Leistung des raumlufttechnischen Geräts zu steuern.
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In dem Raum, der mittels des raumlufttechnischen Geräts klimatisiert und/oder belüftet wird, können sich verschiedene Schallquellen befinden, u. a. natürliche Schallquellen, zu denen auch die Personen im Raum zählen, und künstliche Schallquellen, wie zum Beispiel das raumlufttechnische Gerät. Jede der Schallquellen emittiert Schall, der durch einen individuellen Schallpegel charakterisierbar ist.
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Für die vorliegende Erfindung wird zwischen dem von Personen ausgehenden Sprachschall und den übrigen Schallanteilen unterschieden. Diese übrigen Schallanteile werden als Hintergrundschall bezeichnet. Der Sprachschall wird durch einen Sprachschallpegel und der Hintergrundschall durch einen integralen Hintergrundschallpegel charakterisiert. Der integrale Hintergrundschallpegel setzt sich wiederum aus den Hintergrundschallpegeln des von den einzelnen Hintergrundschallquellen ausgehenden Hintergrundschalls zusammen, wobei eine der Hintergrundschallquellen das zu regelnde raumlufttechnische Gerät ist. Sprachschallpegel und integraler Hintergrundschallpegel bilden zusammen den im Raum messbaren Gesamtschallpegel. Unter dem Schallpegel wird für die vorliegende Offenbarung der Schalldruckpegel verstanden.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung des Schallpegels wird wiederholt eine Sequenz der nachfolgend aufgeführten Schritte durchlaufen.
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Im ersten Schritt wird der Gesamtschallpegel im Raum zeitaufgelöst mittels eines akustischen Sensors über einen vorgegebenen Erfassungszeitraum aufgenommen bzw. aufgezeichnet. Der Gesamtschallpegel setzt sich aus einer Reihe zeitlich aufeinanderfolgend gemessener Gesamtschallpegeleinzelwerte zusammen. Der zur Schallpegelmessung eingesetzte akustische Sensor kann ein Mikrofon oder ein Drucksensor sein. Die zeitaufgelöste Erfassung des Gesamtschallpegels kann zum Beispiel in festgelegten Erfassungszeitintervallen, d. h. mit einer vorgegebenen Abtastrate, erfolgen.
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Im zweiten Schritt der Sequenz wird mittels einer Prozessoreinheit - ebenfalls zeitaufgelöst - der im Gesamtschallpegels enthaltene Sprachschallpegel ermittelt. Der zeitlich aufgelöste Sprachschallpegel besteht ebenfalls aus einer Reihe zeitlich aufeinanderfolgend bestimmter Sprachschallpegeleinzelwerte. Die Prozessoreinheit ist beispielsweise eine programmierbare elektronische Steuerungs- und Regelungseinheit.
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Anschließend wird im dritten Schritt ein zeitlich gemittelter Sprachschallpegelmittelwert mittels der Prozessoreinheit berechnet. Die zeitliche Mittelung erfolgt über eine vorgebbare Sprachschallpegel-Mittelungszeit.
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Im vierten Schritt wird mittels der Prozessoreinheit eine Stellgröße zur Leistungssteuerung des raumlufttechnischen Geräts auf Basis bzw. gemäß einer Funktion des Sprachschallpegelmittelwerts ermittelt.
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Im abschließenden fünften Schritt der Sequenz wird ein Leistungsstellglied des raumlufttechnischen Geräts in Abhängigkeit der Stellgröße angesteuert. Die Leistungsänderung kann sowohl stufenlos als auch in Stufen erfolgen; als Sonderfall wird über das Leistungsstellglied das raumlufttechnische Gerät nur angeschaltet (volle Nennleistung) oder ausgeschaltet (keine Leistung).
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Die beschriebene Sequenz der Schritte wird fortlaufend wiederholt, wodurch der Schallpegel des raumlufttechnischen Geräts, der im Regelfall mit der Leistung raumlufttechnischen Geräts korreliert, kontinuierlich geregelt wird.
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Viele raumlufttechnische Geräte besitzen Ventilatoren, die die primäre Schallquelle des raumlufttechnischen Geräts bilden. Das Leistungsstellglied eines solchen raumlufttechnischen Geräts ist zum Beispiel der Drehzahlregler des Ventilators und die Stellgröße die Solldrehzahl des Ventilators.
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Durch Nutzung des Sprachschallpegels bzw. des zeitlich gemittelten Sprachschallpegelmittelwerts als Indikator der menschlichen Aktivität im Raum kann die Betriebsleistung und die mit der Leistung direkt korrelierte Schallabstrahlung des raumlufttechnischen Geräts situationsspezifisch angepasst werden. In Phasen geringer Sprachaktivität wird das raumlufttechnische Gerät - je nach Art der Ausführung des Leistungsstellglieds - mit gedrosselter Leistung betrieben oder gar abgeschaltet. Bei starker Sprachaktivität wird die Leistung (und damit unvermeidlich einhergehend die Schallabstrahlung) des raumlufttechnischen Geräts erhöht.
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Bekanntermaßen werden besonders beim Sprechen und Singen aus dem Mund und Rachenbereich stammende Aerosole in die Umgebung verteilt, wodurch auch die in den Aerosolen enthaltene Keime, Viren oder Bakterien schneller in die Raumluft gelangen. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Schallpegelregelung ist in diesem Zusammenhang, dass gerade bei hoher Sprachaktivität die Leistung des raumlufttechnischen Geräts erhöht und somit die anthropogene Aerosolbelastung der Raumluft durch verstärkte Abfuhr oder Reinigung der aerosolbehafteten Raumluft bzw. durch erhöhte Zufuhr von Frischluft verringert werden.
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Mit dem Verfahren kann auch der Zustand des menschenleeren Raumes erkannt werden. Die Ansteuerung kann in diesem Sonderfall bedarfsgerecht ausgeführt werden, da zwar einerseits die Schallemission bei Betrieb des raumlufttechnischen Geräts nicht stört, andererseits aber ein Betrieb des raumlufttechnischen Geräts unter Umständen gar nicht nötig ist.
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Der erfindungsgemäße Schallpegelregler basiert auf dem beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren. Er umfasst die Prozessoreinheit und den an die Prozessoreinheit angeschlossenen akustischen Sensor. Die Prozessoreinheit ist dazu eingerichtet, aus dem mit dem akustischen Sensor zeitaufgelöst aufgezeichneten Gesamtschallpegel den darin enthaltenen Sprachschallpegel zu ermitteln, aus diesem den zeitlich gemittelten Sprachschallpegelmittelwert zu berechnen und auf der Basis des Sprachschallpegelmittelwerts die Stellgröße zur Leistungsteuerung des raumlufttechnischen Geräts zu bestimmen. Um die Ansteuerung des raumlufttechnischen Geräts zu realisieren, wird die Prozessoreinheit in bekannter Art und Weise mit dem Leistungsstellglied des raumlufttechnischen Geräts signaltechnisch gekoppelt bzw. verbunden.
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Der funktionale Zusammenhang, mittels dem gemäß dem vierten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens die Stellgröße auf Basis des Sprachschallpegelmittelwerts ermittelt wird, kann zum Beispiel ein proportionaler Zusammenhang sein. Die eingestellte Leistung des raumlufttechnischen Geräts korreliert demzufolge direkt mit dem Sprachschallpegel im Raum.
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Der funktionale Zusammenhang, zum Beispiel der proportionale Zusammenhang, kann für verschiedene Teilbereiche des Sprachschallpegelspektrums unterschiedliche gewählt werden.
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Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass zwischen Stellgröße und Sprachschallpegelmittelwert zumindest in einem (ggf. anderen) Teilbereich des Sprachschallpegelspektrums eine umgekehrte Proportionalität besteht. So ist es mitunter wünschenswert, dass bei einem bestimmten höheren Sprachschallpegelmittelwert, zum Beispiel während des Sprachvortrags eines Lehrenden, die Leistung des raumlufttechnischen Geräts gedrosselt und in einer Ruhephase erhöht wird. Eine solche Regelung ist vor allem dann zweckmäßig, wenn in den Ruhephasen die Geräuschkulisse gerade nicht als störend empfunden bzw. nicht wahrgenommen wird.
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Der Schallpegelregler kann eingerichtet sein, sowohl die proportionale als auch die umgekehrt proportionale Regelung vorzunehmen.
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Gemäß einer ersten Ausgestaltung des Verfahrens wird die zeitaufgelöste Ermittlung des im Gesamtschallpegels enthaltenen Sprachschallpegels mittels eines mit der Prozessoreinheit ausgeführten Sprechpausenerkennungsverfahrens durchgeführt. Solch ein Verfahren der Sprechpausenerkennung, besser bekannt unter der englischsprachigen Fachbezeichnung Voice Activity Detection (VAD), kann zum Beispiel die Energiehöhe der Signale verarbeiten und mathematische Algorithmen, wie die Hilbert-Transformation oder das Wiener-Filter, einsetzen. Die Sprechpausenerkennung kann auch mittels eines (sich ständig selbstoptimierenden) neuronalen Netzes erfolgen. Zudem können Referenzsysteme bei der Sprachpausenerkennung angewandt werden.
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Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Sprechpausenerkennung kann ferner neben der zeitaufgelösten Ermittlung des im Gesamtschallpegel enthaltenen Sprachschallpegels zusätzlich der im Gesamtschallpegel enthaltene integrale Hintergrundschallpegel zeitaufgelöst ermittelt werden. Der integrale Hintergrundschallpegel ergibt sich aus dem Gesamtschallpegel abzüglich des Sprachschallpegels. Aus dem integralen Hintergrundschallpegel wird wiederum ein zeitlich gemittelter Hintergrundschallpegelmittelwert berechnet. Die Stellgröße zur Leistungssteuerung des raumlufttechnischen Geräts wird auf der gemeinsamen Basis von Sprachschallpegelmittelwert und Hintergrundschallpegelmittelwert bestimmt.
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Hierbei kann vorgesehen sein, dass der Sprachschallpegelmittelwert für die Sprachschallpegel-Mittelungszeit und der Hintergrundschallpegelmittelwert für eine Hintergrundschallpegel-Mittelungszeit berechnet werden, wobei sich die Sprachschallpegel-Mittelungszeit und die Hintergrundschallpegel-Mittelungszeit vorzugsweise voneinander unterscheiden.
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Gemäß einer zweiten Ausgestaltung des Verfahrens zur Schallpegelregelung wird der im Gesamtschallpegel enthaltene Sprachschallpegel unter Berücksichtigung eines Prognose-Hintergrundschallpegels bestimmt. Zur Berechnung des Sprachschallpegels in der momentanen Sequenz des Verfahrens wird ein Prognose-Hintergrundschallpegel verwendet, der in der unmittelbar vorangehenden Sequenz auf Basis bzw. als Funktion der in der vorangehenden Sequenz ermittelten Stellgröße bestimmt wurde. Die Ermittlung des Sprachschallpegels erfolgt in der momentanen Sequenz durch Subtraktion des Prognose-Hintergrundschallpegels vom Gesamtschallpegel. Für die erste Sequenz des Verfahrens wird ein initialer Prognose-Hintergrundschallpegel vorgegeben. Vorteil dieser Verfahrensvariante mit der iterativen Prognose des Hintergrundschallpegels ist der geringere rechentechnische Aufwand, da die Rückkopplungsfunktion zur Bestimmung des Prognose-Hintergrundschallpegels empirisch für ein spezifisches raumlufttechnisches Gerät bestimmt und in der Prozessoreinheit als Datensatz hinterlegt werden kann.
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Der Schallpegelregler kann eingerichtet sein, die vorgenannten Verfahren gemäß der der ersten oder zweiten Ausgestaltung auszuführen.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert; dazu zeigen
- 1: die Schallpegelregelung für raumlufttechnische Geräte mit Sprechpausenerkennung, und
- 2: die Schallpegelregelung für raumlufttechnische Geräte basierend auf einer iterativen Prognose des Hintergrundschallpegels.
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Die in den Zeichnungen enthaltenen mathematischen Symbole entsprechen den internationalen Konventionen dieser Symbolik; die Bezeichnung f() steht für eine mathematische Funktion der Variablen im Klammerausdruck.
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In dem Raum, in dem die Schallpegelreglung des raumlufttechnischen Geräts 1 stattfinden soll, befinden sich gemäß der 1 und 2 mehrere Schallquellen 3, 4, wobei eine der Schallquellen die Sprachschallquelle 3, also zum Beispiel eine im Raum befindliche Person, und die anderen Schallquellen einzelnen Hintergrundschallquellen 41, 42 bis 4n darstellen. Die einzelne Hintergrundschallquellen 41, 42 bis 4n sind durchnummeriert, wobei die Nummer als Index i dargestellt ist und von 1 bis n reicht. Das raumlufttechnische Geräts 1 ist gleichzeitig die Hintergrundschallquelle 41.
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Jede der Hintergrundschallquellen 41, 42 bis 4n emittiert Hintergrundschall mit dem jeweiligen Hintergrundschallpegel B1, B2 bis Bn. Die Sprachschallquelle 3 emittiert entsprechend Sprachschall mit dem Sprachschallpegel A. Der integrale Hintergrundschallpegel B setzt sich aus der Gesamtsumme der Hintergrundschallpegel B1, B2 bis Bn zusammen. Der Gesamtschallpegel A u B setzt sich wiederum aus dem Sprachschallpegel A und dem integralen Hintergrundschallpegel B zusammen.
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Dieser Gesamtschallpegel A u B wird mittels des als Mikrofon ausgeführten akustischen Sensors 5 aufgenommen und an die Prozessoreinheit 2 signaltechnisch weitergeleitet. Die Aufzeichnung von Schallpegeleinzelwerten erfolgt mit der Abtrastrate dt.
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Dieses Eingangssignal des Gesamtschallpegels A u B wird gemäß der ersten Ausführung der Erfindung nach 1 in der Prozessoreinheit 2 in die Teilmengen des Sprachschallpegels A und des integralen Hintergrundschallpegels B mittels eines Verfahrens zur Sprechpausenerkennung zerlegt. Nach zeitlicher Mittelung werden der Sprachschallpegelmittelwert (A) über die Sprachschallpegel-Mittelungszeit tA und der Hintergrundschallpegelmittelwert (B) über die Hintergrundschallpegel-Mittelungszeit tB berechnet. Die Stellgröße N wird als Funktion des Sprachschallpegelmittelwerts (A) und des Hintergrundschallpegelmittelwerts (B) ermittelt. Unter Verwendung der Stellgröße N wird schließlich das raumlufttechnische Gerät 1 angesteuert, d. h., in Abhängigkeit der Stellgröße N wird die momentane Betriebsleistung des raumlufttechnischen Geräts 1 geändert bzw. angepasst.
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Das in 2 veranschaulichte Schallregelungsverfahren und der Schallregler gemäß der zweiten Ausführung der Erfindung, das der ersten Ausführung nach 1 in weiten Teilen entspricht, nutzt - im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel - keine Sprechpausenerkennung. Der Sprachschallpegel A, der anteilig im Gesamtschallpegel A u B enthalten ist, wird iterativ durch Rückkopplung auf Basis des Prognose-Hintergrundschallpegels B* bestimmt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Raumlufttechnisches Gerät
- 2
- Prozessoreinheit
- 3
- Sprachschallquelle
- 4
- Hintergrundschallquelle
- 5
- Akustischer Sensor
- A
- Sprachschallpegel
- B
- integraler Hintergrundschallpegel
- Bi
- Hintergrundschallpegel einer einzelner Hintergrundschallquelle i
- B*
- Prognose-Hintergrundschallpegel
- 〈A〉
- Sprachschallpegelmittelwert
- 〈B〉
- Hintergrundschallpegelmittelwert
- A ∪ B
- Gesamtschallpegel aus Sprachschallpegel und Hintergrundschallpegel
- tA
- Sprachschallpegel-Mittelungszeit
- tB
- Hintergrundschallpegel-Mittelungszeit
- dt
- Erfassungszeitintervall (Abtastrate)
- N
- Stellgröße zur Leistungssteuerung des raumlufttechnischen Geräts
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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