DE19528570C2 - Gerichteter Schallgenerator - Google Patents

Description

Zur technischen Erzeugung von Schall stehen heutzutage verschiedene Schallgenera­ toren zur Verfügung. Allen bisherigen Systemen gemeinsam ist die relativ niedrige spezifische bzw. auf das Bauvolumen bezogene, akustische Leistung sowie die Monopolrichtcharakteristik insbesondere bei tiefen Frequenzen (Wellenlänge < Bau­ größe).

In den meisten Anwendungen kommen elektrodynamische Lautsprecher(-systeme) zum Einsatz. Neben der geringen spezifischen Leistung, insbesondere bei tiefen Fre­ quenzen, kann eine Richtwirkung nur durch sperrige Array-Anordnungen realisiert werden. Extreme Beanspruchungen, klimatische Bedingungen (Temperatur, Feuchtig­ keit) und die Empfindlichkeit gegenüber aggressiven Medien (z. B. Abgase) führen zu einer kurzen Lebensdauer dieser Systeme. Elektrostatische und Piezolautsprecher zeichnen sich durch dieselben Nachteile aus. Mechanische Kolbenlautsprecher haben zwar einen besseren Wirkungsgrad und sind relativ robust, werden aber aufgrund ih­ res Gewichtes und ihrer drehzahlgekoppelten, frequenzselektiven Abstrahlung kaum verwendet.

Zur Erzeugung von hohen Schalleistungen werden häufig pneumatische Schallerzeu­ ger verwendet. Die pneumatische Sirene [Seebeck 1841], welche einen expandieren­ den Luftstrom durch eine Rotor-Stator-Konfiguration oder andere Unterbrecherorgane moduliert, kann meist nur periodische Signale erzeugen und bei tiefen Frequenzen konnte mit den bisherigen Systemen keine Richtwirkung erreicht werden (siehe auch: DE 22 62 948 C3; US 3,072,094; DE 23 20 732 A1; DT 24 45 249; DE 37 23 693 A1, DE 37 23 693 A1, DE 33 19 969 A1).

Neben den Sirenen existieren Air-Modulated-Geräte [Ling-Altec], welche einen Luft­ strom durch eine elektromagnetische Schwingspule modulieren. Mit diesen Systemen können beliebige Signale generiert werden. Solche Systeme zeichnen sich jedoch durch hohe Herstellungskosten und, aufgrund großer, oszillierender Bauteile, durch eine oftmals geringe Lebensdauer aus, insbesondere bei der Generierung tieffre­ quenter Geräusche. Die obere Frequenzgrenze wird durch die Trägkeit der bewegli­ chen Teile begrenzt. Diese Systeme können ebenfalls bei tiefen Frequenzen keine Richtwirkung verwirklichen (siehe auch: Burgess, J., Salmon, V., Development of a Modulated Air Stream Loudspeaker, Stanford Research Institute Final Report, December 1955).

Weiterhin ist zu bemerken, daß sämtliche Schallerzeuger (z. B. Druckkammerlautspre­ cher), welche zur Leistungssteigerung mit (Exponential-) Trichtern bzw. Hörnern ver­ sehen werden, einerseits bei tiefen Frequenzen (unterhalb der sog. Cutoff-Frequenz, Wellenlänge ≈ Trichterdurchmesser) kaum abstrahlen und andererseits durch die, mit der Aufweitung der Öffnungsfläche (nach dem Kontinuitätssatz) verbundene Herabsetzung der Schallschnelle zum Trichterrand hin, als nahezu ideale Mono­ polquelle, d. h. ungerichtet, abstrahlen.

Zusammengefaßt zeichnen sich alle oben genannten Schallgeneratoren neben der relativ niedrigen spezifischen, d. h. auf die Bauteilmasse bezogenen, sowie der, auf das Bauvolumen bezogenen Schalleistung durch eine Monopolrichtcharakteristik im tieffrequenten Bereich aus.

Der vorgestellte, gerichtete Schallgenerator ist eine Düsenvorrichtung bzw. Düse (im weiteren steht der Begriff Düse stellvertretend für die Düsenvorrichtung), welche nach dem Düsenprinzip arbeitet, d. h. ein Fluidstrom wird mit der Geschwindigkeit v in ein Umgebungfluid (vorzugsweise Luft, im weiteren wird stellvertretend für Umgebungs­ fluid von "[Umgebungs-] Luft" gesprochen) ausgedüst bzw. ausgeblasen (im weiteren wird von "ausblasen" gesprochen, auch wenn Flüssigkeiten ausgespritzt werden).

Zur Schallerzeugung wird der ausströmende Fluidstrom moduliert. Der gerichtete Schall­ generator baut klein, wodurch die, auf die Baugröße oder die Bauteilmasse bezo­ gende Leistung hoch ist.

Im folgenden wird näher auf die prinzipielle Arbeitsweise des gerichteten Schallgene­ rators eingegangen. Aufgrund des moduliert ausströmenden Luftvolumenstromes arbeitet der gerichtete Schallgenerator einerseits als eine akustische Volumenquelle (Monopolquelle).

Der Schalldruckanteil der Volumenquelle im Freifeld p_Monopol berechnet sich zu (Fernfeldnäherung r < < λ):

mit: t: Zeit [s]
ρ_o: Dichte des Umgebungsfluid (z. B. Luft) [kg/m³]
ρ_Fluid: Dichte des ausströmenden Fluids (z. B. Luft) nach erfolgter Expansion [kg/m³]
V: Volumen des ausströmenden Fluids nach erfolgter Expansion [m³]
: Abstandsvektor vom Schallgenerator zum Immissionspunkt [m]
c_o: Schallgeschwindigkeit des Umgebungsfluids [m/s]
m: Masse des ausströmenden Fluids [kg]
A: Öffnungsfläche der Düse [m²]
v: Ausströmgeschwindigkeit des ausströmenden Fluids [m/s]

N-fach gepunktete Größen bezeichnen die n-fachen zeitlichen Ableitungen der ent­ sprechenden Größen. Mit ρ_Fluid wird die Dichte des ausströmenden Mediums nach erfolgter Expansion bei Umgebungsdruck bezeichnet. Wie an der letzten Formel zu erkennen ist, ist der Monopolanteil des Schalldruckes unabhängig von der Dichte des ausströmenden Fluids. Auf den Einfluß des Wärmeaustausches mit der Umgebung (z. B. bei der Kondensation/Verdampfung von Wasser) auf den Monopolanteil des Schalldruckes wird noch gesondert eingegangen.

An dieser Stelle wird weiterhin angemerkt, daß bei den folgenden Ausführungen an­ genommen wird, daß die Strahlänge klein gegenüber der Wellenlänge ist. Durch eine Variation der Strahllänge kann ebenfalls noch Einfluß auf die Richtcharakteristik ge­ nommen werden. Darauf wird ebenfalls noch näher eingegangen.

Der gerichtete Schallgenerator wirkt andererseits auch als eine akustische Kraftquelle (Dipol), da der, mit der Geschwindigkeit v ausströmende, modulierte Fluidmassen­ strom eine Kraftänderung auf das Umgebungsfluid überträgt. Die Kraft des Düsen­ strahles auf die Umgebung ist nach dem Impulssatz gleich der Haltekraft der Düse. In den folgenden Betrachtungen wird die Strahllänge als klein gegenüber der Wellen­ länge angenommen.

Der Dipolanteil des Schalldruckes im Freifeld p_Dipol aufgrund einer veränderlichen Kraft berechnet sich wie folgt:

mit: F : Kraft, die von dem Strahl auf die Umgebungsluft ausgeübt wird [N]
θ: Winkel zur Strahlachse (Kugelkoordinaten: Winkel zwischen der z-Achse (= Strahlachse) und dem Radiusvektor zum Immissionspunkt

Der Betrag der zeitlichen Änderung des Impulses m . v des gerichtet austretenden Luft­ massenstromes ist nach dem Impulssatz gleich dem Betrag der Haltekraft der Düse und nach actio = reactio gleich der Kraft, die auf das Fluid übertragen wird. Bei den folgenden Überlegungen soll die Ausströmgeschwindigkeit v als konstant angenom­ men werden. Die Modulierung des Luftmassenstromes wird durch eine zeitliche Ände­ rung der Austrittsöffnungsfläche bewirkt.

Für den Betrag der zeitlichen Änderung der Kraft des Dipolanteils folgt:

D. h. die Kraftänderung ist von der Öffnungsflächenänderung und von der Dichte des ausströmenden Fluids ρ_Fluid sowie quadratisch (!) von der Ausströmgeschwindig­ keit abhängig.

Der Gesamtschalldruck der Düse im Freifeld berechnet sich folglich zu:

Beträgt die Ausströmgeschwindigkeit des Mediums Schallgeschwindigkeit der Umge­ bungsluft (v = c_o) und hat das Fluid eine Expansionsdichte, die gleich der Dichte der Umgebungsluft ist d. h. ρ_Fluid = ρ_o (wie z. B. beim Ausblasen von Luft in Luft), so ergibt sich für den Gesamtschalldruck im Freifeld:

d. h. in Ausblasrichtung erfolgt konstruktive Interferenz des Schalles (Verstärkung), in der Gegenrichtung destruktive Interferenz (Abschwächung). Der Schallgenerator ar­ beitet im Idealfall als akustischer Tripol, die Richtcharakteristik gleicht dann einem Kardioid.

Diese (in weiten Grenzen steuerbare) Richtcharakteristik, welche auch bei tiefen Fre­ quenzen vorhanden ist, kann durch keinen der herkömmlichen Schallerzeuger und zudem ohne eine aufwendige, elektronische Regelung realisiert werden konnte. Daher eignet sich der gerichtete Schallgenerator in idealer Weise zur aktiven Auslöschung von Schallfeldern durch Einsatz von Tripolen (entspr. Kirchhoff-Helmholtz-Integral- Gleichung).

Der Wirkungsgrad der Düse (akustische Leistung zu pneumatischer Leistung) kann erheblich gesteigert werden, indem die Düse in ein Rohr oder einen Kanal etc. einge­ baut wird. Zur Berechnung der Schalldrücke im Rohr bei eindimensionaler Wellenaus­ breitung, wird im folgenden von dem Modell masseloser Kolben ausgegangen (der Monopol entspricht zwei gegeneinander schwingender Kolben, der Dipol entspricht ei­ nem einzelnen, schwingenden Kolben). Weiterhin wird angenommen, daß die Düse in axialer Rohrrichtung ausbläst.

Der Monopolanteil des Schalldruckes im Rohr berechnet sich wie folgt:

mit: S: Rohrquerschnittsfläche [m²]

Der Dipolanteil des Schalldruckes im Rohr ist

Das Vorzeichen des Schalldruckes sign ( . ) ist von der Position des Beobachters im Rohr abhängig. In Ausblasrichtung ( ↑↑ ) ist der Schalldruck positiv, d. h. sign ( . ) = +1, in der Gegenrichtung negativ sign ( . ) = -1.

Der Gesamtschalldruck im Rohr ergibt sich durch die Summation der Schalldruckantei­ le von Monopol und Dipol:

Für den oben beschriebenen Spezialfall v = c_o, ρ_Fluid = ρ_o ergibt sich (ähnlich wie im Freifeld):

D. h. im Rohr folgt, wie im Freifeldfall, in der Ausströmrichtung Verstärkung, und in der Gegenrichtung eine Auslöschung, so daß im Rohr eine gerichtete Schallerzeugung ermöglicht wird, die bislang nur durch mindestens zwei einzelne Schallgeneratoren realisiert werden konnte. Somit wird der gerichtete Schallgenerator gerade im Rohr als sehr effektiver Antischallgenerator mit inhärenter, gerichteter Schallabstrahlung ver­ wendet. Zu beachten ist der Unterschied in der Schallgenererierung im Freifeld und im Rohr. Während der Monopolanteil des Schalldruckes im Freifeld durch und der Di­ polanteil durch erzeugt wird, wird der Monopolanteil im Rohr durch und der Dipol­ anteil im Rohr durch F verursacht.

Für den Fall, daß das ausströmende Fluid (durch Temperaturdifferenz oder Zusam­ mensetzung bedingt) eine andere Dichte als die Umgebungsfluid hat, verändert sich der dichteabhängige Dipolanteil relativ zum Monopolanteil, welcher seinerseits nur von dem Volumen des ausströmenden Fluids abhängt. Die in einem solchen Fall notwen­ dige Ausströmgeschwindigkeit für eine einseitig gerichtete Tripol-Schallabstrahlung berechnet sich für den Freifeld-Fall sowie im eindimensionalen Fall zu:

D. h. für ein Fluid mit einer Expansionsdichte größer als die Dichte der Umgebung ist eine kleinere Ausströmgeschwindigkeit notwendig, um eine kardioide, d. h. für einen Tripol charakteristische Richtcharakteristik zu erreichen (Kondensation, Verdampfung und damit verbundener Wärmeübergang wurde an dieser Stelle nicht berücksichtigt).

Die Strahlänge, die Strahlform sowie der Strahlwinkel üben ebenfalls, wie oben bereits erwähnt, einen Einfluß auf die Richtcharakteristik aus.

Bei Strahllängen, welche in der Größenordnung der Wellenlänge des zu emittierenden Schalls liegen, muß berücksichtigt werden, daß sich die Expansion des Fluids nicht di­ rekt an der Austrittsöffnung vollzieht, d. h. es ist somit eine kontinuierliche Volumen­ quellverteilung entlang des Strahles zu berücksichtigen, z. B. vereinfachend durch mehrere, bewegte Monopole entlang der Strahlachse; die Impulsübertragung auf die Umgebungsluft findet ebenfalls nicht direkt an der Austrittsöffnung statt, sondern ent­ lang des Düsenstrahles, so daß von einer zeitlich veränderlichen Kraftdichteverteilung entlang der Strahlachse ausgegangen werden muß, z. B. angenähert durch mehrere bewegte Dipole entlang der Strahlachse. Große Strahllängen werden gezielt genutzt, um Einfluß auf die Richtcharakteristik zu nehmen. Bei beiden Schallenstehungsme­ chanismen, demjenigen aufgrund der kontinuierlichen Volumenquellverteilung und demjenigen aufgrund der zeitlichen Kraftdichteänderungen, führen große Strahllängen zu einer zusätzlichen (!) Ausrichtung der Schallabstrahlung.

Große Strahllängen ergeben sich beispielsweise durch Einsatz speziell geformter Dü­ sen, durch hohe Austrittsgeschwindigkeiten des Fluids oder durch die Injektion in ein bewegtes Umgebungsmedium.

In der Regel wird eine kurze Strahllänge bevorzugt. Es gibt viele Möglichkeiten, die Strahllänge zu begrenzen, welche meist darauf zielen, die Turbulenz des austretenden Fluidstromes zu erhöhen. Bei einer Mehrfachdüse wird der ausströmende Fluidstrom auf mehrere Austrittsöffnungen verteilt. Die Mehrfachdüse wird durch mehrere, gleich­ zeitig bewegte Düsenkegel geöffnet bzw. geschlossen oder, falls das ausströmende Fluid durch einen einzelnen Düsenkegel moduliert werden soll, wird eine Verteilerdüse nachgeschaltet werden, welche den modulierten Hauptstrom durch mehrere kleine Öffnungen austreten läßt.

Die Strahllänge wird durch den Einsatz eines oder mehrerer Prallkörper verkürzt. Der Düsenstrahl wird durch den Aufprall aufgeweitet und turbulent, wodurch sich die Strahllänge verkürzt. Anstelle eines Prallkörpers ist auch ein Prallgitter oder ähnliches einsetzbar. Durch Mischen bzw. Kreuzen von mehreren Düsenstrahlen kann auch eine Strahlverkürzung erreicht werden. Ebenfalls sind Turbulenzdüsen mit oder ohne Wir­ belkammern, Dralldüsen mit Drallkanälen und/oder -kammern, Fächerstrahldüsen, Diffusoren, oszillierende, rotierende, sich translatorisch bewegende Düsen oder Dü­ senteile, Verfahren zur Erhöhung der Turbulenz wie beispielsweise die Ultraschallan­ regung, Flüssigkeits-, Körperschallanregung einsetzbar. Eine geeignete Gestaltung der Umgebung (z. B. schraubenförmige Rohrwandung, Querschnittsprünge) nimmt auch Einfluß auf die Turbulenz und die Strahllänge.

Die Geschwindigkeit des ausströmenden Fluids ist von großer Bedeutung für die Di­ polcharakteristik. Die Geschwindigkeit des Strahles kann durch die Gestaltung des Düsenquerschnittes beeinflußt werden. Beim Ausblasen gasförmiger Fluide wird zur Erreichung von Geschwindigkeiten nahe der Schallgeschwindigkeit der Umgebungsluft aus aerodynamischen und thermodynamischen Gesichtspunkten in den meisten Fäl­ len eine Lavaldüse eingesetzt. Die Geschwindigkeit des ausströmenden Fluids und damit der Dipolanteil wird durch eine erweiterte Lavaldüse, mit der Überschall­ geschwindigkeiten erreicht werden, noch gesteigert.

Alle oben aufgeführten Maßnahmen, welche das akustische Verhalten des Schallge­ nerators beeinflussen, sind im Betrieb durchführbar bzw. modifizierbar, sodaß durch die Maßnahmen insbesondere der Dipolanteil der Schallabstrahlung und damit die Richtcharakteristik der Düse während des Betriebes steuerbar ist.

Der Schallgenerator ist grundsätzlich in der Lage, gasförmige und flüssige Fluide zu verwenden, insbesondere Luft, Abgase, Wasser (unterschiedlicher Temperaturen), Wasserdampf. Auch Festkörperpartikel, erstarrende Substanzen (z. B. Wachs) und Substanzen, die während und/oder nach dem Ausströmen (mit anderen Substanzen, dem Umgebungsfluid) chemische und/oder thermodynamische Zustandsänderungen durchführen, einsatzfähig, wie beispielsweise selbstentzündliche (hypergole) oder nicht selbstentzündliche Brennstoffe, mit welchen ein gefeuerter Betrieb des Schallge­ nerators möglich ist. Durch das Ausblasen von Flüssigkeiten, die nach dem Ausblasen nicht kondensieren bzw. verdampfen (beispielsweise Öl), läßt sich der Dipolanteil des Schalldruckes steigern. Im weiteren steht der Begriff "Fluid" stellvertretend für die ge­ nannten Substanzen.

Bei der Verwendung von Wasser und Wasserdampf (bzw. anderen Fluiden, die ebenfalls während des Ausblasens verdampfen bzw. kondensieren, im weiteren wird stellvertretend für solche Stoffe von "Wasser" bzw. "Wasserdampf" gesprochen) tritt ein zusätzlicher thermodynamischer Effekt auf, der beim Betrieb des Schallgenerators berücksichtigt und gezielt genutzt wird. Bei der Verdampfung von Wasser bzw. bei der Kondensation von Wasserdampf findet ein Wärmeaustausch zwischen dem Wasser und der Umgebung statt. Die Verdampfungsenthalpie r_H2O, welche bei Wasser ca. 2250 kJ/kg liegt, führt zu einer Volumenveränderung des Umgebungsfluids. Die Volu­ menzunahme des verdampfenden Wassers / die Volumenabnahme des kondensie­ renden Wasserdampfes beträgt:

|ΔV_{Wasser(-dampf)}| = m_Wasser (v" - v') ≈ m_Wasser v"

mit: m_Wasser : Masse des injizierten Wassers bzw. Wasserdampfes
v": spezifisches Volumen des Wasserdampfes auf der Grenzkurve zum Naßdampfgebiet
v' (< < v"): spezifisches Volumen des Wassers auf der Grenzkurve zum Naßdampfgebiet

Die der Umgebung zugeführte/abgezogene Wärme beim Ausblasen von kondensie­ renden Wasserdampf/verdampfenden Wasser führt dazu, daß sich das Volumen des Umgebungsfluids erhöht/verringert. Der 1. Hauptsatz der Thermodynamik für ge­ schlossene Systeme beschreibt den Wärmeaustausch zwischen dem kondensieren­ dem Wasserdampf/verdampfenden Wasser und der Umgebung:

mit: h"_H2O: spezifische Enthalpie des Wasserdampfes auf der Grenzkurve zum Naßdampfgebiet [kJ/kg]
h'_H2O: spezifische Enthalpie des Wassers auf der Grenzkurve zum Naßdampfgebiet [kJ/kg]
m_Umg.: Masse eines beliebigen Kontrollvolumens der Umgebungsluft [kg]
c_p,Umg: spezifische Wärmekapazität der Luft bei Umgebungsdruck [kJ/kgK]
ΔT_Umg.: Temperaturanstieg/-abfall von m_Umg. [K]

Mit dem Idealen-Gas-Gesetz ergibt sich für die Volumenänderung der Umgebung:

mit: κ: Isentropenexponent von Luft
r_H2O = h"_H2O - h'_H2O: spez. Verdampfungsenthalpie des Wassers, r_H2O ≈ 2260 J/g

Die Volumenänderung der Umgebung ist unabhängig von m_Umg bzw. einem ange­ setzten Kontrollvolumen. Die resultierende Volumenänderung ergibt sich aus der Diffe­ renz der Volumenänderungen des ausgeblasenen Wassers/Wasserdampfes und der Umgebung:

Daraus folgt, daß verdampfendes Wasser eine Volumenabnahme (-), kondensieren­ des Wasser eine Volumenzunahme (+) bewirkt.

Dies führt dazu, daß sich die Richtcharakteristik beim (zusätzlichen) Ausblasen von Wasser, welches nachfolgend verdampft, gegenüber dem Fall von Luft als Ausblas­ medium, umkehrt (!): Schallabschwächung in Ausblasrichtung, Schallverstärkung in der Gegenrichtung!!!

Beim Ausblasen von kondensierendem Wasserdampf (in gesättigte Umgebungsluft, d. h. relative Luftfeuchtigkeit 100%) entsteht Volumen aufgrund des Wärmeübergan­ ges und in Ausblasrichtung erfolgt konstruktive Interferenz wie beim Ausblasen von Luft.

Die bei der Einspritzung von Wasser bzw. Wasserdampf, für eine gerichtete Schall­ abstrahlung notwendige Geschwindigkeit berechnet sich durch Gleichsetzen der Schalldruckanteile von Monopol und Dipol. Der Dipolanteil berechnet sich wie zuvor, der Monopolanteil hängt von der resultierenden Volumenänderung nach der Konden­ sation/Verdampfung und dem damit verbundenen Wärmeaustausch mit der Umge­ bung ab.

Aufgrund der Tatsache, daß beim Ausblasen von Wasser (-dampf) der Dipolanteil aufgrund der, gegenüber Luft höheren Dichte von Wasser (-dampf) ansteigt, ist der oben beschriebene Effekt wichtig. Bei der Einspritzung von Wasser in heißes Abgas ist der Wärmeübergang aufgrund des Temperaturunterschiedes zwischen Abgas und Wasser (mehrerer Hundert Grad) sehr schnell, sodaß dieser Effekt bei dieser Anwen­ dung eine Rolle spielen wird.

Alle genannten Substanzen können vor und/oder während des Ausblasens gemischt oder getrennt voneinander ausgeblasen werden. Zum gleichzeitigen Ausblasen meh­ rerer Fluide eignen sich Zweistoff- und Mehrstoffdüsen. Die Modulation der Fluid­ ströme geschieht durch einen einzelnen Düsenkegel, der mehrere Öffnungen ver­ schließt, oder durch mehrere Düsenkegel durchgeführt, um z. B. zusätzlich gezielt Ein­ fluß auf das Mischungsverhältnis der beiden Substanzen zu nehmen. Mit Mehrstoffdü­ sen können auch mehrere Stoffe gleichzeitig ausgeblasen werden. Durch die alleinige oder zusätzliche Variation der Zusammensetzung des ausströmenden Fluidstromes ist die Schallabstrahlung, insbesondere die Richtcharakteristik, ebenfalls zu beeinflussen.

Die Modulation des ausströmenden Fluidmassenstromes ist durch Modulation der Austrittsgeschwindigkeit und/oder durch Modulation der Ausströmrichtung und/oder durch Modulation der Fluidstromzusammensetzung und/oder durch Modulation der Strahlform und/oder durch Modulation der Strahllänge und/oder durch Modulation der chemischen und/oder thermodynamischen Zustandsänderungen des austretenden Fluidstromes zu realisieren.

Eine Düse mit konstant austretenden Fluidstrom generiert ebenfalls Schallsignale, in­ dem die Düse rotatorisch und/oder translatorisch bewegt wird, d. h. die Bewegung der Düse wird moduliert.

Neben allen an sich bekannten Düsenkonzepten (Einstoff-, Zweistoff und/oder Mehrstoff-, Steuerdüsen) und Zerstäubungverfahren sind auch sirenenähnliche Ver­ fahren einsetzbar, beispielsweise rotierende Unterbrecherorgane, wobei durch einen innenliegenden Rotor der Fluidstrom innerhalb der Düse periodisch moduliert wird.

Eine weitere Art der Modulation ist die selbsterregte Modulation durch mechanische/ elektrische/akustische Resonatoren, wie beispielsweise der Tyfon-Mechanismus. In­ nerhalb der Düse findet ein Druckaufbau gegen eine vorgespannte Membran statt. Bei Überschreitung eines vorgegebenen Druckes wird durch die nachgebende Membran ein definierter Querschnitt freigegeben wird. Während des Ausströmens fällt der Druck ab und die Membran schließt wieder. Innen- oder außenliegende Helmholtz- oder λ/4- Resonatoren, vibrierende Zungen, ein beweglicher Düsenkopf o. ä. schwingungsfä­ hige Systeme können ebenfalls zur Modulation des Fluidstromes genutzt werden. Zur Modulation sind auch äußere Einflüsse wie beispielsweise der Umgebungsdruck nutz­ bar (z. B. Einsatz an schnell rotierenden Bauteilen, Propellern). Der Fluidstrom ist auch durch Bypasse oder durch Fluidik modulierbar.

Wie oben bereits beschrieben, hat der gerichtete Schallgenerator im Rohreinbau ei­ nen höheren mechanisch-akustischen Wirkungsgrad als im Freifeld. Ebenfalls erhöht der Einbau des gerichteten Schallgenerators in Helmholtz- oder λ/4-Resonator den akustischen Wirkungsgrad. Aufgrund der Ausströmgeschwindigkeit sowie der Reich­ weite (je nach Strahllänge) kann der gerichtete Schallgenerator auch an Stellen ein­ gebaut werden, an denen überwiegend die Schallschnelle vorherrscht (z. B. Mündung des λ/4-Resonators, in Schwingungsknoten von stehenden Wellen) und dort das Schallfeld auch über die Schallschnelle anregen. Der Schallgenerator ist ebenfalls in akustischen Hörnern (z. B. Exponentialhörner) einsetzbar, wobei der Düsenstrahl nach außen gerichtet wird. Weiterhin ist der Einsatz an Wänden, im Abstand zu Wänden (z. B. Vielfache von λ/4) oder auf beweglichen, z. B. schwingenden Trägern vor­ gesehen.

Neben einer einzelnen Düse sind auch mehrere Düsen gleichzeitig einsetzbar, so z. B. sind auf einem gemeinsamen Düsenkopf mehrere Austrittsöffnungen oder eine Düse mit mehreren Austrittsöffnungen in verschiedene Richtungen bzw. auch ein-, zwei- oder dreidimensionale Array-Aufstellung realisierbar, um beispielsweise die Richtchar­ akteristik zusätzlich zu beeinflussen bzw. die Schalleistung des Schallgenerators zu erhöhen.

Mit dem Schallgenerator ist gezielt das akustische Nah- und Fernfeld in der Nähe des Einbauortes und auch die strömungstechnischen Verhältnisse an dieser Stelle zu be­ einflussen. So ist z. B. ein Einbau in der Nähe der Auslaßventile eines Verbrennungs­ motors vorteilhaft zur Schallauslöschung und zur Beeinflussung des Abgasgegen­ druckes.

Weitere Sonderaufgaben ergeben sich durch die chemische Zusammensetzung, den thermodynamischen Zustand (Temperatur, Dichte) und den physikalischen Eigen­ schaften des ausströmenden Massenstromes, der Art und Weise des Ausbla­ sens/Zerstäubens des ausströmenden Massenstromes sowie durch die Positionierung (der vielleicht schon vorhandenen) Düsen. Der Schallgenerator ist neben seiner Hauptaufgabe, der (Anti-)Schallgenerierung ebenfalls zur Luftbefeuchtung in Klimaka­ nälen, zur gezielten Kühlung, zur Aufheizung, zur Abgasreinigung, bei chemischen Prozessen, zur Steigerung der Zerstäubungsgüte bei Zerstäubung bzw. Einspritzung (mit derselben oder einer zusätzlichen Düse), zur Optimierung der motorischen Ver­ brennung durch lokales Erhöhen bzw. Herabsetzten der (akustischen) Gasschwingun­ gen im Brennraum, zur gerichteten Beeinflussung der Gasschwingungen in Ansaug­ kanälen, zur Einbringung von Stoffen jeglicher Art, zum gleichzeitigen Versprühen von z. B. Tränengas, zum Ausstoßen von Projektilen jeglicher Art und zur Steigerung bzw. Abschwächung thermoakustischer Effekte einsetzbar.

Ausführungsbeispiele:

Fig. 1 Gerichteter Schallgenerator, schematische Darstellung der Wirkungsweise im Freifeld

Fig. 2 Richtcharakteristiken bei gerichteter Abstrahlung im Freifeld, Tripol

Fig. 3 Schalldruckentstehung im Rohr, Modell masseloser Kolben, Tripol

Fig. 4 Gerichteter Schallgenerator im Rohr

Fig. 5 Gerichteter Schallgenerator im Freifeld

Fig. 6 Gerichteter Schallgenerator als Mehrfachdüse (mehrere Düsenkegel)

Fig. 7 Gerichteter Schallgenerator als Mehrfachdüse (ein Düsenkegel)

Fig. 8 Gerichteter Schallgenerator mit Prallkörper zur Strahlverkürzung

Fig. 9 Gerichteter Schallgenerator mit erweiterter Lavaldüse

Fig. 10 Gerichteter Schallgenerator als Zwei-Stoffdüse

Fig. 11 Gerichteter Schallgenerator mit innenliegendem Rotor

Fig. 12 Gerichteter Schallgenerator mit selbsterregter Modulation (Tyfon-Vorrichtung)

Fig. 13 Gerichteter Schallgenerator, Einbau in Helmholtz-Resonator

Fig. 14 Gerichteter Schallgenerator auf schwingender Vorrichtung

Fig. 15 Gerichtete Schallgeneratoren in Array-Aufstellung

Für alle Abbildungen geltende Bezeichnungen (für x ist die jeweilige Abbildungs­ nummer einzusetzen):
x1 Schallgenerator
x2 Düse
x3 veränderlicher Öffnungsquerschnitt
x4 Düsenkegel zur Verstellung des veränderlichen Öffnungsquerschnittes von x3
x5 Druckreservoir für das auszublasende Medium, z. B. Luft, Wasser, Brennstoffe
x6 austretender Fluidstrom

Beschreibung der Abbildungen:

Fig. 1
In der schematischen Darstellung ist die Arbeitsweise des gerichteten Schall­ generators 11 im Freifeld skizziert. Der mit der Geschwindigkeit v und der Dichte ρ _Fluid (bei Umgebungsdruck) moduliert ausströmende Fluidstrom (Fluid z. B. Luft), hier vereinfacht dargestellt als ausströmendes Volumenelement 17, arbeitet einerseits, durch die zeitliche Änderung des Volumenstromes , als Volumenquelle (Monopol) und, durch die zeitliche Änderung der Kraft , die der Strahl nach dem Impulssatz auf das Kontrollvolumen der Umgebung 18 ausübt, als Kraftquelle (Dipol).

Fig. 2
Überlagerung einer Monopolrichtcharakteristik 27 und einer Dipolrichtcharakteristik 28 (Freifeld) zu einer resultierenden Tripolrichtcharakteristik 29, wie sie bei dem gerich­ teten Schallgenerator im Freifeld vorliegt, falls die Bedingung v = ρ_o/ρ_Fluid . c_o erfüllt ist (keine Kondensation bzw. Verdampfung etc.)

Fig. 3
Schalldruckberechnung im Rohr (eindimensionale Wellenausbreitung). Modellvorstel­ lung des masselosen Kolbens. Der Monopol entspricht zwei gegeneinander schwin­ gender Kolben 37, der Dipol entspricht einem schwingenden Kolben 38. Der Tripol 39 setzt sich entsprechend aus der Überlagerung der Kolben von Monopol 37 und Dipol 38 zusammen. Zusätzlich sind die Schalldruckverläufe für Monopol 40, Dipol 41 und die Überlagerung als Tripol 42 im Rohr skizziert.

Fig. 4
Gerichteter Schallgenerator 41 bestehend aus einer Ausblasvorrichtung bzw. Düse mit durch den Düsenkegel 44 steuerbarer Änderung der Querschnittsfläche 43 des Dü­ senkanals 42, dem Druckreservoir 45 und dem austretenden Fluidstrom 46, dargestellt im Einbau in einem Rohr 47, z. B. einem Auspuffrohr oder einem Klimakanal.

Fig. 5
Gerichteter Schallgenerator 51 zum Betrieb mit unter Druck stehendem Fluid aus Re­ servoir 55 in Freifeldbetrieb. Der Betrieb ist vollkommen identisch mit dem in Fig. 4.

Fig. 6, Fig. 7
Zur Verringerung der Strahllänge wird das Fluid in Fig. 6 bzw. Fig. 7 durch mehrere kleine Öffnungen ausgeblasen. In Fig. 6 besteht der Schallgenerator 61 aus mehreren Düsen 62, deren Querschnittsflächen 63 durch Düsenkegel 64 moduliert werden. Das auszublasende Medium befindet sich in einem Reservoir 65. Während in Fig. 6 eine Hubdüsenanordnung mit mehreren, gleichzeitig betätigten Düsenkegeln 64 verwendet wird, wird in Fig. 7 der Fluidstrom durch einen einzigen Düsenkegel 74 moduliert und nachfolgend auf mehrere nachfolgende Düsenöffnungen 77 verteilt.

Fig. 8
Zur Verkürzung der Düsenstrahles oder zur Minderung des Dipolanteils werden ein oder mehrere Prallkörper 87 eingesetzt. Durch den Prallkörper 87 wird die Turbulenz des Strahles erhöht. Anstelle des Prallkörper 87 sind auch Prallgitter etc. zu verwen­ den. Es ist darauf zu achten, daß die Prallkörper, welche zur Strahlverkürzung ver­ wendet werden, den Impuls des Fluidstromes möglichst wenig herabsetzen. Mit Prall­ körpern ist der Dipolanteil des Schalldruckes direkt zu beeinflussen.

Fig. 9
Zur Erzielung hoher Geschwindigkeiten wird der gerichtete Schallgenerator 91 mit ei­ ner erweiterte Lavaldüse 97 versehen. Durch die gegenüber einer nicht erweiterten Lavaldüse höhere Austrittsgeschwindigkeit wird der Dipolanteil des Schalldruckes verstärkt.

Fig. 10
In der schematischen Darstellung ist der gerichtete Schallgenerator 101 eine Zwei­ stoffdüse, mit der zwei Fluide, welche sich in den Reservoirs 107, 108 befinden, gleichzeitig versprüht werden. In dem gezeigten Beispiel steuert der Düsenkegel 104 die Änderung der beiden Öffnungsquerschnitte 103 gleichzeitig.

Fig. 11
Die Modulation des ausströmenden Fluidvolumenstromes wird hier z. B. durch rotie­ rende Bauteile durchgeführt werden. In der Abbildung ist der gerichteter Schallgenera­ tor 111 mit einem innenliegenden Rotor 117 und einem Stator 118 zu erkennen.

Fig. 12
Der Fluidstrom 126, welcher aus dem gerichteten Schallgenerator 121 austritt, wird durch einen Tyfon-Mechanismus selbsterregt moduliert. Die selbsterregt schwingende Membran 127 gibt die Öffnungsfläche 123 zeitweise frei.

Fig. 13
Zur Steigerung der abgestrahlten akustischen Leistung wird der gerichtete Schallgene­ rator 131 in einen Resonator eingebaut. In der Abbildung ist beispielhaft der Einbau in einen Helmholtzresonator 137 dargestellt.

Fig. 14
Zur Veränderung der Richtcharakteristik, zur (zusätzlichen) Modulierung des Fluidstr­ omes bzw. zur gezielten Veränderung des Schallfeldes eines beweglichen Objektes wird der gerichtete Schallgenerator 141 aufgrund seiner geringen Abmaße und seines geringen Gewichtes auch auf einem schwingenden, rotierenden und/oder sich transla­ torisch bewegenden Bauteil 147 befestigt.

Fig. 15
Die Abbildung zeigt eine eindimensionale Array-Aufstellung, die durch Montage von mehreren gerichteten Schallgeneratoren 151 auf einer Aufnahmevorrichtung 157 rea­ lisiert wird. Durch die Aufnahmevorrichtung wird das auszuströmende Fluid den ein­ zelnen, gerichteten Schallgeneratoren zugeführt und dient als zusätzliches Reservoir 155. Die Düsen sind verstellbar montierbar, sodaß die Ausblasrichtung der einzelnen Düsen auch während des Betriebes beeinflußbar ist.

Claims (10)

1. Gerichteter Schallgenerator mit einer steuerbaren Richtcharakteristik dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein gerichteter, mit der Geschwindigkeit v in ein Umgebungsfluid strömender Massenstrom ## moduliert wird, und dieser, aufgrund der zeitlichen Ände­ rung des durch ihn verursachten Volumenstromes, einerseits als eine akustische Vo­ lumenquelle arbeitet und andererseits, aufgrund seines, in Ausströmrichtung auf das Umgebungsmedium wirkenden, zeitlich veränderlichen Impulsstromes ## . v, als eine akustische Kraftdichtequelle arbeitet und durch Überlagerung der beiden Schalldruck­ anteile eine gerichtete Schallabstrahlung, auch bei tiefen Frequenzen, erreicht wird.

2. Gerichteter Schallgenerator nach dem Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die, für einen akustischen Tripol charakteristische, kardioide Schallabstrahlung für den Fall, daß der ausströmende Massenstrom nicht seinen Aggregatzustand wechselt, bei der Geschwindigkeit v = ρ_o/ρ_Fluid . c_o des Massenstromes ## erreicht wird (ρ_o: Dichte des Umgebungsmediums, ρ_Fluid: Dichte des ausströmenden Fluids nach er­ folgter Expanion bei Umgebungsdruck, c_o: Schallgeschwindigkeit des Umgebungs­ mediums) und in allen anderen Fällen die Bedingung für eine kardioide Schallabstrah­ lung aus dem Gleichsetzen der Schalldruckanteile von Monopol- und Dipolanteil folgt.

3. Gerichteter Schallgenerator nach den Ansprüchen 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Massenstrom durch eine Ausblasvorrichtung oder Düse (im weiteren wird stellvertretend von Düse gesprochen) durch einen, bezüglich des Umgebungsdrucks hohen Innendruck herausgedrückt bzw. ausgeblasen wird (im weiteren wird "ausblasen" benutzt) oder auf andere Art und Weise, z. B. durch elektromagnetische und/der andere physikalische Felder beschleunigt wird und die Modulation der Aus­ trittsöffnung und/oder die Modulation der Austrittsgeschwindigkeit und/oder die Modu­ lation der Ausströmrichtung und/oder die Modulation der Massenstromzusammenset­ zung und/oder die Modulation der Strahlform und/oder die Modulation der Strahllänge und/oder durch rotatorische und/oder translatorische Bewegungen der Düse und/oder chemische oder thermodynamische Zustandsänderungen des austretenden Massen­ stromes eine Schallabstrahlung bewirken.

4. Gerichteter Schallgenerator nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausblasen des Massenstromes alle an sich bekannten Düsenkonzepte und/oder alle an sich bekannten Zerstäubungverfahren, z. B. Einstoffdüsen, Zweistoffdüsen, Mehrstoffdüsen, Steuerdüsen, Mehrfachdüsen (Düsen mit mehreren Austrittsöffnungen), Turbulenzdüsen mit oder ohne Wirbelkammern, Dralldüsen mit Drallkanälen und/oder -kammern, Fächerstrahldüsen, Lavaldüsen, erweiterte Lavaldüsen, Düsen mit Diffusoren verwendet werden.

5. Gerichteter Schallgenerator nach den Ansprüchen 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß eine Reduzierung der Strahllänge und/oder eine Erhöhung der Strahlturbulenz und/oder eine Beeinflussung der Richtcharakteristik durch Einbauten im Bereich des Düsenstrahles, wie beispielsweise Prallkörper und/oder Prallgitter und/oder Blenden, und/oder durch oszillierende, rotierende, sich translatorisch bewegende Düsen oder Düsenteile und/oder durch Ultraschallanregung des Massenstromes und/oder durch Flüssigkeitsschallanregung des Massenstromes und/oder durch Körperschallanregung des Massenstromes und/oder durch Modulation der Zusammensetzung des Massenstromes erreicht wird.

6. Gerichteter Schallgenerator nach den Ansprüchen 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Massenstrom aus einem oder mehreren, auch verschiedenartigen Gasen, insbesondere Luft, und/oder Flüssigkeiten, insbesondere Wasser und/oder Wasserdampf, und/oder Festkörperpartikeln und/oder erstarrenden Substanzen (wie z. B. Wachs) und/oder Substanzen, die während des Ausströmens ihren Aggregat­ zustand ändern, und/oder hypergolen (selbstentzündliche) und/oder nicht selbstentzündlichen Brennstoffen besteht, wobei die Eigenschaften der Stoffe durch Zugabe von Detergentien (z. B. Tenside) verändert werden und die Stoffe innerhalb oder außerhalb der Düse gemischt werden oder getrennt voneinander ausströmen.

7. Gerichteter Schallgenerator nach den Ansprüchen 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation des Massenstromes durch mechanisch und/oder elektrisch bewegte Bauteile und/oder durch rotierende, oszillierende und/oder translatorisch be­ wegte Bauteile, insbesondere Rotoren (Rotor-Stator-Konfigurationen) innerhalb oder außerhalb der Düse, und/oder durch Selbsterregung (mechanische/ akustische/elektrische und/oder sonstige Resonatoren, zu Schwingungen anregbare Bauteile), wie beispielsweise beim Tyfon-Mechanismus und/oder durch Bypasse etc. und/oder durch äußere Einflüsse (Druck) und/oder durch Fluidik erfolgt.

8. Gerichteter Schallgenerator nach den Ansprüchen 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß der Schallgenerator im Freifeld positioniert wird und/oder in Rohre bzw. (Klima-) Kanäle, insbesondere Abgasrohre von Verbrennungskraftmaschinen, in Helmholtz- Resonatoren, in λ/4-Resonatoren oder sonstigen Resonatoren, in kurze oder lange akustische Hörner (z. B. Exponentialhörner), an Wänden, im Abstand (z. B. Vielfache der Viertelwellenlänge λ/4 des zu emittierenden Schalls) zu Wänden, auf schwingenden, oszillierenden, rotierenden und/oder translatorisch bewegten Trägem (z. B. Propeller) montiert wird.

9. Gerichteter Schallgenerator nach den Ansprüchen 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß anstatt einer einzelnen Düse ein Düsenkopf mit mehreren Austrittsöffnungen und/oder einer Düse mit mehreren Austrittsöffnungen und/oder mehrere Düsen und/oder ein-, zwei- oder dreidimensionale Array-Aufstellung, von mehreren Düsen verwendet werden und/oder die einzelnen Düsen zusätzlich Bewegungen in allen Freiheitsgraden ausführen und/oder einzelne und/oder mehrere Düsenstrahlen aufgeteilt und/oder umgelenkt und/oder gemischt und/oder gekreuzt werden und/oder die einzelnen Massenströme unterschiedlich moduliert werden.

10. Gerichteter Schallgenerator nach den Ansprüchen 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß der gerichtete Schallgenerator, durch die chemische Zu­ sammensetzung und/oder den thermodynamischen Zustand (Temperatur, Dichte) und/oder den physikalischen Eigenschaften des ausströmenden Massenstromes und/oder der Art und Weise des Ausblasens/Zerstäubens des ausströmenden Massenstromes und/oder durch die Positionierung (der vielleicht schon vorhandenen) Düsen und/oder durch andere Umstände bedingt, neben seiner Hauptaufgabe, der (Anti-) Schallgenerierung ebenfalls für Sonderaufgaben eingesetzt wird, wie z. B. zur Luftbefeuchtung in Klimakanälen, zur Kühlung/Aufheizung, zur Abgasreinigung, bei chemischen Prozessen, zur Steigerung der Zerstäubungsgüte bei Zerstäubung bzw. Einspritzung (mit derselben oder einer zusätzlichen Düse), zur Optimierung der motori­ schen Verbrennung durch lokales Erhöhen bzw. Herabsetzten (akustischen) Gas­ schwingungen im Brennraum, zur Beeinflussung von Gasschwingungen in Ansaugka­ nälen, zur Einbringung von Stoffen jeglicher Art, zum gleichzeitigen Versprühen von z. B. Tränengas, zum Ausstoßen von Projektilen jeglicher Art und zur Steigerung bzw. Abschwächung thermoakustischer Effekte.