DE19617465C2 - Verfahren und Vorrichtung zur aktiven Schallreduzierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Schallredu­ zierung nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1, 2 bzw. 10, 11.

Es ist allgemein bekannt, daß Schallwellen durch Interferenz mit gegen­ phasig schwingenden Schallwellen ausgelöscht werden können. Weiter­ hin ist bekannt, daß Schallwellen durch die Modulation eines Gasstromes erzeugt werden können.

Bekannte aktive Schalldämpfer benötigen ein relativ großes Volumen, das den nutzbaren Raum an einer Vorrichtung, an der Schall reduziert werden soll, einschränkt. Dies ist insbesondere bei Personenkraftwagen oder Krafträ­ dern problematisch. Aus der DE 43 41 951 A1 ist ein Verfahren zur aktiven Schallreduzierung für die Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs bekannt, bei dem zwei Volumenströme überlagert werden, wobei der eine Volumenstrom dem anderen Volumenstrom entnommen wird. Dabei wird die Weglänge zu­ mindest eines der beiden Volumenströme in Abhängigkeit von der Betrieb­ stemperatur verändert, um eine optimale Phasenverschiebung der beiden Vo­ lumenströme im Hinblick auf die Schalldämpfung zu erhalten.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und Vorrichtung zur aktiven Schallreduzierung mit einer möglichst kleinen Baugröße zu schaffen.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Anspruch 1 und 2 sowie einer Vorrichtung nach Anspruch 10 und 11 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen sind Gegenstände weiterer Ansprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur aktiven Schallreduzierung sind ein erster und ein zweiter Volumenstrom vorhanden, von denen einer derart moduliert wird, daß bei der nachfolgenden Interferenz der beiden Volumen­ ströme die Schallreduzierung bewirkt wird.

Gemäß Anspruch 1 wird dabei einer der beiden Volumenströme dem anderen Volumenstrom entnommen. Das be­ deutet, daß ein Volumenstrom, der mit dem zu reduzierenden Schall behaftet ist, in zwei Teilvolumenströme aufgeteilt wird, wobei die beiden Teilvolumen­ ströme nach einer entsprechenden Modulation eines der beiden Teilströme zur Interferenz gebracht werden.

Alternativ zu dieser Aufteilung in zwei Teilvolumenströme kann der mit dem zu reduzierenden Schall behaftete Volumenstrom mit einem zweiten, vom ersten Volumenstrom unabhängigen Volumenstrom überlagert werden, der an dem betreffenden Aggregat sowieso vorhanden ist (z. B. Fahrtwind, Druck­ luft, Abgasstrahl).

In beiden Fällen kann somit bezüglich des für die Interferenz benötigten zwei­ ten Volumenstroms auf einen bereits vorhandenen Volumenstrom zurückge­ griffen werden. Ein eigens für diesen Zweck vorgesehenen Volumenstrom ist somit nicht notwendig.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können aktive Schalldämpfer mit einem Volumen von weniger als einem Liter realisiert werden. Die Erfindung eignet sich deshalb ganz besonders für den Einsatz in Kraftfahrzeugen.

Unabhängig von einer Schallreduzierung kann das Verfahren auch ganz allgemein zur Erzeugung eines vorbestimmten Schallspektrums verwendet werden (Sounddesign).

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die erste Verfahrensvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens

Fig. 2 die zweite Verfahrensvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens

Fig. 3 eine Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Schall­ dämpfer für einen Verbrennungsmotor

Fig. 4 eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt die erste Verfahrensalternative der Erfindung in schematischer Darstellung. Dargestellt ist die Leitung 1 mit dem ersten Volumenstrom 10, dessen Schall reduziert werden soll. Von dieser Leitung 1 zweigt eine zweite Leitung 2 ab, die einen Teil des ersten Volumenstroms, nun als zweiten Volu­ menstrom 20 bezeichnet, zu einem Aktuator A führt, in dem er phasengerecht, d. h. mit einer zweckmäßigen Phasenbeziehung (insbesondere 180° phasen­ verschoben) moduliert wird. Die Modulation erfolgt derart, daß bei der an­ schließenden Interferenz von erstem und zweitem Volumenstrom 10, 20 eine möglichst hohe Schallreduzierung erreicht wird. Die zu tilgenden Schallwel­ len in dem ersten Volumenstrom 10 werden von einem hier nicht dargestell­ ten Sensor, z. B. einem Mikrophon erfaßt, der ein Referenzsignal für die Schallauslöschung liefert. Das Referenzsignal wird in bekannter Weise auf­ bereitet und dient zur Ansteuerung des Aktuators A.

Dieses Verfahren kann z. B. zur Schallreduzierung im Abgasstrahl von Ver­ brennungsmotoren eingesetzt werden, insbesondere in Kraftfahrzeugen. Vorteilhaft ist auch der Einsatz zur Schallreduzierung in einem Druckluftstrom eines Druckluftverdichters.

Ein weiteres Einsatzfeld für das angegebene Verfahren stellt die Reduzierung der Fahrtgeräusche bei Fahrzeugen, insbesondere Schienenfahrzeugen dar. In ICE-Zügen erzeugt der Fahrtwind insbesondere an den Stromabnehmern starke Geräusche. Abhilfe kann hier geschaffen werden, wenn ein Teil des Fahrtwindes in einem Aktuator moduliert wird und anschließend mit dem geräuscherzeugenden Fahrtwind überlagert wird. Anders als in dem in Fig. 1 dargestellten Fall entfällt jedoch hier die Leitung 1, da der Fahrtwind natur­ gemäß nicht leitungsgebunden ist.

Fig. 2 zeigt die zweite Verfahrensalternative der Erfindung in schematischer Darstellung. Man erkennt die Leitung 1 mit dem ersten Volumenstrom 10, dessen Schall reduziert werden soll. Anders als in Fig. 1 ist hier eine von der Leitung 1 unabhängige Leitung 2 für den zweiten Volumenstrom 20 vor­ handen, die mit dem Eingang des Aktuators A verbunden ist. Diese zweite Leitung 2 wird von einem Volumenstrom gespeist, der unabhängig von der Schallreduzierung an dem betreffenden Fahrzeug oder Aggregat bereits vorhanden ist.

Vorteilhaft kann diese Verfahrensvariante für den Abgasstrom (= erster Volu­ menstrom) eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug verwendet werden, wobei der zweite Volumenstrom z. B. einem vorhandenen Turbolader als Zapfluft entnommen wird.

Eine konkrete Ausbildung der Erfindung als Schalldämpfer für einen Ver­ brennungsmotor zeigt Fig. 3. Der Abgasstrahl eines Verbrennungsmotors wird nach Durchströmen eines herkömmlichen Vorschalldämpfers 50 in einer Vorkammer 40 aufgeteilt und dann in Form von zwei koaxialen Strömen 10, 20 dem Aktuator A zugeführt. Der zentrale Teil des Abgasstrahles (erster Volu­ menstrom 10) durchströmt den Aktuator A weitgehend ungestört, der ringför­ mige äußere Abgasstrahl (zweiter Volumenstrom 20) wird durch ein Ventil moduliert (Fig. 4) und interferiert am Austritt des Aktuators A mit dem Zentral­ strahl 10. Der Aktuator A wird von Sensoren, hier Mikrofonen (Fig. 4) ange­ steuert, die den zu tilgenden Schall und eventuell den übrigbleibenden Rest­ schall erfassen und deren Signale in an sich bekannter Weise aufbereitet werden. Da die beiden Gasströme 10, 20 etwa gleiche Temperaturen (Einfluß auf die Schallgeschwindigkeit) und die Schallquellen fast die gleiche Position haben, führt die Überlagerung der Schallwellen zu einer optimalen, weitge­ hend richtungsunempfindlichen Auslöschung der unerwünschten Geräusche. Anstatt wie hier koaxial können die Leitungen 1, 2 zur Verbesserung der Richt­ charakteristik auch derart ineinander angeordnet sein, daß sie zwar weiterhin parallel verlaufen, ihre Achsen aber nicht mehr zusammenfallen.

In einer weiteren Variante können die beiden Ströme auch nebeneinander und z. B parallel geführt werden.

Der Aktuator kann alternativ auch mit Zapfluft aus einem vorhandenen Turbo­ lader versorgt werden.

Fig. 4 zeigt die Schnittzeichnung eine vorteilhaften Ausbildung einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung, wie sie z. B. in der Vorrichtung nach Fig. 3 ein­ gesetzt werden kann. Auf die zentrale Leitung 1 (hier: Auspuffrohr für den Ab­ gasstrahl einer Verbrennungsmaschine) für den ersten Volumenstrom 10 ist ein elektro-pneumatischer Aktuator A mit Ein- und Ausgängen für den zweiten Volumenstrom 20 aufgesetzt. Der zweite Volumenstrom 20 in der Leitung 2 kann sowohl aus der Leitung 1 für den ersten Volumenstrom 10 entnommen werden, als auch aus einem sonstigem, am Fahrzeug oder Aggregat vorhan­ denen Volumenstrom entnommen werden. Die zu tilgenden Schallwellen werden über eines oder mehrere Mikrophone M in der Leitung 1 erfaßt.

Auf dem Auspuffrohr 1 sind in dieser Ausführung drei kräftige, axial magneti­ sierte Ringmagnete 60 aufgefädelt. Die beiden äußeren Stirnseiten der Per­ manentmagnete 60 bilden einen Nordpol und einen Südpol. An einer Stirn­ seite sitzen die Magnete 60 in einem topfförmigen Gehäuse 62 aus Gußeisen, das zusammen mit dem Polschuh 64 am anderen Ende einen fast geschlos­ senen Magnetkreis bildet. In dem kleinen Luftspalt zwischen Polschuh 64 und dem Gehäuse 62 schwingt eine dünnwandige, zylinderförmige Spule (Ventil­ ring) 66, die mit einem Ansteuersignal, abgeleitet von dem Ausgangsignal des Mikrofons M, beaufschlagt wird. Die Spule 66 ist an mehreren Federn (Blatt­ federn 67) aufgehängt.

Der zu modulierende Gasstrom 20 wird durch Öffnungen im Gehäuseboden um die Magnete 60 herum in eine Vorkammer 68 und dann durch einen ring­ förmigen Spalt, dessen Weite von der schwingenden Spule 66 entsprechend dem gewählten Ansteuersignal variiert wird, zum Austritt geführt. Vorkammer 68, Spalt und Austrittsöffnung werden von dem austrittseitigen Deckel 65, der vor das topfförmige Gehäuse 62 geschraubt ist, begrenzt. Der austrittsseitige Bereich der Sekundärgasleitung 2 ist als Schalltrichter ausgebildet.

Claims (19)

1. Verfahren zur aktiven Schallreduzierung, wobei ein erster (10) und ein zweiter Volumenstrom (20), der dem ersten Volumenstrom (10) ent­ nommener wird, vorhanden sind, von denen einer (20) derart verändert wird, daß bei der nachfolgenden Interferenz der beiden Volumenströme (10, 20) die Schallreduzierung bewirkt wird, dadurch gekennzeich­ net, daß die Veränderung des einen Volumenstroms (20) durch Modu­ lation mit einem vorgegebenen Frequenzspektrum durchgeführt wird.

2. Verfahren zur aktiven Schallreduzierung, wobei ein erster (10) und ein zweiter Volumenstrom (20) vorhanden sind, von denen einer (20) der­ art verändert wird, daß bei der nachfolgenden Interferenz der beiden Volumenströme (10, 20) die Schallreduzierung bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung des einen Volumenstroms (20) durch Modulation mit einem vorgegebenen Frequenzspektrum durchgeführt wird, wobei dieser Volumenstrom (20) einem unabhängig von der Schallreduzierung bereits vorhandenen Volumenstrom ent­ nommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der beiden Volumenströme dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors entnommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß einer (10) der beiden Volumenströme dem Abgasstrom eines Verbrennungs­ motors entnommen wird und der andere Volumenstrom (20) dem Gas­ strom eines Turboladers an dem Verbrennungsmotor entnommen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der beiden Volumenströme dem Fahrtwind eines Fahrzeugs entnommen wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die beiden Volumenströme in ineinanderliegen­ den koaxialen Leitungen (1, 2) geführt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Volumenströme in ineinanderliegenden parallelen Leitungen ohne gemeinsame Achse geführt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Volumenströme in parallelen, nebenein­ ander angeordneten Leitungen geführt werden.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche anstatt zur Schallreduzierung zur Erzeugung eines vorbestimmten Schall­ spektrums.

10. Vorrichtung zur aktiven Schallreduzierung mit einer ersten Leitung (1) zur Aufnahme eines ersten Volumenstroms (10) und einer zweiten Lei­ tung (2) zur Aufnahme eines zweiten Volumenstroms (20), wobei die beiden Leitungen (1, 2) miteinander verbunden sind, so daß einer (20) der beiden Volumenströme dem anderen Volumenstrom (10) entnom­ men wird, und daß eine (2) der beiden Leitungen (1, 2) mit dem Ein­ gang einer Vorrichtung (A) verbunden ist, welche den in die Vorrich­ tung eingespeisten Volumenstrom (20) derart verändert, daß bei der anschließenden Interferenz von erstem (10) und zweitem (20) Volu­ menstrom die Schallreduzierung bewirkt wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vorrichtung (A) ein Aktuator ist, mit der die Verände­ rung des Volumenstroms (20) durch Modulation mit einem vorgegebe­ nen Frequenzspektrum durchführbar ist.

11. Vorrichtung zur aktiven Schallreduzierung mit einer ersten Leitung (1) zur Aufnahme eines ersten Volumenstroms (10) und einer zweiten Lei­ tung (2) zur Aufnahme eines zweiten Volumenstroms (20), wobei eine (2) der beiden Leitungen (1, 2) mit dem Eingang einer Vorrichtung (A) verbunden ist, welche den in die Vorrichtung eingespeisten Volumen­ strom (20) derart verändert, daß bei der anschließenden Interferenz von erstem (10) und zweitem (20) Volumenstrom die Schallreduzierung be­ wirkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (A) ein Ak­ tuator ist, mit der die Veränderung des Volumenstroms (20) durch Mo­ dulation mit einem vorgegebenen Frequenzspektrum durchführbar ist, und daß eine (2) der beiden Leitungen einen Anschluß zur Einleitung eines unabhängig von der Schallreduzierung bereits vorhandenen Vo­ lumenstroms umfaßt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der beiden Leitungen mit der Abgasleitung ei­ nes Verbrennungsmotors verbunden ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine (1) der beiden Leitungen mit der Abgasleitung an einem Ver­ brennungsmotor verbunden ist, und die andere Leitung (2) einen Anschluß zur Einleitung des Gasstrom eines an dem Verbrennungs­ motor vorhandenen Turboladers umfaßt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Leitung einen Anschluß zur Einleitung des Fahrtwinds an einem Fahrzeug umfaßt.

15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 10 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß die beiden Leitungen (1, 2) koaxial ineinanderliegend angeordnet sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Leitungen ohne gemeinsame Achse parallel ineinander­ liegend angeordnet sind.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Leitungen nebeneinander angeordnet sind.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Aktuator (A) radial auf eine (1) der beiden Leitungen aufgesetzt ist.

19. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 18 anstatt zur Schallreduzierung zur Erzeugung eines vorbestimmten Schallspektrums.