DE19644085C2 - Aktiver Schalldämpfer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen aktiven Schalldämpfer gemäß den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Aus der DE 31 44 052 C2 ist ein derartiger aktiver Schalldämpfer bekannt, welcher ein Mikrofon und einen über eine Steuereinheit steuerbaren Gegenschall-Lautspre­ cher enthält, um eine aktive Lärmminderung zu ermöglichen. Hinweise zur Unter­ teilung des von einem Medium durchströmbaren Kanals in Einzelkanäle sind hieraus jedoch nicht entnehmbar.

Ferner ist aus der DE 29 20 278 C2 eine Schalldämpfungseinrichtung mit unterteilten Kanälen bekannt, wobei die zur Unterteilung vorgesehenen Zwischenwände Dämp­ fungsmaterial enthalten. Eine Bedämpfung der Zwischenwände führt zu einer Beein­ flussung des Schallfeldes in den Teilkanälen durch Längsdämpfung derart, daß eine aktive Lärmminderung durch Gegenschall nicht ohne weiteres möglich ist. Die Teilkanäle weisen unterschiedliche Längen auf. Dadurch bedingt wird das Schallfeld in den Teilkanälen durch die Nachbarkanäle so weit beeinflußt, daß eine korrekte aktive Lärmminderung nicht möglich ist. Eine elektronische Kompensation ist zwar grundsätzlich denkbar, der Aufwand ist allerdings unverhältnismäßig hoch und nicht wirtschaftlich.

Aktive Schalldämpfer der eingangs genannten Art ermöglichen in Kanälen bzw. Rohren eine effektive Schalldämpfung durch Gegenschall. Hierbei wird mittels eines Mikrofons der Schall des strömenden Gases, insbesondere Luft oder Rauchgas, erfaßt und über eine Steuereinheit ein Gegenschall-Lautsprecher beaufschlagt. Über den Gegenschall-Lautsprecher erfolgt eine gegenphasige Überlagerung der an­ kommenden, vom Mikrofon erfaßten Schallwellen derart, daß die Amplituden des ankommenden Schalls und des Gegenschalls sich zumindest näherungsweise aufheben. Die aktive Schalldämpfung gelangt bei akustisch engen Kanälen, unter Voraussetzung von ebenen Wellen, zum Einsatz. Nachfolgend wird der Einfachheit halber von Kanälen gesprochen, und hierzu zählen im Rahmen der Erfindung auch die oftmals als Rohre bezeichneten Strömungskanäle mit beliebigen Querschnitts­ flächen. Die Funktionsfähigkeit für ebene Wellen ist bei runden Kanälen unter Beachtung nachfolgender Bedingung gegeben:

f < c . 1,84b/π . di (1)

Für Kanäle mit rechteckförmigem Querschnitt gilt die Bedingung:

f < c/2 . a (2)

In den vorstehenden Bedingungen (1) und (2) bedeuten:
c Schallgeschwindigkeit im Kanal
di Innendurchmesser des Kanals
a größte Abmessung bzw. Kantenlänge des Kanals

Hieraus ergibt sich, daß für Luft bei einer Temperatur von 20°C und einer Fre­ quenz f = 250 Hz eine aktive Lärmminderung erst bei Kanalabmessungen quer zur Längsrichtung von ca. 0,7 m und kleiner realisierbar ist. Sofern der Kanal jedoch größere Abmessungen aufweist, geht die Wirksamkeit der aktiven Schall­ dämpfung aufgrund vorhandener Quermoden, also quer zur Längsachse des Kanals verlaufende Schwingungen, gegen Null.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den aktiven Schalldämpfer der genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß auch bei großen Kanalabmessungen eine wirksame Schallreduzierung erzielt werden kann. Des weiteren soll der Schalldämpfer gegenüber Resonator- oder Absorber-Schall­ dämpfern kleiner und preiswerter sein. Ferner soll der Schalldämpfer einen geringen konstruktiven Aufwand erfordern.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Der erfindungsgemäße Schalldämpfer gewährleistet eine wirksame Schallreduzie­ rung auch für größere Kanalabmessungen, bei welchen die Ausbildung von Quer­ moden möglich ist, durch die Zerlegung oder Aufteilung des vorgeschalteten großen Kanals in eine vorgebbare Anzahl kleinerer Kanäle. Die einzelnen Kanäle verlaufen vorzugsweise im wesentlichen parallel zueinander und werden in zweck­ mäßiger Weise durch Zwischenwände realisiert, welche in ein Teilstück des Kanals eingebaut werden, welches somit den erfindungsgemäßen Schalldämpfer bildet. Ferner können die einzelnen Kanäle als Rohre ausgebildet sein, welche mit den davor und danach angeordneten Abschnitten des Gesamtkanals dicht verbunden sind. Diese einzelnen, kleinen Kanäle, insbesondere deren Quer­ schnitte, werden unter Beachtung der eingangs angegebenen Bedingungen (1) und (2) dimensioniert. Weist der Gesamtkanal Außenabmessungen auf, welche unter den oben erläuterten Randbedingungen größer als 0,7 m sind, so erfolgt die Unterteilung und die Vorgabe der Anzahl der einzelnen Kanäle derart, daß die maximalen Abmessungen der einzelnen Kanäle quer zur Längsrichtung kleiner als der unter den angegebenen Voraussetzungen zu beachtende Grenz­ wert, hier nämlich 0,7 m, ist. So kann eine wirksame Schallreduzierung funk­ tionssicher in größeren Kanalabmessungen, wie in lüftungstechnischen Anlagen oder großen Industrieschalldämpfern, bei Frequenzen erreicht werden, die bisher ohne Aufteilung nicht möglich waren.

Weiterbildungen und besondere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten besonderen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine seitliche Ansicht eines Kanals mit einem aktiven Schalldämpfer,

Fig. 2 schematisch einen Schnitt entlang Schnittlinie II gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Kanal 2, beispielsweise einer lüftungstechnischen Anlage. In den Kanal 2 stömt in Richtung eines Pfeiles 4 durch eine Eintritts­ öffnung 6 das Gas bzw. die Luft, welche jenen an einer Austrittsöffnung 8 verlas­ sen. Es versteht sich, daß an den Öffnungen 6 und 8 weitere nicht näher zu er­ läuternde Anlagenteile angeschlossen sind. Der Kanal 2 enthält einen ersten Abschnitt 10 und einen zweiten Abschnitt 12 und zwischen diesen beiden Ab­ schnitten 10 und 12 ist der erfindungsgemäße aktive Schalldämpfer 14 angeord­ net. Der Schalldämpfer 14 ist mittels Kopplungselementen 16, 18 mit den Kanal­ abschnitten 10, 12 dicht und fest verbunden und somit integraler Bestandteil des Kanals. Als Kopplungselemente 16, 18 können Flanschverbindungen, Schraubverbindungen oder dergleichen vorgesehen sein. Dem Schalldämpfer 14 ist mindestens ein Gegenschall-Lautsprecher 20 zugeordnet, welcher über eine Steuereinheit 22 angesteuert wird. In Strömungsrichtung vor dem aktiven Schall­ dämpfer 14 bzw. dessen Lautsprecher 20 ist ein Mikrofon 24 vorgesehen, mittels welchem der Schall erfaßt wird. Abweichend von der vereinfachten Darstellung in Fig. 1 wird das Mikrofon 24 zweckmäßig im wesentlichen rohrbündig angeordnet, um Störungen des Strömungsverlaufs möglichst zu vermeiden. Über die Steuer­ einheit 22 erfolgt eine Signalverarbeitung und Phasenumkehr der mittels des Mikrofons 24 erfaßten Signale dahingehend, daß über den Gegenschall-Laut­ sprecher 20 Schallwellen erzeugt werden, welche gegenphasig zu den Schallwellen vor dem Schalldämpfer bzw. im Kanalabschnitt 10 sind. Der Steuereinheit 22 wird in zweckmäßiger Weise ferner ein von einem Geräuscherzeuger abhängiges Signal 23 zugeführt. So kann insbesondere die Drehzahl eines vorgeschalteten Ventilators, mittels welchem der Gas- oder Luftstrom im Kanal 2 gefördert wird, erfaßt und der Steuereinheit 22 zugeführt werden. Durch eine derartige, ins­ besondere von der Drehzahl des Geräuscherzeugers abhängige Regelung, wird eine weitere Optimierung der Schallreduzierung erreicht.

Im zweiten Abschnitt 11 hinter dem aktiven Schalldämpfer 14 ist in zweckmäßi­ ger Weise ein weiteres Mikrofon 25 vorgesehen, zur Erfassung des Schalls hinter dem aktiven Lautsprecher 14. Über die Steuereinheit 22 wird vorzugsweise in Kombination mit dem weiteren Mikrofon 25 im Kanalabschnitt 12 werden ferner die Amplituden- und Phasenregulierung für den Gegenschall-Lautsprecher 20 derart vorgegeben, daß im Kanalabschnitt 11, also in Strömungsrichtung hinter dem aktiven Schalldämpfer 14, zumindest näherungsweise eine Kompensation der ankommenden Schallwellen und letztendlich eine wirksame Schallreduzierung erzielt wird.

Damit bei höheren Frequenzen, für welche im Kanal Quermoden vorkommen, die Schallreduzierung erreicht wird, erfolgt mittels des erfindungsgemäßen Schalldämpfers 14 eine Unterteilung in eine vorgebbare Anzahl kleinerer Kanäle 26 bis 29. Hierzu enthält der Schalldämpfer 14 Zwischenwände 31 bis 33 sowie weitere parallel zur Zeichenebene liegende Zwischenwände. Die Unterteilung erfolgt erfindungsgemäß derart, daß in den Abschnitten oder kleineren Kanälen im wesentlichen keine Quermoden auftreten. Die Anzahl der kleineren Einzel­ kanäle erfolgt erfindungsgemäß ausgehend von den eingangs angegebenen Be­ dingungen (1) und (2), aus welchen der Grenzwert für die maximalen Kanal­ abmessungen bestimmbar sind, welche für die zu dämpfende Frequenz oder das Frequenzspektrum eine aktive Schalldämpfung noch ermöglicht. Die maximalen Abmessungen der damit vorgegebenen Anzahl der einzelnen Kanäle genügen den Bedingungen (1) bzw. (2) mit der Folge, daß in den einzelnen Kanälen im wesentlichen ebene Wellen ohne Quermoden sich ausbreiten.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den aktiven Schalldämpfer 14 quer zur Längs­ achse 12 und es sind nunmehr auch die gemäß Zeichnung vertikal verlaufenden Zwischenwände 34, 35 zu erkennen. Wie ersichtlich, ist somit der Gesamtquer­ schnitt des Kanals durch die Zwischenwände 31 bis 35 in insgesamt 12 kleine Kanäle unterteilt, welche somit einen dementsprechend um den Faktor 12 jeweils reduzierten Querschnitt aufweisen. Die Größe und Anzahl der kleinen Kanäle wird unter Beachtung der eingangs angegebenen Bedingungen vorgegeben. Die größere Außenwand 36 des Kanals bzw. des Schalldämpfers kann somit eine Länge 38 aufweisen, bei welcher ohne Unterteilung Quermoden auftreten wür­ den. Die Anzahl der Einzelkanäle wird den Anforderungen entsprechend vorge­ geben.

Wie in Verbindung mit Fig. 1 erläutert, ist wenigstens ein Gegenschall-Laut­ sprecher vorgesehen. Im Rahmen der Erfindung können darüber hinaus noch weitere Lautsprecher dem aktiven Schalldämpfer zugeordnet werden, wobei die Lage und die Anzahl der Lautsprecher in Abhängigkeit von der Aufgabenstellung und den akustischen Anforderungen vorgebbar ist. In zweckmäßiger Weise werden die zwei und mehr Lautsprecher gemeinsam von der gleichen Steuer­ einheit gesteuert. Der aktive Schalldämpfer weist vorzugsweise im wesentlichen die gleichen Außenabmessungen wie die Kanalabschnitte 10 bzw. 11 auf, doch erfolgt insoweit keine Beschränkung der Erfindung. So können erfindungsgemäß die kleinen Einzelkanäle durch einzelne Rohre gebildet werden, welche beispiels­ weise auch einen kreisrunden Querschnitt aufweisen können und in geeigneter Weise mit den Kanalabschnitten 10, 11 verbunden sind.

Bezugszeichenliste

2

Kanal

4

Pfeil

6

Eintrittsöffnung

8

Austrittsöffnung

10

,

11

Abschnitt

12

Längsachse

14

Schalldämpfer

16

,

18

Kopplungselement

20

Gegenschall-Lautsprecher

22

Steuereinheit

23

Signal

24

,

25

Mikrofon

26-29

Kanal

31-35

Zwischenwand

36

Außenwand

38

Breite von

36

Claims (7)

1. Aktiver Schalldämpfer für einen von einem Medium durchströmbaren Kanal, enthaltend mindestens ein Mikrofon und mindestens einen über eine Steuereinheit steuerbaren Gegenschall-Lautsprecher,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal in eine vorgebbare Anzahl von Einzelkanälen (26 bis 29) derart unterteilt ist, daß sich in diesen im wesentlichen nur ebene Wellen ausbreiten,
daß das Mikrofon (24) vor den Einzelkanälen (26 bis 29) angeordnet ist und daß der Gegenschall-Lautsprecher (20) im Bereich der Einzelkanäle (26 bis 29) angeordnet ist.

2. Schalldämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der den Schalldämpfer (14) enthaltende Kanal (2) derart unterteilt ist, daß in den Einzelkanälen (26 bis 29) im wesentlichen keine Quermoden auftreten.

3. Schalldämpfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Kopp­ lungselemente (16, 18) zur Verbindung mit anschließenden Abschnitten (10, 11) des Kanals (2) vorgesehen sind.

4. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenabmessungen des Schalldämpfers (14) im wesentlichen gleich groß sind wie die Außenabmessungen der anschließenden Abschnitte (10, 11) des Kanals (2).

5. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterteilung des Kanals Zwischenwände (31 bis 35) im Inneren vorgesehen sind.

6. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei und mehr Gegenschall-Lautsprechern (20) diese jeweils einem der Einzelkanäle (26 bis 29) zugeordnet sind und/oder gemeinsam von einer einzigen Steuereinheit (22) ansteuerbar sind.

7. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach diesem ein weiteres Mikrofon (25) zur Regulierung des Gegenschall- Lautsprechers (20) vorgesehen ist.