DE19932714C2 - Rohrförmige luftdurchströmte Vorrichtung mit aktiver Schallreduktionseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine rohrförmige luftdurchströmte Vorrichtung mit darin an­ geordneter flächenartiger aktiver Schallreduktionseinrichtung.

In vielen Fällen tritt gerade in rohrförmigen luftdurchströmten Vorrichtungen Lärm auf, der in Verbindung mit diesen Luftströmungen steht und möglichst vermieden werden soll. Zu denken ist dabei an die Auspuffleitungen von Verbrennungsmoto­ ren, an Lüfter, Gebläse, Ansaugsysteme, Klimaanlagen, Schornsteine oder an­ dere Abgasanlagen.

Es sind bereits eine Vielzahl von Maßnahmen vorgeschlagen worden, um den Schall zu dämmen oder zu dämpfen. Problematisch ist dabei, daß insbesondere bei Maßnahmen gegen tiefe Frequenzen auch große Abmessungen vorgesehen werden müssen. Schutzmaßnahmen gegen Lärm und Schwingungen mit sehr tiefen Frequenzen erfordern daher stets große Massen und dadurch auch ent­ sprechenden mechanischen Aufwand und hohe Kosten. Eine vollständige Ver­ kapselung des gesamten Systems ist häufig nicht möglich, da eine oder mehrere Austrittsöffnungen existieren müssen, durch die der Schall auch nach außen tre­ ten kann.

Bekannt sind auch Schallschluckstoffe, die in Kanälen oder an Wandverkleidun­ gen bereits zum Einsatz kommen. Sie verringern den zur Verfügung stehenden Raum und erhöhen das Gewicht, was nicht in jedem Falle akzeptiert werden kann.

Gerade bei Verbrennungsmotoren sind diese beiden Probleme offenkundig. Durch das Ausströmen der unter Überdruck stehenden Auspuffgase während der Öffnungszeiten der Auslaßventile entstehen in der Auspuffleitung mit Quer­ schnittssprüngen und Einbauten von relativ großem Gewicht ein ungleichmäßiger Volumenstrom und damit unmittelbar hinter dem Ventil zusätzliche Schallquellen. Jede Gewichtserhöhung erhöht auch die erforderliche Antriebsleistung und damit neben dem unerwünschten Treibstoffverbrauch auch wiederum die potentielle Schallerzeugung.

Hinzu kommen noch eine Reihe von reflektierenden Teilwellen neben der ur­ sprünglichen Druckwelle. Diese entstehen an den Querschnittssprüngen oder an der Auspuffmündung.

Eine deutliche Verbesserung wurde in der WO 98/19054 A1 vorgeschlagen. Für einen Schalldämpfer für Verbrennungsmotoren mit einem Kanal, durch den die Abgase geführt werden, sind helikale Einbauten vorgesehen. Diese helikalen Einbauten führen zu einer Lärmminderung der Abgasgeräusche und sind gleich­ zeitig von verhältnismäßig niedrigem Gewicht.

Vorgeschlagen worden ist auch bereits von Kh. Eghtesadi, "Active Absorption of one dimensional Sound Field by N-Source Attenator Arrays" in: Conf. Proc. Noise Con 1987, Seite 353 ff, seitlich neben den luftdurchströmten Rohren, z. B. von Abgasanlagen, Lautsprecher anzuordnen. Diese Lautsprecher werden von einem stromauf angeordneten Mikrophon über eine Signalverarbeitungsregelung ange­ steuert und sollen nach Möglichkeit genau gegenphasige Kompensationsschwin­ gungen abgeben. Durch gegenphasige Kompensationsschwingungen kommt es zu einer Auslöschung des störenden Lärms.

Diese vom Grundsatz her vielversprechenden Ideen haben jedoch in der Praxis erhebliche Nachteile. So erfolgt eine akustische Rückkopplung von den Laut­ sprechern zum Referenzmikrophon, die wiederum mit leistungseinschränkenden regelungstechnischen Zusatzmaßnahmen bekämpft werden müßte. Zu berück­ sichtigen ist dabei ja auch, daß der Lärm häufig nicht konstant, sondern zeitab­ hängig entsteht und damit auch abhängig davon die Gegenschwingungen er­ zeugt werden müssen. Die verwendeten Lautsprecher erhöhen ebenfalls das Gewicht beträchtlich.

Schon der normale in einem Auspuff eines Verbrennungsmotors auftretende Lärm ist ja nicht konstant, sondern ändert sich zyklisch mit dem Arbeitsprozeß des Verbrennungsmotors und ist darüber hinaus auch im Regelfalle nicht einmal periodisch im Hinblick auf die unterschiedlichen Drehzahlen, mit denen der Ver­ brennungsmotor abhängig von den äußeren Bedingungen betrieben wird.

Eghtesadi selbst hat in seinem vorgenannten Aufsatz auch bereits die schwer vorhersehbaren Effekte beschrieben, die einer Realisierung seiner Ideen entge­ genstehen.

In einem weiteren, aus der DE 198 22 148 A1 bekannten Vorschlag wird ein Verfahren zur aktiven Lärmminderung schallführender Medien in Rohrleitungen vorgeschlagen, bei der ebenfalls von der Seite her eine Geräuschreduktion vorgenommen wird. Dazu werden eine oder mehrere Segmente der Rohrwandung aus piezoelektrischen Folien aufgebaut, die zur Gegenschallerzeugung mittels einer Kontrolleinheit angesteuert werden.

Das ändert allerdings nichts an den bei der Konzeption Eghtesadi ebenfalls entstehenden Problemen.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine praktikable verbesserte Schalldämpfung auch für periodische und für stochastische akustische Signale in rohrförmigen luftdurchströmten Vorrichtungen vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die flächenartige Schallreduktionsein­ richtung mit Antischall erzeugenden Elementen ausgerüstet ist, und daß die flächenartige Schallreduktionseinrichtung eine helikal angeordnete Membran ist.

Mit dieser Kombination läßt sich überraschend das Problem lösen. Dabei sei angemerkt, daß unter helikal hier eine mathematische Definition der flächenarti­ gen Schallreduktionseinrichtung zu verstehen ist. Unter helikal sollen alle mit schraubenförmigen Linienelementen erzeugbaren Flächen verstanden werden. Hierzu gehören im Extremfall auch solche schraubenförmigen Linienelemente, die eine Ganghöhe von null oder andererseits auch von unendlich besitzen. Alternativ soll auch ein Innendurchmesser mit eingeschlossen werden, der dem Rohrdurchmesser entspricht.

Es ist auch darunter zu verstehen, dass die Ganghöhe der helikalen Schraube in zeitlicher Hinsicht und/auch in räumlicher Hinsicht variabel sein kann.

In erster Linie ist aber an eine herkömmliche helikale Flächeneinrichtung im en­ geren Sinne zu denken. Eine solche, an sich beispielsweise aus der WO 98/19054 A1 bekannte schraubenförmige Fläche bietet nämlich die Möglichkeit, das zweite wesentliche Merkmal, also eine mit Antischall erzeugenden Elemen­ ten ausgerüstete Fläche, zu besonderer Wirkung zu bringen. Die helikale Fläche liegt nämlich mitten in der rohrförmigen Vorrichtung, so daß die Antischall er­ zeugenden Elemente auch mitten in der rohrförmigen Vorrichtung anzuordnen sind. Das war bei den bekannten Konzeptionen nicht der Fall.

Anders als bei den schon bekannten Konzeptionen mit einer aktiven Schallbe­ kämpfung mittels neben dem Rohr angeordneten Mikrophonen und seitlich an­ gebrachten Lautsprechern, befinden sich hier die Elemente mitten in der Strö­ mung. Mit einem seitlich angebrachten Lautsprecher und seitlich angebrachten Mikrophonen lassen sich die einfallenden Schallwellen nicht optimal kompensie­ ren.

Bevorzugt wird in das luftdurchströmte Rohr eine Membran in streng helikaler Anordnung eingebracht, also ohne die oben erwähnten mathematischen Grenz­ werte. Auf diesen helikalen Membranen sitzen dann die Antischall erzeugenden Elemente. Die mathematischen Grenzwerte führen zu konzentrischen Innen­ rohren mit mehreren zylinderförmigen Flächen. Alternativ sind auch sternförmige Anordnungen mit sich kreuzenden Platten denkbar. Wird der Innendurchmesser gleich dem Rohrdurchmesser, so legt sich die helikale Fläche an die Rohr­ innenwandung an.

Als durchaus vorteilhafte Version ist dabei insbesondere an eine helikale Fläche im engeren Sinne zu denken, die sich über die Zeit gleichförmig oder auch peri­ odisch entspannt, also eine Ganghöhe über die Zeit gegen unendlich aufweist. In der Praxis würde dieses einer Schraubenwendel entsprechen, die einen Ent­ spannungsvorgang unter gleichzeitiger Streckung in eine flache, im Rohr lie­ gende Form, also in eine Platte durchführt.

Ein erheblicher Vorteil der erfindungsgemäßen Konzeption besteht auch darin, daß durch die zusätzlich vorgesehenen Aktuatoren bzw. Antischall erzeugenden Elemente keine zusätzlichen Reflektionen entstehen, also keine weiteren Stör­ schallquellen und auch keine negativen Effekte bezüglich z. B. der Motorleistung. Bei reflektierten, zum Strömungsausgangspunkt zurück reflektierten Schallwellen könnten akustische Rückkopplungen auftreten, die den Prozeß der Schallreduk­ tion mit Hilfe von Antischall behindern.

Die Antischall erzeugenden Elemente weisen bevorzugt multifunktionale Materia­ lien auf. Das können Piezoelektrika, Magnetostriktiva oder Elektrostriktiva sein.

Bevorzugt ist eine konstante Ganghöhe der helikalen Membran. Dies hat ferti­ gungstechnisch Vorteile, da eine Schraubenwindung mit konstanter Steigung kostengünstiger zu fertigen ist.

Bevorzugt ist ferner vorgesehen, daß in der flächenartigen Schallreduktionsein­ richtung außerdem Schallsensoren angeordnet sind. Dies ermöglicht zusätzlich eine unmittelbare Steuerung bzw. Regelung der Antischall erzeugenden Ele­ mente. Praktisch direkt neben den Antischall erzeugenden Elementen kann der Schall durch die Sensoren aufgenommen, der von den Elementen dann durch den Antischall ausgelöscht werden soll.

In vereinfachten Ausführungen ist es natürlich möglich, diese Steuerung entwe­ der direkt oder durch andernorts angeordnete Sensoren vorzunehmen. Eine An­ ordnung in der helikalen Fläche ist jedoch bevorzugt.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein aktives System mit exzellenten passiven Eigenschaften entsteht. Selbst bei völligem Ausfall aller Antischall erzeugenden Elemente ist die Vorrichtung zumindest in ihrer sonstigen Funktion nicht beeinträchtigt und arbeitet darüber hinaus aufgrund der wie erörtert schon in sich vorteilhaften helikalen Fläche zumindest als passive Schallreduktionseinrichtung. Es bleibt also auf jeden Fall selbst bei Totalausfall aller Sensoren und Antischall erzeugenden Elemente nicht nur die Funktions­ fähigkeit als Rohr, also als die Strömung leitendes Gebilde, sondern auch die Funktionsfähigkeit als Schalldämpfer etwa mit den Eigenschaften einer aus der WO 98/19054 A1 bekannten Vorrichtung.

Durch die Erfindung wird erstmals eine vollständige Schallkombination in Strö­ mungsrichtung prinzipiell ermöglicht. Reflektionen sind durch optimale Impe­ danzanpassung weitgehend vermeidbar. Mikrophonsysteme sind nicht mehr er­ forderlich. Die Strömung wird durch die aktiven Komponenten, also die Antischall erzeugenden Elemente, nicht gestört oder beeinflußt. Eine Rückwirkung auf die Referenzsensoren strömungsaufwärts kann sehr klein gehalten werden bzw. ist ganz vernachlässigbar, da der Schall bereits während der Ausbreitung im heli­ kalen Kanal abnimmt.

Durch die helikale Form verbleibt auch bei Totalausfall des aktiven Systems eine Restschallreduktionsfähigkeit.

Zur Anpassung an den Frequenzbereich, wenn dieser sich beispielsweise ändert, oder auch an sich ändernde Strömungsverhältnisse, ist die Ganghöhe variierbar, wenn dies sinnvoll scheint.

Alle Massen, Gewichte und Einbauvolumina, die zur Funktionserzielung konven­ tioneller Dämpfer sinnvoll und erforderlich sind, sind bereits in diesem System enthalten und damit nicht mehr zusätzlich erforderlich.

Die Erfindung ist bei beliebigen Baugrößen realisierbar und erfordert nur verhält­ nismäßig geringen Kostenaufwand, da großteils preiswerte Einzelkomponenten einsetzbar sind.

Im folgenden werden anhand der Zeichnung einige Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer schematischen Anordnung einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer schematischen Anordnung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer schematischen Anordnung einer dritten Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer schematischen Anordnung einer vierten Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 ist die Geometrie einer erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt. Es handelt sich um eine dreidimensionale perspektivische Darstel­ lung, bei der nach schräg rechts die x-Koordinate, nach schräg links die y-Koor­ dinate und nach oben die z-Koordinate aufgetragen ist. Dabei verläuft durch den Nullpunkt des x-, y-Koordinatensystems senkrecht die Achse der rohrförmigen luftdurchströmten Vorrichtung. Sowohl diese Achse als auch die Rohrwandung selbst sind in der Zeichnung zur Verdeutlichung weggelassen.

Die Strömung hat man sich in diesem Fall von unten nach oben in Richtung posi­ tiver z-Achse vorzustellen. Zu erkennen ist deutlich die flächenartige Schallre­ duktionseinrichtung 10, die als helikal angeordnete Membran im mathematisch engeren Sinne aufgebaut ist. In der Darstellung in Fig. 1 würde die Strömung jeweils gegen den Uhrzeigersinn spiralförmig von unten nach oben verlaufen. Der in der Fig. 1 dargestellte Ausschnitt zeigt vier volle Windungen der helikalen Membran.

Diese Membran der flächenartigen Schallreduktionseinrichtung 10 kann bei­ spielsweise aus Metall bestehen oder aber auch aus Faserverbundwerkstoffen oder aus Kunststoffen.

In die Membran sind multifunktionale Materialien integriert, die sich als Formän­ derung praktisch nicht abheben. Diese Materialien bilden Antischall erzeugende Elemente. Sie sind dann aktuatorisch wirksam. Zusätzlich können auch sen­ sorische Elemente auf den Flächen der helikalen Membran angeordnet sein. Die Antischall erzeugende Elemente können auch selbst sensorische Fähigkeiten besitzen. In der Fig. 1 sind diese Elemente noch nicht speziell hervorgehoben.

In der Fig. 2 sind piezoelektrisch wirksame Elemente in einem anderen Grauton hervorgehoben und mit dem Bezugszeichen 20 versehen. Hierfür würden sich insbesondere Keramiken und Polymere anbieten.

Die gleichen oder aber auch andere Elemente 30 detektieren als Sensoren ins­ besondere den Luftschall. Sie können aber auch den aktuellen mechanischen Zustand der Membran der flächenartigen Schallreduktionseinrichtung 10 durch Messung struktureller Dehnungen bzw. Spannungen feststellen.

Als Antischall erzeugende Elemente wirken sie strukturakustisch. Sie erzeugen also direkt Luftschall und können damit Einfluß auf den primär vorhandenen Luft­ schall ausüben.

Als multifunktionale Materialien kommen neben den piezoelektrisch wirksamen Elementen auch Magnetostriktionen und Elektrostriktiva in Betracht.

Die Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Elemente 20 und auch die Elemente 30 jeweils eine Plättchenform besitzen. Sie können dabei in radialer und/oder auch entlang der Schraubenlinie wirken. Die Membran der flächenarti­ gen Schallreduktionseinrichtung 10 kann dadurch gezwungen werden, sowohl lokal Luftschall abzustrahlen als auch als Ganzes in einer oder mehreren ihrer Eigenfrequenzen zu schwingen. Diese Effekte können sich geeignet noch modifi­ zieren lassen durch das Einbringen zusätzlicher mechanischer Spannungen, die beispielsweise als Vorspannung zu einer Änderung der Eigenfrequenzen führen.

In der Ausführungsform in Fig. 3 ist eine Anordnung der Elemente 20 und 30 nicht als Plättchen, sondern als piezoelektrische Fasern mit gleichen Eigen­ schaften vorgesehen. Dies ist durch die Einzeichnung von entsprechenden Spiralwindungen angedeutet. Die piezoelektrischen Fasern sind allerdings in nahezu beliebigen Richtungen integrierbar, nicht nur in der dargestellten Schraubenlinienanordnung.

Eine weitere Möglichkeit zeigt Fig. 4. Hier sollen die Elemente 20 und gege­ benenfalls 30 eingebaute Drähte aus einer Formgedächtnislegierung (Shape Memory Alloy SMA) oder auch aus Formgedächtnispolymeren aufgebaut sein. Diese sind ihrerseits in helikaler Anordnung vorgesehen. Es ist dadurch möglich, gerade bei einem innen geöffneten Profil, also mit einer durchgehenden rohrför­ migen Öffnung, eine Ganghöhenänderung während der Funktionsweise vorzu­ nehmen und somit die akustischen Eigenschaften hinsichtlich des Frequenzbe­ reiches beeinflussen zu können.

Nicht dargestellt ist eine weitere Ausführungsform. Außerhalb der ohnehin weg­ gelassenen Rohrwandung kann noch ein Ringraum als Ringkanal vorgesehen werden. Ein solcher Ringkanal hat den Vorzug, daß eine Ausdehnung der Schallwellen und anderen Luftströmungen in dessen Nebenraum möglich ist, um ein Auftreten unerwünscht hoher Gegendrücke zu vermeiden. Ein Pulsieren der Strömung nach außen und zurück ist durch die entstehende Streuung auch zu­ sätzlich dämpfend.

Von besonderem Vorteil ist im Vergleich zu herkömmlichen Kammersystemen die gleichmäßigere Strömungsführung durch die helikalen Membranen der flächenartigen Schallreduktionseinrichtung, die zu geringerem Gewicht, einer Reduzierung der Strömungswiderstände und damit auch zu geringeren Verlusten führt. Es ist nicht mehr erforderlich, wie im Stand der Technik zwangsweise un­ stetige Strömungsumlenkungen einzubauen.

Es ist auch möglich, mehrere Rohre mit derartigen helikalen Membranen als flä­ chenartigen Schallreduktionseinrichtungen vorzusehen, diese parallel zu führen und von einem gemeinsamen äußeren Ringkanal zu umgeben.

Bezugszeichenliste

10

Flächenartige Schallreduktionseinrichtung

20

Antischall erzeugende Elemente

30

Schallsensorische Elemente

Claims (9)

1. Rohrförmige luftdurchströmte Vorrichtung mit darin angeordneter flächenarti­ ger aktiver Schallreduktionseinrichtung (10),
wobei die flächenartige Schallreduktionseinrichtung (10) mit Antischall erzeugenden Elementen (20) ausgerüstet ist,
und wobei die flächenartige Schallreduktionseinrichtung (10) eine helikal angeordnete Membran ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der flächenartigen Schallreduktionseinrichtung (10) außerdem schallsensorische Elemente angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ganghöhe der helikalen Membran konstant oder zeitlich und/oder räumlich variabel ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antischall erzeugenden Elemente (20) multifunktionale Materialien, insbesondere Piezoelektrika, Magnetostriktionen und/oder Elektrostriktiva aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoelektrika mit Keramiken, Polymeren und/oder Fasern aufgebaut sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran lokal Luftschall mit einer Phasenverschiebung abstrahlt.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antischall erzeugenden Elemente (20) die Membran als Ganzes zu Schwingungen anregen.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrform zusätzlich von einem Ringkanal als Nebenraum um den mit der helikal angeordneten flächenartigen Schallreduktionseinrichtung (10) versehenen Hauptkanal umgeben ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Rohrformen mit je einer helikal angeordneten flächenartigen Schallreduktionseinrichtung (10) parallel zueinander angeordnet und von einem gemeinsamen Ringkanal als Nebenraum umgeben sind.