DE2139941A1 - Laermabschirmung durch schallgitter - Google Patents

Description

• Lärmabschirmung durch Schallgitter Die vorliegende Erfindung ist ein Zusatz zum hauptpatent ......
• (Patentanmeldung P 19 18 741.8).
• Im Hauptpatent sind luftdurchlässige Vorrichtungen, d.h. sogenannte Schallgitter beschrieben, mit denen es möglich ist, unerwünschten Larm abzuschirmen. Dazu ist es notwendig, durch einzelne Antischallgeber des Schallgitters auf der lärmabgewandten Seite das zum Lärmfeld antizyklische Antischallfeld zu erzeugen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, geeignete Vorschriften zur Erzeugung eines geeigneten Antischallfeldes zur Auslöschung eines Lärmfeldes darzulegen. Darüberhinaus sollen vereinfachte Lösungen für Sonderfälle angegeben werden.
• Erfindungsgemäß werden die Antischallgeber durch Mikrofone so gesteuert, daß sich ihr abgegebenes Schalldrucksignal sowohl proportional zum negativen Drucksignal der Lärmquelle am Ort des betreffenden Antischallgebers wie auch proportional zum Kosinus des Einfallwinkels der Lärmquelle und außerdem proportional zur ì1aschenfldche verhält.
• Der Ort des Antischallgebers ist für homozentische Antischallgeber das Zentrum. Bei Antischallgebern allgemeiner Bauart und für praktische Zwecke ist es möglich, einen beliebigen festen Punkt auf der Verlängerungslinie von Ldrmquelle und Antischallgeber als "Ort des Antischallgebers" zu definieren.
• Durch die erfindungsgemäße Steuervorschrift wird ein Antischallfeld erzeugt, welches antiphas zu dem Feld liegt, das der durch die aschenfläche durchdringende Lärmfluß erzeugt. Nach der Elementenwellentheorie von iiuygens kann man sich die Wirkungsweise des Schallgitters so vorstellen, daß die kontinuierliche, flächenhafte Belegung durch Elementarwellen durch die diskreten Punktquellen der Antischallgeber approximiert wird. Kegelungstechnisch gesehen verhält es sich so, daß in der Ebene des Schallgitters mittels der Antischallgeber auf Druckkonstanz ausgeregelt wird. Dadurch tritt eine Reflexion der Lärmwelle am Schallgitter auf und zwar eine Reflexion mit einem Phasensprung von 180. Aus dieser Verstellung erkennt man, daß bei verlustfrei arbeitenden Antischallgebern theoretisch kein Lnergieaufwand notwendig ist.
• Der Erfindungsgegenstand ist anhand verschiedener Ausftihrungsbeispiele iiäher spezifiziert. Es zeigen: Fig. la: Schallgitter Fig. 1b: Antischallgebersystem Fig. 2 : Kettenförmige Anordnung der Antischallgeber ftir fltichenhafte Lärmauslöschung Fig. 3 : gerichtete Antischallgeber als L'missionsschutz Fig. 4 : gerichtete Antischallgeber als Imissionsschutz.
• In Fig. la ist ein Ausschnitt aus einem Schallgitter dargestellt.
• Dieses besteht aus Antischallgebersystemen 1 und mechanischen und elektrischen Verbindungen 5. Das Schallgitter stellt eine flächenhafte Anordnung, z.B. eine Ebene, eine Zylinderfläche oder eine Kugelfläche dar. Im besonderen läßt sich damit für jedes Antischallgebersystem eine Flächennormale i angeben.
• Zweckmäßigerweise ist das Schallgitter so angeordnet, daß der abzuschirmende Lärm möglichst senkrecht auf das Schallgitter fällt. Damit gelingt es, mit einer möglichst kleinen Fläche des Schallgitters auszukommen.
• In Fig. 1b ist das Antischallgebersystem 1 näher spezifiziert.
• Es besteht im wesentlichen aus einem Schallsensor 2, einem Regelglied 3 und- dem eigentlichen Antischallgeber 4.
• Die Wirkungsweise des Schallgitters beruht darauf, in der Ebene des Schallgitters mittels des Systems "Schallsensor 2 - Regelglied 3 - Antischallgeber 4" auf Druckkonstanz auszuregeln.Akustich entspricht dies einer Reflexion der Lärmwelle an dem Schallgitter, wobei die einfallende Welle wieder in den Lärmraum zurückreflektiert wird. Die Regelung auf Druckkonstanz entspricnt dabei einer Reflexion am freien Ende mit einem Phasensprung um 1800.
• Der Schallsensor 2 hat eine kosinusförmige Richtcharakteristik.
• Diese hat als ldittelachse die Flächennormale n. am Ort des bee6 1 treffenden Schallg«ersystems und ist zur Lärmseite hin ausgerichtet. Der Schallsensor 2 nimmt das auszulöschende Lärmdrucksignal auf und steuert über ein Regelglied 3 den Antischallgeber 4 so, daß am Ort des Antischallgebers das vom Antischallgeber abgegebene Drucksignal proportional zum negativen Wert des Drucksignals der Lärmquelle ebenfalls am Ort des Antischallgebers ist. Der Proportionalitåtsfaktor richtet sich nach der Größe der Maschenweite des Schallgitters. Der Antischallgeber 4 strahlt genau so viel Energie ab wie durch seine zugeordnete i'4aschenfläche nindurchtritt. Bezeichnet r. den Ortsvektor des i.ten Antischallgebers 4 und ist pi(ri ,t) der Druckverlauf des Lärms aln Ort des i.ten Antischallgebers, so ist das von ihm abgegebene Schalldrucksignal PA (ri,t) A (r1 ,t) = - KiPL ( ri, t ) Der Proportionalitätsfaktor K. berücksichtigt den Fluß der Lärmenergie durch die zugeordnete Maschenfläche. Er setzt sich im wesentlicllen aus zwei Komponenten zusammen.
• Ki~cos#i S² Der Faktor cosy, berücksichtigt die Flächenprojektion der einfallenden Welle unter dem inkelJpi zur normalen des Schallgitters bei dem i.ten Antischallgebersystem 1. Dieser Faktor ist in der cosinusförmigen Richtcharakteristik des Sciiallsensors 2 enthalten. Der Faktor Si2 bercksichtigt den Bestand der einzelnen Antischallgeber zueinander. Bei regelmäßiger, äquidistanter Anordnung ist dieser Faktor für alle Antischallgeber gleich und konstant. Der absolute Wert der Proportionalitätisfaktoren K.
• wird zweckmdßigerweise durch Abgleichen auf Auslöschungsoptimum eingestellt werden.
• Das Regelglied 3 kompensiert im wesentlichen die Eigenschaft des Antischallgebers 4. Weiter enthält es eine Recheneinheit, die das Schalldrucksignal am Ort des Schallsensors 2 auf den Wert am Ort des Antischallgebers 4 uinrechnet. Bei im wesentlichen senkrechtem Schalleinfall ergibt dies eine Zeitverzögerung entsprechend der Zeit,der Lärmwelle vom Schallsensor 2 zum Antischallgeber 4.
• In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für flächenhafte Lärmauslöschung dargestellt. Dieser Fall liegt vor, wenn eine flächenhafte Zone z.B. eine Wohnsiedlung von einer entfernten Lärmquelle 16 geschützt werden soll. Hierbei vereinfacht sich das flächenhafte Schallgitter zu einer linienförmigen Anordnung der Antischallgebersysteme 11. Diese bestehen aus einem Schallsensor 12, einem Regelglied 13 und einem Antischallgeber 14. Zur Beschreibung der Wirkungsweise wird im Zentrum der flächenhaften Zone ein Bezugspunkt 17 angenommen. Die Antischallgebersysteme 12 werden in einer Linie (zea. Gerade, Kreisbogen) zwischen Lärmquelle 16 und Bezugspunkt 17 angebracht. Die Normale in der Lärmquelle/Bezugspunkt-Ebene dieser Linie am Ort des i.ten Antischallgebers sei ñi. Lärmquelle 16, Antischallgebersysteme 11 und Bezugspunkt sind im wesentlichen koplanar. Der Abstand von Ldrmquelle 16 zum i.ten Antischallgeber 14 sei ãi. Der Abstand des i.ten Antischallgebers zu den beiden benachbarten sei Zweckmäßigerweise wird äqudistanter Abstand genommen. Die Antischallgeber werden durch Mikrofone 14 so gesteuert, daß sich im Bereich des Bezugspunktes 17 optimale Auslöschung ergibt. Das ist dann der Fall, wenn die Antischallgeber l4 so gesteuert werden, daß deren abgegebenes Drucksignal proportional ist zum negativen Drucksignal der Lärmquelle 16 m Ort des Antischallgebers 14.
• Der Proportionalitätsfaktor K. f&r den i.ten Antischallgeber ist Der absolute Betrag der Proportionalitätsfaktoren K. wird zweckmßigerweise durch Abgleichung auf Auslöschmaximum im Bereich des Bezugspunktes 17 eingestellt. Die Wurzelabhangigkeit von a. und b. ergibt sich daraus, daß im vorliegenden 1 1 Fall der flächenhaften Schutzzonen ein 2-dimensionales Problem vorliegt, bei dem an sich zylinderförmige Wellenausbreitung notwendig wäre. Dieser Fall wird durch eine 3-dimensionale Schallausbreitung mit Kugelwellen approximiert. Da der Druck von Zylinder- bzw. Kugelwellen reziprok zur Wurzel der Entfernung bzw. reziprok zur Entfernung abfällt, muß dieser Effekt näherungsweise durch den Faktor kompensiert werden.
• Bei fester. Position von Lärmquelle 16 und Bezugspunkt 17 ist der Wert von konstant und kann fest eingestellt werden.
• Bei bewegter Lärmquelle 16, z.B. von fahrenden Autos auf einer Straße ändert sich der Abstand ai ständig. Diese Anderung kann, da die Fahrspur der Lärmquellen festliegt, über die Richtcharakteristik der mikrofon 14 eingestellt werden. Verläuft die Linie der Antischallgebersysteme 11 parallel zur Fahrspur, so ergibt sich eine Richtcharakteristik der ikrofone 12 mit Analog kann die Abhängigkeit durch die Richtcharakteristik der Antischallgeber 14 kompensiert werden.
• In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel f;lr den Emissionsschutz einer Schallquelle 26 dargestellt. Ilierzu werden Antischallgebersysteme 21 verwendet, die aus Richtmikrofonen 22 und Richtantischallgebern 24 bestehen. Die Richtmikrofone 22 sind auf die Lärmquelle 26 ausgerichtet. Die'Richtkeule der Richtantischallgeber 24 ist kollinear, aber entgegengesetzt in der Ebene des Richtmikrofons und sie ist gerade so breit, daß sie die Richtkeulen der benachbarten Richtantischallgeber überlappen. Die optimale Abstimmung von Richtkeule und Abstand der Antischallgebersysteme erfolgt zweckmäßigerwsise im Computer. eine Richtwirkung der Richtantischallgeber erhalt man in bekannter Weise durch Hintereinanders chal ten von mehreren Antisenchllgelbern, die eine entsprecluende Laufzeitversetzung aufweisen.
• In Fig. 4 ist ein Ausfallrungstei spiel für den Imissionschutz dargestellt. ijierbei wird ein objekt 37 durch gerichtete Antischallgebersysteme 31 geschützt. Diese bestehenatus Richtmikrofonen 32 und Richtantischallgebern 34. Die Achse der Richtantischallgeber 34 zeigt auf das Objekt 37, während die Achse der Richtmikrofone 32 kollinear aber entgegengesetzt ausgerichtet ist.
• Anstelle von speziellen Richtmikrofonen gelingt es durch Zusammenschalten der Hikrofone von benachbarten Antischallgebersysteme eine Richtungsabhängigkeit zu erreichen. Bei nicht zu großem Abstand (der Abstand sollte kleiner sein als Linie halbe Wellenlänge des auszusteuernden Schalls) ist das E'rodukt der beiden itikrofonsignale proportional dem Kosinus des Einfallswinkels.

Claims (8)

Patentansprüche

1. Lärmabschirmung durch Schallgitter, bestehend aus Antischallgebersystemen entsprechend dem Hauptpatent ........ (Patentamneldung P 19 18 741.8), dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Antischallgeber durch Hikrofone so gesteuert werden, dal3 sich ihr abgestrahltes Schalldrucksignal sowohl prpporticnal zum negativen Drucksignal der Lärmquelle am Ort des betreffenden Antischallgebers wie auch proportional zum Kosinus des Winkels des einfallenden Lärmstrahls zur Normalen des Scnallgitters und außerdem proportional zur Maschenfläche verhält.

2. Lärmabschirmung durch Schallgitter nach Anspruch l, dadurch g e k e n n z e i c h n e t,.daß die Proportionalität des Kosinus des Winkels von einfallendem Lärmstrahl zur Gitternormalen durch Richtmikrofone mit Kosinuscharakteristik erreicht wird.

3. Lärmabschirmung durch Schallgitter nach Anspruch 1 und 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß zur Lärmabschirmung von fldchennaften Schutzzonen eine linienförmige Kette von Antischallgebersystemen (11) verwendet wird, wobei die Antischallgeber (14) so gesteuert werden, daß sich ihr abgestrahltes Schalldrucksignal proportional zum negativen Drucksignal der Lärmquelle am Ort des betreffenden Antischallgebers, proportional zum Kosinus des Einfallwinkels der Lärmquelle, proportional zum gegenseitigen Abstand der Antischallgeber und proportional zur Wurzel aus den Entfernungen von Lärmquelle zu Antiscndllgeber und Antischallgeber zu Bezugspunkt verhält.

4. Lärmabschirmung durch Schallgitter nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n z e i zuc h n e t, daß bei linienförmigen Lärmquellens z e Bo traten, die Kette der Antischallgebersysteme parallel zur linienförmigen Lärmquelle verläuft und daß zur Kompensierung des Entfernungseinflusses von Lärmquelle zu Antischallgeber die Nikrofone eine Richtcharakteristik haben, die der Quadratwurzel aus dem Kosinus des Einfaliwinkels entspricht.

5. Lärmabschirmung durch Schallgitter nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß zum Emissionsschutz einer Lärmquelle (26) Antischallgebersysteme (2l) verwendet werden, bestehend aus Richtmikrofonen (22) und Richtantischallgebern (24) wobei die Richtkeulen der Richtmikrofone (22) kollinear auf die Lärmquelle (26) und die de Richtantischallgeber ebenfalls kollinear entgegengesetzt zur Lärmquelle ausgerichtet ist.

6. Lärmabschirmung durch Schallgitter nach Anspruch l, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß zum Imissionsschutz eines Punktes (37) Antischallgebersysteme verwendet werden bestehend aus kollinear- zum Punkt (37) ausgerichteten Richtantischallgeber (34) und entgegengesetzt kollinear ausgerichteten Richtmikrofonen (32).

7. Lärmabschirmung durch Schallgitter nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Richtcharakteristiken von Richtmikrofonen und Richtantischallgebern,der gegenseitige Abstand der Antischallgebersysteme (21) die Entfernung von Lärmquelle (26) zu Antischallgeber (24) bzw. die Entfernung von Antischallgeber (34) zu Punkt (37) durch Vorrecllnung im Computer auf Auslöschoptimum abgestimmt werden.

8. Lärmabschirmung durch Schallgitter nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch g e k'e n n z e i c h n e t, daß der absolute Wert der ProportionalltutsEaktorell K. durch Abgleichen auf Auslöschoptimum eingestellt wird.