DE2358436A1

DE2358436A1 - Verfahren zur daempfung eines sich laengs einer fuehrung ausbreitenden schallfeldes

Info

Publication number: DE2358436A1
Application number: DE2358436A
Authority: DE
Inventors: Malcolm Alexander Swinbanks
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1972-11-24
Filing date: 1973-11-23
Publication date: 1974-05-30
Also published as: HK46980A; JPS4997601A; GB1456018A; FR2208573A5

Description

DR. MÜLLER-BORE. DIPL-PHYS-DR-MANITZ DIPL-CHEM. DR. DEUFEL DlPL.-lNG. FINSTERWALD DIPL--I.NÖ. GRÄMKOW

PATENTANWÄLTE 23584

München, den We/Sv - N 1146

^{2 3}· AiGV₁ 1973

FATIONAL BESEABGH DEVELOPMENT CORPORATION 66-74 Yictoria Street, London SW1, England

Verfahren zur Dämpfung eines sich längs einer IPührung ausbreitenden Schallfeldes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dämpfung eines vorgegebenen Schallfeldes mit Hilfe eines Strahlungsmusters, welches mit dem ursprünglichen Feld zur Interferenz kommt und das ursprüngliche Feld dämpft. Bisher haben sich die meisten Versuche zur Verminderung eines Schallpegels darauf konzentriert, entweder die Stärke der Schallquelle zu reduzieren oder durch passive Verfahren der Steuerung, beispielsweise durch Verzögerung mit absorbierendem Material oder durch beträchtliche Impedanz-Fehlanpassung, eine wirksame Übertragung des Schalls zu verhindern.

Ein Verfahren der Erzeugung von Schallwellen, die in zerstörender Weise mit dem Schallfeld int.erferieren, welches gedampft werden soll, ist von Jessel und Mangiante in der Zeitschrift "Journal of Sound and Vibration" (1972) in einem Aufsatz unter

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Dr. Müller-Bor6 Dr. Manitz · Dr. Deufel · Dipl.-Ing. Finsterwald Dipl.-Ing. Grämkow Braunschweig, Am Bürgerpark 8 8 München 22, Robert-Koch-Straße 1 7 Stuttgart-Bad Cannstatt, Marktstraße 3 Telefon (0531) 73887 _Te|_{efon {0811)} gg^g Telex 5-22050 mbpat Telefon (0711) 567261 Bank: Zentralkasse Bayer. Volksbanken, München, Kto.-Nr.9822 Postscheck: München 95495

dem Titel "Aktive Schallabsorber in einer Luftführung" beschrieben. Das beschriebene Verfahren ist jedoch unwirksam, und die Gründe für diese Unwirksamkeit werden in der nachfolgenden Beschreibung im einzelnen erläutert.

Gemäß der Erfindung werden Schallwellen erzeugt, welche in zerstörender Weise mit unerwünschten Schallwellen in einem vorgegebenen Bereich interferieren, so daß dadurch die unerwünschten Schallwellen eliminiert oder gedämpft werden. Es sei darauf hingewiesen, daß der Ausdruck "Schall", wie er in der vorliegenden Beschreibung verwendet wird, keine Begrenzung hinsichtlich der Frequenz einer Wellenbewegung in bezug auf die physiologische Wahrnehmung von Schall bedeutet.

Die Erfindung betrifft weiterhin Schallwellengeneratoren, die aus einer Anzahl von lokalen Schallquellen zusammengesetzt sind, die zusammenarbeiten, um eine Schallwelle für einen solchen Interferenz-Vorgang zu erzeugen.

Die Erfindung ist insbesondere zur Anwendung für die Steuerung von der longitudinalen Ausbreitung von. Schallwellen oder Druckimpulsen in Führungen, und in solchen Fällen kann der Schallwellengenerator zwei oder mehrere in Längsrichtung auf Abstand voneinander angeordnete ringförmige Bereiche von Schallquellen aufweisen, die im Bereich der Wand einer Führung angeordnet sind. Durch geeignete Ausbildung wird eine Ausbreitung der erzeugten Wellen in einer einzigen Richtung erreicht. In speziellen, unten beschriebenen Anordnungen ist eine kreisförmige Führung mit kreisförmigen Bereichen von jeweils drei Quellen vorgesehen, und es ist eine quadratische Führung mit ringförmigen Bereichen von vier Quellen angeordnet, wobei eine Quelle jeweils in der Mitte jeder Fläche der Führung angeordnet ist. Indem mehr als zwei Bereiche von Qu e> len vorgesehen werden, ist es möglich, den Frequenzbereich des Systems im Vergleich zu seiner grundlegenden Ausdehnung im Falle von zwei Bereichen zu vergrößern.

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Je nach den Umständen des Einzelfalles der Anwendung können ^c die erzeugten Wellen zum Betrieb der Quelle der unerwünschten Schallwellen in Beziehung gesetzt werden, oder sie können in Reaktion auf die Ermittlung von unerwünschten Schallwellen erzeugt werden. Bereiche von Detektoren, welche in. der Anordnung den Bereichen der Quellen ähnlich sind, welche gemäß der Erfindung vorgesehen sind, können dazu verwendet werden, eine unerwünschte Kopplung zwischen Quellen und Detektoren zu verhindern. Vorzugsweise kann &s Maß der Dämpfung des unerwünschten Schalls durch eine geeignete Überwachungseinrichtung gemessen werden, deren Ausgangssignal die erzeugten Schallwellen steuert.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben. Der Pail von ebenen Wellen in einer Führung wird unten im Detail beschrieben, da dies das einfachste Problem ist, und dennoch ein solches Problem, welches eine Anzahl möglicher Anwendungen hat. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Fall beschränkt.

Die Verfahren der Erfindung sind nicht nur auf solche Probleme anwendbar, wo Frequenzen im hörbaren Bereich zwischen 20 und 20 000 Hz vorkommen, sondern auch auf höhere oder niedrigere Frequenzen. In der Tat handelte es sich bei demjenigen Problem, welches ursprünglich auf die Erfindung geführt hat, um ein solches Problem, bei dem- Druckschwankungen mit sehr niedriger Frequenz in der Größenordnung von Λ Hz in einer großen Rohrleitung auftraten. Diese wurde zum Abführen von Abgas von einer Fabrik verwendet und leitete das Abgas über eine verhältnismäßig große Strecke von 1,5 km. Die Leitung sollte einen großen Durchmesser und eine verhältnismäßig preiswerte Konstruktion haben, mit dem Ergebnis, daß sie nicht dazu in der Lage wäre, einer großen inneren Druckverminderung standzuhalten. Es mußte daher ein Drucküberwachungssystem vorgesehen werden, um zu gewährleisten, daß Schwankungen im Gasdruck am Eingang der Rohrleitung ausreichend

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_ Zf. _

klein waren derart, daß kein Zusammendrücken auftreten konnte.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Anwendungsmöglichkeiten der aktiven Überwachung viel größer und vielfältiger sind. Beispielsweise ist im Falle von Gasturbinen, die bei Turboprop-Flugzeugen verwendet werden, welche auch zur Anwendung in Automobilen oder Zügen in Betracht kommen, der Kompressor dafür verantwortlich, daß ein beträchtlicher Geräuschoegel erzeugt wird, und der entsprechende Schall wird hauptsächlich aus der Vorderseite der Düse nach vorn ausgesandt. Gegenwärtig wird nur die Überwachung von ebenen Wellen im Detail in Betracht gezogen, eine offensichtlich mögliche Weiterentwicklung der Erfindung besteht jedoch darin, den Versuch zu unternehmen, eine Überwachung von Transversalwellen zu erreichen, und dafür wäre eine unmittelbare Anwendungsmöglichkeit das Problem der Dämpfung von Kompressorlärm.

Das Grundproblem im !"alle einer Führung oder Leitung läßt sich folgendermaßen formulieren: ein Fluid strömt stetig und gleichförmig entlang einer Führung mit der Mach-Zahl M, und eine sich ausbreitende Welle wandert durch das Fluid in der Richtung der Strömung. Die Mach-Zahl kann sowohl positiv als auch negativ angenommen werden, wobei ein Oositives M dem ersten Typ des Problems der Überwachung von Schall in einem Abgasvorgang entspricht, während ein negatives M der stromaufwärts gerichteten Schallausbreitung entspricht, wie beispielsweise dem nach vorne gerichteten Lärm von einem Kompressor. In diesem Falle liegt die Erfindung darin, eine geeignete lokale Verteilung von Punktquellen zu ermitteln, die in den Führungswänden angebracht sind und die eine ebene Welle erzeugen, welche in destruktiver Weise mit der einfallenden ebenen Welle interferiert und somit deren Auswirkung vermindert. Gleichzeitig muß gewährleistet sein, daß keine sich ausbreitenden Querwellen erregt werden, während die endgültige Anordnung so einfach wie möglich im Aufbau bleibt. Die Fig. 1 zeigt schematisch die Führung 1, die

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Strömung (Pfeil 2), die einfallende ebene Welle 3 und einen Bereich von Punktquellen 4-.

Gemäß den obigen Ausführungen ist dieses Problem etwas schwierig, es vereinfacht sich jedoch beträchtlich und läßt sich präziser fassen, sobald erkannt wird, daß die Frage der Erzeugung von Querwellen gemäß den nachfolgenden Erläuterungen in einem frühen Stadium eliminiert werden kann.

Eine beliebige vorgegebene Verteilung von Punktquellen, die in den Führungswänden angeordnet sind, lassen sich als eine Überlagerung von ringförmigen Quellenringen betrachten, von denen jeder dadurch erreicht wird, daß ein lokaler Querschnitt der Führung gemäß der Darstellung in der Fig. .2 betrachtet wird. Der Beitrag zu dem Kern der ebenen Welle, welcher durch einen einzelnen Ring 4-' geliefert wird, hängt nur von der Gesamtquellenstärke ab, nicht jedoch von der Art, wie die Quellen ■ um den Ring verteilt sind.

Die Verteilung um den umfang herum bestimmt jedoch, welcher höhere Modus erzeugt wird, und es läßt sich zeigen, daß es eine bestimmte Frequenz gibt, die mit (J (M) bezeichnet wird, oberhalb von welcher ein einzelner Ring Querwellen erzeugen muß, und zwar unabhängig von der Verteilung um den Umfang. Daraus ergibt sich, daß eine natürliche obere Betriebsgrenze existiert, und es xvird weiterhin offensichtlich, daß bei einem Betrieb oberhalb dieser Frequenz entweder Querwellen (Transversalwellen) hingenommen werden müssen oder daß die Komplexität des gesamten Quellenbereiches wesentlich erhöht werden muß.

Es ergibt sich, daß für eine kreisförmige Führung mit cu (M) =2,1 CJ-(M), wobei CJ (M) die fundamentale Grenzfrequerfz der Führung ist, d.h., diejenige Frequenz, unterhalb von welcher sich keine Transversalwellen ausbreiten können. Es hat

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sich weiterhin gezeigt, daß eine einfache Anordnung von drei Punktquellen, die symmetrisch um die Wände der Führung herum gemäß der Fig. 3a angeordnet sind, Ergebnisse liefern, die ebenso gut oder besser sind als solche, die von einer beliebigen anderen Konfiguration geliefert werden, und ein solcher Bereich erzeugt keine Transversalwellen unterhalb von OJ (M).

Das entsprechende Ergebnis der rechteckförmigen Führung liefert ·λ) (M) =s 28 OJ (M) » und dies kann dadurch erreicht werden, daß vier Punktquellen verwendet werden, von denen eine in der Mitte Jeder Seite der Führung gemäß Fig.3 b angeordnet ist.

In jedem Falle ist der erste anzuregende Ausbreitungsmodus ein symmetrischer Modus, der einen Druckanstieg in der Mitte der Führung aufweist, welcher von einer Druckverminderung an den Wänden begleitet wird, was dem Modus J_Q(*. _) für die kreisförmige Führung und dem Modus (2,2),

OC OC

für die rechteckige Führung entspricht. Eine beliebige andere Ringquelle erzeugt entweder diesen Modus oder einen solchen Modus, der eine tiefere Grenzfrequenz aufweist. Die Fig. 3a und 3b geben jeweils eine Darstellung eines solchen Modus wieder.

Unter der Voraussetzung, daß der Quellenbereich aus Ringquellen der obengenannten Art gebildet ist, von denen jeder wahlweise drei oder vier Punktquellen aufweist, und unter der weiteren Voraussetzung, daß die Betrachtung auf Frequenzen unterhalb von OJ^₄₄ (M) gerichtet ist, braucht lediglich die Gesamtquellenstärke m(t) von jedem Ring und ihr entsprechender Beitrag zu der ebenen Welle in Betracht gezogen zu werden. Dieser Beitrag ist gegeben durch

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c_o(i +μ) J stromabwärts

^co ι

(1 -VL))

2A (ι - M) \ c_o(i-M)7 stromaufwärts

wobei A die Querschnittsfläche der Führung ist. Die exakten Werte für Cj (M) sind:

u (M) =201« (M) - ^l^co M μ²ϊ ^{für eine} kreisförmige Führung μ ¹V - k ° ^u * ^M > ■ mit dem Radius ¹¹R"

= 2 8 u (M) - ²°⁸* ^c ί^ _M2v für eine quadratische Führung " ^wc^v - α ° ^u - ^M ' - mit der Seite "a".

Bei einer kreisförmigen Führung von 1 m Durchmesser und einer Mach-Zahl von 0,5 und c_Q = 320 m/sec ergibt sich f (M)= Jjr^ = JOO Hz. " . ' ' * ■

Das Problem basteht nunmehr darin, eine Kombination von Ringquellen zu finden, und zwar mit der jeweiligen Gesamtstärke m(t), wodurch eine ebene Welle erzeugt wird, die mit der einfallenden Welle auf der stromabwärtigen Seite der Quellen interferieren soll.

Auf den ersten Blick könnte es den Anschein haben, daß das erwünschte Ergebnis dadurch erreicht werden könnte, daß eine einzige Ringquelle verwendet wird und daß die Anordnung so getroffen wird, daß der stromabwärtige Ausgang entgegengesetzt gleich zu der einfallenden Welle ist, um stromabwärts eine Null-Störung zu erzeugen. Dies würde jedoch nicht sehr zufriedenstellend sein, da auch ein entsprechender stromaufwärts gerichteter Ausgang erzeugt würde, und das System würde dieses Feld nicht absorbieren oder abschwächen, sondern würde es einfach reflektieren. Wenn irgendeine stromaufwärts gerichtete Störung vorhanden wäre, welche dann diesen Ausgang zurückreflektieren würde, wäre es darüberhinaus erforderlich, sowohl die einfallende Welle als auch die reflektierte Welle zu überwachen.

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Es ist daher erforderlich, eine Konfiguration zu finden, welche den Schall nich't stromaufwärts zurückstrahlt, und dies bedeutet, eine Kombination von Ringjiellen zu finden, die bei Abwesenheit einer einfallenden Welle dazu in der Lage ist, einen Ausgang zu erzeugen, der lediglich stromabwärts gerichtet ist.

Es ist tatsächlich möglich, diesen Effekt dadurch zu erzeugen, daß zwei Ringquellen m, (t) und mp(t) verwendet v/erden, beispielsweise bei x=O und bei χ = b, wie es in der Fig. 4- dargestellt ist, und die Anordnung so zu treffen, daß m,(t) = nuCt - Kp ), wobei T py, die Zeit ist, welche von einem Signal benötigt wird, um von nip nach m. stromaufwärts zu wandern. Der gesamte stromaufwärts gerichtete Ausgang ist gleich null, der stromabxtfärts gerichtete Rechtausgang ist

c Γ ρ 1 1 /. χ - b (, χ — b γ \

2A (1 + M) > ^m2^ ~ c₀ (1 + M) " ^m2^ c_Q (1 + M) " ' o^J

wobei ^q- 2b/c (1 - M) (die Zeit, welche ein Signal benötigt, um von m. nach nip und wieder zurückzulaufen) ·

Im allgemeinen ist dieser Ausdruck von null verschieden. Wenn nKmlich m. und m^ sinusförmige Ausgänge der Amplitude m und der Frequenz LP aufweisen, so hat der stromabwärts gerichtete

Ausgang die .lmrjlitude 7—

°o ^mo

A (1 + M)

Sl-TL-

ITun wirde eine

einzige Quelle der Amolitude m , die alleine im Fluid in ¹Be-

• trieb ist, einen stromabwärts gerichteten Ausgang erzeugen,

c m_Q
der durch den Ausdruck χ— ~οΓλ— beschrieben ist, und dies

dient als Vergleichsmittel. Der nutzbare Frequenzbereich des Ouellenpaares würde erwartungsgemäß derjenige Bereich sein, über welchen der Ausgang größer oder gleich dem Ausgang einer isolierten Quelle ist. Dies tritt auf über die Frequenzbereiche

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Das fundamentale Intervall gibt einen Frequenzbereich von X5 oder 2-t Oktaven, und der maximale Ausgang in diesem Band tritt auf, wenn der Quellenabstand ^ Wellenlängen X X(1 -M) beträgt. Dies ist in der graphischen Darstellung der Fig.4a gezeigt, in welcher die Amplitude A des Ausgangs des Quellenpaares, und zwar in bezug auf eine einzelne Quelle, über der Frequenz cü aufgetragen ist. ·

Nunmehr sei der Effekt betrachtet, der sich ergibt, wenn eine weitere Quelle nu(t) bei χ = d, d>b eingeführt wird, um zu sehen, wie dieser Frequenzbereich verbessert werden kann. Da nur eine Gleichung zu erfüllen ist, nämlich, daß der stromaufwärts gerichtete Ausgang gleich null ist, besteht völlige Freiheit in der Wahl von einer der Quellen, beispielsweise

von m^(t) ._Dies_ erfordert^ 3.eA°9ⁿ_^e_i??^."?^;:^X ^i^e_^^e?^^aS.®^ry^:^S

von zwei Quellenpaaren, von denen eines durch nu (t) und m^Ct)

gebildet ist und das andere durch m^Ct) und m,(t). Es zeigt sich, daß eine "natürliche" Wahl nu(t) = DuCt - )

j ο

getroffen werden kann, was einer derartigen Bereichsanordnung entspricht, daß die abwärtigen Ausgänge der zwei Quellenpaare sich gegenseitig verstärken. (Gleichwohl gibt es zwei andere "natürliche" Auswahlmöglichkeiten, die eine?Neugruppierung der Quellenpaare entsprechen, es ist jedoch unnötig, diese weiter zu betrachten, da derselbe Effekt erreicht werden könnte, indem "d" oder "b" negativ genommen würde.)

Bei dieser Auswahl beträgt der stromabwärtige Ausgang bei χ = d

d-b\ Λ ( f d - b

A (1+M)

wobei

2b 2d

c_o(1-M²) - c (W ^u ο

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Für eine vorgegebene^ Frequenz "oj" beträgt die Amplitude dieses Ausgangs

₂
+e ) x Ausgang der einzelnen Quelle m_Q.

Durch die graphische Darstellung der Funktion 1 - -p- (e +e für verschiedene Werte von V^: Vp-gemäß -Fig. 5&» 5t> und 5^C ergibt sich, daß das Verhältnis 2:J gemäß Fig.5b eine sensible Auswahl darstellt, welche einen nutzbaren Frequenzbereich von X20 oder ihr Oktaven liefert. Dies dürfte für die meisten Zwecke ausreichen. In einem Oktavenmaßstab tritt die Mittenbandfrequenz für "d" auf, die Gesamttrennung, gleich 0,34- (1 - M) χ Wellenlängen. Für zwei Quellen tritt, wiederum in einem Oktavenmaßstab, .die Mittenbandfrequenz auf, wenn die Quellentrennung nur 0,19 (1 - M) χ Wellenlängen beträgt. Somit wird durch Verwendung von drei Quellen eine Zunahme im Frequenzbereich erreicht, und.zwar auf Kosten einer entsprechenden Zunahme in der Gesamtlänge des Bereiches.

Es sei darauf hingewiesen, daß eine sich in einer Richtung ausbreitende ebene Welle auch durch eine geeignete Überlagerung einer einzigen Quelle und einer Dipolquelle erreicht werden könnte, wobei die letztere aus zwei gleichen, jedoch entgegengesetzt angeordneten Quellen gebildet ist, die sehr nahe beieinanderliegen. Dies ist die Anordnung, die von Jessel und Mangiante in der obengenannten Zeitschrift beschrieben wurde. Unter diesen Umständen, bei welchen der Gesamtquellenabstand im Vergleich zu der ausgesandten Schallwelle sehr gering ist, ist jedoch der Wirkungsgrad des in einer Richtung arbeitenden Generators" sehr gering, so daß .diese Anordnung dem Betrieb in einem Bereich voniJ~0 der Kurve 4a direkt äquivalent wäre. Andererseits ist es durch Trennung der Quellen in Längsrichtung entlang der Achse der Führung möglich, einen beträchtlich größeren Ausgang zu erreichen, wobei nämlich ein maximaler Ausgang auftritt, wenn die Trennung (der Abstand) ein

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_ 11 _

C*

Viertel Wellenlängen χ (1 - M) beträgt, wobei M die Mach-Zahl der Strömung in der Führung ist. Dies wiederum bedeutet, daß dann, wenn der Ausgang dazu verwendet wird, eine einfallende Störungswelle zu absorbieren, indem er mit dieser interferiert, die maximal mögliche Kapazität für eine Absorption dadurch erreicht würde, daß ein Abstand von ^ Wellenlängen χ (1 - M) gewählt würde. Im Vergleich dazu wäre ein Absorber, der aus einer Kombination von einem Monopol und einem Dipol gebildet wäre, äußerst wenig wirksam.

Es wurde, gezeigt, daß durch Verwendung einer Kombination von zwei oder drei Ringquellen , die jeweils aus drei oder vier Punktquellen bestehen, ein stromabwärts gerichteter Ausgang

in einer sich in einer Richtung ausbreitenden ebenen Welle erzeugt werden kann. Zur Steuerung einer ebenen Störungswelle · ist es einfach erforderlich, eine solche Anordnung vorzusehen, daß· dieser Ausgang mit der Störung interferiert und diese somit kompensiert.

Die anfängliche Störung sei beschrieben durch den Ausdruck f ft - ' ^x

o^^r c₀ (1 + m; *

Dann muß für zwei Quellenringe folgende Gleichung erfüllt sein:

2A (14M)

x-b

■)■"*(* "TiTST^

= O

V X^

c_o 1 ( ._h. _2 J₁

2A (14M) [

■■}■-

(14M)

Die entsprechende Beziehung für drei Quellen lautet:

A (14M)

c_o(i4M)

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Wenn die entsprechende Gleichung erfüllt werden kann, so ist dadurch erreicht, daß stromabwärts keine Störung auftritt, während stromaufwärts von den Quellen die einzige Störung die einfallende Welle ist.

Hun ist aber klar, daß es nicht möglich ist, diese Gleichungen für alle Frequenzen zu erfüllen, und wenn die Amplituden der Bewegung der Quellen nicht übermäßig· werden sollen, so ist man auf die "nutzbaren" -Frequenzbereiche angewiesen, die bereits erläutert wurden.

Bevor Jedoch die Ausbildung eines praktischen Steuersystems diskutiert wird, welches die Störwelle ermittelt und die Quellen in einer geeigneten Weise betreibt, wird angenommen, daß die Betrachtung auf die Frequenzen gerichtet ist, für welche die Gleichungen erfüllt werden können, um die Art und Weise zu diskutieren, in welcher die Quellen die einfallende Energie absorbieren.

Es wird der in der -Pig. 6 dargestellte Fall betrachtet, bei welchem die Quellen aus zwei Kolben 5a und 5b bestehen, die in der Seite einer Führung angebracht sind, und in welcher zur Vereinfachung angenommen ist, daß die Strömungsgeschwindigkeit gleich null ist. Dann ist für Frequenzen weit unterhalb der Grenzfrequenz des ersten Transversalmodus die Strömung im wesentlichen inkompressibel, und zwar auf eine Länge, welche mit dem Rohrdurchmesser vergleichbar ist. Wenn somit "b", der Abstand zwischen den Kolben, gemessen entlang dem Rohr, ausreichend klein ist, so verhält sich das Fluid im dargestellten Bereich annähernd-wie ein inkompressibles Fluid.

Die kombinierte Auswirkung der einfallenden Welle auf die Oberfläche "A" und die entsprechende Bewegung der zwei Kolben besteht gerade darin, daß die Oberfläche "B" sich nicht bewegen darf. Dann ist die durch die einfallende Welle geleistete Arbeit exakt gleich derjenigen Arbeit, welche auf den zwei Kolben geleistet wird.

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In der Praxis wurden die Quellen durch eine .Form von Rückführverstärker "betrieben, und die überflüssige Energie würde in der Ausgangsstufe des Verstärkers absorbiert, und zwar in derselben Art, wie ein Rückkopplungs-Servomechariismus Energie absorbiert, wenn die Servoeinrichtung derart bewegt wird, daß die Ausgangskraft auf die Servoeinrichtung einwirkt. Me tatsächlichen Beträge an akustischer Energie, die in einer beliebigen Anwendung auftreten, wären sehr klein, und es wäre kein Problem, diese Energien zu absorbieren.

Wenn es sich bei den Quellen-jeweils um einen Lautsprecherkonus handelt, würde die Energie von der Rückseite des Konus in den Raum außerhalb der ^Führung abgestrahlt. Die Außenseite des Quellensystems könnte dann in einen Kasten eingeschlossen sein, der mit einem absorbierenden Material ausgekleidet wäre, lind dies wäre gleichbedeutend damit, den Schall aus der Strömung zu entziehen, wenn nur eine begrenzte Zeit zur Absorption zur Verfügung steht, und ihn in einen statischen Bereich umzulenken, wo soviel Zeit zur Verfugung steht, wie erforderlich ist, um ihn zu absorbieren.

Es läßt sich eine detailliertere Analyse durchführen, und zwar wiederum für die Mach-Zahl null, wobei jedoch nicht mehr eine lokal inkompressible Strömung angenommen ist. Es läßt sich zeigen, daß die Arbeit, welche durch eine Quelle in Abwesenheit

von Konvektion geleistet wird, gleich -R· m(t) ist, wobei ρ der

^co Drucküberschuß über der !'lache der Quelle ist. Da die stromabwärtige Quelle in d'er Weise arbeitet, daß der Drucküberschuß aufgrund des Modus der ebenen Welle immer gleich null ist, absorbiert sie keinerlei Energie, sie wirkt vielmehr wie ein einfacher Reflektor. Vielmehr wird die einfallende Energie durch die stromaufwärtige Quelle absorbiert, die in einem von null verschiedenen Druckfeld arbeitet. Sie absorbiert die Energie jedoch nicht augenblicklich, ein Teil der Energie Seht vorbei, um durch die zweite Quelle reflektiert und später im Zyklus absorbiert zu v/erden.

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Es sei darauf hingewiesen, daß das Vorhandensein eines sich nicht ausbreitenden jeweiligen Transversalmodus die Arbeitsrate jeder Quelle modifiziert, daß sich jedoch zeigen läßt, daß die G-esamtarbeitsrate gegenüber dem jeweiligen Transversalmodus gleich null ist. Dies bedeutet, daß in der Praxis die stromabwärtige Quelle Energie erfordern kann, damit sie betrieben wird, daß dies jedoch ausgeglichen wird durch eine entsprechende Zunahme in der durch die stromaufwärtige Quelle absorbierten Energie.

Es bleibt noch, ein System anzugeben, welches die Quellen betreibt, um die Gleichungen zu erfüllen. In mancher Anwendung, in welcher die Quelle, welche anfänglich den Schall erzeugt, eine feste Frequenz oder feste Frequenzen aufweist, mag es möglich sein, die Steuerquellen durch ein geeignetes Synchronisierungssignal zu betreiben, und zwar von der Erzeugungsquelle, in allgemeineren Anwendungsfällen wird es jedoch erforderlich sein, die einfallende Strahlung zu ermitteln.

Dieses Problem der Ermittlung ist einfach zu lösen, da durch Verwendung eines Bereiches von Detektoren 6 gemäß Fig. 7, und zwar in genau derselben Weise wie die Quellen 4 zusammengekoppelt waren, stromabwärts wandernde ebene Wellen ermittelt werden können,.während stromaufwärts wandernde Wellen zurückgewiesen werden. Dadurch dürfte jede Möglichkeit einer liesonanz oder Instabilität, die aus einer Wechselwirkung zwischen dem Quellenausgang und dem Signal herrühren könnte, welches durch die Detektoren aufgenommen wurde, verhindert werden. Wenn Kinge von Detektoren verwendet werden, welche den Quellenringen ähnlich sind, werden keine Transversalwellen unterhalb von ω ^ ermittelt.

Als Beispiel seien die zwei Detektoren d^Ct) und d₂(t) genommen, welche um einen Abstand "b" voneinander entfernt sind und v/eiche beispielsweise bei χ » - 1, - 1, - 1 +b angeordnet sind. Wenn der Ausgang gesetzt wird gleich

D(t) - (I₁Ct) - d₂ (t -r₂₁)

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so wird er zu null für eine stromaufwärts wandernde Welle, die Störungswelle f_Q liefert jedoch einen Ausgang'

1 V

c (1 + M) /

c (1 + M)

2b

c_o(l-

ο " ο

In ähnliche]? V/eise würde dann, wenn drei Detektorringe und drei Quellenringe verwendet werden, der Ausgang von den Detektoren "beschrieben werden durch

D(t) = f A +

f /i +

c(l+ M) ο

während die zu erfüllende Gleichung lautet:

»₂(t) - i [»_a(t -

«₃(t -

μ)

Durch Anwendung der Laplace-Transformation bekommt die Beziehung zwischen nip(p) und D(p) folgende Form:

M₂(P) -

- (1 + M)
c
ο

ι -

p_o(l +M)

D(p)

Dies besteht aus einer einzelnen Zeitverzögerung 1- + b

G₀(I +M)

und -zwei Schaltungen', die in Reihe geschaltet sind und jeweils die folgende Übertragungsfunktion aufweisen:

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Nun ist durch den letzten Ausdruck eine einfache Rückkopplungsschaltung beschrieben, in welcher zwei reine Zeitverzögerungen γ ν, und Γ ρ auftreten, wie es in der Fig. 8 dargestellt ist, in dieser Form wäre jedoch eine Instabilität der Gleichkompo^nente vorhanden und mit Y^: Y ρ = 2:3 würde eine Resonanz

bei den Frequenzen -rr-¹ auftreten. Die Instabilität der

^T1
Gleichkomponente kann durch Einbau eines Hochpassfilters bei 7 in die Schleife beseitigt werden, während dann, wenn Y" - : ί ρ = 2:2,8 gewählt wird, die meisten der erwünschten Eigenschaften, bei der Verhältniswahl 2:3 erhalten bleiben, jedoch die erste Resonanz nunmehr bei U,· = —— auftritt. Dies liegt gut außerhalb

von dem nutzbaren Frequenzbereich, und es sollte möglich sein, dies durch Verwendung eines Tiefpaßfilters zu überwinden.

Die Nyquist-Darstellung für eine solche Rückkopplungsschleife, die mit einem Filter 0,75 + 10 i LJ für die Gleichkomponente

1 + 10 i OJ

arbeitet, ist in der Fig. 9 dargestellt. Der "nutzbare" Frequenzbereich beträgt etwa W = 0,6 ν 12 oder X20.

^T1 ^r1

Nun ist der VerstärkungsSpielraum nicht sehr groß, und der Versuch, das System bei Frequenzen außerhalb des Bereiches zu betreiben, die oben angegeben sind, würde übermäßig große Ausgangsamplituden erzeugen.

Es wird daher ein solches Filter F (i ) in die Schaltung eingebaut.

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Unter der Voraussetzung, daß die Systemgleichungen ordnungsgemäß über die Bandbreite von F(iCd) aufgestellt sind, beträgt

der .endgültige stromabwärtige Ausgang 1 - F(iU) f (iuJ).

Nun würde ein herkömmliches Filter dazu neigen, daß rasche Phasenveränderungen auftreten, und zwar an den Enden des Durchlaßbandes, und dies könnte zu einer lokalen Verstärkung des Ausgangs führen. Wenn jedoch der Abfall der Filtercharakteristik an der Grenzfrequenz ausreichend scharf ist, so "BLeibt dieser Effekt auf ein sehr schmales Frequenzband beschränkt und sollte durch die Verminderung der Intensität im Hauptdurchlaßband mehr als kompensiert sein .

Es-ist jedoch zu bemerken, daß deshalb, weil es erforderlich

Ί + b
ist, eine Zeitverzögerung · zwischen der Signalab-

C V, I H- LlJ

tastung und dem Betrieb der Quellen einzuführen, effektiv ein Vorauseilen der Zeit erreicht wurde, und dadurch wird es möglich, Filter mit einer wesentlich besseren Gewinn/Phasen-Oharakteristik zu bauen als es üblicherweise der Fall ist. Dieses Vorauseilen kann weiterhin dazu verwendet werden, irgendeine unerwünschte Charakteristik im Frequenzgang der Detektoren oder Quellen zu kompensieren. Der letzte Punkt" ist sehr wichtig, das Hauptsystem ist nämlich eine offene Kette, und die Beibehaltung der Phase des ermittelten Signals ist wesentlich, wenn eine genaue Dämpfung erreicht werden soll.

In der Praxis würde man wohl stromabwärts ein gewisses Maß an Überwachung oder Steuerung des endgültigen Ausgangs vorsehen. Für Frequenzen, die weit unter der Grenzfrequenz nJ liegen, wären die Phasenverzögerungen, die bei der stromabwärtigen Abtastung auftreten würden, sehr gering, und der Transversalmodus wäre in einer Entfernung von etwa demßohr-. durchmesser exponentiell abgefallen, so daß sich in dieser Entfernung stromabwärts Detektoren anbringen ließen und eine

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genaue Überwachung des Restfeldes möglich wäre. Für höhere Frequenzen .wäre dies nicht möglich, es könnte jedoch irgendeine Form der Optimalisierung verwendet werden, um bestimmte Parameter des Systems zu verändern und damit eine maximale Verminderung in der Intensität zu erreichen.

Die oben beschriebene Technik könnte auf die Steuerung einer endlichen Anzahl von höheren Transversalmodus-Fällen angewandt werden, so daß die oberen Frequenzgrenzen angehoben werden könnten.

Es läßt sich leicht zeigen,, daß für eine gleichförmige Strömung in einer Führung die Probleme der Abtastung und der Erzeugung eines vorgegebenen Modus komplementär sind, und dies ist eine unmittelbare Folgerung aus dem reziproken Green'sehen Theorem. Somit ist es lediglich erforderlich, das Problem der Erzeugung eines vorgegebenen Modus zu betrachten, und das Problem der Abtastung dieses Modus wird automatisch gelöst, wenn derselbe Bereich von Detektoren gewählt wird wie bei den Quellen.

Wenn ein Transversalmodus unter einer vorgegebenen Grenzfrequenz

ijj ρ betrachtet wird, so nimmt er die Form einer endlichen Anzahl von Ausbreitungsmodus-Arten an, welche eine unterschiedliche winkelmäßige Abhängigkeit in bezug auf die Achse der Führung aufweisen. Jedem dieser Typen von winkelmäßiger Abhängigkeit entsprechend gibt es eine vorgeschriebene Anzahl von radial abhängigen Modusarten. Die Gesamtzahl der Modusarten läßt sich mathematisch beschreiben durch die Funktion

^COsn9 ¹H)* ^{± k}nm^x)

J die Bessel-Funktion der Ordnung η ist, r die radiale Abhängigkeit ist,

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θ die.winkelmäßige Abhängigkeit,

k die geeignete Moduswellenzahl ist und

η und m ganze Zahlen sind wie η ( N(Up)

und wobei weiterhin die m-te Nullstelle der ersten Ableitung von J_n gleich f~ λ_ηΐη ist,

wobei R der Führungsradius und c_Q die Schallgeschwindigkeit sind.

Wenn man N + 1 gleichförmig in einem Ring verteilte Quellen nimmt, die jeweils eine Amplitude von cos η θ aufweisen und in der Phase gesteuert sind, so werden nur die Modusarten J ( η m ^rJ ^{cos n}o erzeugt und die sich nicht ausbreitenden Modusarten mit der Abhängigkeit cos ρθ, ρ, ρ ^ N. Wenn man darüberhinaus 2M von solchen Ringen nimmt, so sollte es möglich sein, allgemein äie entsprechenden 2M Gleichungen zu erfüllen, was

ο
zu einem stromaufwärtigen Ausgang von null führt und zu strom-

abwärtigen Ausgängen von der erwünschten Amplitude, und zwar für

jeden der Modusarten J (λ r) cos η θ.

ο ο

Man könnte gleichzeitig denselben Satz der Quellen mit einer Amplitude cos η ¹Q betreiben, und man könnte auf diese Weise

den Satz von Modusarten ^_η'_ο(λ_η t_m-c) cos η 'θ erzeugen. Um so-

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mit Modusarten von verschiedener Θ-Abhängigkeit zu erzeugen, ist es nicht erforderlich, verschiedene Ringen von Quellen zu verwenden: man kann denselben Satz von Ringen verwenden und die verschiedenen θ-abhängigen Eingänge überlagern. Somit sollte man durch Verwendung von insgesamt (2M) Ringen von Quellen

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in der Lage sein, eine Steuerung von allen sich ausbreitenden Modusarten für Frequenzen unterhalb von t*J ρ zu erreichen. Es gibt jedoch Frequenzen, für welche der Ausgang des Bereiches für einen beliebigen vorgegebenen Modus gleich null ist, und

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zwar in der gleichen Weise, wie es sich im lalle von zwei Quellenringen in dem Problem der ebenen Welle gezeigt hat. Somit ist es in der Praxis erforderlich, einige zusätzliche Ringe vorzusehen, um diese "toten" Flecken zu überdecken.

Folglich ist hervorzuheben, daß der grundsätzliche Vorteil, den ein solches System gegenüber einem herkömmlichen passiven Verfahren der Steuerung aufweisen würde, in der kurzen Strecke liegt, die zur Dämpfung des Schallfeldes erforderlich ist. Für Schmalbandlärm (2 Oktaven) könnte ein 2-Quellen/2-Detektoren-System verwendet werden, und für tiefe Frequenzen brauchten die Detektoren nicht viel weiter als um einen Rohrdurchmesser stromaufwärts von den Quellen angeordnet zu sein. Somit braucht die zur Abtastung und Absorntion des Feldes erforderliche Gesamtlänge nicht viel größer zu sein als ("1 - M)x -p Wellenlängen.

Zwei praktische Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind in den Fig. 10 und 11 dargestellt.

Diese beiden Ausführungsformen beziehen sich auf die Verminderung des Lärms bei Flugzeug-Strahltriebwerken, denen eine wesentliche Bedeutung zukommt.

Die Fig. 10 zeigt in schematischer Darstellung ein typisches Bypass-Strahltriebwerk. Der Lärm eines derartigen Triebwerks rührt sowohl von dem Bereich vor dem Kompressor als auch aus dem Bereich hinter dem Kompressor her, und zwar auch aus den Brennkammern und der Turbine. Somit sind an einem Einlauf 10 d'es Triebwerks drei Bereiche 11, 11a und 11b von Schallquellen angeordnet, die jeweils aus drei Lautsprechern bestehen, welche äquidistant um den Kreisquerschnitt des Lufteinlaufs angeordnet sind. Drei ähnliche Bereiche von Mikrophonen 12, 12a und 12b sind benachbart zu dem Kompressor 15 des Triebwerks angeordnet.

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Die Längsanordnung der Lautsprecherbereiche 11, Ha und 11b sowie- diejenige der Mikrophonbereiche entspricht den Berechnungen, welche der Dämpfung der sich transversal· ausbreitenden Wellen Rechnung trägt, wie sie oben in der Beschreibung diskutiert wurde. Dies, ist deshalb so vorgesehen, weil das Schallfeld, welches am vorderen Ende eines Strahltriebwerkes erzeugt wird, sich in Wellen ausbreitet, die vorherrschend von dieser Art sind. Somit werden die Ausgänge der Mikrophonbereiche 12, 12a und 12b verstärkt, in geeigneter Weise verzögert und dazu verwendet, die vorderen Lautsprecherbereiche zu betreiben. Derjenige Schall, der vom rückwärtigen Ende des Triebwerks kommt, enthält einen wesentlich höheren Anteil von sich longitudinal ausbreitenden Schallwellen. Somit sind am rückwärtigen Ende des Triebwerks drei Bereiche 14, 14-a und 14-b von Schallquellen angeordnet, die jeweils aus drei Lautst>rechern bestehen, die äquidistant um den kreisförmigen Querschnitt des Triebwerks herum angeordnet sind. Drei ähnliche Bereiche von Mikrophonen 15) 15a und 15b sind stromaufwärts in der Richtung der Schallausbreitung angeordnet und sind in derselben Konfiguration räumlich angeordnet wie die Lautsprecher der Lautsprecherbereiche. Wie bei dem vorderen Ende des Triebwerkes, so werden auch hier die Ausgänge der Mikrophonbereiche verstärkt, in geeigneter V/eise verzögert und dazu verwendet, die Lautsprecher zu betreiben. Natürlich ist die Schallvermiiiderung während des Starts und der Landung am bedeutsamsten, und die Einrichtung muß während des normalen Fluges nicht betrieben werden.

Die in der Fig. 11 dargestellte Ausführungsform betrifft die Dämpfung des Niederfrequenzanteils des Düsenaustrittslärms während des Versuchs am Boden. Dieser Lärm.stört insbesondere die Anwohner im näheren Umgebungsbereich, da er wahrscheinlich von wesentlich größerer Dauer ist als der Lärm, der während der Landung und des Starts eines Flugzeuges auftritt.

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In der Ausführungsform der Fig. 11 ist an das Triebwerk 21 ein herkömmlicher Schalldämpfer 22 angeschlossen.. Derartige Schalldämpfer sind äußerst unwirksam bei der Bekämpfung des Niederfrequenzanteils des Triebwerk-Abgaslärms. Der Schalldämpfer 22 weist einen rechteckigen Querschnitt auf, und an ihm sind drei Bereiche von Detektoren oder Mikrophonen 23', 23" befestigt, wobei jeder Bereich, aus vier Mikrophonen gebildet ist, die symmetrisch um die Wände der Führung herum angeordnet sind, wie aus dem Querschnittsdiagramm der Fig.3b ersichtlich ist. Drei ähnliche Bereiche von Lautsprechern 24-sind stromabwärts von der Richtung der Schallwellen_ausbreitung angeordnet und werden, durch geeignete Verstärkungs- und Verzögerungsschaltungen betrieben, die bei 25 dargestellt sind, um destruktiv mit dem longitudinalen Schallfeld zu interferieren, welches sich entlang dem Schalldämpfer 22 ausbreitet.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

/Ί J Verfahren zur Dämpfung eines sich longitudinal ausbreitenden Schallfeldes in einer Führung, bei welchem von einer Vielzahl von Schallgeneratoren Schallwellen derart erzeugt werden, daß die erzeugten Schallwellen destruktiv mit den zu dämpfenden Schallwellen interferieren, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schallgenerator eine Vielzahl von Schallquellen aufweist und daß die Schallgeneratoren longitudinal • auf Abstand in bezug auf die Achse der Ausbreitung des Schallfeldes angeordnet sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu dämpferife Schallwelle durch eine Vielzahl von Mikrophonen abgetastet wird, die auf den Wänden der Führung angebracht sind.
3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ebenso viele Mikrophone wie Schallquellen vorgesehen sind, und daß die Mikrophone zueinander derart angeordnet sind, daß die relative räumliche Konfiguration der Mikrophone dieselbe ist wie die relative räumliche Konfiguration der Schallquellen.
4. Vorrichtung zur Dämpfung eines sich longitudinal ausbreitenden Schallfeldes in einer Führung durch Erzeugung von Schallwellen, die destruktiv mit dem zu dämpfenden Feld interferieren, wobei eine Vielzahl von Schallgeneratoren vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallgeneratoren long-tudinal in bezug auf die Ausbreitungsachse des zu dämpfenden Schallfeldes angeordnet sind und daß jeder Schallgenerator eine Vielzahl von Schallquellen aufweist, die zu den Wänden der Führung benachbart angeordnet sind.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallgeneratoren longitudinal auf einem Abstand von etwa einem Viertel einer Wellenlange des zu dämpfenden Schalles angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schallgenerator drei Schallquellen aufweist, die symmetrisch um die Wände der Führung herum angeordnet sind.
7·. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß drei Schallgeneratoren vorgesehen sind, von denen ,jeder drei Schallquellen aufweist, die symmetrisch um die Wände der Führung herum angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Mikrophonen neben den Wänden der Führung stromaufwärts in bezug auf die Ausbreitung des zu dänrofenden Schallfeldes angeordnet sind und daß eine Einrichtung zum Betreiben der Schallquellen in Reaktion auf die Signale von den Mikrophonen vorhanden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Mikrophone gleich der Anzahl der Schallquellen ist, daß die Mikrophone in derselben Konfiguration und in derselben räumlichen relativen Anordnung wie die Schallquellen des Schallgenerators angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung einen rechteckigen ~)uerschnitt aufweist und daß jeder Schallgenerator vier in bezug auf die Wände der Führung symmetrisch angeordnete Schallquellen aufweist.

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11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9» dadurch g ek e nn ζ e i chn et, daß drei Bereiche von Schallgeneratoren vorgesehen sind und daß der äußerste Bereich um etwa ein Viertel einer Wellenlänge des zu dämpfenden Schalls entfernt angeordnet ist.

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