DE2814093C2

DE2814093C2 - Antischallgeber

Info

Publication number: DE2814093C2
Application number: DE2814093A
Authority: DE
Inventors: Oskar Dipl.-Ing. Dr. 8000 Muenchen Bschorr
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1978-04-01
Filing date: 1978-04-01
Publication date: 1980-05-14
Also published as: FR2421527A1; GB2019695B; DE2814093B1; GB2019695A

Description

H =

Die Erfindung betrifft einen Ahfischällgebef zürn aktiven Auslöschen Von unerwünschten Schallfeldern Durch eine aktive Regelung kann jedoch sowohl die wirküaffle Membranmasse als auch die Fedefsteifigkeil und die Dämpfung verkleinert und theoretisch auch zu Μ Null gemacht Werden* Dies erfolgt dadurch, daß auf die Membranmasse eine geeignete Steuerkraft einwirkt. Diesi» kariri in bekannter Weise über die Tauchspule eingeleitet werden Um z. B, die mitschwingende

Membranmasse m zu eliminieren, ist diese Steuerkraft S_m(t)

S„(t)= -mx(t)

Die Erzeugung einer solchen zeitlich veränderlichen Steuerkraft ist grundsätzlich kein Problem: Sie ist direkt proportional zur Membranbeschleunigung x"(0- Diese kann mit einem geeigneten Sensor entweder direkt oder durch zeitliches Differenzieren des Geschwindigkeitssignals x'(0 oder durch zweimaliges Differenzieren des Wegsignals x(t) ermittelt werden. Für Realzeitdifferentiation gibt es geeignete elektronische Schaltungen.

Um die Federsteifigkeit c auszuschalten, lautet die Steuerkraft SJt)

S_c(t)=-cx(t)

Die Steuerkraft Sk(O ^zur Ausschaltung der Lautsprecherdämpfung flautet analog

= -kx(t)

Um die Anordnung schwingungsstabii zu halten, ist es jedoch zweckmäßig, die Dämpfung — wenn überhaupt, dann nur teilweise — zu kompensieren.

Im allgemeinen Fall kann die Schwingungsgleichung der Membran komplizierter sein. Unabhängig davon läßt sich die Bewegung jeweils als Überlagerung von einläufigen Schwingern mit obiger Grundgleichung zurückführen. Dazu sind in bekannter Weise jeweils die reduzierte Masse, die reduzierte Dämpfung und die reduzierte Federung zu bilden. Diese können dann vollkommen analog dem oben beschriebenen Verfahren durch entsprechende Steuerkräfte kompensiert werden.

Sind Crcm, mRcs, bzw. £r_cm die nach der Kompensation noch verbleibende Restfederung, Restmasse bzw. Restdämpfung, so ist die Flußimpedanz W_kump des kompensierten Systems, des Antischallgebers:

Für den Einsatz zur Lärmreduzierung sind insbesondere zwei Crundeinstellungen von Flußimpedanzen vorteilhaft. Im ersten Fall soll ein Maximum an Schallenergie absorbiert werden. Dazu wird der Realteil der Flußimpedanz in an sich bekannter Weise an die Resistanz der Umgebung angepaßt und der Imaginärteil möglichst zu Null gemacht. Im zweiten Auslegungsfali soll ein Opt.mum an Schalldämmung erreicht werden. Dazu wird sowohl der Real- als auch der Imaginärteil der Flußimpedanz des Antischallgebers möglichst Hein gemacht.

Nach einem weiter ausgestaltenden Merkmal der Erfindung ist es vorteilhaft, jeweils nur eine Größe zu kompensieren und die anc'ere durch entsprechende Konstruktion möglichst klein zu halten. Insbesondere kann bei einer elektrostatisch betriebenen Membran diese extrem leicht gemacht werden, so daß deren Massenträgheit außer Betracht gelassen werden kann und lediglich die Federsteifigkeit c durch eine Steuerkraft

sjt)- -cx(t)

kompensiert wird. Analog ist es bei Systemen mit Vernachlässigbarer Federsteifigkeit, bei denen lediglich die mitschwingende Masse m noch mit einer Steuerkraft

S_m=mx"(t)
eliminiert zu werden braucht.

Im Rahmen der Erfindung wird nicht die gesamte Masse bzw. Federsteifigkeit kompensiert, sondern nur ein Teil. Dadurch sind die notwendigen Steuerkräfte herabgesetzt. Außerdem ist die Schwingungsstabilität höher.

Nach einem weiter ausgestaltenden Merkmal der Erfindung wird für die Membran eine elektrodynamische Dämpfung über ein Magnet/Tauchspulsystem verwendet und das dabei abgegebene Stromsignal zur Steuerung benutzt

Es kann weiter von Vorteil sein, wenn mittels bekannter Hoch- bzw. Tiefpaßfilter die nicht interessierenden Frequenzanteile, z. B. der Infraschall und der Ultraschall, abgefiltert werden.

Fig. 1 zeigt einen elektrostatischen Antischallgeber, der aus einer dünnwandigen Membran 1, die mit einem Gehäuse 2 ein Luftvolumen 3 abschließt, besteht Ein kapazitiver Wegmesser 4 ermittelt den zeitlichen Verlauf der Auslenkung x(0 der Membran und leitet dieses Signal an ein Steuerglied 5 weiter. Das Steuerglied 5 gibt an eine Gitterelektrode 6 eine dem xftJ-Signal proportionale Spannung ab. Der Proportionalitätsfaktor ist dabei so gewählt, daß die zwischen Membran 1 und Elektrode 6 wirkende Steuerkraft

Sc = CX(O

ist wobei cdie zu kompensierende Federkonstante von Membran 1 und Luftvolumen 3 ist Durch zweimaliges Differenzieren des Af(i,7-Signals im Steuerglied 5 ist es möglich, das Beschleunigungssignal x"(t) zu errechnen, mit dem dann auch die Membranmasse m durch eine Steuerkraft

3, S40 mx (0

eliminiert werden kann.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 stellt einen Antischallgeber mit elektrodynamischem Stellglied dar. Außerdem ist eine Konstruktion mit vernachlässigbaren Federkonstanten gewählt. Dazu ist die Membran 11 eine biegesteife Platte, die von einem Gehäuse 12 gehalten ist und nach außen durchgebogen (ausgebeult) ist. Aus der Knick- und Beultheorie ist bekannt, daß ein solches Element bei entsprechender Vorbelastung eine

•r> minimale Federkonstante aufweist. Die Vorbelastung wird dadurch aufgebracht, daß das von Membran 11 und Gehäuse 12 umschlossene Volumen 13 evakuiert ist. Über einen Beschleunigungsmesser 14 wird die Beschleunigung χ'(O der Membran 11 aufgenommen und damit über ein Steuerglied 15 eine Steuerkraft

S_m(0= -mx"(0

mittels eines Magnet/Tauchspulsystems 16 auf die Membran 11 aufgebracht. Eine solche Steuerung kompensiert die Masse zu der Membran 11. Mit einer zweimaligen Integration von χ (0 erhält man das Wegsignal x(0, mit dem in F i g. 1 beschriebener Weise auch eine Federkon tante aufgeschaltet werden kann,
bo Im weiteren ist es möglich, anstelle des Beschleunigungsmessers 14 mittels des Magnet/Tauchspulsystems 16 das Geschwindigkeitssignal x'(0 aufzunehmen und darauf durch Integration x(t) und durch Differentiation x"(t) zu errechnen. Mit diesen Signalen können dann t>5 Federsteifigkeit c und Masse m der mitschwingenden Membran 11 kompensiert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Antischallgeber zum aktiven Auslöschen von unerwünschten Luftschallfeldern mittels gesteuerter Interferenz in Form eines elektrischen Regelsystems mit einem elektrischen Schallsensor und einem Lautsprecher als Schallquelle, die von dem Sensor so gesteuert wird, daß in den Bereichen des Antischallgebers Druckkonstanz (Stille) herrscht, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Sensormembran (1, 11) und Schallquelle sind identisch;

b) mit der Membran (1, 11) ist eine Meßeinrichtung (4,14) zum Ermitteln des augenblicklichen Bewegungszustandes der Membran in Form der Auslenkung x(t), der Geschwindigkeit x'(t) und der Beschleunigung x"(t) verbunden;

c) ein Steue-glied (5, 15) übt über einen Kraftgeber (6, tS/ eine Steuerkraft auf die Membran aus;

d) die Steuerkraft ist zur Kompensation der Membranmasse S_m(t)~x"(t), zur Kompensation der Membranfederung S_c(t)~x(t) und zur Kompensation der Eigendämpfung Sk(t)~x'(t) geregelt.

2. Antischallgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkung x(t) einer ■lassearmen Membran (1) durch einen Weggeber (4) ermittelt wird < id mittels eines Steuergliedes (5) und einer Gitterelektrode (6) auf Hie Membran einer Steuerkraft 5Ί — —cx(t) eingeleitet wird, um damit die Federsteifigkeit der Membran 'H) zu kompensieren.

3. Antischallgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Sensor (14) die Bewegung einer Membran (11) ermittelt wird und iber ein Magnet/Tauchspulsystem (16) Steuerkräfte tür Kompensation von Masse und Federkonstante der Membran (11) kompensiert werden.

4. Antischallgeber nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Membran des Antischallgebers angetriebene Tauchspule mittels eines Magneten als elektrischer Generator ausgebildet wird und diese Leistung zum Betreiben des Reglers und des Kraftgebers eingesetzt wird.

5. Antischallgeber nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Optimierung der Schallabsorption eines Antischallgebers dessen Imaginärteil durch Kompensation seiner Membranmasse und seiner Federsteifigkeit möglichst klein «nd dessen Realteil der Flußimpedanz an die Resistanz der Umgebung angepaßt ist.

6. Antischallgeber nach den Ansprüchen I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Optimierung der Schalldämmung eines Antischallgebers durch Kompensation seiner Membranmasse, seiner Federsteiligkeit und seiner Dämpfung dessen Real- und Imaginärteil der Flußimpedanz möglichst klein gemächt wird,

mittels gesteuerter Interferenz in Form eines Regelsystems, bestehend aus Schallsensor und Schallquelle, beispielsweise Lautsprecher, der von dem Sensor so gesteuert wird, daß in den Bereichen der Schallfelder Druckkonstanz herrscht, was Stille bedeutet

Wegen einer Reihe von Schwierigkeiten konnte sich diese aktive Schallauslöschung bis jetzt nicht in der Praxis durchsetzen. Einmal ist eine solche Mikrofon-, Lautsprecher- und Regler-Anordnung relativ aufwendig

ίο und teuer. Vor allem sind die Frequenz- und Phasengänge der Lautsprecher sehr differenziert, was ein entsprechend kompliziertes Entzerrnetzwerk bedingt Nicht zuletzt sind aufwendige elektronische Vorkehrungen zu treffen, um eine Rückkopplung von Sensor und Lautsprecher auszuschalten, wie dies beispielsweise in dem Artikel »Electronic Sound Absorber« der Zeitschrift »The Acoustical Society of America«, VoI 25, Nr. 6, 1953, Seiten 1130 bis. 1136, aufgezeigt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antisehallgeber der eingangs genannten Art zu schaffen, der die vorgenannten Nachteile beseitigt und in Aufbau und Funktion eine wesentliche Verbesserung erbringt.

2Ί Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Patentansprüchen niedergelegt und in der Beschreibung eingehend erläutert, die Zeichnungen zeigen in schematischer Darstellung die beschriebenen Ausführungsbeispiele. Hierbei stellt

jo F i g. 1 einen elektrostatischen Antischallgeber und

F i g. 2 einen elektrodynamischen Antischallgeber dar.

Zur einfacheren Beschreibung soll als Antischallgeber eine konventionelle Lautsprecherbox mit einem elek-

j) trodynamischen Lautsprecher zugrunde gelegt werden. Die mitschwingende Masse der Lautsprechermembran sei m. die durch Einspannung und Luftfederung hervorgerufene Federkonstante sei c. Im weiteren sei jt die geschwindigkeitsproportionale Entdämpfung des Lautsprechers. Die zeitabhängige Auslenkung der Membran von der Nullage sei mit x(t) bezeichnet. x'(t) und ;r"(?^sind Geschwindigkeit und Beschleunigung der Membran jeweils zur Zeit t. Ein auf die Membran auftreffender Schalldruck p(t) versetzt die Membran in

4"i erzwungene Schwingungen. Die Gleichung für diese Schwingungsbewegung lautet bekanntlich (F = Fläche der Membran)

m x"(t) + L x'(t) + c\(t) = F ■ p(t)

Da. die Membranmasse m aus Festigkeitsgründen relativ groß ist und auch im Interesse eines kleinen Bo'volumens die Federsteifigkeit c hoch ist, ist die erzwungene Schwingbewegung der Membran entsprechend gering. Ein solcher Schwinger weist so eine

>5 entsprechend hohe Flußimpedanz W auf. Für das beschriebene Ersatzsystem ist diese in Abhängigkeit der Kreisfrequenz