DE29804584U1

DE29804584U1 - Aktiver akustischer Resonator zur Lärmminderung

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Publication number: DE29804584U1
Application number: DE29804584U
Authority: DE
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1997-03-18
Filing date: 1998-03-17
Publication date: 1998-05-14
Anticipated expiration: 2008-03-18
Also published as: US6151396A

Description

16.03.1998
11997 GM

Ellerich/Th

Aktiver akustischer Resonator zur Lärmminderung

Die Erfindung betrifft einen aktiven akustischen Resonator zur Lärmminderung gemäß dem Oberbegriff des Schutzanspruches 1.

Ein derartiger akustischer Resonator bzw. Antischallgeber ist aus der DE-PS 28 14 093 bekannt. Der dort beschriebene akustische Resonator besteht im wesentlichen aus einem eine Membran aufweisenden Schallgenerator, einem Sensor zur Messung der Membranbewegung, einem Aktuator zum Antrieb der Membran sowie einem das Meßsignal des Sensors aufnehmenden und Stellsi-gnale für den Aktuator erzeugenden Regler.

Ein Hauptnachteil dieses bekannten akustischen Resonators besteht darin, daß eine einfache Einstellung bzw. automatische Nachführung der Arbeitsfre-quenz bezüglich einer zumindest näherungsweise bekannten Störfrequenz dort nicht möglich ist. Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Beseitigung die-ses Nachteils.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Schutzanspruches 1 enthaltenen Merkmale gelöst. Weitere Ausbildungen der Erfindung sind durch die Schutzansprüche 2 und 3 gegeben.

Ganz allgemein können akustische Resonatoren in vielfältiger Weise zur Dämmung und Dämpfung von Schall eingesetzt werden. Passive Resonatoren benötigen insbesondere bei tieffrequenten Anwendungen ein sehr großes Bauvolumen. Weiterhin sind alle Parameter konstruktiv festgelegt. Das Konzept des aktiven Resonators erlaubt dagegen die einfache Anpassung aller wesentlichen Parameter ohne konstruktive Änderungen und ermöglicht auch noch im Betrieb deren Anpassung an die jeweiligen Betriebsbedingungen. Gegenüber sonstigen Anordnungen zur aktiven Geräuschminderung zeichnet sich der aktive Resonator durch einen einfachen Aufbau aus, da kein Mikrofon benötigt wird.

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Der grundsätzliche Aufbau eines aktiven Resonators ist in Fig. 1 dargestellt. Ein Gehäuse 1 wird nach außen hin durch eine schwingungsfähige Membran 3 abgeschlossen. Diese kann durch einen Aktuator 2 in Bewegung versetzt werden, wobei ein Sensor 4 zur Messung der Membranbewegung (Geschwindigkeit oder Beschleunigung) vorgesehen ist. Weiterhin ist eine elektronische Regelungseinrichtung, nämlich ein Regler 5, vorhanden, der das Meßsignal des Sensors 4 als Eingangssignal empfängt. Dieser Regler 5 steuert mittels seines Ausgangssignales den Aktuator 2, der zusammen mit der Membran 3 einen Schallgenerator bildet. Als Eingangssignal für den Regler 5 können, je nach Meßprinzp des Sensors 4, die Membranauslenkung x, die Membrangeschwindigkeit &khgr; oder die Membranbeschleunigung &khgr; dienen. Angedeutet sind in Fig. 1 noch als weitere Parameter der Membranschwingung eine Dämpfungskonstante d sowie eine Federkonstante c.

Ein regelungstechnisches Blockschaltbild dieses aktiven Resonators ist in Fig. 2 dargestellt. Die einzelnen Blöcke sind durch Transferfunktionen, d.h. das Übertragungsverhalten im Frequenzbereich, charakterisiert. Der Schallgene-rator ist durch zwei Transferfunktionen beschreibbar, welche einmal das Übertragungsverhalten zwischen der Membranbewegung und dem auf die Membran wirkenden Schalldruck wiedergeben, und zum anderen dasjenige zwischen der Membranbewegung und dem Anregungssignal fur den Aktua-torteil, nämlich der Steuerspannung U. Die erste Übertragungsfunktion Fp transferiert demnach den resultierenden Schalldruck p_r in einen ersten Anteil der Membranbewegung. Die zweite Übertragungsfunktion F₁J transformiert die Steuerspannung U in einen zweiten Anteil der Membranbewegung. Beide Anteile summieren sich zu der resultierenden Membrangeschwindigkeit v. Das dieser Geschwindigkeit entsprechende Meßsignal wird dem Regler 5 zugeführt, dessen Übertragungsfunktion durch F_R gegeben ist. Dieser wiederum erzeugt als Ausgangssignal die Steuerspannung U. Die Membrangeschwindigkeit &ngr; bewirkt über die umgebende Luft einen Druckanteil p_L, welcher dem von außen einwirkenden Schalldruck &rgr; entgegenwirkt, woraus schließlich der unmittelbar auf die Membran einwirkende, resultierende Druck p_r folgt. Die Beziehung zwischen der Membrangeschwindigkeit

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&ngr; sowie dem durch diese hervorgerufenen Druckanteil p_L wird durch die Impedanz Z_L der Luft repräsentiert.

Die Impedanz Z des aktiven Resonators ist gegeben durch die Transferfunktion zwischen dem resultierenden Schalldruck p_r und der Membrangeschwindigkeit v, gemäß der folgenden Gleichung (1):

F_p

Die der rechten Teilgleichung entsprechende Beziehung ist unmittelbar aus der Fig. 2 ablesbar. Die Schalldruckverminderung p_r /p ergibt sich somit zu:

(2) Ul =

&rgr; 1 + F_pZ_L - FuFr Z_l + Z

Diese Gleichung zeigt, daß die Impedanz Z des aktiven Resonators möglichst kleiner sein sollte als die Impedanz Z_L der Luft, um merkliche Schalldruckverminderungen zu erreichen. Im Falle der Gleichheit von Z und Z_L wird der Schalldruck um 6 dB reduziert, und ein Maximum der Absorption ist erreicht.

Aus Gleichung (1) folgt für die Transferfunktion F_R, welche eine gewünschte Impedanz Z erzeugt, der folgende Ausdruck:

(3) F_R= -L(l-F_pZ)

Da die Impedanz Z des aktiven Resonators von der Impedanz Z_L der Luft unabhängig ist, so ist die Transferfunktion F_R des Reglers 5 durch die Eigenschaften des Schallgenerators (F_p, Fu) und die gewünschte Impedanz Z vollständig definiert.

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Die Erfindung geht nun von dem Gedanken aus, den aktiven Resonator mit einer einstellbaren Resonanzfrequenz zu versehen. Hierzu muß die gewünschte Impedanz Z bei einer gewissen, gewünschten Frequenz f₀ ein Minimum aufweisen. Für Z kann also folgende Form gewählt werden:

(4) Z = 5t

wobei F_n mit der Laplace-Variablen s durch den folgenden Ausdruck gegeben ist:

&khgr;&tgr;

Wird d_z sehr klein gegenüber d_N gewählt, so weist F_n wie gewünscht ein Minimum bei der Resonanzfrequenz f₀ auf. Die Transferfunktion des Reglers 5 nimmt dann die folgende einfache Form an:

Erfindungsgemäß ist die Übertragungsfunktion F_R des Reglers 5 also einem Quotienten gleich oder mindestens proportional, dessen Zähler F_BP das Übertragungsverhalten eines Bandpasses mit variierbarer Mittenfrequenz f₀ besitzt, und dessen Nenner durch die Übertragungsfunktion F₁J des Aktuators 2 gegeben ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen näher erläutert. Insgesamt zeigen in schematischer Weise:

Fig. 1 den allgemeinen Aufbau eines aktiven Resonators,
Fig. 2 ein dazugehöriges Blockschaltbild,

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Fig. 3 das Blockschaltbild eines aktiven akustischen Resonators gemäß der Erfindung,

Fig. 4 das Schaltbild eines gemäß der Erfindung im Regler verwendeten Bandpaßfilters.

Fig. 3 entspricht bis auf die Gestaltung des Reglers 5 dem Blockschaltbild gemäß Fig. 2. Die Transferfunktion F_R des Reglers 5 nimmt hier die in Gleichung (6) rechts dargestellte Form an. Dort kommt noch ein Proportionalitätsfaktor K, realisiert durch einen Verstärker 6, hinzu, so daß sich die Transferfunktion F_R des Reglers 5 wie folgt darstellt:

(7) F_R= -^tFbp, 0<K<

F_BP repräsentiert hierbei einen Bandpaß mit der Mittenfrequenz f₀, wobei gilt: F_BP (j2nf₀) = 1. Der Quotient 1/F₁J* stellt eine Approximation von 1/Fy dar. Durch Einsetzen der Gleichung (7) in die Gleichung (3) ergibt sich somit als Impedanz Z* des aktiven akustischen Resonators der Ausdruck:

(8) Z* =

^Fp

Die Impedanz Z* des aktiven akustischen Resonators gemäß der Erfindung wird damit am stärksten an der Arbeitsfrequenz f₀ abgesenkt, nämlich auf den Wert (K-1)/F_p (jlnfo). Für K=I ergibt sich als Extremfall bei der Arbeitsfrequenz fo für die Impedanz Z* der Wert 0.

Die exakte Realisierung des inversen Übertragungsverhaltens von ¥_&ugr; ist im allgemeinen nicht möglich. Für typische Schallwandler, wie elektrodynamische und elektrostatische Lautsprecher, ist es allerdings immer möglich, fur einen bestimmten Frequenzbereich eine realisierbare Filterfunktion zu bilden, die 1/Fy sehr gut approximiert. Besonders wichtig ist dabei, daß der Phasen-

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fehler der Approximation so gering als möglich ist. Vorteilhaft ist es, den Schallwandler so auszulegen, daß dessen Resonanzfrequenz im Bereich der gewünschten Arbeitsfrequenzen liegt.

Durch die Verwendung eines Bandpasses, bei dem die Mittenfrequenz einer vorgegebenen Sollfrequenz nachgefühlt wird, erhält man somit einen aktiven akustischen Resonator, dessen Arbeitsfrequenz auf einfache Weise einer Störfrequenz nachgefühlt wird.

Für praktische Anwendungen sollte es möglich sein, die Resonanzfrequenz des aktiven akustischen Resonators innerhalb gewisser Grenzen direkt einstellen zu können. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß die Mittenfrequenz f₀ des erwähnten Bandpaßfilters durch ein externes Signal beeinflußt wird. Dies ist in Fig. 3 durch den von oben in den Block für F_BP einlaufenden Pfeil angedeutet. Weiterhin kann die Impedanz des aktiven akustischen Resonators mit Hilfe der Reglerverstärkung bzw. des Proportionalitätsfaktors K beeinflußt werden, wie aus Gleichung (8) ersichtlich.

In Fig. 4 ist eine Möglichkeit angegeben, wie die Einstellbarkeit der Mittenfrequenz fo verwirklicht werden kann. Die dargestellte Schaltung stellt ein Band-paßfilter dar, an dessen links dargestelltem Eingang gemäß Fig. 3 das Geschwindigkeitssignal &ngr; ansteht, und dessen rechts dargestellter Ausgang ein Signal abgibt, welches noch mit der Transferfunktion 1/F₁J* sowie dem Verstärkungsfaktor K zu beaufschlagen ist. Das Eingangssignal gelangt zunächst zu einem Summationsglied 7, in dem ein Rückführsignal subtrahiert wird, welches dem mit dem Verstärkungsfaktor k beaufschlagten Ausgangssignal entspricht. Das so gebildete Summensignal durchläuft anschließend zwei parallele Vorwärtszweige, in denen jeweils ein erstes Multiplikationsglied 8, 11, ein Integrator 9, 12 sowie ein zweites Multiplikationsglied 10, 13 einander nachgeordnet sind. Die Ausgänge dieser beiden Vorwärtszweige laufen in einem weiteren Summationsglied 14 zusammen, in welchem schließlich ein Ausgangssignal gebildet wird. Wie bereits erwähnt, wird dieses in einem Ver-stärkungsglied 15 mit dem Verstärkungsfaktor k beaufschlagt und auf den Eingang, d.h. das Summationsglied 7, rückgekoppelt. In

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den Multiplikations-gliedern 8, 11 des ersten Vorwärtszweiges wird eine mit der Frequenz f = f₀ zeitlich veränderliche Sinusfunktion aufgeschaltet, in den Multiplikationsgliedern 11, 13 des zweiten Vorwärtszweiges eine entsprechende Cosinusfunktion. Hiermit ist ein Bandpaßfilter verwirklicht, bei dem die Mittenfrequenz f₀ durch Eingriff von außen gezielt verändert werden kann . Die Bandbreite des Bandpasses kann mit dem Verstärkungsfaktor k eingestellt werden. Die Band-breite des aktiven akustischen Resonators ist eine Funktion der Bandbreite des Bandpasses. Etwaige Amplitudenfehler in der Approximation von 1/Fu, die man z.B. zugunsten eines geringen Phasenfehlers in Kauf nimmt, kann man bei einem Regler mit Bandpaß gemäß Fig. 4 durch eine frequenzabhängige Verstärkung kompensieren, d.h. K = K (f₀).

Der gesamte Regler kann sowohl mit analoger als auch mit digitaler Hardware oder gemischt analog-digital realisiert werden.

Claims

16.03.1998 11997 GM Ellerich/Th Aktiver akustischer Resonator zur Lärmminderung Schutzansprüche

1. Aktiver akustischer Resonator zur Lärmminderung, mit einem eine Membran aufweisenden Schallgenerator, einem Sensor zur Messung der Membranbewegung, einem Aktuator zum Antrieb der Membran sowie einem das Meßsignal des Sensors aufnehmenden und Stellsignale für den Aktuator erzeugenden Regler, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfunktion (Fr) des Reglers (5) einem Quotienten proportional ist, dessen Zähler (F_BP) das Übertragungsverhalten eines Bandpasses mit variierbarer Mittenfrequenz (f₀) besitzt und dessen Nenner die Übertragungsfunktion (Fy) des Aktuators repräsentiert.

2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Bandpaß realisierende Schaltung zwischen ihrem Eingang und ihrem Ausgang zwei zueinander parallele Vorwärtszweige mit jeweils einem zwischen zwei Multiplikationsgliedern (8, 10; 11, 13) angeordneten Integrator (9; 12) sowie einen ein Verstärkungsglied (15) enthaltenden, den Ausgang auf den Eingang rückkoppelnden Rückführzweig aufweist, wobei die Multiplikationsglieder (8, 10) in dem einen Vorwärtszweig mit einem Sinussignal und in dem anderen (11, 13) mit einem Cosinussignal mit der einzustellenden Mittenfrequenz (f"o) des Bandpasses beaufschlagbar sind.

3. Resonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Proportionalitätsfaktor K der Übertragungsfunktion F_R des Reglers (5) in Abhängigkeit von der Mittenfrequenz (f₀) veränderbar ist.