DE3025391A1

DE3025391A1 - Verfahren und vorrichtung zur unterdrueckung von akustischen schwingungen

Info

Publication number: DE3025391A1
Application number: DE19803025391
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl.-Phys. Dr. 6000 Frankfurt Beuter
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 1980-07-04
Filing date: 1980-07-04
Publication date: 1982-01-28
Also published as: DE3025391C2

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Unter-
drückung von akustischen Schwingungen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterdrückung von akustischen Schwingungen in festen, flüssigen oder gasförmigen Medien durch überlagerung mit Kompensationsschwingungen und Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens.
Akustische Störschwingungen, z.B. in Form von Lärm, können erhebliche Belastungen für die Gesundheit der betroffenen Menschen darstellen. Deshalb ist es erforderlich, die Schwingungen am Entstehungsort, auf dem Ausbreitungsweg oder an der gefährdeten Stelle zu reduzieren. Solche Schwingungen haben nur selten einen harmonischen Verlauf und ihre Einfallsrichtung ist häufig unbekannt oder kann wechseln.
Die meisten gebräuchlichen Verfahren und Vorrichtungen zur lokalen Minderung bzw. Unterdrückung von akustischen Schwingungen arbeiten allein mit passiven Maßnahmen, bei denen keine zusätzliche Energiequelle vorhanden ist. Es wurden jedoch auch aktive Verfahren vorgeschlagen, bei denen durch Einkopplung von geeigneten akustischen Signalen die einfallende Störschallwelle kompensiert wird. Aus der US-PS 2 983 790 ist ein elektronischer Schallabsorber bekannt, der nach diesem Prinzip aufgebaut ist. Ferner wird in der DE-OS 24 Ol 523 eine Einrichtung zur aktiven Minderung von Schall am menschlichen Gehör beschrieben, mit der die praktischen Schwierigkeiten in vorhandenen aktiven Systemen gelöst und der geringe Tragekomfort passiver Gehörschützer verbessert werden siin. Bei dieser Vorrichtung wird Störschall mit einem Mikrophon aufgenommen und um 180 ° phasenverschoben am Gehöreingang wiedergegeben.
Nach dem diesen aktiven Einrichtungen zugrunde liegenden Prinzip wird die zu unterdrückende Störschwingung erfaßt und das geeignete Kompensationssignal erzeugt. Danach kann jedoch ein breitbandiges und unabhängig von der Schalleinfallsrichtung wirksames Schallschutzmittel nicht realisiert werden, weil die erforderliche Bewertungseinrichtung für bestimmte Einfallsrichtungen ein nichtkausales Verhalten aufweisen müßte. Auch einer näherungsweisen Verwirklichung stehen technische Probleme entgegen, weil beim Bau der Bewertungseinrichtung die richtungsabhängige komplexe Übertragungsfunktion des Gesamtsystems berücksichtigt werden muß. Die bekannten Einrichtungen sind wegen ihrer Empfindlichkeit gegen Ortsveränderungen für Personen, die sich bewegen, als persönliches Schallschutzmittel nicht anwendbar.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein aktives Verfahren zu schaffen, nach dem die störende Schwingung, z.B. Luft- oder Wasserschall, mit aktiv erzeugten Schwingungen so überlagert werden kann, daß die Schwingungsamplitude an eineni vorgegebenen Einwirkungsort oder sogar in einem bestimmten Gebiet gemindert wird. Die nach einem solchen Verfahren arbeitende Einrichtung sollte unabhängig von der Lage der Störschwingungsquelle sowie der Wellenform und Bandbreite der Störschwingung funktionieren.
Es hat sich nun gezeigt, daß sich diese Aufgabe lösen läßt, wenn bei einem Verfahren der eingangs genannten Art ausgehend von einem Sollwert die zu unterdrückende Schwingung kompensiert und die resultierende Schwingung fortlaufend mit dem Sollwert verglichen und auf diesen eingestellt wird.
Vorteilhafte Asführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind ia den Unteransprüchen 2 und 3 beschrieben.
Die Ansprüche 4 bis 10 betreffen Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens.
Nach dem erfindungsgemäßen Prinzip wird die aus der Kompensation der Störschwingung resultierende Schwingung ständig mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen und entsprechend korrigiert. Daraus geht hervor, daß die Kompensation nicht direkt aus der Erfassung der Störschwingung vorgenommen wird, sondern die durch die Kompensation resultierende Schwingung wird direkt kontrolliert und eventuelle Abweichungen vom Sollwert werden in entsprechende Kompensationssignale umgesetzt. Die zur Kompensation erforderlichen Signalwandler werden vorzugsweise nahe am Einwirkungsort angebracht. Unter Einwirkungsort wird die Stelle verstanden, wo die Störschwingungen unterdrückt werden sollen, z.B. am Ohreingang oder bei Flüssigkeitsschall bzw. Rohrwellen an der geeigneten Stelle in der Flüssigkeit bzw. am Rohr. Soll die Störschwingung am Einwirkungsort minimal werden, so wird als Sollwert Null vorgegeben. Der Sollwert kann aber auch ein zeitlich schwankendes Signal (Führungsgröße) darstellen, um Nutzsignale,wie Sprache oder Warnungen, einzukoppeln.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich insbesondere mit Vorrichtungen für persönlichen Schallschutz und bei eindimensionalen Anordnungen, wie Rohren oder Stäben, durchführen. Die erfindungsgemäßen Anordnungen haben den Vorteil, daß sie häufig in Frequenzbereichen besonders wirksam sind, wo bekannte Minderungsmaßnahmen nicht anwendbar sind oder nicht ausreichen. So nimmt z.B. bei Gehörschutzkapseln die Schalldämmung zu niedrigeren Frequenzen hin (etwa 500 Hz) stark ab. Dort ist jedoch das erfindungsgemäße persönliche Schallschutzmittel besonders wirkungsvoll. Das erfindungsgemäße Verfahren, das auf dem Prinzip einer geregelten Interferenz beruht, zeigt auch bei eindimensionalen Anordnungen, wie Rohren oder Stäben, die häufig erwünschte Eigenschaft, aus einer Richtung einfallende Wellen zu reflektieren und damit die weitere Ausbreitung zu verhindern. Hier hat die aktive Schwingungsminderung gegenüber passiven Maßnahmen den Vorteil, daß das Minderungsmaß nicht von den Materialeigenschaften, wie Dichte, Masse, Elastizität oder Massenverteilung, abhängt. Die erfindungsgemäße geregelte Interferenz bietet den in der technischen Anwendung weiteren wichtigen Vorteil, daß sie verhältnismäßig unempfindlich gegen Parameterveränderungen ist. Kleine Veränderungen in der Beschaffenheit von Komponenten des Regelkreises oder der Ausbreitungsbedingungen beeinträchtigen die Wirksamkeit der Schwingungskompensation nicht wesentlich. Dagegen werden in den bekannten aktiven Verfahren die Abweichungen vom Sollwert der Schwingung am Einwirkungsort nicht ausgewertet, so daß dort Veränderungen im Übertragungsweg die erwünschte Kompensationswirkung beeinträchtigen können.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 die prinzipielle Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und die Verknüpfung der Komponenten zur Erzeugung der geregelten Interferenz; Figur 2 eine erfindungsgemäße Gehörschutzkapsel; Figur 3 zwei mögliche Ausführungsformen für die frequenzgangbestimmenden Schaltungen in der Regelungseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Figur 4 die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Minderung von Flüssigkeitsschall in Rohren und Figur 5 die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Minderung von Rohrwellen.
In der Anordnung gemäß Figur 1 wird mit einem Signalwander bzw. Schwingungsaufnehmer 1, der je nach Anwendungsgebiet ein Mikrophon, Hydrophon, Körperschallwandler und dergleichen sein kann, der Schwingungsverlauf ein Einwirkungsort, der die Summe aus der einfallenden störenden Schwingung 2 und der vom Schwingungsgeber 3 erzeugten kompensierenden Schwingung 4 darstellt, in ein elektrisches Signal gewandelt. Das Signal des Schwingunsaufnehmers 1 wird in einer elektronischen Regelungseinrichtung 5 weiterverarbeitet.
Die Regelungseinrichtung besteht aus einem Rückführungsteil 6, einer Differenzstufe 7, wo die Abweichung von dem Sollwert 8 ermittelt wird, und einem Reglernetzwerk 9, von dem der Schwingungsgeber 3 angesteuert wird. Bezeichnen V (kompensierende Schwingung), W (störende Schwingung), X (resultierende Schwingung) und Y (Sollwert) die Fouriertransformierten der entsprechendens zeitlichen Signalverläufe, A den komplexen Frequenzgang vom Einwirkungsort bis zur Differenzstufe (Vorwärtszweig), B den komplexen Frequenzgang von der Differenzstufe bis zum Einwirkungsort (Rückführungszweig), dann gilt: X=V+W Die erfindungsgemäße Anordnung der Komponenten erzeugt im Fall von linearer zeitinvarianter Filterung das resultierende Signal W = W + AY (Gleichung I) 1 + AB 1 + AB Wenn der Betrag |1 + + ABi größer als 1 ist, wird die störende Schwingung W gemindert. Der Frequenzbereich und das Minderungsmaß sind durch die geometrische Anordnung der Wandler und die Übertragungsfunktionen des Vorwärtszweiges A und des Rückführungszweiges B bestimmt.
Die erfindungsgemäße Ausführung eines persönlichen Schallschutzmittels wird in Figur 2 schematisch wiedergegeben und besteht aus einer Gehörschutzkapsel 10, innerhalb welcher nahe am Gehörgang 11 der Schwingungsaufnehmer 1 und der Schwingungsgeber 3 angebracht sind. Als Schwingungsgeber 3 wird z.B. ein Kopfhörersystem und als Schwingungsaufnehmer 1 ein Miniaturelektretmikrophon verwendet. Das Mikrophon wird vorzugsweise vor der Membran des Kopfhörers zentral angebracht. Der unmittelbar am Ohreingang 11 eintreffende Schall wird von dem Mikrophon 1 in ein elektrisches Signal gewandelt und der Reglerelektronik 5 zugeführt, die den Kopfhörer 3 so steuert, daß der vom Mikrophon registrierte Schalldruckpegel minimal wird. Die Schallwandler 1 und 3 können entweder offen getragen oder innerhalb der Gehörschutzkapsel 10 untergebracht werden. Die Nutzsignale werden am Eingang 8 eingekoppelt.
In Figur 3 sind die frequenzgangbestimmenden Schaltungen im Vorwärtszweig I und Rückführungszweig II dargestellt.
Die Schleifenverstärkung der Gesamtanordnung wird so hoch eingestellt, daß sie noch unterhalb der Stabilitätsgrenze liegt. In offener Ausführung, also ohne passiven Kapselgehörschützer, wird mit dieser Anordnung im Frequenzbereich zwischen 80 Hz und 800 Hz eine Minderung aller einfallenden Geräusche erzielt, die im günstigsten Bereich (100 bis 400 Hz) etwa 10 dB beträgt. Neben den dargestellten frequenzgangbestimmenden Schaltungen gibt es auch andere Möglichkeiten, die sich bezüglich des maximal erreichbaren Minderungsmaßes und des mindemngswirksamen Frequenzbereichs unterscheiden.
Da sich nach Gleichung I die Führungsgrößenübertragungsfunktion (A/(1+AB)) und die Störungsübertragungsfunktion (1/(1+AB)) unterscheiden, lassen sich durch geeignete Verteilung der frequenzgangbestimmenden Komponenten auf den Vorwärts- und Rückführungszweig die Übertragungseigenschaften für Nutzsignale als Sollwert und für den Lärm als Störgröße weitgehend unabhängig voneinander optimieren.
In der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform wird eine Einrichtung zur Minderung von Flüssigkeitsschall in Rohren gezeigt. Dabei ist der Schwingungsaufnehmer 1 und Schwingungsgeber 3 in der Flüssigkeit 12 angebracht, wobei über die Regeleinrichtung 5 mit Sollwerteingang 8 der Schwingungsgeber 3 so gesteuert wird, daß der Schalldruck am Schwingungsaufnehmer 1, der z.B. ein Hydrophon ist, minimal wird. Ein zusätzlicher passiver Schwingungsabsorber 13 dämpft sowohl die einfallende Schwingung als auch die interferierende Welle, so daß die unterhalb des Rohres 14 skizzierte Schalldruckverteilung in der Flüssigkeit entlang des Rohres entsteht.
Bei der Einrichtung zur Minderung von Rohrwellen gemäß Figur 5 wird ein Körperschallwandler 1 um das Rohr gelegt und über die Regelungseinrichtung 5 ein ringförmiger Körperschallgeber 3, z.B. piezoelektrisch oder elektrodynamisch, so gesteuert, daß die aus einer Richtung einfallenden Körperschallschwingungen am Ort der Körperschallsonde 1 minimal werden und damit auch der durchgehende Schall reduziert wird.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Unterdrückung von akustischen Schwingungen in festen, flüssigen oder gasförmigen Medien durch Überlagerung mit Kompensationsschwingungen, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von einem Sollwert die zu unterdrückende Schwingung kompensiert und die resultierende Schwingung fortlaufend mit dem Sollwert verglichen und auf diesen eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert zeitlich konstant auf Null gehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert ein zeitlich schwankendes Signal darstellt.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie besteht aus einem Schwingungsaufnehmer (1) und einer Regelungseinrichtung (5), in die ein Sollwert eingebbar ist und die einen Schwingungsgeber (3) für die Kompensationsschwingung steuert.
5. Vorrichtung nacn Anspruch Lt, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsaufnehmer (1) ein Mikrophon ist, das usammen mit dem Schwingungsgeber (3) in einer Gehörschutzkapsel (10) untergebracht ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Schwingungsaufnehmer (1) und Schwingungsgeber (3) Körperschallwandler verwendet werden, die an Festkörperoberflächen anbringbar sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung von Rohrschwingungen ringförmige Körperschallwandler verwendet werden.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung von Schwingungen in Flüssigkeiten Schwingungsaufnehmer (1), z.B. Hydrophone, bzw. Schwingungsgeber (3) in der Flüssigkeit (12) anbringbar sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich passive Schwingungsabsorber (13) vorgesehen sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelungseinrichtung (5) aus einem elektronischen Netzwerk (9) mit Rückführungszweig (6), Substrahierer (7) und Vorwärts zweig besteht.