DE3344910C2

DE3344910C2 - Anordnung zum aktiven Dämpfen von Schallwellen

Info

Publication number: DE3344910C2
Application number: DE3344910A
Authority: DE
Inventors: Glenn E Warnaka; John M Zalas
Original assignee: Active Noise and Vibration Technologies Inc
Current assignee: Active Noise and Vibration Technologies Inc
Priority date: 1982-12-15
Filing date: 1983-12-13
Publication date: 1994-09-29
Anticipated expiration: 2003-12-14
Also published as: GB8332469D0; FR2538149A1; JPS59114597A; JPH0519160B2; DE3344910A1; US4562589A; GB2132053A; CA1196579A

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Anordnung ist aus der DE 27 21 754 A1 bekannt. Diese sieht vor, die Schallwellen von einer Störschallquelle mit einem elektrischen Wandler, beispielsweise einem Mikrofon, aufzunehmen und daraus Signale zu erzeugen, die in einem Regler verarbeitet werden. Der Regler vergleicht die Störschallwellensignale mit von einem Fehlersensor abgeleiteten Fehlersignalen und erzeugt in Abhängigkeit davon ein Aufhebungssignal, das gegenüber dem Störsignal um 180° phasenversetzt ist, jedoch die gleiche Amplitude hat. Dieses Aufhebungssignal wird an eine Aufhebungsschallquelle, beispielsweise einen im Inneren eines geschlossenen Raumes angeordneten Lautsprecher gelegt, der eine Aufhebungsschallwelle abstrahlt, die den Störschall kompensieren soll. Der Regler arbeitet dabei aber nicht kontinuierlich, sondern wird von einer Primär- oder Störschallwelle getriggert.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zum aktiven Dämpfen von Schallwerten in einem von Wänden umschlossenen Raum nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, die eine Kompensation der sich auf der äußeren Oberfläche des Raumes erstreckenden Störschallwellen bewirkt.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 in Verbindung mit dessen Oberbegriff.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

In den Figuren stellt dar

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Propeller-Flugzeug, das das aktive Schalldämpfungssystem gemäß dieser Erfindung aufweist;

Fig. 2 eine Seitenansicht des in Fig. 1 dargestellten Flugzeugrumpfes, die einen Aspekt des Dämpfungssystems gemäß der Erfindung aufweist;

Fig. 3 eine schematische Zeichnung der Druckknoten innerhalb des Innenraumes des Flugzeugrumpfes;

Fig. 4 einen teilweisen Querschnitt entlang der Linien 4-4 von Fig. 1, der einen zweiten Aspekt des aktiven Schalldämpfungssystems gemäß dieser Erfindung aufzeigt; und

Fig. 5 eine schematische Ansicht des Schallkreises, die die elektronische Regeleinrichtung des Systems gemäß dieser Erfindung bildet.

Unter Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 1 ist das aktive akustische Dämpfungssystem gemäß der Erfindung teilweise in Verbindung mit einem Flugzeug 11, das Motoren 13 und 14 mit Propellern 15 bzw. 16 und einem verlängerten zylindrisch geformten Rumpf 17 besitzt, aufgezeigt. Es ist zu beachten, daß die vorliegende Erfindung in Verbindung mit der Dämpfung von Geräuschen im Inneren 20 eines Flugzeugrumpfes 17 erörtert wird und dieses aber nur eine der Anwendungen ist, für die die Erfindung teilweise vorteilhaft ist. Es ist beabsichtigt, daß im Grunde genommen irgendein im wesentlichen geschlossenes Gehäuse oder Körper, bei dem passive Einrichtungen der Schalldämpfungen von begrenztem Wert sind, aus der vorliegenden Erfindung Nutzen ziehen kann.

Im allgemeinen werden Geräusche im Inneren eines Flugzeuges durch zwei Quellen erzeugt. Bei niedrigeren Fluggeschwindigkeiten liegt die vorherrschende Ursache für den inneren Lärm bei den Motoren und/oder Propellern des Flugzeuges, das Schallwellen und Vibrationen, die gegen relativ örtlich festgelegte Flächen an der Außenseite des Rumpfes auftreffen, erzeugen. Die Vibration des Rumpfes wird an solch örtlich festgelegten Bereichen erzeugt, die sich über die gesamte äußere Fläche ausbreiten. Geräusche, die bei Dauergeschwindigkeiten auftreten, umfassen eine beträchtliche Mitwirkung von Grenzschichtturbulenzen oder des Luftzuges über Rumpf und Flügel des Flugzeugs bei relativ hohen Geschwindigkeiten. Die Grenzschichtturbulenz ist üblicherweise nicht auf einen besonderen Ort am Rumpf beschränkt, sondern tritt im allgemeinen über dem gesamten äußeren Oberflächenbereich auf.

In Fig. 2 ist die erste Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Dieser Teil der Dämpfungsanordnung bezieht sich in erster Linie auf die Dämpfung des Schalls, der überall im Rumpfinneren 20 auftritt und typischerweise durch die Grenzschichtturbulenz mit wenigstens teilweisem Beitrag durch die Motoren 13, 14 und Propeller 15, 16 verursacht wird. Wie bereits bekannt, besteht eine Schallwelle aus einer Folge von Maxima oder Hochdruckbereichen und Minima oder Niederdruckbereichen einer gegebenen Phase und Frequenz. Im Falle eines gegebenen Flugzeugrumpfes 17, der der typischen Grenzschichtturbulenz und den Motor-Propellergeräuschen ausgesetzt ist, werden Schallwellen 19 mit der Amplitude, Frequenz und Phase wie in Fig. 3 dargestellt, im Rumpf 17 erzeugt.

Um den Geräuschpegel im Inneren 20 des Rumpfes herabzusetzen, werden Sekundär- oder Aufhebungsdruckwellen mit Maxima und Minima mit gleicher Amplitude aber um 180° phasenverschoben zu den Quellenschalldruckwellen 19 durch die aktive akustische Dämpfungsanordnung erzeugt. Die aktive Anordnung weist einen Eingangssensor 23 zum Abtasten des Geräuschpegels innerhalb des Rumpfinneren 20 auf, der durch irgendeine ursprüngliche Schallwelle, die entweder außerhalb oder innerhalb des Rumpfes 17 angeordnet ist, hervorgerufen wird. Der Eingangssensor 23 kann ein Mikrophon, einen Beschleunigungsmesser oder jeder andere geeignete Übertragertyp sein. Innerhalb des Rumpfes 17 und vom Eingangssensor 23 räumlich getrennt, ist ein Lautsprecher angebracht, der dazu dient, den Aufhebungsdruck oder die Schallquellen zu erzeugen. Der Eingangssensor 23 befindet sich vom Lautsprecher ausgehend stromaufwärts, so daß sich die Kompensationsschallwellen, die durch den Lautsprecher 25 erzeugt werden, in eine entgegengesetzte Richtung vom Sensor 23 aus fortpflanzen. Am Rumpf 17 ist ein Fehlersensor stromabwärts von oder in Richtung der Fortpflanzung des Schalls vom Lautsprecher 25 angebracht. Wie der Eingangssensor 23 ist auch der Fehlersensor 27 eine Art Übertrager, wie beispielsweise ein Mikrophon oder ein Beschleunigungsmesser. Der Fehlersensor 27 dient der Abtastung der akustischen Summierung des Quellenschalls innerhalb des Rumpfinneren 20 und des durch den Lautsprecher 25 erzeugten Aufhebungsschalls. Jedes dieser Geräte ist mit einem elektronischen Regler 29, der in Fig. 5 genauer gezeigt ist, verbunden.

Wie bereits bekannt, basiert das Prinzip der sogenannten aktiven Dämpfung von Schallwellen auf der Tatsache, daß die Geschwindigkeit des Schalls in der Luft wesentlich geringer ist als die Geschwindigkeit der elektrischen Signale. In der Zeit, die eine Schallwelle benötigt, um sich von einem Ort, an dem sie ermittelt werden kann, zu einem zweiten Ort, an dem sie gedämpft werden kann, fortzupflanzen, besteht ausreichend Zeit, die Fortpflanzungswelle abzutasten, diese Information innerhalb eines elektronischen Schaltkreises zu verarbeiten und ein Signal zu erzeugen, das einen Lautsprecher zur Einführung des Kompensationsschalles mit 180° Phasenverschiebung und mit gleicher Amplitude wie die Fortpflanzungswelle treibt.

In den Fig. 2 und 5 ist die Arbeitsweise der aktiven akustischen Dämpfungsanordnung gemäß der Erfindung dargestellt. Der Quellenschall innerhalb des Rumpfes 17 wird durch den Eingangssensor 23, der ein elektrisches Signal erzeugt, das die Phasen- und Amplitudencharakteristika des Quellenschalls darstellt, erfaßt oder abtastet. Dieses Signal S_t wird zum Regler 29, wie in Fig. 2 gezeigt, gesendet. Während in Fig. 2 nur ein Eingangssensor 23, der ein einzelnes Ausgangssignal S_t erzeugt, gezeigt wird, kann ein Regler 29 mit einem Multiplexer oder einem ähnlichen Gerät zur Verarbeitung von Signalen S_t von einem Feld von Eingangssensoren 23 versehen werden. Wenn ein Feld von Eingangssensoren 23 benutzt wird, dient der Regler 29 dazu, die Signale S_t von jedem Eingangssensor 23 fortlaufend abzufragen und eine Durchschnitts- oder Summierungsberechnung auszuführen, um ein einzelnes kombiniertes Signal S_t zur Bearbeitung in dem Regler zu erzeugen. Deshalb bezieht sich das hierin benutzte Signal S_t entweder auf das Signal von einem einzelnen Eingangssensor 23 oder auf ein kombiniertes Signal von einem Feld von Eingangssensoren 23, die den Durchschnitt oder die Summe derartiger Vielfachsignale umfassen.

Der Regler 29 liefert ein Ausgangssignal Y, um den Lautsprecher 25 zu betreiben, der Kompensationsschallwellen im Rumpfinneren 20 einführt, die Maxima und Minima mit gleicher Amplitude auf 180° phasenverschoben zu den Schallwellen 19 (siehe Fig. 3) aufweisen. Der Fehlersensor 27, der stromabwärts vom Lautsprecher 25 aus angeordnet ist, erfaßt oder ertastet die akustische Summierung des Quellenschalls und des Kompensationsschalls vom Lautsprecher 25 und erzeugt ein Signal e_t, das eine Abbildung der Amplituden- und Phasencharakteristika derartiger akustischer Summierungen darstellt. Wie der Eingangssensor 23 ist auch ein einzelner Fehlersensor 27 in den Zeichnungen aufgezeigt. Es können jedoch ein Feld von Fehlersensoren 27 benutzt werden, um die Summierung des Stör- und Kompensationsschalls abzutasten. Die durch derartige Fehlersensoren 27 erzeugten Signale e_t werden durch den Regler 29 in gleicher Weise wie oben beschrieben in Verbindung mit den Eingangssignalen S_t kombiniert, um ein Durchschnitts- oder Summensignal e_t, das als ein Fehlersignal zum Regler 29 geführt wird, zu erhalten.

Ein Beispiel eines für die Benutzung in einer adaptiven akustischen Dämpfungsanordnung gemäß der Erfindung geeigneten Reglers 29 ist in Fig. 5 genauer aufgezeigt. Aus Gründen der Erörterung und Darstellung der Arbeitsweise des hierin aufgeführten Systems ist der in Fig. 5 schematisch dargestellte Regler 29 identisch mit einer vereinfachten Version gemäß US-Patent Nr. 4,473,906.

Der Regler 29 weist ein adaptives Aufhebungsfilter 31 auf, das elektrische Signale S_t unmittelbar vom Eingangssensor 23 empfängt. Die elektrischen Signale e_t vom Fehlersensor 27 werden zu einem Phasenkorrekturfilter 33 geschickt, das jede akustische Resonanz, die innerhalb des Rumpfes 17 auftritt, kompensiert. Das gefilterte Fehlersignal wird dann zu einer Gleichstromschleife 35 geschickt, die ein Tiefpaßfilter 37 und ein Summierglied 39 aufweist. Die Gleichstromschleife 35 ist notwendig, um einen stabilen Betrieb des adaptiven Aufhebungsfilters 31, wie im oben aufgeführten US-Patent Nr. 4,473,906 erörtert, sicherzustellen.

Das adaptive Aufhebungsfilter 31 dient dem Empfangen von Eingangssignalen vom Eingangssensor 23, die im wesentlichen zerlegte Abschnitte der Wellenformen sind, die den Quellenschall innerhalb des Rumpfes 17 enthalten. Da die Schallwellen keine einzelnen Impulse sondern fortlaufende kontinuierliche Wellenformen darstellen, muß eine Abtasttechnik angewendet werden, bei der die Eingangssignale getrennte Abschnitte der Wellenformen bei regelmäßigen Zeitabschnitten darstellen. Das Aufhebungsfilter 31 verzögert, filtert und mißt diese Eingangssignale und erzeugt dann ein Ausgangssignal Y_j, das in einem Verstärker 41 verstärkt und anschließend zum Aufhebungslautsprecher 25 zum Einführen des Aufhebungsschalls in den Rumpf 17 gesendet wird. Der Fehlersensor 27 tastet die Summierung des kombinierten Aufhebungs- und Quellenschalls ab und erzeugt ein elektrisches Signal, das in dem Regler 29 verarbeitet wird. Wie im US-Patent Nr. 4,473,906 im einzelnen erörtert, werden die Fehlersignale vom Fehlersensor 27 im adaptiven Aufhebungsfilter 31 mit den Eingangssignalen verarbeitet, die die Fehlersignale erstellen, so daß die Ausgangssignale Y_j, die zum Aufhebungssprecher 25 gesendet werden, nahezu das Spiegelbild der momentanen Amplituden- und Phasencharakteristika des Quellenschalls annähern können.

Um die Berechnungen, die zum Verzögern, Filtern und Messen der Eingangssignale S_t erforderlich sind, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, und dann die Ausgangssignale Y_j, die auf den Fehlersignalen e_t basieren, anzupassen, ist mit dem Betrieb des Reglers 29 eine Verzögerung verbunden. Diese Verzögerung drückt sich wie folgt aus:

T_c = T_F + T_R (1)

wobei
T_c = Gesamt-Reglerverzögerung
T_F = Verzögerung in Verbindung mit dem adaptiven Aufhebungsfilter
T_R = Verzögerung in Verbindung mit dem Rest des Reglerschaltkreises

ist.

Unter Berücksichtigung der Gesamtverzögerung T_c verbunden mit dem Regler 29 müssen der Abstand L_IS von dem Eingangssensor 23 zu dem Lautsprecher 25 und der Abstand L_SE von dem Lautsprecher zu dem Fehlersensor 27 angepaßt werden, um eine saubere Dämpfung des Quellenschalls im Rumpf 17 zu erzielen. Der Abstand L_IS von dem Eingangssensor 23 zu dem Lautsprecher 25 muß ausreichend sein, so daß die für den abgetasteten Quellenschall erforderliche Zeit, um sich dazwischen zu bewegen, größer ist, als die Gesamt-Reglerverzögerungszeit. Als Gleichung drückt sich das Verhältnis wie folgt aus:

T_IS T_c (2)

wobei
T_IS = Zeit, die für den Quellenschall erforderlich ist, um von dem Eingangssensor 23 zu dem Lautsprecher 25 zu laufen.

Die Gleichung (2) bedeutet, daß in der Zeit, die für den Quellenschall erforderlich ist, um vom Eingangssensor 23, wo er abgetastet wird, zum Lautsprecher 25, wo der Aufhebungsschall mit dem Quellenschall kombiniert wird, zu laufen, dem Regler 29 Zeit zur Verfügung stehen muß, um ein Ausgangssignal Y_j zum Betreiben des Lautsprechers 25 zu erzeugen. Beispielsweise sei angenommen, daß die Gesamtverzögerung oder Verarbeitungszeit T_c des Reglers 29 bei 0,004 Sekunden liegt und die Geschwindigkeit des Schalls in der Luft etwa 330 m/sek. beträgt, muß die Entfernung L_IS zwischen dem Eingangssensor 23 und dem Sprecher 25 größer als oder etwa gleich 1,32 m sein. Dieser Abstand stellt sicher, daß die Zeit T_IS größer oder gleich 0,004 Sek. sein wird.

Gleichermaßen muß der Abstand L_SE von dem Aufhebungslautsprecher 25 zu dem Fehlersensor 27 ausreichen, um dem adaptiven Aufhebungsfilter 31 des Reglers 29 genügend Zeit zur Erzeugung eines Ausgangssignales Y_j zu geben, dieses zum Lautsprecher 25 zu senden und den Aufhebungsschall aus dem Lautsprecher 25 in den Rumpf 17 einzuführen. Als Gleichung ausgedrückt heißt dies:

T_SE T_F (3)

wobei
T_SE = Zeit, die für den kombinierten Quellenschall und Aufhebungsschall benötigt wird, um sich vom Sprecher 25 zum Fehlersensor 27 fortzupflanzen.

Wie oben erwähnt, wird der Quellenschall zunächst durch den Eingangssensor 23 abgetastet, pflanzt sich zum Aufhebungssprecher 25 zur Kombination mit dem Aufhebungsschalter 27 und dann zum Fehlersensor zur Abtastung fort. Für den Quellenschall ist ein begrenzter Zeitraum erforderlich, um den Fehlersensor 27 vom Eingangssensor 23 und Lautsprecher 25 zu erreichen. Der Regler 29 diente der Speicherung der Eingangsabtastung des Quellenschalls, der vom Eingangssensor 23 zur späteren Verarbeitung mit den Fehlersignalen empfangen wird, die durch derartigen Quellenschall verursacht und die zu einem späteren Zeitpunkt durch den Fehlersensor 27 abgetastet werden. Diese Speicher- und Verarbeitungszeit ist oben unter dem Begriff der adaptiven Aufhebungsfilter-Bearbeitungszeit T_F zusammengefaßt.

Gleichung (3) zeigt, daß die Verzögerungszeit T_F durch getrennte Positionierung des Lautsprechers 25 und des Fehlersensors 27 in einer Entfernung L_SE angepaßt werden muß, so daß die Schallfortpflanzung dazwischen am Fehlermikrophon 27 vom Lautsprecher 25 vor oder zur selben Zeit T_SE ankommt, in der das adaptive Aufhebungsfilter 31 seine Bearbeitungsfunktion vervollständigt.

Die obengenannten Abstände oder Wege L_IS und L_SE müssen gewählt werden, um die Gleichungen (2) und (3) zur Sicherstellung optimaler Dämpfung des Quellenschalls innerhalb des Rumpfes 17 zu erfüllen. Die Anforderungen der Gleichungen (2) und (3) sind eine Funktion der Verzögerung durch den Betrieb des Reglers 29; ähnliche Verzögerungen werden bei der Benutzung jedes anderen adaptiven Systems erreicht. Es wurde herausgefunden, daß einer zweiten Anforderung im Zwischenraum L_IS zwischen dem Eingangssensor 23 und dem Lautsprecher 25 und im Zwischenraum L_SE zwischen Sprecher 25 und Fehlersensor 27, dessen Zwischenraum vom Typ des elektronischen Reglers gemäß der Erfindung unabhängig ist, Genüge getan werden muß.

Bei den Fig. 1-3 wird angenommen, daß ein Quellenschall besteht, der Druckwellen 19 innerhalb des Rumpfinneren 20 mit Bereichen hohen akustischen Druckes 21 und niedrig akustischen Druckes 22 erzeugt. Es ist beabsichtigt, daß für jedes gegebene Gehäuse und jede Schallquelle derartige Bereiche 21, 22 gemessen und/oder analytisch bestimmt werden können. Es wurde herausgefunden, daß eine optimale Dämpfung innerhalb eines Gehäuses, wie beispielsweise im Rumpf 17, durch Unterbringung des Eingangssensors 23, des Fehlersensors 27 und des Lautsprechers 25 oder unmittelbar angrenzend an einen Bereich hohen akustischen Druckes 21 erreicht wird. Bedeutend geringere Dämpfung wird erzielt, wenn besonders die Eingangs- und Fehlersensoren 23, 27 an der in der Nähe eines niedrigen akustischen Druckbereichs 22 angeordnet sind.

Bei den Fig. 1-3 finden sich ein einzelner Eingangssensor 23, ein Lautsprecher 25 und der Fehlersensor 27 an Orten A, B bzw. C innerhalb des Rumpfinneren 20. Angenommen, der vorgesehene Quellenschalleingang und die Rumpfinnenraumanordnung 20 bleiben konstant, wird ein einzelner Eingangssensor 23, der sich am Ort A befindet, immer den Quellenschall an oder unmittelbar angrenzend an einen hohen akustischen Druckbereich 21 abtasten. Für den am Ort C angeordneten Fehlersensor 27 gilt dies nicht. Daher kann es bei einigen Anwendungen notwendig sein, ein Feld von Fehlersensoren 27 oder Eingangssensoren 23 innerhalb eines gegebenen Gehäuses anzuordnen, so daß wenigstens ein Sensor an oder unmittelbar angrenzend an einen Bereich der Maxima für alle vorbekannten Schalldruckmuster gebracht wird. Beispielsweise könnte bei den in den Fig. 1-3 gezeigten Anwendungen ein zweiter Fehlersensor 27 am Ort C′ angebracht werden, um sicherzustellen, daß wenigstens ein Fehlersensor 27 an oder unmittelbar angrenzend an einen hohen akustischen Druckbereich 21 für jedes der Druckmuster in Fig. 3A bis D angeordnet wird. Wie oben aufgeführt, ist der Regler 29 angebracht, um die Signale S_t von mehr als einem Eingangssensor 23 und/oder die Signale e_t, die durch Vielfachfehlersensoren 27 erzeugt werden, serienweise abzutasten und um einen Durchschnitt oder die Summe derartiger Signale zur Verarbeitung zu berechnen. Daher können verschiedene Eingangssensoren 23 und Fehlersensoren 27 in irgendeinem Gehäuse abhängig von den Formen der Schallwellen, die von einer gegebenen Schallquelle entwickelt werden, benutzt werden. Obwohl der Lautsprecher 25 vorzugsweise an oder angrenzend an einen hohen akustischen Druckbereich 21 angeordnet ist, wurde herausgefunden, daß die durch das System 11 vorgesehene Dämpfung nicht sehr wirksam ist, wenn der Lautsprecher 25 von einem Maximum 21 einige Grade räumlich getrennt angeordnet ist.

Daher enthält die erste in den Fig. 2 und 3 gezeigte Ausführungsform die Anbringung des Eingangssensors 23, des Lautsprechers 25 und des Fehlersensors 27 relativ zueinander (L_IS, L_SE), um die Gleichungen (2) und (3) zu erfüllen, und relativ zu den Maximum-Bereichen, die durch den Quellenschall innerhalb eines gegebenen Gehäuses, wie beispielsweise der Rumpf 17, gebildet werden, angeordnet. Die Abstände L_IS und L_SE müssen so gewählt werden, daß die Verzögerungen, die von dem Regler 29 erzeugt werden, und die Druckmuster, die im Gehäuse durch jeden auftretenden Störschall entstehen, anzupassen.

In Fig. 4 ist eine zweite Ausführungsform der aktiven akustischen Dämpfungsanordnung gemäß der Erfindung dargestellt. Wie oben erwähnt, ergibt sich durch die Vibration des Rumpfes 17, die durch die Flugzeugmotoren 13, 14 und die Propeller 15, 16 verursacht wird, eine Hauptgeräuschquelle innerhalb des Flugzeuginneren 20 bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten oder während das Flugzeug steht. Wie in Fig. 4 gezeigt, treffen die durch die Drehung der Propeller 15, 16 erzeugten Schallwellen in einem Muster über eine relativ gut abgegrenzte Fläche auf die äußere Oberfläche des Rumpfes 17. Diese Schallwellen bringen den Rumpf 17 dazu, in solchen Bereichen zu vibrieren, wobei sich die Vibration über den gesamten Oberflächenbereich des Rumpfes 17 fortpflanzt, und somit innerhalb des Rumpfinneren 20 ein Geräusch hervorruft. Die aktive akustische Dämpfungsanordnung ist auf die erzeugenden Schallwellen auf der inneren Oberfläche des Rumpfes 17 über denselben Bereich oder Bereichen, auf die die Schallwellen an der äußeren Oberfläche treffen, ausgerichtet, wobei die inneren Schallwellen von der gleichen Stärke und Amplitude, aber 180° phasenverschoben zu den äußeren Schallwellen sind.

Dies wird dadurch erreicht, daß die Schallabtasteinrichtungen 31 bzw. 32 an jeden der Motoren 13 bzw. 14 des Flugzeuges 11 angebracht sind. Die Schallabtasteinrichtungen 31, 32 stellen Beschleunigungsmesser oder ähnliche vibrationsempfindliche Übertrager dar, die zur Erzeugung eines elektrischen Signals dienen, das die Amplituden- und Phaseneigenschaften der durch die Motoren 13 erzeugten Vibration darstellt. Ein oder mehrere Lautsprecher 33 sind innerhalb des Rumpfes 17 unter dem Boden 22 oder an einigen anderen passenden Orten angebracht. Die Lautsprecher 33 sind, wie oben genauer erörtert, mit dem Regler 29 verbunden. Die Lautsprecher 33 sind durch Kanäle 35 mit einem Wellenleiter 37, der unmittelbar angrenzend an den Rumpf 17 innerhalb wenigstens einer Wellenlänge der höchsten Frequenz der zu dämpfenden Schallwelle angebracht ist, verbunden. Der Wellenleiter 37 hat die Form entsprechend dem Muster, in dem die durch Motor 13 und Propeller 15 erzeugten Schallwellen gegen die äußere Oberfläche des Rumpfes 17 prallen.

In der oben beschriebenen Weise dient der Regler 29 der Erzeugung eines Ausgangssignals zum Betreiben der Lautsprecher 33, so daß die Aufhebungsschallwellen in den Wellenleiter 37 eingeführt werden, die, wenn sie aus dem Wellenleiter austreten, hinsichtlich der Amplitude gleich sind, aber mit entgegengesetzter Phase zu den Störschallwellen auf der äußeren Oberfläche des Rumpfes 17. Da sich der Wellenleiter 37 über eine Fläche des Rumpfinneren 17 erstreckt, die der Verteilung der äußeren Schallwellen auf der äußeren Oberfläche des Rumpfes 17 entspricht, wird der sich gegen den Rumpf 17 durch die Außenschallwellen an einem derartigen Ort auftretende Druck wenigstens teilweise durch die Innenschallwellen ausgeglichen, bevor sich die an einer Schnittstelle erzeugten Vibrationen zum verbleibenden Oberflächenbereich des Rumpfes 17 fortpflanzen können. Im Rumpf 17 ist in der Nähe des Wellenleiters 37 eine Kompensationsfehler-Abtasteinrichtung 39 angebracht, die dazu dient, ein elektrisches Signal zu erzeugen, das die Amplitude und Phase der kombinierten Außen- und Innenschallwellen, die am örtlich beschränkten Bereich des Wellenleiters 37 erzeugt werden, darstellt.

Gleichermaßen ist eine zweite Gruppe von Lautsprechern 41 an der gegenüberliegenden Seite des Rumpfes 17 angeordnet, um die Schallwellen, die durch den anderen Motor 14 und Propeller 16 erzeugt werden, anzupassen. Die Lautsprecher 41 sind mit dem Regler 29 durch Verstärker verbunden und jeder dient dazu, die Aufhebungsschallwellen durch Kanäle 43 und in einem Wellenleiter 45 fortzupflanzen. Der Wellenleiter 45 ist am Inneren des Rumpfes 17 an einem Ort, an dem die Außenschallwellen des Motors 14 und des Propellers 16 gegen den Rumpf 17 prallen, angebracht und ist so nahe wie möglich an das Muster, in dem solche Außenschallwellen den Rumpf 17 treffen, angepaßt. Der Nettodruck ist somit an derartigen Stellen des Rumpfes 17 wenigstens teilweise ausgeglichen, bevor sich die Vibration, die durch die äußeren Schallwellen induziert wird, durch den Rumpf 17 hindurch fortpflanzen kann. Innerhalb des Innenraumes 20 ist ein Fehlermikrophon 47 angeordnet, das dazu dient, ein elektrisches Signal zu erzeugen, das die Amplituden- und Phasencharakteristika der kompensierten Schallwellen darstellt, die in der Nähe des Wellenleiters 45 erzeugt werden.

Der Regler 29 arbeitet wie der des ersten Ausführungsbeispiels. Er dient dazu, Eingangssignale von den Schallabtasteinrichtungen 31, 32 zu bearbeiten, Ausgangssignale Y_j für die Lautsprecher 33, 41 zu erzeugen und Fehlersignale von den Fehlermikrophonen 39, 47 in der oben erörterten Weise zu bearbeiten. Es kann mehr als eine Schallabtasteinrichtung 31, 32 und mehr als ein Fehlersensor 39, 47 für beide Seiten des Rumpfes 17 unter dem in Fig. 2 gezeigten Aspekt der Erfindung mit den durch derartige Teile erzeugten Signalen, die durch den Regler 29 in der oben erörterten Weise bearbeitet wurden, eingesetzt werden.

Wie oben erwähnt, muß der Abstand L_IS von der Schallabtasteinrichtung zu den Lautsprechern und der Abstand L_SE von den Lautsprechern zu den Fehlersensoren innerhalb von bestimmten Grenzen gehalten werden, um die akustischen Verzögerungen durch den Regler 29 anzupassen und um die Gleichungen (2) und (3) zu erfüllen. Diese allgemeine Regel gilt für die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform der Erfindung mit leichten Abänderungen. Bei Gleichung (2) muß sich der Abstand L_IS von den Schallabtasteinrichtungen zu dem Lautsprecher derart verhalten, daß die erforderliche Zeit T_IS für den Quellenschall, um sich zwischen solchen Teilen fortzupflanzen, größer als oder gleich der mit dem Regler 29 versehenen Gesamtverzögerung T_c ist. Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung ist der Lautsprecher 25 innerhalb des Rumpfes 17 angeordnet, wobei der Aufhebungsschall, den er erzeugt, sofort in den Rumpf 17 eintritt. Die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform der Erfindung weist Wellenleiter 37, 45 auf, durch die der sich von den Lautsprechern 33, 41 fortpflanzende Aufhebungsschall dringt, bevor er mit den auf der äußeren Oberfläche des Rumpfes 17 wirkenden Schallwellen kombiniert wird. Daher wird eine zusätzliche Systemverzögerung T_w durch die Addition der Wellenleiter zur gesamten Reglerverzögerung T_c hinzugefügt. Diese zusätzliche Verzögerung erfordert eine Abänderung der ursprünglichen Gleichung (2) wie folgt:

T_IS T_c + T_w (4)

wobei:
T_w = Zeit, die für den Aufhebungsschall erforderlich ist, um sich vom Aufhebungssprecher zu einem Punkt zur Kombination mit der Schallquelle fortzupflanzen.

Deshalb muß die Entfernung L_IS zwischen den Schallabtasteinrichtungen 31 bzw. 32 und den Wellenleitern 37 bzw. 45 auf jeder Seite des Rumpfes 17 eingestellt werden, um die zusätzliche Systemverzögerung, die durch die Zeit der Fortpflanzung des Aufhebungsschalls innerhalb der Wellenleiter 37, 45 ergänzt wird, anzupassen.

Obwohl gesondert beschrieben, ist es beabsichtigt, daß die zwei in Fig. 2 und 4 gezeigten Aspekte dieser Erfindung, wie in Fig. 1 gezeigt, kombiniert werden können, um eine aktive akustische Dämpfungsanordnung für irgendeine Umhüllung, die eine Vielzahl von verschiedenen Lärmeingängen wie im Fall eines Flugzeugrumpfes 17 ausgesetzt ist. Zusätzlich kann jeder Aspekt in einer besonderen Anwendung unter den entsprechenden Umständen getrennt benutzt werden. Beispielsweise kann die Dämpfung des Quellenschalls in einem Lkw-Fahrerhaus, in dem sich der Geräuscheingang auf einen relativ abgegrenzten Bereich an den Befestigungspunkten des Fahrerhauses am Rahmen konzentriert, eine Anwendungsmöglichkeit darstellen, bei der der in Fig. 4 gezeigte Lösungsweg bevorzugt werden würde. Es sind auch andere Anwendungen entweder für einen oder beide Aspekte gemäß der Erfindung möglich.

Claims

1. Anordnung zum aktiven Dämpfen von Schallwellen in einem von Wänden umschlossenen Raum (17),

- wobei mehrere Schallabtasteinrichtungen (31, 32) angrenzend an die Bereiche hohen akustischen Druckes angeordnet sind und zur Erzeugung elektrischer Signale dienen, die die Amplituden- und Phasencharakteristika der abgetasteten Schallwellen darstellen,
- und innerhalb des geschlossenen Raumes (17) mehrere Aufhebungsschallquellen (33, 41) angeordnet sind und zur Erzeugung von Aufhebungsschallwellen mit entsprechender Amplitude und 180° Phasenverschiebung gegenüber dem von den Störschallquellen eindringenden Schall und zur Überlagerung mit diesem Schall dienen,
- wobei mehrere Kompensationsfehler-Abtasteinrichtungen (39, 40) im Abstand zu den Bereichen hohen akustischen Druckes, den Schallabtasteinrichtungen (31, 32) und den Aufhebungsschallquellen (33, 41) innerhalb des geschlossenen Raumes (17) angeordnet sind und zur Erzeugung elektrischer Signale dienen, die die Amplituden- und Phasencharakteristika des kompensierenden Schalles darstellen,
- und wobei ein elektronischer Regler (29) zur Kompensationsschallerzeugung vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet,
- daß in dem umschlossenen Raum (17) unmittelbar angrenzend an die Wände mehrere Wellenleiter (37, 45) im Bereich des Auftreffens der äußeren Schallwellen vorgesehen und von den Aufhebungsschallquellen (33, 41) räumlich getrennt sind, wobei die Wellenleiter (37, 45) mit den Aufhebungsschallquellen (33, 41) verbunden sind, um einen Weg für die Fortpflanzung der Aufhebungsschallwellen zur Wand des umschlossenen Raumes für die Kompensation der von außen auf die Wände auftreffenden Schallwellen vorzusehen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallabtasteinrichtungen (31, 32) als Mikrophone und/oder Beschleunigungssensoren ausgebildet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhebungsschallquellen (33, 41) aus wenigstens einem Lautsprecher bestehen.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsfehler-Abtasteinrichtungen (39, 40) aus wenigstens einem Mikrophon und/oder Beschleunigungssensor bestehen.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Regler (29) beim Betrieb eine Bearbeitungsverzögerung aufweist, wobei der Abstand von der Schallabtasteinrichtung (31, 32) zu der Aufhebungsschallquelle (33, 41) derart gewählt ist, daß die erforderliche Zeit für den Schall zur Fortpflanzung von den Schallabtasteinrichtungen (31, 32) zu den Aufhebungsschallquellen (33, 41) wenigstens gleich der Bearbeitungsverzögerung ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Regler (29) ein adaptives Aufhebungsfilter (310) aufweist, daß die Bearbeitungsverzögerung erzeugt, wobei der Abstand von der Aufhebungsschallquelle (33, 41) und den Kompensationsfehler-Abtasteinrichtungen (39, 47) derart gewählt ist, daß die zur Schallfortpflanzung von den Aufhebungsschallquellen (33, 41) zu den Kompensationsfehler-Abtasteinrichtungen (39, 47) benötigte Zeit geringer ist, als die durch das adaptive Aufhebungsfilter (310) beim Betrieb des elektronischen Reglers (29) erzeugte Verzögerung.