DE3834853C2

DE3834853C2 - Anordnung zur Verminderung des Geräuschpegels im Innenraum eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE3834853C2
Application number: DE3834853A
Authority: DE
Inventors: Raymond Freymann
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1988-10-13
Filing date: 1988-10-13
Publication date: 1999-12-02
Anticipated expiration: 2008-10-14
Also published as: DE3834853A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentan spruchs 1.

Derartige Anordnungen sind vielfach bekannt. Sie enthalten im wesentlichen einen Schwingungsaufnehmer in Form eines Mikrofans, der zwischen dem Empfänger und zwischen der Geräuschquelle im Innenraum an einer markanten Stelle angeordnet ist. Beispiele hierfür finden sich in der DE 30 25 391 C2, in der das Mikrophon in einem Rohr für feste, flüssige oder gasförmige Medien angeordnet ist. Über eine geeignete, an anderer Stelle angeordnete weitere Geräuschquelle soll dabei ein Geräusch erzeugt werden, das gegenphasig zum Primärgeräusch ist und damit die ses in seiner Intensität verringert und im Idealfall unterdrückt. Eine ähnliche Ausfüh rung geht aus der DE 33 42 928 A1 hervor. Diese ist insbesondere für Luftführungs kanäle geeignet.

Neben diesen aktiven sog. Antischalleinrichtungen, bei denen ein hinsichtlich Phase und Amplitude spiegelsymmetrischer Gegenschall erzeugt wird, sind auch passive Einrichtungen bekannt, bei denen die Schallenergie durch Absorption reduziert wird. Beispiel hierfür ist das bekannte Auskleiden von Luftführungskanälen oder dgl. mit geräuschdämpfendem Material.

Die bekannten Einrichtungen sind in der Regel nicht besonders wirksam und dar über hinaus sehr kostenintensiv. Dies gilt sowohl für aktive als auch für passive Systeme. Die Ursache hierfür ist die erhebliche Erhöhung der Herstellungskosten und die geringe Dauerhaltbarkeit, aus der sich die Notwendigkeit eines häufigen Ersatzes ergibt. Bei den aktiven Systemen kommen zusätzlich die herstellungs- und unterbringungstechnischen Probleme für den Schwingungsaufnehmer und die Ge räuschquelle für den Gegenschall hinzu.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die auf konstruktiv einfache Weise zu einer erheblichen Verringe rung des Geräuschpegels und im Idealfall zu einer völligen Beseitigung des Fremdgeräusches im Innenraum eines Kraftfahrzeugs führt.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung beruht wesentlich auf der Überlegung, daß durch derartige Wandflä chen störende Geräusche in den Innenraum übertragen bzw. dort infolge von Hohl raumschwingungen verstärkt werden. Dies gilt besonders dann, wenn die Wandflä che mit einer ihrer Eigenfrequenzen erregt wird und diese Frequenz mit einer Hohl raumeigenfrequenz übereinstimmt.

Als vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung können, wie im Patentanspruch 2 be schrieben, zusätzliche Dämpfungsmittel vorgesehen sein, die in ihrer Form und/oder Lage an die Eigenfrequenz der Wandfläche angepaßt sind.

Wie beim Stand der Technik kann die Erfindung sowohl in einem passiven als auch einem aktiven System realisiert werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen des passiven Systems finden sich in den Patentansprüchen 3 bis 5, für das aktive System im Patentanspruch 6.

Vorteilhafte Ausführungsformen sowohl des aktiven als auch des passiven Systems finden sich weiter in den Patentansprüchen 7 bis 9.

Im einzelnen bestehen die Vorteile der Ausführungsformen nach Patentanspruch
3 im einfachen konstruktiven Aufbau,
4 einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung hierzu und
5 einer weiteren Verbesserung durch Anpassung an mindestens eine weitere Eigenfrequenz der Wandfläche.

Die Ausführungsformen nach den Ansprüchen 7 bis 9 basieren auf der Verwendung von folienförmigen Dämpfungsmitteln, die auf der Wandfläche aufgebracht sind. Diese Ausführungsformen zeichnen sich durch eine besonders kostengünstige Herstellung aus.

In der Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.

Es zeigt

Fig. 1 eine holographische Aufnahme einer Wandfläche aus Blech

Fig. 2 die Aufnahme einer passiven Anordnung

Fig. 3 die prinzipielle Darstellung einer aktiven Anordnung

Fig. 4 das Schwingungsverhalten der Wandfläche von Fig. 1

Fig. 5 die Anordnung einer weiteren Ausführungsform einer aktiven Anordnung entsprechend Fig. 3

Fig. 6 die Ausführungsform einer passiven Anordnung gem. Fig. 2 mit einer zusätz lichen erläuternden Skizze

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform der passiven Anordnung gem. der Fig. 2 und 6

Fig. 8 alternative passive bzw. aktive Anordnungen und

Fig. 9 eine Alternative zur Anordnung von Fig. 8.

Die in Fig. 1 abgebildete holographische Aufnahme einer Eigenschwingungsform einer schwingenden Wandfläche zeigt die wesentlichen Merkmale der Schwin gungsformen, wie sie bei den im Kraftfahrzeug vorhandenen abstrahlkritischen Bauteilen auftreten. Diese Bauteile bilden Wandflächen für den Innenraum des Kraftfahrzeugs, dessen Geräuschpegel reduziert werden soll bzw. liegen im über tragungsweg zwischen der bzw. den Geräuschquelle(n) und dem Innenraum.

Sie zeigt weiter, daß die Schwingungsformen immer die Form von Kreisen oder Ellipsen aufweisen. Der Rand dieser Kreise/Ellipsen kann als ruhend angesehen werden. Zum Zentrum der Kreise/Ellipsen hin vergrößern sich jedoch jeweils die Schwingungsamplituden. Demzufolge können solche schwingenden Wandflächen direkt mit Lautsprechermembranen verglichen werden. Sie strahlen dementsprechend auch eine mehr oder weniger hohe Schalleistung ab. Dieser Effekt erweist sich in vielen Fällen als ungünstig für die Innenraumakustik eines Kraftfahrzeugs.

Die Grundidee der Erfindung besteht darin, die Überhöhung der Schwingungsamplituden in akustisch kritischen Schwingungsresonanzen zu reduzieren im Hinblick auf die Abminderung der von der Wandfläche abgestrahlten Schalleistung. Dieses Ziel kann erreicht werden, indem auf die Wandfläche Piezoelemente 1 mechanisch appliziert werden, die

a) elektrisch in einer passiven elektronischen Dämpfungsschaltung angeordnet sind (Fig. 2)
b) als Stellglieder in einem aktiven Regelkreis zur dynamischen Verformung der Wandfläche eingesetzt werden (Fig. 3).
Als Schwingungsaufnehmer können dabei entweder Dehnungsmeßstreifen oder Piezoelemente Verwendung finden, die die Schwingungsbewegung der Wandfläche erfassen. Mit beiden Systemen (passiv/aktiv) kann eine zusätzliche künstliche Dämpfung der Schwingungsbewegung der Wandfläche hervorgerufen werden, wodurch die rein mechanische Resonanzüberhöhung reduziert wird (Fig. 4).

Die Wirkungsweise bei einer passiven/aktiven Anordnung ist identisch und besteht darin, die Schwingungsbewegung der Wandfläche zu dämpfen. Die zugrundelie gende Funktionsweise für die beiden Anordnungen ist jedoch unterschiedlich.

Bei passiven Anordnungen wird die mechanische Schwingungsenergie der Wand fläche über die Piezoelemente als mechanisch/elektrische Wandler in elektrische Energie umgeformt und dann in dem Widerstand 2 eines elektronischen RLC- Netzwerkes 3 (Fig. 2) vernichtet. Das Netzwerk 3 wird - im Hinblick auf eine höchst mögliche Vernichtung von elektrischer Energie - auf die akustisch kritische Eigen frequenz der Wandfläche abgestimmt.

Bei einer aktiven Anordnung, wie sie prinzipiell in Fig. 3 dargestellt ist, ist eine nicht im einzelnen gezeigte und einem an geeigneter Stelle der Wandfläche - z. B. im Schwingungszentrum - angeordneten Schwingungsaufnehmer nachgeschaltete elektronische Dämpfungsschaltung so ausgelegt, daß die im Bereich der akustisch kritischen Frequenz (vgl. Fig. 4) von den wiederum als Piezoelemente oder dgl. ausgebildeten Stellgliedern hervorgerufenen dynamischen strukturellen Verformun gen Massenkräfte erzeugen, welche in der akustisch kritischen Eigenschwin gungsform als Dämpfungskräfte wirken. Diese Bedingung erfordert eine entspre chende Auslegung der Dämpfungsschaltung hinsichtlich der Phasenlage ihrer Übertragungsfunktion im Frequenzbereich der akustisch kritischen Resonanzfre quenz der Wandfläche und führt bei richtiger Anlegung zu einem Schwingungsver halten, wie es in Fig. 4 strichliert eingezeichnet ist.

Von besonderer Bedeutung ist bei beiden Anordnungen (passiv/aktiv) die "richtige" Anordnung der Piezoelemente auf der Wandfläche zum Erzielen eines optimalen Ergebnisses.

Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 3 und 5 werden einzelne Piezoelemente 1 verwendet. Diese sind für eine aktive Anordnung

a) in akustisch kritischen Eigenschwingungsformen am Rande der Kreis/Ellipsenform (entsprechend der holographischen Darstellung von Fig. 1) angeordnet und in radialer Richtung wirksam, es werden also von den Piezoelementen 1 jeweils in radialer Richtung dynamische Zug-/Druckkräfte in die Wandfläche eingeleitet (Fig. 5), oder
b) auf einer Kreis-/Ellipsenbahn max. Krümmung in radialer Richtung angeordnet und in radialer Richtung wirksam (Fig. 6) bzw.
c) in Gestaltung entsprechend a) bzw. b) auf beiden Seiten der Wandfläche angeordnet. Die Elemente beider Seiten werden dann jeweils mit umgekehrten Vorzeichen angesteuert. Wenn die Elemente auf der einen Seite der Wandfläche Druckkräfte erzeugen, so erzeugen die Elemente auf der anderen Seite der Wandfläche zum gleichen Zeitpunkt Zugkräfte.

Für eine passive Anordnung sind die Piezoelemente in akustisch kritischen Eigenschwingungsformen auf Kreis-/Ellipsenbahnen max. Krümmung in Radialrichtung angeordnet und auch in radialer Richtung wirksam (Fig. 6). Dabei ist es vorteilhaft, die Piezoelemente in einer Serienschaltung in das RLC-Netzwerk 3 einzufügen (Fig. 2). Ferner können die Piezoelemente 1 auch auf mehreren konzentrischen Bahnen angeordnet sein. Dies ist besonders dann sinnvoll, wenn eine Vielzahl von Elementen anzuordnen sind und auf einer "Bahn" nicht der erforderlich Platz für eine Anordnung nebeneinander vorhanden ist (Fig. 7).

Neben der Ausbildung der Dämpfungsmittel in Form von einzelnen Piezoelementen unmittelbar auf der Wandfläche ist es auch möglich, diese vor Aufbringen auf der Wandfläche auf einer elektrisch neutralen Folie anzuordnen, die dann mit der Wandfläche schwingungsfest zu verbinden ist. Dadurch ergibt sich eine vereinfachte Montage.

Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 8 und 9 werden anstelle von einzelnen Piezoelementen Piezofolienelemente auf der Basis von Polymeren verwendet. Diese dienen als Stellglieder in aktiven Anordnungen. Im einzelnen besitzen diese Piezofolienelemente

a) Ring-/Ellipsenform mit Mittelloch 4 (Fig. 8). Die Ringfläche wird direkt mit der Wandfläche schwingungsfest verbunden, beispielsweise verklebt. Die Kraftwirkungsrichtung in der Ringfläche ist wie bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen radial;
b) mehrere ineinanderliegende konzentrische Ring-/Ellipsenformen (Fig. 9). Auch hier ist die Kraftwirkungsrichtung in den verschiedenen Ringsystemen radial.

Damit ergibt sich eine Anordnung zur Verbindung des Geräuschpegels im Innenraum eines Kraftfahrzeugs, dessen Grundidee darin besteht, Schall im Innenraum gar nicht erst entstehen zu lassen. Sie basiert auf rein strukturdynamischen Überlegungen, die auf konstruktiv und fertigungstechnisch besonders einfache Weise umgesetzt werden.

Claims

1. Anordnung zur Verminderung des Geräuschpegels im Innenraum eines Kraftfahrzeugs mit mindestens einem Schwingungsaufnehmer und mit Mitteln zum Verringern des im Innenraum wirksamen Geräuschs, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine den Innenraum begrenzende und/oder im Übertragungsweg zwischen einer Geräuschquelle und dem Innenraum liegende Wandfläche den Schwingungsaufnehmer trägt, daß der Schwingungsaufnehmer in seiner Lage und in seinen elektromechanischen Eigenschaften der Schwingungsform der Wandfläche im Bereich ihrer Eigenfrequenzen zumindest annähernd angepaßt ist und daß das Ausgangssignal des Schwingungsaufnehmers einer Dämpfungsschaltung (3) zugeführt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsschaltung mit Dämpfungsmitteln korrespondiert, die ebenfalls auf der Wandfläche angeordnet sind und in ihrer Form und/oder Lage der Schwingungsform der Wandfläche im Bereich ihrer Eigenfrequenz zumindest annähernd entsprechen.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsaufnehmer und die Dämpfungsmittel identisch sind.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsmittel aus mehreren Elementen bestehen, die in akustisch kritischen Eigenschwingungsformen auf einer in sich geschlossenen Bahn maximaler schwingungsbedingter Krümmung in Radialrichtung angeordnet und in radialer Richtung wirksam sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Elemente als Dämpfungsmittel auf mindestens einer weiteren konzentrischen Bahn angeordnet sind.

6. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsmittel aus mehreren Elementen bestehen, die in akustisch kritischen Eigenschwingungsformen am Rande einer Schwingungsform angeordnet und in radialer Richtung wirksam sind.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsmittel auf einer Folie angeordnet sind, die mit der Wandfläche schwingungsfest verbunden sind.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsmittel selbst als Piezofolie ausgebildet sind, die mit der Wandfläche schwingungsfest verbunden ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsmittel auf beiden Seiten der Wandfläche angeordnet sind.