DE4133407C2 - Arrangement for compensating the sound emitted by a vibrating wall - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kompensation des durch eine schwingende Wand abgestrahlten Schalles, an der mindestens ein Körper schallschwingungsaufnehmer angeordnet ist, welcher die Schwingungen der Wand senkrecht zur Wandfläche erfaßt, wobei zumindest auf der Seite der Wand, die der ursächlichen Schallbelastung gegenüberliegt, eine Vielzahl von Schallgebern über die Wandfläche verteilt angeordnet sind, welche Änderungen ihres Volumens erzeugen können und durch den Körperschall schwingungsaufnehmer derart gesteuert wird, daß die durch die schwingende Wand verursachten Volumenänderungen des Luftraumes im Bereich um den Schallgeber durch die von den Schallgeber im gleichen Bereich verursachten Volumenänderungen zeitgleich kompensiert werden.The invention relates to an arrangement for the compensation of a vibrating wall of radiated sound on which at least one body sound vibration transducer is arranged, which the vibrations of the Wall detected perpendicular to the wall surface, at least on the side of the Wall facing the causal noise level, a large number of sounders are arranged distributed over the wall surface, which Can generate changes in their volume and through structure-borne noise Vibration sensor is controlled so that the by the vibrating wall caused volume changes in the air space in the Area around the sounder by that of the sounder in the same Volume changes caused area are compensated at the same time.
Die Verwendung von Antischall zur Auslöschung unerwünschter Luftschall felder ist allgemein bekannt. Das Prinzip beruht im wesentlichen darauf, daß die störenden Schallwellen im Bereich der zu schützenden Umgebung detektiert werden und mittels Antischallgeber, welche über einen Regel kreis mit den Detektoren verbunden sind, durch Interferenz ausgelöscht werden. Ein einfacher Antischallgeber, bei dem die Sensormembran und die Antigeberschallquelle identisch sind, ist beispielsweise aus der DE 28 14 093 C2 bekannt. Mit einem derartigen Antischallgeber ließe sich auch grundsätzlich der durch eine Trennwand hindurchgehende Restschall auslöschen. Derartige Anwendungen wären z. B. in einem Fahr- oder Flug zeug gegeben, bei welchem an der Außenzelle ein hoher Lärmpegel anliegt. Die natürliche Eigendämmung der Wand schirmt davon einen großen Teil be reits ab, wobei im oberen Frequenzbereich die Dämmung aufgrund der Wand masse im allgemeinen ausreichend ist. Im unteren Frequenzbereich ergeben sich jedoch Defizite. Eine andere Anwendung wäre z. B. in Wohnungen gege ben, wobei die Wohnungswände oder Decken ebenfalls bei tieferen Frequen zen nur eine ungenügende Schalldämmung besitzen. Eine Verbesserung der Schalldämmung durch Erhöhung des Wandgewichtes ist nur begrenzt möglich, zumal eine Verbesserung der Dämmung um 6 dB jeweils eine Verdopplung der Wandmasse erfordert. The use of anti-noise to cancel out unwanted airborne noise fields is well known. The principle is based on that the disturbing sound waves in the area to be protected can be detected and by means of anti-sounders, which have a rule Circle connected to the detectors, extinguished by interference become. A simple antisound generator in which the sensor membrane and the Anti-sound source are identical, for example, from the DE 28 14 093 C2 known. With such an anti-sound generator also basically the residual sound passing through a partition wipe out. Such applications would be e.g. B. in a driving or flight Stuff given in which there is a high level of noise on the outer cell. The natural self-insulation of the wall shields a large part of it riding off, with the insulation due to the wall in the upper frequency range is generally sufficient. Result in the lower frequency range however deficits. Another application would be e.g. B. in apartments ben, the apartment walls or ceilings also at lower frequencies zen only have insufficient sound insulation. An improvement in Sound insulation by increasing the wall weight is only possible to a limited extent, especially since an improvement of the insulation by 6 dB doubles the Wall dimensions required.
Es gibt auch Vorschläge zur aktiven Steuerung von Wänden, wobei an eine Wand Schwingungserreger angebracht werden, mit denen die an der Wand an liegenden Schalldruckkräfte neutralisiert werden. Nachteilig bei diesem System ist jedoch die große seismische Masse, die zur Abstützung der Reaktionskräfte notwendig ist. Außerdem neigen die dazu notwendigen Re gelkreise zu Instabilitäten, da ja die Wandschwingungen auf Null gere gelt werden sollen und somit nur eine geringe Eingangsgröße zur Verfü gung steht.There are also suggestions for active control of walls, taking one Wall-mounted vibration exciters are used to attach them to the wall lying sound pressure forces are neutralized. A disadvantage of this However, the system is the large seismic mass that is used to support the Reactive forces are necessary. In addition, the necessary re circles to instabilities, since the wall vibrations drop to zero should be valid and therefore only a small input variable available is available.
Weiterhin ist aus der EP 0 390 560 A2 eine Einrichtung zur Geräuschun terdrückung für einen seismischen Vibrator bekannt, bei der der von einer Vibratorplatte abgestrahlte Luftschall durch Lautsprecher kompen siert wird, die von einer mittels Schwingungsaufnehmer gesteuerten Regelung angesteuert werden. Die Schwingungsaufnehmer sitzen jedoch auf der aktiv erregten Vibratorplatte; eine Übertragung dieser Einrichtung auf passive Wände ist hier weder erwähnt, noch wäre dies mit der aufwendigen Regelung zweckmäßig.Furthermore, EP 0 390 560 A2 describes a device for noise oppression for a seismic vibrator, in which the of Compensate airborne sound emitted by a vibrator plate through loudspeakers is based on that controlled by a vibration sensor Regulation can be controlled. However, the vibration sensors sit on the actively excited vibrator plate; a transfer of this facility passive walls is neither mentioned here, nor would it be with the expensive regulation expedient.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den durch eine schwingende Wand abgestrahlten Schall auf einfache Weise, d. h. mit minimalem Aufwand und damit kleiner Baugröße wirkungsvoll zu kompensieren.It is an object of the present invention by a vibrating Wall radiated sound in a simple way, d. H. with minimal effort and thus to effectively compensate for the small size.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch eine nach den Merkmalen des Pa tentanspruches 1 ausgebildete Anordnung.This problem can be solved by using the features of Pa tent Claim 1 trained arrangement.
Bei dieser Anordnung werden im Gegensatz zu bekannten Antischallsystemen direkt die senkrecht zur Wandfläche verlaufenden Schwingungen der Wand durch Körperschallschwingungsaufnehmer erfaßt und damit die unmittelbar in der Nähe angeordneten Schallgeber angesteuert. Die Verstärkung sowie Phasenverschiebung des Sensorsignals ist dabei so, daß die durch die schwingende Wand verursachten Volumenänderungen des Luftraumes im Be reich um den Schallgeber durch eine entgegengesetzte, von dem Schallge ber verursachte Volumenänderung kompensiert wird. Aufgrund der natürli chen Wanddämmung sind auf der Immissionsseite, d. h. der Seite der Wand, die vor Lärm zu schützen ist, sehr viel kleinere Antischallschwingungen notwendig. Dies verkleinert einmal die erforderlichen Schallgeber, zum anderen kann dadurch die Rückwirkung des Antischalls auf die Wand gegen über dem Schalldruck auf der Quellenseite vernachlässigt werden. Weiter hin vereinfacht sich dadurch die Steuerung der Schallgeber auf einen einfachen Proportionalverstärker mit Filterkorrektur.In this arrangement, in contrast to known anti-noise systems directly the vibrations of the wall running perpendicular to the wall surface detected by structure-borne sound vibration sensors and thus the immediately controlled nearby sounders. The reinforcement as well Phase shift of the sensor signal is such that the vibrating wall caused volume changes in the airspace in the Be range around the sounder by an opposite one, from the so is compensated for by the volume change caused. Because of the natural Chen wall insulation are on the immission side, d. H. the side of the wall, which has to be protected from noise, much smaller anti-noise vibrations necessary. This reduces the necessary sounders to others may experience the effect of the anti-sound on the wall be neglected above the sound pressure on the source side. Next This simplifies the control of the sounder on one simple proportional amplifier with filter correction.
Je nach Art der Wand und der angeregten Wandschwingungen können die Schallgeber vor der Wand entweder durch einen oder mehrere Körperschall schwingungsaufnehmer angesteuert werden. Der Abstand je zweier benach barter Schallgeber sollte die Hälfte der kleinsten zu kompensierenden Schallwellenlänge nicht überschreiten; da die Dämmung normaler Wände bei Frequenzen unterhalb von ca. 300 Hz deutlich nachläßt, sollte daher der Abstand benachbarter Schallgeber höchstens 50 cm betragen. Bei ausge dehnten Wandflächen können die Schallgeber in gleichen Rasterabständen oder entsprechend der Wandschwingung gewichtet über die Wand angebracht werden. Je geringer der Rasterabstand im Verhältnis zu der auszulöschen den Schallwellenlänge ist, desto größer ist die maximal erreichbare Schallauslöschung.Depending on the type of wall and the excited wall vibrations, the Sounders in front of the wall either through one or more structure-borne noise vibration sensors can be controlled. The distance between two neighboring The sound generator should be half of the smallest to be compensated Do not exceed sound wavelength; because the insulation of normal walls Frequencies below about 300 Hz, the The maximum distance between adjacent sounders is 50 cm. When out The wall sounder can be extended at equal grid intervals or weighted according to the wall vibration attached over the wall become. The smaller the grid spacing in relation to that to wipe out the sound wavelength, the greater the maximum achievable Sound cancellation.
Im einfachsten Fall können die einzelnen Systeme aus Körperschallschwin gungsaufnehmer und Schallgeber autonom sein; wobei sich eine Verbesse rung der Wirkung jedoch noch dadurch erzielen läßt, daß die Signale be nachbarter Systeme zur Steuerung jedes Schallgebers mit einbezogen wer den.In the simplest case, the individual systems can be made from structure-borne noise the sensor and sounder are autonomous; being an improvement tion of the effect can still be achieved in that the signals be neighboring systems to control each sounder included the.
Da die Abstrahlung von Schallwellen in Ecken oder Kanten von einander zulaufenden Wänden schwierig vorausberechenbar ist, kann es zweckmäßig sein, einen in einer Ecke oder Kante angebrachten Schallgeber durch meh rere, an jeder der benachbarten Wände angeordnete Körperschallschwin gungsaufnehmer zu steuern, wozu deren gewichtetes Summensignal herange zogen wird.Because the radiation of sound waves in corners or edges from each other approaching walls is difficult to predict, it can be useful be a sound generator installed in a corner or edge by meh Other structure-borne sound waves arranged on each of the adjacent walls control to control what their weighted sum signal is pulled.
Es ist auch möglich, die Energieversorgung der Schallgeber aus den sich bewegenden Wänden, wie z. B. bei Fahr- oder Flugzeugen zu ziehen. Hierbei kann es sich z. B. um einen analogen Aufzugsmechanismus handeln, wie er bei Armbanduhren realisiert wird. Auch können tieffrequente Schwingungen der Wand dazu verwendet werden, in einem elektrodynamischen System elektrische Leistungen zu erzeugen, die dann gespeichert und zur Energieversorgung des Schallgebersystems verwendet werden. Eine solche Anordnung wäre dann auch energiemäßig völlig autonom.It is also possible to derive the power from the sounder moving walls, such as B. to pull in vehicles or aircraft. Here can it be z. B. act as an analog elevator mechanism as he is realized in wristwatches. Low frequency vibrations can also occur the wall can be used in an electrodynamic system generate electrical power, which is then stored and used Power supply of the sounder system can be used. Such The arrangement would then also be completely autonomous in terms of energy.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einiger, in den Figuren teilweise schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigenThe invention is based on some, in the figures in part schematically illustrated embodiments described in more detail. It demonstrate
Fig. 1 ein Antischallsystem für eine passive Wand, Fig. 1 shows an anti-noise system for a passive wall,
Fig. 2 ein Antischallsystem mit in Resonanz betriebenem Schallgeber, Fig. 2 shows an anti-noise system Actuated in resonance sound generator,
Fig. 3 eine Wandfläche mit gleichmäßig angeordneten Antischallsystemen, Fig. 3 is a wall surface with uniformly arranged anti-sound systems,
Fig. 4 eine Wandfläche mit linienförmig angeordneten Antischallsystemen und Fig. 4 shows a wall surface with linearly arranged anti-noise systems and
Fig. 5 ein Antischallsystem bei einer Wandkante. Fig. 5 shows an anti-noise system at a wall edge.
Anhand des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispieles wird die Funk tionsweise eines Antischallsystems 10 beschrieben. Dieses besteht aus einem Schallgeber 11 und aus einem Körperschallschwingungsaufnehmer 12, z. B. einem Beschleunigungsaufnehmer. Das Antischallsystem 10 ist an der, der Schallquelle 15 gegenüberliegenden Wandseite 14.1 der Wand 14 angebracht, so daß der daran angrenzende Raum vor dem durch die Wand hindurchgehenden Restschall geschützt wird. Das Schallfeld der Schallquelle 15 regt die Wand zu Schwingungen an, wobei die Innenwand 14.1 diese Schwingungen abstrahlt. Die senkrecht zur Wandfläche 14.1 verlaufenden Wandschwingungen werden durch den Körperschallschwingungs aufnehmer 12 erfaßt und mit dessen Ausgangssignal der Schallgeber 11 so angesteuert, daß er die Schallabstrahlung der Innenwand 14.1 in seiner Umgebung gerade kompensiert.On the basis of the embodiment shown in FIG. 1, the mode of operation of an antisound system 10 is described. This consists of a sound generator 11 and a structure-borne sound vibration sensor 12 , for. B. an accelerometer. The antisound system 10 is attached to the wall side 14.1 of the wall 14 opposite the sound source 15 , so that the space adjoining it is protected from the residual sound passing through the wall. The sound field of the sound source 15 excites the wall to vibrate, the inner wall 14.1 radiating these vibrations. The perpendicular to the wall surface 14.1 wall vibrations are detected by the structure-borne vibration transducer 12 and controlled by the output signal of the sound generator 11 so that it just compensates for the sound radiation from the inner wall 14.1 in its environment.
In Fig. 4 ist das Ersatzschaltbild für ein Antischallsystem 40 darge stellt, bei welchem der Schallgeber 41 aus einem Resonanzschwinger mit einem Kolben 45 der Masse m und der Fläche A, einer Feder 46 mit der Fe derkonstante c und einem Dämpfer 47 der Dämpfungskonstante k besteht. Dieses Ersatzschaltbild gilt in einfachster Weise auch für einen Laut sprecher oder eine schwingende Platte. Der Kolben 45 kann durch einen Kraftgeber 48 mit der Kraft F(t) angetrieben werden (t = Zeit). An der zu kompensierenden Wand 44 sitzt ein Körperschallschwingungsaufnehmer 42, z. B. ein Beschleunigungsaufnehmer, der die normale Wandbeschleuni gung (t) aufnimmt. Ein solches resonantes Antischallsystem 40 ist be sonders zur Kompensation von periodischem Lärm oder bei ausgeprägten Wandresonanzen vorteilhaft. Dabei wird die Resonanzfrequenz ω0 des Resonators auf die auszulöschende Lärmfrequenz abgestimmt. Um mit mini malem Kraftaufwand F(t) und damit kleineren Baugröße auszukommen, lautet die Steuervorschrift für die Kraft F(t)In Fig. 4, the equivalent circuit diagram for an anti-noise system 40 is Darge, in which the sound generator 41 consists of a resonance oscillator with a piston 45 of mass m and the area A, a spring 46 with the Fe derkonstante c and a damper 47 of the damping constant k . This equivalent circuit diagram also applies in the simplest way to a loudspeaker or a vibrating plate. The piston 45 can be driven by a force transmitter 48 with the force F (t) (t = time). At the wall 44 to be compensated, a structure-borne vibration sensor 42 , z. B. an accelerometer that receives the normal wall acceleration (t). Such a resonant sound system 40 is particularly advantageous for compensating for periodic noise or with pronounced wall resonances. The resonance frequency ω 0 of the resonator is tuned to the noise frequency to be canceled. In order to make do with minimal force F (t) and thus smaller size, the control regulation for the force F (t) is
F(t) = γ1 s(t) + γ2(t) + γ3 (t)F (t) = γ 1 s (t) + γ 2 (t) + γ 3 (t)
wobei γ1 : γ2 : γ3 = c : k : m sein soll.where γ 1 : γ 2 : γ 3 = c: k: m should be.
(t) ist die normale Schwinggeschwindigkeit und s(t) der Schwingungsaus schlag der Wand. (t) und s(t) können durch Integration aus der Be schleunigung (t) gebildet werden.(t) is the normal vibration speed and s (t) is the vibration vibration hit the wall. (t) and s (t) can be integrated from the Be acceleration (t) are formed.
Um den ganzen Frequenzbereich nach diesem Arbeitsprinzip abzudecken, sind mehrere, auf verschiedene Resonanzfrequenzen abgestimmte Anti schallsysteme 40 einzusetzen, wobei jedes dieser Systeme nur das reso nanznahe Frequenzband kompensiert.In order to cover the entire frequency range according to this working principle, several sound systems 40 are used which are tuned to different resonance frequencies, each of these systems only compensating for the near-resonance frequency band.
Die Fig. 3 und 4 zeigen verschiedene Anordnungen von Antischallsystemen an ausgedehnten Wandflächen. In Fig. 3 sind die Antischallsysteme 50 in gleichmäßigem Raster mit Abständen von kleiner λ/2 der kleinsten zu kompensierenden Schallwellenlänge über die Wandfläche verteilt. Bei Ver wendung von linienförmig angeordneten Schallgebern können die Anti schallsysteme 60 gemäß Fig. 4 ebenfalls mit Abständen von kleiner λ/2 nebeneinander angeordnet sein. FIGS. 3 and 4 show various arrangements of anti-sound systems in broad wall surfaces. In Fig. 3, the anti-sound systems are distributed in uniform grid 50 with intervals of less than λ / 2 of the smallest to compensating sound wavelength over the wall surface. When using linearly arranged sound generators, the anti-noise systems 60 according to FIG. 4 can also be arranged next to one another at intervals of less than λ / 2.
In Fig. 5 ist ein Antischallsystem 70 in einer Wandkante dargestellt. Dieses besteht aus einem Schallgeber 71 und zwei normal in den zusammen stoßenden Wandflächen 74.1 und 74.2 angebrachten Körperschallschwin gungsaufnehmern 72.1 und 72.2. Als Steuersignal für den Schallgeber 71 dient das gewichtete Summensignal der Körperschallschwingungsaufnehmer 72.1 und 72.2.In Fig. 5, an anti-sound system is illustrated in a wall edge 70. This consists of a sound generator 71 and two normally in the colliding wall surfaces 74.1 and 74.2 attached structure-borne vibration transducers 72.1 and 72.2 . As a control signal for the sound generator 71, the weighted sum signal is used to Körperschallschwingungsaufnehmer 72.1 and 72.2.
Doppel- oder Mehrfachwände werden in gleicher Weise wie Einfachwände be handelt. Jeweils die der zu schützenden Seite zugewandte Wandfläche ei ner Doppel- oder Mehrfachwand wird mit Antischallsystemen der oben ge zeigten Art versehen.Double or multiple walls are used in the same way as single walls acts. In each case the wall surface facing the side to be protected ner double or multiple wall is ge with anti-noise systems of the above showed kind provided.
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