DE4226885C2

DE4226885C2 - Schallabsorptionsverfahren für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE4226885C2
Application number: DE4226885A
Authority: DE
Inventors: Raymond Freymann; Helmut Spannheimer; Rainer Beer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1992-08-13
Filing date: 1992-08-13
Publication date: 2001-04-19
Anticipated expiration: 2012-08-14
Also published as: EP0586831A2; EP0586831B1; DE4226885A1; EP0586831A3; DE59308951D1

Abstract

Bei einem Schallabsorptionsverfahren für Kraftfahrzeuge, bei dem mittels eines Lautsprechers Schalldruckwerte erzeugt werden und bei dem mittels eines Helmholtz-Resonators Schalldruck bei dessen Resonanzfrequenz absorbiert wird, werden mittels des im Hohlkörper des Helmholtz-Resonators angebrachten Lautsprechers Schalldruckwerte im Hohlkörper erzeugt, durch die gleichzeitig oder zeitlich aufeinanderfolgend beliebig viele von dem realen Hohlkörpervolumen abweichende Hohlkörpervolumina simuliert werden, wobei die zu simulierenden Hohlkörpervolumina aufgrund beliebiger gewünschter Resonanzfrequenzen für den Helmholtz-Resonator bestimmt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schallabsorptionsver fahren für Kraftfahrzeuge nach dem Oberbegriff des Pa tentanspruchs 1.

Aus der DE 37 29 765 A1 ist beispielsweise ein Schallab sorptionsverfahren bekannt, bei dem mehrere Helmholtz- Resonatoren, insbesondere zur Dämpfung tieffrequenter Hohlraumschwingungen, parallel geschaltet und platzspa rend in der Fahrzeugkarosserie untergebracht sind. Bei einer Dämpfung von Schalldruckschwingungen durch Helm holtz-Resonatoren sind mit tiefer werdenden Frequenzen in der Regel größere Hohlkörpervolumina der Helmholtz-Reso natoren erforderlich. Das aus der DE 37 29 765 A1 be kannte Schallabsorptionssystem versucht das Problem der großen Hohlkörpervolumina lediglich durch die Art der Unterbringung im Kraftfahrzeug zu lösen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Schallabsorptionssystem zu schaffen, das bei Einsatz von Helmholtz-Resonatoren auch zur Absorption von tieffrequenten Schalldruckschwin gungen keine großen Hohlkörpervolumina benötigt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Das Hohlkörpervolumen eines Helmholtz-Resonators wirkt sich in Form des in ihm vorherrschenden Schalldruckver haltens auf die Schallabsorption aus. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, in einem verhältnismäßig kleinen Hohlkörper eines Helmholtz-Resonators ein Schalldruckver halten zu erzeugen, das dem Schalldruckverhalten des üb licherweise jeweils notwendigen Hohlkörpervolumens für die jeweils gewünschte Resonanzfrequenz des Helmholtz-Re sonators, bei der der Schalldruck zumindest in überwie gendem Maße absorbiert wird, entspricht. Dazu ist im Hohlkörper eines Helmholtz-Resonators ein Lautsprecher angebracht, durch den der Hohlkörper derart beschallt wird, daß das jeweils erforderliche Hohlkörpervolumen für die jeweils gewünschte Resonanzfrequenz im Hohlkörper vorgetäuscht wird. Dabei kann nur ein einziges Hohlkör pervolumen sowie aber auch zeitlich aufeinanderfolgend oder gleichzeitig mehrere Hohlköpervolumina simuliert werden. Besonders vorteilhaft ist die Simulation derart vieler Hohlkörpervolumina, daß ein breitbandiges Reso nanzverhalten in Form eines akustischen Bandpaßfilters erzeugt wird.

Durch diese Erfindung ist zum einen eine Schallabsorption durch Helmholtz-Resonatoren mit einem verhältnismäßig kleinen Volumen möglich. Zum anderen kann ein einziger Helmholtz-Resonator sowohl zeitlich aufeinanderfolgend als auch gleichzeitig auf mehrere Resonanzfrequenzen ab gestimmt werden.

Im folgenden wird der erfindungsgemäß mit einem Lautspre cher beschallte Helmholtz-Resonator auch als aktiver Helmholtz-Resonator bezeichnet, während herkömmliche Helmholtz-Resonatoren mit vorgegebenen realen Volumina auch passive Helmholtz-Resonatoren genannt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch das Verfahren nach Unteranspruch 2 wird bei spielsweise eine von den aktuellen in der Umgebung des aktiven Helmholtz-Resonators vorherrschenden Schalldruck werten abhängige Ansteuerung des Lautsprechers erreicht. Die Ansteuerung des Lautsprechers findet durch ein Übertragungssystem statt, das zwischen dem die in der Um gebung vorherrschenden Schalldruckwerte aufnehmenden Mi krofon und dem im aktiven Helmholtz-Resonator befindli chen Lautsprecher angeordnet ist. Das Übertragungssystem ist derart ausgebildet, daß das Schallabsorptionssystem bestehend aus dem Mikrofon, dem Übertragungssystem und dem aktiven Helmholtz-Resonator dasselbe Übertragungsver halten aufweist wie ein passiver Helmholtz-Resonator mit dem für die jeweils gewünschte Resonanzfrequenz erforder lichen realen Volumen.

Das Übertragungssystem ist beispielsweise durch den Auf bau einer elektrischen Schaltanordnung mit digitalen oder analogen Mitteln realisierbar, die auf das gewünschte akustische Übertragungsverhalten durch elektrische Analo gien abstimmbar ist.

Das Übertragungsverhalten des Übertragungssystems nach Unteranspruch 3 bildet, insbesondere mit PD₂T₂-Gliedern, das Übertragungsverhalten eines passiven Helmholtz-Reso nators mit einem realen, dem jeweils simulierten entspre chenden Volumen optimal nach.

Mit der Vorrichtung nach Unteranspruch 4 ist die Ansteue rung des Lautsprechers zur Anpassung des aktiven Helm holtz-Resonators auf eine gewünschte Resonanzfrequenz mittels der gemessenen Schalldruckwerte innerhalb eines kleinen, passiven Vergleichs-Helmholtz-Resonators möglich.

Das Übertragungsverhalten dieses passiven Vergleichs- Helmholtz-Resonators ist ebenfalls auf die Absorption des Schalldruckes bei der gewünschten Resonanzfrequenz abge stimmt.

Eine derartige elektro-akustische Vorrichtung ist einfa cher aufzubauen und paßt sich Störeinflüssen in Form von sich überlagernden, äußeren Druckschwankungen besser an, als eine elektrische Schaltanordnung auf der Basis einer elektrischen Analogie zu einer idealisierten, akustischen Anordnung.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines bekannten passiven Helmholtz-Resonators,

Fig. 2 zwei mögliche Ausgestaltungen für einen aktiven Helmholtz-Resonator,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Ansteuerung des Laut sprechers über ein elektronisch ausgebildetes Übertragungssystem und

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Ansteuerung des Lautspre chers über ein elektro-akustisch ausgebildetes Übertragungssystem.

Gleiche Bauteile in den Fig. 1 bis 4 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Links in Fig. 1 ist in der Seitenansicht der Schnitt durch einen herkömmlichen Helmholtz-Resonator, bestehend aus einem Hohlkörper mit dem Volumen V und einer Luft durchtrittsöffnung mit einem Hals der Länge l und des Durchmessers d, dargestellt. Auf der rechten Seite der Fig. 1 ist die Draufsicht des Helmholtz-Resonators mit der Luftdurchtrittsöffnung der Querschnittsfläche a ge zeigt.

Für die Resonanzfrequenz eines Helmholtz-Resonators, bei der der Schalldruck zumindest in überwiegendem Maße ab sorbiert wird, gilt die Beziehung:

mit der Schallgeschwindigkeit c, mit der Halslänge l und der Querschnittsfläche a der Luftdurchtrittöffnung sowie mit dem Volumen V des Hohlkörpers.

Im folgenden soll auf die Abhängigkeit der Resonanzfre quenz f allein vom Volumen V eingegangen werden. Die Länge l und die Querschnittsfläche a der Luftdurch trittsöffnung seien konstant. Wie aus der Formel ersicht lich ist, muß mit tiefer werdenden Frequenzen f das Vo lumen V größer werden. Dieser Zusammenhang bildet die Problematik des großen Platzbedarfs bei der Anwendung ei nes Helmholtz-Resonators in Kraftfahrzeugen, da dort ins besondere die Schalldrücke tiefer Frequenzen absorbiert werden müssen.

Fig. 2 stellt zwei mögliche Ausführungsformen für einen aktiven Helmholtz-Resonator AHR1 und AHR2 vor, deren reale Volumina jeweils durch den Hohlkörper H festgelegt sind. Auch die Luftdurchtrittsöffnungen D seien jeweils fest definiert.

Bei dem aktiven Helmholtz-Resonator AHR1 ist die der Luftdurchtrittsöffnung D gegenüberliegende Wand des Hohl körpers H durch einen Lautsprecher L ersetzt. Durch den Lautsprecher L werden die Schalldruckwerte im Hohlkörper H verändert, so daß andere imaginäre Volumina im Hohlkör per H simuliert werden, als das Volumen, das real vorhan den ist.

Dieselbe Funktion erfüllt auch der Lautsprecher L, der innerhalb des Hohlkörpers H des aktiven Helmholtz-Resona tors AHR2 angeordnet ist. Bei dieser Anordnungsmöglich keit ist der Lautsprecher L nicht Teil einer Hohlkörper wand, sondern ist im Hohlkörper H zumindest nahezu voll ständig zur Umgebung hin abgedichtet. Eine derartige An ordnung wird beispielsweise benötigt, wenn besondere Maß nahmen gegen unerwünschte Störeinflüsse durch sich über lagernde Druckschwankungen von außerhalb des Hohlkörpers H ergriffen werden sollen.

In Fig. 3 und 4 ist der Einfachheit halber jeweils nur ein aktiver Helmholtz-Resonator AHR in Form des Helm holtz-Resonators AHR1 dargestellt. Dies ist jedoch nicht einschränkend, sondern lediglich beispielhaft gemeint.

In Fig. 3 ist ein Mikrofon M außerhalb des aktiven Helm holtz-Resonators AHR über eine Eingangsleitung mit einem Übertragungssystem Ü verbunden. Das Übertragungssystem Ü ist über eine Ausgangsleitung am Lautsprecher L des akti ven Helmholtz-Resonators AHR angeschlossen.

Das Mikrofon M nimmt in der Nähe der Luftdurchtrittsöff nung D des Hohlkörpers H die außerhalb des Hohlkörpers H vorherrschenden Schalldruckwerte p_a auf und setzt diese in ein entsprechendes elektrisches Signal um, das an das Übertragungssystem Ü weitergegeben wird. Das Übertra gungssystem Ü sei eine elektronische Schaltanordnung mit PD₂T₂-Übertragungsverhalten. Der Lautsprecher L wird durch den elektrischen Strom I vom Übertragungsystem Ü angesteuert.

Das PD₂T₂-Übertragungsverhalten kann beispielsweise für eine einzige, gewünschte Resonanzfrequenz mathematisch durch folgende Formel entsprechend der Laplace-Transfor mation

ausgedrückt werden, wobei C₀, C₁, C₂, C₃ und C₄ Konstan ten sind, die von der Form des Hohlkörpers H, von der ge wünschten Resonanzfrequenz f sowie vom Frequenz-Lei stungs-Verlauf des Lautsprechers L abhängen, und wobei s der Imaginäranteil der komplexen Frequenz p = σ + jw mit s = jw als Laplace-Variable ist.

Das in Fig. 3 dargestellte Übertragungssystem Ü ist für beliebig viele Resonanzfrequenzen anwendbar. Es kann in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung demnach auch für eine Vielzahl verschiedener, gewünschter Resonanzfre quenzen, deren Schalldrücke zu absorbieren sind, gleich zeitig angewendet werden.

Beispielsweise ist für eine Anzahl n von gewünschten Re sonanzfrequenzen das Übertragungssystem mathematisch wie folgt darstellbar:

Danach kann eine frequenzbreitbandige Wirksamkeit der Schalldruckabsorption erreicht werden, da sich der Helm holtz-Resonator gleichzeitig bei vielen Frequenzen in Ei genresonanz befindet.

In Fig. 4 sind ein aktiver Helmholtz-Resonator AHR und ein passiver Vergleichs-Helmholtz-Resonator PHR darge stellt. Ein Mikrofon M₁ außerhalb der beiden Helmholtz- Resonatoren und ein Mikrofon M₂ innerhalb des passiven Vergleichs-Helmholtz-Resonators PHR sind über Eingangs leitungen mit einer Recheneinheit R verbunden. Eine Aus gangsleitung der Recheneinheit R ist am Lautsprecher L des aktiven Helmholtz-Resonators AHR angeschlossen.

Der passive Vergleichs-Helmholtz-Resonator PHR soll in Miniaturbauform auf dieselbe Resonanzfrequenz bzw. zur Absorption des Schalldruckes derselben Frequenz ausge bildet sein, der auch vom aktiven Helmholtz-Resonator AHR absorbiert werden soll. Dazu besitzt der passive Ver gleichs-Helmholtz-Resonator PHR dasselbe Übertragungsver halten, das auch einem passiven Helmholtz-Resonator mit dem realen Hohlköpervolumen, das dem für den zu absorbie renden Schalldruck bei gewünschter Resonanzfrequenz er forderlichen, zu simulierenden Hohlköpervolumen ent spricht, zugrunde liegt.

Das Mikrofon M₁ nimmt die Schalldruckwerte außerhalb der beiden Helmholtz-Resonatoren AHR und PHR in der Nähe de rer Luftdurchtrittsöffnungen D1 und D2 auf. Das Mikrofon M₂ erfaßt die Schalldruckwerte innerhalb des passiven Helmholtz-Resonators PHR. Die Signale der Mikrofone M₁ und M₂ werden der Recheneinheit R zugeführt. Die Rechen einheit R ist kein frequenzabhängiges Übertragungssystem Ü (≠ f(p), mit p = σ + jw), sondern lediglich eine additive und/oder multiplikative Verstärkungsschaltung unter Be rücksichtigung der Konstanten C₀, C₁, C₂, C₃ und/oder C₄, die von der Form des Hohlkörpers H des AHR, von der ge wünschten Resonanzfrequenz f sowie vom Frequenz-Lei stungs-Verlauf des Lautsprechers L abhängen.

Die beiden Helmholtz-Resonatoren AHR und PHR unterschei den sich lediglich darin, daß aufgrund der Hohlkörpervo lumenunterschiede durch den aktiven Helmholtz-Resonator AHR bei gleicher Freuqunz und gleicher Dämpfung eine um ein Vielfaches größere Schallenergie absorbiert wird als durch den passiven Vergleichs-Helmholtz-Resonator PHR. Diese Absorptionsverstärkung findet in der Recheneinheit R statt und wirkt sich über die Ansteuerung des Lautspre chers L über die Ausgangsleitung der Recheneinheit R auf den aktiven Helmholtz-Resonator AHR aus.

Auch die Ausgestaltung der Erfindung gemäß Fig. 4 ist auf mehrere gewünschte Resonanzfrequenzen gleichzeitig an wendbar, indem mehrere Vergleichs-Helmholtz-Resonatoren, d. h. je ein jeder gewünschten Resonanzfrequenz zugeordne ter Vergleichs-Helmholtz-Resonator, in Parallelschaltung zur Ansteuerung des Lautsprechers verwendet werden.

Darüber hinaus sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung auf Helmholtz-Resonatoren mit beliebig geformten Hohlkör pern und beliebig ausgebildeten Luftdurchtrittsöffnungen anwendbar ist. Beispielsweise hat sich eine Luftdurch trittsöffnung in Form einer größerflächigen, siebartigen Abdeckung des Hohlkörpers als besonders vorteilhaft er wiesen.

Auch ist eine Anordnung von mehreren Lautsprechern inner halb des aktiven Helmholtz-Resonators denkbar.

Claims

1. Schallabsorptionsverfahren für Kraftfahrzeuge, bei dem mittels eines Lautsprechers Schalldruckwerte er zeugt werden und bei dem mittels eines Helmholtz-Re sonators Schalldruck bei dessen Resonanzfrequenz ab sorbiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des im Hohlkör per (H) des Helmholtz-Resonators (AHR, AHR1, AHR2) angebrachten Lautsprechers (L) Schalldruckwerte im Hohlkörper (H) erzeugt werden, durch die gleichzei tig oder zeitlich aufeinanderfolgend beliebig viele, von dem realen Hohlkörpervolumen (H) abweichende Hohlkörpervolumina simuliert werden, wobei die zu simulierenden Hohlkörpervolumina aufgrund beliebiger gewünschter Resonanzfrequenzen für den Helmholtz- Resonator (AHR, AHR1, AHR2) bestimmt werden.

2. Schallabsorptionsverfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines ersten Mi krofons (M, M₁) die außerhalb des Helmholtz-Resona tors (AHR, AHR1, AHR2) vorherrschenden Schalldruck werte (p_a) aufgenommen und einem Übertragungssystem (Ü) zugeführt werden, durch das der Lautsprecher (L) derart angesteuert wird, daß durch das gesamte Schallabsorptionsverfahren das Übertragungsverhalten von Helmholtz-Resonatoren mit realen, den simulier ten entsprechenden Volumina nachgebildet wird.

3. Schallabsorptionsverfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder gewünschten Reso nanzfrequenz im Übertragungssystem (Ü) ein PD_iT_k- Glied, mit i und k größer oder gleich 1, vorteilhaf terweise 1 oder 2, zugeordnet wird und daß das Über tragungssystem (Ü) aus der Summe aller PD_iT_k-Glieder erzeugt wird.

4. Schallabsorptionsverfahren nach Patentanspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lautsprecher (L) zur Erzeugung einer gewünschten Resonanzfrequenz durch Simulation eines dazu erforderlichen Hohlkörpervolu mens mittels des Schalldrucksignals eines weiteren Mikrofons (M₂) innnerhalb eines in Kleinbauform ausgebildeten Vergleichs-Helmholtz-Resonators (PHR) angesteuert wird, der dasselbe Übertragungsverhalten, bezogen auf die gewünschte Resonanzfrequenz, aufweist, wie ein Helmholtz-Resonator mit einem realen, dem si mulierten entsprechenden Hohlkörpervolumen.