DE4228356A1 - Hohlraumresonator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hohlraumresonator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zur Verringerung von Emission und Immission von periodischem Lärm mit veränderlicher Arbeitsfrequenz, insbesondere zur Lärmreduzierung eines Kolbenmotors.

Aus der DE 33 00 499 A1 ist ein Hohlraumresonator dieser Art in Form eines Helmholtz-Resonators mit einer veränderlichen Resonanzfrequenz bekannt, die auf dem Wege über eine Volumenverstellung des Resona­ tor-Hohlraums an die Arbeitsfrequenz der Lärmquelle angepaßt werden kann. Ein derartiger Resonator erfordert jedoch einen ungünstig großen Einbauraum von dem jeweils nur ein je nach Arbeitsfrequenz der helle mehr oder weniger kleiner Bruchteil als Hohlraumvolu­ men genutzt werden kann, zumal sich die Resonanzfrequenz nur mit der Wurzel des wirksamen Resonatorvolumens ändert, ist mechanisch stör­ anfällig und hat vor allem den Nachteil, daß die Frequenzverstell­ barkeit zwangsläufig mit einer Verschlechterung der durchschnitt­ lichen Antischallwirkung verbunden ist und innerhalb des Verstell­ bereichs nur bei einer einzigen, baubedingt fest vorgegebenen Ar­ beitsfrequenz eine hochgradige Lärmreduktion erreicht wird,

Aufgabe der Erfindung ist es, einen frequenzveränderlichen Hohlraum­ resonator der eingangs genannten Art so auszubilden, daß auf bau­ lich einfache Weise eine über den gesamten Resonanzverstellbereich gleichmäßig hohe Antischallwirkung zu erzielen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Hohlraumresonator gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Hohlraumresonator sind die jeweilige Re­ sonanzfrequenz und die Flußimpedanz nicht mehr zwangsweise in einer invarianten gegenseitigen Abhängigkeit miteinander verknüpft, son­ dern lassen sich innerhalb weiter Grenzen unabhängig voneinander oder nach einer irgend erwünschten Funktion derart einstellen, daß die Flußimpedanz über den gesamten Resonanzfrequenz-Verstellbereich auf einem sehr niedrigen Wert verbleibt und dadurch für periodische Lärmquellen wechselnder Arbeitsfrequenz eine gleichbleibend hohe An­ tischallwirkung des Hohlraumresonators garantiert wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung, der sich auf einen Reso­ nator vom Heimholtz-Typ bezieht, erfolgen die Frequenz- und Impe­ danzverstellung nach Anspruch 2 über Länge und Querschnitt des Reso­ natorhalses, was den wesentlichen konstruktiven Vorteil hat, daß der gesamte Einbauraum stets vollständig als wirksames Resonatorvolumen genutzt wird, der Resonator eine feste Außenkontur besitzt und die empfindlicheren Verstellmechanismen geschützt im Resonatorinneren liegen.

Bei einem λ/4 Resonator wird die Frequenz- und Impedanzverstellung gemäß Anspruch 3 vorzugsweise dadurch bewirkt, daß dieser sowohl längen- als auch hiervon unabhängig - zumindest abschnittsweise - querschnittsveränderlich ausgebildet ist.

Wie bereits erwähnt, wird die Flußimpedanz erfindungsgemäß im Reso­ nanz-Verstellbereich auf einen möglichst niedrigen Wert eingeregelt, was gemäß Anspruch 4 zweckmäßigerweise mittels einer vorgewählten Frequenz-/Flußimpedanzrelation geschieht, die in weiterer baulicher Vereinfachung konstruktiv in den Hohlraumresonator integriert ist.

Gemäß einem weiteren wesentlichen Aspekt der Erfindung besitzt der Resonator nach Anspruch 5 als weitere unabhängige Variable eine ver­ änderliche Eigendämpfung, die im jeweiligen Arbeitspunkt des Resona­ tors bis auf eine geringfügige Restdämpfung reduziert wird, wodurch die Antischallwirkung des Resonators, die bekanntlich im Resonanz­ fall umgekehrt proportional der Eigendämpfung ist, weiter deutlich erhöht werden kann. Eine baulich besonders einfache Maßnahme zur Kompensation der Resonatordämpfung besteht gemäß Anspruch 6 darin, daß im Einlaßbereich des Resonators eine Heizeinrichtung angeordnet ist, durch die der Verlustfaktor bis kurz vor Erreichen des Rück­ koppelungspunktes, bei dem das System nach dem Prinzip des Pinaud- oder des Rÿke-Resonators in selbständige Resonanzschwingungen ge­ rät, verringert wird. Wahlweise ist gemaß Anspruch 7 zum Abbau der Eigendämpfung eine durch das vorbeiströmende Arbeitsmedium analog einer Orgelpfeife angefachte Schneide im Einlaßbereich des Resona­ tors angeordnet, wodurch auf konstruktiv einfache und energiespa­ rende Weise wiederum der Verlustfaktor des Resonators bis kurz vor Erreichen des Rückkoppelungspunktes verkleinert werden kann.

Zur selbsttätigen Anpassung an die jeweilige Lärmsituation enthält der Resonator gemäß Anspruch 8 in besonders bevorzugter Weise einen Regelkreis mit Sensoren zur Ermittlung der zu dämpfenden Schallfre­ quenz und zur Erzeugung eines die Resonanzfrequenz und Flußimpedanz über den Verstellmechanismus des Resonators entsprechend nachregu­ lierenden Stellsignals.

Als Sensoren werden gemäß Anspruch 9 zweckmäßigerweise im Resonator­ inneren angeordnete, verschieden abgestimmte Resonanzzungen verwen­ det, die über Körper- oder Luftschall angeregt werden. Die resonante Zunge zeigt die Arbeitsfrequenz der Lärmquelle an und ihre Schwin­ gungsenergie kann zur Resonatorregelung genutzt werden.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung schließlich ist gemäß Anspruch 10 ein im Einlaßbereich des Resonators angeordnetes Windrad zur Eigenstromerzeugung für die Resonatorverstellung vorge­ sehen, wodurch bei hohen Lärmpegeln, bei denen die Schallschnelle im Resonatorhals "fühlbar" groß wird, der am Ein- und Austritt des Resonatorhalses aufgrund der unterschiedlichen Strömungsrichtung von Ein- und Auslaufströmung auftretende Gleichrichtereffekt der Schnellebewegung energiesparend genutzt wird.

Die Erfindung wird nunmehr anhand mehrerer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:

Fig. 1a, 1b einen verstellbaren Hohlraumresonator in Form eines Helmholtz-Resonators in zwei unterschied­ lichen Arbeitsstellungen;

Fig. 2a, 2b eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines verstellbaren Helmholtz-Resonators;

Fig. 3a, 3b ein drittes Ausführungsbeispiel eines verstell­ baren Helmholtz-Resonators;

Fig. 4a, 4b und 4c ein viertes Ausführungsbeispiel eines verstellba­ ren Helmholtz-Resonators in zwei unterschiedli­ chen Arbeitsstellungen (Fig. 4a und 4b) sowie im Schnitt (Fig. 4c);

Fig. 5 einen Resonator mit einer Heizeinrichtung im Ein­ laßbereich zur Verringerung der Eigendämpfung;

Fig. 6 einen Resonator mit einer verstellbaren Schneide im Einlaßbereich zur Verringerung der Eigendämp­ fung;

Fig. 7 einen Resonator mit einem Windrad im Einlaßbe­ reich zur Eigenstromerzeugung; und

Fig. 8a, 8b einen verstellbaren λ/4-Resonator in zwei unter­ schiedlichen Arbeitsstellungen.

Fig. 1 zeigt einen verstellbaren Hohlraumresonator in Form eines Helmholtz-Resonators 2, bestehend aus einem Resonatorgehäuse 4 mit einem lufterfüllten Innenraum 6. Der Resonatorhals 8 ist mittels einer im Resonator-Innenraum 6 angeordneten Stelleinrichtung 10 so­ wohl längen- als auch querschnittsveränderlich ausgeführt und wird durch einen flexiblen Schlauch 12 gebildet, der bei einer Längenän­ derung gleichzeitig eine bestimmte Querschnittsänderung erfährt, wobei die Längen-/Querschnittsrelation aufgrund des gewählten Ela­ stizitätsverhaltens des Schlauches 12 in einem weiten Bereich va­ riabel ist und so vorgegeben wird, daß der Resonator 2 unabhängig von der über die Stelleinrichtung 10 der Arbeitsfrequenz des Lärm­ emitters nachgeregelten Resonanzfrequenz eine möglichst niedrige Flußimpedanz beibehält.

Der Helmholtz-Resonator gemäß Fig. 2, in der die dem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel entsprechenden Bauelemente durch ein um 100 erhöhtes Bezugszeichen gekennzeichnet sind, unterscheidet sich von diesem durch eine andere Ausbildung des verstellbaren Resonatorhalses 108, der in diesem Fall durch eine mittels der Stelleinrichtung 110 axial verschiebbare Scheibe 114 begrenzt wird. Bei einer Abstandsänderung der Scheibe 114 gegenüber der mit der Resonator-Öffnung 116 versehe­ nen Gehäusewand 118 ändert sich das Luftvolumen des Resonatorhalses 108 und damit die Resonanzfrequenz des Resonators 102 und gleichzei­ tig die die Flußimpedanz beeinflussende Querschnittsfläche des Reso­ natorhalses 108. Durch eine entsprechende Wahl des Scheibendurchmes­ sers und der Scheibenform, etwa einer kegelförmigen oder gekrümmten anstelle der gezeigten ebenen Scheibengeometrie, läßt sich wiederum das Resonanzfrequenz-/Flußimpedanzverhalten des Resonators 102 in­ nerhalb weiter Grenzen so auswählen, daß eine gleichbleibend niede­ rige Flußimpedanz über den gesamten Resonanz-Verstellbereich erhal­ ten wird. Zusätzlich enthält der Resonator 102 eine Reihe von Blech­ zungen 120 mit abgestuften Resonanzfrequenzen. Die Anregung der Blechzungen 120 erfolgt durch Luft- und/oder durch Körperschall. Über die resonante Blechzunge 120 wird die jeweilige Arbeitsfrequenz der Lärmquelle bestimmt und ein Stellsignal erzeugt, welches auf dem Wege über die Stelleinrichtung 110 eine entsprechende Nachregulie­ rung der Resonanzfrequenz und Flußimpedanz bewirkt.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemaß Fig. 3, in der die einzelnen Bau­ elemente durch ein um 200 erhöhtes Bezugszeichen gekennzeichnet sind, besteht der Resonatorhals 208 aus einem gehäusefesten Außen- und einem formgleichen, drehbaren Innenrohr 222 und 224 mit jeweils abgeschrägten Enden und - zumindest im Bereich der abgeschrägten Enden - bezüglich der Drehachse geneigten, etwa konvergent gekrümm­ ten Mantelflächen. Durch Drehung des Innenrohres 224 zwischen der in Fig. 3a und der in Fig. 3b gezeigten Endlage läßt sich die Länge des Resonatorhalses 208 und dadurch die schwingende Luftmasse des Reso­ nators 202 verändern. Dabei wird gleichzeitig die Flußimpedanz nach einer durch die Verjüngung der Rohrenden variabel vorgebbaren Funk­ tion mitverstellt, die wiederum so gewählt wird, daß der Resonator 202 im gesamten Arbeitsbereich eine gleichbleibend hohe Antischall­ wirkung aufweist. Zur Drehpositionierung des Innenrohres 224 ist ein Drehmotor 210 vorgesehen, der durch ein der Arbeitsfrequenz der Lärmquelle proportionales Stellsignal gesteuert wird.

Bei dem Helmholtz-Resonator 302 gemäß Fig. 4 besteht der Resonator­ hals 308 aus zwei querverschieblich ineinandergreifenden U-förmigen Profilstücken 326 und 328, von denen das eine - 326 - gehäusefest und das andere - 328 - mittels der Stelleinrichtung 310 höhenver­ stellbar angeordnet ist. Die Seitenwangen 330 des Profilstücks 326 sind in Richtung des Austrittsendes des Resonatorhalses 308 abge­ schrägt, so daß sich bei einer Höhenverstellung des Profilstücks 328 gleichzeitig mit der Querschnittsfläche auch die wirksame Länge des Resonatorhalses 308 verändert. Durch den Verlauf der Abschrägung kann eine irgend erwünschte Längen-/Querschnittsrelation des Resona­ torhalses 308 ausgewählt werden, derart, daß der Resonator 302 in einem weiten Resonanzfrequenz-Verstellbereich eine gleichbleibend hohe Antischallwirkung besitzt. Im übrigen ist die Bau- und Funk­ tionsweise des Resonators 302 die gleiche wie bei den oben beschrie­ benen Ausführungsbeispielen.

Gemäß Fig. 5 befindet sich im Resonatorhals 408 ein heizbares Gitter 432. Dieselbe Wirkung hat auch eine Erwärmung des gesamten Resona­ torhalses 408. Nach dem Prinzip des Pinaud- bzw. Rÿke-Rohres wird hierdurch eine Kompensation der natürlichen Resonatordämpfung er­ reicht. Je kleiner die verbleibende Restdämpfung gemacht wird, desto niedriger ist die wirksame Flußresistanz. Eine geringfügige Rest­ dämpfung muß jedoch beibehalten werden, um eine selbständiges Reso­ nanzschwingen des Resonators zu vermeiden.

Fig. 6 zeigte eine andere Möglichkeit, die Flußresistanz und damit auch die Flußimpedanz durch eine Änderung der Eigendämpfung des Re­ sonators zu beeinflussen. Hierbei ist im Bereich des Resonatorhalses 508 eine mittels eines Stellmotors 534 verstellbare Schneide 536 an­ geordnet, die beim Einsatz des Resonators 502 durch das vorbeiströ­ mende Arbeitsmedium, etwa den Fahrtwind, angeblasen wird und dadurch eine Anfachung des Resonators 502 bewirkt, durch die die Eigendämp­ fung des Resonators wiederum bis auf eine Restdämpfung einstellbar abgebaut wird. Im übrigen ist die Bau- und Funktionsweise der Reso­ natoren 402 und 502 die gleiche wie bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 bzw. 2.

Fig. 7 zeigt einen Helmholtz-Resonator 602, der am Aus- oder - wie gezeigt - am Eintrittsende des Resonatorhalses 608 ein Windrad 638 aufweist. Aufgrund des unterschiedlichen Profils der Ein- und Aus­ laufströmung in den Endbereichen des Resonatorhalses 608 kommt es zu einer Strömungsgleichrichtung, die mittels des Windrades 638 zur au­ tarken Energieversorgung des Resonators 602, also der Stelleinrich­ tung 610 und des zugeordneten Regelkreises, genutzt wird.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 bezieht sich auf einen λ/4-Re­ sonator 702, bestehend aus spiralformig gewickelten flexiblen Schläuchen 740. Das eine Schlauchende ist offen und bildet den Re­ sonatorhals 708, das andere ist geschlossen und an einer mittels der Stelleinrichtung 710 drehbar angetriebenen Trommel 742 befestigt. Durch Verdrehen der Trommel 742 kommt es zu einer Längen- und Quer­ schnittsänderung der Schläuche 740. Unabhängig davon läßt sich die Querschnittsfläche durch Verdrillen der Schläuche 740 mittels einer zweiten Stelleinrichtung 744 verändern und damit wiederum eine er­ wünschte Resonanzfrequenz- und Impedanzrelation des Resonators 702 analog zu den obenbeschriebenen Ausführungsbeispielen einstellen.

Claims (10)

1. Hohlraumresonator mit veränderlicher Resonanzfrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (2, 102, 202, 302, 402, 502, 602, 702) eine zusätzlich zur Resonanzfrequenz als unabhängige Variable einstellbare Flußimpedanz besitzt.

2. Hohlraumresonator nach Anspruch 1 in Form eines Helmholtz-Resonators, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (2, 102, 202, 302) einen sowohl in der Länge als auch in der Querschnittsfläche verstellbaren Resonatorhals (8, 108, 208, 308) besitzt.

3. Hohlraumresonator nach Anspruch 1 in Form eines λ/4-Resona­ tors dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (702) sowohl längen- als auch gleichzeitig quer­ schnittsverstellbar ausgebildet ist.

4. Hohlraumresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz und die Flußimpedanz gleichzeitig nach einer vorgewählten Funktion veränderbar sind.

5. Hohlraumresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (402, 502) eine als unabhängige Variable veränderbare Eigendämpfung besitzt.

6. Hohlraumresonator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Eigendämpfung eine Heizeinrichtung (432) im Einlaßbereich des Resonators (402) angeordnet ist.

7. Hohlraumresonator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Eigendämpfung eine durch das vorbeiströ­ mende Arbeitsmedium angefachte Schneide (536) im Einlaßbereich des Resonators (502) angeordnet ist.

8. Hohlraumresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Sensoren zur Ermittlung der zu dämpfenden Schallfrequenz und zur Erzeugung eines die Resonanzfrequenz und Flußimpedanz dem­ entsprechend nachregulierenden Stellsignals.

9. Hohlraumresonator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensoren im Resonatorinneren (106) angeordnete, auf ver­ schiedene Arbeitsfrequenzen ansprechende Resonanzzungen (120) vorgesehen sind.

10. Hohlraumresonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Energieversorgung der Resonatorverstellung ein im Einlaß­ bereich des Resonators (602) angeordnetes Windrad (638) vor­ gesehen ist.