DE4421803A1 - Vorrichtung zur aktiven Schalldämpfung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur aktiven Schalldämpfung in einem an einer Lärmquelle, insbesondere an einem eine solche darstellenden Luftstromerzeuger, wie Ventilator, Gebläse od. dgl., angekoppelten oder eine solche enthaltenden, endseitig offenen, luftdurchströmten Kanal der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Solche luftdurchströmten Kanäle sind beispielsweise in Dunstabzugshauben enthalten, wobei die Kanäle langgestreckt oder bogenförmig gekrümmt ausgeführt sein können und der Luftströmungserzeuger oder Ventilator bzw. das Gebläse in Luftströmungsrichtung gesehen am Anfang oder Ende des Kanals sitzen kann.

Bei einer bekannten elektroakustischen Vorrichtung zur aktiven Schalldämpfung dieser Art (DE 40 27 511 C1, Fig. 12) ist das sog. Referenzmikrofon, im Kanalinnern angeordnet und ist damit unmittelbar der Luftströmung im Kanal ausgesetzt. Da im allgemeinen die Luftströmung im Kanal turbulent und das Mikrofon ein Schalldruckempfänger ist, vermag das Referenzmikrofon nicht die Druckschwankungen, die vom Schalldruck herrühren und durch den vom Lautsprecher erzeugten Antischall ausgelöscht werden sollen, von den Druckschwankungen innerhalb der turbulenten Luftströmung zu unterscheiden, die keine longitudinalen Druckverdichtungen im Ausbreitungsmedium darstellen und damit kein Schall sind. Das Spektrum dieser turbulenten Druckschwankungen, mitunter auch Pseudoschall genannt, fällt in vielen Fällen in etwa mit dem Spektrum des von der Lärmquelle abgestrahlten Störschalls zusammen und kann auch einen größeren Pegel aufweisen, so daß der Pseudoschall nicht von dem zu kompensierenden Störschall getrennt werden kann. Die Kohärenz des von der Lärmquelle erzeugten Störschalls und des vom Lautsprecher in den Kanal gegenphasig eingespeisten Antischalls, also des Schalls am Mikrofoneingang und Lautsprecherausgang, ist damit zu niedrig, um eine gute Schalldämpfung zu erzielen.

Dieses Problem läßt sich auch bei der Weiterentwicklung der elektroakustischen Vorrichtung zur aktiven Schalldämpfung gemäß Fig. 13 der DE 40 27 511 C1 nicht umgehen, bei welcher zusätzlich zu dem Referenzmikrofon noch ein Fehlermikrofon vorgesehen wird, das die Signalformung des Ausgangssignals des Referenzmikrofons zur Steuerung des Lautsprechers noch verbessert. Das Fehlermikrofon ist wiederum im Kanalinnern der Luftströmung ausgesetzt angeordnet, und zwar auf der von dem Referenzmikrofon abgekehrten Seite des Lautsprechers in geringem Abstand von diesem.

Bei einem bekannten Schalldämpfer gemäß Fig. 4 der DE 40 27 511 C1 wird eine Verbesserung der Schalldämpfung durch die Kombination der elektroakustischen Vorrichtung zur aktiven Schalldämpfung mit einer passiven Absorberauskleidung des Schallkanals gesucht, so daß ein hybrider Schalldämpfer entsteht, bei dem das elektroakustische aktive System derart auf den passiven Absorber einwirkt, daß die akustische Impedanz der Oberfläche der Absorberauskleidung einer bestimmten Absorberfunktion angenähert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektroakustische Vorrichtung zur aktiven Schalldämpfung der eingangs genannten Art bezüglich ihrer Schalldämpfungswirkung zu verbessern, ohne daß diese Verbesserung auf Einbau von passiven Absorbern zurückzuführen ist.

Die Aufgabe ist bei einer Vorrichtung zur aktiven Schalldämpfung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.

Durch den erfindungsgemäßen Mikrofoneinbau mit dem vorgesetzten, perforierten Flächenelement gelangt der von der Lärmquelle abgestrahlte Störschall aufgrund seiner großen Wellenlänge nahezu ungedämpft durch das Flächenelement hindurch an das Referenzmikrofon. Hingegegen wird die Wirkung der am Flächenelement vorbeiziehenden, räumlich verteilten, turbulenten Luftdruckschwankungen auf das Referenzmikrofon durch eine im Flächenelement stattfindende "flächenhafte Mittelung", oder Integration der Druckschwankungen stark gemindert bzw. gänzlich beseitigt. In bezug auf das Referenzmikrofon gesehen, wird also der Pseudoschall noch vor der Mikrofonmembran herausgefiltert. Die Folge ist ein nahe "1" liegender Wert der Kohärenzfunktion Γ² (f) zwischen Ein- und Ausgang der elektroakustischen Vorrichtung zur aktiven Schalldämpfung und eine Geräuschdämpfung von 10-20 dB im Hörfrequenzbereich.

Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur aktiven Schalldämpfung mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Flächenelement eine Wabenstruktur aus einer Vielzahl von längsseitig aneinanderliegenden, stirnseitig offenen Hohlkörpern mit prismatischem oder zylindrischem Querschnitt auf, wobei bevorzugt das Hohlprofil der Hohlkörper regelmäßig sechseckig ist. Die Abmessungen des Flächenelements sowie der Querschnitt und die Länge der Hohlkörper werden dabei so optimiert, daß auf der von der Luftströmung abgekehrten Seite des Flächenelements keine bzw. nur vernachlässigbar kleine turbulente Druckschwankungen auftreten.

Gemäß einer zweckmäßigen technischen Realisierung der Erfindung ist das Referenzmikrofon in einer seitlich an den Kanal angesetzten, geschlossenen Kammer angeordnet, die über eine Wandöffnung in der Kanalwand mit dem Kanalinnern in Verbindung steht. Das Flächenelement ist in die Wandöffnung eingesetzt und füllt diese vollständig aus. Um zusätzliche Verwirbelungen an der Wandöffnung zu vermeiden, ist das Flächenelement bündig mit der Kanalinnenwand in die Wandöffnung eingesetzt und kann auf seiner dem Kanalinnern zugekehrten Oberfläche mit einer dünnen Folie überzogen werden, die gleichzeitig verhindert, daß die Perforationslöcher des Flächenelements durch Staub- oder Fettablagerungen zugesetzt werden und dadurch die akustische Transparenz des Flächenelements leidet.

Um auch noch verbleibende geringe Restströmungen in der Kammer zu unterdrücken und nicht an das Mikrofon gelangen zu lassen, ist gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung der zwischen dem Flächenelement und den Kammerwänden verbleibende Restraum der Kammer mit einem Fasermaterial ausgefüllt und das Referenzmikrofon in diesem selbst eingebettet.

Zur Verbesserung der Signalaufbereitung des Ausgangssignals des Referenzmikrofons ist gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung noch ein Fehlermikrofon vorgesehen, das in bekannter Weise auf der vom Referenzmikrofon abgekehrten Seite des Lautsprechers angeordnet ist. Dieses Fehlermikrofon wird in gleicher Weise wie das Referenzmikrofon angeordnet und eingebaut, also außerhalb der im Kanal geführten Luftströmung und mit einer über das perforierte Flächenelement erfolgenden Ankopplung an die Luftströmung. In der Kanalwand ist hierzu eine weitere Wandöffnung vorgesehen, in die das Flächenelement eingesetzt ist, wobei Wandöffnung und Flächenelement wiederum von einer rückwärtigen Haube abgedeckt sind, in deren Innern das Fehlermikrofon, vorzugsweise in Fasermaterial, eingebettet ist.

Die erfindungsgemäße elektroakustische Vorrichtung zur aktiven Schalldämpfung eignet sich nicht nur für Dunstabzugshauben sondern auch zum Einbau in Abluftkanälen auf Schiffen, insbesondere in aus dem Schiffsmaschinenraum herausgeführten Abluftröhren, in Schornsteinen von Heizkraftwerken, in Klimaanlagen und Klimageräten sowie in Belüftungssystemen für Gebäude und Elektronikschränke.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht einer Dunstabzugshaube, teilweise geschnitten, mit einer schematisch im Blockschaltbild dargestellten elektroakustischen Vorrichtung zur aktiven Schalldämpfung,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts II in Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts der Dunstabzugshaube in Fig. 1 mit einem außen angesetzten Mikrofonmodul der Schalldämpfungsvorrichtung,

Fig. 4 und Fig. 5 jeweils einen perspektivisch dargestellten Ausschnitt eines perforierten Flächenelements mit Wabenstruktur im Mikrofonmodul gemäß Fig. 3 gemäß einem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel.

Die in Fig. 1 teilweise geschnitten dargestellte Dunstabzugshaube 10 umfaßt einen Ansaugtrichter 11 und einen sich von diesem fortsetzenden Kanal 12, der im Querschnitt rechteckförmig ist, aber auch sonstige beliebige Hohlquerschnitte aufweisen kann, und der mit einer nach draußen führenden Abluftöffnung, hier nicht dargestellt, verbunden ist. Im Kanal 12 ist ein Ventilator 13 zur Erzeugung einer durch Pfeile symbolisierten Luftströmung 14 angeordnet. Bei der Dunstabzugshaube 10 in Fig. 1 ist der Ventilator 13 entfernt vom Ansaugtrichter 11 nahe der Abluftöffnung angeordnet, so daß zwischen Ansaugtrichter 11 und Ventilator 13 noch eine freie Strömungsstrecke verbleibt, mit welcher eine elektroakustische Vorrichtung 15 zur aktiven Schalldämpfung wirksam ist. Anstelle des Ventilators 13 kann auch ein anderes Gebläse vorgesehen werden, an dessen Einlaß der Kanal 12 endseitig angeschlossen ist. Es ist nicht erforderlich, daß der Kanal 12 wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 langgestreckt ausgeführt ist. Aus Platzgründen kann er auch bogenartig oder schneckenförmig gestaltet werden, so daß die Dunstabzugshaube 10 auch als Kompakthaube mit geringerem Einbauraum ausgeführt werden kann.

Die elektroakustische Vorrichtung zur aktiven Schalldämpfung ist in Fig. 1 im Blockschaltbild schematisch dargestellt. Sie umfaßt ein Referenzmikrofon 16, ein Fehlermikrofon 17 und mindestens einen Lautsprecher 18 sowie eine Signalverarbeitungseinheit 19 und einen Regler 20. Das Referenzmikrofon 16 ist nahe dem eine Lärmquelle darstellenden Ventilator 13 angeordnet und dient zum Erfassen des von dem Ventilator 13 ausgehenden Störschalls. Der Lautsprecher 18 ist auf der von dem Ventilator 13 abgekehrten Seite des Referenzmikrofons 16 in Kanallängsachse gesehen im Abstand von dem Referenzmikrofon 16 angeordnet. Der Mindestabstand zwischen Referenzmikrofon 16 und Lautsprecher 18 ist durch die Verarbeitungszeit der Signalverarbeitungseinheit 19 und durch die effektive Schallausbreitungsgeschwindigkeit im Kanal 12 vorgegeben und beträgt beispielsweise bei einer Verarbeitungszeit von 1 msec mindestens 30 cm. Der Lautsprecher 18 ist in eine Wandöffnung 21 in der Kanalwand 121 des Kanals 12 eingesetzt. Ist eine größere Lautsprecherleistung erforderlich, so kann ein weiterer Lautsprecher (oder auch mehrere) in die Kanalwände des Kanals 12 eingebaut werden. Beide Lautsprecher 18 werden dann parallel von der Signalverarbeitungseinheit 19 angesteuert. Das Fehlermikrofon 17 ist auf der von dem Referenzmikrofon 16 abgekehrten Seite des Lautsprechers 18 angeordnet. Der Ausgang des Referenzmikrofons 16 ist mit dem Eingang der Signalverarbeitungseinheit 19 und der Ausgang des Fehlermikrofons 17 mit dem Eingang des Reglers 20 verbunden. Der Lautsprecher 18 ist an dem Ausgang der Signalverarbeitungseinheit 19 angeschlossen.

Die an sich bekannte Signalverarbeitungseinheit 19 gibt das Ausgangssignal des Referenzmikrofons 16 nach Verstärkung, Filterung, Laufzeitverschiebung etc. als Steuersignal an den Lautsprecher 18, wobei das Steuersignal so generiert wird, daß der Lautsprecher 18 Schall in den Kanal 12 einspeist, der breitbandig und gegenphasig zu dem von dem Ventilator 13 erzeugten Störschall ist, und zwar derart, daß dieser sog. Antischall mit dem Störschall quasi auslöschend interferiert. Der mit seinem Ausgang an dem Eingang der Signalverarbeitungseinheit 19 angeschlossene Regler 20 verbessert dabei die Signalverarbeitung des Ausgangssignals des Referenzmikrofons 16 und stellt eine an sich bekannte sog. Rückwärts-Regelung dar.

Die beiden Mikrofone 16, 17 sind, anders als bei bekannten elektroakustischen Vorrichtungen zur aktiven Schalldämpfung, nicht im Innern des Kanals 12 sondern seitlich außerhalb der im Kanal 12 geführten Luftströmung 14 angeordnet und an den Kanal 12 über ein perforiertes Flächenelement 22 akustisch angekoppelt. Das Flächenelement 22 wird dabei bevorzugt so angeordnet, daß seine Lochachsen im wesentlichen quer zur Längsachse des Kanals 12, durch die die Hauptströmungsachse der Luftströmung 14 vorgegeben ist, ausgerichtet sind. Hierzu ist jedes Mikrofon 16, 17 in ein Mikrofonmodul 23 eingesetzt, das an dem Kanal 12 angesetzt ist. Die beiden Mikrofonmodule 23 für das Referenzmikrofon 16 und für das Fehlermikrofon 17 sind identisch aufgebaut, so daß im folgenden lediglich das Mikrofonmodul 23 für das Referenzmikrofon 16 beschrieben wird, welches in den Fig. 2 und 3 im Detail dargestellt ist. Jedes Mikrofonmodul 23 ist dabei auf eine Wandöffnung 24 bzw. 25 in der Kanalwand 121 des Kanals 12 aufgesetzt, wobei das akustisch vollkommen transparente Flächenelement 22 die Wandöffnung 24 bzw. 25 vollkommen ausfüllt und mit der Kanalinnenwand bündig abschließt. Zur Verbesserung der Windschlüpfrigkeit und zum Schutz gegen Verschmutzung (Staub- und Fettablagerung) der Löcher des Flächenelements 22 ist dessen dem Kanalinnern zugekehrte Oberfläche mit einer dünnen Folie 31 überzogen, die beispielsweise aufgeklebt ist.

Das in Fig. 2 und 3 vergrößert dargestellte Mikrofonmodul 23 umfaßt eine Haube 26 mit vier im Bereich der Haubenöffnung abgewinkelten Befestigungsflanschen 261. Der lichte Querschnitt der Haube 26 ist an die Wandöffnung 24 angepaßt und wenig größer als der Querschnitt dieser Wandöffnung 24. Das Flächenelement 22 schließt die Haubenöffnung ab und wird von Rippen 27 axial und radial unverschieblich in der Haube 26 gehalten. Es steht soweit aus der Haube 26 vor, daß nach Aufsetzen der Befestigungsflansche 261 auf die Außenwand der Kanalwand 121 die Vorderfläche des Flächenelements 22 bündig mit der Innenwand der Kanalwand 121 ist. Das Befestigen der Haube 26 an der Kanalwand 121 erfolgt gasdicht durch Nieten, Kleben, Punktschweißen od. dgl. im Bereich der Befestigungsflansche 261. Die Haube 26 umschließt damit eine seitlich am Kanal 12 angeordnete Kammer 28, die über die Löcher in dem die Wandöffnung 24 ausfüllenden Flächenelement 22 mit dem Kanalinnern in Verbindung steht. In dieser Kammer 28 ist das Referenzmikrofon 16 (bzw. das Fehlermikrofon 17) angeordnet, wobei das zwischen Flächenelement 22 und Kammerboden verbleibende Kammervolumen mit Fasermaterial 29, beispielsweise Steinwolle, Watte od. dgl., vollständig ausgefüllt ist, in die das Referenzmikrofon 16 (bzw. das Fehlermikrofon 17) eingebettet ist.

Bevorzugt wird das Flächenelement 22 als handelsübliche Wabenstruktur aus einer Vielzahl von längsseitig aneinanderliegenden, stirnseitig offenen Hohlkörpern ausgebildet, wobei die Hohlkörperachsen quer zur Strömungsrichtung der Luftströmung 14 im Kanal 12 ausgerichtet sind. Beispiele einer solchen Wabenstruktur des Flächenelements 22 sind in Fig. 4 und 5 dargestellt. In Fig. 4 besitzen die Hohlkörper 30 einen prismatischen Querschnitt, wobei die Hohlkörper 30 bevorzugt als gleichmäßige Sechsecke ausgebildet werden, während die Hohlkörper 30′ in dem Ausführungsbeispiel des Flächenelements 22 in Fig. 5 eine zylindrische Form aufweisen. Die Abmessungen des Flächenelements 22 sowie der Querschnitt und die Länge der Hohlkörper 30 bzw. 30′ sind so optimiert, daß auf der von der Luftströmung 14 abgekehrten Seite des Flächenelements 22 keine oder nur vernachlässigbar kleine turbulente Druckschwankungen auftreten. Geringe Restströmungen auf dieser Seite des Flächenelements 22 werden durch das Fasermaterial 29 unterbunden. In einem Beispiel sind die Abmessungen des Flächenelements 22 100×100×20 mm gewählt und der Hohlkörperdurchmesser mit 3 mm ausgeführt.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur aktiven Schalldämpfung in einem an einer Lärmquelle, insbesondere an einem eine solche darstellenden Luftstromerzeuger, wie Ventilator, Lüfter, Gebläse od. dgl., angekoppelten oder eine solche enthaltenden endseitig offenen, luftdurchströmten Kanal, mit mindestens einem Referenzmikrofon (16) zum Erfassen des von der Lärmquelle (13) ausgehenden, im Kanal (12) sich ausbreitenden Störschalls und mit mindestens einem auf der von der Lärmquelle (13) abgekehrten Seite des Referenzmikrofons (16) in Kanallängsachse gesehen im Abstand von diesem angeordneten Lautsprecher (18), der in Abhängigkeit von einem aus dem Mikrofonausgangssignal abgeleiteten Steuersignal in den Kanal (12) Antischall derart einspeist, daß der Antischall mit dem Störschall quasi auslöschend interferiert, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzmikrofon (16) seitlich außerhalb der im Kanal (12) geführten Luftströmung (14) angeordnet und an den Kanal (12) über ein perforiertes Flächenelement (22) akustisch angekoppelt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenelement (22) dem Referenzmikrofon (16) so vorgesetzt ist, daß seine Lochachsen im wesentlichen quer zur Längsachse des Kanals (12) ausgerichtet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenelement (22) eine Wabenstruktur aus einer Vielzahl von längsseitig aneinanderliegenden, stirnseitig offenen Hohlkörpern (30; 30′) mit prismatischem oder zylindrischem Querschnitt aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlkörper (30) jeweils ein regelmäßiges sechseckiges Hohlprofil aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen des Flächenelements (22) sowie der Querschnitt und die Länge der Hohlkörper (30; 30′) so optimiert sind, daß auf der von der Luftströmung (14) abgekehrten Seite des Flächenelements (22) keine oder nur vernachlässigbar kleine turbulente Druckschwankungen auftreten.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzmikrofon (16) in einer seitlich an den Kanal (12) angesetzten, geschlossenen Kammer (28) angeordnet ist, die über eine Wandöffnung (24 bzw. 25) in der Kanalwand (121) mit dem Kanalinnern in Verbindung steht, und daß das Flächenelement (22) in die Wandöffnung (24 bzw. 25), diese vollständig ausfüllend, eingesetzt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenelement (22) mit der Kanalinnenwand bündig ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Kanalinnern zugekehrte Oberfläche des Flächenelements (22) mit einer dünnen Folie (31) überzogen ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen Flächenelement (22) und Kammerboden verbleibende Restraum der Kammer (28) mit Fasermaterial (29) ausgefüllt und das Referenzmikrofon (16) in dem Fasermaterial (29) eingebettet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (28) von einer auf den Kanal (12) von außen gasdicht aufgesetzten Haube (26) begrenzt ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit einem zusätzlichen Fehlermikrofon (17), das sich auf der vom Referenzmikrofon (16) abgekehrten Seite des Lautsprechers (18) befindet und dessen Mikrofonausgangssignal das Steuersignal korrigiert, dadurch gekennzeichnet, daß das Fehlermikrofon (17) in gleicher Weise angeordnet und eingebaut ist wie das Referenzmikrofon (16).