DE4421803C2 - Vorrichtung zur aktiven Schalldämpfung - Google Patents
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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) getrennt vom Lautsprecher (18)
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).
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