EP0959453A2 - Aktive Geräuschunterdrückung für lärmabstrahlende Flächen - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to active noise suppression for a noise-emitting Surface with at least one fast sensor connected to the surface and at least one that can be controlled by the signal of the fast sensor, actuator acting on the surface.
  • Such a system for reducing the sound radiation from a flat surface is described, for example, by ME Johnson and SJ Elliott in Journal of Acoustic Society of America, 98 (4), Oct. 1995 under the title Active Control of Sound Radiation Using Volume Velocity Cancellation ".
  • a fast sensor is used which, like the actuator, extends over the entire surface and only detects odd-numbered vibration modes, in particular the basic mode (1,1) and these vibrations by means of the actuator If the noise-radiating surface vibrates with higher vibration modes in which even one component is an even number, for example, (1,2), (2,3), etc. modes, such a surface-integrating sensor does not provide any Output signal more, since the integration over all oscillation peaks and valleys results in the sum signal 0.
  • the invention uses axis-selective integrating fast sensors, which in the simplest case consist of strip-shaped Piezo foils are made. As soon as one along one axis such a sensor occupies a vibration mode with a odd component occurs, is the sum signal at this sensor no longer 0, so that an appropriately controlled actuator of this vibration mode can counteract.
  • a plate 1 which can be, for example, a structural or body part and which are a source of interference 2, e.g. B. an internal combustion engine excited to vibrate is applied two piezoelectric foils 3 and 4 one above the other.
  • the piezoelectric For example, slides 3 and 4 consist of stretched PVDF, which due to their manufacturing process is unidirectional piezoelectric Have properties.
  • the two foils 3 and 4 are arranged one above the other that their preferred piezoelectric directions represented by arrows are oriented perpendicular to each other in the plate plane.
  • the embodiment is thus the film 3 for deflections of the plate surface sensitive in the x direction and the film 4 for deflections in y direction.
  • the voltage signals generated by the foils 3 and 4 are fed to a controller 5, which processes the signals according to known methods and controls an actuator 6.
  • the actuator 6 can act on the plate 1 either in a punctiform or area-like manner and in such a way that vibration-induced deflections of the plate are counteracted.
  • Feed Forward control, the vibration signals of the interference source 2 can be detected and fed to the controller.
  • the speed of a plate 31 is detected point by point by means of individual sensors 32 which are distributed in a matrix over the surface of the plate 31.
  • acceleration sensors which are glued to the surface of the plate 31 and which are electrically connected to one another in rows and columns are suitable.
  • the sensors in the upper line then deliver, for example, a first sum signal S 1x , those in the second line the signal S 2x and so on;
  • the sensors of the left column supply the sum signal S 1y , those of the next column the sum signal S 2y etc.
  • the row or column spacing of the measuring grid constructed from the acceleration sensors 32 must be adapted to the structure and to the frequency range in which noise reduction is desired. In order to resolve the highest possible mode orders, the distance d should be less than a quarter of the structure wavelength ⁇ of the highest mode.
  • appropriately small-sized strain gauges, piezoceramics or piezofilms can also be used.
  • each attachment element consists of a hard one Shell 42.1, which is provided with side walls 42.2, which in turn on the Place plate 41 and, together with shell 42.1, a cavity 43 form.
  • the shell 42.1 is in accordance with the exemplary embodiments 1, 2 or 3 are equipped with axis-selective fast sensors 44 and 45, whose signals are fed to a controller 46. This controls an actuator 47, which acts centrally on the shell 42.1.
  • Such attachment elements are particularly suitable for noise suppression of complex sound-emitting structures in which the vibration and radiation behavior can only be determined with difficulty.
  • the vibrations and attachment elements the emitted sound of the actually vibrating structure (plate 41) in turn stimulated.
  • the active system integrated in the front elements reduces their noise radiation and thus the sound radiation of the structure self.

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Abstract

Die aktive Geräuschunterdrückung für eine lärmabstrahlende Fläche weist mindestens zwei achsenselektiv integrierende Schnellesensoren auf, welche Schwingungen der Fläche in mindestens zwei, im wesentlichen orthogonale Richtungen erfassen und über eine Regelung einen auf die Fläche wirkenden Aktuator ansteuern, derart, daß den Auslenkungen der Fläche entgegengewirkt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine aktive Geräuschunterdrückung für eine lärmabstrahlende Fläche mit mindestens einem mit der Fläche verbundenen Schnellesensor und mindestens einem durch das Signal des Schnellesensors ansteuerbaren, auf die Fläche wirkenden Aktuator.
Ein derartiges System zur Reduktion der Schallabstrahlung einer ebenen Fläche wird beispielsweise von M. E. Johnson und S. J. Elliott in Journal of Acoustic Society of America, 98 (4), Oct. 1995 unter dem Titel
Figure 00010001
Active Control of Sound Radiation Using Volume Velocity Cancellation" beschrieben. Hierbei kommt ein Schnellesensor zur Anwendung, der sich ebenso wie der Aktuator über die gesamte Fläche erstreckt und nur ungeradzählige Schwingungsmoden, insbesondere die Grundmode (1,1) erfaßt und diesen Schwingungen mittels des Aktuators entgegenwirkt. Schwingt die lärmabstrahlende Fläche mit höheren Schwingungsmoden, bei denen auch nur eine Komponente geradzahlig ist,also z. B. (1,2)-, (2,3)-, usw. -Moden, so liefert ein derartiger flächenintegrierender Sensor kein Ausgangssignal mehr, da die Integration über alle Schwingungsberge und -täler das Summensignal 0 ergibt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß sich bei steigender Anregungsfrequenz einer schwingenden Platte auch der Abstrahlungsgrad von solchen Schwingungsmoden erhöht, welche zumindest eine ungeradzahlige Komponente aufweisen, z. B. (1,2)-, (1,3)-, (21,3)-, (3,3)-,... usw. -Moden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur aktiven Geräuschunterdrückung zu schaffen, mittels welcher Schwingungsmoden mit zumindest einer ungeradzahligen Komponente erfaßt und unterdrückt werden können.
Diese Aufgabe wird durch eine aktive Geräuschunterdrückung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung verwendet im Gegensatz zum Stand der Technik achsenselektiv integrierende Schnellesensoren, welche im einfachsten Fall aus streifenförmigen Piezofolien hergestellt sind. Sobald längs einer Achse einer mit einem derartigen Sensor belegten Fläche eine Schwingungsmode mit einer ungeradzahligen Komponente auftritt, ist das Summensignal an diesem Sensor nicht mehr 0, so daß ein entsprechend angesteuerter Aktuator dieser Schwingungsmode entgegenwirken kann.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Figuren teilweise schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1
ein aktives System zur Geräuschunterdrückung mit zwei achsenselektiven Schnellesensoren
Fig. 2
streifenförmige, achsenselektive Schnellesensoren auf einer Struktur
Fig. 3
matrixförmig angeordnete Schnellesensoren auf einer Struktur und
Fig. 4a und 4b
aktive Vorsatzelemente zur Geräuschunterdrückung.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind auf einer Platte 1, die beispielsweise ein Struktur- oder Karosserieteil sein kann und die durch eine Störquelle 2, z. B. ein Verbrennungsmotor, zu Schwingungen angeregt wird, zwei piezoelektrische Folien 3 und 4 übereinander aufgebracht. Die piezoelektrischen Folien 3 und 4 bestehen beispielsweise aus gerecktem PVDF, welche aufgrund ihres Herstellungsprozesses unidirektionale piezoelektrische Eigenschaften haben. Die beiden Folien 3 und 4 sind so übereinander angeordnet, daß ihre durch Pfeile dargestellten piezoelektrischen Vorzugsrichtungen in der Plattenebene senkrecht zueinander orientiert sind. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist somit die Folie 3 für Auslenkungen der Plattenoberfläche in x-Richtung empfindlich und die Folie 4 für Auslenkungen in y-Richtung.
Die durch die Folien 3 und 4 erzeugten Spannungssignale werden einem Regler 5 zugeführt, der die Signale nach bekannten Verfahren verarbeitet und einen Aktuator 6 ansteuert. Der Aktuator 6 kann entweder punkt- oder flächenförmig auf die Platte 1 einwirken und zwar derart, daß schwingungsbedingten Auslenkungen der Platte entgegengewirkt wird. Für eine sogenannte Feed Forward"-Regelung können auch die Schwingungssignale der Störquelle 2 erfaßt und dem Regler zugeführt werden.
Aufgrund der achsenselektiven integrierenden Wirkung der beiden Folien 3 und 4 wird nicht nur die Grundmode der schwingenden Platte erfaßt sondern auch solche Moden, die entweder in der x- oder y-Richtung eine ungerade Modenzahl aufweisen. Nur bei geraden Modenzahlen ist in der jeweiligen Richtung das Summensignal auf der dieser Richtung zugeordneten Folie 0.
Anstelle von großflächigen, gereckten PVDF-Folien können die achsenselektiv integrierenden Schnellesensoren auch aus streifenförmigen Folien gemäß Fig. 2 hergestellt sein. Dies hat den Vorteil, daß auch stark gekrümmte Flächen problemlos belegt werden können. Hierzu sind aufeiner Platte 21 zwei Schichten von piezoelektrischen Folienstreifen kreuzweise übereinander aufgeklebt, wobei die Folienstreifen 23 der ersten Schicht die Schnelle in x-Richtung erfassen und integrieren und die darüberliegenden Streifen 24 der zweiten Schicht der y-Richtung zugeordnet sind. Die Streifen 23 bzw. 24 jeweils einer Schicht sind untereinander elektrisch verbunden, so daß an den jeweiligen Ausgangsleitungen das Summensignal aller piezoelektrischer Streifen einer Schicht anliegt.
Bei dem im Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Schnelle einer Platte 31 punktförmig mittels einzelner Sensoren 32 erfaßt, welche matrixförmig über die Oberfläche der Platte 31 verteilt sind. Hierzu eignen sich auf der Oberfläche der Platte 31 aufgeklebte Beschleunigungssensoren, welche zeilen- und spaltenweise untereinander elektrisch verbunden sind. Die Sensoren der oberen Zeile liefern dann beispielsweise ein erstes Summensignal S1x, die der zweiten Zeile das Signal S2x usw; entsprechend liefern die Sensoren der linken Spalte das Summensignal S1y, die der nächsten Spalte das Summensignal S2y usw. Da sich lokale Schnellewerte mit unterschiedlichen Vorzeichen im Summensignal gegenseitig aufheben bzw. nur als Differenzwert in Erscheinung treten, liefert das über alle Zeilen bzw. Spalten zusammengefaßte Summensignal Sx bzw Sy jeweils eine Aussage darüber, ob auf der Platte Schwingungsmoden aufgetreten sind, die insgesamt eine lärmabstrahlende Wirkung haben. Der Zeilen- bzw. Spaltenabstand des aus den Beschleunigungssensoren 32 aufgebauten Meßgitters muß an die Struktur und an den Frequenzbereich angepaßt werden, in dem Schallreduktion erwünscht ist. Um möglichst hohe Modenordnungen aufzulösen, sollte der Abstand d kleiner als ein Viertel der Strukturwellenlänge λ der höchsten Mode betragen. Anstelle von Beschleunigungssensoren können auch entsprechend kleindimensionierte Dehnmeßstreifen, Piezokeramiken oder Piezofolien verwendet werden.
Das in den Figuren 4 a und b gezeigte Ausführungsbeispiel besteht aus einzelnen Vorsatzelementen 42, die aufeiner Platte 41 möglichst flächendeckend angeordnet sind. Jedes Vorsatzelement besteht gemäß Fig. 4b aus einer harten Schale 42.1, welche mit Seitenwänden 42.2 versehen ist, die ihrerseits auf der Platte 41 aufliegen und zusammen mit der Schale 42.1 einen Hohlraum 43 bilden. Die Schale 42.1 ist entsprechend den Ausführungsbeispielen gemäß Figuren 1, 2 oder 3 mit achsenselektiven Schnellesensoren 44 bzw. 45 belegt, deren Signale einer Regelung 46 zugeführt werden. Diese steuert einen Aktuator 47, der zentral aufdie Schale 42.1 einwirkt.
Derartige Vorsatzelemente eignen sich zur Geräuschunterdrückung insbesondere von komplex schallabstrahlenden Strukturen, bei denen das Schwingungs- und Abstrahlverhalten nur schwer bestimmt werden kann. In diesen Fällen werden die gezeigten Vorsatzelemente durch die Schwingungen und den abgestrahlten Schall der eigentlich schwingenden Struktur (Platte 41) ihrerseits angeregt. Das in den Vorsatzelementen integrierte aktive System reduziert deren Lärmabstrahlung und somit die Schallabstrahlung der Struktur selbst.

Claims (6)

  1. Aktive Geräuschunterdrückung für eine lärmabstrahlende Fläche mit mindestens einem mit der Fläche verbundenen Schnellesensor und mindestens einem, durch das Signal des Schnellesensors ansteuerbaren, auf die Fläche wirkenden Aktuator, gekennzeichnet durch mindestens zwei achsenselektiv integrierende Schnellesensoren (3, 4), welche Schwingungen der Fläche (1) in mindestens zwei, im wesentlichen orthogonale Richtungen (x, y) erfassen.
  2. Aktive Geräuschunterdrückung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der achsenselektiv integrierende Schnellesensor (23, 24) mindestens ein streifenförmiges Piezoelement aufweist.
  3. Aktive Geräuschunterdrückung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der achsenselektiv integrierende Schnellesensor (23, 24) mehrere parallel nebeneinander angeordnete und elektrisch parallel geschaltete streifenförmige Piezoelemente aufweist.
  4. Aktive Geräuschunterdrückung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der achsenselektiv integrierende Schnellesensor mehrere punktförmige, matrixförmig sowohl auf der Fläche (31) angeordnete, als auch elektrisch verschaltete Beschleunigungs- oder Deformationsaufnehmer (32) aufweist, wobei zumindest für je eine Zeile und je eine Spalte mittels der Beschleunigungs- oder Deformationsaufnehmer ein Summensignal (S1x, S2x, ...; S1y, S2y, ...) gebildet wird.
  5. Aktive Geräuschunterdrückung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnellesensoren (44, 45) und der Aktuator (47) auf einer harten Schale (42.1) angeordnet sind, welche über Seitenwände (42.2)unter Bildung eines Hohlraumes (43) mit der lärmabstrahlenden Fläche (41) verbindbar ist.
  6. Aktive Geräuschunterdrückung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere nebeneinander angeordnete Schalen (42.1) ein flächen deckendes Muster bilden.
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