EP1952386B1 - Aktiver kanalschalldämpfer - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen aktiven Kanalschalldämpfer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
• Räumlich und baulich konzentrierte aktive Schalldämpfer z.B. nach Art des reaktiven Schalldämpfers EP 0898774 (siehe auch US 4 489 441 A1 ), des hybriden Schalldämpfers DE 4027511 oder des aktiven Helmholtz-Resonators DE 4226885 haben in Kanälen Vorteile gegenüber konventionellen Anti-Schall-Systemen (Nelson, P.A., Elliott, S.J.: Active Control of Sound and Vibration. Academic Press Limited, London: 1992), da sie auch auf kurzer Strecke eine im Vergleich mit passiven Schalldämpfern hohe tieffrequente Schalldämpfung bewirken. Dies gilt jedoch nur für geringe Strömungsgeschwindigkeiten bis ca. 10 m/s, da bei schnelleren Strömungen trotz Vlies-Abdeckungen (Strömungswiderstand) oder dergleichen die turbulenten Druckschwankungen an den Sensoren (vorwiegend Mikrofone) zu so genanntem Pseudo-Schall führen, der von den Lautsprechern abgestrahlt wird. Übersteigt dieser selbst erzeugte Schallpegel den eigentlich zu dämpfenden Geräuschpegel im Kanal, tritt letztlich keine Dämpfung und in manchen Fällen sogar Pegelerhöhung auf. Dieses Problem begrenzt die Anwendbarkeit (re)aktiver Schalldämpfer deutlich, da Ventilatoren neuerer Bauart mit verringerter Geräuschabstrahlung hohe Volumenströme und Strömungsgeschwindigkeiten erzeugen können.
• Bei der praktischen Anwendung reaktiver Schalldämpfer hat sich gezeigt, dass die Anbringung des Mikrofons (3) in geeigneter Form auf dem Befestigungsflansch des Lautsprechers (2) möglich ist, Fig. 1. Dabei zeigte sich, dass die Ausrichtung des Mikrofons (3) zur Schalleinfallsrichtung (7) einen erheblichen Einfluss auf das Dämpfungsspektrum besitzt. Fig. 2 zeigt Messergebnisse mit einer Mikrofonposition gemäß Fig. 1 (durchgezogene Kurve) und einer Mikrofonposition seitlich auf dem Befestigungsflansch des Lautsprechers (2) (strichlierte Kurve), das heißt senkrecht zur Schalleinfallsrichtung (7). Der Einfluss äußert sich in einer Verschiebung des Dämpfungsmaximums um etwa eine Oktave und ist damit mindestens so deutlich wie die Verwendung anderer Komponenten (z.B. Lautsprecher (2) mit anderer Membranmasse) zur Verschiebung der Resonanzfrequenz.
Aufgabe der Erfindung
• Aufgabe des erfindungsgemäßen aktiven Kanalschalldämpfers ist es, die genannten Probleme bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten, Stehwellen im Kanal und Partialresonanzen der Lautsprechermembran erheblich zu minimieren sowie zugleich die Anpassung des Dämpfungsspektrums an ein gegebenes Lärmspektrum deutlich zu vereinfachen.
Lösungsweg
• Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen. Ein Aktiver Kanalschalldämpfer, der mindestens einen Lautsprecher mit rückseitigem schalldichten Gehäuse, einen akustischen Sensor zur Erfassung der Schallfeldgröße am Lautsprecher sowie einen linearen Signalverstärker aufweist, der ausgebildet ist, die mit dem Sensor erfasste Schallfeldgröße dem Lautsprecher invertiert zuzuführen und sich dadurch auszeichnet, dass weitere akustische Sensoren zur Erfassung der Schallfeldgröße am Lautsprecher vorhanden sind, die bezüglich des Lautsprechers und der Strömungs- und Schalleinfallsrichtung im Kanal unterschiedlich positioniert sind, wobei die erfasste Schallfeldgröße von dem linearen Signalverstärker dem Lautsprecher invertiert zuführbar ist löst das Problem.
• Die Schallfeldgröße am Lautsprecher setzt sich aus dem von der Lärmquelle im Kanal sowie sonstigen Geräuschquellen, etwa Strömungsgeräuschen, erzeugten Schall und aus dem vom Lautsprecher erzeugten Schall zusammen. Die Sensoren müssen so angeordnet sein, dass sie die Schallfeldgröße am Lautsprecher, also in der Regel an der Membran des Lautsprechers erfassen. Der Abstand zum Lautsprecher, also vor allem zur Membran des Lautsprechers, sollte daher maximal etwa 1 cm betragen. Günstig ist ein möglichst niedriger Abstand. Es ist auch denkbar die akustischen Sensoren direkt an der Membran des Lautsprechers zu befestigen. Dies wäre vom akustischen Standpunkt optimal; allerdings gestaltet sich die Befestigung direkt an der Membran schwierig, da die dauernden Schwingungen die Befestigung lösen können.
• Der Einsatz mehrerer akustischer Sensoren führt zu einer überraschenden Verbesserung der Erfassung der Schallfeldgröße und damit zu einer signifikanten Verbesserung der im Kanalschalldämpfer erzeugten Dämpfung. Es handelt sich um einen Effekt, der über die übliche Verbesserung von Messungen, die durch die Verwendung mehrerer Sensoren erreichbar ist, hinausgeht. Dies liegt vor allem an folgenden Gründen:
• Bei räumlich konzentrierten aktiven Schalldämpfern nach dem Stand der Technik detektiert der Sensor, in Kanallängsrichtung betrachtet, an genau einem Punkt in der Kanalwand das Schallfeld. Es wurde nun erkannt, dass in vielen Fällen in diesen Kanälen durch mehrfache Reflexion an Querschnitts- oder Richtungsänderungen stehende Schallwellen auftreten. Damit verbunden sind ausgeprägte lokale Schalldruckminima. Befindet sich der Sensor genau auf einem solchen Minimum (bezogen auf eine Frequenz), wird ein minimaler Schalldruckpegel detektiert und eine Reaktion des aktiven Schalldämpfers bleibt aus. Eine Problemlösung könnte zwar darin bestehen, den Sensor anders zu platzieren, was aber die genaue Kenntnis des Stehwellenfeldes voraussetzen würde. In der Praxis ist dies nur bei sehr wenigen Anwendungen gegeben. Durch die vorliegende Erfindung wird dieses Problem durch die Anwendung mehrerer Sensoren überwunden.
• Bei aktiven Schalldämpfern nach EP 0898774 und DE 4027511 , aber auch beim gesteuerten akustischen Wellenleiter nach EP 1141936 , kommt noch eine weitere Schwierigkeit hinzu, die eine höhere Wirksamkeit begrenzt. Die einstellbare Verstärkung des Sensorsignals hängt von der Stabilität des geschlossenen Regelkreises im gesamten Frequenzbereich ab, die darauf beruht, dass keine unerwünschten Phasenverschiebungen auftreten. Bei tiefen Frequenzen verhalten sich die verwendeten Lautsprecher zwar wie Kolbenstrahler und bewirken eine lineare Übertragung (Betrag, Phase). Bei hohen Frequenzen jedoch treten Eigenschwingungen, so genannte Partialresonanzen, der Lautsprechermembranen auf, die zu einer bezüglich Betrag und Phase ungleichmäßigen Schallfeldverteilung vor der Lautsprechermembran führen. Selbst ohne Berücksichtigung der akustischen Umgebungsbedingungen (z.B. Kanalwand gegenüber, Kanaleinbauten) ergibt sich dadurch eine von der konkreten Sensorposition abhängige Beeinflussung des Phasengangs des Regelkreises. Wie bei den kanalbedingten Stehwellen vor der Membran ist auch hier die veränderte Sensorpositionierung praktisch kaum möglich; kann aber durch die vorliegende Erfindung effizient überwunden werden.
• Eine effiziente Auswahlmöglichkeit der einzelnen Sensoren ergibt sich, wenn die Signale der akustischen Sensoren über eine Schaltvorrichtung auswählbar und anschließend mittels einer Filter-, Summierer- und Verstärkereinheit zusammenfassbar und dem Lautsprecher zuführbar sind. Damit kann mit im Stand der Technik erprobten und bewährten Mitteln eine geeignete Auswahl der Sensoren erreicht werden.
• Die Sensoren können sowohl gleichzeitig als auch nacheinander in Abhängigkeit von Betriebszuständen der zu dämpfenden Lärmquelle ausgewählt werden. Dabei ist es auch denkbar, dass Gruppen von Sensoren vorhanden sind, welche gleichzeitig oder nacheinander ausgewählt werden. In der Regel dürfte aber die gleichzeitige Anwahl einer Vielzahl von Sensoren zum besten Resultat führen.
• Um die Dämpfung weiter zu verbessern ist es bei Bedarf möglich, mehrere aktive Kanalschalldämpfer mit unterschiedlicher Positionierung der akustischen Sensoren nebeneinander flächig in der Kanalwand, einem Strömungskanal oder in Schalldämpferkulissen anzuordnen.
• Zum Schutz des Lautsprechers kann eine akustisch durchlässige Abdeckung vor dem Lautsprecher angeordnet werden.
• Als akustische Sensoren bieten sich Mikrofone an, da diese sehr preisgünstig zu erhalten sind und leistungsfähig sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben
• Dabei zeigen die Figuren:

Fig. 1

Schematische Darstellung eines reaktiven Schalldämpfers nach EP 0898774 mit Positionierung des Mikrofons (3) auf dem Befestigungsflansch des Lautsprechers (2) an der Stelle des Schalleinfalls (7) im Kanal.

Fig. 2

Gemessene Einfügungsdämpfung eines reaktiven Schalldämpfers nach EP 0898774 mit Positionierung des Mikrofons (3) auf dem Befestigungsflansch des Lautsprechers (2) an der Stelle des Schalleinfalls (7) (durchgezogene Kurve) und einer Mikrofonposition seitlich auf dem Befestigungsflansch des Lautsprechers (2) (strichlierte Kurve), das heißt senkrecht zur Schalleinfallsrichtung (7).

Fig. 3

Schematische Darstellung des erfindungsgemäßen aktiven Kanalschalldämpfers mit mehreren Mikrofonen (3), die sich bezüglich des Lautsprechers (2) und der Schalleinfallsrichtung (7) an unterschiedlichen Positionen befinden.

Fig. 4

Schematische Darstellung des erfindungsgemäßen aktiven Kanalschalldämpfers mit mehreren Mikrofonen (3) an unterschiedlichen Positionen, wobei die Mikrofonsignale über eine Schaltvorrichtung (5) wahlweise einer Filter-, Summierer- und Verstärkereinheit (4) zugeschaltet werden können, deren Ausgangssignal am Eingang des Lautsprechers (2) anliegt.

Fig. 5

Schematische Darstellung des erfindungsgemäßen aktiven Kanalschalldämpfers mit mehreren Mikrofonen (3) an, bezüglich Lautsprecher (2) und Schalleinfallsrichtung (7) im Kanal (1), unterschiedlichen Positionen mit einer Schutzabdeckung (8)

• Kern des erfindungsgemäßen aktiven Kanalschalldämpfers ist die Verwendung mehrerer Mikrofone (3) und deren gezielte unterschiedliche Positionierung bezüglich des Lautsprechers (2) und der Schalleinfallsrichtung (7). Dazu sei erwähnt, dass im Vergleich der Materialkosten die Mikrofone (3) mit weitem Abstand die billigste Komponente darstellen. Die Mikrofone (3) detektieren das sich im Kanal (1) ausbreitende Schallfeld vor bzw. an der Membran des Lautsprechers (2), der rückseitig zusammen mit dem Gehäuse (6) ein geschlossenes, gegebenenfalls mit Absorbermaterial bedämpftes Luftvolumen umschließt. Die Ausgangssignale der Mikrofone (3) gelangen auf eine Schaltvorrichtung (5), die ausgewählte Mikrofone (3) zu einer entsprechend mehrkanaligen Filter-, Summierer- und Verstärkereinheit (4) durchschaltet.
  Das heißt, es können sowohl die Signale mehrerer Mikrofone (3) synchron als auch nacheinander in Abhängigkeit von Betriebszuständen der zu dämpfenden Lärmquelle durchgeschaltet werden. Das Ausgangssignal der Filter-, Summierer- und Verstärkereinheit (4) liegt schließlich am Eingang des Lautsprechers (2) an.
• Die Auswahl der von der Schaltvorrichtung (5) durchgeschalteten Mikrofonsignale kann jederzeit vorgenommen werden und fallspezifisch unterschiedlich erfolgen. In jedem Fall werden jedoch die Signale mehrerer Mikrofone (3) durchgeschaltet. Dies ist entscheidend für die Unterdrückung strömungsbedingter turbulenter Druckschwankungen in Kanälen mit hoher Strömungsgeschwindigkeit. Der überraschenderweise funktionierende Ansatz dabei ist, dass die von z.B. zwei Mikrofonen (3) erfassten und summierten Signale x₁ und x₂ je nach Ursprung und Art der Signale zu einem unterschiedlichen Ergebnis der Summierung führen. Der Effektivwert der Summe der Signale ist: $$\begin{array}{ll}\mathrm{E}\left\{{\left[{\mathrm{x}}_{\mathrm{1}}\left(\mathrm{t}\right)+{\mathrm{x}}_{\mathrm{2}}\left(\mathrm{t}\right)\right]}^{\mathrm{2}}\right\}=& \mathrm{E}\left\{{\left[{\mathrm{x}}_{\mathrm{1}}^{\mathrm{2}}\left(\mathrm{t}\right)+\mathrm{2}{\mathrm{x}}_{\mathrm{1}}\left(\mathrm{t}\right){\mathrm{x}}_{\mathrm{2}}\left(\mathrm{t}\right)+{\mathrm{x}}_{\mathrm{2}}^{\mathrm{2}}\left(\mathrm{t}\right)\right]}^{\mathrm{2}}\right\}\\ & ={\tilde{\mathrm{x}}}_{\mathrm{1}}^{\mathrm{2}}+{\tilde{\mathrm{x}}}_{\mathrm{2}}^{\mathrm{2}}+\mathrm{E}\left\{\mathrm{2}{\mathrm{x}}_{\mathrm{1}}\left(\mathrm{t}\right){\mathrm{x}}_{\mathrm{2}}\left(\mathrm{t}\right)\right\}\end{array}$$

  
• Bei gleichem Ursprung (Korrelation bzw. Kohärenz) und nahezu gleichen Effektivwerten der Signale x₁ und x₂ gilt: $$\mathrm{E}\left\{\mathrm{2}{\mathrm{x}}_{\mathrm{1}}\left(\mathrm{t}\right){\mathrm{x}}_{\mathrm{2}}\left(\mathrm{t}\right)\right\}=\mathrm{2}{\tilde{\mathrm{x}}}^{\mathrm{2}}\mathrm{und\; damit\; E}\left\{{\left[{\mathrm{x}}_{\mathrm{1}}\left(\mathrm{t}\right)+{\mathrm{x}}_{\mathrm{2}}\left(\mathrm{t}\right)\right]}^{\mathrm{2}}\right\}=\underline{\underline{\mathrm{4}{\tilde{\mathrm{x}}}^{\mathrm{2}}}}$$

  
• Dies kann für die Schallwelle im Kanal ohne weiteres angenommen werden. Für das Effektivwertquadrat unkorrellierter bzw. inkohärenter Signale mit gleichen Effektivwerten gilt dagegen: $$\mathrm{E}\left\{\mathrm{2}{\mathrm{x}}_{\mathrm{1}}\left(\mathrm{t}\right){\mathrm{x}}_{\mathrm{2}}\left(\mathrm{t}\right)\right\}=0\mathrm{und\; damit\; E}\left\{{\left[{\mathrm{x}}_{\mathrm{1}}\left(\mathrm{t}\right)+{\mathrm{x}}_{\mathrm{2}}\left(\mathrm{t}\right)\right]}^{\mathrm{2}}\right\}=\underline{\underline{2{\tilde{\mathrm{x}}}^{\mathrm{2}}}}$$

  
• Dies wiederum trifft für strömungsbedingte turbulente Druckschwankungen im Kanal zu. Die Erfassung und Zusammenführung mehrerer Mikrofonsignale beim erfindungsgemäßen aktiven Kanalschalldämpfer bedeutet also, dass inkohärente Signalanteile (infolge der Strömung) im zusammengeführten Signal verglichen mit den kohärenten Signalanteilen (Schall) deutlich unterdrückt werden. Genau das ist ein wesentliches Ziel und lässt sich durch Verwendung und Zusammenführung weiterer Mikrofone (3) noch steigern. Als weiterer unmittelbarer Vorteil ergibt sich eine verringerte Positionsempfindlichkeit des erfindungsgemäßen aktiven Kanalschalldämpfers bei Stehwellen im Kanal (1). Angesichts mehrerer Mikrofone (3) an etwas unterschiedlichen Positionen sinkt die Gefahr, dass ein einzelnes Mikrofon (3) gerade ein lokales Schalldruckminimums erfasst und ein entsprechendes Regelsignal an Verstärker (4) und Lautsprecher (2) dominiert.
• Darüber hinaus bleibt dieser Effekt auch bestehen und lässt sich vorteilhaft nutzen, wenn mehrere Mikrofone (3) bezüglich der Schalleinfallsrichtung (7) konzentriert zusammengeführt werden. Der bereits genannte Einfluss auf das Dämpfungsspektrum kann so durch einfaches Umschalten der Schaltvorrichtung (5) statt durch Austausch akustisch relevanter Komponenten (z.B. Membranmasse des Lautsprechers (3) oder Größe des rückseitigen Luftvolumens) oder Drehung des Gehäuses erfolgen.
• Schließlich wird durch die Verwendung und Berücksichtigung mehrerer Mikrofone (3) beim erfindungsgemäßen aktiven Kanalschalldämpfer durch eine Art Mittelung auch der Einfluss der bei hohen Frequenzen auftretenden Eigenschwingungen der Lautsprechermembran reduziert. Die verbesserte elektroakustische Stabilität des Regelkreises ist die Folge.

Claims (7)

1. Aktiver Kanalschalldämpfer, aufweisend mindestens einen Lautsprecher (2) mit rückseitigem schalldichten Gehäuse (6), einen ersten akustischen Sensor (3) zur Erfassung der Schallfeldgröße am Lautsprecher (2) sowie einen linearen Signalverstärker (4), der ausgebildet ist, die mit dem Sensor (3) erfasste Schallfeldgröße dem Lautsprecher invertiert zuzuführen
   dadurch gekennzeichnet, dass
   weitere akustische Sensoren (3) zur Erfassung der Schallfeldgröße am Lautsprecher vorhanden sind, die bezüglich des Lautsprechers (2) und der Strömungs- und Schalleinfallsrichtung (7) im Kanal (1) unterschiedlich positioniert sind, wobei die erfasste Schallfeldgröße von dem linearen Signalverstärker (4), dem Lautsprecher invertiert zuführbar ist.
2. Aktiver Schalldämpfer nach Anspruch 1
   dadurch gekennzeichnet, dass
   die Signale der akustischen Sensoren (3) über eine Schaltvorrichtung (4) auswählbar und anschließend mittels einer Filter-, Summierer- und Verstärkereinheit (5) zusammenfassbar und dem Lautsprecher (2) zuführbar sind.
3. Aktiver Kanalschalldämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche
   dadurch gekennzeichnet, dass
   die Signale mehrerer Sensoren (3) entweder gleichzeitig oder nacheinander in Abhängigkeit von Betriebszuständen der zu dämpfenden Lärmquelle auswählbar sind.
4. Aktiver Kanalschalldämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche
   dadurch gekennzeichnet, dass
   mehrere aktive Kanalschalldämpfer mit unterschiedlicher Positionierung der akustischen Sensoren (3) nebeneinander flächig in der Kanalwand (1), einem Strömungskanal oder in Schalldämpferkulissen angeordnet sind.
5. Aktiver Kanalschalldämpfer nach einem der einem der vorhergehenden Ansprüche,
   dadurch gekennzeichnet, dass
   eine akustisch durchlässige Abdeckung vor dem Lautsprecher (2) vorgesehen ist.
6. Aktiver Kanalschalldämpfer nach einem der einem der vorhergehenden Ansprüche,
   dadurch gekennzeichnet, dass
   die akustischen Sensoren (3) Mikrofone sind
7. Verfahren zur Schalldämpfung in einem Kanal (1) bei dem mit mehreren akustischen Sensoren (3) das Schallfeld an einem Lautsprecher (2) erfasst wird und mit einem invertierenden linearen Signalverstärker (4) dem Lautsprecher (2) zugeführt wird, wobei die akustischen Sensoren (3) bezüglich des Lautsprechers (2) und der Strömungs- und Schalleinfallsrichtung (7) im Kanal (1) unterschiedlich positioniert sind.

Images