FI110896B - Ääntä aktiivisesti vaimentava rakenne - Google Patents

Description

110896 ÄÄNTÄ AKTIIVISESTI VAIMENTAVA RAKENNE Tekniikan ala 5 Keksinnön kohteena on oheisen patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaisesti äänen etenemisreitille asennettava aktiivisesti ääntä vaimentava ja/tai muokkaava rakenne.

Keksinnön taustaa ia tekniikan taso 10 Äänellä tai ääniaalloilla tarkoitetaan tässä yhteydessä kaasumaisessa väliaineessa, tyypillisesti ilmassa eteneviä akustisia värähtelyjä, joiden taajuus voi vaihdella muutamista hertzeistä aina kymmeniin kilo-hertzeihin. Em. akustiset värähtelyt voivat siis ainakin osittain sijaita 15 ihmisen kuuloalueeseen nähden taajuudeltaan sen ala- tai yläpuolella.

Perinteisesti häiriöäänten eli melun vaimentamiseen on käytetty ns. passiivisia menetelmiä. Passiivisissa melunvaimennuksessa häiriö-äänen etenemisreitille asennetaan ääntä eristäviä materiaaleja tai 20 rakenteita, tai ääntä imeviä tai heijastavia materiaaleja tai rakenteita, joilla häiriöäänen etenemiseen pyritään vaikuttamaan.

Passiiviset, esimerkiksi ääntä imevät rakenteet ja materiaalit ovat V: melko tehokkaita erityisesti suuritaajuisten häiriöäänten vaimennuk- ; :25 sessa. Suuritaajuisten äänten hyvä vaimennus voidaan saada aikaan ·”. suhteellisen keveitä/ohuita rakenteita käyttäen. Sen sijaan pieni- taajuisten, taajuudeltaan esimerkiksi alle muutamien satojen hertzien • · . ääniaaltojen tehokas vaimentaminen passiivisesti vaatii varsin massii-visia ja/tai paksuja rakenteita. Pienitaajuisen melun vaimentaminen

• I

'•••30 passiivisesti aiheuttaa siten usein myös merkittäviä kustannuksia.

Tekniikan tasosta tunnetaan myös ns. aktiiviseen melunvaimennuk-seen (engl. Active Noise Control) perustuvia ratkaisuja. Näitä ovat esi-: ’.·. merkiksi ns. aktiivinen absorptio, jossa ääntä imevän pinnan ääntä "$5 absorboivia ominaisuuksia parannetaan aktiivisilla menetelmillä. Myös "* pinnan akustista impedanssia voidaan muokata aktiivisesti, ja tätä omi-naisuutta voidaan edelleen käyttää absorptio-ominaisuuksien tai ääni-eristyksen parantamiseen. Nyt käsillä olevan keksinnön kannalta 2 110896 lähintä tunnettua tekniikkaa edustavat ns. vastaäänen tuottamiseen perustuvat aktiiviset melunvaimennus-menetelmät. Näissä menetelmissä melua vaimennetaan tuottamalla häiriöäänen kanssa vastakkaisessa vaiheessa olevaa vastaääntä. Häiriöääni- ja vastaääniaaltojen 5 interferoidessa keskenään destruktiivisesti melu saadaan tehokkaasti vaimenemaan ääniaaltojen ’’sammuessa” niiden keskinäisestä vaihe-erosta johtuen.

Yleisellä tasolla aktiivisen melunvaimennuksen etuna verrattuna pas-10 siivisiin menetelmiin voidaan todeta olevan se, että aktiivisilla menetelmillä on useissa tapauksissa mahdollista saada aikaan tehokas ja tietylle taajuusalueelle tarkasti kohdennettu melun vaimennus ilman massiivisia ja kookkaita ääntä imeviä, tai muutoin vaimentavia passiivisia rakenteita. Aktiiviset menetelmät soveltuvat usein passiivisia 15 menetelmiä paremmin erityisesti pienitaajuisen melun torjuntaan. Jäljempänä puhuttaessa lyhyesti aktiivisesta melunvaimennuksesta tarkoitetaan pääsääntöisesti nyt käsillä olevan keksinnön kannalta relevantteja vastaäänen aktiiviseen tuottoon perustuvia menetelmiä.

20 Patentista US 6,023,123 tunnetaan kaksilasiseen ikkunaan tai vastaavaan tarkoitettu aktiivinen melunvaimennusjärjestelmä, joka on tarkoitettu estämään esimerkiksi ulkoa kuuluvan (pienitaajuisen) melun kulkeutuminen ikkunan lävitse sisälle rakennukseen. Tässä järjestelmässä Y: yhteen tai useampaan ikkunalasiin aiheutetaan sopivan järjestelyn, : :35 kuten esimerkiksi ikkunalasiin mekaanisesti vaikuttavan piezosähköi-···. sen elementin avulla värähtelyjä. Ohjaamalla ikkunalasi/-lasit värähte- . Y: lemään sopivalla taajuudella synnyttävät ne akustisia vastaääniaaltoja, • « . jotka kumoavat ikkunarakenteen lävitse sisälle kantautuvaa melua.

• · ♦ '••30 Patentista US 5,315,661 tunnetaan ääntä aktiivisesti vaimentava levymäinen paneelirakenne, joka rakenne koostuu useista keskenään mats'·: riisin muotoon järjestetyistä vastaääntä tuottavista kuutiomaisista ele- '.Y menteistä, ns. kennoista. Vierekkäisten kennojen sivuseinämät on jär- : .·. jestetty toisiaan vasten ja kennojen etu- ja takaseinämät muodostavat Y-$5 vastaavasti mainitun paneelirakenteen etu- ja takapinnan. Yksittäisten kennojen etu- ja takaseinämät on muodostettu levyistä, ja jokaisen kennoon on liitetty toimielin, esimerkiksi piezokeraaminen elin synnyt-”tämään akustisia värähtelyjä kennon etu- ja takaseinämiin. Kukin 3 110896 kenno sisältää lisäksi yhden tai useampia ääntä ilmaisevia antureita, joiden antureiden signaalin perusteella mainitun kennon tuottamaa vastaääntä voidaan säädellä ko. kennoon värähtelyjä tuottavan toimielimen toimintaa ohjaamalla. Melun etenemissuuntaan poikittain ase-5 tettavan paneelin läpi, eli yksittäisten kennojen etu- ja takaseinämien läpi kulkeutuvaa melua voidaan nyt vaimentaa aktiivisesti niin, että tarvittaessa kunkin kennon toimintaa säädellään yksilöllisesti.

Verrattaessa em. patenteissa US 6,023,123 ja US 5,315,661 esitettyjä 10 ratkaisuja keskenään periaatteellisella tasolla, voidaan patentissa US 6,023,123 esitetyn ratkaisun ajatella käsittävän vastaäänen tuottamiseksi ainoastaan yhden kennon, kun taas patentissa US 5,315,661 vastaääntä tuotetaan useista kennoista muodostetun matriisin eli paneelirakenteen avulla. On selvää, että useisiin, ja tarvittaessa erik-15 seen ohjattaviin vastaäänilähteisiin, eli tässä tapauksessa kennoihin perustuva matriisirakenne mahdollistaa monimutkaisemman rakenteensa ja toteutuksensa vastapainoksi vastaavasti myös tehokkaamman melun vaimennuksen ja menetelmän käytön laajemmalla taajuusalueella.

20

Patentissa US 5,315,661 esitetyn paneelirakenteen merkittävänä ongelmana voidaan kuitenkin todeta olevan se, että paneelin rakenne on hyvin vaikeaa toteuttaa läpinäkyvänä. Tämä rajoitus estää merkittä-Y: västi mainitun ratkaisun käyttöä esimerkiksi ikkunan tai vastaavan : :25 aukon yhteydessä.

Patentissa US 5,315,661 ja patentissa US 6,023,123 esitetyt ja muut niiden kaltaiset ratkaisut eivät myöskään sovellu tilanteeseen, jossa melun kulkua halutaan estää sellaisen aukon, kanavan tai vastaavan '"(30 tilan kautta, jonka tilan kautta tapahtuu ilman tai muiden kaasujen vaihtoa. Ts. edellä esitetyt tekniikan tason mukaiset ratkaisut eivät Υ·ί sovellu käytettäväksi esimerkiksi ilmanvaihtokanavissa, tuuletus- Y.: aukoissa tai vastaavissa, koska niiden rakenne joko estää tehokkaasti .·. kaiken rakenteen lävitse tapahtuvan kaasujenvaihdon, tai aiheuttaa Υ·35 ainakin huomattavaa lisääntynyttä virtausvastusta. Em. virtausvastus voi edelleen itsessään virtaukseen aiheuttamansa häiriön (turbulens-: · Y sin) takia tuottaa lisää melua.

4 110896 Käytännössä esiintyy kuitenkin paljon tilanteita, joissa melua halutaan vaimentaa sen etenemisreitillä nimenomaan siten, että samalla mainitulla etenemisreitillä halutaan säilyttää näköyhteys ja/tai mahdollisuus ilmanvaihtoon tai muuhun kaasujenvaihtoon. Aktiivisessa melun-5 vaimennuksessa käytettävien rakenteiden tulisi myös olla mahdollisimman yksinkertaisia, keveitä ja helposti kooltaan sekä muilta ominaisuuksiltaan muunneltavissa. Myös näiltä osin tekniikan tason mukaisissa vastaäänen tuottoon perustuvissa ratkaisuissa esiintyy selviä puutteita.

10

Keksinnön perusperiaate ia tärkeimpiä etuia

Nyt esitettävän keksinnön pääasiallisena tarkoituksena on aikaansaada uudenlainen äänen etenemisreitille asennettava ja ääntä aktiivisesti 15 vastaäänen avulla vaimentava ja/tai ääntä muutoin muokkaava rakenne, jonka avulla voidaan välttää edellä esitetyissä tekniikan tason mukaisissa ratkaisuissa esiintyviä rajoituksia.

Keksinnön pääasiallisena tavoitteena on siten mahdollistaa ääntä aktii-20 visesti ja lisäksi tarvittaessa myös passiivisesti vaimentava rakenne, joka mahdollistaa näköyhteyden säilymisen mainitun rakenteen lävitse, sekä lisäksi myös rakenteen lävitse tapahtuvan kaasujenvaihdon, kuten ilmanvaihdon. Keksinnön tavoitteena on lisäksi aikaansaada Y: rakenteeltaan yksinkertaisen ja ominaisuuksiltaan helposti muunnel- : ;25 tava, ja siten erilaisiin käyttötarkoituksiin soveltuva rakenne.

t · • · ,Y: Näiden tarkoitusten toteuttamiseksi keksinnön mukaiselle rakenteelle • · t>#<; on pääasiassa tunnusomaista se, mikä on esitetty itsenäisen patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

:··60

Muissa epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa on esitetty eräitä keksin-.' ·: nön edullisia suoritusmuotoja.

: Keksinnön olennaisena perusajatuksena on se, että vastaäänen tuot- tamiseen käytettävät elementit on sijoitettu lamelleihin, jotka edullisesti ohuet lamellit muodostavat edelleen pysty- tai vaakasuunnassa vierek-. .: käin asetettuina sälekaihtimen omaisen rakenteen.

• · κ 110896

Keksinnön mukaisesti yksittäinen levymäinen ja/tai liuskanomainen lamelli käsittää lamellin tason suuntaiselle pinnalle tai pinnoille järjestetyn yhden tai useamman vastaääntä tuottavan, edullisesti litteän kaiutinelementin. Samaan lamelliin voi olla vastaavalla tavalla järjes-5 tetty lisäksi myös yksi tai useampia ääntä ilmaisevia antureita, joiden antureiden signaalin perusteella mainitun lamellin tuottamaa vasta-ääntä voidaan säädellä ko. lamelliin sijoitettujen kaiutinelementtien toimintaa ohjaamalla.

10 Kun lamellien muodostama sälekaihtimen omainen vaimenninrakenne asetetaan häiriöäänen etenemisreitille siten, että pituussuunnassa olennaisesti yhdensuuntaiset lamellit on järjestetty keskenään asentoon, jossa asennossa yksittäisten lamellien tasot ovat sälekaihdin-rakenteen tasoa vastaan olennaisesti kohtisuoraan, ts. sälekaihdin-15 rakenne on ’’auki”, säilytetään sekä näköyhteys että mahdollisuus kaa-sujenvaihtoon sälekaihdinrakenteen lävitse samalla kun sälekaihdin-rakenteen muodostaman tason lävitse etenevää häiriöääntä voidaan lamellien tuottaman vastaäänen avulla tehokkaasti vaimentaa. Kaasu-jenvaihdon kannalta ’’auki” asennossa oleva sälekaihtimen omainen 20 rakenne aiheuttaa sen läpi tapahtuvaan virtaukseen vain erittäin vähäisen virtausvastuksen.

Keksinnön edullisessa suoritusmuodossa lamelleihin sijoitetut vasta- V: ääntä tuottavat elementit ja/tai säädössä käytettävät äänianturit on • · . .25 toteutettu sähköisesti varattuun EMFi-kalvoon (engl. Electromechanical ··, Film) perustuen. EMFi-kalvo mahdollistaa erittäin litteiden ja keveiden • · kaiutin- ja mikrofonielementtien toteuttamisen, ja siten keveän ja yksinkertaisen aktiivisen vaimenninrakenteen.

• · ‘••*30 Keksinnön eräässä suoritusmuodossa lamellit voivat aktiivisten vai-mennuselementtien lisäksi sisältää myös passiiviseen melunvaimen-:.'·: nukseen soveltuvia elementtejä, kuten esimerkiksi ääntä imevästä ·”’·* materiaalista valmistettuja pintoja. Tällä voidaan mm. parantaa raken- : !·. teen omia akustisia perusominaisuuksia, joka helpottaa vastaäänen * » * ^.$5 tuottamisessa käytettävän säätöjärjestelmän toimintaa. Lamellien muotoilu ja/tai keskinäinen sijoittelu voi myös olla järjestetty lisäksi , j.: itsessään ääntä passiivisesti vaimentavaksi.

110896 6

Keksinnön etuina rakenteen läpinäkyvyyden ja rakenteen läpi tapahtuvan kaasujenvaihtomahdollisuuden lisäksi on mm. mahdollisuus käyttää rakennetta myös tavanomaisen sälekaihtimen tavoin. Ts. säle-kaihdinrakenteen sisältämien lamellien ollessa ’’kiinni” keksinnön 5 mukaista ääntä vaimentavaa rakennetta voidaan niin haluttaessa käyttää myös näköesteenä, tai estämään ilman tai muiden kaasujen virtausta.

Keksinnön mukainen vaimenninrakenne on helposti jälkikäteen asen-10 nettavissa esimerkiksi ikkunan tai vastaavan aukon eteen, eikä se tekniikan tason ratkaisujen mukaisesti vaadi välttämättä muutoksia esimerkiksi ikkunan alkuperäiseen rakenteeseen. Keksinnön mukainen vaimenninrakenne soveltuu asennettavaksi ikkunan tai aukon sijaan esimerkiksi myös ilmastointikanavaan tai vastaavaan ko. kanavassa 15 etenevän puhallin- tai muun melun vaimentamiseksi.

Keksinnön mukaisen vaimenninrakenteen koko on helposti sovitettaessa sen aukon tai tilan kokoon, jonka kautta etenevää häiriöääntä halutaan vaimentaa. Sälekaihdinrakenteeseen voidaan lisätä tai siitä 20 voidaan poistaa lamelleja rakenteen koon muuttamiseksi. Sälekaihdin-rakenne soveltuu siten pystysuuntaisia lamelleja käytettäessä esimerkiksi huonetilojen väliseksi tilanjakajaksi, jota voidaan käyttää joko lamellit ’’auki” tai ’’kiinni” asennossa, ja joka voi tarvittaessa olla helposti siirrettävissä syrjään kokoon painuvan lamellirakenteensa ansiosta.

: *: *25 ···. Koska keksinnön mukainen vaimenninrakenne koostuu edullisesti useista toisistaan erillisistä vastaäänilähteistä, joita äänilähteitä voidaan tarvittaessa kutakin myös ohjata erikseen, soveltuu keksintö hyvin monipuolisesti aktiiviseen äänenhallintaan. Em. rakenne mahdol-:···30 listaa myös hyvin laajojen muuttuvissa meluolosuhteissa toimivien vai-mennusrakenteiden toteuttamisen. Edelleen keksintö mahdollistaa pel-kän meluntorjunnan lisäksi myös tilojen aktiivisen äänenhallinnan, koska sama rakenne kykenee samanaikaisesti vaimentamaan vasta-: !·. äänen avulla häiriöääniä, mutta myös tuottamaan hyötyääntä esimer-;::.35 kiksi tilan akustiikan parantamiseksi.

» » 7 110896

Piirustusten Ivhvt kuvaus

Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin esimerkkien avulla ja viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa 5 kuva 1 esittää periaatteellisena perspektiivikuvana keksinnön mukaista lamelleista koostuvaa, ja häiriöäänen etenemis-reitille asennettavaa ääntä aktiivisesti vastaäänen avulla vaimentavaa rakennetta, 10 kuva 2 esittää periaatteellisesti poikkileikkauskuvana erästä keksinnön mukaista rakennetta ylhäältä, lamellien pituusakselin suunnasta käsin tarkasteltuna, 15 kuva 3 esittää kuvan 2 mukaista rakennetta suoraan edestä, häiriö-äänen kulkusuunnan mukaisesta suunnasta tarkasteltuna, kuvat 4A-4H esittävät periaatteellisesti yksittäisen lamellin eräitä vaihtoehtoisia toteutustapoja, 20 kuva 5 esittää periaatteellisesti myötäkytketyn säätöjärjestelmän käyttöä vastaäänen muodostuksen ohjauksessa, V: kuva 6 esittää periaatteellisesti takaisinkytketyn säätöjärjestelmän • · . .*25 käyttöä vastaäänen muodostuksen ohjauksessa, «* · kuva 7 esittää periaatteellisesti poikkileikkauskuvana ja lamellin pituusakselin suunnasta tarkasteltuna yksittäisen lamellin toimintaa monopolisäteilijänä, ja : -30 kuva 8 esittää kuvaa 7 vastaavalla tavalla yksittäisen lamellin toimin-taa dipolisäteilijänä.

: ’·. Keksinnön yksityiskohtainen selitys ;::.35 *:' Lamelleista koostuva vaimenninrakenne • · * »

I 1 I I I

0 110896

Kuvassa 1 on esitetty periaatteellisena perspektiivikuvana keksinnön mukainen vierekkäisistä lamelleista L koostuva sälekaihtimen omainen ääntä aktiivisesti vaimentava ja/tai muokkaava rakenne P.

5 Kuva 2 esittää erästä mahdollista keksinnön mukaista rakennetta poik-kileikkauskuvana ylhäältä, pitkänomaisten lamellien L pituussuunnasta käsin tarkasteltuna. Vaimenninrakenteen P puolelta A vaimennin-rakenteen läpi vastakkaiselle puolelle B pyrkimään etenevät häiriö-ääniaallot N vaimenevat interferoidessaan destruktiivisesti lamellien L 10 avulla tuotettujen vastakkaisvaiheisten vastaääniaaltojen AN kanssa.

Vastaääniaaltojen AN muodostamiseksi yksittäisen lamellin L tason suuntaisille pinnoille S1, S2 on järjestetty yksi tai useampia vastaääntä tuottavia, edullisesti mahdollisimman litteitä kaiutinelementtejä.

15 Kaiutinelementtien kanssa samaan lamelliin voi olla vastaavalla tavalla järjestetty lisäksi myös yksi tai useampia ääntä ilmaisevia antureita, joiden antureiden tuottaman signaalin perusteella mainitun lamellin tuottamaa vastaääntä voidaan säädellä ko. lamelliin sijoitettujen kaiutinelementtien toimintaa ohjaamalla.

20

Kuvassa 3 on esitetty kuvan 2 mukainen rakenne P suoraan edestä katsottuna. Yksittäiset pystysuuntaiset lamellit L on ripustettu ylä- päästään ripustuselimeen H siten, että vierekkäisten lamellien väliin jää V: ilmaväli G lamellien L muodostaman sälekaihdinrakenteen ollessa . .25 ’’auki” asennossa. Lamellien L sisältämien aktiivisten ääntä tuottavien ···. ja/tai ääntä ilmaisevien elimien vaatima johdotus on edullisesti järjes- tetty ripustuselimen H rakenteen sisäpuolisena, jolloin johdotusta ei ole ’ ! näkyvillä vaimenninrakenteen P ulkopuolella. Ripustuselin H pitää sisällään edullisesti pelkän johdotuksen lisäksi myös järjestelmässä :··30 tarvittavaa elektroniikkaa, kuten esimerkiksi kaiuttimien syöttämiseen tarvittavia vahvistimia. Ripustuselin H voi olla järjestetty sellaiseksi, että :,‘ i lamellit L voidaan tarvittaessa koota yhteen kuvassa 3 oikeaan tai vasempaan reunaan, jolloin esimerkiksi ikkunan eteen asennettu vai- : !·. menninrakenne P voidaan tarvittaessa siten siirtää helposti syrjään “35 sälekaihtimen tavoin.

• » • · • · ·

On selvää, että lamellien L pituussuunnassaan pystyyn asennuksen ’ sijaan lamellit voidaan tarvittaessa asentaa myös vaaka-asentoon, tai 9 110896 mihin tahansa muuhun kulloisenkin sovelluksen kannalta sopivaan asentoon. Lamelleja voidaan tarvittaessa tukea molemmista päistä ja keskeltä, tai lamellien tuenta voidaan järjestää myös millä tahansa muulla alan ammattimiehelle sinänsä ilmeisellä tavalla. Myös lamellei-5 hin tehtävät sähköiset kytkennät voidaan järjestää millä tahansa sopivalla, alan ammattimiehelle sinänsä ilmeisellä tavalla.

Yksittäisen lamellin rakenne 10 Kuvissa 4A-4H on esitetty periaatteellisesti yksittäisen lamellin L eräitä vaihtoehtoisia rakenteita levymäisen lamellin tason suuntaista pintaa S1 ja/tai S2 kohti katsottuna.

Kuvassa 4A pitkänomaisen (pituus HE > leveys Wl) lamellin L pinta 15 S1,S2 koostuu olennaisesti koko pinta-alaltaan vastaäänen tuottami seen soveltuvasta kaiutinelementistä LS. Edullisesti kaiutin LS on toteutettu sähköisesti varattua EMFi-kalvoa (engl. Electromechanical Film) käyttäen. EMFi-kalvon käyttö kaiuttimissa on sinänsä tunnettua, ja se mahdollistaa erittäin litteiden ja keveiden kaiutinelementtien 20 toteuttamisen, mikä tämän keksinnön kannalta on erittäin edullista. Kaiutinelementti LS voidaan toteuttaa myös muita sinänsä tunnettuja, esimerkiksi sähköstaattiseen toimintaperiaatteeseen perustuvia ratkaisuja käyttäen.

• » . .25 Kuvassa 4B lamellin L pinta S1,S2 on jaettu useaan erilliseen lohkoon, ·'··, johon kuhunkin lohkoon on sijoitettu erillinen kaiutinelementti LS. Monimutkaisemman rakenteen vastapainoksi tämä suoritusmuoto ‘ mahdollistaa eri lohkoissa sijaitsevien kaiutinelementtien LS ohjaamisen toisistaan erillisinä. Tällöin vastaääntä voidaan muodostaa lamellin • · · :.·30 eri alueilla tarvittaessa eri tavoin kussakin kohtaa vallitsevaan tilanteeseen (häiriöäänikenttään) parhaiten sopivalla tavalla.

• · • · "]: Kuvassa 4C lamellin L pinnalla S1,S2 vuorottelevat eri lohkoissa : kaiutinelementit LS sekä ääntä ilmaisevat anturit, ts. mikrofonit M.

;:;35 Mikrofonien M käyttöä vastaäänen tuottamisen ohjaamiseksi seloste-' taan myöhemmin tarkemmin puhuttaessa myötä- ja vastakytketyistä säätöjärjestelmistä kuvien 5 ja 6 yhteydessä. Useamman mikrofoni-:··: elementin M käyttö mahdollistaa luonnollisesti paikallisesti tarkemman 10 110896 vastaäänen tuottamisen, ts. esimerkiksi tietyn mikrofonin M antaman signaalin perusteella ohjataan ainoastaan tiettyä lähellä sijaitsevaa kaiutinelementtiä LS.

5 Yksittäisen lamellin L pinta S1,S2 voi kuvien 4D ja 4E mukaisesti koostua myös pelkästään yhdestä tai useammasta mikrofonielemen-tistä M.

Kuvassa 4F lamelli L on järjestetty olennaisesti koko pinta-alaltaan 10 ääntä imeväksi, ts. ääntä passiivisesti vaimentavaksi. Ääntä passiivisesti vaimentava rakenne SA voidaan saada aikaan esimerkiksi päällystämällä lamelli sopivalla ääntä imevällä materiaalilla, tai valmistamalla koko lamelli L ääntä imevästä materiaalista. Käyttämällä lamel-leissa L sopivasti ääntä passiivisesti vaimentavia rakenteita voidaan 15 mm. parantaa kaihdi n rakenteen P omia akustisia perusominaisuuksia, joka helpottaa vastaäänen tuottamisessa käytettävän säätöjärjestelmän toimintaa.

Kuvassa 4G yksittäinen pitkänomainen lamelli L käsittää sekä kaiutin-20 elementin LS, ääntä passiivisesti vaimentavan rakenteen SA sekä mikrofonin M.

Edellä kuvissa 4A-4G esitetyissä suoritusmuodoissa pitkänomainen V: lamelli L käsittää leveyssuunnassaan Wl ainoastaan yhden ääneen . .25 vaikuttavan elementin LS,M,SA. Pinnan S1,S2 tason suunnassa lamel-··’. Iin L muoto voi kuitenkin poiketa edellä esitetystä pitkänomaisesta suo- • 9 rakaiteesta esimerkiksi kuvassa 4H esitetyllä tavalla.

• *

Kuvassa 4H on esitetty suorakaiteen muotoinen lamelli L, joka lamelli ;··<30 käsittää sekä pituussuunnassa HE että leveyssuunnassaan Wl useita komponentteja LS,M,SA muodostaen eräänlaisen matriisinomaisen \*·ΐ rakenteen.

• · · • · < : Kuvissa 4A-4H edellä esitettyjä rakenteita voidaan käyttää ainoastaan < · · y.35 yksittäisen lamellin vain toisella pinnalla S1 (tai S2), tai myös yksittäi-sen lamellin molemmilla pinnoilla S1 ja S2. Saman lamellin vastakkai-silla pinnoilla S1 ja S2 voi olla keskenään samanlainen rakenne, tai :··: myös keskenään erilainen rakenne. Esimerkiksi on mahdollista, että 110896 yksittäisen lamellin L toisella pinnalla S1 on kuvan 4C mukainen vuo-rottelevia kaiutinelementtejä LS ja mikrofoneja M käsittävä rakenne, ja saman lamellin vastakkaisella pinnalla S2 on kuvan 4F mukainen ääntä passiivisesti vaimentava rakenne SA.

5

Lamelleista L muodostuva vaimenninrakenne P voi olla myös sellainen, että osa lamelleista L on kokonaan passiivisia, ja vain osa lamelleista, esimerkiksi joka toinen lamelli käsittää aktiivisia elementtejä LS,M.

10 Kuvista 4A-4H poiketen lamellin pinnalla S1 ,S2 olevien aktiivisten LS,M ja passiivisten SA elementtien keskinäinen koko, lukumäärä ja sijainti voi vapaasti vaihdella kulloisenkin tarkoituksen mukaisesti. On myös mahdollista, että osa lamellin L pinnasta S1,S2 ei toimi erityisesti aktiivisena LS,M eikä passiivisena SA äänen vaikuttavana elementtinä.

15

Lamellin L pinnan S1,S2 tasossa lamellin poikkileikkauksen muoto on edullisesti kuvissa 4A-4H esitetyn mukainen pitkänomainen suorakaide (HE > Wl), mutta lamellin L em. poikkileikkauksen muoto voi tarvittaessa vaihdella suorakaiteen muotoisesta myös neliön (HE = Wl), tai 20 muun muotoiseen kulloisenkin sovelluksen mukaan. On myös mahdollista että, häiriöäänen etenemissuunnassa lamellin leveys Wl on suurempi kuin lamellin pituus HE.

Erityisesti EMFi-kalvoon perustuvia elementtejä käytettäessä on edel- • '”25 leen mahdollista, että lamellin L pinnan S1,S2 sama alue toimii sekä ·:·*: vastaääntä tuottavana elimenä, eli kaiuttimena M, mutta samanaikai- ·:··; sesti myös pintaan osuvia ääniaaltoja mittaavana mikrofonina M. Täl-.···. löin säätöjärjestelmä mainitun mikrofonin antamaan signaaliin perustuen voi syöttää EMFi-kalvolle signaalia sopivan vastaäänen tuottami- . 30 seksi ja häiriöäänen vaimentamiseksi. Tämän suoritusmuodon merkit-tävänä etuna on se, että lamellin rakenne yksinkertaistuu koska erillisiä • · äänen tuottamiseen ja mittaamiseen käytettäviä elementtejä ei tarvita.

:’ ’ : Yksittäinen lamelli L on paksuudeltaan tyypillisesti esimerkiksi 2-15 mm '.35 paksu ja esimerkiksi 5-70 cm leveä. Sovelluksesta riippuen lamellien paksuus ja leveys Wl voivat myös vaihdella edellä esitetyistä. Lamellin pituus HE voidaan sovittaa kulloisenkin tilanteen mukaiseksi vaihdellen esimerkiksi muutamista kymmenistä senttimetreistä useisiin metreihin.

12 110896

Lamellin L runkomateriaalina voidaan käyttää esimerkiksi puuta, muovia tai sopivaa muuta materiaalia, tai myös useista eri materiaaleista koostuvaa komposiittirakennetta, jolla saavutetaan kevyt ja riittävän jäykkyyden omaava rakenne.

5

Yksittäisten lamellien L muoto voi puhtaasti tasomaisista levyistä poiketen olla myös jossain määrin kaareva.

Säätöjärjestelmä 10

Keksinnön mukaista vaimenninrakennetta voidaan käyttää sekä ns. myötäkytkettyjen (engl. feedforward control) että ns. takaisinkytkettyjen (engl. feedback control) säätöjärjestelmien kanssa.

15 Kuva 5 esittää periaatteellisesti myötäkytketyn säätöjärjestelmän FF käyttöä vastaäänen muodostuksen ohjauksessa. Häiriöäänilähteen NS aiheuttamaa häiriöääntä mitataan referenssianturilla (mikrofonilla) RM, jonka antaman signaalin perusteella signaalinkäsittely-yksikkö CPU ohjaa vastaäänen tuottamista lamelleissa L. Puhtaasti myötäkytketyssä 20 järjestelmässä säätö perustuu pelkästään referenssianturin/-antureiden RM käyttöön.

• Edullisesti myötäkytketty säätöjärjestelmä käsittää lisäksi kuitenkin eroanturin EM, joka eroanturi tarkkailee vaimenninrakenteen P läpäis- • .. 25 syttä ja jäljelle jäänyttä häiriöääntä. Eroanturin EM signaali syötetään ·:·: takaisinkytkentänä signaalinkäsittely-yksikköön CPU, joka sopivan ·:··:' algoritmin avulla ohjaa vastaäänen tuottoa siten, että eroanturin EM .*··. havaitsema häiriöäänen voimakkuus, tai jokin muu sopiva akustinen suure/suureet kuten häiriöäänen intensiteetti, minimoituu.

... 30

Kuvassa 5 yhtenäisillä viivoilla esitetyn mukaisesti referenssianturi RM ·;·’ ja eroanturi EM voivat olla sijoitettuja vaimenninrakenteen P ulkopuo-lelle, tai katkoviivalla esitetyn mukaisesti mainitut anturit RM’,EM’ voi-daan sijoittaa myös itse vaimenninrakenteeseen P esimerkiksi aiemmin ;35 kuvissa 4A-4H esitettyjä periaatteita soveltaen.

Sekä referenssiantureita RM,RM’ että eroantureita EM,EM’ voi olla yksi tai useampia sovelluskohteesta, ja esimerkiksi vaimenninrakenteen P

13 110896 koosta riippuen. Toisessa ääripäässä voidaan ajatella olevan tilanne, jossa vaimenninrakenteen P kaikkia lamelleja L ohjataan samalla tavoin yhden ohjaussignaalin D avulla, ja esimerkiksi vain yhtä refe-renssianturia RM käyttäen. Toisessa ääripäässä on taas tilanne, jossa 5 jokaiseen yksittäiseen lamelliin L syötetään useita erilaisia ohjaussignaaleja D lamellin käsittäessä useita erillisiä kaiutinelementtejä LS, ja mainitut ohjaussignaalit D muodostetaan kukin erillisten referenssejä eroantureiden RM’,EM’ avulla. Ohjaussignaalien D muodostamiseksi antureiden RM,RM’,EM,EM’ signaaleja voidaan tarvittaessa yhdistellä 10 mielivaltaisesti kulloinkin käytettävän säätöalgoritmin vaatimalla tavalla.

Kuva 6 esittää periaatteellisesti takaisinkytketyn säätöjärjestelmän FB käyttöä vastaäänen muodostuksen ohjauksessa. Puhtaasti takaisin-kytkentään perustuvassa säädössä referenssianturia ei lainkaan käy-15 tetä, vaan säätö perustuu eroanturin/-antureiden EM,EM’ käyttöön. Samoin kuin edellä, eroanturit EM,EM’ voivat olla sijoitettuja vaimenninrakenteen P ulkopuolelle tai itse vaimenninrakenteeseen P. Eroantureiden EM,EM’ lukumäärä voi myös vaihdella vapaasti, samoin niiden signaaleja voidaan yhdistellä tarvittavalla tavalla yhden tai 20 useamman lamelleja L ohjaavan ohjaussignaalin D muodostamiseksi.

Kuva 7 esittää vielä periaatteellisesti poikkileikkauskuvana ja lamellin pituusakselin suunnasta tarkasteltuna yksittäisen lamellin L toimintaa monopolisäteilijänä. Akustiikan perusteista on yleisesti tunnettua, että •...25 kun äänilähteen koko, eli tässä tapauksessa lamellin leveys Wl on : olennaisesti pienempi kuin λ/2 , missä λ on äänilähteen synnyttämän ·:··: äänen aallonpituus, toimii äänilähde (lamelli L) monopolisäteilijän tavoin. Monopolisäteilijälle on ominaista se, että äänikentän AN muoto olennaisesti pallo- tai ympyräsymmetrinen. Mikäli lamellin L molemmilla .-.30 pinnoilla S1,S2 käytetään kaiutinelementtejä, tulee niiden vaihe järjes- tää kuvassa 7 esitetyllä tavalla siten, että värähtelevien kalvojen tms. ·:** ääntä synnyttävien pintojen liike eri puolilla S1,S2 lamellia on vastak- i kaissuuntaista.

. .-35 Kuva 8 esittää vastaavasti lamellin L toimintaa dipolisäteilijän tavoin.

Vaiheistamalla lamellin pinnoilla S1,S2 toimivien kaiutinelementtien tai vastaavien elimien keskinäinen vaihe kuvassa 7 esitetyllä tavalla, on 14 110896 lamellin L säteilemän äänikentän AN muoto dipolisäteilijälle ominaisesti ’’kahdeksikon” muotoinen.

Alan ammattimiehelle on edellä esitetyn perusteella siten selvää, että 5 lamellien L tuottaman vastaäänikentän AN muotoa voidaan sovittaa yksittäisen ja/tai vierekkäisten lamellien sisältämien kaiutinelementtien keskinäistä vaiheistusta säätämällä kulloiseenkin tilanteeseen sopivaksi. Ts. käytettäessä sälekaihtimen omaista vaimennin-rakennetta P esimerkiksi lamellit L ’’auki” tai ’’kiinni” -asennossa, tai jossakin asen-10 nossa mainittujen asentojen välillä.

Keksinnön sovellusesimerkkejä

Seuraavassa esitetään vielä muutamia keksinnön suoritusmuotoja ja 15 keksinnön sovellusmahdollisuuksia.

Keksinnön mukainen vaimenninrakenne soveltuu asennettavaksi esimerkiksi ikkunan eteen, taakse tai useampilasisessa ikkunassa myös ikkunalasien väliseen tilaan.

20

Vaimenninrakenne voidaan asentaa myös erilaisiin aukkoihin, kanaviin tai putkistoihin, jotka mainitut rakenteet johtavat häiriöääntä niiden •: : sisälle rajatussa tilassa.

• [”25 Keksinnön mukaista vaimenninrakennetta voidaan kuitenkin käyttää ·:··: myös avoimessa tilassa. Vaimenninrakenteen koon (tyypillisesti levey- den) ollessa riittävä, voidaan vaimenninrakenteella estää melun ete-.···. nemistä esimerkiksi halleissa ja/tai huonetiloissa käyttämällä keksinnön mukaista rakennetta tilanjakajan tavoin. Tällaisissa tilanteissa häiriö-. 30 äänet eivät pääse etenemään suoraviivaisesti vaimenninrakenteen lävitse puolelta toiselle, ja sellaiset häiriöäänet, jotka kiertävät vaimenninrakenteen sen reunojen kautta, vaimenevat luonnostaan pidem-i : mästä etäisyydestä johtuen.

‘35 Keksinnön mukaisia vaimenninrakenteita yhdistämällä on mahdollista '···; muodostaa isompaan tilaan melulta suojattu rajattu tila, jonka tilan ’’seinät” ja mahdollisesti ’’katto” on muodostettu keksinnön mukaisia rakenteita käyttäen.

,B 110896 15

Tasomaisen seinämän sijaan laulelleista voidaan luonnollisesti muodostaa myös eri tavoin kaarevia rakenteita, kuten kaarevia seinämiä.

5 Pelkän melunvaimennuksen lisäksi keksinnön mukaisella rakenteilla voidaan toteuttaa myös muunlaista aktiivista äänenhallintaa. Samaa rakennetta käyttäen voidaan muuttaa tilojen akustiikkaa esimerkiksi jälkikaiunta-aikaa ja/tai äänen heijastusten kulkuaikaa ohjaamalla, samoin kuin äänen absorptiota/vaimennusta aktiivisesti säätämällä.

10

Keksintö ei ole rajoittunut ainoastaan asuin-, liike- tai teollisuusrakennuksissa sekä niihin liittyvissä rakenteissa käytettäväksi, vaan sitä voidaan luonnollisesti käyttää myös esimerkiksi laivoissa, lentokoneissa, muissa ajoneuvoissa ja myös ulkotiloissa.

15

Aktiivisen vastaäänen tuottoon perustuvan melunvaimennuksen lisäksi vaimenninrakenne voidaan toteuttaa melua myös passiivisesti vaimentavana. Lamellien koko, suuntaus ja niissä käytettävät ääntä passiivisesti vaimentavat materiaalit voidaan alan ammattimiehelle sinänsä 20 tunnetulla tavalla (ns. lamellivaimentimen perusperiaate) valita siten, että lamelleista koostuva rakenne vaimentaa passiivisesti hyvin esimerkiksi yli 500 Hz:n taajuuksia. Tätä alemmilla taajuuksilla ääntä vai-·:·: mennetaan taas aktiivisesti vastaääntä tuottamalla, jolloin tällainen hybridi aktiivi-passiivivaimennin voidaan optimoida rakenteeltaan kul-"]25 toiseenkin tarkoitukseen optimaaliseksi. Korkeiden äänien vaimentami-·:··: nen aktiivisesti vastaäänellä vaikeutuu taajuuden kasvaessa mm. sää- ·:··: töjärjestelmän signaalinkäsittely-yksiköltä CPU vaadittavan suuremman laskentakapasiteetin ja monimutkaisempien säätöalgoritmien vuoksi.

* · · • · »»· ·

Claims (17)

16 110896 1. Äänen etenemisreitille asennettava häiriöääntä (N) aktiivisesti vas-takkaisvaiheisen vastaäänen (AN) avulla vaimentava ja/tai muokkaava 5 rakenne (P), tunnettu siitä, että rakenne (P) koostuu levymäisistä ja edullisesti pitkänomaisista vierekkäisistä lamelleista (L), jotka keskenään pituussuunnassa (HE) olennaisesti yhdensuuntaiset lamellit (L) muodostavat sälekaihtimen omaisen rakenteen, ja joista lamelleista (L) ainakin osa käsittää yhden tai useamman vastaääntä tuottavan ele-10 mentin (LS).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen rakenne (P), tunnettu siitä, että vastaääntä tuottava yksittäinen elementti (LS) on lamellin (L) tason suuntaiselle pinnalle (S1,S2) järjestetty litteä kaiutinelementti tai vas- 15 taava(LS).

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen rakenne (P), tunnettu siitä, että kaiutinelementtejä (LS) on sijoitettu lamellin (L) molemmille puolille, ts. molemmille lamellin tason suuntaisille toisiinsa nähden vastakkaisille 20 pinnoille (S1,S2).

4. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen rakenne (P), tunnettu • » Λ: siitä, että lamellien (L) tuottaman vastaäänen (AN) muodostaminen on järjestetty ohjatuksi myötä- (FF) tai takaisinkytkettyä (FB) säätöjärjes-."25 telmää käyttäen. • · ...: 5. Jonkin edellä esitetyn patenttivaatimuksen rakenne (P), tunnettu siitä, että vaimenninrakenne (P) käsittää itsessään yhden tai useamman ääntä ilmaisevan anturin (M, RM’, EM’), jonka anturin/antureiden . 30 avulla lamellien (L) tuottamaa vastaääntä voidaan säätää myötä- (FF) ;./ tai takaisinkytketysti (FB).

6. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen rakenne (P), tunnettu siitä, että ääntä tuottavat kaiutinelementit (LS) ja/tai ääntä \35 ilmaisevat anturit (M, RM’, EM’) on valmistettu sähköisesti varatusta ’ ·: \ sähkömekaanisesta EMFi-kalvosta (engl. Electromechanical Film). 17 110896

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen rakenne (P), tunnettu siitä, että ääntä tuottava kaiutinelementti (LS) ja ääntä ilmaiseva anturi tai anturit (M, RM’, EM’) on yhdistetty samaan EMFi-kalvosta valmistettuun komponenttiin. 5

8. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen rakenne (P), tunnettu siitä, että lamelleista (L) ainakin osa käsittää yhden tai useamman ääntä passiivisesti vaimentavan elementin (SA).

9. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen rakenne (P), tunnettu siitä, että lamellien (L) muotoilu ja/tai keskinäinen sijoittelu on järjestetty ääntä passiivisesti vaimentavaksi.

10. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen rakenne (P), 15 tunnettu siitä, että yksittäisen lamellin (L) leveys (Wl) suhteessa lamel- lilla tuotettavan vastaäänen aallonpituuteen, ja yksittäisen lamellin (L) vastakkaisille pinnoille (S1.S2) järjestettyjen kaiutinelementtien (LS) vaiheistus on valittu siten, että lamelli (L) toimii olennaisesti monopoli-säteilijän tavoin. 20

11. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen rakenne (P), tunnettu siitä, että yksittäisen lamellin (L) leveys (Wl) suhteessa lamel- ·:·: lilla tuotettavan vastaäänen aallonpituuteen, ja yksittäisen lamellin (L) vastakkaisille pinnoille (S1,S2) järjestettyjen kaiutinelementtien (LS) •[.25 vaiheistus on valittu siten, että lamelli (L) toimii olennaisesti dipolisätei-·:··: lijän tavoin.

12 Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen rakenne (P), tunnettu siitä, että rakenne (P) on sovitettu ikkunan tai vastaavan . 30 aukon yhteydessä käytettäväksi. I t »

13. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen rakenne (P), tunnettu siitä, että rakenne (P) on sovitettu ilmastointikanavan tai vastaavan yhteydessä käytettäväksi. .!·35

14. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen rakenne (P), tunnettu siitä, että yksi tai useampia rakenteita (P) on sovitettu keski- 18 110896 näisesti siten, että ne muodostavat isomman tilan yhteyteen rajatun ja melulta suojatun tilan.

15. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen rakenne (P), 5 tunnettu siitä, että lamellien (L) muodostama sälekaihdinrakenne on järjestetty sälekaihtimen tapaan avattavaksi ja suljettavaksi lamelleja (L) niiden pituusakselin (HE) suhteen kiertämällä.

16. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen rakenne (P), 10 tunnettu siitä, että lamellien (L) muodostama sälekaihdinrakenne on järjestetty sälekaihtimen tapaan pois käytöstä syrjään siirrettäväksi lamellit (L) yhteen niputtamalla.

17. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen rakenne (P), 15 tunnettu siitä, että rakenne (P) on lisäksi järjestetty tuottamaan aktiivisesti hyötyääntä asennustilan akustiikkaan vaikuttamiseksi. • · • I · • « · » · · • · 1 • · • · · » · I ( 1 • > * » 110896