EP0898774B1 - Reaktiver schalldämpfer - Google Patents

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EP0898774B1
EP0898774B1 EP97923077A EP97923077A EP0898774B1 EP 0898774 B1 EP0898774 B1 EP 0898774B1 EP 97923077 A EP97923077 A EP 97923077A EP 97923077 A EP97923077 A EP 97923077A EP 0898774 B1 EP0898774 B1 EP 0898774B1
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Jan Krüger
Philip Leistner
Helmut Fuchs
Roland Lippold
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    • G10K2210/32271—Active resonators

Definitions

  • the invention relates to a reactive absorbing silencer (hereinafter more reactive Called silencer) according to the preamble of claim 1.
  • Active Helmholtz resonators represent a variant of the basic idea of hybrid silencers according to - DE 42 26 885 and Spannheimer, H., Freymann, R., Fastl, H .: Aktiver Helmholtz resonator for damping cavity vibrations. Progress der Akustik - DAGA 1994, DPG-GmbH, Bad Honnef: 1994, pp. 525-528, -dar, picture 7, preferably with the area of application in motor vehicles.
  • Here represents a conventional Helmholtz resonator the passive described in DE 40 27 511 Subsystem that is actively influenced on its back. In detail it is on known Helmholtz resonator through a hollow body (16) and an opening (17) defined.
  • the one provided outside the Helmholtz resonator next to the opening Microphone (18) provides information about the sound pressure prevailing there, with which a transmission system (20) with special (PDT) frequency and time behavior the required voltage for the speaker (19) generated in the hollow body.
  • This Loudspeaker determines or changes the transmission behavior (resonance frequency) of the original Helmholtz resonator.
  • the loudspeaker in the hollow body thus serves the practical enlargement (general change) of the hollow body volume for improved Sound absorption of the Helmholtz resonator at low frequencies.
  • the goal here there is therefore an active reduction in the resonance frequency and thus the sound absorption of the passive Helmholtz resonator.
  • the object of the invention is to adjust the efficiency of the reactive silencer to increase the preamble of claim 1 and to reduce the technical outlay. According to the invention, this is achieved by the reactive muffler according to claim 1 solved.
  • Advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims.
  • the invention relates to a reactive silencer, in which both the detection as well as the active influencing of the sound field directly and immediately the duct wall (1) takes place, Figure 1.
  • the basic building block is a closed, compact one Cassette (2) in which all components are summarized. Your front is part of the channel wall and is covered by at least one vibratable membrane (3), e.g. a loudspeaker membrane, embodied.
  • This membrane (3) forms by its area Mass with the cavity (4) of the cassette housing behind it an acoustic resonance system. The occurring sound waves in the sewer rain this resonance system at and near its natural frequency to vibrate on.
  • the activation takes place with the help of a sensor (5), which is in the immediate vicinity, is arranged in or on the membrane (3) and detects the membrane vibrations.
  • This sensor function can e.g. Microphones, structure-borne sound sensors or optical Take over motion sensors.
  • the output signal of the sensor is used after a inverting, linear amplification (6) of the control of an electroacoustic Transducer (7), e.g. the voice coil of a speaker.
  • the membrane is forced to vibrate more, the sound pressure on the lined wall surface thus further reduced and the sound wave more subdued.
  • the shape of the housing (2) can be varied, since only the volume of the cavity (4) affects the frequency characteristic.
  • absorbers can be provided inside the housing (2), which is soundproof his.
  • the principle-related linear amplifier (6) contains no frequency weighting of the sensor signal in order to use filters, signal formers or other transmission systems to avoid associated unwanted phase shifts. This prevents disturbing acoustic interactions between neighboring ones Cassettes and large-area, reactive silencers made of many individual cassettes, e.g. in reactive silencer backdrops, Figure 2, are possible.
  • the provision of the operating voltages for the sensors (5) and amplifiers (6) is done by conventional Power supplies or batteries.
  • the measured insertion loss of an example reactive silencer, Figure 3, consisting of 4 cassettes, is in Figure 4 shown.
  • the reactive silencer comes without passive subsystems (porous absorbers, Helmholtz resonators etc.). This fact as well as the spatial concentration of membrane (3) and sensor (5) in the channel wall allow the use of a simple amplifier (6). This allows all components of the reactive silencer to be used can be easily integrated in a compact housing (2).
  • the reactive silencer is connected to any sound field and to any sound field limitation, e.g. Channel redirection, adaptable.
  • the reactive silencer cassettes and thus all electroacoustic components can be acoustic using permeable covers against physical and chemical occurring in the channel Loads are protected.
  • An embodiment of the reactive silencer sees the use of a Microphones as sensors (5) whose positioning behind the membrane (3), i.e. in the cavity (4) of the cassette (2).
  • the principle of operation of the reactive silencer is not only applicable to flat waves in comparatively narrow channels, but also also effects a damping of modal sound fields in any channels or rooms.
  • the vibrating membranes reduce the reactive Cassettes also cover the sound pressure on the lined wall surface and dampen the existing sound field.

Description

Die Erfindung betrifft einen reaktiv absorbierenden Schalldämpfer (nachstehend reaktiver Schalldämpfer genannt) nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Die in der aktiven Lärmbekämpfung am meisten verfolgten und vielfach verfeinerten sogenannten Antischall-Systeme (Nelson, P.A., Elliott, S.J.: Active Control of Sound and Vibration. Academic Press Limited, London: 1992) zur Schalldämpfung in Kanälen beruhen auf einer einfachen Konzeption, Bild 5. Eine ankommende, primäre Schallwelle wird von einem Mikrofon (8) erfaßt, das sich in Richtung der Lärmquelle deutlich abgesetzt vor den übrigen Komponenten im Kanal befindet. Das erfaßte Mikrofonsignal wird durch eine Signalverarbeitung (11) rechnerisch möglichst genau um 180° gedreht und dient zur Ansteuerung eines Lautsprechers (9), der schließlich die sekundäre Schallwelle abstrahlt. In Schallausbreitungsrichtung überlagern sich beide Wellen im Idealfall bis zur Auslöschung. Die Überwachung dieser Auslöschung kann mit einem zweiten Mikrofon (10) in Schallausbreitungsrichtung erfolgen, dessen Signal gleichzeitig zur Anpassung der Signalverarbeitung an etwaige Veränderungen der Schallausbreitung im betreffenden Kanal dienen kann. Mit Hilfe moderner Signalprozessoren gelingt diese Prozedur zumindest unter Laborbedingungen sehr präzise. Ihr praktischer Einsatz ist jedoch durch hohe Empfindlichkeit bei überlagerter Luftströmung oder bei Temperaturschwankungen sowie durch hohen Aufwand an Elektronik und Signalverarbeitung gekennzeichnet.
Mit einem anderen Ansatz wird in DE 40 27 511 ein hybrider Schalldämpfer, Bild 6, vorgeschlagen, bei dem an der Vorderseite eines bekannten, passiven Subsystems (12) durch ein rückseitig ergänzendes aktives Subsystem eine optimale akustische Impedanz der Kanalwand (1) realisiert werden soll, Den Ausgangspunkt bilden die akustischen Eigenschaften des passiven Subsystems, z.B. einer Schicht aus porösem Absorbermaterial. Die weiteren Elemente des hybriden Schalldämpfers dienen der Generierung einer rückseitigen Abschlußimpedanz des passiven Subsystems. Zur Erzwingung dieser Abschlußimpedanz ist der Schalldruck hinter dem passiven Subsystem mit einem Mikrofon (13) zu messen. Anschließend wird die Mikrofonspannung über einen Signalformer (15) an einen Lautsprecher (14) rückgekoppelt, an dessen Membranfläche sich die berechnete Impedanz einstellen soll. Dieses Verfahren setzt voraus, daß der in der DE 40 27 511 vorgeschlagene Signalformer erstens das Eigenverhalten aller elektromechanischen Komponenten (Mikrofon, Lautsprecher, Box, etc.) kompensiert und zweitens dem System die gewünschte Abschlußimpedanz aufprägt. Die Eigenschaften der elektromechanischen Komponenten wurden gründlich untersucht und beschrieben. Danach ist die Anpassung lediglich durch komplexe und nur näherungsweise realisierbare Übertragungsfunktionen des Signalformers möglich.
Eine Spielart des Grundgedankens hybrider Schalldämpfer stellen aktive Helmholtz-Resonatoren nach - DE 42 26 885 und Spannheimer, H., Freymann, R., Fastl, H.: Aktiver Helmholtz-Resonator zur Dämpfung von Hohlraumeigenschwingungen. Fortschritte der Akustik - DAGA 1994, DPG-GmbH, Bad Honnef: 1994, S. 525-528, -dar, Bild 7, vorzugsweise mit dem Anwendungsbereich in Kraftfahrzeugen. Dabei repräsentiert ein herkömmlicher Helmholtz-Resonator das in der DE 40 27 511 beschriebene passive Subsystem, das auf seiner Rückseite aktiv beeinflußt wird. Im einzelnen ist der an sich bekannte Helmholtz-Resonator durch einen Hohlkörper (16) und eine Öffnung (17) definiert. Das außerhalb des Helmholtz-Resonators neben der Öffnung vorgesehene Mikrofon (18) gibt die Information über den dort herrschenden Schalldruck, womit ein Übertragungssystem (20) mit speziellem (PDT-) Frequenz- und Zeitverhalten die erforderliche Spannung für den Lautsprecher (19) im Holhlkörper generiert. Dieser Lautsprecher bestimmt bzw. verändert das Übertragungsverhalten (Resonanzfrequenz) des ursprünglichen Helmholtz-Resonators. Der Lautsprecher im Hohlkörper dient damit der praktischen Vergrößerung (allg. Veränderung) des Hohlkörpervolumens zur verbesserten Schallabsorption des Helmholtz-Resonators bei tiefen Frequenzen. Das Ziel hier besteht demnach in der aktiven Verringerung der Resonanzfrequenz und damit der Schallabsorption des passiven Helmholtz-Resonators.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Wirkungsgrad des reaktiven Schalldämpfers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu erhöhen und den technischen Aufwand zu verringern. Erfindungsgemäß wird dies durch den reaktiven Schalldämpfer nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung bezieht sich auf einen reaktiven Schalldämpfer, bei dem sowohl die Erfassung als auch die aktive Beeinflussung des Schallfeldes direkt und unmittelbar an der Kanalwand (1) erfolgt, Bild 1. Den Grundbaustein stellt eine geschlossene, kompakte Kassette (2) dar, in der alle Komponenten zusammengefaßt sind. Ihre Frontseite ist Teil der Kanalwand und wird durch mindestens eine schwingfähige Membran (3), z.B. eine Lautsprechermembran, verkörpert. Diese Membran (3) bildet durch ihre flächenbezogene Masse mit dem dahinter befindlichen Hohlraum (4) des Kassettengehäuses ein akustisches Resonanzsystem. Die auftretenden Schallwellen im Kanal regen dieses Resonanzsystem bei und in der Nähe seiner Eigenfrequenz zu Schwingungen an. Die Aktivierung erfolgt mit Hilfe eines Sensors (5), der in unmittelbarer Nähe, in oder an der Membran (3) angeordnet ist und die Membranschwingungen detektiert. Diese Sensorfunktion können z.B. Mikrofone, Körperschallaufnehmer oder optische Bewegungssensoren übernehmen. Das Ausgangssignal des Sensors dient nach einer invertierenden, linearen Verstärkung (6) der Ansteuerung eines elektroakustischen Wandlers (7), z.B. der Schwingspule eines Lautsprechers.
Im Ergebnis wird die Membran zu stärkeren Schwingungen gezwungen, der Schalldruck an der ausgekleideten Wandfläche damit weiter reduziert und die Schallwelle stärker gedämpft.
Die Form des Gehäuses (2) ist variierbar, da lediglich das Volumen des Hohlraumes (4) die Frequenzcharakteristik beeinflußt. Um Hohlraumresonanzen zu unterdrücken, können Absorber im Innern des nach außen schallundurchlässigen Gehäuses (2) vorgesehen sein. Zur spektralen Anpassung des Resonanzsystems kann weiterhin die flächenbezogene Membranmasse, z.B. durch unterschiedliche Lautsprecher, verwendet werden. Der prinzipbedingte lineare Verstärker (6) enthält keinerlei Frequenzbewertung des Sensorsignals, um die mit Filtern, Signalformern oder anderen Übertragungssystemen verbundenen unerwünschten Phasenverschiebungen zu vermeiden. Dadurch unterbleiben störende akustische Wechselwirkungen zwischen benachbarten Kassetten und großflächige, reaktive Schalldämpfer aus vielen Einzelkassetten z.B. in reaktiven Schalldämpferkulissen, Bild 2, werden möglich. Die Bereitstellung der Betriebsspannungen für die Sensoren (5) und Verstärker (6) erfolgt durch konventionelle Stromversorgungen oder Batterien. Die gemessene Einfügungsdämpfung eines beispielhaften reaktiven Schalldämpfers, Bild 3, bestehend aus 4 Kassetten, ist im Bild 4 dargestellt.
Vorteile reaktiver Schalldämpfer gegenüber dem Stand der Technik Aus dem Grundprinzip des reaktiven Schalldämpfers, d.h. der Ausnutzung bzw. Verstärkung der Membranschwingungen als Schallfeld-Abbildung direkt in der Kanalwand, ergeben sich folgende Vorteile gegenüber bestehenden aktiven Schalldämpfern.
Der reaktive Schalldämpfer kommt ohne passive Subsysteme (poröse Absorber, Helmholtz-Resonatoren etc.) aus. Diese Tatsache sowie die räumliche Konzentration von Membran (3) und Sensor (5) in der Kanalwand ermöglichen die Verwendung eines einfachen Verstärkers (6). Dadurch können alle Komponenten des reaktiven Schall-dämpfers problemlos in einem kompakten Gehäuse (2) integriert werden.
Die räumliche Kaskadierung mehrerer, benachbarter reaktiver Schalldämpfer in der Kanalwand oder in Schalldämpferkulissen ist möglich und führt zu entsprechend höherer Schalldämpfung. Die Dämpfungswirkung kaskadierter, reaktiver Schalldämpfer im Kanal ist praktisch nur durch Schallnebenwege (analog zu passiven Schalldämpfern) begrenzt.
Der reaktive Schalldämpfer ist an beliebige Schallfelder und an beliebige Schallfeldbegrenzungen, z.B. Kanalumlenkungen, adaptierbar. Die reaktiven Schalldämpferkassetten und damit alle elektroakustischen Komponenten können mit Hilfe akustisch durchlässiger Abdeckungen gegen im Kanal auftretende physikalische und chemische Belastungen geschützt werden.
Eine Ausgestaltung des reaktiven Schalldämpfers sieht bei der Verwendung eines Mikrofons als Sensor (5) dessen Positionierung hinter der Membran (3), d.h. im Hohlraum (4) der Kassette (2) vor. Das Funktionsprinzip des reaktiven Schalldämpfers ist nicht nur bei ebenen Wellen in vergleichsweise engen Kanälen anwendbar, sondern bewirkt auch eine Dämpfung modaler Schallfelder in beliebigen Kanälen oder Räumen. In diesen Anwendungsfällen verringern die schwingenden Membranen der reaktiven Kassetten ebenfalls flächenhaft den Schalldruck an der ausgekleideten Wandfläche und dämpfen das vorhandene Schallfeld.
Beschreibungen der Bilder
  • Bild 1 : Beispielhafte Ausführung einer reaktiven Schalldämpferkassette in einer Kanalwand (1), bestehend aus dem Gehäuse (2) mit mindestens einer Membran (3) vor einem Hohlraum (4), einem Sensor (5), einem linearen Verstärker (6) und einem elektroakustischen Wandler (7).
  • Bild 2 : Kaskadierte Anordnung reaktiver Schalldämpferkassetten in einer Schalldämpferkulisse.
  • Bild 3 : Ausführungsbeispiel eines reaktiven Schalldämpfers bestehend aus 4 Kassetten in eine. Kanalwand (1) bei einem Kanalquerschnitt von 0,25 m x 0,25 m
  • Bild 4 : Gemessene Einfügungsdämpfung des beispielhaften reaktiven Schall-dämpfers in Bild 3.

    • Claims (6)

    1. Reaktiv absorbierender Schalldämpfer bestehend aus einem schallundurchlässig begrenzten Hohlraum (4) mit mindestens einer Membran (3), einem akustischen Sensor (5) in unmittelbarer Nähe oder in oder an der Membran (3) sowie einem auf die Membran wirkenden elektroakustischen Wandler (7) und einem invertierenden Signalverstärker (6), wobei die mit dem Sensor (5) detektierten Resonanzschwingungen der Membran (3) mittels des Signalverstärkers (6) und des elektroakustischen Wandlers (7) verstärkt werden,
      dadurch gekennzeichnet,
      dass
      zur Schallabsorption die Membran (3) Teil der Wand eines Raumes ist, der Hohlraum (4) von dem Raum aus gesehen hinter der Membran liegt und die akustische Masse der Membran (3) mit der akustischen Nachgiebigkeit des Hohlraums als Resonanzabsorber auf die am stärksten zu dämpfende Schwingung in dem Raum abgestimmt ist,
      und der Signalverstärker (6) linear arbeitet und einen ebenen Amplitudenfrequenzgang aufweist.
    2. Schalldämpfer nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet,
      dass das Volumen des Hohlraums (4) an das zu dämpfende Schallfeld angepaßt ist.
    3. Schalldämpfer nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet,
      dass der Sensor (5) ein akustischer oder optischer Sensor ist und den Druck, die Schnelle oder die Bewegung der Membran (3) detektiert.
    4. Schalldämpfer nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet,
      dass der elektroakustische Wandler (7) ein einfacher linearer Lautsprecher ist.
    5. Schalldämpfer nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet,
      dass eine akustisch durchlässige Abdeckung vor oder auf der Membran (3) vorgesehen ist.
    6. Schalldämpfer nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet,
      dass mehrere Schalldämpfer nebeneinander flächig in einer Kanalwand (1), einem Strömungskanal oder in Schalldämpferkulissen, angeordnet sind.
    EP97923077A 1996-05-14 1997-05-14 Reaktiver schalldämpfer Expired - Lifetime EP0898774B1 (de)

    Priority Applications (1)

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    Application Number Priority Date Filing Date Title
    DE19619466 1996-05-14
    DE19619466 1996-05-14
    PCT/EP1997/002471 WO1997043754A1 (de) 1996-05-14 1997-05-14 Reaktiver schalldämpfer

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    Publication Number Publication Date
    EP0898774A1 EP0898774A1 (de) 1999-03-03
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    Family Applications (1)

    Application Number Title Priority Date Filing Date
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    US (1) US6385321B1 (de)
    EP (1) EP0898774B1 (de)
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