DE19822582A1 - Aktive Geräuschunterdrückung für lärmabstrahlende Flächen - Google Patents
Aktive Geräuschunterdrückung für lärmabstrahlende FlächenInfo
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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 lärmab
strahlende Fläche mit mindestens einem mit der Fläche verbundenen Schnel
lesensor und mindestens einem durch das Signal des Schnellesensors ansteu
erbaren, auf die Fläche wirkenden Aktuator.
Ein derartiges System zur Reduktion der Schallabstrahlung einer ebenen Flä
che wird beispielsweise von M. E. Johnson und S. J. Elliott in Journal of
Acoustic Society of America, 98 (4), Oct. 1995 unter dem Titel "Active Con
trol 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 Schwin
gungsmoden, insbesondere die Grundmode (1,1) erfaßt und diesen Schwin
gungen mittels des Aktuators entgegenwirkt. Schwingt die lärmabstrahlende
Fläche mit höheren Schwingungsmoden, bei denen auch nur eine Kompo
nente geradzahlig ist, also z. B. (1,2)-, (2,3)-, usw. -Moden, so liefert ein der
artiger flächenintegrierender Sensor kein Ausgangssignal mehr, da die Inte
gration 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 Schwingungs
moden erhöht, welche zumindest eine ungeradzahlige Komponente aufweisen,
z. B. (1,2)-, (1,3)-, (2,3)-, (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 achsenselek
tiv integrierende Schnellesensoren, welche im einfachsten Fall aus streifen
förmigen 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 Schwin
gungsmode entgegenwirken kann.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den Figuren teilweise sche
matisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein aktives System zur Geräuschunterdrückung mit zwei achsense
lektiven 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 pie
zoelektrischen 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 ange
ordnet, daß ihre durch Pfeile dargestellten piezoelektrischen Vorzugsrichtun
gen in der Plattenebene senkrecht zueinander orientiert sind. In dem gezeigten
Ausführungsbeispiel ist somit die Folie 3 für Auslenkungen der Plattenober
fläche 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 flä
chenförmig auf die Platte 1 einwirken und zwar derart, daß schwingungsbe
dingten Auslenkungen der Platte entgegengewirkt wird. Für eine sogenannte
"Feed Forward"-Regelung können auch die Schwingungssignale der Stör
quelle 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 achsenselek
tiv integrierenden Schnellesensoren auch aus streifenförmigen Folien gemäß
Fig. 2 hergestellt sein. Dies hat den Vorteil, daß auch stark gekrümmte Flä
chen problemlos belegt werden können. Hierzu sind auf einer Platte 21 zwei
Schichten von piezoelektrischen Folienstreifen kreuzweise übereinander auf
geklebt, 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 je
weils einer Schicht sind untereinander elektrisch verbunden, so daß an den
jeweiligen Ausgangsleitungen das Summensignal aller piezoelektrischer Strei
fen einer Schicht anliegt.
Bei dem im Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Schnelle einer
Platte 31 punktförmig mittels einzelner Sensoren 32 erfaßt, welche matrix
förmig 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 Senso
ren 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 S19, die der nächsten Spalte das Sum
mensignal S29 usw. Da sich lokale Schnellewerte mit unterschiedlichen Vor
zeichen 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 Beschleuni
gungssensoren 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 Fig. 4a und b gezeigte Ausführungsbeispiel besteht aus einzel
nen Vorsatzelementen 42, die auf einer 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
Fig. 1, 2 oder 3 mit achsenselektiven Schnellesensoren 44 bzw. 45 belegt,
deren Signale einer Regelung 46 zugeführt werden. Diese steuert einen Ak
tuator 47, der zentral auf die Schale 42.1 einwirkt.
Derartige Vorsatzelemente eignen sich zur Geräuschunterdrückung insbeson
dere von komplex schallabstrahlenden Strukturen, bei denen das Schwin
gungs- 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 min
destens 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 gekennzeich
net, daß der achsenselektiv integrierende Schnellesensor (23, 24) mindestens
ein streifenförmiges Piezoelement aufweist.
3. Aktive Geräuschunterdrückung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der achsenselektiv integrierende Schnellesensor (23, 24) mehre
re parallel nebeneinander angeordnete und elektrisch parallel geschaltete strei
fenförmige Piezoelemente aufweist.
4. Aktive Geräuschunterdrückung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß der achsenselektiv integrierende Schnellesensor
mehrere punktförmige, matrixförmig sowohl auf der Fläche (31) angeordnete,
als auch elektrisch verschaltete Beschleunigungs- oder Deformationsaufneh
mer (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, da
durch 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 gekennzeich
net, daß mehrere nebeneinander angeordnete Schalen (42.1) ein flächen
deckendes Muster bilden.
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