DE3834853A1 - Anordnung zur verminderung des geraeuschpegels im innenraum eines kraftfahrzeugs - Google Patents
Anordnung zur verminderung des geraeuschpegels im innenraum eines kraftfahrzeugsInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Derartige Anordnungen sind vielfach bekannt. Sie
enthalten im wesentlichen einen Schwingungsaufnehmer in
Form eines Mikrofons, der zwischen dem Empfänger und
zwischen der Geräuschquelle im Innenraum an einer
markanten Stelle angeordnet ist. Beispiele hierfür
finden sich in der DE-PS 30 25 391, in der das Mikrophon
in einem Rohr für feste, flüssige oder gasförmige Medien
angeordnet ist. Über eine geeignete, an anderer Stelle
angeordnete weitere Geräuschquelle soll dabei ein
Geräusch erzeugt werden, das gegenphasig zum
Primärgeräusch ist und damit dieses in seiner Intensität
verringert und im Idealfall unterdrückt. Eine ähnliche
Ausführung geht aus der DE-OS 33 42 928 hervor. Diese
ist insbesondere für Luftführungskanäle geeignet.
Neben diesen aktiven sog. Antischalleinrichtungen, bei
denen ein hinsichtlich Phase und Amplitude
spiegelsymmetrischer Gegenschall erzeugt wird, sind auch
passive Einrichtungen bekannt, bei denen die
Schallenergie durch Absorption reduziert wird. Beispiel
hierfür ist das bekannte Auskleiden von
Luftführungskanälen oder dgl. mit geräuschdämpfendem
Material.
Die bekannten Einrichtungen sind in der Regel nicht
besonders wirksam und darüber hinaus sehr
kostenintensiv. Dies gilt sowohl für aktive als auch für
passive Systeme. Die Ursache hierfür ist die erhebliche
Erhöhung der Herstellungskosten und die geringe
Dauerhaltbarkeit, aus der sich die Notwendigkeit eines
häufigen Ersatzes ergibt. Bei den aktiven Systemen
kommen zusätzlich die herstellungs- und
unterbringungstechnischen Probleme für den
Schwingungsaufnehmer und die Geräuschquelle für den
Gegenschall hinzu.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung
der eingangs genannten Art zu schaffen, die auf
konstruktiv einfache Weise zu einer erheblichen
Verringerung des Geräuschpegels und im Idealfall zu
einer völligen Beseitigung des Fremdgeräusches im
Innenraum eines Kraftfahrzeugs führt.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die
kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.
Die Erfindung beruht wesentlich auf der Überlegung, daß
durch derartige Wandflächen störende Geräusche in den
Innenraum übertragen bzw. dort infolge von
Hohlraumschwingungen verstärkt werden. Dies gilt
besonders dann, wenn die Wandfläche mit einer ihrer
Eigenfrequenz erregt wird und diese Frequenz mit einer
Hohlraumeigenfrequenz übereinstimmt.
Als vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann, wie
im Patentanspruch 2 beschrieben zusätzliche
Dämpfungsmittel vorgesehen sein, die in ihrer Form
und/oder Lage an die Eigenfrequenz der Wandfläche
angepaßt sind.
Wie beim Stand der Technik kann die Erfindung sowohl in
einem passiven als auch einem aktiven System realisiert
werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen des passiven
Systems finden sich in den Patentansprüchen 3 bis 5, für
das aktive System im Patentanspruch 6.
Vorteilhafte Ausführungsformen sowohl des aktiven als
auch des passiven Systems finden sich weiter in den
Patentansprüchen 7 bis 9.
Im einzelnen bestehen die Vorteile der Ausführungsformen
nach Patentanspruch
3 im einfachen konstruktiven Aufbau,
4 einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung hierzu und
5 einer weiteren Verbesserung durch Anpassung an mindestens eine weitere Eigenfrequenz der Wandfläche.
3 im einfachen konstruktiven Aufbau,
4 einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung hierzu und
5 einer weiteren Verbesserung durch Anpassung an mindestens eine weitere Eigenfrequenz der Wandfläche.
Die Ausführungsformen nach den Ansprüchen 7 bis 9
basieren auf der Verwendung von folienförmigen
Dämpfungsmitteln, die auf der Wandfläche aufgebracht
sind. Diese Ausführungsformen zeichnen sich durch eine
besonders kostengünstige Herstellung aus.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der
Erfindung dargestellt.
Es zeigt
Fig. 1 eine holographische Aufnahme einer Wandfläche
aus Blech,
Fig. 2 die Aufnahme einer passiven Anordnung,
Fig. 3 die prinzipielle Darstellung einer aktiven
Anordnung,
Fig. 4 das Schwingungsverhalten der Wandfläche von
Fig. 1,
Fig. 5 die Anordnung einer weiteren Ausführungsform
einer aktiven Anordnung entsprechend Fig. 3,
Fig. 6 die Ausführungsform einer passiven Anordnung
gem. Fig. 2 mit einer zusätzlichen
erläuternden Skizze,
Fig. 7 eine weitere Ausführungsform der passiven
Anordnung gem. der Fig. 2 und 6,
Fig. 8 alternative passive bzw. aktive Anordnungen
und
Fig. 9 eine Alternative zur Anordnung von Fig. 8.
Die in Fig. 1 gezeigte holographische Aufnahme einer
Eigenschwingungsform einer schwingungsförmigen
Wandfläche zeigt die wesentlichen Merkmale der
Schwingungsformen, wie sie bei dem im Kraftfahrzeug
vorhandenen abstrahlkritischen Bauteilen auftreten.
Diese Bauteile bilden Wandflächen für den Innenraum des
Kraftfahrzeugs, dessen Geräuschpegel reduziert werden
soll bzw. liegen im Übertragungsweg zwischen der bzw.
den Geräuschquelle(n) und den Innenraum.
Die in Fig. 1 gezeigte interferometrische Aufnahme
zeigt, daß die Schwingungsformen immer die Form von
Kreisen oder Ellipsen aufweisen. Der Rand dieser
Kreise/Ellipsen kann als ruhend angesehen werden. Zum
Zentrum der Kreise/Ellipsen hin vergrößern sich jedoch
jeweils die Schwingungsamplituden. Demzufolge können
solche schwingenden Wandflächen direkt mit
Lautsprechermembranen verglichen werden. Sie strahlen
dementsprechend auch eine mehr oder weniger hohe
Schalleistung ab. Dieser Effekt erweist sich in vielen
Fällen als ungünstig für die Innenraumakustik eines
Kraftfahrzeugs.
Die Grundidee der Erfindung besteht darin, die
Überhöhung der Schwingungsamplituden in akustisch
kritischen Schwingungsresonanzen zu reduzieren im
Einblick auf die Abminderung der von der Wandfläche
abgestrahlten Schalleistung. Dieses Ziel kann erreicht
werden, indem auf die Wandfläche Piezoelemente 1
mechanisch appliziert werden, die
- a) elektrisch in einer passiven elektronischen Dämpfungsschaltung angeordnet sind (Fig. 2)
- b) als Stellglieder in einem aktiven Regelkreis zur dynamischen Verformung der Wandfläche eingesetzt werden (Fig. 3).
Als Schwingungsaufnehmer können dabei entweder
Dehnungsmeßstreifen oder Piezoelemente Verwendung
finden, die die Schwingungsbewegung der Wandfläche
erfassen. Mit beiden Systemen (passiv/aktiv) kann
eine zusätzliche künstliche Dämpfung der
Schwingungsbewegung der Wandfläche hervorgerufen
werden, wodurch die rein mechanische
Resonanzüberhöhung reduziert wird (Fig. 4).
Die Wirkungsweise bei einer passiven/aktiven Anordnung
ist identisch und besteht darin, die Schwingungsbewegung
der Wandfläche zu dämpfen. Die zugrundeliegende
Funktionsweise für die beiden Anordnungen ist jedoch
unterschiedlich.
Bei passiven Anordnungen wird die mechanische
Schwingungsenergie der Wandfläche über die Piezoelemente
als mechanisch/elektrische Wandler in elektrische
Energie umgeformt und dann in den Widerstand 2 eines
elektronischen RLC-Netzwerkes 3 (Fig. 2) vernichtet. Das
Netzwerk 3 wird - im Hinblick auf eine höchstmögliche
Vernichtung von elektrischer Energie - auf die akustisch
kritische Eigenfrequenz der Wandfläche abgestimmt.
Bei einer aktiven Anordnung, wie sie prinzipiell in Fig.
3 dargestellt ist, ist eine nicht im einzelnen gezeigte
und einem an geeigneter Stelle der Wandfläche - z.B. im
Schwingungszentrum - angeordneten Schwingungsaufnehmer
nachgeschaltete elektronische Dämpfungsschaltung so
ausgelegt, daß die im Bereich der akustisch kritischen
Frequenz (vgl. Fig. 4) von den wiederum als
Piezoelemente oder dgl. ausgebildeten Stellgliedern
hervorgerufenen dynamischen strukturellen Verformungen
Massenkräfte erzeugen, welche in der akustisch
kritischen Eigenschwingungsform als Dämpfungskräfte
wirken. Diese Bedingung erfordert eine entsprechende
Auslegung der Dämpfungsschaltung hinsichtlich der
Phasenlage seiner Übertragungsfunktion im
Frequenzbereich der akustisch kritischen
Resonanzfrequenz der Wandfläche und führt bei richtiger
Anlegung zu einem Schwingungsverhalten, wie es in Fig. 4
strichliert eingezeichnet ist.
Von besonderer Bedeutung ist bei beiden Anordnungen
(passiv/aktiv) die "richtige" Anordnung der
Piezoelemente auf der Wandfläche zum Erzielen eines
optimalen Ergebnisses.
Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 3 und 5 werden
einzelne Piezoelemente 1 verwendet. Diese sind für eine
aktive Anordnung
- a) in akustisch kritischen Eigenschwingungsformen am Rande der Kreis/Ellipsenform (entsprechend der holographischen Darstellung von Fig. 1) angeordnet und in radialer Richtung wirksam, es werden also von den Piezoelementen 1 jeweils in radialer Richtung dynamische Zug-/Druckkräfte in die Wandfläche eingeleitet (Fig. 5), oder
- b) auf einer Kreis-/Ellipsenbahn max. Krümmung in radialer Richtung angeordnet und in radialer Richtung wirksam (Fig. 6) bzw.
- c) in Gestaltung entsprechend a) bzw. b) auf beiden Seiten der Wandfläche angeordnet. Die Elemente beider Seiten werden dann jeweils mit umgekehrten Vorzeichen angesteuert. Wenn die Elemente auf der einen Seite der Wandfläche Druckkräfte erzeugen, so erzeugen die Elemente auf der anderen Seite der Wandfläche zum gleichen Zeitpunkt Zugkräfte.
Für eine passive Anordnung sind die Piezoelemente in
akustisch kritischen Eigenschwingungsformen auf
Kreis-/Ellipsenbahnen max. Krümmung in Radialrichtung
angeordnet und auch in radialer Richtung wirksam (Fig.
6). Dabei ist es vorteilhaft, die Piezoelemente in einer
Serienschaltung in das RLC-Netzwerk 3 einzufügen (Fig.
2). Ferner können die Piezoelemente 1 auch auf mehreren
konzentrischen Bahnen angeordnet sein. Dies ist
besonders dann sinnvoll, wenn eine Vielzahl von
Elementen anzuordnen sind und auf einer "Bahn" nicht der
erforderlich Platz für eine Anordnung nebeneinander
vorhanden ist (Fig. 7)
Neben der Ausbildung der Dämpfungsmittel in Form von
einzelnen Piezoelementen unmittelbar auf der Wandfläche
ist es auch möglich, diese vor Aufbringen auf der
Wandfläche auf einer elektrisch neutralen Folie
anzuordnen, die dann mit der Wandfläche schwingungsfest
zu verbinden ist. Dadurch ergibt sich eine vereinfachte
Montage.
Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 8 und 9 werden
anstelle von einzelnen Piezoelementen
Piezofolienelemente auf der Basis von Polymeren
verwendet. Diese dienen als Stellglieder in aktiven
Anordnungen. Im einzelnen besitzen diese
Piezofolienelemente
- a) Ring-/Ellipsenform mit Mittelloch 4 (Fig. 8). Die Ringfläche wird direkt mit der Wandfläche schwingungsfest verbunden, beispielsweise verklebt. Die Kraftwirkungsrichtung in der Ringfläche ist wie bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen radial;
- b) mehrere ineinanderliegende konzentrische Ring-/Ellipsenformen (Fig. 9). Auch hier ist die Kraftwirkungsrichtung in den verschiedenen Ringsystemen radial.
Damit ergibt sich eine Anordnung zur Verbindung des
Geräuschpegels im Innenraum eines Kraftfahrzeugs, dessen
Grundidee darin besteht, Schall im Innenraum gar nicht
erst entstehen zu lassen. Sie basiert auf rein
strukturdynamischen Überlegungen, die auf konstruktiv
und fertigungstechnisch besonders einfache Weise
umgesetzt werden.
Claims (9)
1. Anordnung zur Verminderung des Geräuschpegels im
Innenraum eines Kraftfahrzeugs mit mindestens einem
Schwingungsaufnehmer und mit Mitteln zum Verringern
des im Innenraum wirksamen Geräuschs, dadurch
gekennzeichnet, daß mindestens eine den Innenraum
begrenzende und/oder im Übertragungsweg zwischen
einer Geräuschquelle und dem Innenraum liegende
Wandfläche den Schwingungsaufnehmer trägt, daß der
Schwingungsaufnehmer in seiner Lage und in seinen
elektromechanischen Eigenschaften der
Schwingungsform der Wandfläche im Bereich ihrer
Eigenfrequenzen zumindest annähernd angepaßt ist
und daß das Ausgangssignal des
Schwingungsaufnehmers einer Dämpfungsschaltung (3)
zugeführt ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dämpfungsschaltung mit Dämpfungsmitteln
korrespondiert, die ebenfalls auf der Wandfläche
angeordnet sind und in ihrer Form und/oder Lage der
Schwingungsform der Wandfläche im Bereich ihrer
Eigenfrequenz zumindest annähernd entsprechen.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schwingungsaufnehmer und die
Dämpfungsmittel identisch sind.
4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dämpfungsmittel aus
mehreren Elementen bestehen, die in akustisch
kritischen Eigenschwingungsformen auf einer in sich
geschlossenen Bahn maximaler schwingungsbedingter
Krümmung in Radialrichtung angeordnet und in
radialer Richtung wirksam sind.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß weitere Elemente als Dämpfungsmittel auf
mindestens einer weiteren konzentrischen Bahn
angeordnet sind.
6. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dämpfungsmittel aus
mehreren Elementen bestehen, die in akustisch
kritischen Eigenschwingungsformen am Rande einer
Schwingungsform angeordnet und in radialer Richtung
wirksam sind.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dämpfungsmittel auf einer
Folie angeordnet sind, die mit der Wandfläche
schwingungsfest verbunden sind.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dämpfungsmittel selbst als Piezofolie
ausgebildet sind, die mit der Wandfläche
schwingungsfest verbunden ist.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dämpfungsmittel auf beiden
Seiten der Wandfläche angeordnet sind.
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