DE4027511C1 - - Google Patents
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Description
Schalldämpfer werden überwiegend mit "passiven" Schallabsorbern
ausgekleidet. Die Wechselwirkung der Absorberauskleidung mit
dem Schallfeld im Schalldämpferkanal erfolgt im wesentlichen durch
die akustische Oberflächen-Impedanz der Absorberauskleidung. Es gibt
eine sogenannte optimale Oberflächen-Impedanz, die durch den Windungspunkt
der sogenannten Absorberfunktion zwischen der ersten und
der zweiten Schalldämpfermode eindeutig beschrieben ist. Realisierungsbemühungen
in der Fachliteratur haben gezeigt, daß es grundsätzlich
nicht möglich ist, mit rein passiven Absorberelementen
diese Windungspunkt-Impedanz über einen größeren Frequenzbereich
einzuhalten.
Bei einer anderen Technik, dem sogenannten "aktiven" Schallschutz,
wird dem zu reduzierenden Lärm durch ein elektroakustisches
System eine durch dieses System erzeugte Schallwelle derart überlagert,
daß es in Schallausbreitungsrichtung zu einer auslöschenden
Interferenz kommt (Methode des Anti-Schalls).
Nachfolgend werden zunächst die Fachbegriffe des Hauptanspruchs kurz
erläutert, dann wird auf den Stand der Technik eingegangen, aus welchem die
Aufgabenstellung der Erfindung hergeleitet wird. Des weiteren wird der
Erfindungsgedanke formuliert und die Schritte zu seiner Realisierung werden beispielhaft
behandelt. Dann wird der technische Fortschritt der Erfindung dargetan,
und schließlich werden die Ansprüche der Erfindung aufgezählt.
Wo es zweckdienlich ist, werden mathematische Formeln benutzt als
knappste und präziseste Darstellungsart physikalisch-technischer Zusammenhänge.
Des weiteren dienen beispielhafte Schemazeichnungen der Erläuterung des
Erfindungsgedankens und seiner Realisierung.
Die Begriffserläuterungen sollen helfen, die Erfindung zu beschreiben und
den technischen Fortschritt derselben zu begründen. Für eine vollständigere Darstellung
der Akustik von Schalldämpfern wird auf die Literaturstelle [1] verwiesen.
Schalldämpfer dienen dazu, den Schalldurchgang durch Öffnungen zu
verringern. In den meisten Anwendungen sind diese Öffnungen die lichten Querschnitte
von Kanälen. Schalldämpfer - und somit auch der erfindungsgemäße
Schalldämpfer - werden aber auch angewendet zur Verringerung des Schalldurchgangs
durch Fugen (beispielsweise Türfugen) und durch Öffnungen für einen
Material- oder für Personen-Durchgang (beispielsweise in Schallschutzkapseln von
Maschinen und in Schallschutzkabinen). Die Öffnungen werden im Folgenden
zusammenfassend "Kanäle" genannt.
Der erfindungsgemäße hybride Schallabsorber muß in seinen Kenndaten auf
die Form des lichten Querschnitts des Schalldämpfer-Kanals angepaßt werden. Der
Erfindungsgedanke wird hier beispielhaft für rechteckige Querschnitte entwickelt,
wie in Abb. 1 dargestellt, ist aber nicht auf diese Form beschränkt. Die
Erfindung läßt sich auch für andere Querschnittsformen anwenden, beispielsweise
bei runden oder ringförmigen Kanälen.
Schalldämpfer mit schallabsorbierender Auskleidung wirken prinzipiell
dadurch schalldämpfend, daß auf dem ganzen Umfang oder auf einem Teil des
Umfangs des lichten Kanalquerschnitts eine Absorberauskleidung angebracht ist,
welche (meist nur in Teilen, beispielsweise die in porösen Materialien eingeschlossene
Luft) durch die Schallwelle zu Schwingungen angeregt wird und dadurch mit
ihr in Wechselwirkung tritt, so daß die Schallwelle bei ihrer Ausbreitung durch den
Kanal gedämpft wird um die Wechselwirkung zu verstärken, wird der lichte Querschnitt
des Kanals häufig durch schallabsorbierende Kulissen unterteilt. Ein solcher
Kulissen-Schalldämpfer ist in Abb. 2 gezeigt. Der Erfindungsgedanke ist
auch auf solche Formen der Absorberauskleidung anwendbar. Es wird dann jeder
Kulissenspalt wie ein Schalldämpfer nach Abb. 1 behandelt.
Schallabsorber heißen "passiv", wenn das Mitschwingen der
Absorberauskleidung durch die Schallwelle allein über mechanische (akustische)
Wechselwirkungen hervorgerufen wird. Die Stärke und die Phase des
Mitschwingens wird dann durch die Anordnung, die Abmessungen und die
Materialeigenschaften der Absorberauskleidung festgelegt. Die Auswahl der
Komponenten des passiven Absorbers im erfindungsgemäßen Schalldämpfer wird
durch den Erfindungsgedanken nicht eingeengt. Diese können beispielsweise sein:
poröse Schallabsorber aus Faserstoffen (Mineralfasern, Metallfasern,
Kunststoffasern, organische Fasern, offenzellige Schäume, porös gesinterte
Werkstoffe etc.), biegeelastische Platten, Folien und Membranen, Lochbleche,
Gewebe, Vliese etc. Diese Komponenten des passiven Absorbers können sich
entweder in unmittelbarer Berührung miteinander oder in einem gegenseitigen
Abstand voneinander befinden. Wegen einer vollständigeren Beschreibung solcher
Absorberkomponenten und ihrer akustischen Eigenschaften wird auf die
Literaturstelle [2] verwiesen.
Das erfindungsgemäße aktive Subsystem besteht aus einem oder mehreren
Schallaufnehmern, einem oder mehreren Signalformern und einem oder mehreren
Schallgebern (meist: Lautsprecher). Die Schallaufnehmer sind meist Mikrofone,
können aber auch Körperschallaufnehmer sein. Die Signalformer für das
Ausgangssignal der Schallaufnehmer sind je nach Aufgabenstellung Kombinationen
von Verstärkern, Frequenzfiltern und sonstigen an sich bekannten elektronischen
Komponenten. Der Schallgeber wird durch die elektrische Ausgangsgröße des
Signalformers nach dem Erfindungsgedanken derart in Schwingung versetzt, daß
seine schwingende Oberfläche (zum Beispiel eine Lautsprecher-Membrane) eine
erfindungsgemäße akustische Impedanz annimmt.
Die elektronischen Signalformer können wiederum aus passiven und aus
aktiven elektronischen (nach dem in der Elektronik üblichen Sprachgebrauch)
Komponenten bestehen; diese können an sich bekannte "analoge" oder "digitale"
Funktionseinheiten sein.
Eine Schemazeichnung des aktiven Subsystems mit dem Schallaufnehmer (1),
dem Signalformer (2) und dem Schallgeber (3) ist in Abb. 3 gezeigt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgedankens ist der
Lautsprecher des aktiven Subsystems auf der dem Kanal abgewandten Seite der
passiven Absorberschicht angeordnet und stellt für diese eine akustische Abschlußimpedanz
Zb dar. Diese Anordnung, im Folgenden mit "Serienschaltung"
bezeichnet, dient im Nachfolgenden als Beispiel für die Entwicklung des
Erfindungsgedankens. Sie ist in Abb. 4 schematisch dargestellt. Sie stellt
jedoch nicht die einzig mögliche Anordnung gemäß der Erfindung dar.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform besteht die kanalseitige
Oberfläche der schallabsorbierenden Auskleidung aus einer Anordnung von
"passiven" und von "aktiven" Teilflächen. Die passiven Teilflächen werden durch
die Oberfläche von passiven Schallabsorbern gebildet, die aktiven Teilflächen
werden entweder durch die Oberfläche der Lautsprecher oder durch Mündungen
von Lautsprecherkammern gebildet, welche ihrerseits wieder ganz oder teilweise
mit passiven Absorberkomponenten gefüllt sein können. Diese Anordnung wird
weiterhin mit "Parallelschaltung" bezeichnet. Eine schematische Darstellung enthält
die Abb. 5.
Die akustische Impedanz Zw einer Oberfläche ist das Verhältnis des
Schalldrucks an dieser Oberfläche zu der Oberflächen-normalen Schallschnelle.
Gelegentlich wird nachfolgend auch der Kehrwert der Impedanz, nämlich die
(akustische) Admittanz Gw=1/Zw, benutzt.
Das Produkt U=k₀h · Z₀Gw aus der Wandadmittanz Gw der
Absorberauskleidung mit der Frequenzvariablen k₀h aus k₀=2πf/c₀ mit der
Frequenz f und der Schallgeschwindigkeit c₀ sowie aus der halben Weite h des
(hier der Einfachheit der Beschreibung halber spaltförmig angenommenen) lichten
Kanalquerschnitts und schließlich des Wellenwiderstandes Z₀ der Luft (c₀ und
Z₀ sind Materialkonstanten der Luft oder des schallführenden Mediums im Kanal)
ist die sogenannte "Absorberfunktion" U. Sie bestimmt im wesentlichen die
Wirksamkeit einer bestimmten Absorberauskleidung in einem Schalldämpfer
(Weiteres siehe unten und in [1]).
Zur Vereinfachung der Schreibweise wird im Folgenden angenommen, daß
alle Impedanzen Z und alle Admittanzen G mit dem Wellenwiderstand Z₀ des
schallführenden Mediums normiert sind. Das erfolgt durch die Ersetzungen Z→Z/Z₀
und G→Z₀ · G.
Moden sind Grund-Schwingungsformen eines Schallfeldes. Sie haben
folgende Eigenschaften:
- sie "passen" in die Berandungen des Schallfeldes, das heißt, sie erfüllen jede für sich die Randbedingungen,
- man kann durch Überlagerung von Moden jedes beliebige (auch komplizierte) Schallfeld innerhalb dieser Berandung synthetisieren,
- die durch ein solches Schallfeld transportierte Wirkleistung ist einfach die Summe der Schalleistungen der Moden (was bei einer Zerlegung des Schallfeldes in andere Komponenten als Moden nicht so einfach wäre).
Sei x die axiale Koordinate eines Kanals in Schallausbreitungs-Richtung
und y eine Quer-Koordinate (im Spaltkanal senkrecht zur Absorberoberfläche),
dann ist eine geeignete Darstellung des Schalldruck-Feldes:
p(x,y) = e- Γ x · q(y) (1)
Darin ist Γ=Γ′+j · Γ′′ die komplexe (Längs-)Ausbreitungskonstante und q(y) ist
eine geeignete Querverteilungs-Funktion, welche die Randbedingungen an der
Oberfläche der Absorberauskleidung erfüllen muß.
Der Realteil Γ′ von Γ ist die Dämpfung in Neper pro Längeneinheit.
Gebräuchlich (und im Nachfolgenden benutzt) ist die Angabe der Dämpfung Dh
durch den Schallpegel-Abfall in Dezibel (dB) pro halber Spaltweite h. Diese ist:
Dh=8,68 · Γ′h [dB] (2)
Die Durchgangsdämpfung Dd eines Schalldämpfers der Länge L ist dann:
Die Längs-Ausbreitungskonstante Γ erhält man aus der Frequenzvariablen
k₀h und der Hilfsgröße z aus der Formel:
wobei die Hilfsgröße z eine Lösung der Bestimmungsgleichung
z · tan z = jU (5)
ist mit der oben eingeführten (und aus den Absorberdaten bekannten)
Absorberfunktion U.
Der hier skizzierte Rechenweg gilt für das gewählte Beispiel eines
spaltförmigen Rechteckkanals mit symmetrischen Moden (gleichphasige
Schwingung des Schallfeldes beiderseits der Symmetriefläche des Spaltkanals). Der
Fall antisymmetrischer Moden (gegenphasige Schwingung beiderseits der
Symmetriefläche) führt zu der Bestimmungsgleichung für z (siehe [1]):
z/tan z = -jU (6)
Für andere Querschnittsformen wird auf [1] verwiesen. Bei einem runden
Kanalquerschnitt mit axialsymmetrischem Feld ist beispielsweise die
Bestimmungsgleichung:
mit den Besselfunktionen J₀ und J₁ nullter beziehungsweise erster Ordnung. Die
Werte im Windungspunkt zwischen der ersten und der zweiten Mode sind hierbei:
Uwp = 2,98 + j · 1,98 und zwp = 2,2285 + j · 2,358.
Die Funktion tan z ist periodisch im Realteil z′ des komplexen Arguments
z=z′+j · z′′. Ihr Wertevorrat wiederholt sich entlang z′ in Abständen von π. Das
führt dazu, daß die Bestimmungsgleichungen (5) und (6) (unendlich) viele
Lösungen z haben. Jede dieser Lösungen stellt dann eine Schalldämpfer-Mode
dar. Man erkennt aus Gl. (4), daß die verschiedenen modalen Lösungen für z zu
unterschiedlichen modalen Dämpfungen führen. Die Modendämpfung wächst im
allgemeinen mit der Ordnungszahl m der Moden an, das heißt mit der Laufzahl des
Periodenstreifens entlang z′, aus welchem die Lösung stammt.
Welche Schalldämpfer-Mode vorherrscht, welche Modendämpfung also zu
benutzen ist, hängt nicht nur von der Bauform und der Dimensionierung des
Schalldämpfers ab, sondern überwiegend von der Querverteilung des auf den
Schalldämpfer auftreffenden Schallfeldes, demnach von der Schallquelle (Gebläse,
Kompressor, Flamme etc.) und von den Störstellen (Ecken, Abzweigungen,
Einbauten etc.) in dem Kanal vor dem Schalldämpfer. Eine durch den Gebrauch
gerechtfertigte Regel ist deshalb, den Schalldämpfer für die niedrigst gedämpfte
Mode auszulegen. Dies wurde schon in den frühen Arbeiten [3] und [4] empfohlen.
Diese Regel bestätigt sich deshalb, weil die niedrigst gedämpfte Mode sich unter
den beiden ersten Moden befindet und weil höhere Moden schwer anregbar sind,
also nur selten das Schallfeld dominieren. Sollten sie dennoch vorhanden sein,
dann würden sie eine höhere Dämpfung als die Auslegungs-Dämpfung besitzen.
Trägt man für die Lösungen z=z′+j · z′′ der Bestimmungsgleichung Kurven
mit jeweils konstantem Realteil z′ und mit konstantem Imaginärteil z′′ über der
komplexen Ebene der (als bekannt vorausgesetzten) Absorberfunktion
U=U′+j · U′′ auf, dann entstehen die Kurvennetze der Abb. 6 und
Abb. 7. Jede dieser Abbildungen deckt etwa einen der Periodenstreifen über
z′, das heißt eine Mode, ab. Und zwar die Abb. 6 die erste Mode der Gl. (5)
und Abb. 7 die nächst höhere Mode. Andere Darstellungsformen
sind in [1], [3], [4] zu finden.
Am unteren Ende des Bereiches in diesen Abbildungen, in welchem die
Kurvennetze (nahezu) rechteckig sind, erkennt man Punkte, um welche sich die
Kurven "herumwinden". Dies sind die "Windungspunkte".
Wichtig im Zusammenhang mit der Erfindung ist der in [4] nachgewiesene
Umstand, daß eine Mode in ihrem oberen Windungspunkt ihre höchste Dämpfung
hat.
Weiterhin wichtig im Zusammenhang mit der Erfindung ist die Tatsache, daß
benachbarte Moden diese Windungspunkte gemeinsam haben. Dort fallen die
beiden Lösungen z benachbarter Moden zusammen. Wenn also die
Absorberauskleidung eines Schalldämpfers eine Absorberfunktion mit dem Wert
U=Uwp im Windungspunkt der beiden ersten Moden hat, dann gibt es keine
Schwingungsform in diesem Schalldämpfer mit einer geringeren Dämpfung, da ja
die geringst gedämpfte Mode sich unter den beiden ersten Moden befindet.
In [4] ist beschrieben, wie man die Werte der Absorberfunktion Uwp am
Windungspunkt und die zugehörigen Lösungen zwp ermittelt und es sind dort
Zahlenwerte angegeben. Für den Windungspunkt zwischen den beiden niedrigsten
Moden gilt für ein symmetrisches Schallfeld im rechteckigen Spaltkanal: Uwp=2,05998+j · 1,65061
und zwp=2,1062+j · 1,12536.
Die Abb. 8 zeigt die Frequenzkurve der Dämpfung Dh der niedrigst
gedämpften Mode in einem rechteckigen Spaltkanal, wenn sich die
Absorberfunktion U der Absorberauskleidung bei allen Frequenzen im
Windungspunkt Uwp befindet. Man erhält diese Kurve aus den Gln. (4) und (2),
wenn man in der Gl. (4) z=zwp einsetzt. Die Abszisse dieser (und aller
nachfolgender) Darstellung der Dämpfung Dh ist das Produkt f · h in [Hz · m],
weil sich so Schalldämpfer zusammenfassen lassen, welche gewisse "Ähnlichkeitsgesetze"
erfüllen. Man beachte die logarithmische Auftragung der Dämpfung.
Um sich die Aussage der Abb. 8 zu verdeutlichen, denke man an einen
Schalldämpfer mit einer Spaltweite H=2 h=0,2 m, also h=0,1 m. Dies ist eine
häufig benutzte Spaltweite bei Schalldämpfern für technische Anlagen. Dann würde
ein Schalldämpfer nach Abb. 8 mit einer Länge L=1 m bei tiefen
Frequenzen eine Dämpfung von Dd=190 dB besitzen, ein fürwahr außerordentlich
hoher Wert!
Diese extrem hohe Dämpfung ist technisch kaum voll ausnutzbar, weil dann
andere Schall-Übertragungsmechanismen, wie Körperschall-Ausbreitung im
Schalldämpfer-Gehäuse, die effektive Schallpegel-Minderung durch den
Schalldämpfer begrenzen würden. Deshalb braucht man bei einem Schalldämpfer
nach dieser Erfindung den Wert Uwp der Absorberfunktion nicht exakt
einzustellen; es genügt eine Annäherung an diesen Wert, um deutliche
Verbesserungen der Schalldämpfung gegenüber konventionellen Schalldämpfern zu
erzielen.
Es ist nicht besonders schwierig, mit rein passiven Absorberauskleidungen
den Wert Uwp der Absorberfunktion in einzelnen Frequenzen anzunähern. In [1,
Bild 19.13] sind die Daten für eine einfache Absorberschicht aus Mineralfasern
angegeben (d/h=1; Ξd/Z₀=0,4), deren Absorberfunktion den Windungspunkt
sogar an zwei Frequenzen durchläuft. Die zugehörige Dämpfungskurve (allerdings
mit heutigen Absorberkennwerten der Mineralfasern statt den in [1] verwendeten
Kennwerten; deshalb lediglich eine Annäherung an die optimale Dämpfungskurve)
zeigt die Abb. 9. Typisch für solche rein passiven Realisierungen der
optimalen Wandimpedanz der Absorberauskleidung ist, daß der hohe
Dämpfungswert nur in schmalen Resonanzspitzen erreicht wird und bei anderen
Frequenzen mit tiefen Dämpfungs-Einbrüchen erkauft wird.
Dies gilt auch für die Bemühungen der Realisierung mit passiven Absorbern
in der Literaturstelle [6], welche allein dieser Aufgabe gewidmet war. Auch die
Erfolge der Realisierungsbemühungen in [7] sind nicht wesentlich verschieden
davon.
Wie bereits in [4] dargelegt wurde, liegt der Grund für die Mißerfolge einer
Realisierung von Uwp über einen breiten Frequenzbereich darin, daß kein
passives Bauteil bekannt ist, welches die Reaktanz einer Feder mit dem
Frequenzgang einer trägen Masse verbindet. Die Probleme bei der rein passiven
breitbandigen Realisierung der optimalen Impedanz der Absorberauskleidung sind
also grundsätzlicher Art.
Es ist der entscheidende Vorteil der Erfindung gegenüber Schalldämpfern mit
rein passiven Absorberauskleidungen, daß die optimale Impedanz über einen
breiten Frequenzbereich gehalten werden kann.
Sicherlich wäre es im Prinzip wünschenswert, die Optimal-Impedanz über
den gesamten Frequenzbereich einzustellen, also die Dämpfungskurve von
Abb. 8 zu realisieren. Dies würde jedoch den Realisierungsaufwand
beträchtlich erhöhen. Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, daß der
Frequenzbereich und die Höhe der verbesserten Schalldämpfung eingestellt werden
können, wodurch sich Kompromisse zwischen Aufwand, technischen
Nebenbedingungen (wie Platzbedarf, Druckverlust etc.) mit der anzustrebenden
Schalldämpfung einstellen lassen.
Den meisten technischen Anwendungen von Schalldämpfern ist aber
gemeinsam, daß eine hohe Dämpfung bei tiefen Frequenzen (ca. 30 Hz bis ca. 250 Hz)
verlangt wird. Das liegt an dem grundsätzlichen Verlauf der Frequenzspektren
des Lärms von Strömungserzeugern mit einem Anstieg zu tiefen Frequenzen hin.
Fast ebenso grundsätzlich sind die Probleme bei der Erzielung hoher, breitbandiger
Schalldämpfungswerte bei tiefen Frequenzen mit rein passiven
Absorberauskleidungen. Das liegt an dem Grundsatz bei passiven akustischen
Bauteilen, daß alle Abmessungen in Einheiten der Schallwellenlänge gemessen
werden, welche zu tiefen Frequenzen hin anwächst. Demzufolge haben
konventionelle Schalldämpfer für tiefe Frequenzen ein großes Bauvolumen, die
Absorberdicken d müssen groß werden, was dann zu einem Anstieg der
Strömungs-Druckverluste führt. Weiter unten wird an einem Beispiel gezeigt, daß
die dadurch verursachten Betriebskosten eines Schalldämpfers seinen
Anschaffungswert bei weitem übersteigen können.
Aus diesem Grund wird ein besonderes Augenmerk auf die Dämpfung bei
tiefen Frequenzen gelegt.
Eine Darstellung des Standes der Technik muß auf zwei Techniken eingehen:
die Technik des "passiven" Schallschutzes mit rein passiven Bauteilen und die
Technik des "aktiven" Schallschutzes mit allein elektroakustischen, "aktiven"
Bauteilen.
Die Probleme bei der Realisierung hoher Schalldämpfungen mit rein passiven
Absorberauskleidungen - insbesondere bei tiefen Frequenzen - wurden teilweise
oben bei den Begriffserläuterungen erwähnt. Den Stand der konventionellen Technik
bei einer guten Auslegung eines passiven Breitbandschalldämpfers beschreibt
[1, Bild 19.21], welches hier als Abb. 10 mit den hier benutzten Bezeichnungen
wiederholt wird. Eine ähnliche Kennzeichnung enthält auch [8, Bild 12/10]
und [9, Bild 6.138], wobei an letzterer Literaturstelle die Obergrenze für technische
Realisierungen nicht auf Dh=3 dB gelegt wird, sondern auf Dh=1,5 dB abgesenkt
ist. Auch die Neubearbeitung der VDI-Richtlinie über Schalldämpfer [10]
wiederholt diese Angaben als den Stand der Technik für gute Breitband-
Schalldämpfer.
Die hier vorgestellte Erfindung braucht sich mit passiven Schalldämpfern
eigentlich nicht auseinanderzusetzen, da sie weder nach der Lösungskonzeption
noch nach der erzielten Dämpfung vergleichbar sind. Lediglich um den derzeitigen
Stand auf diesem Gebiet zu illustrieren, sei eine moderne Entwicklung kurz
vorgestellt. In [11] wird ein Absorberelement aus sogenannten
"Membranabsorbern" für Schalldämpfer beschrieben, welches durch die
Kombination mehrfacher Resonanzsysteme in mühsamer Probierarbeit so
abgestimmt wurde, daß es über eine gewisse Frequenzbandbreite (meist ca. 1,5
Oktaven) eine möglichst hohe Dämpfung bei möglichst geringer Bautiefe erzielen
soll. Die Abb. 11 zeigt Dämpfungskurven verschiedener Typen dieses
Absorberelementes, welche auf verschiedene Frequenzbereiche abgestimmt sind.
Die oben angegebenen technisch realisierbaren Dämpfungen von Dh=3 dB werden
kaum überschritten. Es bleibt im wesentlichen der Vorteil der kleineren Bautiefe.
Dafür liegt aber der Preis solcher Elemente bei dem drei- bis fünffachen des Preises
von konventionellen Dämpferkulissen mit ansonsten vergleichbaren Leistungen.
Mit dem gleichen Ziel, nämlich einer Verringerung der Bautiefe der
Kulissenelemente befaßt sich auch die Offenlegungsschrift
DE 34 25 450 A1 [20]. Diese löst ein besonderes Problem bei
Kulissen-Schalldämpfern, das dadurch entsteht, daß zwar die
gesamte Breite des Kanals, in dem die Kulissen eingebaut werden
(siehe Abb. 2 der vorliegenden Beschreibung), sich stetig ändert,
weil man diese Kanalbreite in den vorhandenen Platz einpassen muß,
daß aber andererseits die Baubreite einer gewissen Kulissen-
Anordnung sich nur sprunghaft um die Breite D+H bei Hinzunahme
oder Weglassung einer weiteren Kulisse ändern kann. Die genannte
Schrift weist darauf hin, daß man mit einer Kulissen-Anordnung aus
gleich-dicken Kulissen mit gleich-breiten Kulissenspalten in dem
Zwischenbereich eines solchen Sprungs der Kanalbreite entweder
Schalldämpfung verliert, wenn man die Kulissenspalte mit wachsender
Kanalbreite proportional vergrößert, oder den Druckverlust des
Schalldämpfers unzulässig erhöht, wenn man mit wachsender Kanalbreite
eine weitere Kulisse hinzunimmt und die Kulissenspalte
derart verkleinert, daß die hinzugenommene Kulisse Platz findet.
Nach dieser Druckschrift soll das Problem dadurch gelöst werden,
daß man Kulissen mit unterschiedlicher Dicke verwendet. Durch geeignete
Kombination derselben kann man leichter eine vorgegebene
Gesamtbreite der Kulissen-Anordnung realisieren, ohne daß das für
die Dämpfung und den Druckverlust maßgebliche Verhältnis D/H geändert
werden müßte. Geeignete Kombinationsmöglichkeiten werden in
dieser Schrift in ausführlichen Listen angegeben.
Die genannte Offenlegungsschrift hat mit der vorliegenden Erfindung
nur das allgemeine Ziel gemeinsam, bei Kulissen-Schalldämpfern
die Dämpfung zu erhöhen und den Druckverlust zu erniedrigen.
Die Art des Absorber-Aufbaus der verwendeten Kulissen wird
- entsprechend der dortigen Aufgabenstellung - völlig offengelassen;
demzufolge fehlt jeglicher Hinweis auf die zu realisierende
Optimal-Impedanz der Kulissenoberflächen, die die Grundlage eines
erfindungsgemäßen Schalldämpfers bildet. Die genannte Schrift enthält
auch keine Erwähnung eines elektroakustischen Systems zur Erzielung
einer solchen Optimal-Impedanz. Somit fehlt dort jeglicher
Hinweis auf die Grundkonzeption für den erfindungsgemäßen Schalldämpfer
und auch auf eine entscheidende Grundkomponente desselben,
nämlich auf das aktive Subsystem.
Wichtiger ist der Vergleich mit den sogenannten "aktiven" Schalldämpfern.
Diese Entwicklung begann mit den Patentschriften [12]. Nach längerer Zwischenzeit
setzte mit Beginn der 70er Jahre eine lebhafte Forschungstätigkeit über die
Methoden der "aktiven" Lärmbekämpfung ein. In [13] ist eine kurz gefaßte
Übersicht gegeben. Eine Literaturzusammenstellung von 1988, [14], enthält 1708
einschlägige Zitate von Publikationen auf diesem Gebiet. Diese lebhafte
Forschungstätigkeit wurde ausgelöst durch die natürlichen Beschränkungen
passiver akustischer Bauteile, welche mit dem Schallfeld nur nach den vorgegebenen
akustischen Gesetzen für ihre Impedanzen und Übertragungsfunktionen in
Wechselwirkung treten können. Ein weiterer Anstoß für die lebhaften Bemühungen
um die "aktive" Lärmbekämpfung war die technische Entwicklung der
elektronischen Komponenten, welche es erlaubt, praktisch jede mathematisch
formulierbare Impedanz oder Übertragungsfunktion mit vertretbarem
Kostenaufwand elektronisch zu realisieren.
Das oft auch mit "Lärmbekämpfung durch Antischall" bezeichnete Prinzip der
aktiven Schalldämpfung ist in der Abb. 12 dargestellt. Von links fällt die
Schallwelle einer Lärmquelle in einem Kanal auf ein Mikrofon (1) ein. Dessen
Ausgangssignal wird über einen Signalverarbeiter (2) (mit Verstärkung, Filterung,
Laufzeitverschiebung etc.) auf Lautsprecher (3) gegeben, welche im wesentlichen
Schall abstrahlen, der mit dem Schall der Lärmquelle möglichst auslöschend
interferieren soll. Tatsächlich ist diese interferierende Auslöschung wirksam nur in
einer Richtung (Vorwärtsrichtung) möglich; in Rückwärtsrichtung wird bei den
meisten aktiven Systemen der Schall eher verstärkt. In einer Weiterentwicklung
wird nach Abb. 13 ein Mikrofon (4) auch hinter den Lautsprechern
angeordnet, dessen Ausgangssignal dazu dient, über einen Regler (5) die
Parameter des Signalverarbeiters (2) adaptiv zu verbessern in Richtung auf eine
Minimierung des Schalldrucks am Ort des Mikrofons (4).
Die meisten Untersuchungen der erwähnten Forschung beschäftigen sich mit
der Entwicklung von Steuer- und Regel-Algorithmen für die Signalverarbeitung
und für die adaptive Nachbesserung. Ein weiterer Teil befaßt sich mit der Entwicklung
geeigneter Lautsprecher und ihrer Anordnung.
So bestechend einfach das Prinzip der aktiven Lärmbekämpfung zunächst
erscheint, so deutlich zeichnen sich einige prinzipielle und technische
Schwierigkeiten ab. Zunächst kann man sich leicht klar machen, mit welcher
Genauigkeit die Schallfeldkompensation über den ganzen Kanalquerschnitt
funktionieren muß. Um eine Durchgangsdämpfung Dd von 40 dB zu erzielen
(eine Forderung üblicher Größenordnung im mittleren Frequenzbereich), darf der
Restfehler der Schallfeldkompensation nur 10% auf einer Restfläche von 1% des
Kanalquerschnitts betragen oder ein Festfehler von ca. 3% der Kompensation auf
einer Teilfläche von 10%. Dies erklärt, warum Schalldämpfungen von 40 dB mit
aktiven Systemen breitbandig nur unter Laborbedingungen (exakte
Kanalquerschnitte, exakt ebene Schallwellen, keine Strömung) realisiert wurden, da
die Lautsprecher für den Antischall an ihren Rändern nur schwer beherrschbare
Schallfelder erzeugen. Ein weiteres prinzipielles Problem rührt daher, daß in den
Schalldämpferkanälen Luftströmungen vorherrschen. Das aktive System kann aber
zunächst nicht zwischen turbulenten Druckschwankungen der Strömung, welche
keinen Schall abstrahlen und deshalb harmlos sind, und den zu verringernden
Schalldruckschwankungen unterscheiden. Dies ist der Grund, warum die
ursprünglich gehegten Hoffnungen, mit den aktiven Systemen einen Schalldämpfer
für tiefe Frequenzen (unter ca. 100 Hz) zu erhalten, nicht erfüllt werden konnten,
da die turbulenten Druckschwankungen mit fallender Frequenz stärker werden. Ein
technologisches Problem liegt darin, daß die meisten Strömungen in technischen
Schalldämpfern heiße Gase und/oder chemisch aggressive Dämpfe und/oder
Schmutz transportieren, da sowohl die Steuermikrofone als auch die Lautsprecher
dem Schallfeld und damit der Strömung direkt ausgesetzt sind. Ein weiteres
Lautsprecher-technisches Problem liegt darin, daß die Schallschnelle der
Lautsprechermembranen etwa die gleiche Größe wie die Schallschnelle des
Störschalls haben muß, daß aber der Schalldruck durch die angestrebte
Kompensation nahezu Null wird. Der Lautsprecher arbeitet also auf ein Schallfeld
mit niedriger Feldimpedanz. Demzufolge muß auch die mechanische Impedanz der
Lautsprecher sehr niedrig sein; die Membranen müssen leicht und weich gelagert
sein und müssen große Hübe machen (zumindest bei tiefen Frequenzen). Solche
Lautsprecher sind nun wiederum nicht geeignet, einer turbulenten Strömung
exponiert zu werden. Ein regeltechnisches Problem rührt daher, daß das
Steuermikrofon (1) auf der Seite der Lärmquelle nicht nur das zu unterdrückende
Schallfeld aufnimmt, sondern auch den von den Lautsprechern nach hinten
abgestrahlten Antischall. Tatsächlich wurde ein großer Anteil der Forschung darauf
verwendet, mit Hilfe geeigneter Steueralgorithmen aus dem überlagerten Signal
wieder das Störsignal herauszupräparieren. Ein weiteres grundsätzliches Problem
bei der technischen Anwendung der aktiven Schalldämpfer liegt darin, daß sowohl
durch Steuermikrofone (1) und Regelmikrofone (4) das Schallfeld nur in einigen
wenigen Punkten abgetastet werden kann und auch das Anti-Schallfeld durch die
Lautsprecheranordnung nur in einigen Punkten genau vorgegeben werden kann.
Dies kann funktionieren, solange das Störschallfeld eine konstante Querverteilung
hat. Gerade diese Querverteilung verändert sich aber bei technischen Schallquellen
und bei den großen Querabmessungen der Kanäle laufend. Dies alles mag der
Grund sein, warum aktive Schalldämpfersysteme über das Laborstadium kaum
hinausgekommen sind; zumindest haben sie trotz der intensiven Forschungstätigkeit
noch keine technische Bedeutung erlangt. Bei einer technischen Anwendung käme
außerdem noch erschwerend hinzu, daß bei einem Ausfall des aktiven Systems
praktisch überhaupt keine Schalldämpfung mehr vorhanden wäre.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur aktiven Schalldämpfung sind
in der Offenlegungsschrift DE 27 12 534 A1 [21] beschrieben. Dort
wird auch das als aktive Dämpfung bekannte Prinzip definiert, das
darin besteht, "daß der Energiegehalt (einer) Welle dadurch reduziert
werden kann, daß man die Primärwelle mit einer speziell erzeugten
Sekundärwelle in einer derartigen Weise kombiniert, daß
die Verdünnungen der Sekundärwelle mit den Verdichtungen der Primärwelle
zusammenfallen und umgekehrt". Die genannte Offenlegungsschrift
betont, daß die Sekundärwelle gegenüber der von ihr aufzuhebenden
Primärwelle genau erzeugt werden muß. Sie beschreibt die
Schwierigkeiten bei der genauen Erzeugung der Sekundärwelle nach
dem Prinzip der aktiven Dämpfung und befaßt sich ausschließlich
mit Verfahren und Vorrichtungen zur Gewinnung des Steuersignals
für die Schallquelle der Sekundärwelle. Der in der genannten
Offenlegungsschrift verwendete Prinzipaufbau ist in den Abb. 12
und 13 der vorliegenden Beschreibung gezeigt. Als eine der
Schwierigkeiten wird in der genannten Schrift die Rückwirkung des
Schalls von der Sekundärquelle ((3) in den Abbildungen) auf das
Mikrofon für die Primärwelle ((1) in den genannten Abbildungen)
genannt, und die bekannte Lehre befaßt sich demgemäß überwiegend
mit dem Problem, diese Rückwirkung zu vermeiden, indem von dem
Ausgangssignal dieses Mikrofons eine geeignet gebildete Wechselspannung
abgezogen wird.
Es ist einer der Haupt-Vorzüge der vorliegenden Erfindung, daß
dieses Problem bei dem erfindungsgemäßen Schalldämpfer nicht auftritt,
da an dem Steuermikrofon des erfindungsgemäßen aktiven Subsystems
die Schallwelle des Lautsprechers nicht subtrahiert werden
muß, so daß auch die in der genannten Schrift beschriebenen komplizierten
Vorverfahren und Vorrichtungen zur Vermeidung der Rückwirkung
der Sekundärquelle auf das Steuermikrofon nicht benötigt
werden und die bekannte Lehre die Erfindung nicht nahelegen kann.
In der genannten Schrift wird auch ein zweites Mikrofon ((4) in
Abb. 13 der vorliegenden Beschreibung) benutzt, um die Signalaufbereitung
von dem ersten Steuermikrofon ((1) in Abb. 13)
zu verbessern. Diese sogenannte Rückwärts-Regelung ist an sich
allgemeiner Stand der Regeltechnik und ist an sich nicht Gegenstand
des erfindungsgemäßen Schalldämpfers. Wichtig ist bei allen
regeltechnischen Aufgaben vielmehr, wie das Signal der Rückwärts-
Regelung aufbereitet und in den Regelkreis eingeführt wird. Die
Realisierung der Rückwärts-Regelung ist bei der genannten Offenlegungsschrift
einerseits und bei dem erfindungsgemäßen Schalldämpfer
andererseits entsprechend den grundsätzlich verschiedenen
Aufgabestellungen vollständig verschieden voneinander. Die Verwendung
einer Rückwärts-Regelung auch in der genannten Offenlegungsschrift
nimmt daher den Erfindungsgedanken nicht vorweg.
Wie diese Offenlegungsschrift bestätigt, beruht das Prinzip der
aktiven Schalldämpfung und beruhen aber auch die Probleme dieser
aktiven Schalldämpfung darauf, daß die auslöschende Sekundärwelle
"genau erzeugt werden" muß. Eben diese Notwendigkeit wird bei dem
erfindungsgemäßen Schalldämpfer vermieden durch die Verwendung
eines passiven Subsystems, welches bereits für sich eine gewisse
Schalldämpfung erzeugt und welches durch ein erfindungsgemäßes aktives
Subsystem so beeinflußt wird, daß diese Schalldämpfung verbessert
wird. Diese Offenlegungsschrift enthält keinerlei Hinweis
auf einen passiven Schallabsorber. Bereits daraus wird deutlich,
daß sie den vorliegenden Erfindungsgedanken nicht nahelegen kann.
Wie unten dargelegt wird, werden die meisten dieser Probleme bei der
vorgelegten Erfindung vom Ansatz her vermieden.
Schließlich soll zum Stand der Technik noch auf die Literaturstelle [15]
eingegangen werden, in welcher ein Schalldämpfer beschrieben wird, der dort
"hybrid" genannt wird. Tatsächlich handelt es sich dabei um eine Hintereinander-
Anordnung in Schallausbreitungsrichtung eines rein passiven Schalldämpfers und
eines aktiven Schalldämpfers. Beide Schalldämpfer werden in ihren
Frequenzkurven lediglich so abgestimmt, daß sich für den Schalldurchgang durch
beide Schalldämpfer zusammen eine günstige Frequenzkurve ergeben soll. Eine
Wechselwirkung eines passiven Subsystems einer Absorberauskleidung mit einem
aktiven Subsystem dieser Auskleidung im selben Schalldämpfer wie bei der
vorgelegten Erfindung findet nicht statt. Während die Wirkung der beiden
Schalldämpferabschnitte bei der genannten Literaturstelle additiv ist, erfolgt die
Wirkung der beiden Subsysteme bei dem erfindungsgemäßen Schalldämpfer
multiplikativ. Die Literaturstelle hat mit der vorgelegten Erfindung nur das
Bemühen um eine Verbesserung der Schalldämpfung und das Wort "hybrid"
gemein.
Aufgabe der Erfindung ist somit
die Absorberauskleidung eines passiven Subsystems und ein elektroakustisches
aktives Subsystem so zu kombinieren, daß beide im Zusammenwirken
eine deutliche Verbesserung der Schalldämpfung gegenüber
Dämpfern bekannter Bauart erbringen.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein hybrider Schalldämpfer bestehend
aus einer passiven Absorberauskleidung (passives Subsystem)
und einem aktiven elektroakustischen System (aktives Subsystem), der
dadurch gekennzeichnet ist, daß das elektroakustische aktive Subsystem
derart auf den mit ihm kombinierten passiven Absorber einwirkt,
daß in dem so gebildeten hybriden Absorber die akustische Impedanz
der Kanal-seitigen Oberfläche der Absorberauskleidung eine Absorberfunktion
U ergibt, welche in einem gewünschten Frequenzbereich den
Wert der Absorberfunktion Uwp des Windungspunktes zwischen der
ersten und der zweiten Schalldämpfer-Mode erreicht oder annähert
(Hauptanspruch).
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen
angegeben.
Erfindungsgemäß soll also die Absorberfunktion U über einen
breiten Frequenzbereich, vornehmlich bei tiefen Frequenzen, dem Wert
Uwp der Absorberfunktion im oberen Windungspunkt der niedrigst gedämpften
Mode, d. h. zwischen der ersten und zweiten Dämpfermode,
hinreichend nahekommen. "Hinreichend" soll dabei gemessen werden an
einer deutlichen Verbesserung der Schalldämpfung gegenüber Dämpfern
bekannter Bauart.
Die nachfolgenden Darlegungen sollen die Realisierungsschritte dieses
Erfindungsgedankens beispielhaft erläutern. Es wird dabei deutlich werden, daß es
verschiedene Realisierungsmöglichkeiten gibt. Darin und in der damit begründeten
Möglichkeit zu kostengünstigen Lösungen wird ein Vorteil der Erfindung gesehen.
Da der Erfindungsgedanke wegen der Flexibilität seiner Realisierung auch durch
eine größere Zahl von Beispielen nicht vollständig ausgeschöpft werden kann, soll
bei den Ausführungen mehr Wert darauf gelegt werden, die zielstrebige
Realisierung in einzelnen Schritten darzulegen. Die dabei angeführten Beispiele
sollen den Erfindungsumfang nicht begrenzen.
Die Realisierung des Erfindungsgedankens wird beispielhaft an einem
rechteckigen Spaltkanal (siehe Abb. 1 und 2) vorgeführt. Es fällt dem
Fachmann eine Übertragung auf andere Kanalformen nicht schwer.
Weiterhin wird zunächst die Realisierung der erfindungsgemäßen hybriden
Absorberauskleidung in der Serienschaltung nach Abb. 4 diskutiert.
Für die Dimensionierung eines erfindungsgemäßen Schalldämpfers ist es
zunächst hilfreich und wichtig, daß die akustische Wirksamkeit des aktiven
Subsystems einfach durch eine akustische Impedanz Zb an der Oberfläche des
Schallgebers beschrieben werden kann, mit welcher das passive Subsystem (1) in
Abb. 4 an dessen Rückseite abgeschlossen ist.
Das passive Subsystem ist ein linearer akustischer Vierpol. Nach den Regeln
der Vierpolrechnung (siehe auch [1, Gl. (4.7)] ergibt sich die Abschluß-Impedanz
Zb, mit welcher auf der Vorderseite des hybriden Absorbers die Absorberfunktion
Uwp erreicht wird, aus der Formel
Dabei ist Zh die Vorderseiten-Impedanz des passiven Subsystems allein, wenn es
auf seiner Rückseite schallhart abgeschlossen ist (Leerlauf-Fall), und Zw ist die
Vorderseiten-Impedanz des passiven Subsystems allein, wenn es auf seiner
Rückseite schallweich abgeschlossen ist (Kurzschluß-Fall).
Beispielhaft betrachten wir ein passives Subsystem bestehend aus einer
Schicht der Dicke d eines porösen Absorbermaterials, welche auf ihrer Vorderseite
durch eine dünne Deckschicht abgedeckt sei. Das poröse Absorbermaterial wird
beschrieben durch den (mit Z₀ normierten) Strömungswiderstand R=Ξ · d/Z₀
mit dem längenbezogenen Strömungswiderstand Ξ des porösen
Absorbermaterials. Es ist bekannt, wie man daraus die (mit k₀ normierte)
charakteristische Ausbreitungskonstante Γan und den charakteristischen (mit Z₀
normierten) Wellenwiderstand Zan des porösen Absorbermaterials errechnet (siehe
beispielsweise [2] oder [17]).
Die Deckschicht mit der Serien-Impedanz Zs bestehe aus einer akustischen
Parallelschaltung eines Reibungswiderstandes Rs mit einer Massenreaktanz einer
flächenbezogenen Masse ms. Dann folgt die Serienimpedanz Zs der Deckschicht
aus:
mit der Luft-Dichte ρ₀. Wählt man darin den Widerstandsterm Rs groß gegen
den Reaktanzterm (2. Term im Nenner), dann beschreibt Zs die Serienimpedanz
einer Deckschicht bestehend aus einer (Massen-)Folie. Wählt man umgekehrt den
Reaktanzterm groß gegen Rs, dann hat man einen reinen Reibungswiderstand, wie
er beispielsweise durch Gewebe und Vliese dargestellt wird. Ist die Deckschicht
dicht auf der porösen Absorberschicht aufgebracht, dann ist die Reaktanz der
elastischen Abfederung durch die poröse Schicht noch parallel zu schalten. Da es
hier nur um die Demonstration des Verfahrens geht, wird auf diese weitere
Komplizierung verzichtet.
Die in der Gl. (7) benötigten Impedanzen Zh und Zw ergeben sich dann
aus:
Damit ist für das gewählte Beispiel des passiven Subsystems die
erfindungsgemäß erforderliche Abschlußimpedanz Zb bekannt.
Die Abb. 14 zeigt beispielhaft die sogenannte "Ortskurve" der
Abschlußimpedanz Zb in der komplexen Ebene mit laufender Frequenzvariablen
f · h in Hz · m. Die in die Kurve eingezeichneten Punkte liegen in Terz-Abständen
dieser Variablen. Diese Abbildung gilt für eine einfache poröse Absorberschicht
(ohne Deckschicht) mit den Parametern d/h=0,5 und R=0,5. Die Kurve ist aus
Kreisbögen zusammengesetzt, welche bekanntlich durch Resonanz-Systeme
nachgebildet werden können (siehe unten bei "Aktives Subsystem"). Bei dem
Kreisbogen rechts von der imaginären Achse geht Schallenergie in das aktive
Subsystem hinein; hier stellt es im Prinzip einen elektronisch gesteuerten passiven
Absorber dar. Da dieser Kreisbogen jedoch mit wachsender Frequenz entgegen
dem Uhrzeigersinn durchlaufen wird, kann er nicht durch passive Bauelemente
realisiert werden, weil nach einem fundamentalen Satz der Schaltungstheorie die
Ortskurven passiver Schaltkreise immer rechtsdrehend durchlaufen werden. Darauf
soll hingewiesen werden, da das Wort "aktiv" bei dem aktiven Subsystem nicht
notwenigerweise (wenn auch in der Regel) gleichzusetzen ist mit akustischer
Energieabgabe. Auf den Kurventeilen links von der imaginären Achse muß das
aktive Subsystem tatsächlich Schallenergie in die Rückseite des passiven
Subsystems hineinspeisen.
Für einen anderen Aufbau des passiven Subsystems aus einer porösen
Absorberschicht mit d/h=0,5 und R=1,0, welche abgedeckt ist mit einer dichten
Folie mit dem Massen-Parameter mp=ms/(ρ₀d)=1,0, zeigt die Abb. 15
die zugehörige Ortskurve der Abschlußimpedanz Zb. Die Ortskurve besteht hier bei
tiefen Frequenzen aus einem Kreisbogen eines Einkreis-Resonanzsystems und bei
hohen Frequenzen angenähert aus der senkrechten Geraden einer Feder-Reaktanz.
Das aktive Subsystem muß bei allen Frequenzen Energie abgeben.
In dem weiteren Beispiel von Abb. 16 ist die Ortskurve der
Abschlußimpedanz für ein passives Subsystem aufgetragen aus einer porösen
Absorberschicht mit den Parametern d/h=0,5 und R=3,5, welches in Abb. 10
als eine passive Absorberauskleidung mit Breitband-Charakter ausgewiesen ist.
Die Form entspricht einem bedämpften Resonanzkreis, dessen Impedanz sich bei
hohen Frequenzen zu einem Konvergenzpunkt in der Nähe von Zb=-1
zusammenzieht.
Überhaupt haben die gezeigten Beispiele bei allen Unterschieden der Form
gemeinsam, daß sie bei tiefen Frequenzen beim Wert Zb=-(R+Rs) starten und in
der Nähe von Zb=-1 bei hohen Frequenzen enden.
Die Verwendung einer porösen Absorberschicht in dem passiven Absorber ist
nicht unumgänglich (wenn auch, wie unten noch gezeigt wird, vorteilhaft) für die
Realisierung des Erfindungsgedankens. Man kann bei der Rechnung eine poröse
Absorberschicht durch eine gleich dicke Luftschicht ersetzen, indem man für sie in
den Formeln Γan→j und Zan→1 einsetzt. Die Abb. 17 mit der Ortskurve
der erfindungsgemäßen Abschlußimpedanz Zb ist hierzu ein Beispiel für eine
Luftschicht mit d/h=0,5, welche auf ihrer Vorderseite durch ein dichtes Vlies mit
dem Serienwiderstand Rs=2 und dem Massenparameter mp=1 abgedeckt ist. Wie
man sieht, hat diese Ortskurve eine recht komplizierte Form. Damit soll aber nicht
zum Ausdruck gebracht werden, daß es aus anwendungstechnischen Gründen nicht
auch zweckmäßig sein kann, das passive Subsystem der erfindungsgemäßen
Absorberauskleidung ohne poröse Absorberschicht, nur aus Folien, Membranen
und Reibungswiderständen aufzubauen.
Der Aufbau des erfindungsgemäßen passiven Subsystems ist nicht auf die
beispielhaft vorgetragene Schicht aus einem porösen Absorber mit einer
Deckschicht beschränkt. In [16, Abs. 4.4] ist ein Verfahren beschrieben für die
Ermittlung der Vorderseiten-Impedanz eines M-fach geschichteten Absorbers,
wobei einzelne Schichten auch Luftschichten sein können und die Schichten auch
jeweils Deckschichten haben dürfen. Dieses sehr allgemeine Verfahren kann
angewendet werden für die Ermittlung von Zh und Zw in Gl. (7), indem bei dem
Verfahren der Reflexionsfaktor rM der Schichtung an ihrer Rückseite zu rM=1
(schallhart) beziehungsweise rM=-1 (schallweich) gesetzt wird. Damit ist
gezeigt, wie die Aufgabe der Bestimmung der Abschlußimpedanz Zb als
Teilaufgabe bei der Realisierung der Erfindung für praktisch jeden Aufbau des
passiven Subsystems gelöst wird.
Die Ermittlung der erfindungsgemäßen Abschlußimpedanz ist auch nicht
beschränkt auf die hier beispielhaft vorgeführten Rechenverfahren einer analytisch-
numerischen Beschreibung des passiven Subsystems unter Verwendung von
Abmessungen und Materialdaten, obwohl dieser Weg vorzuziehen ist, da er für die
Dimensionierung des aktiven Subsystems (siehe unten) die besten Hinweise liefert.
Man kann auch einen für die Anwendung der Erfindung vorgesehenen passiven
Absorber direkt aufbauen und seine Eingangsimpedanz (einmal mit schallhartem
Abschluß für Zh und dann mit schallweichem Abschluß für Zw) in Abhängigkeit
von der Frequenz messen mit akustischen Impedanz-Meßverfahren, welche in der
Literatur mehrfach beschrieben und auch genormt sind. Zur Erstellung einer
formelmäßigen Frequenzabhängigkeit kann man dann die mit den Meßwerten nach
Gl. (7) gebildete Abschlußimpedanz Zb einer numerischen Regression mit
bekannten Verfahren unterwerfen. Bei der Auswahl der Funktionen, nach welchen
man die Regression ausführt, kann dabei zweckmäßigerweise gleich die Struktur
des aktiven Subsystems berücksichtigt werden (siehe unten).
Damit ist gezeigt, daß man bei der Bestimmung der erfindungsgemäßen
Abschlußimpedanz Zb alle passiven Subsysteme einbeziehen kann, deren
Eingangsimpedanz berechenbar und/oder meßbar ist.
Bei dem Aufbau einer erfindungsgemäßen Absorberauskleidung ist die
Ermittlung der erfindungsgemäßen Abschlußimpedanz Zb ein Zwischenschritt für
den Entwurf des aktiven Subsystems. Zb ist die akustische Eingangsimpedanz
dieses in Serie geschalteten aktiven Subsystems. Der wesentliche Teil des aktiven
Subsystems ist die akustische Impedanz Zm der Lautsprechermembrane, da nur
sie durch elektronische Steuerung beeinflußbar ist. Nun enthält bei technischen
Anwendungen der Erfindung die Abschlußimpedanz Zb in der Regel noch akustische
Anteile, welche elektronisch nicht beeinflußbar sind. Einen solchen Anteil
liefert beispielsweise die "Lautsprecherbox", mit welcher der Lautsprecher
rückseitig eingefaßt wird. Eine solche Lautsprecherbox ist meist erforderlich,
einmal um zu vermeiden, daß der Schall der Lautsprecherschwingung nach außen
abgestrahlt wird, ferner aber auch um zu vermeiden, daß der Druck der
Kanalströmung auf die Membrane drückt.
Die Abb. 18 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße hybride
Absorberauskleidung unter Einschluß einer Lautsprecherbox. Vielfach wird die
Lautsprecherbox teilweise mit Schallabsorptionsmaterial gefüllt, um so störende
Resonanzen der Membran-Masse mit der Federsteife des Luftpolsters in der Box zu
vermeiden (es kann jedoch auch vorteilhaft sein, diese Resonanz gezielt
auszunutzen, um eine der Resonanz-Schleifen der Ortskurve von Zb akustisch zu
realisieren!). In diesen Fällen ist die Lautsprecherbox wiederum als geschichteter
Absorber mit einem schallharten Abschluß zu beschreiben. Nun sind fast ausnahmslos
Lautsprechermembranen inkompressibel und dünn im Vergleich zur
Schallwellenlänge (zumindest in dem hier interessierenden Frequenzbereich). Die
Abschlußimpedanz Zb entsteht deshalb aus einer Serienschaltung der gesuchten
Membranimpedanz Zm mit der Eingangsimpedanz Ze der Box, welche hinter der
Membrane gemessen wird: Zm=Zb-Ze. Die Abschlußimpedanz Zb wird
weiterhin nach Gl. (7) ermittelt. Die Eingangsimpedanz Ze erhält man durch
Anwendung des in [16, Abs. 4.4] beschriebenen Rechenverfahrens für die
Eingangsimpedanz geschichteter Absorber. Somit ist diese Teilaufgabe in gleicher
Allgemeinheit lösbar wie die Bestimmung von Zb.
Die Abb. 19 zeigt die erfindungsgemäß einzustellende Ortskurve der
Membranimpedanz Zm eines Aufbaus nach Abb. 18, wobei der Luftspalt
vor dem Lautsprecher (über dessen Bedeutung siehe unten) hier 10% der
Schichtdicke vor dem Lautsprecher beträgt und die Lautsprecherbox zu 80% mit
Absorbermaterial gefüllt ist. Die gesamte Absorberauskleidung ist auf ihrer
Vorderseite mit einer Folie mit Massenparameter mp=2 abgedeckt. Die Variable
f · h (Punkte auf der Kurve wieder in Terz-Abständen) durchläuft in dieser
Abbildung den Wertebereich von ca. 4 [Hz · m] bis 100 [Hz · m].
Sowohl für die Beantwortung der Frage, mit welchen Näherungen man
arbeiten darf, um erfindungsgemäß "den Windungspunkt anzunähern", als auch für
die Auslegung des aktiven Subsystems ist es außerordentlich hilfreich, daß man für
die vorzüglich interessierenden tiefen Frequenzen unter Verwendung der in [16,
Gl. (4.16a), (4.16b) und Gl. (6.78)] angegebenen Näherungen für die Absorber-
Kennwerte Γan, Zan sowie für ihr Produkt Γan · Zan und ihren Quotienten Γan/
Zan analytische Näherungen für die erfindungsgemäße Membranimpedanz Zm
herleiten kann:
Läßt man den letzten Bruch weg, entsteht die Abschlußimpedanz Zb. Dabei ist
angenommen, daß der passive Absorber vor dem Lautsprecher geschichtet ist mit
M Absorberschichten (einschließlich eventueller Luftschichten) der Dicken di mit
den längenbezogenen Strömungswiderständen Ξi und Deckschichten mit Serienimpedanzen
Zs,i. Ebenso sei in der Lautsprecherbox mit der Gesamttiefe dbox
eine Anzahl Mbox Absorberschichten (einschließlich eventueller Luftschichten)
mit den Dicken di. Da bei tiefen Frequenzen die Massenreaktanz von Deckschichten
meist vernachlässigbar ist, geht dort Zs,i→Rs,i gegen die
Reibungswiderstände der Deckschichten. Dann wird Zb ein lineares Polynom in
k₀h und in Zm kommt eine Reaktanz hinzu mit dem Vorzeichen einer
Massenreaktanz und der Frequenzabhängigkeit einer Federreaktanz. Die
elektronische Synthese dieser Näherung im aktiven Subsystem ist sehr einfach.
Diese Näherung wird unten verwendet für Beispiele zu Dämpfungskurven
erfindungsgemäßer Schalldämpfer.
Bei der hybriden Absorberauskleidung in Serienschaltung nach Abb. 4
unterstützt das aktive Subsystem den passiven Absorber, indem es diesem eine
zweckdienliche Abschlußimpedanz Zb erzeugt.
Die primäre Erfindungsaufgabe besteht aber dain, an der Vorderseite der
Absorberauskleidung eine Absorberfunktion U=k₀h · G=Uwp zu erzeugen. Diese
ist proportional der wirksamen Wandadmittanz G. Es gehört nun zu den
Grunderfahrungen der Akustik, daß bei flächig strukturierten Absorberoberflächen
die akustisch wirksame Admittanz der Flächen-Mittelwert der Admittanzen der
einzelnen Teilflächen ist, solange die Abmessungen der Teilflächen klein bleiben
zur Schallwellenlänge (typischerweise kleiner als etwa eine viertel
Schallwellenlänge). Diese Bedingung schafft bei den hier vorzugsweise
interessierenden tiefen Frequenzen keine Probleme.
Sei also Fp die Fläche des passiven Teils der Absorberauskleidung mit einer
Wandadmittanz Gp an der Oberfläche und Fa die Fläche des aktiven Teils mit
einer Admittanz Ga an der Oberfläche, dann muß nach der Erfindung sein:
Die Admittanz Ga des aktiven Teils wird somit erfindungsgemäß durch
bestimmt.
Nach den oben beschriebenen Verfahren kann dann sowohl die Admittanz
Gp für beliebig geschichtete passive Absorber ermittelt werden. Ferner kann auch
die Abschlußimpedanz Zb und/oder die Membran-Impedanz Zm des aktiven
Teils, welcher seinerseits zwischen der kanalseitigen Oberfläche und der
Lautsprechermembrane einen geschichteten Absorber enthalten kann oder mit einer
Lautsprecherbox abgeschlossen sein kann, nach den dortigen Verfahren ermittelt
werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die hydride
Absorberauskleidung aus Mischtypen der Serienschaltung und der Parallelschaltung
des passiven Subsystems mit dem aktiven Subsystem bestehen.
In einer in der Auslegung einfachen aber apparativ aufwendigen Mischform
nach Abb. 20 werden die beiden Grundtypen räumlich nebeneinander
angeordnet. Von größerem Interesse ist die Ausgestaltung der Erfindung nach
Abb. 21, wo ein aktives Subsystem sowohl in Serienschaltung als auch in
Parallelschaltung zu einem passiven Subsystem arbeitet. Damit lassen sich günstige
Frequenzkurven für die Übertragungsfunktion des Signalformers realisieren.
Eine bevorzugte Mischform des erfindungsgemäßen hydriden Absorbers ist
schematisch in Abb. 22 dargestellt. Bei ihr arbeitet die Vorderseite des
Lautsprechers in Serienschaltung auf einen passiven Absorber, und die Rückseite
erzeugt eine Paralleladmittanz Ga in Parallelschaltung. Dies ist möglich, da die
Paralleladmittanz Ga den Charakter einer passiven Admittanz haben muß, die
Abschlußimpedanz Zb aber, wie die Beispiele oben zeigen, vielfach den Charakter
einer negativen passiven Impedanz hat. Dieser Vorzeichenwechsel stellt sich auto
matisch ein, wenn man die Vorder- und die Rückseite der Lautsprechermembrane
als aktiven Signalgeber benutzt. Man kann sich mit dieser Ausformung der
Erfindung auch den Platzbedarf einer Lautsprecherbox ersparen, und der
Druckausgleich des Strömungsdrucks über den Lautsprecher ist ebenfalls gegeben.
Bei den Mischformen kann das Steuersignal für das aktive Subsystem je
nach Zweckmäßigkeit entweder im Teil der Serienschaltung oder im Teil der
Parallelschaltung durch den Signalaufnehmer (Mikrofon) aufgenommen werden.
Das aktive Subsystem mit dem schematischen Aufbau einer möglichen
Ausgestaltung der Erfindung nach Abb. 3 hat die Aufgabe, eine vorge
schriebene akustische Impedanz zu erzeugen. Diese Impedanz ist das Verhältnis des
Schalldrucks an der schwingenden Oberfläche (Membrane) des Signalgebers zu der
über die Fläche gemittelten Schnelle dieser Oberfläche.
Hierbei wurde ein für die Realisierung wichtiger Vorteil der Erfindung
gegenüber der Aufgabenstellung des aktiven Schallschutzes bereits eingebracht,
nämlich der, daß es auf die genaue Schwingungsverteilung der Membrane nicht
ankommt. Unterschiede der Schwing-Amplitude und -Phase können sich nämlich
in dem vorgeschalteten passiven Absorber (bei Serienschaltung) oder in der vorge
schalteten Kammer (bei Parallelschaltung) über den Querschnitt ausgleichen, sodaß
an der kanalseitigen Oberfläche des hybriden Absorbers gleichwohl flächig kon
stante Wandimpedanzen entstehen. Einem solchen Querausgleich des Schallfeldes
ist besonders förderlich ein Luftspalt zwischen der Membrane und dem passiven
Absorber, wie er in den Abb. 4, 18, 20, 21 und 22 angedeutet ist.
Ein weiterer, gegenüber der Aufgabenstellung des aktiven Schallschutzes
bedeutsamer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß das benötigte, durch den
Signalaufnehmer (Nr.(1) in Abb. 3) erfaßte Steuersignal nicht der Schall
druck ohne den Beitrag des aktiven Subsystems ist, sondern der tatsächliche
Schalldruck, der eine Überlagerung darstellt aus dem Schalldruck des zu
mindernden Lärms, welcher von vorne durch den passiven Absorber dringt, und
aus dem Schalldruck des Lautsprechers des aktiven Systems. Die vorn
beschriebenen Schwierigkeiten der Steuerung beim aktiven Schallschutz, nämlich
den Beitrag des aktiven Systems aus dem Steuersignal erst eliminieren zu müssen,
entfallen bei der vorgelegten Erfindung völlig vom Ansatz des
Erfindungsgedankens her.
Ein Prinzipschema des aktiven Subsystems in einer Grundform für die
Realisierung der Erfindung zeigt Abb. 23. Ein Mikrofon (1) nimmt den
Schalldruck p vor dem Lautsprecher (5) auf. Zusammen mit einem unter
Umständen erforderlichen Mikrofonverstärker (2) wird der Druck p in eine
elektrische Spannung u₁ übertragen. Am anderen Ende der Signalkette erzeugt ein
Lautsprecher (5) eine Schallschnelle v seiner Membrane durch Ansteuerung des
Lautsprechers über einen Leistungsverstärker (4) mit der elektrischen Spannung
u₂. Der Signalformer (3) dient dann der erfindungsgemäßen Umformung des
Mikrofonsignals, um die geforderte akustische Abschlußimpedanz Zb=p/v zu
erzielen. Die dargestellte Unterteilung des passiven Subsystems ist eher eine
funktionale Unterteilung als eine Aufzählung notwendiger Komponenten. So
können die erforderlichen Verstärkungen ohne weiteres auch in den Signalformer
integriert sein. Besonders übersichtlich wird die Funktion des erfindungsgemäßen
Signalformers, wenn man annimmt, daß sowohl auf der Mikrofonseite der
Zusammenhang zwischen p und u₁ linear ist und unabhängig von der Frequenz
als auch auf der Lautsprecherseite eine solche Beziehung besteht zwischen v und
u₂. Dann ist der durch den Signalformer zu erzielende Übertragungsfaktor u₁/u₂
bis auf einen frequenzunabhängigen Faktor gleich der erfindungsgemäßen
Abschlußimpedanz Zb beziehungsweise der Membranimpedanz Zm.
Der hier angenommene frequenzunabhängige linerare Zusammenhang
zwischen p und u₁ ist mit üblicher Mikrofontechnik kein Problem in dem hier
interessierenden Frequenz- und Amplitudenbereich. Dagegen besitzen Lautsprecher
in der Regel einen Frequenzgang der akustischen Schwingung bei konstanter
elektrischer Ansteuerung. Die Darstellung und Berechnung dieses Frequenzganges
aus den konstruktiven Daten des Lautsprechers ist mit Standardmethoden der
Elektroakustik möglich (siehe beispielsweise [18,19]). Ebenso gehören Methoden
zur Verringerung dieses Frequenzganges zum Stand der Technik. Es muß deshalb
hier nicht näher darauf eingegangen werden. Im Zusammenhang mit der Erfindung
genügt es, wenn man die verbleibende Frequenzabhängigkeit des Lautsprechers in
die durch den Signalformer zu erzielende Frequenzabhängigkeit seiner
Übertragungsfunktion mit einbezieht (als Multiplikation von Übertragungsfaktoren
oder durch Addition von Übertragungsmaßen, welche jeder(s) für sich bekannt
sind); es wird dann nachfolgend von dem "kombinierten" Übertragungsfaktor des
Signalwandlers gesprochen.
Diese Einbeziehung des Lautsprecher-Frequenzganges in den kombinierten
Übertragungsfaktor des erfindungsgemäßen Signalformers macht die Anwendung
der Erfindung weitgehend unabhängig vom gewählten Typ des Lautsprechers
(elektrodynamischer, elektrostatischer oder magnetodynamischer Lautsprecher).
Die Auswahl kann erfolgen nach Gesichtspunkten des Übertragungsbereichs des
Lautsprechers, nach Kosten, nach Betriebssicherheit und nach einfacher
Realisierung dieses kombinierten Übertragungsfaktors.
Die Realisierung dieses kombinierten elektrischen Übertragungsfaktors ist
dann die letzte Teilaufgabe zur Anwendung der Erfindung. Die Funktion des
Signalformers ist in der betrachteten Grundform der Erfindungs-Umsetzung im
wesentlichen die eines frequenzabhängigen elektrischen Filters. Die
erfindungsgemäß erforderliche Filtercharakteristik (Frequenzkurve des
Übertragungsfaktors nach Betrag und Phase) ist durch Anwendung der
beschriebenen Lösungsmethoden für die Teilaufgaben bekannt.
Wenn man davon ausgeht, daß mit heutigen bekannten digital-elektronischen
Methoden praktisch jede Übertragungsfunktion mit vertretbaren Kosten realisierbar
ist, welche mathematisch (mit einigermaßen stetigen Funktionen) beschreibbar ist,
dann ist auch diese letzte Teilaufgabe zur Anwendung der Erfindung als durch an
sich bekannte Techniken gelöst anzusehen.
Gleichwohl besteht ein Kosteninteresse daran, den Frequenzgang des
kombinierten Übertragungsfaktors durch geeignete Auswahl und Kombination des
passiven Subsystems und des Lautsprechers möglichst einfach zu halten. Wie die
oben beispielhaft gezeigten Ortskurven der Abschlußimpedanz Zb und der
Membranimpedanz Zm gezeigt haben, ist es ein Vorteil der Erfindung, daß hier
Gestaltungsspielräume bestehen. So ist es durch solche geschickte Kombinationen
möglich, den erfindungsgemäßen kombinierten Übertragungsfaktor auch in
elektronischer Analogtechnik zu realisieren. Hierfür steht eine leistungsfähige
elektronische Schaltungstechnik zur Verfügung, sodaß auch darauf hier nicht näher
eingegangen werden muß.
Von gewissem Interesse sind ferner Realisierungen des erfindungsgemäßen
kombinierten Übertragungsfaktors durch elektronische "Hybrid-Technik", das heißt
durch Kombination analoger mit digitalen Komponenten, und zwar insbesondere
bei den selbst-adaptierenden aktiven Subsystemen, mit denen - wie weiter unten
noch dargelegt wird - Änderungen der Betriebstemperatur und/oder der
Strömungsgeschwindigkeit im Schalldämpfer "nachgefahren" werden können.
Wie oben bereits wiederholt angemerkt wurde, besteht ein Vorteil des
erfindungsgemäßen Hydridabsorbers darin, daß man durch geeignete Auswahl der
Komponenten des passiven Absorbers der Ortskurve der Abschlußimpedanz Zb
solche Formen geben kann, welche durch einfache elektronische Schaltungen im
aktiven Subsystem realisiert werden können.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung wird anhand von
Abb. 24 beschrieben. Die Abb. 4, 5, 18, 20, 21, 22 zeigen je ein
erfindungsgemäßes hybrides Absorberelement. Zur Auskleidung eines Schalldäm
pfers werden in der Grundform der Erfindung mehrere dieser Elemente in Richtung
der Kanalachse (Schallausbreitungsrichtung) hintereinander angeordnet, bis eine
Länge des Schalldämpfers entsteht, welche die geforderte Durchgangsdämpfung
liefert. Die Abb. 24 zeigt nun schematisch, daß in dieser Ausgestaltung der
Erfindung weder das Steuermikrofon noch der Signalformer bei jedem Element
wiederholt werden müssen. Es sind nämlich über die Ausbreitungskonstant Γ=
Γ′+jΓ′′ im Dämpferkanal sowohl die Abnahme des Schalldruckpegels zwischen
benachbarten hybriden Absorberelementen der Breite a (nämlich 8,68 · Γ′a dB)
als auch die Phasendrehung Φ (nämlich 180 · Γ′′a/π Grad) bekannt. In einer
elektrischen Kettenschaltung werden in Abb. 24 diese Pegel- und Phasen-
Änderungen in der Anregung hintereinanderliegender Lautsprecher nachgebildet.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung nutzt man aus, daß
Lautsprecher reziproke Wandler sind; das heißt, sie sind nicht nur zur
Schallerzeugung dienlich, sondern können auch als Schallaufnehmer betrieben
werden. Bei der Anwendung dieser Eigenschaft auf die Erfindung wird der
Lautsprecher des aktiven Subsystems in "Schaltpausen" als Schallaufnehmer
geschaltet, welcher den Schalldruck mißt, der von dem Dämpferkanal durch den
passiven Absorber dringt. Für diese Schaltpausen reichen Zeitspannen von einer bis
wenige Sekunden Dauer. Damit kann das Steuermikrofon entfallen; es wird durch
einen zeitlich getakteten Schalter ersetzt.
In den bisherigen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen aktiven
Subsystems ist dessen Realisierung im wesentlichen eine elektronische
Steueraufgabe, worin übrigens ein Vorteil der Erfindung gegenüber den Methoden
des aktiven Schallschutzes gesehen wird, da diese grundsätzlich eine Regelaufgabe
darstellen. In einer unter Umständen zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung
kann die erfindungsgemäße Funktion des aktiven Subsystems aber auch als
regeltechnische Aufgabe konzipiert werden. Das Prinzip sei anhand der sche
matischen Abb. 25 erläutert. In Ergänzung zu der Grundausstattung nach
Abb. 3 wird durch einen auf der Lautsprechermembrane aufgesetzten
Körperschallaufnehmer (4) die Schallschnelle v der Membrane aufgenommen.
Damit wird der Signalformer mit an sich bekannten regeltechnischen Methoden so
geregelt, daß der Quotient aus dem vom Mikrofon aufgenommenen Druck p und
der vom Körperschallaufnehmer aufgenommenen Schallschnelle v die
erfindungsgemäß erforderliche Abschlußimpedanz Zb bildet. Diese Ausgestaltung
als Regelaufgabe kann zweckmäßig sein zum Ausgleich schwer voraussagbarer
Änderungen in den Eigenschaften des passiven Subsystems, sei es beispielsweise
durch Fertigungsschwankungen des passiven Absorbers, sei es durch schwer
voraussagbare Temperaturprofile in letzterem oder sei es durch dessen Änderungen
während des Betriebs des Schalldämpfers, zum Beispiel durch
Schmutzablagerungen.
Man kann auch in einer weiteren regeltechnischen Ausgestaltung der
Erfindung die primäre Zielgröße des Schalldämpfers, nämlich den Schallpegel-
Abfall auf einer Strecke Δx des Kanals als Steuergröße für die Optimierung der
erfindungsgemäßen Abschlußimpedanz benutzen. Dazu mißt man nach der
Schemazeichung der Abb. 26 den Schalldruck an zwei hintereinander in
einem zweckmäßigen Abstand befindlichen Mikrofonorten und regelt den Betrag
und die Phase der Lautsprecherschwingung so, daß dieser Pegelabfall maximiert
wird.
Für die technische Anwendbarkeit einer Erfindung - und damit für ihren
Erfindungswert - ist maßgeblich, wie anwendungstechnisch bedingte Abweichung
von Standardsituationen sich auf die angestrebte Leistung er Erfindung - hier auf
die erzielbare Schalldämpfung - auswirken.
Eine erste bisher stillschweigend angenommene Standardsituation ist das
Vorliegen eines überwiegend symmetrischen Schallfeldes, welches von der
Lärmquelle herkommend auf den Schalldämpfer einfällt (symmetrisch heißt:
gleichphasige Schwingung des Schallfeldes beiderseits der Symmetrieebene des
Dämpferkanals). Dies ist in der Tat meistens der Fall. Es sind jedoch auch
Sonderfälle der Schallquelle und/oder der Kanalführung vor dem Schalldämpfer
denkbar, wo die Schallfeld-Schwingung überwiegend antisymmetrisch ist
(gegenphasig beiderseits der Symmetrieebene). Dann gilt statt der
Bestimmungsgleichung (5) die Bestimmungsgleichung (6). Dies ist bei der
Auslegung des erfindungsgemäßen Schalldämpfers mit rechteckigem Querschnitt
einfach dadurch zu berücksichtigen, daß nach [5] für die Absorberfunktion U im
Windungspunkt der Wert Uwp=3,71944+j · 1,89528 zu verwenden ist.
Eine zweite Standard-Annahme ist, daß die kanalseitige Oberfäche der
Absorberauskleidung homogen ist, das heißt ohne Störstellen und Strukturen.
Durch den Aufbau der erfindungsgemäßen Absorberauskleidung aus hybriden
Absorberelementen, insbesondere bei Anwendung der Parallelschaltung oder
gemischter Anordnungen, entstehen Oberflächenstrukturen. Nun ist aber bekannt,
daß solche Störstellen allenfalls höhere Moden erzeugen. Da diese aber stärker
bedämpft sind als die niedrigst bedämpfte Mode, für welche der erfindungsgemäße
Schalldämpfer ausgelegt ist, kann eine nachteilige Auswirkung ausgeschlossen
werden.
Schalldämpfer in technischen Anlagen werden oft bei erhöhten Betriebstem
peraturen eingesetzt. Durch diese ändern sich die akustischen Eigenschaften des
schallführenden Mediums im Dämpferkanal. Nun ist aber zu beachten, daß die oben
vorgeführten Auslegungsschritte in dimensionsloser Form beschrieben wurden. Sie
gelten also für jedes gasförmige Medium, insbesondere also auch für ein durch
erhöhte Temperatur und/oder Zusammensetzung (Rauchgase!) gegenüber normaler
Luft geändertes Medium. Diese Betriebsbedingungen äußern sich nur dann, wenn
man Zahlenwerte für die auftretenden Materialkonstanten einsetzt. Diese sind die
Schallgeschwindigkeit c₀ in k₀=2πf/c₀, die Dichte ρ₀ in Z₀=ρ₀c₀, ferner die
Viskosität und der Adiabatenexponent in Ξ und damit in Γan und Zan. Der
Einfluß von Temperatur und Gaszusammensetzung auf diese Größen ist aus der
Thermodynamik bekannt. Er kann also in die Ermittlung der Abschlußimpedanz Zb
mit einbezogen werden, wenn man einen erfindungsgemäßen Schalldämpfer auf
eine bestimmte Betriebstemperatur und/oder Gaszusammensetzung auslegen will.
Wenn sich die Betriebstemperaturen während des Betriebes häufig und beträchtlich
ändern, kann es erforderlich sein, statt mit einer Auslegung auf eine bestimmte
Betriebstemperatur zu operieren, ein selbst-adaptierendes aktives Subsystem
vorzusehen. Dies wird in der Regel eine digitale oder hybride elektronische
Regeltechnik für den Signalformer erforderlich machen, bei welchen dann die
Berücksichtigung einer über ein Thermometer erfaßten Betriebstemperatur keine
grundsätzlichen Probleme stellt.
Etwas komplizierter ist die Berücksichtigung einer Strömung mit einer
Strömungsgeschwindigkeit V₀ und einer Machzahl M₀=V₀/c₀. Strömungs
akustisch läßt sich die Strömungsüberlagerung vollständig erfassen, indem man
überall, wo k₀ auftritt, dies ersetzt durch:
k₀→k₀ · w (13)
mit dem sogenannten "Strömungsfaktor"
Zwar empfiehlt die theoretisch-akustische Literatur auch noch eine Änderung der
Randbedingung (von Schnelle-Anpassung zu Elongations-Anpassung an Rand
flächen), was zu der weiteren Ersetzung Gw→Gw · w führen würde, jedoch
zeigen Vergleiche zwischen Messung und Rechnung eine bessere Übereinstim
mung, wenn man diese zusätzliche Ersetzung nicht vornimmt. Damit geht die
Gl. (4) über in:
wobei für z nunmehr statt Gl. (5) die Bestimmungsgleichung gilt:
z · tan(z)=jU · w (16)
und entsprechend wird bei den anderen oben angegebenen
Bestimmungsgleichungen U→U · w ersetzt. Durch das Auftreten des
Strömungsfaktors w in den Bestimmungsgleichungen verschiebt sich nun auch
der Windungspunkt Uwp(M₀) in Abhängigkeit von der Machzahl. Mit dem in [5]
beschriebenen Verfahren läßt sich bei einer gegebenen Machzahl M₀ der
zugehörige Windungspunkt numerisch bestimmen. Dabei wird M₀ positiv
angesetzt, wenn Schall und Strömung im Schalldämpfer die gleiche Richtung
haben, und M₀ wird negativ angesetzt wenn sie einander entgegengesetzt gerichtet
sind.
In der Anwendung auf den erfindungsgemäßen Schalldämpfer heißt die
Berücksichtigung einer Strömungsüberlagerung demnach im wesentlichen einen
Austausch der Konstanten Uwp. Falls sich die Strömungsgeschwindigkeit
während des Betriebes des Schalldämpfer häufig und stark ändert, besteht eine
zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung darin, daß man mit an sich bekannten
Verfahren der Regeltechnik diese Änderung der Konstanten Uwp in einem selbst
adaptierenden aktiven Subsystem einführt unter Verwendung der Anzeige eines
Strömungsgeschwindigkeit-Meßgerätes. Bei einfachen Frequenzgängen des
kombinierten Übertragungsfaktors läßt sich dies in elektrischer Analogtechnik
bewerkstelligen, bei komplizierteren Frequenzabhängigkeiten kann eine Regelung
in hybrider oder in digitaler Technik angezeigt sein.
Der technische Fortschritt der Erfindung des hybriden Schalldämpfers
gegenüber dem Stand sowohl der passiven Dämpfer-Technik als auch (und
insbesondere) gegenüber der aktiven Dämpfertechnik soll kurz dargestellt werden.
Dabei werden sich auch weitere Einzelheiten einer vorzugsweisen Ausgestaltung
der Erfindung ergeben.
Zunächst sei die Wichtigkeit der Aufgabe, die Schalldämpfung von Schall
dämpfern in technischen Anlagen zu verbessern, an einem praktischen Beispiel
erläutert. Ein Abgasschalldämpfer in Kulissenbauweise nach Abb. 2 für ein
mittelgroßes thermisches Kraftwerk hatte bei optimierter Auslegung nach Abb. 10
eine Länge L=7 m bei einer Gesamt-Breite und -Höhe von 7×7 m². Die
Kulissendicken waren D=0,2 m, die Spaltweiten H=0,1 m, also d/h=2. Die
Absorberfüllung hatte einen Strömungswiderstand r=1,7. Aus Abb. 10
liest man dann bei f=100 Hz, das heißt bei f · h=5 Hz · m eine Dämpfung Dh=0,1
dB ab. Der Schalldämpfer hat bei dieser Frequenz eine Gesamtdämpfung von
Dd=14 dB. Bei der Frequenz f=50 Hz, bei welcher ebenfalls noch Schall
schutzanforderungen gestellt waren, betrug die Gesamtdämpfung nur noch Dd=3,5
dB. Aus einem Richtpreis pro Quadratmeter Kulissenfläche ergibt sich ein
Schalldämpferpreis von rund 0,5 Mio DM. Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit
in den Kulissenspalten betrug V₀=50 m/s. Daraus folgt ein Widerstandsbeiwert
(das Verhältnis von Druckverlust zu dynamischem Druck der Strömung) von
ξ=2,5. Mit diesen Angaben kann man errechnen, daß die Strömungsverlustleistung
im Schalldämpfer, welche von den Gebläsen erbracht werden muß, um die Luft
durch den Schalldämpfer zu drücken, rund 3000 kW beträgt; bei einem
Wirkungsgrad von 80% der Gebläse wird dafür eine elektrische Leistung von
rund 3800 kW aufgebracht. Mit einem Stromtarif von 0,10 DM/kWh verursacht
der Schalldämpfer infolge seines Druckverlusts jährliche Betriebskosten von 3,33 Mio
DM/a, also das Vielfache seines Anschaffungswertes. Hier wurde noch bei
einer Gasströmung mit Normaltemperatur T₀ gerechnet. Bei einer höheren
Betriebstemperatur von T Kelvin erhöht sich bei gleichem Massedurchsatz die
Verlustleistung um den Faktor (T/T₀)2,5, bei einer Betriebstemperatur von rund
300 Grad Celsius also um rund den Faktor 5,8, was zu jährlichen Betriebskosten
von rund 19,3 Mio DM/a führt.
Unter der Annahme, daß man den Gesamtquerschnitt des Schalldämpfers
beibehält, könnte mit einem erfindungsgemäßen Schalldämpfer, welcher auf
Dh=9,5 dB ausgelegt ist (siehe Dämpfungsbeispiele unten) mit einem
Ausstellungsverhältnis d/h=0,5 nicht nur die Dämpfung bei f=50 Hz auf Dd=15 dB
und bei f=100 Hz auf Dd=25 dB erhöht werden, außerdem ließe sich die
Strömungsgeschwindigkeit auf V₀=25 m/s halbieren und der Widerstandsbeiwert
ginge auf ξ=0,35 zurück. Damit würden sich die Betriebskosten (bei
Normaltemperatur) auf rund 62 TDM/a verringern, und bei Warmbetrieb auf rund
360 TDM/a. Selbst ein mehrfach teurerer erfindungsgemäßer Schalldämpfer hätte
(bei deutlich besserem Schallschutz!) seine höheren Investitionskosten nach kurzer
Zeit aus der Betriebskosten-Ersparnis refinanziert (abgesehen davon, daß die
Gebläse wegen der geringeren erforderlichen Leistung billiger würden!).
Die Abb. 27 zeigt als Beispiel für eine Anwendung der Erfindung als
durchgezogene Kurve die Dämpfung für einen hybriden Absorber bestehend aus
einer Mineralfaserschicht mit den Parametern d/h=0,5 und R=0,5 und einem
aktiven Subsystem, welches eine lineare Näherung der Gl. (7) in k₀h für die
Abschlußimpedanz Zb erzeugt, deren exakte Ortskurve für dieses Beispiel in
Abb. 14 dargestellt ist. Zum Vergleich ist gestrichelt die Dämpfungskurve mit
dem passiven Absorber allein eingezeichnet. Dieses Beispiel zeigt nicht nur den
hohen Zugewinn an Dämpfung bei tiefen Frequenzen durch den
erfindungsgemäßen Schalldämpfer, es veranschaulicht ferner, daß man solche
Zugewinne bereits mit einfachen Näherungen an die vorgeschriebene
Abschlußimpedanz Zb erzielen kann, und es legt eine weitere Ausgestaltung der
Erfindung nahe. Bei Frequenzen oberhalb circa fh=70 Hz · m gilt die verwendete
Näherung für Zb offensichtlich nicht mehr; hier erzeugt die Absorberauskleidung
allein des passiven Subsystems höhere Dämpfungen als die Absorberauskleidung
mit dem hybriden Absorber in der verwendeten Auslegung. In solchen Fällen liegt
es nahe, das aktive Subsystem bei höheren Frequenzen "abzuschalten". Dies
bedeutet, daß die Abschlußimpedanz Zb dann hohe Beträge haben soll. Das läßt
sich bei einem Hybrid-Absorber in Serienschaltung und bei einem
elektrodynamischen Lautsprecher einfach dadurch realisieren, daß der Signalformer
einen elektrischen Kurzschluß am Lautsprecher erzeugt. Dann wird die Membrane
bekanntlich elektrodynamisch "festgebremst".
Des weiteren zeigt die Abb. 28 die Dämpfungskurven eine hybriden
Absorbers (durchgezogen) mit einem Aufbau und einer exakten Ortskurve für Zb
wie in Abb. 15, wobei hier ebenfalls wieder eine Näherung an den exakten
Verlauf benutzt wurde, sowie (gestrichelt) die Dämpfungskurve mit dem passiven
Absorber allein. Dieses Beispiel ist für die praktische Anwendung deshalb von
Interesse, weil die Absorberschicht an ihrer Vorderseite durch eine Folie (mit
mp=1) abgedeckt ist, wodurch der hybride Absorber wirksam gegen eventuellen
Schmutz in der Kanalströmung geschützt werden kann.
Die letzte Abb. 29 zeigt schließlich entsprechende Dämpfungskurven
für eine nach Abb. 10 bereits breitbandig dimensionierte passive
Absorberauskleidung, nämlich die bei Abb. 16 beschriebene. Hier wurde -
im Unterschied zu den beiden vorgenannten Ausführungsbeispielen - die
Abschlußimpedanz nicht aus analytisch hergeleiteten Näherungen gewonnen,
sondern durch Interpolation von Meßwerten, wie dies oben beschrieben wurde. Da
bei einer solchen Vorgehensweise die Beschränkungen einer analytischen Näherung
entfallen, kommt die erzielte Dämpfung näher an den Optimalwert heran.
Neben den in den Beispielen demonstrierten Verbesserungen der
Schalldämpfung besitzt die Erfindung noch weitere technische Vorteile gegenüber
dem Stand der Technik, welche nachfolgend aufgezählt werden.
Die Realisierung des aktiven Subsystems ist eine elektronische Steueraufgabe
statt - wie beim aktiven Schalldämpfer - eine Regelaufgabe. Darin wird ein Vorteil
gesehen, da erfahrungsgemäß Steueraufgaben leichter zu lösen sind als
Regelaufgaben. Gleichwohl können dem aktiven Subsystem nach der Erfindung
regeltechnische Ergänzungen beigefügt werden, welche ein "Nachfahren" von
Änderungen der betriebstechnischen Parameter erlauben.
Die Steuergröße ist bei der Erfindung der Gesamtdruck am Meßort und nicht
- wie beim aktiven Schalldämpfer - der Schalldruck der einfallenden Welle, der erst
aus dem gemessenen Schalldruck mit aufwendigen Algorithmen zurückgewonnen
werden muß.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Schalldämpfers ist - im Gegensatz
zum aktiven Schalldämpfer - unabhängig von der Schallfeldverteilung im
Dämpferkanal. Dies ist wichtig, da die Schalldruckverteilung in technischen
Anlagen weder sicher voraussagbar noch konstant zu halten ist. Der
erfindungsgemäße Schalldämpfer kann deshalb unabhängig von der Lärmquelle,
bei welcher er eingesetzt werden soll, entwickelt und dimensioniert werden,
während aktive Schalldämpfer auf die jeweilige Lärmquelle angepaßt werden
müssen.
Die akustische Feldimpedanz, auf welche der Lautsprecher des aktiven
Subsystems arbeitet, kann durch entsprechende Wahl der Parameter des passiven
Subsystems in weiten Bereich eingestellt werden. Dies hat den Vorteil, daß
relativ "harte" Lautsprecher benutzt werden können. Diese sind nämlich in der
Regel billiger und im Betrieb robuster. Außerdem wird bei einer Realisierung des
hybriden Absorbers in Serienschaltung der Schalldruckpegel am Lautsprecher -
und damit die erforderlicher Elongation der Lautsprechermembrane - durch den
vorgeschalteten passiven Absorber verringert.
Ein für die technische Anwendung wichtiger Vorteil der Erfindung besteht
darin, daß die Komponenten des aktiven Subsystems nicht - wie beim aktiven
Schalldämpfer - unmittelbar der Strömung exponiert sind. Der vorgeschaltete
passive Absorber kann als Wärmedämmschicht bei heißen Gasströmungen benutzt
werden, da poröse Faserabsorber in der Regel auch eine gute Wärmedämmung
besitzen. Der vorgeschaltete passive Absorber kann bei der Erfindung auch die
Funktion eines Schmutzfilters zusätzlich übernehmen.
Wichtig für die Anwendung in Strömungskanälen ist auch die Eigenschaft
poröser passiver Absorbermaterialien, daß sie auf turbulente Druckschwankungen
einen Gleichrichter-Effekt ausüben. Das heißt: die Felder der turbulenten
Druckschwankungen bauen sich in einer Absorberschicht rascher ab als die Felder
der Schallwelle, da bei den hier hauptsächlich interessierenden tiefen Frequenzen
die charakteristischen Durchmesser der turbulenten Druckschwankungen sehr viel
kleiner sind als die Schallwellenlängen. Das beim aktiven Schalldämpfer auftretende
Problem, akustische und turbulente Druckschwankungen voneinander separieren zu
müssen, entfällt bei der Erfindung weitgehend.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Schalldämpfers im Vergleich
zum aktiven Schalldämpfer wird darin gesehen, daß bei einem Ausfall des aktiven
Subsystems (bei Wartung oder bei Störung) der passive Absorber eine gewisse
verbleibende Schalldämpfung sicherstellen kann.
Ein anderer Vorteil des erfindungsgemäßen Schalldämpfers gegenüber dem
aktiven Schalldämpfer besteht darin, daß der Übergang auf andere
Kanalquerschnitte im wesentlichen durch eine Änderung der Konstanten Uwp
berücksichtigt werden kann und daß nicht - wie beim aktiven Schalldämpfer - neue
Algorithmen der Regelung und neue Anordnungen der Lautsprecher entwickelt
werden müssen.
Schließlich ist es ein bei der Planung und Dimensionierung eines
erfindungsgemäßen Schalldämpfers außerordentlich hilfreicher Vorteil, daß sich die
einzelnen Auslegungsschritte in Standardaufgaben (wie Impedanzmessung,
Bestimmung von Wandlerkonstanten, Entwurf von Steuerschaltungen etc.)
zerlegen lassen, während beim aktiven Schalldämpfer praktisch nur am kompletten
System experimentiert werden kann.
Daß andererseits die Erfindung keine naheliegende Weiterentwicklung
bekannter technischer Lehren darstellt, erkennt man allein an den Funktionen,
welche einer porösen Absorberschicht in einem erfindungsgemäßen Schalldämpfer
zugeteilt werden. Eine solche Schicht bietet den Wärmeschutz für das aktive
Subsystem; sie ist ein Schmutz- und Turbulenzfilter; sie erniedrigt den
Schalldruckpegel am Ort des aktiven Subsystems infolge der inneren
Ausbreitungsdämpfung im Absorbermaterial und macht dadurch Lautsprecher mit
kleinerem Hub möglich; sie übernimmt die Aufgabe eines passiven Dämpfers bei
hohen Frequenzen; sie gewährleistet eine Restdämpfung im Störfall des aktiven
Subsystems; sie stellt als passiver Dämpfer die Dämpfung höherer Kanalmoden
sicher; sie bewerkstelligt als Widerstandsgleichrichter einen Druckausgleich in
Querrichtung bei ungleichförmig schwingenden Lautsprechermembranen.
Zusammenfassend ergeben sich also als Realisierungsmöglichkeiten der
Erfindung:
Bezüglich der akustischen Grundformen:
- - Serienschaltung des passiven und des aktiven Elements (vgl. Abb. 4)
- - Parallelschaltung des passiven und des aktiven Elements (vgl. Abb. 5)
- - Mischtypen hiervon (vgl. Abb. 20-22)
Bezüglich des aktiven Subsystems bestehend aus Signalauf
nehmer (1) Signalformer (2) und Schallgeber (3) als
elektroakustische Varianten bei entsprechender Aus
bildung des Signalaufnehmers:
- - Steuerung über Mikrofon oder Lautsprecher-Mikrofon (vgl. Abb. 3 und 23)
- - Steuerung über Körperschall-Aufnehmer mit Mikrofon (vgl. Abb. 25)
- - Regelung über Kanal-Mikrofone (vgl. Abb. 26)
Als elektroakustische Variante sei besonders die der Steuerung über Mikrofon
nach Abb. 3 hervorgehoben, wobei der Quotient aus dem Flächenmittelwert der
Schnelle der Lautsprechermembrane und dem Schalldruck vor derselben eine
erfindungsgemäße akustische Abschlußimpedanz Zb bildet, die im Fall der
akustischen Serienschaltung des passiven Absorbers und des aktiven
Subsystems gemäß der oben angegebenen Gleichung (7) und im Fall der akusti
schen Parallelschaltung des passiven Absorbers und des aktiven Subsystems
durch eine Kombination der oben angebenen Gleichungen (12) und (7)
festgelegt wird.
Abb. 1: Rechteckiger Schalldämpfer mit lichter Kanalweite H=2h
und Absorberauskleidung der Dicke d
aus porösem Absorbermaterial
mit längenbezogenem Strömungswiderstand Ξ,
kanalseitig mit einer schalldurchlässigen Deckschicht.
Abb. 2: Kulissen-Schalldämpfer
mit Kulissen der Dicke D=2d und Spaltweiten H=2h.
Abb. 3: Schemazeichnung des aktiven Subsystems
mit Schallaufnehmer (1), Signalformer (2),
Lautsprecher (3).
Abb. 4: Serienschaltung des passiven (1) und
des aktiven (2) Subsystems.
Abb. 5: Parallelschaltung des passiven (1) und
des aktiven (2) Subsystems.
Abb. 6: Lösung von Gl. (5); 1. Dämpfer-Mode.
Abb. 7: Lösungn von Gl. (5); 2. Dämpfer-Mode.
Abb. 8: Schalldämpfung in einem rechteckigen Schalldämpfer mit lichter
Kanalweite H=2h mit einer Absorberauskleidung, deren
Absorberfunktion U den Wert U=Uwp hat.
Abb. 9: Schalldämpfung in einem rechteckigen Schalldämpfer mit lichter
Kanalweite H=2h bei optimaler Absorberauskleidung,
bei hybrider Absorberauskleidung mit passivem Absorber der Dicke d
aus poröser Absorberschicht mit Strömungswiderstand R=Ξd/Z₀
und bei rein passiver Auskleidung.
Abb. 10: Näherungen für Dämpfungskurven von rechteckigen Schalldämpfern
mit lichter Kanalweite H=2h und Absorberauskleidung der Dicke d
aus porösem Absorbermaterial mit längenbezogenem
Strömungswiderstand Ξ, optimiert auf Breitbandigkeit [1].
Abb. 11: Schalldämpfung mit einer passiven Absorber
auskleidung aus sogenannten "Membranabsorbern",
einer auf tiefe Frequenzen abgestimmten
Resonator-Kombination.
Abb. 12: Schemazeichnung eines aktiven Schalldämpfers
mit Steuermikrofon (1), Signalformer (2),
Antischall-Lautsprechern (3).
Abb. 13: Schemazeichnung eines aktiven Schalldämpfers
mit adaptiver Regelung;
Steuermikrofon (1), Signalformer (2),
Antischall-Lautsprecher (3),
Korrektur-Mikrofon (4), Regler (5).
Abb. 14: Ortskurve der Abschlußimpedanz Zb
einer Absorberschicht der Dicke d mit d/h=0,5
mit normiertem Strömungswiderstand R=0,5.
Abb. 15: Ortskurve der Abschlußimpedanz Zb
einer Absorberschicht der Dicke d mit d/h=0,5
mit normiertem Strömungswiderstand R=1,0
abgedeckt mit einer Folie mit mp=1.
Abb. 16: Ortskurve der Abschlußimpedanz Zb
einer Absorberschicht der Dicke d mit d/h=0,5
mit normiertem Strömungswiderstand R=3,5
eines passiven Breitband-Absorbers.
Abb. 17: Ortskurve der Abschlußimpedanz Zb
einer Luftschicht der Dicke d mit d/h=0,5
abgedeckt mit einem normierten Strömungswider
stand Rs=2,0 und einer Folie mit mp=1,0.
Abb. 18: Serienschaltung des passiven (1) und
des aktiven (2) Subsystems, mit einer
Lautsprecherbox (3).
Angedeutet sind die Abschlußimpedanz Zb
und die Eingangsimpedanz 05147 00070 552 001000280000000200012000285910503600040 0002004027511 00004 05028der Box Ze.
Abb. 19: Ortskurve der Membranimpedanz Zm.
Abb. 20: Kombination einer Serienschaltung (1)
mit einer Parallelschaltung (2)
der passiven und der aktiven Subsysteme.
Abb. 21: Kombination einer Serienschaltung (1)
mit einer Parallelschaltung (2)
mit einem gemeinsamen aktiven Subsystem.
Abb. 22: Kombination einer Serienschaltung (1)
mit einer Parallelschaltung (2)
mit einem gemeinsamen aktiven Subsystem
unter Ausnutzung beider Membranseiten
des Lautsprechers.
Abb. 23: Schemazeichnung der Funktionskomponenten
des aktiven Subsystems
mit Schallaufnehmer (1), Mikrofonverstärker (2),
Signalformer (3), Leistungsverstärker (4),
Lautsprecher (5).
Abb. 24: Hintereinander angeordnete hybride Absorber (1)
mit einem aktiven Subsystem bestehend aus
einem Leitelement (2) und aus einer Kettenschaltung
von Abschwächern und Phasendrehern
zur Nachbildung der Pegel- und Phasenänderung
der Schallwelle im Dämpferkanal (4).
Abb. 25: Serienschaltung eines passiven (1) und eines aktiven (2)
Subsystems, welches das Verhältnis des Schalldrucks vom
Mikrofon (3) und der Schnelle vom Körperschallaufnehmer (4)
auf das geforderte Verhältnis der Abschlußimpedanz regelt.
Abb. 26: Serienschaltung eines passiven (1) und eines aktiven (2)
Subsystems, welches die Differenz der Schallpegel an zwei
hintereinander angeordneten Mikrofonen (3) im
Dämpferkanal (4) auf einen maximalen Wert regelt.
Abb. 27: Dämpfungskurven eines Schalldämpfers mit
einem passiven Absorber und einer Abschluß-
Impedanz nach Abb. 14;
durchgezogen: hybrider Absorber;
gestrichelt: rein passiver Absorber.
Abb. 28: Dämpfungskurven eines Schalldämpfers mit
einem passiven Absorber und einer Abschluß-
Impedanz nach Abb. 15;
durchgezogen: hybrider Absorber;
gestrichelt: rein passiver Absorber.
Abb. 29: Dämpfungskurven eines Schalldämpfers mit
einem passiven Absorber und einer Abschluß-
Impedanz nach Abb. 16;
durchgezogen: hybrider Absorber;
gestrichelt: rein passiver Absorber.
[1] MECHEL, F. P.
"Schalldämpfer"
in "Taschenbuch der Technischen Akustik", Edit. M. Heckl, H. A. Müller
Springer-Verlag, Berlin, 1975
[2] MECHEL, F. P.
"Schallabsorption"
in "Taschenbuch der Technischen Akustik", Edit. M. Heckl, H. A. Müller
Springer-Verlag, Berlin, 1975
[3] MORSE, P. M. J. Acoust. Soc. Amer. 11 (1939) 205-210
"Transmission of sound inside pipes"
[4] CREMER, L. Acustica, Beihefte 3 (1953) 249-263
"Theorie der Luftschalldämpfung im Rechteckkanal mit schluckender Wand
und das sich dabei ergebende höchste Dämpfungsmaß"
[6] GERBER, O. Acustica, Beihefte 2 (1953) 264-270
"Experimentelle Untersuchungen zur Realisierung der theoretisch möglichen
Höchstdämpfung der Schallausbreitung in einem rechteckigen Luftkanal
mit schluckenden Wänden"
[7] KURZE, U. Acustica 21 (1969) 74-85
"Schallausbreitung im Kanal mit periodischer Wandstruktur"
[8] KÖLTZSCH, P.
"Schallabsorbierende Kanäle"
in "Lärmbekämpfung", Edit. W. Schirmer
Verlag Tribüne, Berlin, 1971
[9] ESCHE, V.
"Lüftungstechnische Anlagen und Schalldämpfer"
in "Taschenbuch Akustik", W. Fasold, W. Kraak, W. Schirmer Edit.
VEB Verlag Technik, Berlin, 1984
[10] VDI-Richtlinie 2567
"Schallschutz durch Schalldämpfer"
[11] FUCHS, H., u.a.
"Schallabsorbierendes Bauelement", DE-Pat. 34 12 432 (1984/1989)
"Schalldämpferbox", DE-Pat. 35 04 208 (1985/1989)
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"Process of silencing sound oscillations"
LUEG, P. DRP Nr. 6 55 508; (1933/1937)
"Verfahren zur Dämpfung von Schallschwingungen"
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"Aktiver Lärmschutz - Erfolge, Probleme und Perspektiven"
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Teubner Verlagsges., Leipzig, 1971
[20] DE 34 25 450 A1
[21] DE 27 12 534 A1
Claims (20)
1. Hybrider Schalldämpfer, bestehend aus einer passiven Absorberauskleidung und
einem aktiven elektroakustischen Subsystem, dadurch gekennzeichnet, daß das
ein Steuermikrofon und einen Lautsprecher aufweisende elektroakustische
aktive Subsystem derart auf den mit ihm kombinierten passiven Absorber
einwirkt, daß in dem so gebildeten hybriden Absorber die akustische Impedanz
der kanalseitigen Oberfläche der Absorberauskleidung eine Absorberfunktion U
ergibt, welche in einem gewünschten Frequenzbereich den Wert der
Absorberfunktion Uwp des Windungspunktes zwischen der ersten und der zweiten
Schalldämpfer-Mode erreicht oder annähert.
2. Hybrider Schalldämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß bei überwiegend symmetrischen Schallfeldern im Schall
dämpferkanal die Absorberfunktion Uwp am Windungspunkt zwischen der
ersten und der zweiten symmetrischen Schalldämpfermode liegt, und
daß bei überwiegend antisymmetrischen Schallfeldern im Schall
dämpferkanal die Absorberfunktion Uwp am Windungspunkt zwischen der
ersten und der zweiten antisymmetrischen Schalldämpfer-Mode liegt.
3. Hybrider Schalldämpfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der passive Absorber aus an sich bekannten Kom
ponenten wie poröse Absorbermaterialien, Luftschichten, Membranen,
Folien, biegeelastischen Platten, Deckschichten mit Strömungswider
ständen wie Vliese, Filze, Gewebe, Lochblechen etc., ferner aus
akustischen Resonatoren an sich bekannter Art, wie Helmholtz-Resona
toren, Platten- und Folien-Resonatoren oder aus Kombinationen sol
cher Komponenten besteht.
4. Hybrider Schalldämpfer nach mindestens einem der An
sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der hybride Absorber
die Auskleidung von Schalldämpferkanälen mit rechteckigem, rundem
oder ringförmigen Querschnitt darstellt oder daß er sogenannte
Kulissen in solchen Kanälen bildet.
5. Hybrider Schalldämpfer nach mindestens einem der An
sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Subsystem
aus einem Steuermikrofon, gegebenenfalls mit einem Mikrofonverstär
ker, zur Messung des Schalldrucks vor dem Lautsprecher, aus eben
diesem Lautsprecher, gegebenenfalls mit einem Leistungsverstärker,
und aus einem dazwischen geschalteten elektronischen Signalformer
besteht, welcher den Lautsprecher so steuert, daß der Quotient aus
dem Flächenmittelwert der Schnelle der Lautsprechermembrane und dem
Schalldruck vor derselben eine erfindungsgemäße akustische Abschluß
impedanz Zb bildet.
6. Hybrider Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, daß der passive Absorber und das aktive
Subsystem in akustischer Serienschaltung angeordnet sind.
7. Hybrider Schalldämpfer nach mindestens einem der An
sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der passive Absorber
und das aktive Subsystem in akustischer Parallelschaltung angeordnet
sind.
8. Hybrider Schalldämpfer nach mindestens einem der An
sprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Kombinationen aus
Serienschaltung und Parallelschaltung des passiven Absorbers und des
aktiven Subsystems benutzt werden.
9. Hybrider Schalldämpfer nach mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnelle auf
einer Seite der Lautsprechermembrane für die Abschlußimpedanz in
Serienschaltung und die Schnelle auf der anderen Seite der Lautspre
chermembrane für die Abschlußimpedanz in Parallelschaltung benutzt
wird.
10. Hybrider Schalldämpfer nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß reziproke Lautsprecher im aktiven Subsystem
verwendet werden und daß in zeitlich getakteten Intervallen der
Lautsprecher zur Messung des Schalldruckes an seiner Membrane dient.
11. Hybrider Schalldämpfer nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß zusätzlich zu dem Steuermikrofon für die Messung
des Schalldruckes vor der Lautsprechermembrane ein Körperschallauf
nehmer auf der Lautsprechermembrane aufgesetzt wird, welcher die
Schnelle der Membrane mißt, und daß mit an sich bekannten elektroni
schen Regelkreisen der Quotient aus Schalldruck und Schnelle auf die
erfindungsgemäße Abschlußimpedanz geregelt wird.
12. Hybrider Schalldämpfer nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß bei hybriden Absorberelementen, welche in
Schallausbreitungsrichtung hintereinander angeordnet sind,
die Ansteuerung der Lautsprecher der nachfolgenden Elemente
durch elektronische Dämpfungslieder und Phasendreher in der
Weise abgeleitet wird, daß sie dem Pegelabfall und der Phasenge
schwindigkeit der niedrigst gedämpften Dämpfermode im Dämpferkanal
entspricht.
13. Hybrider Schalldämpfer nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß an hintereinander liegenden Stellen im Dämpfer
kanal mit Mikrofonen der Abfall des Schallpegels gemessen wird und
daß durch an sich bekannte elektronische Regler die Abschlußimpedanz
der Lautsprecher der verwendeten aktiven Subsysteme auf eine Maxi
mierung des Pegelabfalls geregelt wird.
14. Hybrider Schalldämpfer nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß die Betriebstemperatur des Schalldämpfers gemes
sen wird und daß die Parameter des Signalformers des aktiven Subsys
tems mit an sich bekannten Regeltechniken unter Verwendung dieser
Temperatur als Eingabegröße so geregelt werden, daß die akustische Impedanz
der kanalseitigen Oberfläche der Absorberauskleidung bei verschiedenen
Betriebstemperaturen eingehalten wird.
15. Hybrider Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit im Schalldämpferkanal
gemessen wird und daß die Parameter des Signalformers des aktiven
Subsystems mit an sich bekannten Regeltechniken unter Verwendung
dieser Strömungsgeschwindigkeit als Eingabegröße und der bei der
jeweiligen Strömungsgeschwindigkeit gültigen Absorberfunktion Uwp im
Windungspunkt als Systemgröße so geregelt werden, daß die akustische
Impedanz der kanalseitigen Oberfläche der Absorberauskleidung bei
verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten eingehalten wird.
16. Hybrider Schalldämpfer nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß der Signalformer des aktiven Subsystems in elek
tronischer Analogtechnik oder in elektronischer Digitaltechnik oder
in Hybridtechnik aus analogen und digitalen Komponenten aufgebaut
ist.
17. Hybrider Schalldämpfer nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, daß der passive Absorber als wärmedämmende Schicht
ausgebildet ist.
18. Hybrider Schalldämpfer nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, daß der passive Absorber durch Deckschichten auf
seiner Vorderseite gegen das Eindringen von Schmutz und/oder Feuch
tigkeit geschützt ist und daß diese Deckschichten in die akustischen
Charakteristiken des passiven Absorbers und in die Dimensionierung
des Signalformers des aktiven Subsystems einbezogen sind.
19. Hybrider Schalldämpfer nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, daß die längenspezifischen Strömungswiderstände
poröser Absorberschichten und/oder die Strömungswiderstände von
Deckschichten des passiven Absorbers so gewählt werden, daß in einem
vor der Lautsprechermembrane angeordneten Luftspalt ein Queraus
gleich des Schalldruckes bei einer ungleichmäßigen Schwingamplitude
des Lautsprechers über seine Oberfläche erfolgt.
20. Hybrider Schalldämpfer nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch
gekennzeichnet, daß der passive Absorber nach an sich bekannten
Regeln derart dimensioniert wird, daß bei einem Ausfall des aktiven
Subsystems der Schalldämpfer eine gewisse Restdämpfung besitzt.
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