DE3025391C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterdrückung von akustischen Schwingungen in festen, flüssigen oder gasförmigen Medien, bei dem die zu unterdrückende Schwingung mit einer Kompensationsschwingung überlagert, die resultierende Schwingung mit einem Sollwert verglichen und aus dem Vergleich die Kompensationsschwingung erzeugt wird. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit einem Schwingungsaufnehmer und einer Regeleinrichtung, die einen Schwingungsgeber für die Kompensationsschwingung steuert.

Akustische Störschwingungen, z. B. in Form von Lärm, können erhebliche Belastungen für die Gesundheit der betroffenen Menschen darstellen. Deshalb ist es erforderlich, die Schwingungen am Entstehungsort, auf dem Ausbreitungsweg oder an der gefährdeten Stelle zu reduzieren. Solche Schwingungen haben nur selten einen harmonischen Verlauf und ihre Einfallsrichtung ist häufig unbekannt oder kann wechseln.

Die Sprachkommunikation oder die Verständlichkeit von anderen akustischen Signalen kann durch unerwünschte Lärmstörungen aus der Umgebung erschwert oder unmöglich gemacht werden. Dieses Problem ist sehr verbreitet in Bereichen, wo sogenannte Hör-Sprachgarnituren, zum Beispiel in Fahrzeugen oder Leitständen, verwendet werden. In derartigen Fällen kommt es nicht nur darauf an, die Störgeräusche von außen zu mindern, sondern gleichzeitig eine sichere Übertragung des elektrisch übertragenen Nutzsignals zum Ohr sicherzustellen. Dies könnte durch Erhöhung des Nutzsignals geschehen. Eine derartige Lösung ist aber nicht geeignet, weil damit das Störsignal übertönt und damit ein unerwünschter oder gar unzulässiger weil gesundheitsschädlicher Geräuschpegel am Ohr erzeugt würde. Das Problem betrifft weite Teile des Arbeitsbereiches, insbesondere auf Schiffen, Flugzeugen, Fahrzeugen, Prüfständen und allgemein in lärmbelasteten Zonen.

Die Schallabstrahlung von Maschinen, Fahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen und anderen Geräuscherzeugern enthält häufig unerwünschte Komponenten und macht damit die Quelle auffällig. Derartige Signaturen sollen aus Gründen der Lästigkeit, Entdeckbarkeit oder anderen Gründen vermieden werden. Dies läßt sich durch konstruktive und allgemeine Schallschutzmaßnahmen häufig nicht ausreichend durchführen, so daß eine aktive Beeinflussung der Schallausbreitung in kritischen Komponenten und die Beeinflussung der Abstrahlung zu wünschen wäre.

Sensoren, zum Beispiel Mikrophone, die Lärm ausgesetzt sind, sollen möglichst wenig Störgeräusche erfassen, dabei aber gleichzeit die erwünschten Nutzsignale, die auf einem anderen Weg ankommen, aufnehmen. Auch hier wäre eine Minderung des Störschalls bei gleichzeitiger Übertragung des Nutzsignals erwünscht.

Die meisten gebräuchlichen Verfahren und Vorrichtungen zur lokalen Minderung bzw. Unterdrückung von akustischen Schwingungen arbeiten allein mit passiven Maßnahmen, bei denen keine zusätzliche Energiequelle vorhanden ist. Es wurden jedoch auch aktive Verfahren vorgeschlagen, bei denen durch Einkopplung von geeigneten akustischen Signalen die einfallende Störschallwelle kompensiert wird. Aus der US-PS 29 83 790 ist ein elektronischer Schallabsorber bekannt, der nach diesem Prinzip aufgebaut ist. Ferner wird in der DE-OS 24 01 523 eine Einrichtung zur aktiven Minderung von Schall am menschlichen Gehör beschrieben, mit der die praktischen Schwierigkeiten in vorhandenen aktiven Systemen gelöst und der geringe Tragekomfort passiver Gehörschützer verbessert werden sollen. Bei dieser Vorrichtung wird Störschall mit einem Mikrophon aufgenommen und um 180° phasenverschoben am Gehöreingang wiedergegeben.

Nach dem diesen aktiven Einrichtungen zugrunde liegenden Prinzip wird die zu unterdrückende Störschwingung erfaßt und das geeignete Kompensationssignal erzeugt. Danach kann jedoch ein breitbandiges und unabhängig von der Schalleinfallsrichtung wirksames Schallschutzmittel nicht realisiert werden, weil die erforderliche Bewertungseinrichtung für bestimmte Einfallsrichtungen ein nichtkausales Verhalten aufweisen müßte. Auch einer näherungsweisen Verwirklichung stehen technische Probleme entgegen, weil beim Bau der Bewertungseinrichtung die richtungsabhängige komplexe Übertragungsfunktion des Gesamtsystems berücksichtigt werden muß. Die bekannten Einrichtungen sind wegen ihrer Empfindlichkeit gegen Ortsveränderungen für Personen, die sich bewegen, als persönliches Schallschutzmittel nicht anwendbar.

Die auf Auslöschung durch gegenläufige Schallwellen beruhende Minderung des Störschalls, der von außen oder über einen sonstigen Übertragungsweg kommt, wird bei den bekannten Einrichtungen zwar zum Teil erreicht, jedoch ist keine Lösung bekannt, bei der eine erwünschte Geräuschkomponente oder ein Nutzsignal, das auf einem anderen Weg, zum Beispiel elektrisch eingespeist wird, mit derselben Einrichtung gleichzeitig zum Ohr übertragen oder gar verstärkt wird. Die bekannten Einrichtungen stellen nämlich Anforderungen an den Signaltyp, zum Beispiel hinsichtlich teilweiser Stationarität, Periodizität, Einfallsrichtung und Eigenschaften des Raums, die durch Testsignale erfaßt werden müssen, so daß die gleichzeitige Schwächung der Störsignale bei ungeschwächter oder sogar verbesserter Übertragung der Nutzsignale nicht möglich ist. Damit können die beschriebenen Probleme bei Hör-Sprechgarnituren, Maschinen, Geräuscherzeugern und bei Sensoren nicht gelöst werden. (Vgl. z. B. die DE-OS 27 21 754 oder 27 12 534).

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mit denen es möglich ist, störungsfrei ankommende Nutzsignale trotz am Empfangsort vorhandener Störgeräusche zu selektieren

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert ein zeitlich schwankendes Nutzsignal darstellt und die resultierende Schwingung mittels eines linearen Filters gewichtet und fortlaufend durch Differenzbildung mit dem Sollwert verglichen wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Lösung dieser Aufgabe dadurch gekennzeichnet, daß eine Regeleinrichtung aus einem elektronischen Netzwerk mit Rückführungszweig, Substrahierer und Vorwärtszweig vorgesehen ist und daß ein Sollwert als ein zeitlich schwankendes Nutzsignal in den Substrahierer eingebbar ist, der sich zwischen dem Rückführungszweig und dem Vorwärtszweig befindet.

Nach dem erfindungsgemäßen Prinzip wird die aus der Kompensation der Störschwingung resultierende Schwingung ständig mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen und entsprechend korrigiert. Daraus geht hervor, daß die Kompensation nicht direkt aus der Erfassung der Störschwingung vorgenommen wird, sondern die durch die Kompensation resultierende Schwingung wird direkt kontrolliert und eventuelle Abweichungen vom Sollwert werden in entsprechende Kompensationssignale umgesetzt. Die zur Kompensation erforderlichen Signalwandler werden vorzugsweise nahe am Einwirkungsort angebracht. Unter Einwirkungsort wird die Stelle verstanden, wo die Störschwingungen unterdrückt werden sollen, z. B. am Ohreingang oder bei Flüssigkeitsschall bzw. Rohrwellen an der geeigneten Stelle in der Flüssigkeit bzw. am Rohr. Weil der Sollwert ein zeitlich schwankendes Nutzsignal als Führungsgröße darstellt, können Nutzsignale, wie Sprache oder Warnungen, eingekoppelt werden.

Der fortlaufende Vergleich durch die Differenzbildung mit dem Sollwert ermöglicht die ständige Einkoppelung des Nutzsignals bei gleichzeitiger Unterdrückung des Störsignals ohne einschränkende Bedingungen an die Art der Signale. Damit kann der Vorteil des ständigen Vergleichs für schnell und unvorhersagbar veränderliche Signale wie Sprache, Knalle oder Geräusche von beliebigen Quellen genutzt werden. Wesentlich für die Nützlichkeit des Verfahrens ist, daß Stör- und Nutzsignal auf verschiedenen Wegen übertragen werden.

Damit ist für die Erzielung der gewünschten Wirkung kein Abwarten wiederkehrender oder bekannter Signalabschnitte erforderlich, es sind als Nutzsignal beliebige Geräusche oder elektronisch übertragene Signale einkoppelbar und durch den fortlaufenden Vergleich ist eine unmittelbare Kontrolle des Erfolgs möglich. Die unterschiedlichen Übertragungswege für Nutz- und Störsignal erlauben die getrennte Optimierung der Übertragungsfunktion bei voller Unabhängigkeit von den Signaltypen.

Kommunikationssignale wie Sprache, Warnungen, Anweisungen, Führungsinformation oder Unterhaltung können so ungestört übertragen werden bei gleichzeitiger Zusatzminderung des Störschalls durch Interferenz mit dem kompensierenden Schallsignal.

Das erfindungsgemäße Prinzip ermöglicht die Veränderung der weitergeleiteten oder abgestrahlten Signatur von Schallquellen und damit die Vermeidung kritischer Signaltypen durch Einfügen von Signalkomponenten und die Veränderung der Relation von Signaturparametern. Damit fallen die Geräuschquellen weniger auf und können schlechter entdeckt werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Prinzip kann die Richtcharakteristik des abgestrahlten Schallfeldes beeinflußt und zum Beispiel auf unkritische oder mit Absorbermaterial belegte Bereiche gelenkt werden.

Die Störschallminderung in Verbindung mit der Übertragung von Nutzsignalen erlaubt geringere Lautstärken des Nutzsignals und trägt damit zur Gehörschonung bei. Die geringe Auffälligkeit von Geräuschquellen macht sie weniger lästig und kann sie vor Entdeckung schützen.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich insbesondere mit Vorrichtungen für persönlichen Schallschutz und bei eindimensionalen Anordnungen, wie Rohren oder Stäben, durchführen. Die erfindungsgemäßen Anordnungen haben den Vorteil, daß sie häufig in Frequenzbereichen besonders wirksam sind, wo bekannte Minderungsmaßnahmen nicht anwendbar sind oder nicht ausreichen. So nimmt z. B. bei Gehörschutzkapseln die Schalldämmung zu niedrigeren Frequenzen hin (etwa 500 Hz) stark ab. Dort ist jedoch das erfindungsgemäße persönliche Schallschutzmittel besonders wirkungsvoll. Das erfindungsgemäße Verfahren, das auf dem Prinzip einer geregelten Interferenz beruht, zeigt auch bei eindimensionalen Anordnungen, wie Rohren oder Stäben, die häufig erwünschte Eigenschaft, aus einer Richtung einfallende Wellen zu reflektieren und damit die weitere Ausbreitung zu verhindern. Hier hat die aktive Schwingungsminderung gegenüber passiven Maßnahmen den Vorteil, daß das Minderungsmaß nicht von den Materialeigenschaften, wie Dichte, Masse, Elastizität oder Massenverteilung, abhängt. Die erfindungsgemäße geregelte Interferenz bietet den in der technischen Anwendung weiteren wichtigen Vorteil, daß sie verhältnismäßig unempfindlich gegen Parameterveränderungen ist. Kleine Veränderungen in der Beschaffenheit von Komponenten des Regelkreises oder der Ausbreitungsbedingungen beeinträchtigen die Wirksamkeit der Schwingungskompensation nicht wesentlich. Dagegen werden in den bekannten aktiven Verfahren die Abweichungen vom Sollwert der Schwingung am Einwirkungsort nicht ausgewertet, so daß dort Veränderungen im Übertragungsweg die erwünschte Kompensationswirkung beeinträchtigen können.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 eine prinzipielle Anordnung zur Durchführung des Verfahrens und die Verknüpfung der Komponenten zur Erzeugung der geregelten Interferenz;

Fig. 2 eine Gehörschutzkapsel;

Fig. 3 zwei mögliche Ausführungsformen für frequenzgangbestimmende Schaltungen in einer Regelungseinrichtung;

Fig. 4 eine Realisierung des Verfahrens zur Minderung von Flüssigkeitsschall in Rohren und

Fig. 5 eine Realisierung des Verfahrens zur Minderung von Rohrwellen.

In der Anordnung gemäß Fig. 1 wird mit einem Signalwandler bzw. Schwingungsaufnehmer 1, der je nach Anwendungsgebiet ein Mikrophon, Hydrophon, Körperschallwandler und dergleichen sein kann, der Schwingungsverlauf am Einwirkungsort, der die Summe aus der einfallenden störenden Schwingung 2 und der vom Schwingungsgeber 3 erzeugten kompensierenden Schwingung 4 darstellt, in ein elektrisches Signal gewandelt. Das Signal des Schwingungsaufnehmers 1 wird in einer elektronischen Regelungseinrichtung 5 weiterverarbeitet. Die Regelungseinrichtung besteht aus einem Rückführungsteil 6, einer Differenzstufe 7, wo die Abweichung von dem Sollwert 8 ermittelt wird, und einem Reglernetzwerk 9, von dem der Schwingungsgeber 3 angesteuert wird. Bezeichnen V (kompensierende Schwingung), W (störende Schwingung), X (resultierende Schwingung) und Y (Sollwert) die Fouriertransformierten der entsprechenden zeitlichen Signalverläufe, A den komplexen Frequenzgang vom Einwirkungsort bis zur Differenzstufe (Vorwärtszweig), B den komplexen Frequenzgang von der Differenzstufe bis zum Einwirkungsort (Rückführungszweig), dann gilt:

X = V + W

Die Anordnung der Komponenten erzeugt im Fall von linearer zeitinvarianter Filterung das resultierende Signal

Wenn der Betrag |1 + AB| größer als 1 ist, wird die störende Schwingung W gemindert. Der Frequenzbereich und das Minderungsmaß sind durch die geometrische Anordnung der Wandler und die Übertragungsfunktionen des Vorwärtszweiges A und des Rückführungszweiges B bestimmt.

Ein persönliches Schallschutzmittel wird in Fig. 2 schematisch wiedergegeben. Es besteht aus einer Gehörschutzkapsel 10, innerhalb welcher nahe am Gehörgang 11 der Schwingungsaufnehmer 1 und der Schwingungsgeber 3 angebracht sind. Als Schwingungsgeber 3 wird z. B. ein Kopfhörersystem und als Schwingungsaufnehmer 1 ein Miniaturelektretmikrophon verwendet. Das Mikrophon wird vorzugsweise vor der Membran des Kopfhörers zentral angebracht. Der unmittelbar am Ohreingang 11 eintreffende Schall wird von dem Mikrophon 1 in ein elektrisches Signal gewandelt und der Reglerelektronik 5 zugeführt, die den Kopfhöhrer 3 so steuert, daß der vom Mikrophon registrierte Schalldruckpegel minimal wird. Die Schallwandler 1 und 3 können entweder offen getragen oder innerhalb der Gehörschutzkapsel 10 untergebracht werden. Die Nutzsignale werden am Eingang 8 eingekoppelt.

In Fig. 3 sind die frequenzgangbestimmenden Schaltungen im Vorwärtszweig I und Rückführungszweig II dargestellt. Die Schleifenverstärkung der Gesamtanordnung wird so hoch eingestellt, daß sie noch unterhalb der Stabilitätsgrenze liegt. In offener Ausführung, also ohne passiven Kapselgehörschützer, wird mit dieser Anordnung im Frequenzbereich zwischen 80 Hz und 800 Hz eine Minderung aller einfallenden Geräusche erzielt, die im günstigsten Bereich (100 bis 400 Hz) etwa 10 dB beträgt. Neben den dargestellten frequenzgangbestimmenden Schaltungen gibt es auch andere Möglichkeiten, die sich bezüglich des maximal erreichbaren Minderungsmaßes und des minderungswirksamen Frequenzbereichs unterscheiden.

Da sich nach Gleichung I die Führungsgrößenübertragungsfunktion (A/[1 + AB]) und die Störungsübertragungsfunktion (1/[1 + AB]) unterscheiden, lassen sich durch geeignete Verteilung der frequenzgangbestimmenden Komponenten auf den Vorwärts- und Rückführungszweig die Übertragungseigenschaften für Nutzsignale als Sollwert und für den Lärm als Störgröße weitgehend unabhängig voneinander optimieren.

In der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform wird eine Einrichtung zur Minderung von Flüssigkeitsschall in Rohren gezeigt. Dabei sind der Schwingungsaufnehmer 1 und Schwingungsgeber 3 in einer Flüssigkeit angebracht, wobei über die Regeleinrichtung 5 mit Sollwerteingang 8 der Schwingungsgeber 3 so gesteuert wird, daß der Schalldruck am Schwingungsaufnehmer 1, der z. B. ein Hydrophon ist, minimal wird. Ein zusätzlicher passiver Schwingungsabsorber 13 dämpft sowohl die einfallende Schwingung als auch die interferierende Welle, so daß die unterhalb des Rohres 14 skizzierte Schalldruckverteilung in der Flüssigkeit entlang des Rohres entsteht.

Bei der Einrichtung zur Minderung von Rohrwellen gemäß Fig. 5 wird ein Körperschallwandler 1 um das Rohr gelegt und über die Regelungseinrichtung 5 ein ringförmiger Körperschallgeber 3, z. B. piezoelektrisch oder elektrodynamisch, so gesteuert, daß die aus einer Richtung einfallenden Körperschallschwingungen am Ort der Körperschallsonde 1 minimal werden und damit auch der durchgehende Schall reduziert wird.

Claims (7)

1. Verfahren zur Unterdrückung von akustischen Schwingungen in festen, flüssigen oder gasförmigen Medien, bei dem die zu unterdrückende Schwingung mit einer Kompensationsschwingung überlagert, die resultierende Schwingung mit einem Sollwert verglichen und aus dem Vergleich die Kompensationsschwingung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert ein zeitlich schwankendes Nutzsignal darstellt und die resultierende Schwingung mittels eines linearen Filters gewichtet und fortlaufend durch Differenzbildung mit dem Sollwert verglichen wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Schwingungsaufnehmer und einer Regeleinrichtung, die einen Schwingungsgeber für die Kompensationsschwingung steuert, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regeleinrichtung (5) aus einem elektronischen Netzwerk mit Rückführungszweig (6), Substrahierer (7) und Vorwärtszweig (9) vorgesehen ist und daß ein Sollwert als ein zeitlich schwankendes Nutzsignal in den Substrahierer (7) eingebbar ist, der sich zwischen dem Rückführungszweig (6) und dem Vorwärtszweig (9) befindet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Vorwärtszweig (9) und Rückführungszweig (6) frequenzbestimmende Schaltungen eingefügt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsaufnehmer (1) zusammen mit dem Schwingungsgeber (3) in einer Gehörschutzkapsel (10) untergebracht ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung von Rohrschwingungen als Schwingungsaufnehmer (1) und Schwingungsgeber (3) ringförmige, um das Rohr anlegbare Körperschallwandler vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung von Schwingungen in Flüssigkeiten Schwingungsaufnehmer (1), zum Beispiel Hydrophone, bzw. Schwingungsgeber (3) in der Flüssigkeit (12) anbringbar sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich passive Schwingungsabsorber (13) vorgesehen sind.