EP0805431B1 - Verfahren und Vorrichtung zur aktiven Schallreduzierung von Gasstromen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur aktiven Schallreduzierung von Gasstromen Download PDF

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EP0805431B1
EP0805431B1 EP97102834A EP97102834A EP0805431B1 EP 0805431 B1 EP0805431 B1 EP 0805431B1 EP 97102834 A EP97102834 A EP 97102834A EP 97102834 A EP97102834 A EP 97102834A EP 0805431 B1 EP0805431 B1 EP 0805431B1
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volume flow
lines
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noise reduction
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Ingo Dr. Borchers
Ludwig Dipl.-Ing. Schauwecker
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for sound reduction according to the preamble of claims 1 and 11.
  • DE 43 41 951 A1 discloses a method for active noise reduction for the exhaust system of a motor vehicle, in which two volume flows are superimposed.
  • the path length of at least one of the two volume flows is changed as a function of the operating temperature in order to obtain an optimal phase shift of the two volume flows with regard to the sound attenuation.
  • the change in the path length of the volume flow is achieved by a variable-length pipe.
  • the area which the tube occupies at maximum deflection must therefore be kept clear at all times, so that there is a large space requirement for the device.
  • the object of the invention is therefore to provide a method and apparatus for to create active noise reduction with the smallest possible size.
  • a first and a second volume flow are present, one of which flows through Modulation with a predetermined frequency spectrum is changed in such a way that in the subsequent interference of the two volume flows, the sound reduction is effected.
  • the modulation creates in the modulated Volume flow is a sound spectrum that is associated with the subsequent interference with the other volume flow an optimal extinction over a large Frequency range enabled.
  • active silencers can be used a volume of less than one liter can be realized.
  • the invention is therefore particularly suitable for use in motor vehicles.
  • the method according to the invention enables cancellation over a large sound spectrum.
  • the process can also be done entirely generally used to generate a predetermined sound spectrum be (sound design).
  • one of the two volume flows are taken from the other volume flow. That means, that a volume flow, which is afflicted with the sound to be reduced, in two partial volume flows is divided, the two partial volume flows after appropriate modulation of one of the two sub-currents for interference to be brought.
  • the one with the volume flow to be reduced with a second, from first volume flow independent volume flow are superimposed on the is present on the unit in question anyway (e.g. wind, vehicle, Compressed air, exhaust gas jet).
  • Fig. 1 shows the first method alternative of the invention in a schematic Presentation.
  • the line 1 is shown with the first volume flow 10, whose sound is to be reduced.
  • a second Line 2 which is part of the first volume flow, now as a second volume flow Designated 20, leads to an actuator A, in which it is in phase is modulated with a predetermined frequency spectrum.
  • the modulation takes place in such a way that in the subsequent interference of the first and second Volume flow 10.20 the highest possible noise reduction over the entire Sound spectrum is reached (appropriate phase difference between first and second volume flow, in particular 180 °).
  • the spectrum the sound waves to be amortized in the first volume flow 10 is reduced by one sensor not shown here, e.g. a microphone detects a reference signal for sound cancellation.
  • the reference signal is known in Prepared and used to control actuator A.
  • This method can e.g. for reducing noise in the exhaust gas jet of internal combustion engines are used, especially in motor vehicles.
  • the use for noise reduction in a compressed air stream is also advantageous a compressed air compressor.
  • Reduction is another area of application for the specified method the driving noise in vehicles, especially rail vehicles.
  • the airstream In ICE trains, the airstream generates particularly on the pantographs strong noises. This can be remedied if part of the Driving wind is modulated in an actuator and then with the noise-generating airstream is superimposed. Different from that in FIG. 1 shown case, however, line 1 is omitted here, since the airstream is natural is not wired.
  • Fig. 2 shows the second method alternative of the invention in a schematic Presentation.
  • One recognizes the line 1 with the first volume flow 10, whose sound is to be reduced.
  • line 1 is one of line 1, which is independent of line 1, is available for second volume flow 20, which is connected to the input of the actuator A.
  • This second Line 2 is fed by a volume flow that is independent of the Noise reduction on the vehicle or unit in question is available.
  • a specific embodiment of the invention as a silencer for an internal combustion engine 3 shows the exhaust gas jet of an internal combustion engine is after flowing through a conventional pre-muffler 50 in one Pre-chamber 40 divided and then in the form of two coaxial flows 10.20 fed to the actuator A.
  • the central part of the exhaust jet (first volume flow 10) flows through the actuator A largely undisturbed, the ring-shaped outer exhaust gas jet (second volume flow 20) is through a valve modulated with a predetermined frequency spectrum (Fig. 4) and interferes at the outlet of the actuator A with the central beam 10.
  • the actuator A is from Sensors, here microphones (Fig. 4) controlled, which the sound frequency spectrum to be canceled and possibly record the remaining sound.
  • the Microphone signals are processed and used in a manner known per se as input signals for the modulation in the actuator. Because the two gas flows 10.20 approximately the same temperature (influence on the speed of sound) and the sound sources have almost the same position, leads to the superposition of the Sound waves for optimal, largely directionally insensitive extinction the unwanted noise.
  • the lines 1, 2 can be used to improve the directional characteristic also be arranged in such a way that they continue to be run parallel, but their axes no longer coincide.
  • the two streams can also coexist and e.g. run in parallel.
  • the actuator can also use bleed air from an existing turbocharger be supplied.
  • Fig. 4 shows the sectional drawing of an advantageous embodiment of an inventive Device such as e.g. used in the device of FIG. 3 can be.
  • the central line 1 here: exhaust pipe for the exhaust jet an internal combustion engine
  • an electro-pneumatic actuator A with inputs and outputs for the second Volume flow 20 placed.
  • the second volume flow 20 in line 2 can be taken both from line 1 for the first volume flow 10 be, as well as from another, existing on the vehicle or unit Volume flow can be removed.
  • the sound waves to be repaid are detected via one or more microphones M in line 1.
  • three powerful, axially magnetized are on the exhaust pipe 1 Threaded ring magnets 60.
  • the two outer faces of the permanent magnets 60 form a north pole and a south pole.
  • the magnets 60 sit in a pot-shaped housing 62 made of cast iron, which together with the pole shoe 64 at the other end is almost closed Magnetic circuit forms.
  • cylindrical coil valve ring vibrates in the housing 62 66 with a drive signal derived from the output signal of the Microphone M is applied.
  • the coil 66 is on several springs (leaf springs 67) hung up.
  • the gas stream 20 to be modulated is through openings in the bottom of the housing around the magnets 60 into a prechamber 68 and then through an annular one Gap, the width of which corresponds to the oscillating coil 66 the selected control signal is varied, led to the exit.
  • antechamber 68, gap and outlet opening are from the outlet-side cover 65, the is screwed in front of the cup-shaped housing 62, limited.
  • the exit side The area of the secondary gas line 2 is designed as a sound funnel.
  • an actuator can be used with the actuator described selectable sound frequency spectrum generated in the first volume flow 10 become.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Schallreduzierung nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 11.
Es ist allgemein bekannt, daß Schallwellen durch Interferenz mit gegenphasig schwingenden Schallwellen ausgelöscht werden können. Weiterhin ist bekannt, daß Schallwellen durch die Modulation eines Gasstromes erzeugt werden können.
Bekannte aktive Schalldämpfer benötigen ein relativ großes Volumen, das den nutzbaren Raum an einer Vorrichtung, an der Schall reduziert werden soll, einschränkt. Dies ist insbesondere bei Personenkraftwagen oder Krafträdern problematisch. Aus der DE 43 41 951 A1 ist z.B. ein Verfahren zur aktiven Schallreduzierung für die Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs bekannt, bei dem zwei Volumenströme überlagert werden. Dabei wird die Weglänge zumindest eines der beiden Volumenströme in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur verändert, um eine optimale Phasenverschiebung der beiden Volumenströme im Hinblick auf die Schalldämpfung zu erhalten. Die Änderung der Weglänge des Volumenstroms wird durch ein längenveränderliches Rohr erreicht. Der Bereich, den das Rohr bei maximaler Auslenkung einnimmt, muß somit ständig freigehalten werden, so daß sich ein großer Raumbedarf für die Vorrichtung ergibt.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und Vorrichtung zur aktiven Schallreduzierung mit einer möglichst kleinen Baugröße zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Anspruch 1 sowie einer Vorrichtung nach Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen sind Gegenstände weiterer Ansprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur aktiven Schallreduzierung sind ein erster und ein zweiter Volumenstrom vorhanden, von denen einer durch Modulation mit einem vorgegebenen Frequenzspektrum derart verändert wird, daß bei der nachfolgenden Interferenz der beiden Volumenströme die Schallreduzierung bewirkt wird. Durch die Modulation entsteht in dem modulierten Volumenstrom ein Schallspektrum, das bei der nachfolgenden Interferenz mit dem anderen Volumenstrom eine optimale Auslöschung über einen großen Frequenzbereich ermöglicht.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können aktive Schalldämpfer mit einem Volumen von weniger als einem Liter realisiert werden. Die Erfindung eignet sich deshalb ganz besonders für den Einsatz in Kraftfahrzeugen.
Anders als bei der bereits erwähnten DE 43 41 951 A1, bei der nur eine bestimmte Schallfrequenz optimal ausgelöscht werden kann, ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Auslöschung über ein großes Schallspektrum möglich.
Unabhängig von einer Schallreduzierung kann das Verfahren auch ganz allgemein zur Erzeugung eines vorbestimmten Schallspektrums verwendet werden (Sounddesign).
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung kann einer der beiden Volumenströme dem anderen Volumenstrom entnommen werden. Das bedeutet, daß ein Volumenstrom, der mit dem zu reduzierenden Schall behaftet ist, in zwei Teilvolumenströme aufgeteilt wird, wobei die beiden Teilvolumenströme nach einer entsprechenden Modulation eines der beiden Teilströme zur Interferenz gebracht werden.
Alternativ zu dieser Aufteilung in zwei Teilvolumenströme kann der mit dem zu reduzierenden Schall behaftete Volumenstrom mit einem zweiten, vom ersten Volumenstrom unabhängigen Volumenstrom überlagert werden, der an dem betreffenden Aggregat sowieso vorhanden ist (z.B. Fahrtwind, Fahrzeug, Druckluft, Abgasstrahl).
In beiden Fällen kann somit bezüglich des für die Interferenz benötigten zweiten Volumenstroms auf einen bereits vorhandenen Volumenstrom zurückgegriffen werden. Ein eigens für diesen Zweck vorgesehenen Volumenstrom ist somit nicht notwendig.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
die erste Verfahrensvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens
Fig. 2
die zweite Verfahrensvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens
Fig. 3
eine Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Schalldämpfer für einen Verbrennungsmotor
Fig. 4
eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 1 zeigt die erste Verfahrensalternative der Erfindung in schematischer Darstellung. Dargestellt ist die Leitung 1 mit dem ersten Volumenstrom 10, dessen Schall reduziert werden soll. Von dieser Leitung 1 zweigt eine zweite Leitung 2 ab, die einen Teil des ersten Volumenstroms, nun als zweiten Volumenstrom 20 bezeichnet, zu einem Aktuator A führt, in dem er phasengerecht mit einem vorgegebenen Frequenzspektrum moduliert wird. Die Modulation erfolgt derart, daß bei der anschließenden Interferenz von erstem und zweitem Volumenstrom 10,20 eine möglichst hohe Schallreduzierung über das gesamte Schallspektrum erreicht wird (zweckmäßigen Phasendifferenz zwischen erstem und zweiten Volumenstrom insbesondere 180°). Das Spektrum der zu tilgenden Schallwellen in dem ersten Volumenstrom 10 wird von einem hier nicht dargestellten Sensor, z.B. einem Mikrophon erfaßt, der ein Referenzsignal für die Schallauslöschung liefert. Das Referenzsignal wird in bekannter Weise aufbereitet und dient zur Ansteuerung des Aktuators A.
Dieses Verfahren kann z.B. zur Schallreduzierung im Abgasstrahl von Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, insbesondere in Kraftfahrzeugen. Vorteilhaft ist auch der Einsatz zur Schallreduzierung in einem Druckluftstrom eines Druckluftverdichters.
Ein weiteres Einsatzfeld für das angegebene Verfahren stellt die Reduzierung der Fahrtgeräusche bei Fahrzeugen, insbesondere Schienenfahrzeugen dar.
In ICE-Zügen erzeugt der Fahrtwind insbesondere an den Stromabnehmern starke Geräusche. Abhilfe kann hier geschaffen werden, wenn ein Teil des Fahrtwindes in einem Aktuator moduliert wird und anschließend mit dem geräuscherzeugenden Fahrtwind überlagert wird. Anders als in dem in Fig. 1 dargestellten Fall entfällt jedoch hier die Leitung 1, da der Fahrtwind naturgemäß nicht leitungsgebunden ist.
Fig. 2 zeigt die zweite Verfahrensalternative der Erfindung in schematischer Darstellung. Man erkennt die Leitung 1 mit dem ersten Volumenstrom 10, dessen Schall reduziert werden soll. Anders als in Fig. 1 ist hier eine von der Leitung 1 unabhängige Leitung 2 für den zweiten Volumenstrom 20 vorhanden, die mit dem Eingang des Aktuators A verbunden ist. Diese zweite Leitung 2 wird von einem Volumenstrom gespeist, der unabhängig von der Schallreduzierung an dem betreffenden Fahrzeug oder Aggregat bereits vorhanden ist. Vorteilhaft kann diese Verfahrensvariante für den Abgasstrom (= erster Volumenstrom) eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug verwendet werden, wobei der zweite Volumenstrom z.B. einem vorhandenen Turbolader als Zapfluft entnommen wird.
Eine konkrete Ausbildung der Erfindung als Schalldämpfer für einen Verbrennungsmotor zeigt Fig. 3. Der Abgasstrahl eines Verbrennungsmotors wird nach Durchströmen eines herkömmlichen Vorschalldämpfers 50 in einer Vorkammer 40 aufgeteilt und dann in Form von zwei koaxialen Strömen 10,20 dem Aktuator A zugeführt. Der zentrale Teil des Abgasstrahles (erster Volumenstrom 10) durchströmt den Aktuator A weitgehend ungestört, der ringförmige äußere Abgasstrahl (zweiter Volumenstrom 20) wird durch ein Ventil mit einem vorgegebenen Frequenzspektrum moduliert (Fig. 4) und interferiert am Austritt des Aktuators A mit dem Zentralstrahl 10. Der Aktuator A wird von Sensoren, hier Mikrofonen (Fig. 4) angesteuert, die das zu tilgende Schallfrequenzspektrum und eventuell den übrigbleibenden Restschall erfassen. Die Mikrofonsignale werden in an sich bekannter Weise aufbereitet und dienen als Eingangssignale für die Modulation im Aktuator. Da die beiden Gasströme 10,20 etwa gleiche Temperaturen (Einfluß auf die Schallgeschwindigkeit) und die Schallquellen fast die gleiche Position haben, führt die Überlagerung der Schallwellen zu einer optimalen, weitgehend richtungsunempfindlichen Auslöschung der unerwünschten Geräusche.
Anstatt wie hier koaxial können die Leitungen 1,2 zur Verbesserung der Richtcharakteristik auch derart ineinander angeordnet sein, daß sie zwar weiterhin parallel verlaufen, ihre Achsen aber nicht mehr zusammenfallen.
In einer weiteren Variante können die beiden Ströme auch nebeneinander und z.B parallel geführt werden.
Der Aktuator kann alternativ auch mit Zapfluft aus einem vorhandenen Turbolader versorgt werden.
Fig. 4 zeigt die Schnittzeichnung eine vorteilhaften Ausbildung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie sie z.B. in der Vorrichtung nach Fig. 3 eingesetzt werden kann. Auf die zentrale Leitung 1 (hier: Auspuffrohr für den Abgasstrahl einer Verbrennungsmaschine) für den ersten Volumenstrom 10 ist ein elektro-pneumatischer Aktuator A mit Ein- und Ausgängen für den zweiten Volumenstrom 20 aufgesetzt. Der zweite Volumenstrom 20 in der Leitung 2 kann sowohl aus der Leitung 1 für den ersten Volumenstrom 10 entnommen werden, als auch aus einem sonstigem, am Fahrzeug oder Aggregat vorhandenen Volumenstrom entnommen werden. Die zu tilgenden Schallwellen werden über eines oder mehrere Mikrophone M in der Leitung 1 erfaßt.
Auf dem Auspuffrohr 1 sind in dieser Ausführung drei kräftige, axial magnetisierte Ringmagnete 60 aufgefädelt. Die beiden äußeren Stirnseiten der Permanentmagnete 60 bilden einen Nordpol und einen Südpol. An einer Stirnseite sitzen die Magnete 60 in einem topfförmigen Gehäuse 62 aus Gußeisen, das zusammen mit dem Polschuh 64 am andereren Ende einen fast geschlossenen Magnetkreis bildet. In dem kleinen Luftspalt zwischen Polschuh 64 und dem Gehäuse 62 schwingt eine dünnwandige, zylinderförmige Spule (Ventilring) 66, die mit einem Ansteuersignal, abgeleitet von dem Ausgangsignal des Mikrofons M, beaufschlagt wird. Die Spule 66 ist an mehreren Federn (Blattfedern 67) aufgehängt. Der zu modulierende Gasstrom 20 wird durch Öffnungen im Gehäuseboden um die Magnete 60 herum in eine Vorkammer 68 und dann durch einen ringförmigen Spalt, dessen Weite von der schwingenden Spule 66 entsprechend dem gewählten Ansteuersignal variiert wird, zum Austritt geführt. Vorkammer 68, Spalt und Austrittsöffnung werden von dem austrittseitigen Deckel 65, der vor das topfförmige Gehäuse 62 geschraubt ist, begrenzt. Der austrittsseitige Bereich der Sekundärgasleitung 2 ist als Schalltrichter ausgebildet.
Abhängig vom Ansteuersignal kann mit dem beschriebenen Aktuator ein frei wählbares Schallfrequenzspektrum in dem ersten Volumenstrom 10 erzeugt werden.

Claims (21)

  1. Verfahren zur aktiven Schallreduzierung, wobei ein erster (10) und ein zweiter Volumenstrom (20) vorhanden sind, von denen einer (20) derart verändert wird, daß bei der nachfolgenden Interferenz der beiden Volumenströme (10,20) die Schallreduzierung bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung des einen Volumenstroms (20) durch Modulation mit einem vorgegebenen Frequenzspektrum durchgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Volumenstrom (20) dem ersten Volumenstrom entnommen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Volumenstrom (20) einem unabhängig von der Schallreduzierung bereits vorhandenen Volumenstrom entnommen wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der beiden Volumenströme dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors entnommen wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß einer (10) der beiden Volumenströme dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors entnommen wird und der andere Volumenstrom (20) dem Gasstrom eines Turboladers an dem Verbrennungsmotor entnommen wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß mindestens einer der beiden Volumenströme dem eines Fahrzeugs entnommen wird.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Volumenströme in ineinanderliegenden koaxialen Leitungen (1,2) geführt werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Volumenströme in ineinanderliegenden parallelen Leitungen ohne gemeinsame Achse geführt werden.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Volumenströme in parallelen, nebeneinander angeordneten Leitungen geführt werden.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche anstatt zur Schallreduzierung zur Erzeugung eines vorbestimmten Schallspektrums.
  11. Vorrichtung zur aktiven Schallreduzierung mit einer ersten Leitung (1) zur Aufnahme eines ersten Volumenstroms (10) und einer zweiten Leitung (2) zur Aufnahme eines zweiten Volumenstroms (20), wobei eine (2) der beiden Leitungen (1,2) mit dem Eingang einer Vorrichtung (A) verbunden ist, welche den in die Vorrichtung (A) eingespeisten Volumenstrom (20) derart verändert, daß bei der anschließenden Interferenz von erstem (10) und zweitem (20) Volumenstrom die Schallreduzierung bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (A) ein Aktuator ist, mit der die Veränderung des Volumenstroms (20) durch Modulation mit einem vorgegebenen Frequenzspektrum durchführbar ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Leitungen (1,2) miteinander verbunden sind, so daß einer (20) der beiden Volumenströme (20) dem anderen Volumenstrom (10) entnehmbar ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine (2) der beiden Leitungen einen Anschluß zur Einleitung eines unabhängig von der Schallreduzierung bereits vorhandenen Volumenstroms umfaßt.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der beiden Leitungen mit der Abgasleitung eines Verbrennungsmotors verbunden ist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine (1) der beiden Leitungen mit der Abgasleitung an einem Verbrennungsmotor verbunden ist, und die andere Leitung (2) einen Anschluß zur Einleitung des Gasstrom eines an dem Verbrennungsmotor vorhandenen Turboladers umfaßt.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Leitung einen Anschluß zur Einleitung des Fahrtwinds eines Fahrzeug umfaßt.
  17. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Leitungen (1,2) koaxial ineinanderliegend angeordnet sind.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Leitungen ohne gemeinsame Achse parallel ineinanderliegend angeordnet sind.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Leitungen nebeneinander angeordnet sind.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (A) radial auf eine (1) der beiden Leitungen aufgesetzt ist.
  21. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 20 anstatt zur Schallreduzierung zur Erzeugung eines vorbestimmten Schallspektrums.
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