WO1998022700A2

WO1998022700A2 - Aktiver schalldämpfer

Info

Publication number: WO1998022700A2
Application number: PCT/EP1997/006441
Authority: WO
Inventors: Frank Jürgen LEHRINGER
Original assignee: Leistritz AG and Co Abgastechnik
Current assignee: Leistritz AG and Co Abgastechnik
Priority date: 1996-11-18
Filing date: 1997-11-18
Publication date: 1998-05-28
Anticipated expiration: 1999-05-18
Also published as: AU5553098A

Abstract

Ein aktiver Schalldämpfer weist mindestens einen Hohlkörper (1) auf. Der Hohlkörper (1) weist mindestens eine bewegliche Wand (4) und eine Hohlkörperöffnung (21) auf. Die Hohlkörperöffnung (21) ist mit einem zur Führung von Störschall geeigneten Störschallkanal (3, 11) akustisch gekoppelt. Der aktive Schalldämpfer enthält ausserdem eine Einrichtung (15), welche einen einstellbaren Sollwert mit einem im Bereich der akustischen Kopplungsstelle (12) anstehenden Istwert einer Schallfeldimpedanz vergleicht und zur Regelung des Istwertes auf den Sollwert die Bewegung der beweglichen Wand (4) bestimmt.

Description

Beschreibung

Aktiver Schalldämpfer

Die Erfindung betrifft einen Schalldämpfer.

Aus DE-A-4 226 885 ist eine Anordnung zur aktiven Schallabsorption bei Kraftfahrzeugen bekannt. Diese Anordnung enthält einen Helmholtz-Resonator. In diesem Helmholtz-Resonator ist ein Lautsprecher integriert, um unterschiedliche Hohlraumvolumina des Helmholtz-Resonators zu realisieren. Dieser aktive Helmholtz-Resonator absorbiert den in seiner Umgebung, z. B. im Fahrgastraum des Kraftfahrzeuges vorhandenen Störschall. Hierzu wird dem Schallfeld in der Umgebung des Helmholtz- Resonators Energie entzogen, indem Schallenergie durch den flaschenhalsartigen Eingang des Helmholtz-Resonators in Wärmeenergie umgewandelt wird.

Aus DE-A-4 317 403 und aus WO-A-93 05282 sind Anordnungen zur aktiven Schalldämpfung bekannt, bei denen eine einen Lautsprecher enthaltende Kammer von einem Störschallkanal abgezweigt ist. Der Lautsprecher soll derart Kompensationsschall abstrahlen, daß sich die beiden Schallfelder von Störschall und Kompensationsschall durch Überlagerung gegenseitig auslöschen bzw. abschwächen. In WO-A-93 05282 wird ein Kontrollmikrofon an einem nicht näher festgelegten Ort positioniert. Dieses Kontrollmikrofon soll in Verbindung mit einer Kontrolleinheit den Kompensationsschall des Lautsprechers so regeln, daß sich am Ort des Kontrollmikrofons die Abschwä- chung bzw. Auslöschung einstellt. Diese aufwendige Ausgestaltung des Übertragungsweges zwischen Lautsprecher und Kontrollmikrofon verteuert einerseits die Herstellung des Schalldämpfers und führt andererseits aufgrund der komplizierten Übertragungsfunktion zu Stabilitätsproblemen im Regelkreis und begrenzt ferner seine Regelgeschwindigkeit aufgrund der langen Laufzeit der Kompensationsschallwellen vom Lautsprecher bis zum Kontrollmikrofon. Daher ist die Schalldämpfung oftmals unzureichend. Dieser Nachteil wird dadurch noch verstärkt, daß die mit Hilfe des Kontrollmikro- fons an irgendeinem Ort gemessene lokale Überlagerung von Schallwellen keine zuverlässige Aussage darüber zulaßt, ob sich hinter der zwischen der Kammer und dem Storschallkanal angeordneten Kopplungsstelle nicht doch noch Storschall bis zur Mundung des Storschallkanals ausbreitet

Bei der passiven Schalldampfung werden häufig Anordnungen eingesetzt, bei denen es genau dann zu guter Schalldampfung kommt, wenn an einer Stelle eines Storschall- kanales eine vom Wellenwiderstand dieses Kanals stark abweichende Schallfeldimpe- danz erzeugt wird Durch diese Fehlanpassung entsteht an dieser Stelle eine Reflexion des Storschalles Deshalb werden derartige Anordnungen als Reflexionsschalldampfer bezeichnet Eine vom Wellenwiderstand des Storschallkanales stark abweichende Schallfeldimpedanz ergibt sich z B an einem offenen Ausgang eines Hohlkörpers, wenn dieser mit seiner Resonanzfrequenz erregt wird In diesem Fall geht die Schall- feldimpedenz am Ausgang des Hohlkörpers gegen Null Eine konstruktiv besonders einfache Ausgestaltung dieses Hohlkörpers ist ein sogenannter λ/4-Resonator Derartige Resonatoren sind z B aus „Abgasschalldampfer für Kraftfahrzeuge", Die Bibliothek der Technik Bd 83, S 21, Abb 13, vertag moderne Industrie AG, 1993, ISBN 3-478- 93076-6 bekannt Hierbei ist es bekannt, daß von einem den Storschall fuhrenden Kanal oder einer Rohrleitung ein abgeschlossenes Rohrstuck nach Art eines Resonators abgezweigt wird Die Abzweigungsstelle bildet eine akustische Kopplungsstelle des Resonators In diesem Resonator ist ein Schallfeld dann in Resonanz, wenn % der Wellenlange oder ein ungeradzahhges Vielfaches davon in den Hohlraum des Resonators paßt Nachteilig an diesem Resonator ist es, daß eine gute Schalldampfung immer nur dann erreicht wird, wenn exakt ¹Λ der Wellenlange oder ein ungeradzahhges Vielfaches davon gleich der akustisch wirksamen Lange des Resonators ist Die Ursache hierfür hegt in den entsprechend der konstruktiven Ausgestaltung des Resonators fest vorgegebenen physikalischen Bedingungen an der ein offenes Resonatorende bildenden akustischen Kopplungsstelle und an einem dem offenen Resonatorende gegenüberliegenden geschlossenen Resonatorende Am geschlossenen Resonatorende werden Schallwellen ohne Phasensprung, am offenen Resonatorenende hingegen mit 180° Phasensprung reflektiert Daher sind nur bei bestimmten Wellenlangen Resonan- zen und damit gute Schalldampfung möglich Ein weiterer Nachteil bei diesem Resonator besteht darin, daß zur Dampfung tiefer Frequenzen besonders große und somit raumaufwendige Resonatorlangen erforderlich sind

Der Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, einen Schalldampfer zu schaffen, der mit einfachen Mitteln eine an die jeweiligen Erfordernisse angepaßte Schalldampfung erzielt

Diese Aufgabe wird durch die Merkmaiskombination des Anspruches 1 gelost

Der erfindungsgemaße aktive Schalldampfer enthalt mindestens einen Hohlkörper, dessen offenes Hohlkorperende (= Hohlkorperoffnung) die akustische Kopplung bzw eine akustische Kopplungsstelle zu einem Storschall fuhrenden Kanal bewirkt Der aktive Schalldampfer arbeitet nach dem Anpassungsprinzip, d h im Bereich der akustischen Kopplungsstelle wird künstlich eine im Betrieb veränderbare Schallfeldimpedanz erzeugt, welche an den Wellenwiderstand des Storschallkanales je nach erforderlicher Dampfungswirkung „angepaßt" wird Durch diese Anpassung der Schallfeldimpedanz - z B auch extreme Fehlanpassung - kann für unterschiedliche Frequenzen des Stor- schalls eine verschieden große oder bewußt keine Schalldampfung erzielt werden, wenn dies erwünscht oder erforderlich ist Hierdurch ist der erfindungsgemaße Schalldampfer gegenüber vorbekannten Schalldampfern vielseitiger einsetzbar bei gleichzeitig konstruktiv einfacher und kostengünstiger Ausgestaltung Dies gilt insbesondere dann, wenn der Storschall in einem Rohr gefuhrt wird, wie dies z B bei Abgasanlagen oder Luftungskanalen der Fall ist Der Hohlkörper ist durch mehrere Wände begrenzt Von diesen Wanden ist mindestens eine Wand oder ein Wandsegment - nachfolgend „bewegliche Wand" - beweglich

Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, die Ausbreitung des Storschalles im Storschallkanal mittels des Anpassungsprinzips zu beeinflussen Hierzu wird im Bereich der akustischen Kopplungsstelle eine Schallfeldimpedanz künstlich erzwungen, welche an den Wellenwiderstand des Storschallkanales derart angepaßt ist, daß sich innerhalb des Storschallkanales die gewünschte Beeinflussung des Storschalles einstellt Bei dieser Beeinflussung handelt es sich z B um eine Totalreflexion des Storschalls an einer sogenannten Anpassungsstelle im Storschallkanal, so daß sich hinter der Anpassungsstelle kein Storschall mehr ausbreitet In einem anderen Fall wird ein Sollwert der Schallfeldimpedanz derart eingestellt, daß der Storschall die Anpassungsstelle vollkommen ungedämpft passiert Falls erforderlich, wird der Sollwert der Schallfeldimpe- danz derart eingestellt, daß der Storschall an der Anpassungsstelle teilweise reflektiert und teilweise durchgelassen wird, so daß sich der Storschall hinter der Anpassungsstelle mit einer kleineren Schallamphtude ausbreitet Die Einstellung des Sollwertes kann abhangig von bestimmten Frequenzen des Storschalles sein Mit Hilfe der variablen Einstellung der Schallfeldimpedanz entsteht also eine künstliche Gerauschgestaltung (Sound-Design), indem die Schalldampfung durch Auswahl einer gewünschten Schallfeldimpedanz bewußt beeinflußt werden kann Somit können mit Hilfe des aktiven Schalldampfers von ein- und derselben Storschallquelle wunschgemäß unterschiedliche Klangbilder erzeugt werden

Damit im Bereich der akustischen Kopplungsstelle durch vorherige Auswahl bzw Einstellung des Sollwertes die gewünschte Schallfeldimpedanz entsteht, ist eine Einrichtung vorgesehen, welche die Bewegung der beweglichen Wand bestimmt Dabei ist die Bewegungsfunktion der beweglichen Wand derart abgestimmt, daß sich im Bereich der akustischen Kopplungsstelle ein Istwert der Schallfeldimpedanz erzwungen wird, der mit dem eingestellten Sollwert dieser Schallfeldimpedanz möglichst genau übereinstimmt Die Auswahl und Einstellung des Sollwertes kann z B automatisch über eine externe Stellgroße (z B Betriebsbedingung des Motors) oder manuell mittels eines Schalters oder mehrerer Schalter, eines Drehknopfes oder dergleichen erfolgen Vorzugsweise ist das Einstellorgan zur Einstellung des Sollwertes Bestandteil einer Wah- leinheit, welche mit der vorgenannten Einrichtung gekoppelt ist Die einstellbaren Sollwerte sind auf die Schallfeldimpedanz im Bereich der akustischen Kopplungsstelle bezogen Dementsprechend ist die Bewegungsfunktion der beweglichen Wand abgestimmt Der Schalldampfer ermöglicht also mit Hilfe der beweglichen Wand bei einer Vielzahl von Frequenzen einen einstellbaren Reflexionsgrad der Storschallwellen im Bereich der akustischen Kopplungsstelle Die zeitliche Bewegungsfunktion der beweglichen Wand wird dabei nach Betrag und Phase derart bestimmt oder geregelt, daß für eine Frequenz oder eine Vielzahl von Frequenzen des Storschalls die Schallfeldimpedanz im Bereich der akustischen Kopplungsstelle je nach Bedarf mehr oder weniger stark an den Wellenwiderstand des Storschallkanales angepaßt ist

In einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist der Hohlkörper mit Hilfe der beweglichen Wand für eine Vielzahl von Frequenzen des Storschalls gewissermaßen als λ/4- Resonator wirksam Hierbei wird an der Hohlkorperoffnung eine minimale Schallfeldimpedanz eingestellt und der Hohlkörper weist in Bewegungsrichtung der beweglichen Wand im wesentlichen keine Änderungen seines Querschnittes auf Dieser Resonator ermöglicht eine besonders einfache Ubertragungsfunktion bzw einen einfachen Algorithmus zur Ansteuerung der beweglichen Wand Hierdurch laßt sich auch die Regelge- schwindigkeit der Ubertragungsfunktion bzw des Algorithmus vorteilhaft erhohen Außerdem ermöglicht dieser Hohlkörper einen konstruktionstechnisch einfachen Aufbau des Hohlkörpers

In einer bevorzugten Ausfuhrungsform verlauft die Bewegungsrichtung der beweglichen Wand quer zur Ausbreitungsrichtung des Storschalls Hierdurch laßt sich z B ein rohrformiger Hohlkörper mit seiner Hohlkorperoffnung fertigungstechnisch einfach mit einem Storschallkanal akustisch koppeln

Alternativ verlauft die Bewegungsrichtung der beweglichen Wand parallel zur Ausbreitungsrichtung des Storschalls, wodurch die bewegliche Wand innerhalb des Schalldampfers raumsparend angeordnet werden kann und quer zur Ausbreitungsrichtung kein zusätzlicher Raum berücksichtigt werden muß Dieser Vorteil kommt insbesondere dann zum Tragen, wenn es sich bei der beweglichen Wand um die Membran eines Lautsprechers handelt, welcher auf der Ruckseite der Membran und somit außerhalb des Hohlkörpers einen zusätzlichen Raumbedarf zu seiner Kapselung erfordert Außer- dem läßt sich eine in Ausbreitungsrichtung bewegliche Wand gut geschützt gegenüber der akustischen Kopplungsstelle positionieren, wenn dies z. B. aufgrund heißer Abgase im Storschallkanal erforderlich ist. Auf diese Weise ist der gegebenenfalls empfindliche Werkstoff der beweglichen Wand gegen einen vorzeitigen Verschleiß verbessert geschützt. Darüberhinaus besteht bei dieser Anordnung die Möglichkeit, einen Meßpunkt zur Messung eines im Bereich der akustischen Kopplungsstelle anstehenden Istwertes der Schallfeldimpedanz in der Ebene des Hohlkörper-Schallfeldes beliebig zu positionieren, ohne die Messung des Schalldrucks zu verfälschen. Dies ist zumindest bei tiefen Frequenzen, d. h. bei ebenen Schallwellen des Hohlkörper-Schallfeldes möglich. Hierdurch kann der Meßpunkt verhältnismäßig weit entfernt von der akustischen Kopplungsstelle positioniert werden, wodurch z.B. eine im Meßpunkt angeordnete Meßvorrichtung (z. B. Druckwandler; Mikrofon) zur Aufnahme des Schalldrucks vor heißen Abgasen im Storschallkanal verbessert geschützt ist.

Vorzugsweise ist die Einrichtung zur Regelung des Istwertes der Schallfeldimpedanz im Bereich der akustischen Kopplungsstelle Bestandteil eines Regelkreises, der eine Meßvorrichtung zur Messung des Schalldruckes p und/oder der Schallschnelle v aufweist. Mit Hilfe dieser Meßvorrichtung ist der Schalldruck p und/oder die Schallschnelle v im Bereich der akustischen Kopplungsstelle ermittelbar. Durch Regelung des Schalldruckes p und/oder der Schallschnelle v wird der Istwert der Schallfeldimpedanz auf den Sollwert abgestimmt. Hierbei ist dem Fachmann bekannt, daß sich die Schallfeldimpedanz durch Z = p/v ergibt. Auf diese Weise wird eine sehr kleine Schallfeldimpedanz an der akustischen Kopplungsstelle, beispielsweise durch ein Minimum des Schalldruckes p an der Hohlkörperöffnung, erzeugt. Eine sehr große Schallfeldimpedanz an der akustischen Kopplungsstelle wird beispielsweise durch eine minimale Schallschnelle v hervorgerufen. Das von der Meßvorrichtung an die Regeleinheit abgegebene Signal wird in der Regeleinheit mittels eines Algorithmus (z. B. LMS- Algorithmus) verarbeitet. Die Regeleinheit ist z.B. derart ausgelegt, daß im Bereich der akustischen Kopplungsstelle auf ein Minimum oder ein Maximum der Schallfeldimpedanz geregelt wird. Hierzu ist die bewegliche Wand an einen Ausgang der Regeleinheit angeschlossen. Mit Hilfe elektrischer Ausgangssignale der Regeleinheit wird die Wand angesteuert. Hierbei werden die elektrischen Ausgangssignale je nach technischer Ausführungsform der beweglichen Wand, z. B. in mechanische Antriebskräfte, umgewandelt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung handelt es sich bei der beweglichen Wand um einen elektromechanischen Wandler, insbesondere um die Membran eines Lautsprechers, z.B. eines elektrodynamischen Lautsprechers. Derartige Bauteile sind auf dem Markt vorkonfektioniert kostengünstig erhältlich und halten dadurch die Herstellungskosten des Schalldämpfers gering. Ebenso kostengünstig lassen sich derartige Bauteile erforderlichenfalls austauschen. Die bewegliche Wand kann ebenso aus mehreren elektromechanischen Wandlern oder mehreren Membranen von Lautsprechern aufgebaut sein.

Vorteilhaft ist zur Messung des Istwertes der Schallfeldimpedanz mindestens ein Schalldruckwandler oder ein Schalldrucksensor vorgesehen, welcher an einen Eingang der Regeleinheit angeschlossen ist. Der Ausgang dieser Regeleinheit ist an die bewegliche Wand angeschlossen und dient zu deren Bewegungsantrieb abhängig von den Signalen des Schalldruckwandlers und der in der Regeleinheit enthaltenen Übertragungsfunktion. Zur Messung des Istwertes der Schallfeldimpedanz kann die Meßvorrichtung auch mindestens einen Schallschnellewandler aufweisen. Der mindestens eine Schallschnellewandler ist entweder in Kombination mit dem mindestens einen Schalldruckwandler oder alleine wirksam. Durch entsprechende Orientierung des Schallschnellewandlers kann eine räumliche Ausrichtung der Schallfeldimpedanz vorgenommen werden, wodurch die Dämpfungswirkung ebenfalls beeinflußt werden kann.

Vorteilhaft ist der Schalldruckwandler durch ein handelsübliches Bauteil, z. B. durch einen elektromechanischen Wandler, insbesondere durch ein Mikrofon, kostengünstig realisiert. Vorteilhaft wird der Schallschnellewandler durch zwei voneinander beabstan- dete Schalldruckwandler realisiert. Die Meßvorrichtung bzw. die verwendeten Wandler müssen nicht notwendigerweise im Meßpunkt selbst positioniert sein. Vielmehr ist es auch denkbar, die Wandler vom Meßpunkt entfernt zu positionieren. So wird beispiels- weise der Schalldruckwandler vom Meßpunkt entfernt positioniert und durch eine Sonde, z B eine Rohrsonde, mit dem Meßpunkt verbunden Diese Sonde ist vorzugsweise durch eine bewegliche Wand des Hohlkörpers hindurchgefuhrt Durch diese vom Meßpunkt entfernte Positionierung ist die Meßvorrichtung vor heißen Abgasen oder anderen schädlichen Einflüssen zusätzlich geschützt

In einer bevorzugten Ausfuhrungsform hegt der Meßpunkt der Meßvorrichtung auf einer Knotenhnie einer höheren Mode des Hohlkorper-Schallfeldes im Bereich der akustischen Kopplungsstelle Dies sei anhand der Druckknotenhnie des Schalldruckes erläutert Auf der Druckknotenlinie ist der Schalldruck des unebenen Wellenfeldes dieser höheren Mode, die sich im Hohlkörper des Hohlkörpers ausbildet, Null Analog ist die Schallschnelle auf der entsprechenden Schallschnelle-Knotenhnie Null Die vorgenannte Positionierung des Meßpunktes ist deshalb eine einfache Maßnahme um auch bei höheren Frequenzen nur die entsprechende Feldgroße des interessierenden ebenen Schallfeldes (= Grundmode) zu messen Auf diese Weise werden fehlerhaft vorgetauschte Meßsignale und hierdurch verursachte fehlerhafte Bewegungsabläufe der beweglichen Wand vermieden

In einer vorteilhaften Ausgestaltung enthalt der Schalldampfer zwei Hohlkörper mit einem gemeinsamen Bereich einer akustischen Kopplungsstelle, wobei die beweglichen Wände der beiden Resonsatoren vorzugsweise einander gegenüberliegend angeordnet sind Hierdurch laßt sich der erforderliche Verschiebeweg einer einzigen beweglichen Wand auf zwei bewegliche Wände aufteilen Dadurch entsteht vorteilhaft eine Reduzierung der mechanischen und/oder elektrischen Leistung zur Ansteuerung der einzelnen beweglichen Wand

In einer bevorzugten Ausfuhrungsform schwingen die beiden beweglichen Wände der Hohlkörper gegenphasig zueinander Diese gegenphasigen Bewegungen der beiden beweglichen Wände werden vorteilhaft weiterhin durch eine einzige Regeleinheit erzeugt, welche zu diesem Zweck eine oder mehrere entsprechende Ubertragungsfunk- tionen bzw Algorithmen enthalt Im Falle einer Ausgestaltung der beweglichen Wände als Lautsprecher werden letztere z B durch Verpolen zueinander gegenphasig betrieben

Um den Schalldampfer materialsparend und kompakt herstellen zu können, enthalt er in einer vorteilhaften Ausgestaltung eine Kammer, welche von dem Storschallkanal durchquert wird Durch diese geometrische Anordnung entsteht außerhalb des Stor- schallkanals und innerhalb der Kammer ein Hohlraum, der als ein Hohlkörper oder mehrere Hohlkörper wirksam ist, wenn der Storschallkanal innerhalb der Kammer mit diesem Hohlraum akustisch gekoppelt ist

Der raumsparende Aufbau eines eine Kammer enthaltenden Schalldampfers wird vorteilhaft unterstutzt, wenn beide Stirnseiten der Kammer in Ausbreitungsrichtung des Storschalles einander gegenüberliegen und mindestens eine der beiden Stirnseiten eine bewegliche Wand enthalt

Fuhrt der Storschallkanal heiße Abgase, so wird in einer bevorzugten Ausfuhrungsform des Schalldampfers ein zusätzlicher Schutz des Hohlkörpers bzw der Hohlkörper vor diesen heißen Abgasen dadurch erzielt, daß der Storschallkanal an der akustischen Kopplungsstelle perforiert ist bzw durch Perforationen die akustische Kopplungsstelle bildet Durch diese Maßnahme ist der Storschallkanal akustisch transparent und sorgt gleichzeitg dafür, daß die heißen Abgase im wesentlichen innerhalb des Storschallkanales verbleiben

Um den Schalldampfer montagefreundhch herstellen zu können, enthalt die Kammer in einer bevorzugten Ausfuhrungsform einen Eingang zum Anschluß eines Eingangsrohres und einen Kammerausgang zum Anschluß eines Ausgangsrohres Hierbei sind der Kammereingang und der Kammerausgang des Storschalls gegenüberliegend angeordnet Mindestens eines der beiden Rohre ragt in die Kammer hinein, wobei die beiden Rohre als Bestandteile des Storschallkanals mit Abstand zueinander angeordnet sind Dieser Abstand ist derart gewählt, daß er für eine akustische Kopplung mit dem Hohl- korper oder mit den Hohlkörpern geeignet ist und die im Bereich der akustischen Kopplungsstelle ankommenden Storschallwellen beeinflußt werden können

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ragen das Eingangsrohr und das Ausgangsrohr des Storschalls etwa gleich weit in die Kammer hinein Diese symmetrische Anordnung der beiden Rohre hat den Vorteil, daß auf montageaufwendige Abstutzmaßnahmen eines besonders weit in die Kammer hineinragenden Abschnittes des Storschallkanales verzichtet werden kann Vielmehr ist bei vielen Anwendungen dieses Schalldampfers eine einfache Abstutzung der beiden Rohre im Bereich des Kammereingangs bzw des Kammerausgangs selbst ausreichend

In einer vorteilhaften Ausfuhrungsform des Storschallkanals weist das Ausgangsrohr im Bereich der akustischen Kopplungsstelle einen größeren Rohrquerschnitt auf als das Eingangsrohr Mit Hilfe dieses größeren Querschnittes des Ausgangsrohres laßt sich die an der Übergangsstelle zwischen dem Eingangsrohr und dem Ausgangsrohr üblicherweise expandierende bzw sich aufweitende Abgasstromung gegenüber den Hohlkörpern gut isolieren und in Richtung einer Abgasmundung weiterleiten Auf diese Weise werden an der Übergangsstelle zwischen Eingangsrohr und Ausgangsrohr störende Gas- und Luftturbulenzen vermieden, so daß der Hohlkörper und dann enthaltene empfindliche Bauteile, wie z B der Schalldruckwandler, zusätzlich vor heißen Abgasen geschützt sind

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Schalldampfers ist die bewegliche Wand, insbesondere die Membran eines elektromechanischen Wandlers, etwa konzentrisch zum Storschallkanal angeordnet Für den Fall, daß der Storschallkanal ein Eingangsrohr und ein Ausgangsrohr enthalt, ist die vorgenannte konzentrische Anordnung der beweglichen Wand und zumindest eines der beiden Rohre vorgesehen Dabei durchsetzt der Storschallkanal bzw das Rohr gewissermaßen die bewegliche Wand Diese konzentrische Anordung unterstutzt eine kompakte und raumsparende Bauweise des Schalldampfers In einer bevorzugten Ausfuhrungsform des Schalldampfers werden die Knotenhnien der höheren Moden des Hohlkorper-Schallfeldes zur Positionierung des die Kammer durchquerenden Abschnittes des Storschallkanals oder zur Positionierung des Kammereingangs und/oder des Kammerausgangs bzw des Eingangsrohres und/oder des Ausgangsrohres herangezogen Dabei hegt der Kanalquerschnitt oder der Rohrquerschnitt, insbesondere der zentrale Bereich oder das Zentrum dieses Querschnittes, auf einer Knotenhnie einer höheren Mode als der Grundmode des Hohlkorper-Schallfeldes

Es sei darauf hingewiesen, daß für die Kammer und für den Storschallkanal sowie für das Eingangsrohr und das Ausgangsrohr sämtliche Bauformen denkbar sind Diese Bauteile müssen nicht notwendigerweise zylindrisch ausgebildet sein Vielmehr sind beispielsweise auch rechteckige, elliptische oder halbkreisförmige Querschnitte dieser Bauteile denkbar

Der Erfindungsgegenstand wird anhand der in den Figuren dargestellten Ausfuhrungs- beispiele naher erläutert Es zeigen

Fig 1 Der erfindungsgemaße Schalldampfer in einer ersten Ausfuhrungsform mit einem einzigen Hohlkörper,

Fig 2 eine zweite Ausfuhrungsform des erfindungsgemaßen Schalldampfers mit zwei Hohlkörpern,

Fig 3 ein vergrößerter Querschnitt der Kammer gemäß Schnittlinie lll-lll in Fig 1 mit einer Darstellung von höheren Moden des Hohlkorper-Schallfeldes

Der aktive Schalldampfer gern Fig 1 enthalt einen einzigen aktiv geregelten Hohlkörper 1 Der Hohlraum dieses Hohlkörpers 1 ist von dem Innenmantel einer im Querschnitt zylindrischen Kammer 2, dem Außenmantel eines Eingangsrohres 3 und durch die Membran eines Lautsprechers 4 begrenzt Die Membran des Lautsprechers 4 bildet eine bewegliche Wand des Hohlkörpers 1 und ist ebenso wie ein Kammereingang 5 zum Anschluß des Eingangsrohres 3 an einer Eingangsstirnseite 6 der Kammer 2 angeordnet Das Eingangsrohr 3 durchsetzt den Kammereingang 5 und ragt in Ausbrei- tungsπchtung 7 des Storschalls in die Kammer 2 hinein Die Mittellangsachse 8 des Eingangsrohres 3 verlauft parallel zur Ausbreitungsrichtung 7 Das Rohrende des Eingangsrohres 3 ist mit Axialabstand zu einer der Eingangsstirnseite 6 in Ausbreitungsrichtung 7 gegenüberliegenden Ausgangsstirnseite 9 der Kammer 2 angeordnet Die Ausgangsstirnseite 9 ist von einem Kammerausgang 10 durchsetzt, der mit dem Kammereingang 5 fluchtet An den Kammerausgang 10 ist ein Ausgangsrohr 1 1 angeschlossen, dessen Querschnitt mit dem Querschnitt des Eingangsrohres 3 identisch ist Außerdem weisen die beiden Rohre 3, 1 1 die gleiche Mittellangsachse 8 auf

Die beiden Rohre 3, 1 1 bilden im Bereich des Schalldampfers einen Abschnitt eines Storschallkanales, wobei das Eingangsrohr 3 über einen weiteren, hier nicht dargestellten Kanalabschnitt des Storschallkanals an eine Storschallquelle angeschlossen ist und das Ausgangsrohr 1 1 z B in dem Storschallkanal enthaltene heiße Abgase in Ausbreitungsrichtung 7 abfuhrt Der Axialabstand zwischen beiden Rohren 3, 1 1 dient der akustischen Kopplung mit dem Hohlkörper 1 im Bereich einer akustischen Kopplungsstelle 12 Im Bereich dieser akustischen Kopplungsstelle 12 ist eine Hohlkorperoffnung 21 des Hohlkörpers 1 angeordnet Der Querschnitt der Hohlkorperoffnung 21 ist in Fig 1 durch den axialen Abstand zwischen dem Eingangsrohr 3 und dem Kammerausgang 10 begrenzt Etwa im Bereich der akustischen Kopplungsstelle 12 und innerhalb des Storschallkanales ist die Anpassungsstelle 22 zur Beeinflussung (z B Totalreflexion, teilweise Bedampfung der Storschallamphtude) des sich in Ausbreitungsrichtung 7 ausbreitenden Storschalls angeordnet Diese Anpassungsstelle 22 befindet sich im Bereich des Rohrendes des Eingangsrohres 3, da dort der gesamte Storschall vorhanden ist

Mit Hilfe einer an die Regeleinheit 15 angeschlossenen Wahleinheit 23 wird ein Sollwert der Schallfeldimpedanz derart ausgewählt und eingestellt, daß die erforderliche Dampfungswirkung erzielt wird Auf diesen Sollwert wird mit Hilfe eines Schalldruckwandlers 14 in Form eines Mikrofons und der Regeleinheit 15 an der akustischen Kopplungsstelle 12 geregelt Sobald dieser Sollwert exakt oder naherungsweise an der akustischen Kopplungsstelle 12 als Istwert erreicht ist, wird der auf die Anpassungsstelle 22 auftreffende Storschall z B totalreflektiert Da der Schalldruckwandler 14 den an der Kopplungsstelle 12 anliegenden Schalldruck aufnimmt entsteht die vorgenannte Totalreflexion bei gemessenem Schalldruckminimum (= minimale Schallfeldimpedanz) Ist im Laufe der Betriebszeit nicht mehr eine Totalreflexion des Storschalles, sondern nur eine teilweise Bedampfung oder gar keine Bedampfung des Storschalles erwünscht, so wird an der Wahleinheit 23 ein entsprechender neuer Sollwert eingestellt, wodurch an der akustischen Kopplungsstelle 12 auf einen entsprechenden Istwert der Schallfeldimpedanz geregelt wird, mit dem an der akustischen Kopplungsstelle 12 die gewünschte Beeinflussung des Storschalles erzielt wird

Der Schalldruckwandler 14 ist in einem Meßpunkt 17 positioniert zur Aufnahme des Schalldruckes an der Kopplungsstelle 12 Der Schalldruckwandler 14, eine Regeleinheit 15 und der Lautsprecher 4 sind in Serie geschaltet und bilden eine Regelschleife 16 zur Regelung des Schalldrucks im Bereich der Kopplungsstelle 12 derart, daß sich an der Kopplungsstelle 12 z B ein Schalldruckminimum einstellt

Zwar ist bei der Ausfuhrungsform des Schalldampfers gemäß Fig 1 an den Eingang der Regeleinheit 15 nur eine einzige Meßvorπchtung, namhch der Schalldruckwandler 14, angeschlossen In einer weiteren, hier nicht dargestellten Ausfuhrungsform sind an den Eingang der Regeleinheit 15 jedoch mehrere Meßvorrichtungen zur Messung von Signalen im Bereich der akustischen Kopplungsstelle 12 angeschlossen Je nach eingestelltem Sollwert der Schallfeldimpedanz werden dann in der Regeleinheit 15 entweder nur ein einziges Meßsignal oder mehrere miteinander verknüpfte Meßsignale verarbeitet

Solange die Querabmessung des Hohlkörpers 1 klein zur Wellenlange ist, breiten sich im Hohlkörper 1 im wesentlichen ebene Schallwellen aus, so daß für die Positionierung des Meßpunktes 17 oder des Schalldruckwandlers 14 aus akustischer Sicht jeder Ort in einer parallel zur Schnittlinie lll-lll (vgl Fig 1 ) verlaufenden Austrittsebene des Hohlkörpers 1 im Bereich der Kopplungsstelle 12 geeignet ist Im Falle eines Hmdurchleitens von heißen Abgasen durch das Eingangsrohr 3, z B bei Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen, kann der Schalldruckwandler 14 deshalb quer zur Ausbreitungsrichtung 7 vom heißen Abgas entfernt positioniert werden, ohne daß hierbei der Regelkreis bzw die Regelschleife 16 beeinträchtigt wird Die Regelschleife 16 sorgt also weiterhin für den gewünschten Wert der Schallfeldimpedanz im Bereich der Kopplungsstelle 12

Fuhren die Rohre 3, 1 1 heiße Abgase, so kann ein zusätzlicher Schutz des Hohlkörpers 1 vor den heißen Abgasen dadurch erreicht werden, daß das Eingangsrohr 3 nicht - wie in Fig 1 dargestellt - mit Axialabstand zum Kammerausgang 10 angeordnet ist, sondern sich bis zum Kammerausgang 10 erstreckt und im Bereich der Kopplungsstelle 12 perforiert ist, insbesondere mit hoher Porosität zur Verbesserung der akustischen Durchlässigkeit Mit dieser Perforierung ist das Eingangsrohr 3 akustisch transparent und schützt gleichzeitig den Hohlkörper 1 und den Schalldruckwandler 14 vor den heißen Abgasen, welche im wesentlichen innerhalb des Eingangsrohres 3 und des daran sich anschließenden, aus der Kammer 2 herausragenden Ausgangsrohres 11 , verbleiben

In einer weiteren, hier nicht dargestellten Ausfuhrungsform erfolgt die Schalldruckmessung an der Koppiungsstelle 12 ohne Einschränkung der Funktion der Regelschleife 16 derart, daß zwar der Meßpunkt 17 weiterhin im Bereich der Kopplungsstelle 12 positioniert ist, der Schalldruckwandler 14 selbst aber vom Meßpunkt 17 beabstandet positioniert ist und mit dem Meßpunkt 17 über eine Sonde verbunden ist Hierbei ist der Schalldruckwandler z B als ein Sondenmikrofon ausgebildet

Der aktive Schalldampfer gemäß Fig 2 enthalt zwei Hohlkörper 1 ' mit jeweils einer Hohlkorperoffnung 21 ' Hierbei laßt sich der erforderliche Verschiebeweg der Membran des Lautsprechers 4 gemäß Fig 1 auf die beiden Membranen der Lautsprecher 4' gemäß Fig 2 aufteilen Dadurch entsteht vorteilhaft eine Leistungsreduzierung des einzelnen Lautsprechers 4' Der Schalldampfer enthalt bezüglich einer quer zur Ausbreitungsrichtung 7 oder zur Bewegungsrichtung 13 verlaufenden Symmetrieebene gewissermaßen zwei symmetrisch angeordnete Hohlkörper 1 ' Hierzu ragen die beiden Rohre 3, 1 1 in Ausbreitungsrichtung 7 etwa gleich weit in die Kammer 2' hinein Im Bereich einer gemeinsamen akustischen Kopplungsstelle 12' der beiden Hohlkörper 1 ' sind die beiden Rohre 3, 1 1 zur akustischen Kopplung mit Axialabstand zueinander angeordnet Die mit einer Wahleinheit 23' verbundene Regeleinheit 15' ist ausgangsseitig an beide Lautsprecher 4' angeschlossen, wobei die in der Regeleinheit 15' enthaltenen Ubertra- gungsfunktionen bzw Algorithmen an den erforderlichen Betrieb der Lautsprecher 4 angepaßt sind Die Regeleinheit 15' regelt z B den Bereich der Hohlkorperoffnun- gen 21 ' bzw die akustische Kopplungsstelle 12' auf Schalldruckminimum, wenn an der Wahleinheit 23' ein derartiger Sollwert eingestellt wird, daß sich an der akustischen Kopplungsstelle 12' die Schallfeldimpedanz Z ~ 0 einstellen soll

In einer bevorzugten Ausfuhrungsform werden die beiden Lautsprecher 4' z B durch Verpolen zueinander gegenphasig betrieben

Treten im Hohlkörper 1 ,1 ' Frequenzen oberhalb des Bereichs ebener Schallwellen auf, so entstehen im Schallfeld des Hohlkörpers 1 , 1 ' - abhangig von der Querschnittsform der Kammer 2,2' - Druckknotenlinien höherer Moden als der Grundmode Auf diesen Druckknotenhnien ist der Schalldruck der höheren Moden immer Null In einer bevorzugten Ausfuhrungsform des aktiven Schalldampfers hegt deshalb zumindest der Meßpunkt 17 auf einer Druckknotenhnie einer höheren Mode Auch das Querschnittszen- trum des Storschallkanales oder des Kammereingangs 5 und/oder des Kammerausgangs 10 bzw des Eingangsrohres 3,3' und/oder des Ausgangsrohres 1 1 , 1 1 ' können auf einer Druckknotenhnie einer höheren Mode hegen Die vorgenannte Positionierung des Meßpunktes 17 und gegebenenfalls des Kammereingangs 5 oder des Kammerausgangs 10 oder der Rohre 3, 3', 1 1 , 1 1 ' ermöglicht es daß bei der Schalldruckmessung an der akustischen Kopplungsstelle 12, 12' ohne aufwendige Kompensationsmaßnahmen (z B zusätzliche Algorithmen in der Regeleinheit 15,15') eine unerwünschte Messung des Schalldruckes der höheren Mode vermieden wird

So hegt z B in Fig 3 der Meßpunkt 17 auf der Druckknotenhnie 18 der ersten Radial- mode und gleichzeitig auf einer ersten Druckknotenhnie 19 der zweiten Umfangsmode Die radialen Zentren des Eingangsrohres 3 und des Ausgangsrohres 1 1 hegen etwa im Schnittpunkt von Druckknotenhnie 18 und erster Druckknotenhnie 19 der zweiten Um- fangsmode. Eine zweite Druckknotenhnie 20 der zweiten Umfangsmode ist in Fig. 3 ebenfalls dargestellt. Je nach Querschnittsform der Kammer 2,2' - z. B. kreisrund wie in Fig. 3 oder rechteckig - können der Meßpunkt 17 und/oder das Zentrum des Eingangsrohres 3 und/oder das Zentrum des Ausgangsrohres 11 bzw. das Zentrum des Kammereingangs 5 und/oder das Zentrum des Kammerausgangs 10 auf unterschiedlichen Druckknotenlinien einer höheren Mode liegen.

Bezugszeichenliste

,1 ' Hohlkörper ,2' Kammer ,3' Eingangsrohr ,4' Lautsprecher

Kammereingang

Eingangsstirnseite

Ausbreitungsrichtung

Mittellängsachse

Ausgangsstirnseite 0 Kammerausgang 1 , 1 1 ' Ausgangsrohr ,12' akustische Kopplungsstelle

Bewegungsrichtung

Schalldruckwandler , 15' Regeleinheit , 16' Regelschleife

Meßpunkt

Druckknotenhnie der ersten Radialmode erste Druckknotenlinie der zweiten Umfangsmode zweite Druckknotenhnie der zweiten Umfangsmode ,21 ' Hohlkörperöffnung

Anpassungsstelle ,23' Wähleinheit

Claims

Anspruche

Aktiver Schalldampfer mit mindestens einem Hohlkörper (1 , 1 '), der mindestens eine bewegliche Wand (4) aufweist und über eine Hohlkorperoffnung (21 ,21 ') mit einem zur Fuhrung von Storschall geeigneten Storschallkanal (3, 1 1 ,3', 1 1 ') akustisch gekoppelt ist, wobei eine Einrichtung (15,15') vorgesehen ist, welche

- einen einstellbaren Sollwert mit einem im Bereich der akustischen Kopplungsstelle (12,12') anstehenden Istwert einer Schallfeldimpedanz vergleicht und

- zur Regelung des Istwertes auf den Sollwert die Bewegung der beweglichen Wand (4,4') bestimmt

Schalldampfer nach Anspruch 1 , wobei die Bewegungsrichtung (13) der beweglichen Wand (4,4') quer zur Ausbreitungsrichtung (7) des Storschalls verlauft

Schalldampfer nach Anspruch 1 , wobei die Bewegungsrichtung (13) der beweglichen Wand (4,4') parallel zur Ausbreitungsrichtung (7) des Storschalls verlauft

Schalldampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die bewegliche Wand (4,4') als mindestens ein elektromechanischer Wandler ausgebildet ist

Schalldampfer nach Anspruch 4, bei dem der elektromechanische Wandler ein elektrodynamischer Lautsprecher (4,4') ist

Schalldampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung zur Regelung des Istwertes der Schallfeldimpedanz eine Regeleinheit (15,15') mit mindestens einem Eingang aufweist, an dem eine Meßvorrichtung (14) angeschlossen ist zur Messung des Istwertes der Schallfeldimpedanz im Bereich der akustischen Kopplungsstelle (12, 12')

Schalldampfer nach Anspruch 6, wobei die Regeleinheit (15, 15') mindestens einen Ausgang aufweist, an dem eine bewegliche Wand (4,4') angeschlossen ist Schalldampfer nach Anspruch 6, wobei die Meßvorrichtung mindestens einen Schalldruckwandler (14) und/oder mindestens einen Schallschnellewandler aufweist

Schalldampfer nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der Meßpunkt (17) der Meßvorrichtung (14) auf einer Knotenlinie (18, 19,20) einer höheren Mode als der Grundmode des Hohlkorper-Schallfeldes hegt

Schalldampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sollwert mittels einer Wahleinheit (23,23') eingestellt wird welche den eingestellten Sollwert an die Einrichtung zur Regelung des Istwertes insbesondere an die Regeleinheit (15,15') abgibt

Schalldampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit zwei Hohlkörpern (1 ') und einer gemeinsamen akustischen Kopplungsstelle (12'), wobei die beweglichen Wände (4') der beiden Hohlkörper (1 ') einander gegenüberliegend angeordnet sind

Schalldampfer nach Anspruch 1 1 , wobei die beweglichen Wände (4) der beiden Hohlkörper (1 ') gegenphasig zueinander schwingen

Schalldampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer den Storschallkanal (3, 1 1 , 3', 1 1 ') aufnehmenden Kammer (2,2'), wobei ein außerhalb des Storschallkanals (3, 1 1 ,3' 1 1 ') und innerhalb der Kammer (2,2') einhegender Bereich den Hohlkörper (1 ) oder die Hohlkörper (1 ') bildet und wobei der Storschallkanal (3, 1 1 ,3', 1 1 ') innerhalb der Kammer (2,2') mit dem Hohlkörper (1 ) oder den Hohlkörpern (1 ') über eine akustische Kopplungsstelle (12, 12') gekoppelt ist

14. Schalldämpfer nach Anspruch 13, wobei der Storschallkanal (3, 11 ;3', 1 1 ') die Kammer (2,2') durchquert.

15. Schalldämpfer nach Anspruch 13 oder 14, bei dem mindestens eine der beiden in Ausbreitungsrichtung (7) gegenüberliegenden Stirnseiten (6, 9) der Kammer (2,2') wenigstens eine bewegliche Wand (4,4') enthält.

16. Schalldämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Storschallkanal (3, 1 1 ;3',1 ') an der akustischen Kopplungsstelle (12,12') perforiert ist.

17. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem

- die Kammer (2,2') von einem Kammereingang (5) zum Anschluß eines Eingangsrohres (3,3') und von einem Kammerausgang (10) zum Anschluß eines Ausgangsrohres (1 1 , 1 1 ') durchsetzt ist,

- mindestens eines der beiden Rohre (3, 1 1 ;3', 1 1 ') in die Kammer (2,2') hineinragt und

- die beiden Rohre (3, 1 1 ;3', 1 1 ') als Bestandteile des Storschallkanals zur akustischen Kopplung in Ausbreitungsrichtung (7) mit Abstand zueinander angeordnet sind.

18. Schalldämpfer nach Anspruch 17, bei dem die beiden Rohre (3', 1 1 ') in Ausbreitungsrichtung (7) etwa gleich weit in die Kammer (2') hineinragen.

19. Schalldämpfer nach Anspruch 17 oder 18, bei dem im Bereich der akustischen Kopplungsstelle (12,12') das Ausgangsrohr (1 1 , 1 1 ') einen größeren Rohrquerschnitt aufweist als das Eingangsrohr (3,3').

20. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 13 bis 19, mit einer Kammer (2,2'), deren Querschnitt in Ausbreitungsrichtung (7) konstant ist.

21. Schalldämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die bewegliche Wand (4,4') etwa konzentrisch zum Storschallkanal oder zum Eingangsrohr (3,3') und/oder zum Ausgangsrohr (1 1 , 1 1 ') angeordnet ist.

22. Schalldämpfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem

- das Zentrum (8) des Storschallkanals oder

- das Zentrum (8) des Eingangsrohres (3,3') und/oder des Ausgangsrohres (1 1 ,1 1 ') auf einer Knotenlinie (18, 19,20) einer höheren Mode als der Grundmode des Hohlkorper-Schallfeldes liegt.