[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Schallreduzierung
nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 11.
[0002] 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.
[0003] 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.
[0004] Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und Vorrichtung zur aktiven Schallreduzierung
mit einer möglichst kleinen Baugröße zu schaffen.
[0005] Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Anspruch 1 sowie einer Vorrichtung nach
Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen sind Gegenstände weiterer Ansprüche.
[0006] 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.
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] Unabhängig von einer Schallreduzierung kann das Verfahren auch ganz allgemein zur
Erzeugung eines vorbestimmten Schallspektrums verwendet werden (Sounddesign).
[0010] 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.
[0011] 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).
[0012] 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.
[0013] 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.
[0014] 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
o). 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.
[0015] 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.
[0016] Ein weiteres Einsatzfeld für das angegebene Verfahren stellt die Reduzierung der
Fahrtgeräusche bei Fahrzeugen, insbesondere Schienenfahrzeugen dar.
[0017] In ICE-Zügen erzeugt der Fahrtwind insbesondere an den Stromabnehmem 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.
[0018] 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.
[0019] 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.
[0020] 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.
[0021] In einer weiteren Variante können die beiden Ströme auch nebeneinander und z.B parallel
geführt werden.
[0022] Der Aktuator kann alternativ auch mit Zapfluft aus einem vorhandenen Turbolader versorgt
werden.
[0023] 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.
[0024] 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.
[0025] Abhängig vom Ansteuersignal kann mit dem beschriebenen Aktuator ein frei wählbares
Schallfrequenzspektrum in dem ersten Volumenstrom 10 erzeugt werden.
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 gekennzeichnet, 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.