Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur aktiven Geräuschunterdrückung einer lärmabstrahlenden Fläche gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
In dem Dokument Charette et al, 'Active Control of Sound Radiation from a Plate Using a Polyvinylidene Fluoride Volume Displacement Sensor', JOURNAL OF THE ACCOUSTICAL SOCIETY OF AMERICA, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, New York, US, Bd. 103, Nr. 3, 1. März 1998 (1998-03-01), Seiten 1493 - 1503, XP000774830, ISSN: 0001-4966, wird eine Vorrichtung zur aktiven Geräuschunterdrückung beschrieben, bei der mehrere Sensoren in Form von PVDF-Folienstreifen auf einer lärmabstrahlenden Fläche angeordnet sind. Dabei sind die Folienstreifen senkrecht zueinander ausgerichtet, um Schwingungen über die Fläche achsenselektiv zu erfassen. Die Sensoren sind an einen piezoelektrischen Aktuatur gekoppelt, der von den Sensoren angesteuert wird.
In dem Dokument Varadan V V et al, 'Active Control of Sound Radiation from a Vibrating Structure', PROCEEDINGS OF THE ULTRASONICS SYMPOSIUM; LAKE BUENA VISTA, Dec. 8 - 11, 1991, New York, IEEE, US, Bd. 2, 8. Dezember 1991 (1991-12-08), Seiten 991 - 994, XP000393517, wird eine Vorrichtung zur aktiven Steuerung der Geräuschabstrahlung einer Struktur beschrieben, bei der mehrere piezoelektrische Sensoren und Aktuatoren auf einer Platte angeordnet sind. Im Betrieb werden die Signale von zwei nebeneinander liegenden Sensoren addiert.
Das US-Patent Nr. 5,415,522 zeigt eine aktive Geräuschsteuerung mit Schallquellen zur Erzeugung eines Sekundärfeldes. Ein lärmabstrahlendes Element wird durch Klammern über einen inneren Wandabschnitt gehalten.
Ein weiteres System zur Reduktion der Schallabstrahlung einer ebenen Fläche wird beispielsweise von M.E. Johnson und S.J. Elliott in Journal of Acoustic Society of America, 98 (4), Oct. 1995 unter dem Titel "Active Control of Sound Radiation Using Volume Velocity Cancellation" beschrieben.Hierbei kommt ein Schnellesensor zur Anwendung, der sich ebenso wie der Aktuator über die gesamte Fläche erstreckt und nur ungeradzählige Schwingungsmoden, insbesondere die Grundmode (1,1) erfasst und diesen Schwingungen mittels des Aktuators entgegenwirkt. Schwingt die lärmabstrahlende Fläche mit höheren Schwingungsmoden, bei denen auch nur eine Komponente geradzahlig ist, also z.B. (1,2)-, (2,3)-, usw.-Moden, so liefert ein derartiger flächenintegrierender Sensor kein Ausgangssignal mehr, da die Integration über alle Schwingungsberge und ―täler das Summensignal 0 ergibt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass sich bei steigender Anregungsfrequenz einer schwingenden Platte auch der Abstrahlungsgrad von solchen Schwingungsmoden erhöht, welche zumindest eine ungeradzahlige Komponente aufweisen, z.B. (1,2)-, (1,3)-, (2,3)-, (3,3)-,... usw. -Moden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur aktiven Geräuschunterdrückung zu schaffen, mittels welcher Schwingungsmoden mit zumindest einer ungeradzahligen Komponente erfasst und unterdrückt werden können.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung zur aktiven Geräuschunterdrückung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung verwendet zum Beispiel achsenselektiv integrierende Schnellesensoren, welche im einfachsten Fall aus streifenförmigen Piezofolien hergestellt sind. Sobald längs einer Achse einer mit einem derartigen Sensor belegten Fläche eine Schwingungsmode mit einer ungeradzahligen Komponente auftrifft, ist das Summensignal an diesem Sensor nicht mehr 0, so dass ein entsprechend angesteuerter Aktuator dieser Schwingungsmode entgegenwirken kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung sind auf einer Platte 1, die beispielsweise ein Struktur- oder Karosserieteil sein kann und die durch eine Störquelle 2, z.B. ein Verbrennungsmotor, zu Schwingungen angeregt wird, zwei piezoelektrische Folien 3 und 4 übereinander aufgebracht. Die piezoelektrischen Folien 3 und 4 bestehen beispielsweise aus gerecktem PVDF, welche aufgrund ihres Herstellungsprozesses unidirektionale piezoelektrische Eigenschaften haben. Die beiden Folien 3 und 4 sind so übereinander angeordnet, dass ihre durch Pfeile dargestellten piezoelektrischen Vorzugsrichtungen in der Plattenebene senkrecht zueinander orientiert sind. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist somit die Folie 3 für Auslenkungen der Plattenoberfläche in x-Richtung empfindlich und die Folie 4 für Auslenkungen in y-Richtung.
Die durch die Folien 3 und 4 erzeugten Spannungssignale werden einem Regler 5 zugeführt, der die Signale nach bekannten Verfahren verarbeitet und einen Aktuator 6 ansteuert. Der Aktuator 6 kann entweder punkt- oder flächenförmig auf die Platte 1 einwirken und zwar derart, dass schwingungsbedingten Auslenkungen der Platte entgegengewirkt wird. Für eine sogenannte "Feed Forward"-Regelung können auch die Schwingungssignale der Störquelle 2 erfasst und dem Regler zugeführt werden.
Aufgrund der achsenselektiven integrierenden Wirkung der beiden Folien 3 und 4 wird nicht nur die Grundmode der schwingenden Platte erfasst sondern auch solche Moden, die entweder in der x- oder y-Richtung eine ungerade Modenzahl aufweisen. Nur bei geraden Modenzahlen ist in der jeweiligen Richtung das Summensignal auf der dieser Richtung zugeordneten Folie 0.
Anstelle von großflächigen, gereckten PVDF-Folien können die achsenselektiv integrierenden Schnellesensoren auch aus streifenförmigen Folien gemäß Fig. 2 hergestellt sein. Dies hat den Vorteil, daß auch stark gekrümmte Flächen problemlos belegt werden können. Hierzu sind auf einer Platte 21 zwei Schichten von piezoelektrischen Folienstreifen kreuzweise übereinander aufgeklebt, wobei die Folienstreifen 23 der ersten Schicht die Schnelle in x-Richtung erfassen und integrieren und die darüberliegenden Streifen 24 der zweiten Schicht der y-Richtung zugeordnet sind. Die Streifen 23 bzw. 24 jeweils einer Schicht sind untereinander elektrisch verbunden, so daß an den jeweiligen Ausgangsleitungen das Summensignal aller piezoelektrischer Streifen einer Schicht anliegt.
Bei dem im Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Schnelle einer Platte 31 punktförmig mittels einzelner Sensoren 32 erfaßt, welche matrixförmig über die Oberfläche der Platte 31 verteilt sind. Hierzu eignen sich auf der Oberfläche der Platte 31 aufgeklebte Beschleunigungssensoren, welche zeilen- und spaltenweise untereinander elektrisch verbunden sind. Die Sensoren der oberen Zeile liefern dann beispielsweise ein erstes Summensignal S1x, die der zweiten Zeile das Signal S2x usw; entsprechend liefern die Sensoren der linken Spalte das Summensignal S1y, die der nächsten Spalte das Summensignal S2y usw. Da sich lokale Schnellewerte mit unterschiedlichen Vorzeichen im Summensignal gegenseitig aufheben bzw. nur als Differenzwert in Erscheinung treten, liefert das über alle Zeilen bzw. Spalten zusammengefaßte Summensignal Sx bzw Sy jeweils eine Aussage darüber, ob auf der Platte Schwingungsmoden aufgetreten sind, die insgesamt eine lärmabstrahlende Wirkung haben. Der Zeilen- bzw. Spaltenabstand des aus den Beschleunigungssensoren 32 aufgebauten Meßgitters muß an die Struktur und an den Frequenzbereich angepaßt werden, in dem Schallreduktion erwünscht ist. Um möglichst hohe Modenordnungen aufzulösen, sollte der Abstand d kleiner als ein Viertel der Strukturwellenlänge λ der höchsten Mode betragen. Anstelle von Beschleunigungssensoren können auch entsprechend kleindimensionierte Dehnmeßstreifen, Piezokeramiken oder Piezofolien verwendet werden.
Das in den Figuren 4 a und b gezeigte Ausführungsbeispiel besteht aus einzelnen Vorsatzelementen 42, die auf einer Platte 41 möglichst flächendeckend angeordnet sind. Jedes Vorsatzelement besteht gemäß Fig. 4b aus einer harten Schale 42.1, welche mit Seitenwänden 42.2 versehen ist, die ihrerseits auf der Platte 41 aufliegen und zusammen mit der Schale 42.1 einen Hohlraum 43 bilden. Die Schale 42.1 ist entsprechend den Ausführungsbeispielen gemäß Figuren 1, 2 oder 3 mit achsenselektiven Schnellesensoren 44 bzw. 45 belegt, deren Signale einer Regelung 46 zugeführt werden. Diese steuert einen Aktuator 47, der zentral auf die Schale 42.1 einwirkt.
Derartige Vorsatzelemente eignen sich zur Geräuschunterdrückung insbesondere von komplex schallabstrahlenden Strukturen, bei denen das Schwingungs- und Abstrahlverhalten nur schwer bestimmt werden kann. In diesen Fällen werden die gezeigten Vorsatzelemente durch die Schwingungen und den abgestrahlten Schall der eigentlich schwingenden Struktur (Platte 41) ihrerseits angeregt. Das in den Vorsatzelementen integrierte aktive System reduziert deren Lärmabstrahlung und somit die Schallabstrahlung der Struktur selbst.