Bericht aus der Professur für Mechatronik / Helmut-Schmidt-Universität, Professur für Mechatronik

Die Aufgabensammlung ist ursprünglich an der TU Braunschweig von Dr. Hecker zusammengestellt worden. Mitarbeiter der Professur für Mechatronik der Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg haben die Sammlung überarbeitet, aktualisiert und erweitert. Die Zeichnungen erstellten Herr Bauer und Frau Frank vom Medienzentrum der HSU.

In vielen technischen Anwendungen werden durch Maschinen, Propeller oder andere Lärmquellen akustische Wellenfelder im niederen Frequenzbereich (unter 500 Hz) erzeugt. Der meist stationäre und harmonische Störschall wird dabei oft über eine begrenzte Anzahl von Transmissionswegen durch Körper- oder Luftschwingungen in einen Raum übertragen. Aufgrund von Komfort oder Arbeitsschutzbestimmungen kann der Einsatz von Systemen zur aktiven Lärmreduktion notwendig sein. Sie haben gegenüber den passiven Mitteln einen Vorteil, wenn Platzangebot und Gewicht limitierende Faktoren für die Einrüstung von Gegenmaßnahmen sind. Aktive Systeme bestehen in der Regel aus Aktuatoren und Sensoren, die an einen Regler gekoppelt sind. Dieser steuert die Aktuatoren so an, dass eine mit den Sensoren detektierte Fehlergröße minimiert wird. --- Die globale Reduktion von Lärm ist nur durch die Minimierung der abgestrahlten Wirkleistung aller im Raum befindlichen Schallquellen zu erreichen. Bei kommerziellen Systemen für die aktive Lärmbekämpfung wird der an Fehlersensoren gemessene Schalldruck minimiert. Anstatt die Ursache zu bekämpfen, wird die lokale Wirkung der Lärmquelle reduziert. Weiterhin ist bekannt, dass die abgestrahlte Gesamtwirkleistung eines Quellenpaares genau dann minimal wird, wenn die Quellen gleich- oder gegenphasig zueinander schwingen und eine davon keine Wirkleistung abstrahlt. In dieser Arbeit wird erstmals ein funktionsfähiges System vorgestellt, welches dieses Phänomen nutzt, um die abgestrahlte Schallleistung einer Lärmquelle zu reduzieren. Der adaptive Regler und die notwendige Systemkalibrierung werden beschrieben. Das einkanalige System, bestehend aus Beschleunigungsaufnehmer, Mikrofon und Lautsprecher, wird auf Kolbenstrahler mit harmonischer Anregung angewendet. Die Funktionsfähigkeit des innovativen Regelalgorithmus und der Systemkalibrierung werden dabei nachgewiesen. Bei Verwendung eines Lautsprechers mit einer Membranfläche von 0,01 m2, um die tonale Schallabstrahlung in einen Raum (400 m3) durch eine 4,8 m2 große Struktur zu verhindern, wird eine durchschnittliche globale Lärmpegelreduktion von 8 dB gemessen. Das neu entwickelte System ist sowohl in Innenräumen als auch im Freien verwendbar. Dabei ist im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden keine erneute Systemkalibrierung notwendig. Es muss aber eine Phasenreferenz für die multifrequenten und stationären Störschallquellen vorhanden sein. Besonders bei Lärm, der verursacht wird durch konphas schwingende Oberflächen, kann eine deutlich spürbare Absenkung der Schalldruckpegel erreicht werden.

Die Identifikation von Lärmquellen in der Flugzeugkabine ist insbesondere bei tiefen Frequenzen schwierig, da das sich ausbildende stehende Schallfeld keinen direkten Rückschluss auf Schallquellen zulässt. In der Arbeit wird ein neuer Ansatz zur Rekonstruktion von Schalldruck und Schallschnelle auf dem Kabinenrand vorgestellt, der auf der inversen Finite-Elemente-Methode (IFEM) beruht. --- Dieses Vorgehen bedarf zunächst der Aufnahme von Messwerten im Kabineninneren. In einem zweiten Schritt werden diese den Knoten eines akustischen Finite-Elemente-Modells zugeordnet. Befinden sich alle Schallquellen auf dem Kabinenrand, kann das aus dem numerischen Modell resultierende Gleichungssystem umsortiert werden, und zwar derart, dass mit Hilfe von Regularisierungsverfahren und einer Energienorm die Berechnung der unbekannten Randlasten auch bei Störung der Messwerte möglich wird. --- Zunächst wird die zweidimensionale Umsetzung der IFEM zur Schallquellenortung be-schrieben. Nach der numerischen Verifikation erfolgt die Validierung des Verfahrens unter Laborbedingungen an einem einfachen 2D-Modell. --- Anschließend wird die IFEM in einer Flugzeugkabine angewendet. Dies beinhaltet zunächst die Erstellung eines dreidimensionalen akustischen Modells. Anschließend erfolgt der Nachweis der Funktionsfähigkeit in zwei Messkampagnen – zuerst in der leeren Flug-zeugkabine, dann in der bestuhlten Kabine, wobei das Schallfeld mit verschiedenen internen Quellen angeregt wird. Abschließend wird die Intensitätsverteilung am Kabinenrand bei ex-terner Anregung bestimmt.

Durch die Ansprüche an Komfort und Arbeitsschutz sind Schalldämmmaßnahmen ein wichtiger Bestandteil jedes technischen Systems. Die Technologie der aktiven Schallreduktion kommt hierfür zunehmend zum Einsatz. Sie basiert auf dem Prinzip der Interferenz des Störschallfelds mit einem Sekundärschallfeld. Ein Anwendungsbeispiel ist das aktive System im Lademeisterbereich des Airbus A400M. --- Dieses System besteht aus 8 Lautsprechern und 16 Fehlermikrofonen. Deren Positionen sind konstruktiv an der Kabinenwand und –decke festgelegt, eine Optimierung der Positionen ist nicht möglich. Durch Änderung der Temperatur, der Schwankung der elektroakustischen Komponenten und anderen Einflüssen resultieren große Unsicherheiten in der Regelstrecke. Ziel ist es, eine robuste Schallpegelreduktion am Kopf des Lademeisters zu erreichen.--- Zur Lösung des Problems werden Parameter in Form von Gewichtungsmatrizen in den Regelalgorithmus eingeführt. Für den Entwurf dieser Gewichtungsmatrizen wird ein neues Verfahren entwickelt, welches die gemessenen Unsicherheiten berücksichtigt. Hierzu werden für die Regelstabilität und -qualität Gütemaße formuliert. Diese erfassen die Reglergüte. Anschließend wird diese mit einem genetischen Algorithmus optimiert.--- Die Methodik wird in einem Mock-up des Lademeisterbereichs des Airbus A400M angewendet. In Experimenten wird gezeigt, dass die robuste Schallpegelreduktion dabei um bis zu 7 dB gesteigert wird. Die vorgestellte Entwurfsmethodik löst das Problem allein über Reglerparameter, teures Umplatzieren von Lautsprechern und Mikrofonen entfällt. Dies erhöht die Schallpegelreduktion unter Einsatzbedingungen und senkt die Entwicklungskosten.