System zur aktiven Reduktion der Schallabstrahlung von Lärmquellen

Abstract

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.