BESCHREIBUNG Gesteuerter akustischer Wellenleiter zur Schalidämpfunct 1. Gegenstand der Erfindung Die Erfindung betrifft einen gesteuerten akustischen Wellenleiter zur Schalidämpfung nach Art einer langgestreckten Hohlkammer, der über eine Öffnung an seiner ersten Stirnseite mit einem schallführenden Kanal verbunden ist und dessen Längsresonanzen auf ein zu dämpfendes Schallspektrum abstimmbar sind, indem mittels eines Mikrofons, das sich unmittelbar vor der Membran mindestens eines Lautsprechers an der zweiten Stirnseite der Hohlkammer befindet, die Membranschwingungen erfaßt werden und das Mikrofonsignal mit einem Verstärker invertiert und in Abhängigkeit von einem den Schall im Kanal charakterisierenden Signal eines Sensors verstärkt an den Lautsprecher rückgekoppelt wird.

2. Stand der Technik Zur Dämpfung von tieffrequentem Lärm in Kanälen sind Schalidämpfer bekannt, bei denen die Längsresonanzen langgestreckter Hohlkammern, sogenannter akustischer Wellenleiter, ausgenutzt werden, z. B. nach DE 19612572, oder Lamancusa, J. S. : An actively tuned passive muffler system for engine silencing. Proceedings Noise-Con 87, 1987, S. 313-318. Diese Wellenleiter sind über eine stirnseitige Öffnung an den schallführenden Kanal angekoppelt und stehen entweder senkrecht vom Kanal ab oder schmiegen sich parallellaufend an diesen an. Insbesondere bei der ersten Längsresonanz, bei der die Kammeriänge einem Viertel der Wellenlänge der Resonanzfrequenz entspricht, werden schmalbandig hohe Dämpfungen erreicht. Diese Begrenzung des Frequenzbereiches ist jedoch problematisch, wenn entweder eine breitbandige Dämpfung gefordert ist oder sich das bei der Dimensionierung des Wellenleiters zugrunde gelegte Lärmspektrum ändert. Die notwendige Anpassung der Kammerlänge wird in Lamancusa zumindest stufenweise realisiert, indem von vornherein sehr lange Kammern mit Unterteilungen vorgesehen sind, die bei Bedarf geöffnet bzw. geschlossen werden können. Eine andere Möglichkeit, die nachteilige Schmalbandigkeit zu umgehen, ist die gleichzeitige Verwendung unterschiedlicher Kammerlängen nach US 19612572.

Eine weitere Gruppe von Schaffdämpfern und-absorbern für tiefe Frequenzen umfaßt Hohiraumresonatoren, d. h. sowohl akustische Wellenleiter nach Okamoto, Y. ; Boden, H. ; Abom, M. : Active noise control in ducts via side-branch resonators. Journ. of the Acoust. Soc. of America 96 (1994), H. 9, S. 1533-1538, als auch Helmholtz- Resonatoren nach DE 4226885, oder US 5233137, die über eine Öffnung mit einem schallführenden Kanal oder Raum verbunden sind und deren Eigenschaften mit elek- troakustischen bzw. aktiven Komponenten verändert werden. Diese Systeme verbindet die Vorgehensweise, daß sich mindestens ein Mikrofon im Kanal oder Raum befindet.

Das damit erfaßte Schalldrucksignal dient nach einer Filterung, Verstärkung und weiteren Analyseschritten als Regelgröße für mindestens einen Lautsprecher im Wellenleiter oder Hohlraum. Im Ergebnis strahlt der Lautsprecher ein Signal ab, das sich, wiederum nach seiner Modifikation durch den Resonator, mit dem Schall am Ort des Mikrofons im Kanal oder Raum gegenphasig überlagert und dadurch eine Schalidämpfung bewirkt. Durch diese aktiv beeinflußten Resonatoren können einerseits bei tiefen Frequenzen hohe Schalidrücke erzeugt und damit auch gedämpft werden, und andererseits ist zumindest der Lautsprecher vor möglichen z. B. thermi- schen Belastungen im Kanal geschützt. Nachteile dieser Verfahren bestehen in der festgelegten Dimensionierung der Resonatoren, unabhängig von möglichen Änderungen des ursprünglich zugrunde gelegten Schallspektrums im Kanal, sowie im fehlenden Schutz des Mikrofons.

Anstelle der bislang erwähnten Hohiraumresonatoren wird in DE 4027511 ein passives Subsystem verwendet, das vorzugsweise aus passiven Absorberschichten und schützenden Deckschichten besteht. Auch hierbei richtet sich die Funktion der rückseitig angebrachten elektroakustischen Komponenten auf die Modifikation des passiven Absorbers mit dem Ziel, an dessen Vorderseite eine theoretisch optimale akustische Impedanz zu erzeugen, die möglichst hohe Ausbreitungsdämpfung im an- geschlossenen schallführenden Kanal verspricht. Dieses Verfahren setzt voraus, daß ein in der DE 4027511 vorgeschlagener Signalformer erstens das Eigenverhalten aller elektroakustischen Komponenten (Mikrofon, Lautsprecher, Box, etc.) kompensiert und zweitens dem System die gewünschte Abschlußimpedanz aufprägt. Es wurden die Eigenschaften der Komponenten gründlich untersucht und beschrieben. Danach sind zur Umsetzung dieses Verfahrens zwangsläufig komplexe und in der Praxis nur näherungsweise realisierbare Übertragungsfunktionen des Signalformers zu implementieren.

Gänzlich ohne zusätzliche passive Schichten oder Resonanzsysteme kommen reaktive Schalldämpfer nach WO 97/43754 aus, bei denen die Membran eines Lautsprechers unmittelbarer Bestandteil der Wand eines schallführenden Kanals ist und die mittels einer Rückkopplungsschaltung geregelten bzw. verstärkten Membranschwingungen das Schallfeld im Kanal direkt beeinflussen. Die auch hier notwendige Anpassung an ein zu dämpfendes Schallspektrum beruht auf der Dimensionierung des Resonanzsystems bestehend aus Membranmasse und der dahinter befindlichen Luftfeder in Gestalt des Rückvolumens.

Aufgabe der Erfindung ist es den Wirkungsgrad der Schailddmpfung in Kanälen o. a. zu verbessern und die Herstellungskosten der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu verringern.

Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

3. Beschreibung Der Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen gesteuerten Wellenleiters nach Fig. 1 besteht in einer langgestreckten Hohlkammer (1) mit ausgeprägten Längsresonanzen, die über eine Öffnung (2) an der ersten Stirnseite (3) mit einem schallführenden Kanal (4) oder Raum akustisch verbunden ist. Die Lange L der Hohlkammer (1) richtet sich nach dem im Kanal (4) auftretenden Schallspektrum, bei dem die Frequenzen mit der höchsten Schallamplitude betriebsbedingt in einem bestimmten Bereich schwanken, z. B. als Folge einer wechselnden Gastemperatur im Kanal (4). Die Lange L entspricht in diesem Fall etwa einem Viertel der Wellenlänge der oberen Grenzfrequenz dieses Bereiches. An der zweiten Stirnseite (6) der Hohikammer (1) befindet sich vor einem weiteren Hohiraum (7) die Membran (8) mindestens eines Lautsprechers (9), wobei der Hohlraum (7) als Luftfeder und die Membran (8) als flächenhafte Masse ein Resonanzsystem bilden. Unmittelbar vor der Membran (8) ist ein Mikrofon (10) zur Erfassung der Membranschwingungen positioniert. Das Mikrofonsignal liegt am Eingang eines invertierenden Verstärkers (11) mit einstellbarer Verstärkung an, dessen Ausgangssignal zur Ansteuerung des Lautsprechers (9) dient. In Abhängigkeit von der Höhe der Verstärkung ändern sich die Membranschwingungen und damit die akustisch wirksame Lange der Hohikammer (1), die deutlich (ca. viermal) größer als die tatsächliche Lange L ist. Die infolge der erhöhten Verstärkung erreichte akustisch wirksame Verlängerung der Hohikammer (1) bedeutet eine Verschiebung ihrer ersten Längsresonanz zu tieferen Frequenzen, vorteilhafterweise bis zur unteren Grenze des Frequenzbereiches des im Kanal (4) auftretenden Schallspektrums. Die Einstellung der Verstärkung beruht auf dem Steuersignal von mindestens einem zusätzlichen Sensor (12), der eine für die Frequenzen mit der höchsten Schallamplitude im Kanal charakteristische Größe an den Verstärker (11) liefert.

Als Sensor (12) sind beispielsweise Temperaturfühler im Kanal (4), Drehzahigeber an Ventilatoren, Generatoren oder Motoren sowie Meßglieder für den Gasfluß von Brennern und Abgassystemen zu nennen. Vorteilhafterweise kommt der Sensor (12) ohne einen gesonderten Schutz aus, wie er z. B. bei Mikrofonen in einem Abgassystem erforderlich wäre. Eine beispielhafte, besonders einfache Ausführung des Sensors (12) stellt ein temperaturabhängiger Widerstand dar, der die Temperatur im Kanal (4) erfaßt und gleichzeitig Teil des Rückkopplungszweiges eines an sich bekannten invertierenden Verstärkers (11) ist und dadurch dessen Gesamtverstärkung steuert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen beziehen die Verwendung spannungs-und stromgesteuerter Verstärker (11) ein und erweitern die Auswahl möglicher Sensoren (12).

Zum Schutz gegen eine mögliche Verschmutzung der Hohikammer (1) und gegen eindringende heiße Abgase aus dem Kanal (4) befindet sich vor oder hinter der Öffnung (2) zum Kanal (4) eine schalidurchlässige Abdeckung (5) aus Lochblech, Vlies, Folie und dergleichen. In Abhängigkeit von baulichen Gegebenheiten in der Umgebung des Kanals (4) kann die Hohikammer (1) eine gerade oder gekrümmte Form aufweisen, schräg oder senkrecht vom Kanal abstehen oder in Längsrichtung am Kanal (4) anliegen. In diesem Fall ist, wie in Fig. 2 gezeigt, eine Wärmedämmschicht (13) zwischen Hohikammer (1) und Kanal (4) vorgesehen. Bei zu erwartender Erwärmung der Hohikammer (1) verbessern die in Fig. 2 dargestellten Kühlkörper (14) als Teil der Hohikammerwand die Wärmeabfuhr ebenso wie eine erzwungene Kühlung (15) nach Art eines Wärmetauschers oder mit sogenannten Peltier-Elementen in der Hohlkammer. Um eine breitbandigere Dämpfung zu erreichen, bilden eine Querunterteilung (16) der Hohikammer (1) in mehrere unterschiedlich lange Röhren sowie eine absorbierende innere Wandauskleidung (17) der Hohikammer (1) vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen gesteuerten Wellenleiters (Fig. 3). Eine beispielhafte Ausführung des erfindungsgemäßen gesteuerten Wellenleiters ist in Fig. 4 gezeigt. Die zusammen mit einem konventionellen passiven Dämpfer (18) an der gegenüberliegenden Kanalwand erreichten Dämpfungswerte in Fig. 5 repräsentieren die beiden Grenzfälle im Frequenzbereich in Abhängigkeit von der eingestellten Verstärkung (11). Den geringen Temperatureinfluß auf die Dämpfung des erfindungsgemäßen gesteuerten Wellenleiters nach Fig. 4 unterstreicht die Gegenüberstellung der gemessenen Dämpfung bei 20'C und 150'C im Kanal in Fig. 6.

4. Vorteile gegenüber dem Stand der Technik Die Vorteile des erfindungsgemäßen gesteuerten Wellenleiters gegenüber bestehenden Schalidämpfern beziehen sich auf folgende Merkmale : -Im Vergleich mit bekannten akustischen Wellenleitern erreicht der erfin- dungsgemäße gesteuerte Wellenleiter mit geringerem Bauvolumen (Hohikammern bis ca. viermal kürzer) eine hohe Schalidämpfung bei tiefen Frequenzen.

-Der Frequenzbereich mit hoher Schalidämpfung des erfindungsgemäßen gesteuerten Wellenleiters ist aufgrund der Adaptivität an veränderliche Schallspektren auf ca. 2 Oktaven erweitert.

-Der erfindungsgemäße gesteuerte Wellenleiter zeichnet sich durch eine einfache Konstruktion und insbesondere durch eine preiswerte analoge Verstärkung und Steuerung ohne aufwendige elektronische Filter oder digitale Signalanalyse aus.

-Weiterhin sind alle elektroakustischen Komponenten in der Hohikammer des erfindungsgemäßen gesteuerten Wellenleiters nachhaltig vor Einflüssen durch Strömung, Staub und aggressive Medien im Kanal geschützt.

-Dieser Schutz erstreckt sich ebenfalls auf hohe Temperaturen z. B. in Ab- gassystemen, da beim erfindungsgemäßen gesteuerten Wellenleiter mehrere Möglichkeiten für eine effektive thermische Entkopplung vom Kanal gegeben sind.

5. Beschreibung der Bilder Fig. 1 : Aufbau des erfindungsgemäßen gesteuerten Wellenleiters Fig. 2 : Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen gesteuerten Wellenleiters mit einer Wärmedämmschicht (13) zwischen Hohikammer (1) und Kanal (4), mit Kühlkörpern (14) als Teil der Hohikammerwand, mit einer erzwungenen Kühlung (15) nach Art eines Wärmetauschers sowie mit einer absorbierenden inneren Wandauskleidung (17) Fig. 3 : Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen gesteuerten Wellenleiters mit einer Unterteilung der Hohikammer (1) in mehrere unterschiedlich lange Röhren (16) Fig. 4 : Beispielhafte Ausführung des erfindungsgemäßen gesteuerten Wellenleiters mit einem konventionellen passiven Dämpfer (18) an der gegenüberliegenden Kanalwand (Abmessungen in mm) Fig. 5 : Gemessene Einfügungsdämpfung des beispielhaften gesteuerten Wellenleiters nach Fig. 4 ohne und mit Verstärkung Fig. 6 : Gemessene Einfügungsdämpfung des beispielhaften gesteuerten Wellenleiters nach Fig. 4 mit Verstärkung bei 20'C und 150'C Lufttemperatur im Kanal (4) Fig. 7 : Beispielhafter gesteuerter Wellenleiter mit schräg vom Kanal (4) abstehender Hohikammer (1) Fig. 8 : Beispielhafter gesteuerter Wellenleiter mit einer an einem gekrümmten Kanal (4) anliegenden Hohikammer (1) Fig. 9 : Beispielhafte Anordnung mehrerer gesteuerter Wellenleiter an mehreren Seitenwänden eines Kanals (4) Fig. 10 : Beispielhafter gesteuerter Wellenleiter mit aerodynamisch günstiger Gestaltung und Positionierung nach Art einer Mittelkulisse innerhalb eines großen Kanals (4) 6. Literatur [1] DE 19612572, Reinigbarer Schalldämpfer für tiefe Frequenzen.

[2] Lamancusa ; J. S. : An actively tuned passive muffler system for engine silencing.

Proceedings Noise-Con 87,1987, S. 313-318.

[3] US 3913702, Cellular sound absorptive structure.

[4] Okamoto, Y. ; Boden, H. ; Abom, M. : Active noise control in ducts via side- branch resonators. Journ. of the Acoust. Soc. of America 96 (1994), H. 9, S.

1533-1538.

[5] DE 4226885, Schallabsorptionsverfahren für Kraftfahrzeuge.

[6] US5233137, Protective ANC loudspeaker membrane.

[7] DE 4027511, Hybrider Schalidämpfer.

[8] Lippold, R., Lenk, A. : Schai ! dämpfung in Kanälen mit aktiv erzeugten Wand- admittanzen, Acustica 81 (1995), H. 4, S. 356-363.

[9] WO 97/43754, Reaktiver Schalldämpfer.