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TU Berlin

Inhalt des Dokuments

Dr.-Ing. Carsten Spehr

Ehemaliger Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Akustische Verbesserung von Niedrigstschallschirmen durch aktive Maßnahmen


Das Ziel dieser Arbeit bestand darin zu prüfen unter welchen Bedingungen der Schalldurchgang durch einen Schlitz mit Hilfe eines aktiven Systems aus Sekundärlautsprecher und Fehlermikrophon verringert werden kann. Als Beispiel diente dabei der Schalldurchgang zwischen einer Drehgestellschürze und einem Niedrigstschallschirm.
Die aktive Maßnahme besteht darin, das primäre Schallfeld durch ein sekundäres Feld zu überlagern, so dass eine gewisse Zielgröße minimiert wird. Im Rahmen dieser Arbeit sollte geklärt werden, welche Zielgröße dafür geeignet ist, die gesamte durch den Schlitz gelangende Schallleistung zu verringern. Der Einfluss der Positionen des Sekundärlautsprechers und des Fehlermikrophons wurde untersucht und die günstigsten Positionen ermittelt.

In einem zweidimensionalen Modell in Zylinderkoordinaten wurde der Schalldurchgang durch einen Schlitz simuliert. Der Schalldruck für die primäre und die sekundäre Quelle wurde getrennt berechnet und anschließend überlagert. In der Simulation wurde die Geometrie aus vier Kreissegmenten zusammengesetzt. Das sich hieraus ergebende gemischte Randwertesystem wurde auf Stabilität bei unterschiedlicher Anzahl von Ansatzfunktionen und Bestimmungsgleichungen untersucht.
In der ersten Simulationsreihe wurde als Zielgröße die gesamte abgestrahlte Schallleistung minimiert. Im nächsten Schritt wurde geprüft, ob eine globale Minderung der abgestrahlten Schallleistung auch mit einer kompakten Bauweise ohne Fehlermikrophon im Fernfeld erreicht werden kann. Als günstigste Position für die sekundäre Quelle im Sinne eines hohen Verbesserungsmaßes über einen weiten Frequenzbereich erwies sich der untere Teil des Niedrigstschallschirmes. Als günstige Positionen für das Fehlermikrophon zeigten sich die Positionen im oberen Bereich des Schlitzes.
Außerdem wurde der Einfluss der Schlitzbreite auf eine mögliche Verbesserung untersucht. Dabei zeigte sich, dass mit zunehmender Breite des Schlitzes sowohl der nutzbare Frequenzbereich als auch die Höhe des Verbesserungsmaßes verringert wird, während die Frequenzbänder mit negativem Verbesserungsmaß zunehmen.

In einem zweiten Abschnitt wurde der Einfluss der Sekundärlautsprecherposition analytisch untersucht. Anhand des Beispiels eines leicht gedämpften schallhart umrandeten Rechteckraumes wurde der Einfluss der Moden auf die Anregung analysiert und die optimale Quellstärke einer sekundären Schallquelle hergeleitet. Am Beispiel der eindimensionalen Schallausbreitung in einem Rohr wurde der Einfluss von Reflektionen auf die optimale Position und Quellstärke der sekundären Quelle ermittelt.

Mit einer Reihe von Experimenten wurde untersucht, ob sich die theoretischen Ergebnisse auch in der Praxis wiederfinden lassen. Als Versuchsaufbau diente eine Box aus 19 mm Sperrholz, die den Maßen realer Schürze-Niedrigstschallschirm Kombinationen nachempfunden ist. Der Winkel der Schallschürze ist veränderlich, so dass verschiedene Geometrievarianten untersucht werden konnten. Der Abstand zwischen Schirm und Schürze betrug bei den drei untersuchten Geometrievarianten 215 mm, 370 mm und 525 mm.
In den Versuchen sollte sowohl der Einfluss der Schlitzbreite als auch der Positionen von Sekundärlautsprecher und Fehlermikrophon verifiziert werden. Für die Versuche sind monofrequente Signale verwendet worden. Der adaptive Filter wurde mit Hilfe einer FXLMS-Regelung so eingestellt, dass das Signal am Fehlermikrophon minimiert wurde.
Auf einem Gitter von Kontrollpositionen wurde die Differenz der Schallabstrahlung in Abhängigkeit vom Abstrahlwinkel bestimmt. Die Experimente haben die Ergebnisse der Simulation bestätigt. Auch im Versuch war es möglich, die gesamte durch den Schlitz durchgelassene Schallleistung zu verringern.
Sowohl in der Simulation als auch im Experiment weist die Sekundärlautsprecherposition auf dem unteren Teil des Schallschirms bei allen Geometrievarianten das höchste Verbesserungsmaß auf. Der wirksame Frequenzbereich geht bei einem Schlitzabstand von 215 mm sowohl in der Messung als auch in der Simulation über 500 Hz hinaus, wobei mit der günstigsten Fehlermikrophonposition ein Verbesserungsmaß von 10 dB bis 20 dB erzielt wurde. Die absolute Höhe des Verbesserungsmaßes wurde durch die Simulation nicht korrekt vorhergesagt. Die Verbesserung wird in der Simulation im Vergleich zu den Messungen tendenziell überschätzt.

In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die Optimierung der Fehlermikrophon- und Sekundärlautsprecherposition für die hier untersuchte aktive Schallbeeinflussung notwendig ist und deutliche Vorteile im erzielbaren Verbesserungsmaß bewirkt. Diese Ergebnisse sind auch auf andere Anwendungen, die eine vergleichbare Geometrie aufweisen wie z.B. gekapselte Maschinen, die für die Materialzuführung eine Öffnung benötigen, oder gekippte Fenster übertragbar. Für den praktischen Einsatz muss die Regelung der adaptiven Filter jedoch auf das zu unterdrückende Geräusch angepasst werden.

Dissertation : http://opus.kobv.de/tuberlin/volltexte/2008/1790/
Betreuer : Prof. Dr.-Ing. Michael Möser

Veröffentlichungen

J. Kokavecz and C. Spehr (2003). Charakterisierung einer Körperschallquelle am Beispiel einer Servopumpe. Fortschritte der Akustik - DAGA 2003 (Poster)


Adresse

Dr.-Ing. Carsten Spehr
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik
Experimentelle Verfahren
Bunsenstraße 10
D-37073 Göttingen


Tel.: +49 551 709-2427
Fax: +49 551 709-2830

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