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Aktive Paneele zur Reduktion von Breitbandlärm in Innenräumen Dr.-Ing. Malte Misol, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik, DLR Braunschweig Prof. Dr.-Ing. Hans Peter Monner, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik, DLR Braunschweig Prof. Dr.-Ing. Michael Sinapius, Institut für Adaptronik und Funktionsintegration, TU Braunschweig
> Ringvorlesung Faszination Akustik 2015 > Dr. Misol, Prof. Monner, Prof. Sinapius • Aktive Paneele zur Reduktion von Breitbandlärm in Innenräumen > 13.05.2015 DLR.de • Folie 1
Faszination Akustik Öffentliche Ringvorlesung im Studium Integrale der TU Braunschweig
13.5.2015, Schleinitzstraße 19, Hörsaal SN 19.2
> Ringvorlesung Faszination Akustik 2015 > Dr. Misol, Prof. Monner, Prof. Sinapius • Aktive Paneele zur Reduktion von Breitbandlärm in Innenräumen > 13.05.2015 DLR.de • Folie 2
Gliederung • Worum geht es? • Theorie
• Maßnahmen zur Lärmreduktion • Schallabstrahlung und Schalltransmission • Aktive Paneele
• Beispiele aus der Anwendungsforschung • Automotive • Luftfahrt
• Fazit • Experiment
> Ringvorlesung Faszination Akustik 2015 > Dr. Misol, Prof. Monner, Prof. Sinapius • Aktive Paneele zur Reduktion von Breitbandlärm in Innenräumen > 13.05.2015 DLR.de • Folie 3
Schall- und Lärmproblematik
• Schall, der als störend empfunden wird und/oder dem Menschen schadet, wird als Lärm bezeichnet.
• Die Lärmempfindung ist hochgradig subjektiv und kontextabhängig (z. B. Musik: Jazz/Pop/Rock/…)
• Nicht nur hohe sondern auch mittlere Pegel sind schädlich
• Lärm macht krank und verursacht Kosten in Milliardenhöhe (z.B. ~9,1 Mrd. Euro/Jahr allein durch Straßenverkehrslärm1)
• Der Lärm in unserer hoch technisierten Gesellschaft entsteht häufig durch schwingende Strukturen (Industrieanlagen, Flug-, Zug- und Straßenverkehr).
http://petergowesky.com / https://airportonomy.files.wordpress.com / http://europa.deutschlandfunk.de (von links oben nach unten)
1K. Giering, Was kostet uns der Lärm? Monetäre Bewertung von Straßenverkehrslärm (2010) http://www.nua.nrw.de/fileadmin/user_upload/NUA/Veranstaltungen/Veranstaltungsberichte/2010-06-10%20EU-Umgebungsl%C3%A4rmrichtlinie/Vortr%C3%A4ge/laermkosten_giering.pdf (Abruf: Mai 2015)
http://www.umweltbundesamt.de/themen/verkehr-laerm/laermwirkungen
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Schall- und Lärmproblematik
• Schall, der als störend empfunden wird und/oder dem Menschen schadet, wird als Lärm bezeichnet.
• Die Lärmempfindung ist hochgradig subjektiv und kontextabhängig (z. B. Musik: Jazz/Pop/Rock/…)
• Nicht nur hohe sondern auch mittlere Pegel sind schädlich
• Lärm macht krank und verursacht Kosten in Milliardenhöhe (z.B. ~9,1 Mrd. Euro/Jahr allein durch Straßenverkehrslärm1)
• Der Lärm in unserer hoch technisierten Gesellschaft entsteht häufig durch schwingende Strukturen (Industrieanlagen, Flug-, Zug- und Straßenverkehr).
http://petergowesky.com / https://airportonomy.files.wordpress.com / http://europa.deutschlandfunk.de (von links oben nach unten)
1K. Giering, Was kostet uns der Lärm? Monetäre Bewertung von Straßenverkehrslärm (2010) http://www.nua.nrw.de/fileadmin/user_upload/NUA/Veranstaltungen/Veranstaltungsberichte/2010-06-10%20EU-Umgebungsl%C3%A4rmrichtlinie/Vortr%C3%A4ge/laermkosten_giering.pdf (Abruf: Mai 2015)
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Akustik als Komfortparameter von Produkten • Erheblicher Aufwand zur Verbesserung der Akustik
im Fahrgastraum durch den Einsatz konstruktiver und passiver Maßnahmen
• Aktive Maßnahmen nach dem Gegenschall-Prinzip (ANC) sind bereits im Einsatz
• Die Wirkung des ANC-Systems ist meist auf tonhaltige Störanteile beschränkt
• Schwingende Flächen (z.B. Verglasungen) wirken als Schalltransmissionspfade für fahrzeuginterne und –externe Störquellen
• Aktive strukturakustische Maßnahmen können diese Vibrationen adaptiv und flexibel beeinflussen (breitbandig, situationsbezogen, fahrerbezogen, …) http://www.chevroletinthenews.com
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Akustik als Komfortparameter von Produkten • Erheblicher Aufwand zur Verbesserung der Akustik
im Fahrgastraum durch den Einsatz konstruktiver und passiver Maßnahmen
• Aktive Maßnahmen nach dem Gegenschall-Prinzip (ANC) sind bereits im Einsatz
• Die Wirkung des ANC-Systems ist meist auf tonhaltige Störanteile beschränkt
• Schwingende Flächen (z.B. Verglasungen) wirken als Schalltransmissionspfade für fahrzeuginterne und –externe Störquellen
• Aktive strukturakustische Maßnahmen können diese Vibrationen adaptiv und flexibel beeinflussen (breitbandig, situationsbezogen, fahrerbezogen, …) http://farm4.staticflickr.com
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Gliederung • Worum geht es? • Theorie
• Maßnahmen zur Lärmreduktion • Schallabstrahlung und Schalltransmission • Aktive Paneele
• Beispiele aus der Anwendungsforschung • Automotive • Luftfahrt
• Fazit • Experiment
Maßnahmen zur Lärmreduktion
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Lärmreduktion
aktiv passiv
ANC Active Noise
Control
Destruktive Luftschallinterferenz
Diskrete Laut- sprecher
ASAC Active Structural Acoustic Control
Reduktion des Abstrahlgrades
Beeinflussung der Strukturschwingung
ANVC Active Noise
Vibration Control
Destruktive Luftschallinterferenz
Nutzung der Struktur als Lautsprecher
Reduktion des Abstrahlgrades
Dämpfungs-materialien an
Schallübertragungs-stellen,
mechanische Tilger, Schwerematten, …
ASAC-Prinzip
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Komponenten eines aktiven adaptronischen Gesamtsystems
Sensorsignal
Signalverarbeitung
Struktur
Aktor z.B. PZT
Strukturanregung z.B. Luftschall, Körperschall
𝐹𝐹(𝑡𝑡)
Regelgröße Schallleistung
𝑊𝑊 𝑡𝑡 Sensor z.B. PZT
Aktorsignal
Leistungselektronik
Regler
Energieversorgung
Energieversorgung
Energieversorgung
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Kontinuumsschwingungen
• Biegeschwingungen sind aufgrund ihrer Anregbarkeit durch äußere Störungen und ihres akustischen Verhaltens von besonderer Relevanz
• Bei Resonanzen gilt es zwischen akustisch relevanten und nicht relevanten Schwingungen zu unterscheiden.
• Dünnwandige, flächige Leichtbaustrukturen sind besonders schwingungsanfällig und stellen Lärmquellen dar.
• Strukturen schwingen in der Resonanz mit sog. Eigenformen, die auch häufig als Moden bezeichnet werden.
Que
lle: V
W
Quelle: Airbus, DLR
Beispiele für Eigenformen/Moden
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Schallabstrahlung von Plattenmoden (1)
• Gegenphasig schwingende Strukturbereiche können einen Druckausgleich erzeugen.
• Auf Grund des örtlichen Druckausgleichs wird kein oder nur wenig Schall ins Fernfeld abgestrahlt: Akustischer Kurzschluss.
• Ein akustischer Kurzschluss ist nur möglich, wenn die Trägheit der Luftmassen einen Druckausgleich zulässt!
Unsymmetrische (gerade) Mode
Symmetrische (ungerade) Mode
Rest
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Schallabstrahlung von Plattenmoden (2)
• In den Resonanzen ist die abgestrahlte Schallleistung der Platte häufig erhöht.
• Manche Moden strahlen außerhalb der Resonanz mehr Schallleistung ab als andere Moden in ihrer Resonanz
• Die gezielte Bedämpfung dieser Moden ist von großer Relevanz (ASAC)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 20010
-9
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
Frequenz f [Hz]
Sch
allle
istu
ng P
/F2
[W/N
2 ]
1,11,31,42,12,22,32,43,3Summe
> Ringvorlesung Faszination Akustik 2015 > Dr. Misol, Prof. Monner, Prof. Sinapius • Aktive Paneele zur Reduktion von Breitbandlärm in Innenräumen > 13.05.2015 DLR.de • Folie 15
Schalltransmission in Innenräume durch flächige Struktursysteme (1) • Massengesetz/Berger'sches Gesetz
• Schalldämmung erfordert Masse • +6 dB bei Verdopplung der flächenbezogenen Masse
• Koinzidenz • Koinzidenzfrequenz fc sollte möglichst hoch sein • Anstieg von fc durch Massenerhöhung und/oder
Steifigkeitsreduktion (+)
Sour
ce: S
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http://www.nt.fh-koeln.de/fachgebiete/nf/html/
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Schalltransmission in Innenräume durch flächige Struktursysteme (2) • Doppelschalensystem
• Höhere Schalldämmung als Einzelschale oberhalb der Masse-Feder-Masse-Resonanzfrequenz fr
• Absinken von fr durch Massenerhöhung (+) • Anstieg von fr durch unterschiedliche
Flächenmassen der Einzelschalen (-)
Fazit: Einsatz von Vorsatzschalen ist sinnvoll aber problematisch im Bereich von fr → aktive Maßnahmen
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Schalltransmission in Innenräume durch flächige Struktursysteme (2) • Doppelschalensystem
• Höhere Schalldämmung als Einzelschale oberhalb der Masse-Feder-Masse-Resonanzfrequenz fr
• Absinken von fr durch Massenerhöhung (+) • Anstieg von fr durch unterschiedliche
Flächenmassen der Einzelschalen (-)
Fazit: Einsatz von Vorsatzschalen ist sinnvoll aber problematisch im Bereich von fr → aktive Maßnahmen
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Maßnahmen zur Beeinflussung des Transmissionsverhaltens
Aktiv
Mehr Masse
Mehr Volumen
Aktive Primärstruktur Aktive Kopplungselemente Aktive Sekundärstruktur
Passiv
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• Störerregung der Primärstruktur • Sensorische Erfassung der Störung • Ausbreitung der Störung und
Verarbeitung der Sensorinformation durch das aktive System (AS)
• Einleitung von Gegenschwingungen in die Sekundärstruktur
• Auslöschung der Störschwingungen auf der Sekundärstruktur erfordert:
• Kohärenz und Kausalität
Prinzip einer aktiven Sekundärstruktur
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Einfluss von Kohärenz und Kausalität auf das Transmissionsverhalten
kohärent, kausal inkohärent, kausal kohärent, akausal
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Gliederung • Worum geht es? • Theorie
• Maßnahmen zur Lärmreduktion • Schallabstrahlung und Schalltransmission • Aktive Paneele
• Beispiele aus der Anwendungsforschung • Automotive • Luftfahrt
• Fazit • Experiment
> Ringvorlesung Faszination Akustik 2015 > Dr. Misol, Prof. Monner, Prof. Sinapius • Aktive Paneele zur Reduktion von Breitbandlärm in Innenräumen > 13.05.2015 DLR.de • Folie 23
Transmission interner Störquellen in die Fahrgastzelle
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Transmission interner Störquellen in die Fahrgastzelle − Frontscheibe
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Reduktion der Schallabstrahlung der Frontscheibe durch ASAC (1) • Beim Konzept des ASAC werden über strukturintegrierte
oder applizierte Aktuatoren die schallabstrahlenden Struktureigenformen beeinflusst.
• Ziel: Minimierung der Schallleistung
• Beruhigung von tonalen Schwingungen und Breitbandstörungen
• Aktive und semi-aktive Dämpfung durch elektro-mechanische Netzwerke
• Regelung über den Zusammenhang zwischen Strukturschwingung und Schallleistung
• Genaues Modell der Strukturschwingungen erforderlich
• Globale Schallminderung möglich
Geregelt
Ungeregelt
Reduktion der schallabstrahlenden Vibrationen der Scheibe mittels ASAC
Reduktion des Schalldruckpegels im Fahrer- und Beifahrer-bereich um bis zu 15 dB
Que
lle: D
LR
Reduktion der Schallabstrahlung der Frontscheibe durch ASAC (2)
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Passiv
145Hz
116Hz
ASAC
145Hz
116Hz
M. Misol, S. Algermissen, H. P. Monner, Experimental investigation of different active noise control concepts applied to a passenger car equipped with an active windshield, Journal of Sound and Vibration (2012)
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Transmission interner Störquellen in die Fahrgastzelle − Dachblech
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Reduktion des Lärmeintrags des Dachblechs durch Active Structural Acoustic Control (ASAC) • Reduktion der Dachblechschwingungen durch aktive
elektromechanische Absorber mit akustischer Zielfunktion • Applizierte Flächenaktuatoren bewirken Lärmminderung
mit Schallpegelreduktionen von bis zu 15 dB im Fahrer- und Beifahrerbereich
Que
lle: D
LR
Que
lle: V
olks
wag
en
0 1 2 3 4 5 6 7-1
-0.5
0
0.5
1
Controller on
Soun
d Pr
essu
re (P
a)
Time (sec)
non-optimisedoptimisednicht optimiert optimiert
Regler an
geregelt
ungeregelt
aus
Que
lle: D
LR
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Transmission interner Störquellen in die Fahrgastzelle − Spritzwand
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Reduktion des Lärmeintrags der Spritzwand durch Active Structural Acoustic Control (ASAC) • Erste Produktentwicklungen auf dem Weg zu ASAC
im PKW • Firma: Volkswagen • Produkt: Aktives System zur Modifikation des
Innenraumgeräusches • Vorstellung mit Einführung des VW Golf VI GTD • Funktionsprinzip:
• Schwingteller und –spule (1) • Steuergerät (2) • Künstlich gebildetes Ansauggeräusch • Schwingungserregung von
Spritzwand und Scheibenrahmen
Auto-Motor-und-Sport (15/2009)
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Gliederung • Worum geht es? • Theorie
• Maßnahmen zur Lärmreduktion • Schallabstrahlung und Schalltransmission • Aktive Paneele
• Beispiele aus der Anwendungsforschung • Automotive • Luftfahrt
• Fazit • Experiment
> Ringvorlesung Faszination Akustik 2015 > Dr. Misol, Prof. Monner, Prof. Sinapius • Aktive Paneele zur Reduktion von Breitbandlärm in Innenräumen > 13.05.2015 DLR.de • Folie 34
Smart-Linings als innovative Akustiklösung bei Flugzeugen (1)
Zielsetzung: Verbesserte Schalldämmung bei tiefen Frequenzen (<1kHz) Methode: Unabhängige Lining-Module mit integrierter Struktur-Akustik-Regelung Mögliche Zusatzoptionen:
• Komfortschall/Psychoakustik • PA (passenger announcements) • IFE (in-flight entertainment) • CRC (crew-rest compartments)
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Smart-Linings als innovative Akustiklösung bei Flugzeugen (2)
Signalverarbeitung
Regelung
Verstärkung
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Smart-Linings als innovative Akustiklösung bei Flugzeugen (3)
• Realisierung eines Smart-Lining-Demonstrators und experimentelle Erprobung im Transmissionsprüfstand
• Erhöhung der Schalldämmung um bis zu 6 dB(A) in Terzen
• Erfolgreicher Konzeptnachweis der Smart-Lining-Technologie am Beispiel eines Spacer-Linings aus der Serienfertigung des Industriepartners Diehl Aircabin.
Dieses Projekt wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie unter dem Förderkennzeichen 20K0806D gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.
> Ringvorlesung Faszination Akustik 2015 > Dr. Misol, Prof. Monner, Prof. Sinapius • Aktive Paneele zur Reduktion von Breitbandlärm in Innenräumen > 13.05.2015 DLR.de • Folie 37
Fazit
• Die Lärmproblematik ist von hoher Relevanz • Flächige Leichtbaustrukturen sind ein kritischer Faktor • Die aktive Struktur-Akustik-Regelung (ASAC) kann
konstruktive/passive Maßnahmen ergänzen oder ersetzen • Merkmale von ASAC-Systemen
• Systemkomplexität • Flexibilität • Adaptivität
• Einsatzfelder für ASAC • Fahrzeuge, Flugzeuge, Gebäude, …
• Notwendige Arbeiten • Miniaturisierung, Integration, Kostenoptimierung
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Dr.-Ing. Malte Misol Prof. Dr.-Ing. Hans Peter Monner Prof. Dr.-Ing. Michael Sinapius
> Ringvorlesung Faszination Akustik 2015 > Dr. Misol, Prof. Monner, Prof. Sinapius • Aktive Paneele zur Reduktion von Breitbandlärm in Innenräumen > 13.05.2015 DLR.de • Folie 42