Aktive Schalldämpfer

Im Vergleich zum bekannten Prinzip der Schallauslöschung durch Interferenz gegenphasiger Druckwellen, das auch als Antischall bekannt geworden ist, stellen aktiv absorbierende Schalldämpfer ein neuartiges Prinzip der aktiven Lärmminderung in schallführenden Kanälen dar. Dies bezieht sich sowohl auf den einfachen Aufbau als auch auf die Wirkungsweise, die ohne aufwendige und komplizierte digitale Signalverarbeitung auskommt.

Die Grundbausteine dieser aktiven Schalldämpfer sind einzelne Kassetten, die hinter einer Abdeckung (Lochblech, Glasvlies) in einem kompakten Gehäuse aktive Elemente (Lautsprecher, Mikrofon, analoge Signalverarbeitung) enthalten (Bild 1).

Im deaktivierten Zustand bilden die Lautsprechermembran und das Rückvolumen des Gehäuses näherungsweise einen akustischen Serienresonator. In der Umgebung der Resonanzfrequenz führt die so erhöhte Nachgiebigkeit dieser Wandauskleidung bereits zu einer Einfügungsdämpfung, die für reaktive Absorber typisch ist. Vor diesem Hintergrund wird die druckproportionale Mikrofonspannung linear und mit hoher Verstärkung an den Lautsprecher rückgekoppelt, so daß die Membran zu noch stärkerem Nachgeben gezwungen wird. Dabei erhöht sich einerseits der Druck im Rückvolumen, andererseits verringert sich der Druck an der Trennfläche zum Kanal und die Dämpfungswirkung steigt erheblich an.

In Bild 2 ist die im Prüfstand (Querschnitt: 0,25m x 0,25m) erzielte Einfügungsdämpfung eines solchen 1 m langen Schalldämpfers bestehend aus 4 aktiven Absorberkassetten dargestellt. Die hohe Spitzendämpfung von annähernd 40 dB bei ca. 100 Hz wird durch die gleiche Abstimmung der Absorberkassetten hervorgerufen. Mit einer unterschiedlichen Auslegung der Einzelkassetten kann jedoch auch eine breitbandigere Dämpfung erzielt werden.

Aktiver Abzweig-Resonator

© Fraunhofer IBP

Zur Bekämpfung von tieffrequentem Lärm in Kanälen stellen aktive Schalldämpfer eine mögliche Alternative zu den vor allem bei mittleren und hohen Frequenzen wirkenden porösen Schalldämpfern dar. Besonders erfolgversprechend sind die industriellen Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Lüftungs- und Klimatechnik. Die Möglichkeiten dieser Technologie werden jedoch durch ungünstige Umgebungsbedingungen eingeschränkt. Zum Beispiel können hohe Temperaturen, extreme Schallpegel, statische und dynamische Druckbelastungen sowie feuchte und aggressive Medien die Verwendung von aktiven Komponenten verhindern. Um die Wirksamkeit der aktiven Schalldämpfer auch in diesen Fällen praktisch zu nutzen, müssen entweder widerstandsfähige, aber dafür teure Komponenten verwendet oder aber die empfindlichen Teile des aktiven Schalldämpfers vor den rauhen Umgebungsbedingungen geschützt werden. Eine Möglichkeit besteht darin, Lautsprecher, Mikrofon und Elektronik räumlich vom schallführenden Kanal zu trennen, um den direkten Kontakt mit dem Medium zu vermeiden. Die praktische Lösung beruht auf einem λ/4-Resonator mit bekannten Übertragungseigenschaften, der seitlich am schallführenden Kanal angebracht und über eine Öffnung mit diesem verbunden ist. Die Einfügungsdämpfung eines solchen akustisch hart abgeschlossenen Abzweiges kann erheblich verändert und gesteigert werden, indem das Schallfeld in der Resonatorkammer mit einer aktiven Schalldämpferkassette (ASDK) an ihrem Ende beeinflusst wird.

Der aktive Schalldämpfer in Bild 1 besteht aus zwei Kammern, die um den kreisförmigen Hauptkanal herum angeordnet sind. Die untere Hälfte enthält ein hitzebeständiges poröses Absorbermaterial. Die obere Hälfte bildet den Abzweig-Resonator, der über eine schmale Öffnung mit dem Hauptkanal verbunden ist. Um den Abzweig mechanisch zu schützen und einen Gasaustausch mit dem Hauptkanal zu vermeiden, ist die Öffnung ebenso wie das poröse Material durch ein Lochblech mit aufgelegtem Vlies geschützt. Zusätzlich sorgt eine spezielle, thermisch resistente Folie mit einer geringen flächenbezogenen Masse für eine hermetische Abdichtung.

In der Abzweigkammer befindet sich über der gesamten Länge eine Schicht aus porösem Material, die einerseits für eine Wärmedämmung gegenüber dem Hauptkanal sorgt und andererseits die Kammer akustisch bedämpft. Das Ende des Abzweiges wird durch eine Box gebildet, die neben einem Standardlautsprecher und einem preiswerten Elektretmikrofon eine kleine elektronische Schaltung enthält. Mit diesen aktiven Komponenten wird eine elektroakustische Rückkopplungsschleife aufgebaut. Die Stärke der Rückkopplung kann am Elektronikmodul manuell oder automatisch variiert werden und bestimmt innerhalb der Stabilitätsgrenzen die akustische Wandimpedanz der aktiven Kassette.

Experimentelle Ergebnisse
Bild 2 zeigt die gemessene Einfügungsdämpfung des Schalldämpfers in Bild 1. Dabei entspricht die schwarze Kurve dem Fall, in dem das Ende des Abzweiges durch eine schallharte Platte abgeschlossen ist. In dieser Konfiguration führt die Kombination aus Helmholtz- und λ/4-Resonator zu einem ersten Maximum der Einfügungsdämpfung von 17 dB bei etwa 160 Hz. Zusätzlich steigt infolge des passiven Rohrschalldämpfers die Einfügungsdämpfung mit der Frequenz deutlich an.

Die gemessene Einfügungsdämpfung ändert sich relativ wenig, wenn man statt des harten Abschlusses die aktive Kassette mit offener Rückkopplungsschleife montiert (rote Kurve). Wird hingegen die Rückkopplungsschleife geschlossen und die höchstmögliche Rückkopplungsverstärkung eingestellt, so verschiebt sich das Maximum der Einfügungsdämpfung in der grünen Kurve bis etwa 50 Hz und wird deutlich breiter. Eine Veränderung der Rückkopplungsverstärkung zwischen dem Maximum und Null ermöglicht somit eine Abstimmung des ersten Maximums der Einfügungsdämpfung im Bereich von 50 Hz bis 160 Hz ohne jede geometrische Veränderung des Schalldämpfers. Dieses Verhalten erlaubt die manuelle oder automatische Regelung der Einfügungsdämpfung in Abhängigkeit von Betriebszuständen eines Aggregats, wie z.B. die Umdrehungszahl eines Verbrennungsmotors oder die Abgastemperatur eines Brenners.

Aktive Absorber in kleinen Räumen

Messung der Übertragungsfunktion in diagonal gegenüberliegenden Ecken mit und ohne Absorber in den Ecken

Bild 1

Übertragungsfunktion im schallharten Raum ohne Absorber (grün), mit aktivem Absorber (rot) und Rechnung mit A1 (schwarz)

Bild 2

Übertragungsfunktion im bedämpften Raum mit (rot) und ohne Absorber (grün)

Bild 3

Die große Anzahl kleiner Räume, bei denen die akustischen Verhältnisse über ihre Nutzbarkeit und Qualität entscheiden, umfasst neben professionellen Studios auch Konferenzräume und Besprechungskabinen. Ebenso werden Spezialräume für akustische Messungen aus wirtschaftlichen Gründen immer kleiner. Die Ansprüche an die akustische Qualität bleiben aber unverändert hoch, so dass die effektive Konditionierung kleiner Räume eine aktuelle und zugleich praxisrelevante Aufgabe darstellt. Die Besonderheit kleiner Räume im Vergleich etwa zu großen Konzerthallen zeigt sich insbesondere bei tiefen Frequenzen mit Wellenlängen in der Größenordnung der Raumabmessungen. Im unbehandelten Zustand prägen Stehwellen, sogenannte Moden, das Schallfeld und verursachen den Klang verfälschende, ortsabhängige Abhörbedingungen. Aufgrund dieser Ortsabhängigkeit müssen bei der akustischen Gestaltung kleiner Räume sowohl die absorbierenden Bauteile als auch die Positionen von Schallquelle und -empfänger berücksichtigt werden.

 

Aktive Absorber in schallharten Räumen

Zur Glättung des Schallfeldes eignen sich neben den vielfach verwendeten Resonanzabsorbern auch aktive Absorber als besonders kleine und konzentriert wirkende Bauteile. Diese Kassetten sind ähnlich den aktiven Schalldämpfern aufgebaut, bei denen die Reaktion eines Masse-Feder-Systems durch Rückkopplung eines Mikrofonsignals vor einer Lautsprechermembran verstärkt wird. Um Ihre Wirksamkeit zu charakterisieren, kann z.B. die Übertragungsfunktion eines Raumes (Bild 1) mit und ohne aktive Absorber verglichen werden. Diese Funktion ergibt sich bei akustischer Anregung in einer Ecke des Raumes und Messung des Schalldruckes in der diagonal gegenüberliegenden Ecke. In einem unbehandelten, schallharten Raum führt diese Messung zu ausgeprägten Spitzen und Einbrüchen im Betragsspektrum der Übertragungsfunktion (Bild 2). Bereits mit einem einzelnen aktiven Absorber werden Pegelminderungen um 20 dB erreicht. Mit der Glättung ist ein deutlich verkürztes Nachklingen des Raumes verbunden, und das unangenehme Dröhnen wird reduziert.

Da die Wirkung des Absorbers stark von seiner Position im Raum abhängt, wurde für die Auslegung und Platzierung eine entsprechende Simulationsrechnung entwickelt. Das beispielhafte Ergebnis (Bild 2) belegt die Genauigkeit dieser für Rechteckräume gültigen Theorie.

 

Aktive Absorber in bedämpften Räumen

Die akustische Raumgestaltung richtet sich natürlich auch auf mittlere und hohe Frequenzen z.B. mit porösen Materialien als Wandverkleidung. Je nach Dicke und Absorptionsvermögen einer solchen Bedämpfung des Raumes zeigen sich Veränderungen bis in den tieffrequenten Bereich. Eine 10 cm dicke Schicht aus offenzelligem Schaum an den Wänden und der Decke des Raumes nach Bild 1 lässt bereits eine Glättung der Übertragungsfunktion erkennen (Bild 3).

Neben den weiterhin ausgeprägten untersten Raummoden zwischen 30 und 50 Hz stören im darüber liegenden Frequenzbereich die starken Einbrüche bei ca. 77 Hz und 90 Hz. Solche hörbaren Einbrüche sind besonders problematisch, da sie z.B. in einem Studio allein durch Anhebung des Musiksignals bei diesen Frequenzen nicht kompensiert werden können. Mit einem speziell platzierten aktiven Absorber wird in diesem Fall der Einbruch bei 77 Hz deutlich abgeschwächt. Die Auslegung bzw. Verwendung weniger zusätzlicher Absorber ermöglicht also eine weitere akustische Konditionierung des Raumes.