Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1832
Main Title: Akustische Verbesserung von Niedrigstschallschirmen durch aktive Maßnahmen
Translated Title: Active control of sound traveling through a bogie-shroud barrier combination
Author(s): Spehr, Carsten
Advisor(s): Möser, Michael
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: 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.
The aim of this study was to examine the conditions which allow to reduce the sound passing through a gap by an active noise control system exemplified on the bogie-shroud barrier system. Active control means to superpose the primary sound field with a secondary sound field and thus minimizing an arbitrary target value. One aim of this study was to find out which target value is suitable to abate the sound power radiated into the far-field. By doing this, the influence of the positions of the secondary source and the error microphone were studied and their best positions identified. The sound propagation through the gap was simulated in cylindrical coordinates. The pressure fields of the primary and secondary source were calculated separately and were superposed afterwards. To model the bogie-shroud and the barrier as boundary conditions in cylindrical coordinates they are assumed as arcs of a circle around zero. The mixed boundary condition problem following from this was studied for stability at a different number of ansatz-functions and conditional equations. The stability was much higher when a quadratic equation system was applied, in contrast to solving over-determined systems with more conditional equations than ansatz functions which led to oscillating solutions. In the first series of simulations the net radiated power was minimized as the target level. In the next series it was examined whether a global diminution of the radiated sound power is possible with a compact system without error microphones in the far-field. The best results were achieved with the secondary source on the lower edge of the barrier. The best position for the error microphone was the region on the upper part of the gap. The influence of the slot width was studied, too. It could be shown that with an increasing slot width the level as well as the frequency ranges of the improvement decreased. In the second part the influence of the position of the secondary source was studied analytically. The influence of the modes was analyzed by using the example of a lightly damped rectangular cavity with which the optimal position of the secondary source could be derived. Using the one-dimensional wave equation the influence of the positions of the error microphone and the secondary source could be derived. A series of experiments was launched to study whether the results of the simulation could be found in reality. The test rig was built of 25 mm thick chipboard. The angle of the shroud was variable and the slot width between the shroud and the barrier in the three examined variants was approx. 215 mm, 370 mm und 525 mm. The aim of the experiments was to verify the results for the optimal position of the error microphone and the secondary source which meant to prove the possibility of preliminary optimizing of active noise arrangements. The tests were conducted with sinusoidal functions in steps of 12.5 Hz. The filters to adapt the secondary source were calculated by the well known FXLMS-Algorithms. The measurements were controlled by an arrangement without active control. The sound level was determined on a grid in front of the gap perpendicularly to the barrier and the shroud. Confirming the simulations the experiments showed that the total sound power propagating through the gap could be diminished. In the simulation as well as in the experiments the position of the secondary source at the lower part of the barrier achieved the highest level of improvement. The frequency range of the improvement of the variant 1 (215 mm gap) reached up to more than 500 Hz. The level of improvement was not correctly predicted by the simulation, which overestimated the results of the experiments. The gap width limits the frequency range of positive improvements. Explicit statements about a cut off frequency are difficult but it was observed that improvements could be achieved as long as the gap width was less than one third of the wavelength. The best results were achieved with the error microphone centric between the barrier and the shroud. Tough also with the other tested positions in the upper region of the gap improvements of about 10 dB to 20 dB could be observed. The study showed that optimizing the position of the error microphone and the secondary source is essential for the active noise control and widely influences the achievable improvement. The optimization can be reduced in advance due to analytical or numerical investigation. These results can be adapted to other similar geometries were sound propagates through a gap like machines with a feeding for the material or tilted windows. For a real adoption the filter would need to be adapted to the primary noise.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-17902
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2129
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1832
Exam Date: 25-Jan-2008
Issue Date: 16-Apr-2008
Date Available: 16-Apr-2008
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Aktive Schallbekämpfung
Schallfeldsimualtion
Schallschirme
Active noise control
Noise barrier
Wave field simulation
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