Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBFActive Noise Control zur Schallreduktion bei Luftfiltergeräten
ReinluftAkustik - Schnelle Auslegung, Umsetzung und Validierung aktiver Schallschutzmaßnahmen
In der jüngeren Vergangenheit und insbesondere aufgrund der weiter anhaltenden COVID-19-Pandemie haben mobile, antiviral wirkende Luftreinigungsgeräte erheblich an Bedeutung gewonnen. Moderne Wohn- und Geschäftshäuser, Schulen oder Kindergärten werden zunehmend mit kompakten Lüftungsanlagen ausgestattet. Diese Lüftungssysteme und mobilen Luftreinigungsgeräte können die Virenkonzentration in Räumen deutlich reduzieren, führen allerdings häufig zu erhöhten Lärmpegeln und folglich zu Kommunikations- oder Konzentrationsschwierigkeiten. Eine maßgebliche Herausforderung stellt daher die Entwicklung, Umsetzung und Validierung von geeigneten Schallschutzmaßnahmen dar. Im Projekt »ReinluftAkustik« bilden vier Fraunhofer-Institute ein Cluster, um schnelle Unterstützung bei der akustischen Optimierung von kompakten Lüftungssystemen und Luftreinigungsgeräten anzubieten..
Akustik von Lüftungssystemen und Luftreinigungsgeräten
Trotz kleinem Bauraum müssen Luftreinigungsgeräte eine hohe Luftleistung erbringen und dürfen, um eine kontinuierliche Wirksamkeit zu gewährleisten, nicht ausgeschaltet werden. Der Drehklang des Ventilators stellt meist die Hauptquelle des emittierten Schalls dar. Durch die periodische Rotation der Ventilatorschaufeln entsteht dabei ein schmalbandiger, tonaler Geräuschcharakter. Die Ventilatoren erzeugen durch Anregung der Gehäusestruktur Körperschall, der als Luftschall abgestrahlt wird. Hinzu kommen breitbandige Strömungsgeräusche, die über die Ansaug- und Ausblassöffnungen übertragen werden und sich mit den tonalen Anteilen überlagern. Letztlich ist der resultierende Schallpegel zudem von dem momentanen Betriebszustand des Luftreinigungssystems abhängig. Um einen breitbandigen Wirkfrequenzbereich abzudecken und eine autonome Anpassung auf veränderliche Betriebsbedingungen zu ermöglichen, wurden aktive Schallschutzmaßnahmen (engl. Active Noise Control) untersucht, prototypisch umgesetzt und an einem Demonstrator validiert.
Bild 1: Aufbau und numerische Simulationsmodelle des ANC-Demonstrators
Bild 2: Simulation der Schallausbreitung und Bestimmung der Abstrahlcharakteristik
Bild 3: ANC-Demonstrator
Modularer Baukasten für hochintegrierte Schallschutzlösungen
Um insbesondere kleinen und mittleren Unternehmen den Zugang zu hochintegrierten und intelligenten Schallschutzlösungen zu ermöglichen, wurde am Fraunhofer LBF ein modularer Methoden-Baukasten für aktive Schallschutzmaßnahmen für Luftreinigungsgeräte entwickelt. Zunächst wurde ein simulationsgestützter Entwurf zur schnellen Konzeptentwicklung und -bewertung erarbeitet. Bestehende CAD-Baugruppen wurden vereinfacht und ein Modell des inneren Luftvolumens abgeleitet (Abb. 1). Die numerischen Untersuchungen wurden daraufhin nur am Luftvolumen durchgeführt, die Lautsprechermembranen als Anregungsflächen modelliert und die hemisphärische Abstrahlung berechnet (Abb: 2). Für exemplarische Anwendungsfälle wurden Anregungsdaten, Sensorik-, Aktorik- und Reglermodelle in einer Modellbibliothek zusammengestellt. Auf Basis der Berechnungsergebnisse und des zur Verfügung stehenden Bauraums wurden die Anordnung und Spezifikationen der Komponenten festgelegt und kostengünstige produktnahe Komponenten ausgewählt.
Active Noise Control – Das Konzept zur aktiven Schallreduktion
Ziel der Schallschutzmaßnahmen ist die Auslöschung der ungewollten Schallabstrahlung ins akustische Freifeld. Die störende und pegelbestimmende Schallabstrahlung liegt im untersuchten Anwendungsfall im Frequenzbereich zwischen 100 und 1000 Hz. Das umgesetzte Active Noise Control (ANC)-Konzept umfasst drei Ablaufschritte. Zunächst wird die primäre Schallanregung gemessen, anschließend der Gegenschall mit Hilfe eines adaptiven Reglers berechnet und abschließend mittels eines Lautsprecher-Arrays eingeleitet. Die Validierung der Maßnahme wurde an einem Luftreinigungsdemonstrator durchgeführt. Dabei wurde ein variabler ANC-Demonstrator zum Testen unterschiedlicher Anwendungsfälle mit neun Lautsprechern und Schallanregung durch Lautsprecher oder Lüfter aufgebaut (Abb. 3). Die aufgeprägte Störung entspricht dem gemessenen Schalldruck eines Luftreinigers und es konnte eine breitbandige Reduktion zwischen 70 und 300 Hz nachgewiesen werden.
Die Arbeiten wurden innerhalb Projekts »ReinluftAkustik« durchgeführt.