Projekt 21704/01

Optimierung eines ANC-Systems – Weiterentwicklung von Antischall-Systemen zur technischen Reife

Projektdurchführung

Wendt SIT GmbHSound proofing Insulation Technology
Beindersheimer Str. 79
67227 Frankenthal

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Im Rahmen des Forschungsvorhabens Aktive Lärmminderung durch Gegenschall, Az: 12329, wurde ein Aktiv-Schalldämpfer entwickelt, der direkt hinter dem Lärm erzeugenden Aggregat auch in größeren Kanalquerschnitten eingesetzt werden kann. Erfahrungen aus dem Betrieb an einer industriellen Anlage zur Zuverlässigkeit und Stabilität des Systems lagen bislang noch nicht vor. Im Rahmen eines Pilotprojektes war der Aktiv-Schalldämpfer zur technischen Reife weiterzuentwickeln. Hierbei sollte die von tonalen Komponenten geprägte Geräuschemission einer Vakuumanlage in einer Papierfabrik reduziert werden. Ziel war es, die emittierte Schallleistung des Abluftkamins um 10 dB(A) zu senken und die tonalen Komponenten so weit zu reduzieren, dass kein entsprechender Zuschlag für Ton- und Informationshaltigkeit bei der Beurteilungspegelbildung mehr in Ansatz gebracht werden muss. In der Nachbarschaft der Papierfabrik sollen die Immissionsrichtwerte eingehalten werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenUm die der Strömung ausgesetzten ANC-Komponenten vom Abluftstrom zu trennen, wurden verschiedene Folienmaterialien ausgewählt und deren Einfluss auf das Regelverhalten der Controller-Systeme unter Laborbedingungen untersucht und bewertet. Nachdem die Bauteile optimiert und an die Anwendung angepasst waren, wurde ein Aktiv-Schalldämpfer für das Pilotprojekt konstruiert, aufgebaut und im Wendt/IBS-Technikum mit realen Signalen der Vakuumanlage (über Lautsprecher abgespielte Bandaufnahme) überprüft und getestet. Nach erfolgreicher Testphase im Technikum wurde der Aktiv-Schalldämpfer in den Abluftkamin der Vakuumanlage montiert und unter realen Einbaubedingungen getestet und optimiert. Über einen mehrwöchigen Zeitraum sollte geprüft werden, ob die Einfügungsdämpfung des aktiven Systems zeitstabil ist. Durch den Dauerbetrieb sollte ermittelt werden, welche Komponenten zum Ausfall neigen und an welchen Systemparametern ggf. aktueller Wartungsbedarf abzulesen ist. Die Instandhaltung des Aktiv-Schalldämpfers sollte nach Möglichkeit so vereinfacht werden, dass sie ohne Spezialkenntnisse auch vom Anwender durchgeführt werden kann. Durch Messungen am Kamin und in der Nachbarschaft sollten die praktischen Wirkungen des Aktivschallsystems überprüft werden.


Ergebnisse und Diskussion

Zunächst wurden verschiedene Materialien zum Schutz der ANC-Bauteile gegen Beschädigung durch feuchte und aggressive Strömungsmedien im Rahmen einer Diplomarbeit untersucht. Hinsichtlich der Kennschalldruckpegelminderungen und deren Einfluss auf das Regelverhalten der ANC-Systeme hat Kaptonfolie bei dem Vergleich am besten abgeschnitten und wurde für den vorliegenden Anwendungsfall als geeignet befunden. Im Rahmen der Entwicklung des ANC-Schalldämpfer-Prototyps wurden Untersuchungen zur Ermittlung der Grenzfrequenz f0 eines vierfach unterteilten Kreisquerschnittes durchgeführt und entsprechende Berechnungsformeln zu deren Abschätzung experimentell erarbeitet. Auf der Basis der durchgeführten Untersuchungen wurde ein vierfach unterteilter hybrider Aktiv-Schalldämpfer mit einem schallharten Kern entwickelt. Der ANC-Schalldämpfer-Prototyp hat einen Aktiv- und einen Passivteil, wobei der Aktivteil auf einen Wirkfrequenzbereich von 200 Hz bis 400 Hz ausgelegt ist. Die Elektroinstallation der ANC-Bauteilkomponenten wurde industrietauglich ausgeführt.
Nach der Fertigstellung des ANC-Schalldämpfer-Prototyps wurde dieser im gemeinsamen Technikum der Firmen Wendt und IBS mit realen Signalen der Vakuumanlage (über Lautsprecher abgespielte Bandaufnahme) überprüft und getestet. Bezogen auf das Originalgeräusch erreichte der ANC-Schalldämpfer-Prototyp im Technikum eine Pegelminderung von insgesamt 20 dB(A). Auf den Passivteil des Schalldämpfers entfielen dabei ca. 10 dB(A), auf den Aktivteil noch einmal ca. 10 dB(A).
Nach dem Einbau des ANC-Schalldämpfer-Prototyp in den Abluftkamin der Papierfabrik wurde dieser unter realen Einbau- und Betriebsbedingungen getestet und vor allem die ANC-Mikrofone weiter optimiert. Dabei wurde festgestellt, dass die verwendeten ANC-Bauteilkomponenten ohne entsprechende Schutzabdeckungen nicht eingesetzt werden können. Verglichen mit der Ausgangssituation vor Einbau des Kulissenschalldämpfers konnte der A-Schalldruckpegel am Referenzpunkt letztlich um 10 dB(A) gemindert werden. Subjektiv und objektiv konnten keine tonalen Komponenten mehr wahrgenommen werden. Verglichen mit dem vor Durchführung des Vorhabens eingebauten Kulissenschalldämpfer konnten hierbei 62,5 Vol% passives Absorptionsmaterial und 25% Einbaulänge eingespart werden. Die Investitionskosten für den ANC-Schalldämpfer-Prototyp lagen allerdings etwa doppelt so hoch wie diejenigen des konventionellen Kulissenschalldämpfers. Zusammenfassend lassen die Ergebnisse des Forschungsvorhabens den Schluss zu, dass Aktiv-Schalldämpfer unter ökonomischen Gesichtspunkten in den meisten Fällen - auch bei dem durchgeführten Pilotprojekt - nicht mit den konventionellen Schalldämpfern konkurrieren können. Für spezielle Anwendungsfälle, z. B. hohe Pegelminderungen bei tiefen Frequenzen (< 200Hz), ist der ANC-Schalldämpfer durchaus konkurrenzfähig, sofern der Gesamtpegel von tiefen Frequenzen bestimmt wird und daher auf einen Passivteil verzichtet werden kann.
Die Zielsetzung des Vorhabens wurde erreicht. Die Pegelminderung wird allerdings vorrangig durch den Passivteil des Schalldämpfers erzielt, da für den Gesamtpegel die tonalen Komponenten im unteren Frequenzbereich nicht alleine maßgeblich waren. Solang die Wirksamkeit des Passivteils verschmutzungsbedingt nicht nachlässt, kann die Funktionalität des Aktivteiles nicht zufriedenstellend getestet werden. Aus Zeitgründen konnten daher die noch ausstehenden Ergebnisse zur Langzeitstabilität und Wartungsanfälligkeit des Aktivteils nicht mehr im Rahmen der Laufzeit dieses Vorhabens erarbeitet werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

- Beitragsveröffentlichung in der Zeitschrift für Lärmbekämpfung, Springer-VDI-Verlag, 2000
- ANC-Schalldämpfer als Exponat auf der Hannover Messe Industrie (Research & Technology), 2001
- Weiterhin wird eine Veröffentlichung in der Zeitschrift für Lärmbekämpfung geplant.


Fazit

Die Zielsetzung des Vorhabens, die emittierte Schallleistung des Abluftkamins im Gesamtpegel um 10 dB(A) zu senken und dabei die tonalen Frequenzkomponenten so weit zu reduzieren, dass kein Zuschlag für Tonhaltigkeit mehr in Ansatz gebracht werden muss, wurde erreicht. kann. Um einen Betrieb in sehr schmutziger und sehr feuchter Abluft zu ermöglichen, mussten bei den ANC-Mikrofonen Kompromisse hinsichtlich Dichtigkeit und Schalldurchlässigkeit zu Lasten der Regeldynamik eingegangen werden. Da grundsätzlich nicht nur tonale Komponenten gedämpft werden sollen, sollten die ANC-Controller noch weiter optimiert und deren Dynamikbereich durch Auswahl leistungsfähigerer Regelkomponenten vergrößert werden. kann.