Experimentelle Umsetzung eines Schallstrahlungssensors für Steuerungen

Kurzfassung

Deutsch: Gegenstand dieser Masterarbeit ist die Beeinflussung der Schallabstrahlung von flächigen Strukturen mithilfe von aktiven Steuerungen. Schwerpunkt ist die Entwicklung eines Schallstrahlungssensors zur Schätzung der abgestrahlten Schallleistung aus strukturellen Messgrößen sowie die Integration des Sensors in eine Steuerung. Die Erprobung des Schallstrahlungssensors erfolgt mithilfe von Simulationen und Messungen. Zur Auslegung des Schallstrahlungssensors wird ein Verfahren basierend auf quadratischem Mittelwert und Standardabweichung vorgeschlagen, dass für eine gegebene Struktur die Ab- schätzung eines Kompromisses zwischen Komplexität des Sensors und Güte der Schallleis- tungsschätzung erlaubt. Die Leistungsfähigkeit des entwickelten Sensors bzw. der darauf aufbauenden aktiven Steue- rung wird zunächst anhand von Simulationsmodellen abgeschätzt. Es zeigt sich, dass für die untersuchte Struktur eine breitbandige Lärmreduktion auch bei hoher Modendichte, geringer Aktoranzahl und grober Strukturdiskretisierung möglich ist. In diesem Zusammenhang wird ein Verfahren zur Optimierung der Schallstrahlungsmoden mit grobem Sensornetz untersucht. Es zeigt sich, dass mit diesem Verfahren eine Verbesserung der Schallleistungsschätzung mög- lich ist. Zur Überprüfung der Simulationsergebnisse wird ein aktives System bestehend aus einer pas- siven Struktur mit applizierten Sensoren und Aktoren sowie der Steuerung in einem reflexi- onsarmen akustischen Messraum aufgebaut und vermessen. Aus den Messwerten ergibt sich eine Lärmreduktion von 3,4 dB bei stochastischer Störanregung. In diesem Kontext wird der Einfluss der Kausalität auf die verwendete Steuerung untersucht. Es zeigt sich, dass das un- tersuchte System aufgrund des gewählten Systemaufbaus nahezu kausal ist und der Einfluss einer zusätzlichen Verzögerung eher gering ist. Im Zuge dieser Versuche stellt sich jedoch her- aus, dass das System einen nahezu linearen Phasengang aufweist und somit die erforderliche Anzahl an Filterkoeffizienten für die Steuerung erheblich reduziert werden kann. Englisch: This master’s thesis deals with the actively controlling of sound emitted by plates. It focuses on the development of radiation filters to estimate the radiated sound power. This estimation is based on measured structural quantities and the implementation of the radiation filters into one of several feedforward control systems. The accuracy and efficiency of the developed systems are demonstrated with simulations and experiments. Within the design process of the radiation filters, a method based on the root-mean-square value and the standard deviation is developed to evaluate the best compromise between the number of necessary radiation modes and accuracy of the estimated sound power. During the simulations and experiments a broadband sound power reduction could be shown, even in the presence of high modal density, a reduced number of actuators and a coarse structural discretization. To further increase the sound power approximation of the proposed filters a method for the optimization of the radiation modes is investigated. It could be shown that this method yields a more accurate estimation of sound power. To verify the simulation experimental data for an active system consisting of a plate with sensors and actuators in an anechoic room is utilized. This data substantiates the simulation and a broadband sound power reduction of 3,4 dB is achieved. During these measurements the influence of causality on the feedforward controller is also examined. Due to the chosen experimental setup, the controller is almost causal. It however became apparent that the system has a nearly linear phase response, meaning that the number of necessary filter weights can be decreased considerably.