Nichtlineare Hochleistungsschallquellen für die Anwendung in der aktiven Lärmbekämpfung
Final Report Abstract
Das durchgeführte Forschungsprojekt kann grob in zwei Teile eingeteilt werden: 1. Untersuchung einer Schallquelle für tiefe Frequenzen (ca. 20 bis 100Hz), die mit modulierter Strömung arbeitet, zur Anwendung als Antischallquelle in Abgasanlagen, 2. Entwicklung und Untersuchung von Algorithmen, die nichtlineare Sekundärquellen in active noise/ vibration control Anwendungen einbinden. Eine derartige mit Druckluft arbeitende Schallquelle wurde realisert und vermessen. Der gemessene Schall weist starke nichtlineare Verzerrungen auf (Obertöne). Unterschiedliche Mechanismen sind für diese nichtlinearen Verzerrungen verantwortlich, wobei die Reibung zwischen der stehenden Lochplatte (Stator) und der bewegten Lochplatte (Slider) einen der größten Einflüsse hat. Für die Modellierung und die anschließende Steuerung als Sekundärquelle in einer active noise control Anwendung (ANC) erweist sich diese Reibung als prinzipbedingt ungünstig. Die Reibung wirkt nämlich auf die Bewegung des Sliders zurück und liegt damit in einem Blockschaltbild dieser Schallquelle in einem Rückkopplungszweig. Daher gelingt eine Black-Box-Modellierung mit rückkopplungsfreien neuronalen Netzen nur sehr schlecht. Vielmehr müssen rückgekoppelte neuronale Netze verwendet werden. Für diese aber sind Steuerungsalgorithmen für ANC-Anwendungen nur in Näherungsformen anzugeben. Die Erkenntnis, dass die rückgekoppelte Reibungskennlinie Probleme verursacht, konnte aus einer analytischen Modellierung der Schallquelle gewonnen werden. Für die Gewinnung der Parameter dieser Modellierung konnten Adaptionsvorschriften hergeleitet werden und die Parameter inklusive der Reibungskennkinie erfolgreich ermittelt werden. Aber auch mit dem analytischen Modell ergibt sich die gleiche Schwierigkeit der Steuerung eines Systems mit rückgekoppelter nichtlinearer Kennlinie wie .beim Modell, das auf rückgekoppelten neuronalen Netzen basiert. Die übrigen auftretenden Nichtlinearitäten liegen quasi in Vorwärtszweigen im Signalfiuss. Wenn also die Reibung zwischen Stator und Slider vermieden würde, könnte die Schallquelle als nicht rückgekoppelt es neuronales Netz (NNFIR) oder aber auch als sogenanntes Hammerstein-Modell (Hintereinanderschaltung von dynamischem System und nichtlinearer statischer Kennlinie) modelliert werden. Für NNFIR-Sekundärstrecken konnte im Projekt gezeigt werden, dass bei Anwendungen mit harmonischen Signalen, wie sie üblicherweise bei Motorengeräuschen auftreten, sogar einfache FIR-Filter als Controller genügen, wenn diese aus genügend vielen Filterkoeffizienten bestehen, d.h. wenn mindestens zwei Koeffizienten mehr als die doppelte Anzahl an zu steuernden Frequenzen verwendet werden. Ein neuronales Netz als Controller bringt für die Anwendung mit harmonischen Signalen keine Vorteile sondern nur Nachteile in Bezug auf die benötigte Rechenleistung, Ein Einsatz der Schallquelle in einer Bypass-Lösung, bei der die Schallquelle nicht über eine externe Druckluftversorgung sondern über einen Teil des Abgasstromes selbst . versorgt wird, erscheint im Nachhinein nicht zielführend zu sein, da die Lochplatte einen sehr viel höheren Strömungswiderstand besitzt als der parallel liegende Abgaskanal und damit kaum die nötige Druckdifferenz auf den beiden Seiten der Lochplatte anliegt. Zusammenfassend ist anzumerken, dass das Konzept einer strömungsgesteuerten Schallquelle für active noise control Anwendungen in Kfz-Abgasanlagen nur zum Erfolg führen wird, wenn das Problem einer ausreichenden Druckluftversorgung gelöst würde und wenn ein konstruktiver Aufbau der Schallquelle eingesetzt wird, der ohne Reibung auskommt. Dann bestünde mit den 'hier untersuchten Steuerungsalgorithmen eine Chance auf einen erfolgreichen Einsatz als Antischallquelle, Allerdings müsste sich dann die Schallquelle auch im Wettbewerb zu der inzwischen sehr weit entwickelten Alternative "Oszillierende Klappe" behaupten.
Publications
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A. Jakob, M. Möser. Nonlinear active noise control of harmonic sound by means of neural networks, Proceedings of the 12th International Congress on Sound and Vibration - ICSV12, 2005
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A. Jakob, M. Möser. Nonlinear models of electro pneumatic transducers for use in feedforward active noise control schemes-, Proceedings of ACTIVE 2006
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A. Jakob, M. Möser. Simulatorischer Vergleich von FIR-Filtern und neuronalen Netzwerken zum Einsatz als Feedforward-Controller in A N C-Anwendungen mit nichtlinearer Sekundärstrecke bei harmonischen Signalen, Fortschritte der Akustik - DAGA 2006
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D. Weiß, M. Wolff, A. Jakob, M. Möser. Modellbildung und Untersuchug an einer elektro-pneumatischen Schallquelle zur Verwendung als Antischallquelle, Fortschritte der Akustik - DAGA 2005
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M. Wolff, A. Jakob, M. Möser. Systemidentifikation von nicht-linearen Sekundärstrecken in active noise control Systemen mit Hilfe neuronaler Netzwerke, Fortschritte der Akustik - DAGA 2005
