ANC-Systeme für die Lärmbekämpfung bei industriellen und haustechnischen Anlagen

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1 ANC-Systeme für die Lärmbekämpfung bei industriellen und haustechnischen Anlagen Keywords: ANC (Active Noise Control; volkstümlich auch: Gegenschall, Antischall), verdichtetes Bauen, Haustechnik, Wärmepumpen, Kältemaschinen, Wohnraumlüftung, WRG (Wärmerückgewinnungs-Systeme), BHK (Blockheizkraftwerk-Anlagen), dba-werte und tiefe Frequenzen, Nachbarschaftslärm Abbildung 1: Gegenschall-Lautsprecher im Lichtschacht (Überbauung mit 4 MFH im Kanton BL) Ausgangslage Die stetig wachsende Verbreitung von wärme- und klimatechnischen Anlagen verbunden mit der zunehmend dichteren Bebauung hat innerhalb der letzten 10 Jahre immer häufiger zu Lärmproblemen geführt. Lärm ist nicht einfach gleich Lärm. Die häufigsten Geräuscharten bei haustechnischen Anlagen sind: - Rauschen von strömender Luft bei Wärmepumpen, Wohnraumlüftungen oder Abzugshauben (mittlere und hohe Frequenzen) - Fliessgeräusche in Wasserleitungen und Armaturen (eher hohe Frequenzen) - Brummtöne von Ventilatoren (einzelne, tiefe Töne) - Brummen und Summen von Kältemaschinen, Wärmerückgewinnungs- Systemen und Wärmepumpen (tiefer Ton mit mehreren Obertönen)

2 Oft kommen diese Geräuscharten kombiniert vor. Erschwerend für die Beurteilung ist die Tatsache, dass der Ausbreitungsweg des Schalls sowohl durch die Luft als auch durch den Baukörper (Mauern, Böden, Decken, etc.) führen kann. Während der mittlere (200Hz 2kHz) und der hohe (2kHz 20kHz) Frequenzbereich sehr gut mit Schalldämpfern oder schallabsorbierenden Hindernissen angegangen werden kann, stellt die Reduktion der tiefen Töne (20Hz 200Hz) immer eine grössere Herausforderung dar. Zum einen wirken aufgrund der grossen Wellenlänge alle Absorber-Materialien nur noch bei extremen Schichtstärken und ausserdem werden tiefe Töne stark um Hindernisse herumgebeugt und dadurch kaum gedämpft. Zu guter Letzt müssen Hindernisse (Wände, Gehäuse) sehr schwer gebaut sein, um den direkten Schalldurchgang effektiv zu unterbinden. Abbildung 2: Wirkung des Gegenschall-Systems aus Abb.1 (gemessen oberkant Lichtschacht) Bedeutung der dba-gewichtung Schallpegelangaben in dba sind frequenzgewichtet. Das heisst, es gibt Frequenzbereiche, welche den dba-wert stärker beeinflussen als andere. Die A- Gewichtung bevorzugt den Frequenzbereich 500Hz 10kHz. Darüber und darunter muss eine Schallquelle bereits deutlich lauter sein, um den gleichen dba-wert zu erzeugen wie im bevorzugten Frequenzbereich. Während der Bereich über 10kHz nur selten zu Problemen führt, sieht das für Geräusche unterhalb 500Hz ganz anders aus: Klassisch sind Lärmsituationen, wo ausschliesslich ein ganz tiefer Ton den dba-wert bestimmt und die hohen Frequenzen trotz Gewichtung überstimmt (vgl. Abb.2). Jegliche Massnahmen, welche nur im mittleren und oberen Frequenzbereich Wirkung zeigen, beeinflussen den dba-wert kaum und schiessen demzufolge ins Leere. Es ist also ganz entscheidend, ob ein Lärmpegel von Frequenzen oberhalb 500Hz dominiert wird oder von tieferen Frequenzen.

3 Weshalb die ANC-Technologie nutzen? Nicht selten wurden in solchen Situationen wie oben beschrieben nacheinander mehrere Anläufe mit der Bekämpfung des Lärms genommen (ohne Erfolg), was für den Auftraggeber frustrierend wird. Leider kommen ausgerechnet im Bereich der Haustechnik (also in der Nähe von Wohnräumen) diese Situationen immer wieder vor. Genau in solchen Fällen bietet die ANC-Technologie bestechende Vorteile: a) Dauertöne können stark gedämpft werden b) Je tiefer die Frequenz, desto besser funktioniert ein ANC-System c) Bei tiefen Frequenzen sind konventionelle Lärmschutzmassnahmen sehr teuer d) Ein ANC-System braucht weniger Platz als konventionelle Massnahmen Es sollte also für jedes Problem eine kritische Beurteilung durchgeführt werden, ob die Kosten für eine rein passive Lösung grösser oder kleiner sind als für ein ANC- System. Abbildung 3: ANC-Prozessor SR2.L für Haustechnik-Anwendungen

4 Wie funktioniert ein ANC-System? Ein ANC-System besteht aus einer Elektronik (enthält einen Regler mit adaptiven Digitalfiltern), daran angeschlossenem Mikrofon und Lautsprecher. Im Prinzip arbeitet der Regler nach folgendem Credo: Beeinflusse das Signal am Lautsprecherausgang so, dass am Mikrofon der geringste Pegel herrscht. Trotz der einfachen Formulierung wird das Innenleben des Reglers schon recht kompliziert. Dank einer Reihe von etablierten, digitalen Signalverarbeitungs-und Adaptions-Algorithmen hat man das heute aber gut im Griff. Es gibt natürlich eine ganze Reihe von Variationsmöglichkeiten, welche ein ANC- System charakterisieren: - Struktur (Feed-Back, Feed-Forward oder kombiniert) - Filterkoeffizienten (statisch, Adaption beim Startup oder Online-Adaption) - Adaptions-Algorithmus (LMS, NLMS, RLS, filtered-x-lms, etc.) - Kopplung zwischen ANC-Quelle und Fehlersensor (Nahfeld, Fernfeld) - Kopplung zwischen ANC-Quelle und Störquelle (Nahfeld, Fernfeld) Abbildung 4: Struktur eines typischen Feedforward-System mit Korrekturfilter für Fehlerstrecke HLE Technisch interessierte Personen finden weitere Informationen auf unserer Webseite oder in den einschlägigen Fachbüchern.

5 FAQ: Die am häufigsten gestellten Fragen zu ANC-Systemen lauten: - Eine 2.Schallquelle (also ANC-Lautsprecher) kann doch die abgestrahlte Schallenergie nur erhöhen, nicht verkleinern? o Antwort: Stimmt, aber nur wenn der ANC-Lautsprecher zu weit von der Primärschallquelle entfernt ist. Wenn der richtige Abstand eingehalten wird, wirkt der ANC-Lautsprecher als aktiver Absorber oder verändert die Abstrahl-Impedanz der Primärquelle so, dass die Abstrahlung in grösserer Entfernung abnimmt. - Wieso wird diese Technologie nicht häufiger eingesetzt? o Antwort: Im Aviatik-Bereich und bei der KFZ-Industrie wird die ANC- Technologie bereits erfolgreich eingesetzt. Auch Kopfhörer mit ANC- Funktion sind bereits mehrere am Markt verfügbar. Für Industrie- und Haustechnik-Anwendungen gibt es noch nicht viele Produkte, die sich eignen. Und ausserhalb des Hochschul-Umfeldes gibt es nur sehr wenige Fachleute, welche mit ANC Erfahrung haben. Das wird sich in den nächsten Jahren hoffentlich noch ändern. - Wo liegt der Haken? o Jede Lärmsituation hat ihre Eigenheiten. Es ist heute noch kaum möglich, ein ANC-System ohne Vorabklärung am Einsatzort zu verkaufen. Mittel- bis längerfristig sollte es jedoch für einige klar definierte Situationen (z.b. Lichtschächte) möglich sein, vorkonfigurierte ANC-Systeme auszuliefern, welche auch eine Person ohne spezielle Kenntnisse installieren kann. - Ist das bezahlbar? o Ja, denn die Bezahlbarkeit misst sich an den zur Verfügung stehenden Alternativen. Konventionelle Tiefton-Schalldämpfer sind recht teuer. Wenn also ein ANC-System kostengünstiger ist und die gleiche oder gar bessere Wirkung zeigt, ist es durchaus bezahlbar. Generell empfiehlt sich der Einsatz eines ANC-Systems nur dann, wenn es auch wirtschaftlich Sinn macht. - Wird das System durch andere Geräusche gestört? o Im Prinzip ja, denn das störende Signal wird vom Regler als Fehlersignal interpretiert. Es ist also zu unterscheiden, ob die Störung die Adaption anhaltend beeinträchtigt oder nicht. Um eine gezielte Unterdrückung von Störern zu erreichen, setzt man Feed-Forward- Systeme ein. Solange bei diesen das primäre Geräusch (z.b. Brummen einer Wärmepumpe) und das störende Geräusch (z.b. vorbei fahrender Zug) nicht korrelieren, wird das ANC-System nicht gestört.