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Die Erfindung betrifft eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit einer Einrichtung zur Schalldämpfung sowie ein Verfahren zur Schalldämpfung einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage.
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Kraft-Wärme-Kopplung ist die gleichzeitige Gewinnung von mechanischer Energie, die in der Regel unmittelbar in elektrischen Strom umgewandelt wird, und nutzbarer Wärme für Heizzwecke. Es ist somit die Auskopplung von Nutzwärme insbesondere bei der Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen. Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen nutzen die bei der Stromerzeugung zwangsläufig entstehende Abwärme. Dadurch wird die Abgabe von ungenutzter Abwärme an die Umgebung weitestgehend vermieden. Zunehmend an Bedeutung gewinnen kleinere Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen für die Versorgung einzelner Wohngebiete, bzw. einzelner Mehr- und sogar Einfamilienhäuser, Vorteil der Kraft-Wärme-Kopplung ist der verringerte Brennstoffbedarf. Mit Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen werden Anlagentypen bezeichnet, die für den Einsatz in Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie in kleinen Gewerbebetrieben geeignet sind.
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Zumeist besteht eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage aus einem Otto-, Diesel- oder Stirlingmotor und einem daran gekoppelten Generator. Diese werden nachfolgend als motorische Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen bezeichnet. Für motorische Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, die im häuslichen Umfeld eingesetzt werden, kommt dem Schallschutz eine besondere Bedeutung zu. Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, dessen Schallleistungspegel von den Hausbewohner als zu laut oder störend empfunden wird, werden keine große Marktdurchdringung in Europa erreichen können, selbst wenn diese gesetzlichen Auflagen und Richtlinien entsprechen, wie z. B. der TA-Lärm in Deutschland. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen vorhandene Gasheizungen substituieren, die im direkten Wohnumfeld, beispielsweise im Dachgeschoss installiert sind.
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Gerade bei motorischen Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen sind tiefe Frequenzen durch die Motordrehzahl bedingt, denn z. B. Stirlingmotor betriebene Systeme laufen phasengebunden, so dass vorwiegend tiefe Frequenzen von 50–250 Hz den Schallleistungspegel dominieren. Die hohen Amplituden der vorwiegend tiefen Frequenzen in der Kraft-Wärme-Kopplungstechnologie sind mit bisher üblichen Maßnahmen in der Heizungstechnik nur sehr aufwendig reduzierbar. Denn die Materialstärke der üblicherweise in der Heizungstechnik verwendeten Dämmmatten verhält sich reziprok zu der zu reduzierenden Frequenz, so dass die Materialstärke bei tiefen Frequenzen den möglichen Bauraum oft übersteigt. Auch mit sehr hohem konstruktivem Aufwand sind so oft nur minimale Reduktionen möglich. Darüber hinaus übertragen Gebäudeteile vorwiegend tiefe Frequenzen, so dass besonderes Augenmerk auf die Dämpfung niedriger Frequenzen zu richten ist.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, insbesondere eine Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlage für den Einsatz in Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie in kleben Gewerbebetrieben mit geringen Schallemissionen bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit einer Einrichtung zur Schalldämpfung gemäß dem Hauptanspruch sowie ein Verfahren zum Schalldämpfen einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß wird die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit einem System zur aktiven Schalldämpfung ausgestattet. Ein System zur aktiven Schalldämpfung verfügt über mindestens ein Mikrofon, ein Signalverarbeitungsgerät und eine Gegenschallquelle beispielsweise einen Lautsprecher. Das oder die Mikrofone nehmen den Schall, der von der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage imitiert wird, auf. Das Signalverarbeitungsgerät berechnet ein Gegenschallsignal, das von der Gegenschallquelle ausgegeben wird. Der Zeitverlauf des Gegenschalls ist so bemessen, dass sich das Schallsignal der Kraft-Wärme Kopplungsanlage und der Gegenschall aufheben.
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Bevorzugt ist die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage von einem Gehäuse umschlossen, wobei die Gegenschallquelle innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Hier kann besonders effektiv der Schall in unmittelbarer Nähe der Schallquelle aufgehoben werden.
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In einer Weiterbildung ist mindestens ein Mikrofon, bevorzugt 2 Mikrofone innerhalb des Gehäuses vorgesehen. Somit können die Schallemissionen der Schallquelle frei von Störgeräuschen erfasst werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, die beiden Mikrofone so anzuordnen, dass sich jeweils möglichst gegenüberliegend der Schallquelle angeordnet sind.
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In vorteilhafter Weise ist die Gegenschallquelle weniger als ein Viertel der Wellenlänge der Frequenz des Motors von der Schallquelle entfernt. Dadurch lassen die Schallemissionen in besonders vorteilhafter Weise kompensieren, ohne dass dabei Interferenzen auftreten können, die beispielsweise an bestimmten Orten zu einer Verdoppelung des Schalldruckpegels durch ungünstige Überlagerung des Schalls der Schallquelle und der Gegenschallquelle führen. Wenn in diesem Zusammenhang von einer Frequenz des Motors die Rede ist, so ist damit die als Frequenz interpretierte Wellendrehzahl bzw. die Frequenz des Kolbenhubs gemeint.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraft-Wärme-Kopplungsanlage wird als Motor ein Stirlingmotor verwendet. Ein Stirlingmotor hat im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren den Vorteil, dass keine diskontinuierliche Verbrennung stattfindet, die zu Schallemissionen mit hohen Frequenzanteilen führt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist der Motor in der Weise mit dem Generator und dieser mit dem Stromnetz gekoppelt, dass die Frequenz des Motors proportional zur Wechselstromfrequenz ist. Dies hat den Vorteil, dass die Frequenz des Motors eine Konstante ist. Der Generator erzeugt eine Wechselspannung, die direkt, also ohne zwischengeschalteten Frequenzumrichter, in das Netz eingespeist wird.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante wird dem Signalverarbeitungsgerät ein Messsignal zugeführt, das sie Phase und Frequenz der Netzspannung und/oder die Phase und Frequenz des Motors der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage repräsentiert. Die von dem Motor emittierten Schallsignale sind direkt abhängig von den Beschleunigungsverläufen der bewegten Teile des Motors. Daher lässt sich aus der Phase und Frequenz (Drehzahl) des Motors direkt auf die zu erwartenden Schallsignale schließen. Im Falle der zur Wechselstromfrequenz synchronen Motorfrequenz kann dafür auch die Phase und Frequenz der Netzspannung verwendet werden.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Schalldämpfen einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit einem Generator zur Erzeugung eines Wechselstroms und mit einem Motor zum Antrieb des Generators umfasst mehrere Verfahrensschritte. Zunächst werden die Frequenz und die Phase des Motors oder des Wechselstroms erfasst. Die Motorfrequenz dann über einen geeigneten Drehzahlsensoren erfasst werden. Für die Messung der Phase, die dem Kurbelwellenwinkel oder der Kolbenstellung entspricht, ist ein Lagesensor erforderlich, der die Position der Kurbelwelle oder des. Kolbens erfasst. Hierzu ist beispielsweise eine Lichtschranke, ein induktiver Näherungssensor etc. geeignet. Aus dem zeitlichen Verlauf des Messsignals kann auf die Motorfrequenz geschlossen werden. Da sich die Motorfrequenz zeitlich nur relativ langsam ändert, kann durch Zeitmessung jederzeit ausgehend einem Signal der Lichtschranke oder des induktiven Näherungssensors auf die Phase geschlossen werden. Da der Motor direkt mit dem Generator gekoppelt ist, kann auch sehr einfach durch Messung des Wechselstroms die Phase und Frequenz des Wechselstroms bzw. der Wechselspannung ermittelt werden so einfach auf die Phase und Frequenz des Motors zurückgeschlossen werden. In einem weiteren Schritt wird das Schallsignal mit zumindest einem, bevorzugt mit 2 Mikrofonen gemessen. Ziel der Erfindung ist es, die Schallemissionen, die durch die Kolbenbewegung des Motors hervorgerufen wird, zu dämpfen. Nachdem durch den vorhergehenden Schritt die Frequenz und die Phase des Motors bekannt ist, wird in diesem Schritt die Frequenz und Phase eines Gegenschallsignals festgelegt. In einem weiteren Schritt wird die Amplitude des Gegenschallsignals auf der Basis der Amplitude der mit den Mikrofonen gemessenen Schallemissionen in der Motorfrequenz festgelegt einem letzten Verfahrensschritte wird des Gegenschallsignal an eine Gegenschallquelle, beispielsweise einen Lautsprecher, ausgegeben.
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In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens werden die oben genannten Schritte nicht nur für die Motorfrequenz, sondern auch für die Oberwellen, die den ganzzahligen Vielfachen der Motorfrequenz entsprechen, angewendet.
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In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens die Phase zwischen der Motorfrequenz und des Anteils des Gegenschallsignal bei der Motorfrequenz ein fest vorgegebener Wert. Damit kann beispielsweise erreicht werden, dass Kolben und Membran eines als Gegenschallquelle verwendeten Lautsprechers sich jeweils entgegengesetzt bewegen. Entsprechende Feinabstimmungen können bei der Herstellung der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage vorgenommen und fest eingestellt werden.
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In einer anderen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Phase zwischen der Motorfrequenz und des Anteils des Gegenschallsignal bei der Motorfrequenz während des Betriebes adaptiv angepasst. Hierzu können beispielsweise während eines stationären Betriebes minimale Änderung der Phase vorgenommen werden, bis ein Minimum der von den Mikrofonen gemessenen Schallamplitude festgestellt wird.
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Die beiden zuvor beschriebenen Verfahrensschritte werden erfindungsgemäß auch auf die jeweiligen Frequenzanteile der Oberwellen angewendet, die einem ganzzahligen Vielfachen der Motorfrequenz entsprechen. Dabei ist zu beachten, dass die Phase zwischen 2 Signalen unterschiedlicher Frequenz mehrdeutig ist. Bezieht man die Phase auf die jeweilige Oberwelle, erhält man mehrere Phasenwinkel, die sich jeweils um den Summanden n·2π voneinander abweichen, womit die Phase letztendlich wieder eindeutig ist.
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Die Erfindung wird nun anhand der Figur detailliert erläutert.
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Es stellen dar:
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1: eine erfindungsgemäße Kraft-Wärme-Kopplungsanlage
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2: Die Schallemission des Motors einer gattungsgemäßen Kraft-Wärme-Kopplungsanlage im Frequenzbereich
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3: Das die Motorfrequenz repräsentierende Signal und das Gegenschallsignal im Zeitbereich
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4: Das die Motorfrequenz repräsentierende Signal und die drei niederfrequentesten Frequenzkomponenten des Gegenschallsignals im Zeitbereich
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1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Kraft-Wärme-Kopplungsanlage. Von einem Motor 1 wird mit Hilfe eines Generators 6 die in einem Brennstoff über die Wärmezufuhr 4 zugeführte Energie in elektrische Energie umgewandelt. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Stirlingmotor mit frei schwingendem Verdrängerkolben 2 und Arbeitskolben 3 dargestellt. Mit dem entstehenden Temperaturunterschied einer externen Wärmezufuhr 1 und einer Wärmeabfuhr am Wärmetauscher 11 (Wärmeauskopplung), wird der freischwingende Stirlingmotor angetrieben. Dabei befinden sich der Verdrängerkolben 2 und der Arbeitskolben 3 in einem Zylinder und bewegen sich jeweils um 90° phasenverschoben. Ein Lineargenerator 5, bestehend aus einer Spule, nutzt die Induktion des magnetischen Arbeitskolbens und kann so elektrische Energie bereitstellen. Wird die Motorfrequenz mit ca 3000 l/min betrieben, entspricht die bereitgestellte Frequenz bereits der Netzfrequenz von 50 Hz und muss so nicht mittels eines Umrichters angepasst werden. Mit dem Arbeitskolben verbundene Federn nehmen die Beschleunigung des Kolbens auf und katapultieren diesen wieder in der Vertikalen in Richtung Verdrängerkolben.
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Der oszillierende Arbeitskolben 3 wirkt also in der Weise mit dem Stator 5 zusammen, dass diese einen Generator 6 bilden. Dieser Generator erzeugt einen Wechselstrom, der über einen Stromanschluss 14 herausgeführt wird. Die Abwärme des Motors 1 wird über einen Wärmetauscher 11 an einen Heizkreis 12 abgegeben und als Nutzwärme abgeführt, um einen Heizkreis oder einen Wärmespeicher zu erwärmen. Hierin liegt der Vorteil einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, die Strom erzeugt und die dabei anfallende Abwärme für Heizzwecke nutzt.
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Erfindungsgemäß sind auch andere Bauformen von Motoren 1 eingeschlossen, beispielsweise ein mit einer Kurbelwelle verbundener Stirlingmotor oder ein Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung, beispielsweise ein Otto- oder Dieselmotor Auch wenn der in diesem Ausführungsbeispiel dargestellte Stirlingmotor aufgrund der äußeren Verbrennung im Gegensatz zu einem Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung deutlich leiser ist, wird aufgrund der bewegten Massen und der Gaskräfte dennoch Schall emittiert, der insbesondere bei Aufstellung der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage in einem Wohngebäude störend ist. Hierzu weist die erfindungsgemäße Kraft-Wärme-Kopplungsanlage ein Signalverarbeitungsgerät 8 auf, dass mit zwei Mikrofonen 7 und einer Gegenschallquelle 9 verbunden ist. Der Motor 1, die Mikrofone 7 sowie die Gegenschallquelle 9 sind innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses 13 vorgesehen. Darüber hinaus wird dem Signalverarbeitungsgerät 8 ein die Motorfrequenz repräsentierende Signal 10 zugeführt. Dies kann, wie hier dargestellt, das Spannungssignal des Stromanschlusses 14 sein. Ebenso kann dies erfindungsgemäß ein Geschwindigkeitssensor oder ein Wegsensor sein, der die Geschwindigkeit oder die Position des Kolbens 2 oder 3 oder im Falle einer anderen Ausführungsform des Motors 1 mit Kurbelwelle Drehzahlsensor oder ein mit der Kurbelwelle verbundener Wegsensor sein.
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Im Signalverarbeitungsgerät 8, dass auf der Basis eines Mikroprozessors oder Signalprozessors aufgebaut sein kann, wird auf der Basis der Messwerte der Mikrofone und des die Motorfrequenz reprasentierenden Signals ein Gegenschallsignal berechnet, das in der Weise an die Gegenschallquelle 9 ausgegeben wird, dass ein sekundäres Schallfeld erzeugt wird, welches das primäre Schallfeld des Motors 1 durch Überlagerung reduziert. Dazu ist der Abstand zwischen Gegenschallquelle 9 und Motor 1 so gewählt, dass dieser kleiner als ein Viertel der Schallwellenlänge in den relevanten Frequenzbereichen ist.
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Damit können die Schallemissionen des Motors 1 bereits innerhalb des Gehäuses 13 wirkungsvoll reduziert werden. Dadurch können die passiven Schalldämmmaßnahmen am Gehäuse 13, die insbesondere für niedrige Frequenzen sehr aufwändig sind, einfacher ausgeführt werden und im Idealfall entfallen. Dies ermöglicht Kosteneinsparungen und einen geringeren Bauraum der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage.
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Da die Kinemathek des Motors 1 damit der Zusammenhang zwischen der Kolbenbewegung der Kolben 2 und 3 und der charakteristischen Schallemissionen bekannt ist, kann mithilfe der Erfassung eines die Motorfrequenz repräsentierenden Signals 10 sehr einfach und ohne Empfindlichkeit auf externe Störungen die Frequenzen und Phasen des Gegenschallsignals ermittelt werden. Die Frequenzen ergeben sich aus der Motorfrequenz sowie aus den Oberwellen der Motorfrequenz, Mithilfe des von den Mikrofonen 7 aufgenommenen Signals kann die Amplitude des Gegenschallsignals ermittelt werden sowie gegebenenfalls die Phasen angepasst werden.
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2 stellt die Schallemission des Motors einer gattungsgemäßen Kraft-Wärme-Kopplungsanlage im Frequenzbereich dar. Zur Erzeugung eines Wechselstroms ein Stromanschluss 14 von 50 Hz wird der 1 dargestellte Stirlingmotor 1 ebenfalls mit 50 Hz betrieben. Daraus ergeben sich Schallemissionen im Bereich von 50 Hz sowie im Bereich der Oberwellen bei 100, 150, 200, 250, usw. Hz. Daher erzeugt das Signalverarbeitungsgerät 8 ein Gegenschallsignal mit 50 Hz sowie mit ganzzahligen vielfachen von 50 Hz. Dieses Beispiel betrifft den in 1 gestellt dargestellten Stirlingmotor. Bei anderen Ausführungsformen des Motors 1, beispielsweise mit einer Kurbelwelle und mit einem mit der Kurbelwelle verbundenen Generator, sind abhängig von der Polzahl des Generators und gegebenenfalls dem Übersetzungsverhältnis zwischen Kurbelwelle und Generatorwelle andere Frequenzen zu berücksichtigen.
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3 zeigt exemplarisch den zeitlichen Verlauf 20 des die Motorfrequenz repräsentierenden Signals 10 aus 1. Ebenfalls ist das Gegenschallsignal 21, das vom Signalverarbeitungsgerät 8 in 1 berechnet wird, dargestellt. Dieses Gegenschallsignal 21 weist die gleiche Grundfrequenz von 50 Hz auf wie der Signal Verlauf 20. Zusätzlich sind Oberwellen zu erkennen. Diese Oberwellen werden bis zu 300 Hz berechnet und ausgegeben. Die Begrenzung auf die Oberwellen bis 300 Hz einerseits mit Rücksicht auf die mit zunehmender Frequenz immer niedriger werden der Amplitude der Oberwellen, andererseits auf die mit höherer Frequenz immer höherer benötigter Rechenleistung des Signalverarbeitungsgeräts 8 aus 1 gewählt.
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4 zeigt ebenfalls den in 3 gezeigten zeitlichen Verlauf 20 des die Motorfrequenz repräsentierenden Signals sowie im Detail die Grundfrequenz 22 sowie die ersten beiden Oberwellen 25, 28 des Gegenschallsignals 21 aus 3. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde die dritte bis fünfte Oberwelle nicht dargestellt. Die Grundfrequenz des Gegenschallsignal 22 weist eine Amplitude 23 sowie gegenüber dem Verlauf des die Motorfrequenz repräsentierenden Signals 20 eine Phase 24 auf. Die Phasen und Amplitude der ersten und der zweiten Oberwellen 25 sowie 28 sind mit den Bezugszeichen 26 und 27 sowie 29 und 30 bezeichnet. Die jeweiligen Phasen 24, 27, 30 sowie die Phasen der hier nicht dargestellten Oberwellen werden entweder aufgrund der Kinematik Motors 1 aus 1 fest vorgegeben oder anhand des Signals des Mikrofons 7 aus 1 adaptiv angepasst. Die Phasen werden dann relativ zum Verlauf des die Motorfrequenz repräsentierenden Signals 20 festgelegt. Die jeweiligen Amplitude 23, 26, 29 sowie die Amplituden der hier nicht dargestellten Oberwellen werden anhand des Signals des Mikrofons 7 aus 1 berechnet. Aus den einzelnen Frequenzanteilen wird dann der Verlauf des Gegenschallsignals 21 aus 3 zusammengesetzt und an die Gegenschallquelle 9 aus 1 ausgegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Motor
- 2
- Verdrängerkolben
- 3
- Arbeitskolben
- 4
- Wärmezufuhr
- 5
- Stator
- 6
- Generator
- 7
- Mikrofon
- 8
- Signalverarbeitungsgerät
- 9
- Gegenschallquelle
- 10
- Die Motorfrequenz repräsentierendes Signal
- 11
- Wärmetauscher
- 12
- Heizkreis
- 13
- Gehäuse
- 14
- Stromanschluss
- 18
- Frequenzspektrum
- 20
- Verlauf des die Motorfrequenz repräsentierenden Signals
- 21
- Gegenschallsignal
- 22
- Grundfrequenz des Gegenschallsignals
- 23
- Amplitude der Grundfrequenz des Gegenschallsignals
- 24
- Phase der Grundfrequenz des Gegenschallsignals
- 25
- Erste Oberwelle des Gegenschallsignals
- 26
- Amplitude der ersten Oberwelle des Gegenschallsignals
- 27
- Phase der ersten Oberwelle des Gegenschallsignals
- 28
- Zweite Oberwelle des Gegenschallsignals
- 29
- Amplitude der zweiten Oberwelle des Gegenschallsignals
- 30
- Phase der zweiten Oberwelle des Gegenschallsignals