DE10116166C2 - Akustisch aktive Scheibe - Google Patents

Akustisch aktive Scheibe

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Description

Die Erfindung betrifft eine aktive Scheibe, die für akustische Zwecke genutzt werden kann. Sie eignet sich insbesondere zum Einsatz als Fahrzeugscheibe.
Die US 5 812 684 beschreibt die Nutzung einer absenkbaren Fahrzeugseitenscheibe zur aktiven Geräuschminderung. Die Scheibe wird dabei mittels Aktuatoren, die sich am unteren Scheibenrand befinden, zu Schwingungen angeregt. Die Anregung erfolgt in Verbindung mit dem Mechanismus zum Absenken der Scheibe und ist somit nicht für fest eingebaute Scheiben geeignet.
In der DE 198 26 171 A1 ist eine Vorrichtung zur Beeinflussung von von Fenster­ scheiben eines Fahrzeugs stammenden Geräuschen beschrieben. Dabei sind an den Rändern der Fahrzeugscheibe Aktuatoren angebracht, mit denen die Scheibe gezielt zu Schwingungen angeregt werden kann.
Nachteilig an den beschriebenen Vorrichtung mit einer einzelnen anregbaren Schei­ be ist, dass die Steifigkeit und hohe Dämpfung einer typischen Fahrzeugscheibe Aktuatoren mit sehr großen Stellkräften erfordert. Außerdem findet die Schallab­ strahlung auch nach außen statt.
Weiterhin offenbart die WO 96/35313 einen akustischen Schwingungsgenerator. Hierbei werden akustische Schwingungen, z. B. in Luft, durch eine Anordnung mit einem blattförmigen Körper zur Schwingungsübertragung an ein Medium und mit zumindest einem Aktuator, der mit einem Signalgenerator verbunden werden kann, erzeugt. Der Schwingungsgenerator kann auch zur Erzeugung von Gegenschall verwendet werden, indem phasenentgegengesetzter Schall emittiert wird. Der Schwingungsgenerator kann in eine Fensterscheibe integriert wer­ den, z. B. zur Anwendung in einem Gebäude, einem Fahrzeug, usw. Als vorteilhaftes Ausführungsbeispiel werden "Thermopen"-Fenster abgegeben, in die der Aktuator einfach angenommen werden kann. Hierbei weist die akustisch aktive Scheibe eine erste äußere Scheibe und eine zweite, innere Scheibe zum Innenraum hin auf, deren Dicke geringer ist als die Dicke der äußeren Scheibe. Die äußere Scheibe und die innere Scheibe sind an ihren Rändern miteinan­ der verbunden, weisen einen Abstand voneinander auf und es sind auf der inneren Scheibe auf die innere Scheibe wirkende Aktuatoren vorhanden, um das Schwingungsverhalten der inneren Scheibe zu steuern. Der Signalgenerator erzeugt ein Gegengeräuschsignal, z. B. phasenentge­ gengesetzt zu einem erfassten Signal, so dass eine Geräuschdämpfung insbesondere im Audiospektrum erreicht werden kann.
Schließlich ist aus der DE 199 43 084 A1, die Stand der Technik gemäß §3 Abs. 2 PatG ist, ein transparenter Schallwandler bekannt, bei der bei Verwendung als Fensters als durchsichtiges Mikrophon oder als durchsichtiger Lautsprecher einsetzbar ist.
Jedoch ist mit den herkömmlichen akustischen Schwingungsgeneratoren nur ein geringer Stellweg der Aktuatoren realisierbar und somit eine geringe Maximalauslenkung und damit ein geringer Abstrahlungswirkungsgrad festgelegt.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine akustisch aktive Scheibe nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 derart weiterzubilden, dass eine wirkungsvollere Anregung der Scheibe mit größerer Maximalauslenkung ohne aufwendige Modifikationen, wie Veränderung des Stell­ wegs des Aktuators, möglich ist und ein erhöhter Abstrahlungswirkungsgrad erzielt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine akustisch aktive Scheibe mit den Merkmalen von Pa­ tentanspruch 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Die erfindungsgemäße Scheibe ist als Doppelscheibe ausgebildet. Neben der ersten, äußeren Scheibe ist zum Innenraum hin eine zweite Scheibe vorhanden ist. Äußere und innere Scheibe sind an ihren Rändern elastisch miteinander verbunden und weisen einen Abstand voneinander auf. Die äußere Scheibe kann z. B. eine übliche Fahrzeugscheibe mit hoher Steifigkeit sein. Die innere Scheibe ist speziell auf die akustischen Anforderungen abgestimmt. Sie ist insbesondere dünner und somit weicher als die äußere Scheibe. An den Rändern der inneren Scheibe sind Aktuato­ ren vorhanden, mit denen das Schwingungsverhalten der inneren Scheibe gesteuert werden kann.
Die Aktuatoren sind an den Rändern der inneren Scheibe in der elastischen Verbindung in Aktuatorpaaren angeordnet, wobei die Aktuatoren eines Aktuatorpaars gegenphasig ansteuer­ bar sind, um ein Biegemoment zu erzeugen, das die Scheibe zu Biegeschwingungen anregt.
Durch die Ausbildung der Aktuatorpaare und die gegenphasige Ansteuerung eines Aktuator­ paares ergibt sich ein Biegemoment, welches die Scheibe zu Biegeschwingungen anregt. Diese Anregungsform ist bei gegebenem Stellweg des Aktuators deutlich wirkungsvoller als die gleichphasige Aktuatoranregung, die die Scheibe gleichmäßig auslenkt. Der begrenzte Stell­ weg heutiger Piezoaktuatoren limitiert nämlich auch die maximale, abzustrahlende Schallleistung, die durch die erfindungsgemäße gegenphasige Ansteuerung daher auch erhöht werden kann.
Bei den Aktuatoren kann es sich zum Beispiel um punktförmig wirkende Aktuatoren handeln. Diese können sich dabei zum Beispiel an der äußeren, steiferen Scheibe abstützen. Es sind jedoch aus Ausführungen möglich, bei denen sich die Aktuatoren an einem sonstigen, im Fahrzeug vorhandenen steifen Rahmen abstützen können.
Daneben ist auch der Einsatz flächenhafter Aktuatoren möglich, die keiner Abstüt­ zung an einer steifen Struktur bedürfen.
In einer anderen Ausführung gemäß der Erfindung kann das zwischen den beiden Scheiben vorhandene Medium zur Unterstützung der Aktuatoren bei der Anregung der inneren Scheibe eingesetzt werden. Dazu werden in diesem Medium gezielt Druckschwankungen erzeugt. Dadurch wird das Schwingungsverhalten der inneren Scheibe beeinflusst, und die am Rand der Scheibe positionierten Aktuatoren werden in ihrer Wirkung unterstützt.
Die erfindungsgemäße Scheibe hat den Vorteil, dass die innere Scheibe gezielt auf die akustischen Anforderungen abgestimmt werden kann, so dass eine optimale Steuerung der Anregung möglich ist.
Durch die äußere Scheibe findet außerdem nur eine geringfügige Schallausbreitung nach außen statt.
Die erfindungsgemäße Scheibe ist sowohl als feststehende Scheibe als auch als absenkbare Scheibe nutzbar. Sie kann sowohl in alle Arten von Fahrzeugen, insbe­ sondere Kraftfahrzeugen, schienengebundenen Fahrzeugen und Luftfahrzeugen, als auch in Gebäuden eingesetzt werden.
Ausgebildet als Fahrzeugscheibe zur gezielten Schallerzeugung besitzt die erfin­ dungsgemäße Scheibe mehrere Einsatzgebiete:
  • 1. Nutzung der Scheiben als schallerzeugende Flächen zur aktiven Geräuschminde­ rung im Innenraum des Fahrzeuges. Auf diese Weise ist es möglich, störende Anteile im Innengeräusch zu unterdrücken und somit den Geräuschkomfort deut­ lich zu erhöhen.
  • 2. Nutzung der Scheiben als Lautsprecherersatz für ein In-Car Entertainment- System. Dazu werden die Aktuatoren der aktiven Scheibe mit Audio-Signalen angesteuert. Die aktive Scheibe bietet somit die Möglichkeit, bestehende Audio­ systeme im Fahrzeug zu ergänzen oder zu ersetzen. In Form der Scheiben ste­ hen großflächige und hochliegende Bereiche zur Schallerzeugung zur Verfügung, so dass ein vorteilhaftes Surround-Sound-Schallfeld entsteht, das auch aus Kopf­ höhe einwirkt.
  • 3. Ferner ist durch die erfindungsgemäße Ausbildung als Doppelscheibe der Schalldurchgangsverlust wesentlich erhöht, so dass störende Außengeräusche über die Scheiben nur in geringem Maße ins Fahrzeuginnere geleitet werden. Zusätzlich kann durch eine gezielte aktive Ansteuerung der inneren Scheibe der Schalldurchgangsverlust noch weiter erhöht werden.
  • 4. Die gezielte Schallerzeugung im Innenraum des Fahrzeuges über die Scheiben ermöglicht eine Beeinflussung des Klangs, und damit also auch ein Sound Design. Ein gewünschter Fahrzeugklang im Innenraum kann folglich aktiv über die Scheiben erzeugt werden.
Die Erfindung wird anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf Figur näher erläu­ tert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführung der erfindungsgemäßen aktiven Scheibe in zwei Ansichten;
Fig. 2 eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen aktiven Scheibe mit Abstützung der Aktuatoren an einem steifen Rahmen;
Fig. 3 weitere erfindungsgemäße Ausführungen unter Einsatz flächenhafter Aktuatoren;
Fig. 4 eine weitere erfindungsgemäße Ausführung mit einem Aktuator in Schei­ benebene;
Fig. 5 das Blockschaltbild einer Feedback-Regelung zur aktiven Geräuschminde­ rung im Innenraum eines Fahrzeugs;
Fig. 6 das Blockschaltbild einer Feedforward-Regelung zur aktiven Geräu­ schminderung im Innenraum eines Fahrzeugs.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführung der erfindungsgemäßen aktiven Scheibe in der Ausführung als Fahrzeugscheibe, und zwar im Querschnitt (oben) und in Draufsicht (unten). Die äußere Scheibe 1 - es kann sich hierbei insbesondere um die im Fahrzeug bereits vorhandene, vormontierte Fahrzeugscheibe handeln - wird durch eine zweite, dünnere Scheibe 4 ergänzt. Die Scheiben 1,4 sind in dieser Ausführung gekrümmt ausgeführt. Beide Scheiben 1,4 werden entlang ihres Randes mittels einer Dichtung 3 elastisch verbunden und abgedichtet. In der elastischen Dichtung 3 beider Scheiben 1,4 sind Paare von Aktuatoren 2 integriert. Es handelt sich in dieser Ausführung um punktförmig wirkende Aktuatoren, die sich an der steiferen äußeren Scheibe 1 abstützen und an punktförmigen Stellen Kräfte senkrecht zur Scheibene­ bene erzeugen. Es können zum Beispiel piezoelektrische Aktuatoren eingesetzt werden, die sich bei elektrischer Ansteuerung in Richtung senkrecht zur Scheibene­ bene ausdehnen oder zusammenziehen. Bei gegenphasiger Ansteuerung zweier nebeneinanderliegender Aktuatoren resultiert ein Biegemoment, welches die Scheibe 4 zu Biegeschwingungen anregt. Die Anregung der Scheibe durch ein Biegemoment stellt den wohl wirkungsvollsten Mechanismus dar, jedoch können auch andere Phasenlagen der beiden Aktuatoren realisiert werden. Bei einer gleichphasigen Ansteuerung zum Beispiel wird die anzuregende Scheibe gleichmäßig ausgelenkt und wirkt somit wie ein Kolbenstrahler. Über die Aktuatoren 2 können so Kräfte bzw. Momente in die anzusteuernde Scheibe 4 eingeleitet werden.
Die integrierten Aktuatoren 2 befinden sich typischerweise an diskreten Positionen entlang des Umfangs der Scheibe, je nach den akustischen Anforderungen über den gesamten Umfang (gleichmäßig oder ungleichmäßig) verteilt oder an bestimmten Positionen am Umfang konzentriert. In Fig. 1 sind exemplarisch zehn Positionen entlang des Umfangs gezeigt. Die genaue Anzahl und Position der Aktuatoren kann im Hinblick auf die akustischen Anforderungen optimiert werden. Außerdem kann die anzusteuernde Scheibe 4 durch Veränderung der Materialeigenschaften und/oder ihrer Dicke an die akustischen Anforderungen angepasst werden. Durch Ansteuerung der Aktuatoren wird die anzusteuernde Scheibe zu Biegeschwingungen angeregt und kann gezielt zur Schallerzeugung genutzt werden.
Zur besseren Einleitung der durch die Aktuatoren erzeugten Kräfte in die anzusteu­ ernde Scheibe kann letztere im Bereich der Aktuatoren durch Metallplättchen o. ä. verstärkt werden. Vorteilhaft kann z. B. im Falle der Fig. 1 mit zwei nebeneinanderlie­ genden punktförmig wirkenden Aktuatoren ein Metallplättchen auf der Oberfläche der Scheibe 4 angeordnet werden, auf dem beide nebeneinanderliegende Aktuatoren angeordnet sind.
Fig. 2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Fahrzeugscheibe. Die Aktuatoren 2 sind in dieser Ausführung auf der der äußeren Scheibe 1 abgewandten Seite der aktiven Scheibe 4 angeordnet und stützen sich dort an einem steifen Rahmen 6, z. B. der Karosserie ab.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten geometrischen Verhältnisse stellen ausgewählte Beispiele dar; die Anwendung der Erfindung Prinzips ist jedoch nicht auf Scheiben dieser Geometrie beschränkt. Insbesondere können auch Scheiben mit nicht geradli­ nigen Rändern und vor allem auch ebene Scheiben verwendet werden. Außerdem ist das erfindungsgemäße Prinzip nicht auf festeingebaute Scheiben beschränkt, sondern lässt sich auch auf absenkbare Scheiben anwenden, weil das erfindungs­ gemäße Doppelscheibensystem eine abgeschlossene, komplett abgedichtete Einheit darstellt.
Ferner sind zur Anregung der Scheibe auch andere, flächenhafte Aktuatoren mög­ lich. Sie können alleine oder als Unterstützung zusammen mit den zuvor beschriebe­ nen Aktuatoren eingesetzt werden. Im Unterschied zu den zuvor beschriebenen Aktuatoren benötigen diese flächenhaften Aktuatoren keine Abstützung an der äußeren Scheibe oder einer sonstigen steifen Struktur.
Zur Anwendung als flächenhafte Aktuatoren eignen sich sowohl Elongatoren als auch Biegeaktoren. Ein Elongator umfasst mindestens eine, in der Regel aber mehrere übereinander gestapelte piezoelektrische Platten, z. B. aus einem keramischen Material. Bei Vorgabe einer elektrischen Spannung dehnen sich die Platten parallel zur Plattenoberfläche aus. Wird ein solcher Aktuator auf die Scheibe geklebt, können Biegemomente auf diese übertragen werden.
Werden benachbarte Platten mit entgegengesetzter elektrischer Polung angesteuert, so entsteht ein Biegeaktuator. Wird dieser auf die Scheibe aufgeklebt, so können ebenfalls Biegemomente auf die Scheibe übertragen werden.
Die flächenhaften Aktuatoren werden entlang des Randes der Scheibe aufgeklebt, wie in Fig. 3, links oben dargestellt.
Die flächenhaften Aktuatoren können auf die Innenseite oder auf die Außenseite (integriert in die elastische Dichtung 3) oder auch auf beiden Seiten der anzuregen­ den Scheibe 4 geklebt werden, wie die übrigen Skizzen der Fig. 3 im einzelnen zeigen.
Für die in einem Rahmen eingebaute Scheiben bietet sich die Möglichkeit, die Aktuatoren auch in der Scheibenebene zu platzieren. Hierbei werden dynamische Kräfte in Richtung der Scheibenebene erzeugt, welche die Scheibe zu Biegeschwin­ gungen anregen. Die in Scheibenebene platzierten Aktuatoren können sowohl allein als auch unterstützend zu den bisher beschriebenen Aktuatoren eingesetzt werden. Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel. Der Aktuator 2, bevorzugt ein punktförmig wirkender Aktuator, ist in Scheibenebene am Rand der Scheibe 4 angeordnet und stützt sich am festen Rahmen 6 ab.
Zur Unterstützung der bisher beschriebenen Aktuatoren kann auch ein Medium 5 zwischen den beiden Scheiben genutzt werden: durch geeignete Erzeugung von periodischen Druckschwankungen im Zwischenraum 5 (Fig. 1) der beiden Scheiben 1,4 kann das Schwingungsverhalten der anzusteuernden Scheibe 4 beeinflusst werden und die am Rand positionierten Aktuatoren 2 werden in ihrer Wirkung unterstützt. Die Erzeugung der notwendigen Druckschwankungen erfolgt hierbei außerhalb des Scheibensystems, z. B. durch einen über geeignete Rohrleitungen angeschlossenen Druckerzeuger.
Die erfindungsgemäße Fahrzeugscheibe eignet sich insbesondere als schallerzeu­ gende Fläche für die aktive Geräuschminderung im Innenraum des Fahrzeuges. Ein bestehendes Schallfeld im Innenraum des Fahrzeuges (Primärfeld) wird derart mit einem weiteren Schallfeld (Sekundärfeld) überlagert, dass eine Reduzierung der Schallpegel erfolgt. Das Sekundärfeld wird hierbei von der aktiven Scheibe erzeugt. Zur richtigen Ansteuerung der aktiven Scheiben wird ein Regler benötigt. Typische Regelstrukturen wie z. B. Feedback und Feedforward sind in den Fig. 5 und 6 in Form von Prinzipskizzen dargestellt. Dem in den Skizzen eingezeichneten Schallwandler entspricht im vorliegenden Fall die aktive Scheibe.
Bei der Feedback-Regelung gemäß Fig. 5 wird im Bereich der Überlagerung von Primärfeld und Sekundärfeld die Stärke des resultierenden Schallfeldes mittels eines Detektors gemessen. Dieser Messwert dient dem Regler (Controller) zur Steuerung des Schallwandlers für die Erzeugung des Sekundärfelds.
Bei der Feedforward-Regelung gemäß Fig. 6 bildet die Messung des Primärfelds, welche mit einem Detektor gemessen wird, das Referenzsignal für den Regler (Controller). Aufgrund dieses Referenzwertes steuert der Regler die Erzeugung des Sekundärfelds durch den Schallwandler. Zur Feinabstimmung kann auch hier ein Minimierungssensor im Überlagerungsbereich vorhanden sein, dessen Ausgang mit dem Regler verbunden ist.

Claims (12)

1. Akustisch aktive Scheibe, insbesondere Fahrzeugscheibe, mit einer ersten äußeren Scheibe (1), einer zweiten, inneren Scheibe (4) zum Innenraum hin, deren Dicke geringer ist als die Dicke der äußeren Scheibe (1), wobei die äußere Scheibe (1) und die innere Scheibe (4) an ihren Rändern miteinander verbunden sind und einen Abstand voneinander aufweisen und auf der inneren Scheibe (1) auf die innere Scheibe (4) wirkende Aktuatoren (2) vorhanden sind, um das Schwingungsverhalten der inneren Scheibe (4) zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass
die Verbindung der äußeren und inneren Scheibe (1, 4) elastisch ist,
die Aktuatoren (2) an den Rändern der inneren Scheibe in der elastischen Verbindung in Aktuatorpaaren angeordnet sind,
wobei die Aktuatoren (2) eines Aktuatorpaars gegenphasig ansteuerbar sind, um ein Bie­ gemoment zu erzeugen, das die Scheibe zu Biegeschwingungen anregt.
2. Akustisch aktive Scheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Aktuatoren (2) um punktförmig wirkende Aktuatoren handelt.
3. Akustisch aktive Scheibe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Aktuatoren (2) an der äußeren Scheibe (1) abstützen.
4. Akustisch aktive Scheibe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Aktuatoren (2) an einem steifen Rahmen (6), benachbart zum Rand der inneren Scheibe (4), abstützen.
5. Akustisch aktive Scheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Aktuatoren (2) um flächenhafte Aktuatoren handelt.
6. Akustisch aktive Scheibe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoren in der Ebene der inneren Scheibe (4) angeordnet sind.
7. Akustisch aktive Scheibe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie im Bereich der Aktuatoren, z. B. durch Metallplättchen, verstärkt ist.
8. Akustisch aktive Scheibe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Erzeugung periodischer Druckschwankungen in einem Medium, das sich im Zwischenraum (5) zwischen den beiden Scheiben (1, 4) befindet, vorhanden ist.
9. Verwendung der akustisch aktiven Scheibe nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Gegen­ schallerzeugung für die aktive Geräuschminderung im Innenraum eines Fahrzeugs.
10. Verwendung der akustisch aktiven Scheibe nach einem der vorangehenden Ansprüche als Audiolaut­ sprecher in einem Fahrzeug.
11. Verwendung der akustisch aktiven Scheibe nach einem der vorangehenden Ansprüche als Schall­ schutzeinrichtung mit erhöhtem Schalldurchgangsverlust.
12. Verwendung der akustisch aktiven Scheibe nach einem der vorangehenden Ansprüche als Einrich­ tung zur Beeinflussung des Klangs im Innenraum eines Fahrzeugs.
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