DE102015100442B4

DE102015100442B4 - Aktives akustisches schwarzes Loch zur Schwingungs- und Lärmreduktion und Verfahren zum Dämpfen von Schwingungen einer Struktur

Info

Publication number: DE102015100442B4
Application number: DE102015100442.9A
Authority: DE
Inventors: Oliver Unruh; Thomas Haase; Hans Peter Monner; Martin Pohl
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2015-01-13
Filing date: 2015-01-13
Publication date: 2020-11-26
Anticipated expiration: 2035-01-14
Also published as: DE102015100442A1

Abstract

Vorrichtung mit einer ein akustisches schwarzes Loch (2) aufweisenden schwingungsfähigen Struktur (1) und einer im Bereich des akustischen schwarzen Lochs (2) mechanisch an die Struktur (1) angekoppelten Schwingungsdämpfungseinrichtung, die einen mechanisch an die Struktur (1) angekoppelten elektrisch-mechanischen Wandler (4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsdämpfungseinrichtung eine elektrisch an den Wandler (4) angeschlossene Ansteuerschaltung (7) umfasst, die den Wandler (4) aktiv so ansteuert, dass die Wellenleiterimpedanz der Struktur (1) in dem akustischen schwarzen Loch (2) mit dem Wandler (4) an diejenige eines idealen schwarzen Lochs angenähert wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einer ein akustisches schwarzes Loch aufweisenden schwingungsfähigen Struktur und einer im Bereich des akustischen schwarzen Lochs mechanisch an die Struktur angekoppelten Schwingungsdämpfungseinrichtung, die einen mechanisch an die Struktur angekoppelten elektrisch-mechanischen Wandler umfasst. Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Dämpfen von Schwingungen einer Struktur mit den Schritten Ausbilden eines akustischen schwarzen Lochs in oder an der Struktur und mechanisch Ankoppeln eines elektrisch-mechanischen Wandlers einer Schwingungsdämpfungseinrichtung an die Struktur im Bereich des akustischen schwarzen Lochs.
Unter einem akustischen schwarzen Loch einer schwingungsfähigen Struktur ist ein Bereich der Struktur zu verstehen, in dem die Wandstärke der Struktur stetig abnimmt, im Idealfall bis auf null. Die Amplitude von Biegeschwingungen, die in ein akustisches schwarzes Loch einlaufenden, nimmt mit der Abnahme der Wandstärke zu. Die Wellengeschwindigkeit der Biegeschwingungen nimmt zugleich ab und wird im Idealfall null. Aus diesem Grund werden die Biegeschwingungen nicht reflektiert, ebenso wenig wie Licht nicht wieder aus einem schwarzen Loch heraus gelangt, daher die Bezeichnung akustisches schwarzes Loch. Da die Schwingungsenergie mit den in das akustische schwarze Loch einlaufenden aber nicht reflektierten Schwingungen in dem akustischen schwarzen Loch gesammelt wird, resultiert eine Dämpfung der Biegeschwingungen der Struktur außerhalb des akustischen schwarzen Lochs.
Akustische schwarze Löcher können durch ein keilförmiges Auslaufen der Wandstärke am Rand einer schwingungsfähigen Struktur ausgebildet werden. Sie können auch innerhalb einer schwingungsfähigen Struktur, d. h. als randgeschlossene Löcher, ausgebildet werden, an die in allen Hauptrichtungen der Struktur die Struktur mit ungeschwächter Wandstärke angrenzt. Im Zentrum eines solchen randgeschlossenen schwarzen Lochs kann die Struktur ein echtes Loch aufweisen.
STAND DER TECHNIK
In der praktischen Nutzung von akustischen schwarzen Löchern zum Dämpfen von Schwingungen einer Struktur stellt sich heraus, dass schwarze Löcher, in denen die Wandstärke der Struktur auf null zurückgeht und die dennoch den mit abnehmender Wandstärke zunehmenden Amplituden der einlaufenden Biegeschwingungen standhalten, nicht herstellbar sind.
Aus der US 2013/0071251 A1 ist eine schwingungsdämpfende Schaufel für ein Fluid beschrieben. Bei der Schaufel kann es sich um eine Stator- oder Rotorschaufel, beispielsweise in einer Gasturbine, aber auch um ein Propellerblatt oder ein anderes Rotorblatt handeln. Die Schaufel läuft keilförmig aus, um ein eindimensionales akustisches Loch an einer Vorder- oder Hinterkante auszubilden. Der keilförmige Bereich wird von einem Dämpfungsglied bedeckt. Das Dämpfungsglied ist aus einem Material, wie beispielsweise einem Polymer oder Gummi, ausgebildet, das Dämpfungseigenschaften aufweist. In dem keilförmigen Bereich ist das Dämpfungsglied durch eine keramische oder metallische Schicht abgedeckt. Die Beschichtung des keilförmigen Bereichs mit dem Dämpfungselement und seiner Abdeckung führen dazu, dass das an der bekannten Schaufel ausgebildete akustische schwarze Loch eine minimale Wandstärke aufweist, die noch stärker von einem idealen akustischen schwarzen Loch abweicht. Auch die Dämpfungswirkung des Dämpfungsglieds steht der Ausbildung eines idealen akustischen Lochs mit gegen null gehender Wellengeschwindigkeit einlaufender Biegeschwingungen entgegen.
Aus ZHAO, L.; CONLON, S.; SEMPERLOTTI, F.: Broad band energy harvesting using acoustic black hole structural tailoring. In: Smart Material and Structures, Vol. 23, Juni 2014, No. 6, S. 1-9. - ISSN 0964-1726 ist es bekannt, mit einem elektrisch-mechanischen Wandler, der im Bereich eines schwarzen Lochs an einer schwingenden Struktur angeordnet ist, elektrische Energie zu ernten. Konkret ist der Wandler dabei über den gesamten Bereich des akustischen Lochs hinweg, in dem die Wandstärke der Struktur nicht auf null zurückgeht, also kein echtes Loch in der Struktur vorliegt, flach auf der Struktur angeordnet. Da mit dem Ernten der elektrischen Energie eine Schwingungsdämpfung einhergeht, sind aus dem genannten Dokument eine Vorrichtung mit dem Merkmal des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 11 bekannt.
Aus der US 2013/0181689 A1 ist es bekannt, einen Wandler, mit dem elektrische Energie von einer schwingenden Struktur geerntet wird, über eine Leistungselektronik an einen Speicher für die elektrische Energie anzuschließen. Die Leistungselektronik umfasst mindestens ein Steuerelement, mit dem eine variable Dämpfung des Wandlers einstellbar ist. Diese variable Dämpfung wird mit Hilfe einer Steuerelektronik eingestellt, abhängig von einem Sensor, der Eigenschaften eines Zeitverlaufs von Schwingungen des Wandlers erfasst. Zu den mit dem Sensor erfassten Eigenschaften des Zeitverlaufs der Schwingungen des Wandlers zählt die Frequenz einer Anregung des Wandlers. Die Dämpfung kann auch auf negative Werte eingestellt werden. Konkret beschrieben wird das Ernten von elektrischer Energie in einem Bohrloch, in dem die Schwingungen der Struktur durch eine aufsteigende Strömung oder ein Bohrgestänge hervorgerufen werden.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit einer ein akustisches schwarzes Loch aufweisenden schwingungsfähigen Struktur und ein Verfahren zum Dämpfen von Schwingungen einer Struktur aufzuzeigen, die in besonders effizienter Weise das akustische schwarze Loch zum Dämpfen der Schwingungen der Struktur ausnutzen, auch wenn die Wandstärke der Struktur im Bereich des akustischen schwarzen Lochs nicht ideal bis auf null ausläuft.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 11 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer ein akustisches schwarzes Loch aufweisenden schwingungsfähigen Struktur umfasst eine Schwingungsdämpfungseinrichtung einen im Bereich des akustischen schwarzen Lochs mechanisch an die Struktur angekoppelten elektrisch-mechanischen Wandler. Mit dem elektrisch-mechanischen Wandler können die Eigenschaften des akustischen schwarzen Lochs auf vielfältige Weise beeinflusst werden, um der praktischen geometrischen Ausformung des akustischen schwarzen Lochs Rechnung zu tragen, um die Belastung des Materials der schwingungsfähigen Struktur im Bereich des akustischen schwarzen Lochs gezielt zu begrenzen und um dennoch das akustische schwarze Loch effizient für die Dämpfung von Schwingungen der Struktur zu nutzen. Dabei wird von der Ansteuerbarkeit des elektrisch-mechanischen Wandlers auf seiner elektrischen Seite, wobei sich jede Ansteuerung auf die mechanische Seite auswirkt, gezielt Gebrauch gemacht.
Die Schwingungsdämpfungseinrichtung umfasst eine elektrisch an den Wandler angeschlossene Ansteuerschaltung umfassen, die den Wandler aktiv ansteuert. Zum Beispiel kann die Ansteuerschaltung eine Regelschleife umfassen, die eine an mindestens einem Ort der Struktur erfasste Schwingungsamplitude optimiert, d. h. minimiert, maximiert oder in einem vorgegebenen Wertebereich hält. Wenn die Schwingungsamplitude außerhalb des akustischen schwarzen Lochs erfasst wird, geht es darum, die Schwingungsamplitude zu minimieren, weil dies unmittelbar gleichbedeutend mit einer Schwingungsdämpfung der Struktur ist. Bei einer in dem akustischen schwarzen Loch erfassten Schwingungsamplitude kann es aber auch sinnvoll sein, diese zu maximieren, wenn auch nicht durch Einführen von Schwingungsenergie mit dem elektrisch mechanischen Wandler, sondern durch Idealisieren der Eigenschaften des realen akustischen schwarzen Lochs mit Hilfe des elektrisch-mechanischen Wandlers. Dies kann bedeuten, dass die Steifigkeiten der Struktur im Bereich des realen akustischen schwarzen Lochs mit Hilfe des elektrisch-mechanischen Wandlers an den idealen Verlauf der Steifigkeiten in einem akustischen schwarzen Loch angepasst werden. Es kann auch sinnvoll sein, die in dem akustischen schwarzen Loch erfasste Schwingungsamplitude auf einen vorgegebenen Wert zu begrenzen oder anderweitig in einem vorgegebenen Wertebereich zu halten, um die Idealisierung des akustischen schwarzen Lochs nicht so weit zu treiben, dass es in ihm zu Überbeanspruchungen des Materials der Struktur kommt.
Die Schwingungsdämpfungseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auch eine an den Wandler angeschlossene Ernteschaltung für elektrische Energie umfassen. Die Amplitudenvergrößerung in einem akustischen schwarzen Loch ermöglicht es, dort elektrische Energie mit besonders geringem apparativem Aufwand zu ernten. Gleichzeitig führt das Ernten der elektrischen Energie zu dem gewünschten Entfernen von Schwingungsenergie aus der Struktur.
Es ist auch möglich, gleichzeitig mit einer Ansteuerschaltung den elektrisch-mechanischen Wandler aktiv anzusteuern und elektrische Energie mittels einer Ernteschaltung von ihm abzuführen. Dabei kann die Ansteuerschaltung eine Regelschleife umfassen, die mit der Ernteschaltung von dem Wandler geerntete elektrische Energie durch Einstellen einer Wellenleiterimpedanz der Struktur in das akustische schwarze Loch maximiert. Das heißt, mittels des elektrisch-mechanischen Wandlers wird die Konzentration der Schwingungsenergie in der schwingenden Struktur auf das akustische schwarze Loch optimiert und andererseits die dort konzentrierte Schwingungsenergie in elektrische Energie umgewandelt, um sie an dieser Stelle effizient zu ernten. Es versteht sich, dass die hier maximierte geerntete elektrische Energie die Nettoenergie nach Abzug der für die Ansteuerung des elektrisch-mechanischen Wandlers aufgebrachten Energie sein sollte.
Die Schwingungsdämpfungseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auch ein elektrisch an den Wandler angeschlossenes Shunt-Netzwerk umfassen, das zusammen mit dem elektrisch-mechanischen Wandler einen anpassbaren Schwingungsdämpfer oder Schwingungstilger ausbildet. Diese Anpassbarkeit kann auch im Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgen, insbesondere dann, wenn das Shunt-Netzwerk wenigstens ein einstellbares elektrisches oder elektronisches Bauteil aufweist, das sich auf die Tilgereigenfrequenz des mit seiner Hilfe aufgebauten Schwingungsdämpfers auswirkt. Es kann auch ein Shunt-Netzwerk mit breitbandiger Wirkung eingesetzt werden. Ein solches Shunt-Netzwerk mit breitbandiger Wirkung kann beispielsweise eine Schaltung mit einer sogenannten negativen Kapazität aufweisen.
Neben dem elektrisch-mechanischen Wandler kann die Schwingungsdämpfungseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen an die mechanische Struktur angekoppelten mechanischen Dämpfer umfassen. Hier schließt der Begriff „mechanischer Dämpfer“ auch solche Dämpfer ein, deren Funktion auf viskoelastischen Flüssigkeiten und Festkörpern oder viskosen Flüssigkeiten oder dergleichen basiert. Auch solche mechanischen Dämpfer können einstellbar sein, sie sind aber nicht aktiv ansteuerbar, worunter insbesondere ein Ansteuern mit Ansteuersignalen im selben Frequenzbereich wie die zu dämpfenden Schwingungen der Struktur zu verstehen ist. Ein einstellbarer mechanischer Dämpfer kann beispielsweise auf einem elektro- und/oder magnetorheologischen Material basieren, insbesondere einem elektro- und/oder magnetorheologischen Fluid oder Festkörper.
Wie bereits weiter oben angesprochen wurde, kann das akustische schwarze Loch der erfindungsgemäßen Vorrichtung an deren Rand liegen. Insbesondere handelt es sich aber um ein randgeschlossenes akustisches schwarzes Loch im Inneren der schwingungsfähigen Struktur, das von Teilen der schwingungsfähigen Struktur ohne die im Bereich des akustischen schwarzen Lochs vorhandene Materialschwächung begrenzt wird.
Eine Materialschwächung der Struktur im Bereich des akustischen schwarzen Lochs kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung teilweise durch die Schwingungsdämpfungseinrichtung, insbesondere durch deren elektrisch-mechanischen Wandler, kompensiert sein. Damit führt der elektrisch-mechanische Wandler zwar wie im Stand der Technik gemäß der US 2013/0071251 A1 weiter von einem idealen akustischen schwarzen Loch weg. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann jedoch genau dies durch Ansteuern des elektrisch-mechanischen Wandlers kompensiert werden.
Es versteht sich, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung auch mehrere akustische schwarze Löcher in der Struktur aufweisen kann. Dabei muss nicht im Bereich jedes schwarzen Lochs jeweils eine Schwingungsdämpfungseinrichtung an die Struktur gekoppelt sein, auch wenn dies grundsätzlich sinnvoll ist.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Dämpfen von Schwingungen einer Struktur mit den Schritten Ausbilden eines akustischen schwarzen Lochs in oder an der Struktur und mechanisch Ankoppeln eines elektrisch-mechanischen Wandlers einer Schwingungsdämpfungseinrichtung an die Struktur im Bereich des akustischen schwarzen Lochs erfolgt der weitere Schritt des elektrischen Ansteuerns des an die Struktur mechanisch angekoppelten elektrisch-mechanischen Wandlers der Schwingungsdämpfungseinrichtung. Dieses Ansteuern erfolgt insbesondere aktiv, d. h. mit Frequenzen im Bereich der Frequenzen der zu dämpfenden Schwingungen der Struktur.
Darüber hinaus kann an mindestens einem Ort der Struktur eine Schwingungsamplitude erfasst und die Schwingungsamplitude durch das elektrische Ansteuern des Wandlers optimiert, d. h. minimiert, maximiert oder in einem vorgegebenen Wertebereich gehalten werden.
Es kann auch eine Ernteschaltung für elektrische Energie elektrisch an den Wandler angeschlossen werden. Dann kann mit der Ernteschaltung von dem Wandler geerntete elektrische Energie durch das elektrische Ansteuern des Wandlers maximiert werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einem akustischen schwarzen Loch die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein akustisches schwarzes Loch, zwei akustische schwarze Löcher oder mehr akustische schwarze Löcher vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die das jeweilige Erzeugnis aufweist.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

1 ist ein schematischer Längsschnitt durch ein randgeschlossenes akustisches schwarzes Loch einer Vorrichtung mit einer Energieernteschaltung, die als solches nicht unter die Patentansprüche fällt.
2 ist ein schematischer Längsschnitt durch ein randgeschlossenes akustisches schwarzes Loch einer zweiten Vorrichtung mit einer Ansteuerschaltung für einen elektrisch-akustischen Wandler und einem Schwingungssensor, die als solches nicht unter die Patentansprüche fällt.
3 ist ein Längsschnitt durch ein randgeschlossenes akustisches schwarzes Loch einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
4 ist ein schematischer Längsschnitt durch ein randgeschlossenes akustisches schwarzes Loch einer weiteren Vorrichtung mit einem Shunt-Netzwerk, die als solches nicht unter die Patentansprüche fällt.
5 ist eine Draufsicht auf eine schwingungsfähige Struktur einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit drei randgeschlossenen akustischen schwarzen Löchern, die als solches nicht unter die Patentansprüche fällt; und
6 ist ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

FIGURENBESCHREIBUNG
1 illustriert sehr schematisch einen Ausschnitt einer schwingungsfähigen Struktur 1, in der ein akustisches schwarzes Loch 2 ausgebildet ist. Die schwingungsfähige Struktur 1 ist im Wesentlichen zweidimensional, d. h. wand-, platten- oder blechförmig, und in ihr breiten sich Biegeschwingungen 3 aus. Das akustische schwarze Loch 2 ist ein Bereich der Struktur 1 mit stetig, im Idealfall bis auf null abnehmender Wandstärke der Struktur 1. Real nimmt die Wandstärke der Struktur 1 in dem akustischen schwarzen Loch 2 auf beispielsweise etwa 1/5 ihrer Materialstärke in den angrenzenden nicht geschwächten Bereichen ab. Die Wellengeschwindigkeit der in das akustische schwarze Loch 2 einlaufenden Biegeschwingungen 3 nimmt mit der abnehmenden Wandstärke der Struktur 1 in dem akustischen schwarzen Loch 2 ab. Wenn die Wellengeschwindigkeit im Idealfall auf null zurückgeht, findet keine Reflektion der Biegeschwingungen 3 in dem akustischen schwarzen Loch 2 statt. Anders gesagt verlassen die Biegeschwingungen 3 das akustische schwarze Loch 2 nicht mehr. Allerdings nimmt die Amplitude der Biegeschwingungen 3 über die abnehmende Wandstärke der Struktur 1 im Bereich des akustischen schwarzen Lochs 2 zu. Daher kann die Wandstärke in realen akustischen schwarzen Löcherns 2 nicht gegen null abnehmen, weil sonst das Material der Struktur 1 unweigerlich überlastet würde. Bei der Struktur 1 der Vorrichtung gemäß 1 ist in dem akustischen schwarzen Loch 2 ein elektrisch-mechanischer Wandler 4 mechanisch an die Struktur 1 angekoppelt. Der Wandler 4 wandelt die Biegeschwingungen 3 der Struktur 1 auf seiner mechanischen Seite in elektrische Schwingungen auf seiner elektrischen Seite um. Dies geschieht besonders effizient in dem akustischen schwarzen Loch 2, weil hier die Amplituden der Biegeschwingungen 3 besonders groß sind. Eine elektrisch an den Wandler 4 angeschlossene Ernteschaltung 5 erntet elektrische Energie 6 aus den elektrischen Schwingungen. In Form dieser elektrischen Energie 6 wird der Struktur 1 Schwingungsenergie entzogen. Auf diese Weise wird die Schwingungsamplitude in dem akustischen schwarzen Loch 2 praktisch begrenzt und eine Überlastung des Materials der Struktur 1 in dem akustischen schwarzen Loch 2 verhindert. Ausgenutzt wird das akustische schwarze Loch 2 dabei einmal in der Hinsicht, dass es die Schwingungsenergie der Struktur in seinem Bereich konzentriert, und zusätzlich in der Hinsicht, dass es dabei die Schwingungsamplitude der einlaufenden Biegeschwingungen 3 erhöht, was die Umwandlung in elektrische Energie 6 besonders einfach macht.
Die in 2 illustrierte Vorrichtung unterscheidet sich von derjenigen gemäß 1 dadurch, dass der elektrisch-mechanische Wandler 4 kein flächiger Wandler, wie beispielsweise eine Piezofolie, ist, sondern ein punktförmiger Wandler, der aber auch nach dem Piezo-Prinzip arbeiten kann. Generell kann der elektrisch-mechanische Wandler 4 nach jedwedem Prinzip arbeiten, das mechanische Arbeit in elektrische umsetzt. Dies schließt auch einen Wandler 4 in Form eines Linearmotors ein. Zur Ansteuerung dieses Wandlers 4 im Zentrum des akustischen schwarzen Lochs 2 ist eine Ansteuerschaltung 7 vorgesehen, die die Schwingungsamplitude in dem akustischen schwarzen Loch 2 mit einem Schwingungssensor 8 erfasst. Die Position des Sensors muss dabei mit der Position des Wandlers nicht übereinstimmen. Die Ansteuerung des Wandlers 4 erfolgt dabei in Abhängigkeit von der Schwingungsamplitude beispielsweise so, dass diese minimiert wird, wozu mittels des Wandlers 4 möglichst viel der in das akustische schwarze Loch 2 eintretenden Schwingungsenergie absorbiert werden muss.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 3 ist wie in 1 ein flächiger Wandler 4 in dem akustischen schwarzen Loch 2 an die Struktur ein angekoppelt. Dabei ist wie in 2 eine Ansteuerschaltung 7 für den Wandler 4 vorgesehen, die mit einem Schwingungssensor 8 die Schwingungsamplitude in dem akustischen schwarzen Loch 2 erfasst. Zusätzlich ist hier ein Schwingungssensor 9 außerhalb des akustischen schwarzen Lochs 2 an der Struktur 1 vorgesehen, dessen Signal die Ansteuerschaltung 7 ebenfalls berücksichtigt. Dabei kann die Ansteuerung des Wandlers 4 beispielsweise so erfolgen, dass die von dem Schwingungssensor 9 erfasste Schwingungsamplitude der Struktur minimiert wird und dazu die mit dem Schwingungssensor 8 erfasste Schwingungsamplitude innerhalb vorgegebener Grenzen möglichst hoch gehalten wird, ohne aber mit dem Wandler 4 Schwingungsenergie in die Struktur 1 einzuleiten. Vielmehr wird in diesem Fall mit dem Wandler 4 die Wellenleiterimpedanz der Struktur 1 in dem akustischen schwarzen Loch 2 an diejenige eines idealen schwarzen Lochs angenähert, was dazu führt, dass die mit dem Schwingungssensor 8 erfasste Schwingungsamplitude vergleichsweise groß wird. Dabei kann ein zusätzlicher passiver Schwingungsdämpfer in dem akustischen schwarzen Loch 2 vorgesehen sein, um die Schwingungsenergie in dem akustischen schwarzen Loch 2 in Form von Wärme zu dissipieren.
Auch bei der Vorrichtung gemäß 4 ist in dem akustischen schwarzen Loch 2 ein flächiger elektrisch-mechanischer Wandler 4 vorgesehen, an den hier ein Shunt-Netzwerk 10 elektrisch angeschlossen ist. Das Shunt-Netzwerk 10 wandelt die von dem elektrisch-mechanischen Wandler 4 ausgegebenen elektrischen Schwingungen in Wärme um. Dabei ist vorzugsweise mindestens eine Komponente des Shunt-Netzwerks 10 einstellbar, um die Eigenschaften des aus dem Wandler 4 und dem Shunt-Netzwerk 10 gebildeten Schwingungsdämpfers zu optimieren.
5 illustriert eine Vorrichtung mit drei akustischen schwarzen Löchern 2 in der Struktur 1. In jedem akustischen schwarzen Loch 2 sind ein elektrisch-akustischer Wandler 4 und ein Schwingungssensor 8 vorgesehen. Abhängig von den Signalen der Schwingungssensoren 8 werden die Wandler 4 von einer gemeinsamen Ansteuerschaltung 7 angesteuert, um die Biegeschwingungen 3 der Struktur 1 zu dämpfen. Die Anordnung der akustischen schwarzen Löcher 2 ist so vorzunehmen, dass für die gesamte großflächige Struktur 1 die Schallabstrahlung reduziert und das Schalldämmmaß erhöht wird.
Bei einem in 6 skizzierten erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem ersten Schritt 11 zunächst mindestens ein akustisches schwarzes Loch in der Struktur ausgebildet, deren Schwingungen zu dämpfen sind. Anschließend wird in einem Schritt 12 ein elektrisch-mechanischer Wandler in dem akustischen schwarzen Loch mechanisch an die Struktur angekoppelt. Wenn in einem Schritt 13 eine Schwingungsamplitude der Struktur erfasst wird, kann in einem nachfolgenden Schritt 14 die Schwingungsamplitude durch Ansteuern des Wandlers optimiert werden. Dabei können die bereits erläuterten verschiedenen Strategien zur Ansteuerung des Wandlers zur Anwendung kommen.
Bezugszeichenliste

1: Struktur
2: akustisches schwarzes Loch
3: Biegeschwingung
4: elektrisch-mechanischer Wandler
5: Ernteschaltung
6: elektrische Energie
7: Ansteuerschaltung
8: Schwingungssensor
9: Schwingungssensor
10: Shunt-Netzwerk
11: Schritt
12: Schritt
13: Schritt
14: Schritt

Claims

Vorrichtung mit einer ein akustisches schwarzes Loch (2) aufweisenden schwingungsfähigen Struktur (1) und einer im Bereich des akustischen schwarzen Lochs (2) mechanisch an die Struktur (1) angekoppelten Schwingungsdämpfungseinrichtung, die einen mechanisch an die Struktur (1) angekoppelten elektrisch-mechanischen Wandler (4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsdämpfungseinrichtung eine elektrisch an den Wandler (4) angeschlossene Ansteuerschaltung (7) umfasst, die den Wandler (4) aktiv so ansteuert, dass die Wellenleiterimpedanz der Struktur (1) in dem akustischen schwarzen Loch (2) mit dem Wandler (4) an diejenige eines idealen schwarzen Lochs angenähert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung (7) mit einem Schwingungssensor (8) eine Schwingungsamplitude in dem akustischen schwarzen Loch (2) und mit einem weiteren Schwingungssensor (9) eine Schwingungsamplitude der Struktur (1) außerhalb des akustischen schwarzen Lochs (2) erfasst und eine Regelschleife umfasst, die die von dem weiteren Schwingungssensor (9) erfasste Schwingungsamplitude der Struktur (1) minimiert und dazu die mit dem Schwingungssensor (8) erfasste Schwingungsamplitude in dem akustischen schwarzen Loch (2) in einem vorgegebenen Wertebereich möglichst hoch hält, ohne mit dem Wandler (4) Schwingungsenergie in die Struktur (1) einzuleiten.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsdämpfungseinrichtung eine elektrisch an den Wandler (4) angeschlossene Ernteschaltung (5) für elektrische Energie (6) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung (7) eine Regelschleife umfasst, die mit der Ernteschaltung (5) von dem Wandler (4) geerntete elektrische Energie (6) maximiert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsdämpfungseinrichtung ein elektrisch an den Wandler (4) angeschlossenes Shunt-Netzwerk (10) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Shunt-Netzwert (10) wenigstens ein einstellbares elektrisches oder elektronisches Bauteil aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsdämpfungseinrichtung zusätzlich einen an die mechanische Struktur (1) angekoppelten mechanischen Dämpfer umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das akustische schwarze Loch (2) randgeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Materialschwächung der Struktur (1) im Bereich des akustischen schwarzen Lochs (2) teilweise durch die Schwingungsdämpfungseinrichtung kompensiert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere akustische schwarze Löcher (2) in der Struktur (1) vorhanden sind, in deren Bereich jeweils ein elektrisch-mechanischer Wandler (4) mechanisch an die Struktur (1) gekoppelt ist.
Verfahren zum Dämpfen von Schwingungen einer Struktur (1) mit den Schritten - Ausbilden eines akustischen schwarzen Lochs (2) in oder an der Struktur (1) und - mechanisch Ankoppeln eines elektrisch-mechanischen Wandlers (4) einer Schwingungsdämpfungseinrichtung an die Struktur (1) im Bereich des akustischen schwarzen Lochs (2), gekennzeichnet durch - elektrisch Ansteuern des an die Struktur (1) mechanisch angekoppelten elektrisch-mechanischen Wandlers (4), so dass die Wellenleiterimpedanz der Struktur (1) in dem akustischen schwarzen Loch (2) mit dem Wandler (4) an diejenige eines idealen schwarzen Lochs angenähert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (4) aktiv angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einem Ort der Struktur (1) eine Schwingungsamplitude erfasst und die Schwingungsamplitude durch das elektrische Ansteuern des Wandlers (4) minimiert, maximiert oder in einem vorgegebenen Wertebereich gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ernteschaltung (5) für elektrische Energie (6) elektrisch an den Wandler (4) angeschlossen wird und dass die mit der Ernteschaltung (5) von dem Wandler (4) geerntete elektrische Energie (6) durch das elektrische Ansteuern des Wandlers (4) maximiert wird.