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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Wand mit einer Außenhaut und mit gitterförmig angeordneten Stegen, auf denen die Außenhaut befestigt ist und die die Außenhaut in Gitterfelder unterteilen, wobei zumindest in einigen der einzelnen Gitterfelder schwingungs- und/oder schalldämpfende Schichten ausgebildet sind. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Flugobjekt mit einer solchen Wand.
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Eine Wand mit einer durch rückwärtige Stege in Gitterfelder unterteilten Außenhaut, d. h. eine sogenannte Gridstruktur, kann bei relativ geringem Gewicht formstabil und beispielsweise auch druckfest ausgebildet werden. Bei hoher Steifigkeit und geringer Masse weisen solche Wände jedoch eine niedrige Koinzidenzfrequenz auf, was eine hohe Schallabstrahlung von der Wand zur Folge hat, wenn diese ihrerseits durch Luftschall oder Körperschall zu Schwingungen angeregt wird.
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STAND DER TECHNIK
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Zur Verbesserung der Energieeffizienz von Flugzeugen wird an neuartigen Rumpf- und Antriebskonzepten geforscht. Rümpfe von herkömmlichen Flugzeugen weisen einen doppelwandigen Aufbau mit einer primären Rumpfstruktur in Stringer- und Spantbauweise und einer sekundären Verkleidungsstruktur auf. Demgegenüber basieren einige neuartige Rumpfkonzepte auf Sandwich- oder Gridstrukturen, d. h. gitterversteiften Häuten. Verglichen mit herkömmlichen Rumpfkonzepten ist das Potenzial der Gewichtseinsparung bei Gridstrukturen besonders groß, was eine Motivation für ihren zukünftigen Einsatz in der Luftfahrt darstellt. Besondere Vorteile resultieren beim Einsatz von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK), insbesondere, wenn dieser Einsatz unter Topologieoptimierung erfolgt. Die Akustik von Gridstrukturen ist noch weitgehend unerforscht, obwohl dieses neuartige Rumpfkonzept neue Akustiklösungen erfordert, die dem Grundsatz des Leichtbaus und der Bauraumoptimierung gerecht werden. Aufgrund ihrer hohen Steifigkeit und geringen Masse weisen Gridstrukturen eine besonders niedrige Koinzidenzfrequenz auf, d. h. eine niedrige Grenzfrequenz der Luftschalldämmung, was eine erhöhte Schallabstrahlung zur Folge hat. In Verbindung mit neuartigen Antriebskonzepten, wie Ultra-High-Bypass-Ratio (UHBR) oder Counter-Rotating-Open-Rotor (CROR) sind starke akustische Beeinträchtigungen in der Kabine des jeweiligen Flugzeugs zu befürchten, was den Einsatz der neuartigen Rumpf- und Antriebskonzepte erschweren oder gar verhindern könnte.
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M. L. Drake et al.: An integral acustic control system for composite isogrid structures, SPIE Vol. 1917 Smart Structures and Intelligent Systems (1993), 623-630 beschreiben Versuche, Gridstrukturen durch flächiges Ankoppeln einer Dämpfungsstruktur akustisch zu bedämpfen. Auf ihrer Rückseite weist die Dämpfungsstruktur eine Negativform der Kontur der Gridstruktur auf, und sie ist vollflächig mit der Gridstruktur verbunden. Diese Dämpfungsstruktur kann als Formwerkzeug zur Ausbildung der Gridstruktur verwendet werden.
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Aus W. Akl und A. Baz: „Active Vibration and Noise Control using Smart Foam", Journal of Vibration and Control, Vol. 12, No. 11 (2006), 1173-1203 ist ein intelligenter Schaum zur Verbesserung der strukturellen Akustik einer flexiblen Aluminiumplatte, die an eine steife akustische Kavität gekoppelt ist, bekannt. Der intelligente Schaum besteht aus einer passiven Schaumschicht angebunden an eine Oberfläche eines aktiven piezoelektrischen Verbunds, dessen andere Oberfläche an die Oberfläche der vibrierenden Platte angebunden ist. Auf diese Weise soll der aktive piezoelektrische Verbund von einer Seite die Porosität und die akustischen Absorptionseigenschaften des Schaums steuern und auf der anderen Seite Schwingungen der flexiblen Platte unterdrücken. Dabei können zur weiteren Schwingungsdämpfung zwischen der flexiblen Platte und dem piezoelektrischen Verbund eine viskoelastische Schicht und zwischen dem piezoelektrischen Verbund und dem passiven Schaum eine sogenannten „Constraining Layer“ angeordnet sein. Der intelligente Schaum wird in einem Raster von quadratischen, nebeneinander geordneten Kissen auf der schwingenden Platte angeordnet.
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Aus C. Guigou und C. R. Fuller: „Control of aircraft interior broadband noise with foam-PVDF smart skin", Journal of Sound and Vibration, Vol. 220, No. 3 (1999), 541-557 ist eine sogenannte intelligente Haut für ein Flugzeug bekannt. Bei der intelligenten Haut sind Kissen aus akustischem Schaum mit integrierten piezoelektrischen PVDF-Elementen an die einem Innenraum des Flugzeugs zugewandte Seite der Haut gekoppelt.
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Aus der
WO 2007 / 044 039 A2 ist ein akustisches Absorptionssystem für eine Flugzeugzelle bekannt. Das akustische Absorptionssystem füllt jede rechteckige Rahmenöffnung zwischen mehreren Rahmenelementen der Flugzeugzelle mit einem eng eingepassten Schaumteil aus. Eine Massebarriereschicht ist an den Schaumteilen einer Mehrzahl der Rahmenöffnungen befestigt und erstreckt sich über diese Rahmenöffnungen hinweg. Dabei wird von den Masse-Luft-Masse-Prinzipien Gebrauch gemacht, um Schallübertritte an den Schaumteilen vorbei zu reduzieren. Die Schaumteile sind so geformt, dass sie zunächst etwas größer sind als die jeweilige Rahmenöffnung, und werden dann in die jeweilige Rahmenöffnung eingepresst, in der sie einen kraftschlüssigen Sitz finden. Die Schaumteile sind aus einem Polyimidschaum ausgebildet.
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Aus der
EP 2 944 844 A2 ist eine Vorrichtung zum Reduzieren von Körperschwingungen und -schall bekannt. Ein konjugierter Dämpfer für ein rechteckiges Strukturpaneel umfasst eine „Constraining Layer“ zwischen einer ersten Kante und einer zweiten Kante, wobei die Kanten jeweils an eine erste Oberfläche des Strukturpaneels gekoppelt sind. Der konjugierte Dämpfer umfasst auch eine Dämpfungsschicht, die zwischen der „Constraining Layer“ und der ersten Oberfläche derart gekoppelt ist, dass dann, wenn das Strukturpaneel kompressiv deformiert ist, eine Dicke der Dämpfungsschicht normal zu der Oberfläche abnimmt. Die Dämpfungsschicht umfasst ein viskoelastisches Material.
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Aus der
DE 10 2014 109 362 A1 ist eine Luftfahrzeugstrukturkomponente bekannt. Die Luftfahrzeugstrukturkomponente weist ein Hautelement mit einer inneren Oberfläche, eine Vielzahl von Querversteifungselementen, die an der inneren Oberfläche des Hautelements anliegen, und eine Vielzahl von Längsversteifungselementen, die quer zu den Querversteifungselementen an der inneren Oberfläche des Hautelements anliegen, auf. Zwischen einem ersten und einem zweiten Querversteifungselement sowie einem ersten und einem zweiten Längsversteifungselement ist ein erstes Hautfeld definiert. Um die Anzahl der Längsversteifungselemente zu reduzieren, wird in dem ersten Hautfeld auf der inneren Oberfläche des Hautelements eine erste Verstärkungsapplikation aufgebracht, die eine Kernschicht mit einer entlang dem Hautelement umlaufenden Konturlinie und eine die Kernschicht auf deren von dem Hautelement abgewandten Seite umgebende Deckschicht aufweist, die mit dem Hautelement entlang der Konturlinie der Kernschicht verbunden ist.
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Die
US 2007 / 0 017 739 A1 offenbart eine schallabsorbierende Struktur mit einem plattenartigen Körper, der über Vibrationsdämpfungsbauteile mit rippenartigen Installationsabschnitten verbunden ist. Die Installationsabschnitte sind an einer Wand oder an einem Plattenbauteil befestigt. Die Installationsabschnitte weisen ein gitterartiges Muster auf, mit rechteckigen, kreisförmigen, dreieckigen oder hexagonalen Gitterfeldern.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wand mit einer Außenhaut und mit gitterförmig angeordneten Stegen, auf denen die Außenhaut befestigt ist und die Außenhaut in Gitterfelder unterteilt aufzuzeigen, bei der die Schalltransmission hochwirksam passiv reduziert ist und gegebenenfalls weiter aktiv reduziert werden kann, ohne dass die Wand auf der Rückseite über die Stege hinaus aufbaut.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Wand mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 25 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Wand sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 24 definiert. Der nebengeordnete Patentanspruch 25 ist auf ein Flugobjekt mit der erfindungsgemäßen Wand gerichtet.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei der erfindungsgemäßen Wand mit einer Außenhaut und mit gitterförmig angeordneten Stegen, auf denen die Außenhaut befestigt ist und die die Außenhaut in Gitterfelder unterteilen, sind in zumindest einigen der einzelnen Gitterfelder schwingungs- und/oder schalldämpfende Schichten jeweils durch ein längs der Außenhaut verlaufendes, das jeweilige Gitterfeld zu mindestens 30 % seiner Fläche überspannendes und an mindestens die Hälfte der Stege, die das jeweilige Gitterfeld begrenzen, angekoppeltes Flächenelement ausgebildet, wobei das Flächenelement direkt an den Stegen befestigt ist, so dass Kräfte zwischen dem Flächenelement und den Stegen direkt über diese Befestigung übertragen werden. Konkret kann das Flächenelement über mechanische Verbindungen an den Stegen befestigt sein, zu denen auch Verklebungen und funktionale Verbindungen zählen. Das Flächenelement wirkt so einerseits in Richtung der Flächennormalen der Außenhaut, andererseits aber auch in den Richtungen parallel zu der Außenhaut als schwingungs- und/oder schalldämpfende Schicht, und hier auch zwischen den Stegen und auf die Stege, über die in diesen Richtungen die Übertragung von Schwingungen zwischen den Gitterfeldern im Wesentlichen erfolgt.
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Das Flächenelement weist eine überwiegend zweidimensionale Erstreckung auf, die längs, d. h. zumindest im Wesentlichen parallel zu der Außenhaut verläuft. Dies schließt nicht aus, dass das Flächenelement auch in Richtung der Flächennormalen der Außenhaut eine signifikante Erstreckung aufweist.
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Das Flächenelement überspannt einen wesentlichen Teil der Fläche des jeweiligen Gitterfelds. Dieser Teil beträgt mindestens 30 %. Vorzugsweise beträgt er mindestens 50 %. Er kann aber auch 80 % oder mehr und sogar 100 % betragen. Im letzteren Fall überspannt dann das Flächenelement die gesamte Fläche des jeweiligen Gitterfelds.
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Das Flächenelement ist mindestens an die Hälfte der Stege angekoppelt, die das jeweilige Gitterfeld begrenzen. Bei einer ungeraden Anzahl begrenzender Stege bedeutet dies automatisch, dass das Flächenelement an mehr als die Hälfte der Stege angekoppelt ist. Vorzugsweise ist das Flächenelement an alle das jeweilige Gitterfeld begrenzenden Stege angekoppelt
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Konkret kann das Flächenelement direkt auf der Außenhaut angeordnet und direkt an die Außenhaut angekoppelt sein. Auch dann ist es zusätzlich direkt an mindestens die Hälfte der das jeweilige Gitterfeld begrenzenden Stege angekoppelt.
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In einer Ausführungsform ist das Flächenelement mit Abstand zu der Außenhaut in dem jeweiligen Gitterfeld angeordnet. Dabei kann ein Zwischenraum zwischen dem Flächenelement und der Außenhaut mit Akustikschaum ausgefüllt sein. Der Akustikschaum kann dann an das Flächenelement, an die Außenhaut und auch an die Stege angekoppelt sein.
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Ein Teil des jeweiligen Gitterfelds, der auf der der Außenhaut abgekehrten Seite des jeweiligen Flächenelements lieg, kann ebenfalls mit Akustikschaum ausgefüllt sein. Auch hier kann der Akustikschaum an das Flächenelement und an die das jeweilige Gitterfeld begrenzenden Stege angekoppelt sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wand, weist das Flächenelement einen geschlossen zusammenhängenden Bereich auf, der das jeweilige Gitterfeld einschließlich seines Zentrums zu mindestens 50 % seiner Fläche überspannt. Dies bedeutet, dass zumindest das Zentrum des jeweiligen Gitterfelds vollständig von dem Flächenelement abgedeckt ist.
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Vorzugsweise ist das Flächenelement über seinen gesamten Umfang direkt an die das jeweilige Gitterfeld begrenzenden Stege angekoppelt und überspannt das Gitterfeld so vollständig oder zumindest annähernd vollständig.
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Das Flächenelement kann dabei direkt an die Stege angekoppelt sein, was bedeutet, dass das Flächenelement direkt an den Stegen befestigt ist, und zwar so, dass Kräfte zwischen dem Flächenelement und den Stegen direkt über diese Befestigung übertragen werden können. In diesem Sinne ist hier aber auch jedes andere direkte Ankoppeln zu verstehen. Bei einem nur indirekten Ankoppeln des Flächenelements an die Stege ist das Flächenelement nicht direkt an den Stegen befestigt, es folgt aber dennoch eine Kraftübertragung zwischen den das jeweilige Gitterfeld begrenzenden Stegen und dem in dem jeweiligen Gitterfeld angeordneten Flächenelement. Die Ankopplung des Flächenelements an die Stege bewirkt einerseits eine Abstützung des Flächenelements an den Stegen. Andererseits sorgt diese Ankopplung auch dafür, dass sich die schalldämmenden und/oder schalldämpfenden Schichten des Flächenelements auch schalldämmend und/oder schalldämpfend auf die Stege auswirken.
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Das Flächenelement kann eine Schicht aus flexiblen, aber schubsteifem Material aufweisen, die eine sogenannte „constraining layer“ ausbilden und an die das Gitterfeld begrenzenden Stege angekoppelt sein kann. Die Schicht aus dem schubsteifen Material kann insbesondere an eine weitere Schicht des Flächenelements aus elastomerem oder viskoelastischem Material angekoppelt sein. Auf der der Schicht aus dem schubsteifen Material gegenüber liegenden Seite der Schicht aus dem elastomeren oder viskoelastischen Material kann eine weitere Schicht aus flexiblem, aber schubsteifem Material oder die Außenhaut angekoppelt sein. Durch Abstimmung von Steifigkeit und Dämpfung der einzelnen Schichten des Flächenelements kann der Einfluss des Flächenelements auf die Schwingungen der erfindungsgemäßen Wand und der das jeweilige Gitterfels begrenzenden Stege abgestimmt werden. Das Flächenelement kann dabei so ausgelegt werden, dass es einen Impedanzsprung verursacht, an dem von der Außenhaut ausgehende Körper- und/oder Luftschallwellen reflektiert werden. Das Flächenelement kann dabei auch insgesamt aus dem elastomeren oder viskoelastischen Material oder einem elastischen Material bestehen und beispielsweise eine das jeweilige Gitterfeld zumindest im Wesentlichen überspannende verformbare Membran ausbilden.
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Alternativ oder zusätzlich kann das Material, aus dem das Flächenelement besteht auch porös sein und dadurch als Schallabsorber wirken.
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Die erfindungsgemäße Wand ist insbesondere eine solche, bei der die Außenhaut und/oder die Stege Faserverbundwerkstoffe umfassen. Die Außenhaut und die Stege können im Wesentlichen aus solchen Faserverbundwerkstoffen bestehen. Sie können sogar vollständig oder bis auf Leichtschäume als Platzhalter innerhalb von hohl ausgebildeten Stegen aus solchen Faserverbundwerkstoffen bestehen. Die Außenhaut und die Stege können dabei als integrale Einheit ausgebildet sein, oder die Außenhaut kann auf die zuvor ausgebildeten Stege aufgebracht und mit diesen vollflächig verklebt oder anders vollflächig fest verbunden sein.
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Bei der erfindungsgemäßen Wand kann ein passiver Schwingungstilger, ein passiver Schwingungsdämpfer und/oder ein aktiv ansteuerbarer Aktuator indirekt oder vorzugsweise direkt an das Flächenelement angekoppelt sein. Mit diesem zusätzlichen Bestandteil der erfindungsgemäßen Wand können deren akustischen Eigenschaften weiter gezielt beeinflusst werden.
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Der passive Schwingungsdämpfer und/oder der aktiv ansteuerbare Aktuator, der an das Flächenelement angekoppelt ist, kann sich rückwärtig an der Außenhaut, an den Stegen, an Inertialmassen oder an Akustikschaum abstützen. Wenn sich der passive Schwingungsdämpfer und/oder der aktiv ansteuerbare Aktuator rückwärtig an den Stegen, abstützt, kann er Teil der erfindungsgemäßen Ankopplung des Flächenelements an die Stege sein oder diese auch ganz bewirken.
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Der aktiv ansteuerbare Aktuator kann auch eine das Flächenelement zumindest teilweise bedeckende Aktuatorfolie bzw. -schicht umfassen. In diesem Fall deformiert der Aktuator bei seiner Ansteuerung das Flächenelement in sich und kann sich dabei zugleich an dem Flächenelement selbst abstützen.
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Zum Ansteuern des Aktuators kann eine Steuerung oder Regelung vorgesehen sein, die den Aktuator abhängig von Signalen von in den Gitterfeldern angeordneten Sensoren ansteuern. Bei diesen Sensoren kann es sich um Körperschallsensoren handeln, die direkt an das Flächenelement, an die Stege, an die Außenhaut und/oder an Akustikschaum in den Gitterfeldern angekoppelt sind. Alternativ oder zusätzlich kann es sich um Luftschallsensoren handeln, die zwischen dem Flächenelement und der Außenhaut oder auf der der Außenhaut abgekehrten Seite des Flächenelements angeordnet sind.
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Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Wand rechteckige Gitterfelder aufweisen. Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Wand jedoch durch nicht rechtwinklig aufeinanderstoßende Stege begrenzte Gitterfelder auf. Beispielsweise können die Gitterfelder dreieckig sein und durch in drei verschiedenen Richtungen parallel zueinander durchlaufende, sich jeweils zu dritt in Ecken der Gitterfelder kreuzende Stege gebildet sein. Die Gitterfelder können auch sechseckig sein und in einer hexagonalen Anordnung vorliegen. Dann werden die Gitterfelder durch jeweils sechs Stege begrenzt, die jeweils zu dritt in Ecken der Gitterfelder zusammenlaufen. Weiterhin können die Gitterfelder teilweise dreieckig und teilweise sechseckig sein, wie insbesondere bei einem Kagome Gitter. Bei einem Kagome Gitter sind die Gitterfelder durch in drei verschiedenen Richtungen parallel zueinander durchlaufende, sich aber jeweils nur zu zweit in Ecken der Gitterfelder kreuzende Stege gebildet. Die erfindungsgemäße Wand kann auch noch anders geformte Gitterfelder aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Wand kann um mindestens eine Achse gekrümmt sein. Dabei können auch alle Stege um die mindestens eine Achse gekrümmt sein, d. h. keine Stege verlaufen parallel zu der mindestens einen Achse, um die die Wand gekrümmt ist.
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Insbesondere kann die Wand einen Innenraum rohrförmig umschließen, wobei die Außenhaut nach außen weist.
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Ein erfindungsgemäßes Flugobjekt, beispielsweise ein Flugzeug weist eine erfindungsgemäße Wand auf, insbesondere als Wand seines Rumpfs. Dabei schirmt die erfindungsgemäße Wand den Innenraum des Rumpfs vom Luftschall ab, wie er beispielsweise von Triebwerken ausgeht, die neuartige Antriebskonzepte, wie UHBR oder CROR realisieren.
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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. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
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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 Steg die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Steg, zwei Stege oder mehr Stege vorhanden sind. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die das jeweilige Erzeugnis aufweist.
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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.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
- 1 ist eine rückwärtige Ansicht einer erfindungsgemäßen Wand.
- 2 zeigt drei verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Wand gemäß 1 jeweils in einer rückwärtigen Ansicht und einem Schnitt durch ein Gitterfeld der erfindungsgemäßen Wand.
- 3 erläutert aktive Ausführungsformen der Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Wand gemäß 2.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wand 1 erstreckt sich über sechs aneinander angrenzende Gitterfelder 2, die durch Stege 3-5 begrenzt sind. Auf den Stegen, konkret auf den dem Betrachter von 1 abgekehrten Seiten der Stege 3-5 ist eine Außenhaut 6 befestigt. Die Außenhaut 6 wird durch die Stege 3-5 versteift und in die Gitterfelder 2 unterteilt. Die Stege 3 verlaufen parallel zueinander, ebenso wie die Stege 4 parallel zueinander verlaufen und wie die Stege 5 parallel zueinander verlaufen. Die Winkel zwischen den Stegen 3-5 liegen hier in einem Bereich von 45° bis 75° und die Stege 3-5 kreuzen sich hier in den Ecken 7 der dreieckigen Gitterfelder 2. Die in 1 gezeigt erfindungsgemäße Wand 1 kann ein Teil einer größeren Wand sein, die sich zylindermantelförmig um einen Innenraum erstreckt und so beispielsweise einen Rumpf eines Flugzeugs ausbildet. Bei der erfindungsgemäßen Wand 1 ist in jedem einzelnen Gitterfeld 2 zumindest ein Flächenelement 8 angeordnet, das längs der Außenhaut 6 verläuft und an die Stege 3-5 angekoppelt ist.
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2 (a) bis (c) illustriert verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Wand 1 bezüglich der Anordnung und der Ankopplung des Flächenelements 8 an die Stege 3-5 jeweils anhand einer rückwärtigen Ansicht (oben) und eines Schnitts durch ein Gitterfeld 2 (unten). Dabei überspannt das Flächenelement 8 jeweils nicht das gesamte Gitterfeld 2, aber doch mehr als 50 % davon und insbesondere das Zentrum des Gitterfelds 2, mit einem geschlossen zusammenhängenden Bereich. Gemäß 2 (a) ist das Flächenelement 8 aus einer schubsteifen Schicht 9 und einer viskoelastischen Schicht 10 ausgebildet.
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Dabei ist die viskoelastische Schicht 10 direkt auf der Außenhaut 6 angeordnet und an diese angekoppelt, und die schubsteife Schicht 9 ist direkt auf der Rückseite der viskoelastischen Schicht 10 angeordnet und an diese angekoppelt. Zusätzlich sind mechanische Verbindungen 11 zwischen der schubsteifen Schicht 9 und allen Stegen 3 bis 5 ausgebildet, die das Gitterfeld begrenzen. Diese mechanischen Verbindungen 11 sind hier nur schematisch als punktuelle Verbindungen dargestellt. Sie können aber auch über Punkte hinaus ausgedehnt sein. Bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wand 1 gemäß 2 (a) bildet die schubsteife Schicht 9 eine sogenannte „constraining layer“, die in Verbindung mit der viskoelastischen Schicht 10 eine sogenannte constraining oder constrained layer-Dämpfung der Außenhaut 6 bewirkt. Bei der erfindungsgemäßen Wand 1 wird dazu auch die Abstützung der schubsteifen Schicht 9 an den Stegen 3 bis 5 ausgenutzt. Umgekehrt kann die viskoelastische Schicht 10 so auch Schwingungen der Stege 3 bis 5 dämpfen, die auf die an sie angekoppelte schubsteife Schicht 9 übertragen werden.
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Gemäß 2 (b) ist das Flächenelement 8 als elastische Membran 12 ausgebildet, die über die mechanischen Verbindungen 11 an die Stege 3 bis 5 angekoppelt ist. Zusätzlich kann auch eine mechanische Verbindung 13 zu der Außenhaut 6 vorhanden sein. Diese mechanische Verbindung 13 kann beispielsweise durch Akustikschaum ausgebildet sein, der einen Zwischenraum 14 zwischen der Außenhaut 6 und der Membran 12 ausfüllt und an die Außenhaut 6 und die Membran 8 und optional auch an die Stege 3 bis 5 angekoppelt ist.
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In der Ausführungsform gemäß 2 (c) weist die erfindungsgemäße Wand 1 eine poröse Schicht 15 als Flächenelement 8 auf, die einen Schallabsorber ausbildet. Die poröse Schicht 15 ist wieder über mechanische Verbindungen 11 an die angrenzenden Stege 3 bis 5 angekoppelt. Eine zusätzliche mechanische Verbindung 13 zu der Außenhaut 6 ist optional.
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Insbesondere die schubsteife Schicht 9 gemäß 2 (a) und die Membran 12 gemäß 2 (b) können auch aktiv, d. h. mittels eines Aktuators verformbar, ausgebildet sein. Weiterhin kann das Gitterfeld, das von dem jeweiligen Flächenelement 8 überspannt wird, durch weitere Stege geringerer Höhe als die Stege 3 bis 5, die das betrachtete Gitterfeld begrenzen, unterteilt sein.
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3 illustriert anhand derselben Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Wand (a) bis (c) wie in 2, wie eine aktive Ausgestaltung der Wand 1 ausgeführt werden kann. Die mechanischen Verbindungen 11 und 13 können sowohl als beispielsweise piezoelektrische, elektrodynamische oder Formgedächtnislegierungs(FGL)-Aktuatoren 17 zur Einleitung von statischen oder dynamischen Kräften und/oder Momenten als auch als Sensoren 18 zur Erfassung von statischen oder dynamischen Kräften, Dehnungen, Auslenkungen und dergleichen ausgebildet sein. Die schubsteife Schicht 9 kann als aktive constrained layer 19 zur Einleitung von statischen oder dynamischen Kräften und/oder Momenten in die viskoelastische Schicht 10 und/oder als sensorische constrained layer 20 zur Erfassung von statischen oder dynamischen Kräften, Dehnungen, Auslenkungen und dergleichen ausgebildet sein. Auf der schubsteifen Schicht 9 oder der Membran 12 kann ein zusätzlicher, beispielsweise piezoelektrischer, elektrodynamischer oder FGL-Aktuator 21 zur Einleitung von statischen oder dynamischen Kräften und/oder Momenten angeordnet sein. An derselben Stelle kann ein Sensor 22 zur Erfassung von statischen oder dynamischen Kräften, Dehnungen, Auslenkungen und dergleichen appliziert sein. Ein solcher Sensor 22 kann auch an der viskoelastischen Schicht 10 angeordnet werden. Weiterhin kann die viskoelastische Schicht 10 ebenso wie die Membran 12 selbst als sensorische Schicht 16 ausgebildet sein. Bei dem Aktuator 21 und dem Sensor 22 kann es sich praktisch um dieselbe Einheit handeln, d. h. ein und derselbe Wandler kann sowohl als Aktuator 21 als auch als Sensor 22 genutzt werden. Die Membran 12 kann als aktive Membran 23 mit veränderbaren geometrischen und dynamischen Eigenschaften ausgebildet sein. Die Aktuatoren 17 und 21 bzw. die aktive constrained layer 19 oder die aktive Membran 23 können nicht nur auf Basis von Signalen der Sensoren 18 und 22 oder der sensorischen constrained layer 20 angesteuert werden, die Körperschall erfassen können, sondern auch auf Basis von Signalen von Mikrofonen 24 zur Erfassung von Luftschall. Zur Erfassung von Körperschall kann neben den genannten Sensoren auch ein Sensor 25 an der Außenhaut 6 oder den Stegen 3 bis 5 angeordnet werden.
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Den Aktuatoren 17, 19, 21 und 23 können auch Federn und/oder Dämpfer parallelgeschaltet sein. Zudem können hier auch statt der Aktuatoren 17 und 21 Federn und/oder Dämpfer angeordnet sein. Dabei kann mit einem Ansteuersignal die Steifigkeit bzw. Dämpfung der Federn und/oder Dämpfer eingestellt werden. Es kann sich aber auch um Federn und/oder Dämpfer fester Steifigkeit bzw. Dämpfung handeln, die auf die Frequenzen der Erregungen abgestimmt ist, mit denen die Wand 1 typischerweise zu Schwingungen angeregt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wand
- 2
- Gitterfeld
- 3
- Steg
- 4
- Steg
- 5
- Steg
- 6
- Außenhaut
- 7
- Ecke
- 8
- Flächenelement
- 9
- schubsteife Schicht
- 10
- viskoelastische Schicht
- 11
- mechanische Verbindung
- 12
- Membran
- 13
- mechanische Verbindung
- 14
- Zwischenraum
- 15
- poröse Schicht
- 16
- sensorische Schicht
- 17
- Aktuator
- 18
- Sensor
- 19
- aktive constrained layer
- 20
- sensorische constrained layer
- 21
- Aktuator
- 22
- Sensor
- 23
- aktive Membran
- 24
- Mikrofon
- 25
- Sensor
