DE102016118545A1

DE102016118545A1 - Exciter zur Erfassung und Erzeugung von Schwingungen

Info

Publication number: DE102016118545A1
Application number: DE102016118545.0A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2018-03-29

Abstract

Bei einem Exciter (1) zur Erfassung und Erzeugung von Schallwellen (2) bzw. Schwingungen, bestehend aus: – einem Gehäuse (3), in dem eine Durchgangsöffnung (4) entlang einer Symmetrieachse (5) eingearbeitet ist – einem Zentralelement (8), das innerhalb der Durchgangsöffnung (4) in der Symmetrieachse (5) angeordnet ist – zwei parallel und beabstandet zueinander angeordneten plattenförmigen Federelementen (6, 7), die das Gehäuse (3) in der Symmetrieachse (5) federnd an dem Zentralelement (11) abstützen und das Gehäuse in eine Torsionsbewegung versetzen – einer an dem Zentralelement (8) befestigten Schwingspule (23), die über elektrische Leitungen (9) mit einer Steuereinheit (10) verbunden ist und – mindestens einem Dauermagnet (31), der im inneren des Gehäuses (3) in der Durchgangsöffnung (4) angeordnet ist und dessen Magnetfeld (33) zu der Schwingspule (23) des Zentralelements (8) ausgerichtet ist, soll es möglich sein, Schallwellen bzw. Schwingungen zu erzeugen oder zu dämpfen. Die ist dadurch erreicht, dass dem Zentralelement (8) mindestens ein Beschleunigungssensor (11) zugeordnet ist, dass durch den Beschleunigungssensor (11) Schwingungen (2) des Zentralelements (11) mindestens entlang der Symmetrieachse (5) erfasst sind und dass die erfassten Schwingungen (2) als ein elektrisches Signal zu der Steuereinheit (10) übermittelt sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Breitband-Exciter zur Erfassung und Erzeugung von Schallwellen bzw. Schwingungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein derartiger Breitband-Exciter kann beispielsweise der DE 10 2007 040 082 A1 entnommen werden, der in einen Frequenzbereich von > 0 Hz bis ca. 35.000 Hz Schallwellen bzw. Schwingungen erzeugen kann. Der Breitband-Exciter besteht aus einem zylinderförmigen Gehäuse, in dessen Symmetrieachse eine rotationssymmetrische Durchgangsöffnung angeordnet ist. Koaxial zu der Symmetrieachse der Durchgangsöffnung ist ein Zentralelement angeordnet, an dem das Gehäuse als Schwingkörper mittels zwei Federelementen federnd abgestützt ist. Die Federelemente liegen hierzu an der jeweiligen Stirnseite der Durchgangsöffnung an und verlaufen somit parallel und beabstandet zueinander.
Das Zentralelement ist im Querschnitt als I-Profil einstückig als Fräs-, Guss- oder Drehteil ausgestaltet, wobei die Schenkel des Zentralelements in Richtung des unteren Federelementes weisen und die beiden äußeren Schenkel je eine Schwingspule tragen.
Auf der Innenseite des Gehäuses ist in der Durchgangsöffnung ein Dauermagnet fluchtend zu der elektrischen Schwingspule vorgesehen. Die Schwingspule ist somit in dem Magnetfeld des Dauermagneten positioniert und mittels elektrischer Leitungen mit einer außerhalb des Gehäuses vorgesehenen Steuereinheit oder Signalquelle verbunden. Die Steuereinheit erzeugt mit der elektrischen Schwingspule ein dem Signalverlauf entsprechendes wechselndes Magnetfeld, das durch das Zusammenwirken mit dem Dauermagneten das Gehäuse in Schwingung versetzt und somit die Schallwellen bzw. Schwingungen erzeugt.
Als nachteilig hat sich bei den bisher bekannt gewordenen Breitband-Exciter bzw. herkömmlichen Lautsprechersystemen herausgestellt, dass diese nicht für die hochwertige aktive Schalldämpfung geeignet sind. In herkömmlichen Schalldämpfungssystemen wird nämlich typischerweise mit destruktiver Interferenz zur künstlichen Unterdrückung der Schallwellen gearbeitet. Ein Mikrophon bzw. mehrere Mikrofone erfasst/erfassen dabei die zu dämpfenden Schallwellen und ein Lautsprecher erzeugt daraufhin eine Schallwelle bzw. Schwingung von gleicher Frequenz mit entgegengesetzter Amplitude.
Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass derartige Schalldämpfungssysteme aufgrund der Verwendung von herkömmlichen Lautsprechern nicht für Breitbandanwendungen/Breitbandstörquellen geeignet sind. Der Einsatzbereich ist üblicherweise im Bereich von 40 bis 1000 Hz und die verwendeten Lautsprecher weisen ein sehr großes Bauvolumen sowie ein großes Eigengewicht auf. Darüber hinaus sind diese aktiven Schalldämpfungssysteme ausschließlich für einfache lineare Probleme, beispielsweise Schallwelle in einem Rohr, anwendbar. Das Prinzip der destruktiven Interferenz ist insbesondere in einem dreidimensionalen Raum nicht geeignet, da typischerweise die zu dämpfende Schallwelle sowie die destruktive Schallwelle eine räumlich unterschiedlich positionierte Quelle haben. Aufgrund von Reflexionen beider Schallwellen, erreicht man nur lokal eine vollständige Dämpfung (Amplitude = 0) und anderenorts, auf Grund von konstruktiver Interferenz, Amplituden, die größer als das Ausgangssignal sein können.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Breitband-Exciter der eingangs genannten Gattung bereit zu stellen, der zur Erzeugung und Erfassung von Schallwellen bzw. Schwingungen geeignet ist. Dieser soll zum Einen Schallwellen bzw. Schwingungen zwischen > 0 Hz bis 35.000 Hz erfassen und gleichzeitig hochwertige und signaltreue Schwingungen bzw. Schallwellen erzeugen. Zum Anderen soll er dazu geeignet sein, die erfassten Schallwellen bzw. Schwingungen am Ort des Eintritts in einen Raum zu dämpfen. Der Breitband-Exciter weist, trotz seiner kleinen Bauweise und seines geringen Gewichtes im Vergleich zu herkömmlichen Tieftonlautsprechern mit einem Durchmesser von ca. 20 Zentimetern und einem hohen Gewicht, eine hohe Leistungsdichte auf.
Ferner soll der Breitband-Exciter dazu geeignet sein, schwingende Gegenstände, beispielsweise Fenster, aktiv zu dämpfen. Hierzu muss einerseits der Exciter ein dynamisches Verhalten aufweisen und andererseits eine ausreichende Schwingungsmasse zu Verfügung stellen, so dass der Impuls des schwingenden Gegenstandes und der entgegen gerichtete mechanische Impuls des Exciters gleich sind.
Diese Aufgaben sind erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruches 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Dadurch, dass dem Zentralelement ein Beschleunigungssensor zugeordnet ist, welcher die Bewegungen des Zentralelements entlang der Symmetrieachse erfasst und als ein elektrisches Signal zu der Steuereinheit übermittelt, kann der Exciter sowohl Schallwellen bzw. Schwingungen erzeugen als auch erfassen.
Darüber hinaus ist es besonders vorteilhaft, wenn der Beschleunigungssensor als Feder-Masse-System ausgebildet ist und die Schwingungen des Feder-Masse-Systems durch das Zusammenspiel einer zweiten Schwingspule, die in dem Magnetfeld des Dauermagneten oder eines zweiten Dauermagneten angeordnet ist, erfasst sind. Dabei ist die zweite Schwingspule parallel und beabstandet zu der ersten Schwingspule innerhalb der Durchgangsöffnung des Gehäuses angeordnet. Sie ist mittels elektrischer Leitungen mit der Steuereinheit verbunden. Dadurch wird erreicht, dass die Messungen durch den Exciter präziser sind und die Reaktionszeit des Exciters kurz ist. Durch die zweite Schwingspule kann somit einerseits das Antwortverhalten des Exciters auf ein durch die Steuereinheit generiertes Schwingungssignal erfasst sein und andererseits die auf den Exciter einwirkende Schwingungen erfasst werden. Die zweite Schwingspule ist vorteilhafterweise statisch fest mit dem Zentralelement verbunden, der Dauermagnet bzw. der zweite Dauermagnet statisch fest mit dem Gehäuse gekoppelt.
Des Weiteren ist es besonders vorteilhaft, wenn die zweite Schwingspule dem Zentralelement und der zweite Dauermagnet in einer Durchgangsöffnung in einem zweiten Gehäuse angeordnet ist, wobei das zweite Gehäuse und dessen Durchgangsöffnung koaxial auf der Symmetrieachse und parallel und beabstandet zu dem Gehäuse an dem Zentralelement angeordnet ist, um Fehlmessungen möglichst zu vermeiden.
Dem ersten und dem zweiten Gehäuse kann dabei jeweils eines der Federelemente zugeordnet sein, so das jedes Gehäuse mit den jeweiligen Federelementen ein eigenständiges Feder-Masse System bildet. Die Gehäuse bzw. deren Stirnseiten können hierzu Lagerflächen aufweisen, wodurch einerseits sichergestellt ist, dass die beiden Gehäuse unabhängig voneinander entlang und um die Symmetrieachse schwingen können und andererseits eine mögliche Taumelbewegung der Gehäuse während der Schwingung unterdrückt ist. Weiterhin kann es darüber hinaus vorteilhaft sein, dass beide Gehäuse jeweils durch zwei Federelemente an dem Zentralelement abgestützt sind.
Die Massen und/oder die Abmessungen der beiden Gehäuse können unterschiedlich dimensioniert sein. Die Masse des ersten Gehäuses ist dabei vorzugsweise größer bemessen als die Masse des zweiten Gehäuses (M1 > M2). Das zweite Gehäuse dient somit der Erfassung von Schwingungen und bedingt durch die geringere Masse ist die Massenträgheit geringer als beim zweiten Gehäuse. Der durch das zweite Gehäuse gebildete Beschleunigungssensor ist folglich empfindlicher. Die für das zweite Gehäuse zur Abstützung an dem Zentralelement benötigten Federelemente können hierzu mechanisch angepasste Eigenschaften aufweisen. Diese mechanischen Eigenschaften sind insbesondere die Biege- und Torsionssteifigkeit, die sich aus der Dimensionierung der Federelemente sowie der verwendeten Werkstoffe ergibt. Eine gezielte Dämpfung der Feder-Masse-Systeme kann durch den Einsatz von Dämpfern erreicht werden.
Das erste Gehäuse, der Dauermagnet und die Schwingspule werden vorteilhafterweise durch die Steuereinheit im regelungstechnischen Sinne als Stellglied angesteuert und das zweite Gehäuse, der zweite Dauermagnet und die zweite Schwingspule bilden dabei einen Messwertgeber. Durch die Steuereinheit können somit mittels Algorithmen, mathematischer Funktionen oder Modellen ein Signalverlauf für das Stellglied, folglich der Schwingspule, die mittels der elektrischen Leitungen mit der Steuereinheit verbunden ist, generiert werden, so dass das gewünschte Schwingungsbild durch das Gehäuse entsteht.
Darüber hinaus kann es besonders vorteilhaft sein, wenn das Zentralelement aus mehreren Zentralelementabschnitten gebildet ist, wobei die Zentralelemente ein oder mehrere Verbindungseinrichtungen aufweisen, durch die die einzelnen Zentralelementabschnitte zentriert miteinander verbunden und durch die die Federelemente an dem Zentralelement befestigbar sind. Darüber hinaus kann an dem Zentralelement ein Abstandshalter positioniert, angearbeitet oder angeformt werden, durch den die beiden Gehäuse an dem Zentralelement derart voneinander parallel beabstandet gehalten sind, dass diese auch bei entgegengesetzter Amplitude nicht kontaktieren.
Das Zentralelement weist zudem ein Kopplungselement auf, durch das das Zentralelement mit einem Gegenstand koppelbar ist, wodurch die Schwingungen des Gegenstands auf das Zentralelement bzw. auf den Exciter übertragen sind.
Weiterhin hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das Gehäuse bereichsweise oder vollständig aus einem besonders gut wärmeleitfähigen (>> 50 W/mK) und magnetisierbaren Werkstoff (nahe Eisen, siehe Bethe-Slater-Kurve) hergestellt ist und dass an dem Gehäuse eine aktive oder passive Kühlung vorgesehen ist, so dass die in dem Exciter entstehende Wärme durch die Kühlung abgeführt werden kann.
Die Federelemente sind aus einem faserverstärkten Kunststoff, vorzugsweise aus Carbon- oder Glasfaserwerkstoffen hergestellt, die einerseits eine genügende Steifigkeit und andererseits eine genügende Elastizität aufweisen. Die Federelemente können zwei oder mehrere spiral- oder ringförmige Schlitze aufweisen. Die Dimensionierung der Federelemente bestimmt sich dabei durch das Gewicht des jeweils abzustützenden Gehäuses. Durch die Schlitze in den Federelementen kann gezielt die Biegesteifigkeit und die Torsionssteifigkeit der Federelemente eingestellt werden und die Schwingungen bzw. Schallwellen können ungehindert aus dem Inneren des Gehäuses in die Umgebung austreten bzw. in dieses einlaufen. Durch die spezifische Form der spiral- oder zungenförmigen Schlitze in den Federelementen resultiert bei einer Biegung während einer Schwingung ein Spannungszustand, der eine Torsionsbewegung um die Symmetrieachse erzeugt, wodurch eine neuartige akustische Welle, die geometrisch mit einem sich drehenden Torus vergleichbar ist, entsteht.
Ferner kann es sich als vorteilhaft erweisen, dass der Exciter in einem Becher positioniert ist. Der Becher schützt einerseits den Exciter vor äußeren Einwirkungen und andererseits verhindert der Becher ein austreten von Schwingungen in die Umgebung. Darüber hinaus kann der Becher durch eine aktive oder passive Kühlung die Temperatur des Exciters kontrollieren. In den Zeichnungen sind zwei erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele eines Exciters zur Erzeugung und Erfassung von Schwingungen bzw. Schallwellen und zwei weitere Ausführungsvarianten dargestellt, die nachfolgend näher erläutert sind. Mit diesen in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen ist sowohl die bisher ausgeführte aktive Schalldämpfung mittels der destruktiven Interferenz möglich wie auch die zu bevorzugende aktive Schalldämpfung im Sinne der Erledigung einer Positionieraufgabe.
Im Einzelnen zeigt:
1 einen Exciter in einer Ausführungsvariante zur Erfassung und Erzeugung von Schallwellen bzw. Schwingungen. Diese erste Ausführungsvariante besteht aus einem zylindrischen Gehäuse, in dessen Symmetrieachse eine zylindrische Durchgangsöffnung eingearbeitet ist, einem oberen und einem unteren Federelement sowie einem Zentralelement, das durch die Federelemente das Gehäuse federnd auf der Symmetrieachse der Durchgangsöffnung abstützen,
2 den Exciter gemäß 1, mit einem ersten und einem zweiten Spulenbecher, die parallel und beabstandet entlang der Symmetrieachse angeordnet sind und jeweils eine Schwingspule aufweisen. Die Schwingspulen wirken jeweils mit einem ersten und einem zweiten Dauermagneten zusammen. Sie dienen einerseits der Erzeugung von Schwingungen und andererseits der Erfassung von Schwingungen. Beide Schwingspulen sind mittels elektrischer Leitungen mit einer Steuereinheitverbunden,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Exciters, mit einem ersten und einem zweiten Gehäuse, wobei das erste und das zweite Gehäuse jeweils mit zwei Federelementen an dem Zentralelement abgestützt sind und unabhängig voneinander entlang und/oder um die Symmetrieachse schwingen,
4 eine schematische Darstellung des Exciters gemäß 3 mit zwei Feder-Masse-Systemen, wobei die Massen unterschiedlich bemessen sind und das erste Feder-Masse-System der Erzeugung von Schwingungen dient und das zweite Feder-Masse-System der Erfassung von äußeren Schallwellen,
5a der von außen auf den Gegenstand bzw. den Exciter einwirkende Schalldruck,
5b die Amplitude bzw. Auslenkung des Gegenstandes bzw. des Zentralelementes durch das Einwirken der Schwingungen,
5c die Beschleunigung des Gegenstandes bzw. des Zentralelementes,
5d bis 5f die Beschleunigung des Masse-Systems – das Gehäuse 3 – des Exciters.
6a der Exciter gemäß 3, der an einer Glasscheibe zur aktiven Schalldämpfung befestigt ist,
6b eine Weiterbildung des Exciters gemäß 3, der in einem Kopfhörer zur aktiven Schalldämpfung eingesetzt ist und dessen erstes und zweites Gehäuse sich gegenseitig und unabhängig Voneinander beweglich lagern und
7 eine schematische Darstellung einer weiteren Weiterbildung des Exciters gemäß 3.
Aus 1 ist ein Exciter 1 zu entnehmen, der Schallwellen bzw. Schwingungen 2 in einen Frequenzbereich von ca. ~> 0 Hz bis 35.000 KHz erzeugt und ebenso erfasst. Der Exciter 1 besteht aus einem rotationsymmetrischen Gehäuse 3, in dessen Symmetrieachse 5 eine Durchgangsöffnung 4a und 4b eingearbeitet ist. In der Durchgangsöffnung 4a ist ein oberes Federelement 6 und 4b ein unteres Federelement 7, die das Gehäuse 3 an einem Zentralelement 8 in der Symmetrieachse 5 derart beweglich gelagert halten, dass das Gehäuse 3 entlang der Symmetrieachse 5 und um die Symmetrieachse 5 als Schwingkörper linear schwingen bzw. torsionsschwingen kann.
Die Durchgangsöffnungen 4a und 4b sind so dimensioniert zu halten, dass es zu keinem mechanischem Clipping kommt, gleichbedeutend der Erzeugung einer langwelligen Schallwelle, die angenähert einem Gleichstrom zu sehen wäre. Das würde zu einer Überhitzung der Spule führen. Zudem würde es zum Einen u. U. eine genügende Amplitude bei der zu erzeugenden Schwingung bzw. des zu erzeugenden Schalls verhindern und zum Anderen verhindern, dass das Schwingelement abbildungsgenau die zu erzeugende Schwingung in allen Amplituden misst.
Das Gehäuse 3 ist aus einem magnetisierbaren Werkstoff hergestellt. Insbesondere aus der 2 ist ersichtlich, dass in der Durchgangsöffnung 4 auf der Innenseite des Gehäuses 3 drei Absätze 41, 42, 42, wobei der erste Absatz 41 und der zweite Absatz 42 sowie der zweite Absatz 42 und der dritte Absatz 43 durch einen Einstich 44 voneinander beabstandet sind. Der zweite Absatz 42 weist auf jeder der Stirnseite des Gehäuses 3 zugewandten Seite eine Anlagefläche 45 auf, in der jeweils ein ringförmiger Dauermagnet 31, 32 zur Symmetrieachse 5 axial bereichsweise eingesetzt ist. Der erste Dauermagnet 31 ist dabei derart auf dem zweiten Absatz 42 positioniert und bemessen, dass dessen Südpol S bereits seine Polplatte 34 in einer Ebene senkrecht zu der Symmetrieachse 5 und zu dem ersten Absatz 41 fluchtend und beabstandet ist. Der zweite Dauermagnet 32 ist auf der dem ersten Dauermagneten 31 abgewandten Seite des Absatzes 42 derart positioniert und bemessen, dass dessen Nordpol N bzw. dessen Polplatte 35, auf die der Nordpol übertragen ist, in einer Ebene senkrecht zu der Symmetrieachse 5 und zu dem dritten Absatz 43 fluchtend und beabstandet ausgerichtet ist.
Zwischen den Polplatten 34, 35 der beiden Dauermagneten 31, 32 und dem ersten bzw. dritten Absatz 41, 43 ist jeweils ein Ringraum 46 gebildet. Aufgrund der magnetischen Eigenschaften des Gehäuses 3 ist dieses durch die Dauermagneten 31, 32 magnetisiert und der jeweilige Pol N, S ist auf den ersten bzw. dritten Absatz 41, 43 übertragen. Das den Polplatten 34, 35 zugewandte freie Ende des ersten bzw. dritten Absatzes 41, 43 bilden somit jeweils einen Gegenpol S, N, wodurch die Feldlinien in den beiden Ringräumen 46 senkrecht zu der Symmetrieachse 5 und parallel und ausgerichtet zueinander verlaufen.
Das Zentralelement 8 ist aus mehreren Zentralelementabschnitten gebildet, die jeweils fest miteinander verbunden sind. An dem Zentralelement 8 ist ein erster und ein zweiter Spulenbecher 21, 22 angeordnet. Die Spulenbecher 21, 22 sind rotationssymmetrisch und im Querschnitt E- bzw. C-förmig und können als ein Guss-, Fräs- oder Drehteil hergestellt sein. An den beiden äußeren Schenkeln der Spulenbecher 21, 22 ist jeweils eine Schwingspule 23, 24 angeordnet, die mittels elektrischer Leitungen 9, 19 mit der Steuereinheit 10 elektrisch verbunden sind. Der mittlere Schenkel der Spulenbecher ist dabei teilweise bzw. vollständig rohrförmig ausgebildet, so dass durch diesen rohrförmigen Abschnitt des Zentralelements 8 die elektrischen Leitungen 9, 19 geführt werden können.
Das Gehäuse 3 ist durch das erste und das zweite Federelement 6, 7 an dem Zentralelement 8 federnd abgestützt und das Zentralelement 8 ist auf der Symmetrieachse 5 in der Durchgangsöffnung 4 derart positioniert, dass die Schwingspulen 21, 22 in den jeweiligen Ringraum 46 zwischen dem Südpol der Polplatten und dem ersten Absatz 41 bzw. dem dritten Absatz 43, die die Nordpole N bilden, frei in das magnetische Feld 33 und unbehindert eintauchen können. Die Schwingspulen 23, 24 sind somit senkrecht zu den Feldlinien des magnetischen Feldes 33 ausgerichtet und sind entlang der Symmetrieachse 5 translatorisch und rotatorisch beweglich gelagert gehalten.
Die Schwingungsspule 23 dient in diesem Ausführungsbeispiel der Erzeugung von Schwingungen 2, währenddessen die Schwingspule 24, Schwingungen 2 des Gehäuses erfasst. Der Exciter 1 ist somit dazu geeignet, einerseits Schwingungen 2 bzw. Schallwellen zu erzeugen und andererseits versetzen von außen einwirkende Schallwellen bzw. Schwingungen 2 das Gehäuse 3 ebenfalls in eine Schwingung, die dann wiederum durch das Zusammenspiel der Schwingspule 24 mit dem Dauermagneten 32 erfasst sind. Der Exciter 1 kann somit als „Lautsprecher” und „Mikrophon” benutzt werden, aber eben genauso zur aktiven Schwingungsdämpfung.
Bei der aktiven Schwingungsdämpfung übernimmt die Steuereinheit 10 durch geeignete Algorithmen, Modellbildungen oder mathematische Funktionen die Regelungsfunktion des Exciters 1, wobei die Ist-Größe w(t) gegeben ist durch Auslenkung der Scheibe zur Zeit „t”. Die erste Schwingspule 23 und Dauermagnet 31 bilden zusammen mit dem Gehäuse 3 den Steller, wobei die Stellgröße y(t) durch die Steuereinheit 10 generiert wird. Die zweite Schwingspule 24 in Verbindung mit dem Dauermagneten 32 bilden den Messwertgeber. Die Störgröße z(t) entspricht hierbei der von außen auf den Exciter 1 einwirkenden Schwingung 2.
Der 3 ist weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Exciters 1 zu entnehmen, wobei an dem Zentralelement 8 zusätzlich zu dem ersten Gehäuse 3 ein zweites Gehäuse 13 angeordnet sind.
Das erste Gehäuse 3 und das zweite Gehäuse 13 sind dabei durch jeweils ein paar Federelemente 6 und 7, 16 und 17 zueinander koaxial, parallel und beabstandet federnd an dem Zentralelement 8 in ihrer Symmetrieachse 5 gehalten. Der Abstand zwischen dem ersten Gehäuse 3 und dem zweiten Gehäuse 13 ist derart ausgelegt, dass die beiden Gehäuse 3, 13 bei entgegengesetzter maximaler Amplitude nicht kontaktieren bzw. zusammenstoßen können.
Die beiden Gehäuse 3, 13 sind im Wesentlichen gleichartig aufgebaut und spiegelsymmetrisch an dem Zentralelement 8 angeordnet.
In jedes der Gehäuse 3, 13 ist jeweils eine Durchgangsöffnung 4, 14 mit jeweils einem ersten Absatz 41 und einem zweiten Absatz 42, die durch einen Einstich 44 voneinander beabstandet sind, angeordnet. Der zweite Absatz 42 des jeweiligen Gehäuses 3, 13 weist auf der der jeweiligen Stirnseite 36 zugewandten Seite eine Anlagefläche 45 auf, in der jeweils der Dauermagnet 31, 32 bereichsweise eingesetzt ist. Der Nord- und der Südpol der beiden Dauermagneten 31, 32 sind dabei aufeinander ausgerichtet. Der Dauermagnet 31 ist dabei dem Gehäuse 3 zugeordnet und der Dauermagnet 32 dem Gehäuse 13. Die Positionierung der Dauermagneten 31, 32 ist auf dem jeweiligen zweiten Absatz 42 bzw. 43 derart vorgenommen, dass deren jeweiliger zugeordnete Pol „N” bzw. „S” in einer Ebene senkrecht zu der Symmetrieachse 5 und zu dem jeweiligen ersten Absatz 41 fluchtend und beabstandet ist. Somit sind in dem ersten Gehäuse 3 und dem zweiten Gehäuse 13 jeweils ein Ringraum 46 gebildet, wobei in die Ringräume 46 jeweils eine Schwingspule 23, 24 durch den jeweiligen Spulenbecher 21, 22 gehalten ist.
Die Anordnung der beiden Gehäuse 3, 13 muss nicht zwangsweise spiegelsymmetrisch sein. Aus dieser Anordnung ergibt sich jedoch der Vorteil, dass die beiden zweiten Absätze 42 eine gegenseitige Beeinflussung der magnetischen Ströme der Schwingspulen 23, 24 reduziert.
Das erste Gehäuse 3 dient in diesem Ausführungsbeispiel der Erzeugung von Schwingungen 2 und das zweite Gehäuse 13 der Erfassung von Schwingungen 2. Aufgrund dieser unterschiedlichen Aufgabenstellung der beiden Gehäuse 3, 13, können die beiden Gehäuse 3, 13 sowie deren jeweils zugeordneten Bauteile unterschiedlich dimensioniert und bemessen sein. Insbesondere ist dabei zu berücksichtigen, dass das schwingungserfassende Gehäuse 13 eine geringere Masse aufweist und dessen Federelemente 16, 17, die Schwingspule 24 und der mit dieser zusammenwirkende Dauermagnet 32 über dafür angepasste Eigenschaften verfügen. Die Schwingspulen 23, 24 sind dabei mittels elektrischer Leitungen 9, 19 mit der Steuereinheit 10 elektrisch verbunden. Ein derartiger Exciter 1 ist besonders gut für die aktive Schalldämpfung geeignet, sowohl für die Anwendung der bisherigen destruktiven Interferenz als auch der zu bevorzugenden aktiven Schalldämpfung mittels der Erledigung einer Positionieraufgabe.
Die Grundidee der aktiven Schalldämpfung besteht darin, einen oszillierenden Gegenstand 70 durch eine geregelte Positionierung mittels eines Exciters 1 zu dämpfen. Der Gegenstand 70 ist beispielsweise eine Fensterscheibe oder eine dünnwandige plattenförmige Wand oder dergleichen oder ein schwingungsübertragendes Gestell, durch das Schallwellen ohne die Schalldämpfung in einen Raum übertragen würden.
Die Funktionsweise des Exciters gemäß 3 soll nachfolgend anhand der 4 erläutert werden.
Der Exciter 1 ist dabei mit dem Zentralelement 8 an dem Gegenstand 70 starr befestigt. Bei dem Einwirken von Schwingungen 2 auf den Gegenstand 70 werden die Schwingungen 2 auf den Gegenstand 70 übertragen und der Gegenstand 70 oszilliert entsprechend der ihn anregenden Frequenz. Durch die Kopplung des Exciters 1 mit dem Gegenstand 70 sind die Schwingungen auf den Exciter 1 übertragen und erfasst. Die Schwingungserfassung erfolgt dabei durch den als Masse-Feder System ausgebildeten Beschleunigungssensor 11. Aufgrund der Massenträgheit des Gehäuses 13 mit der Masse m₂, wird das Masse-Feder-System 13 auf Grund einer anderen Dämpfung im Vergleich zum Masse-Feder-System 12, Gehäuse 3 mit der Masse m₁ _, anders ausgelenkt, da m₁ > m₂ ist. Daraus resultiert ein veränderter magnetischer Fluss durch die zweite Schwingspule 24. Der jeweilige Wert des dadurch in der Schwingspule 24 induzierten Stromes wird durch die Steuereinheit 10 gemessen. Hierdurch lassen sich Amplitude und Phase der Schwingung bestimmen.
Um die korrekte Amplitudenhöhe alter Amplituden zu erfassen, müssen die Durchgangsöffnungen 14a und b eine genügende Höhe haben, um ein Clipping zu verhindern.
Die Steuereinheit 10 erzeugt ein entsprechendes Signal, das der Masse m₁ des zweiten Masse-Feder Systems 12, folglich Gehäuse 3, anspricht. Eine Art „Gegen”-Schwingung ist somit erzeugt, die dazu geeignet ist, die eintreffenden Schwingungen 2 zu dämpfen. Dabei soll vorzugsweise das Zentralelement 8 bzw. der Gegenstand 70 keine Amplitudenänderung erfahren.
Den 5a bis 5f ist zu entnehmen, dass durch das Einwirken der Schwingungen der Gegenstand bzw. das Zentralelement des Exciters zu einer Schwingung angeregt ist. In Abhängigkeit von den schwingungsmechanischen Eigenschaften des Gegenstandes beginnt dieser jedoch nur allmählich anzuschwingen, wobei sich über die Zeit die Amplitude einem Wert nähert. In der 5c ist die Beschleunigung des Gegenstandes bzw. des Zentralelementes dargestellt, wobei die Beschleunigung A das zeitlich Derivativ der Amplitude, dargestellt in 5b, entspricht. Die Beschleunigung des Masse-Systems des Exciters, dargestellt in 5d, folgt der Beschleunigung des Gegenstandes um eine halbe Periode (π/2). In den 5e und 5f ist das Schwingungsverhalten beim geregelten Positioniervorgang dargestellt. Nach wie vor wirken auf den Gegenstand bzw. den Exciter die von außen einwirkenden Schwingungen 2, dargestellt in 5a, ein. Der Gegenstand 70 und der Exciter 1 sind dabei durch die von dem Gehäuse 3 erzeugten Schwingungen 2 derart gedämpft, dass die anfängliche Auslenkung durch die erste Schwingung des Gegenstandes 70 in ein Kriechfall überführt ist, bei dem zugleich der Gegenstand 70 quasi stillgestellt ist.
Die Zeit „τ”, die der schwingende Gegenstand, z. B. die Scheibe 70, benötigt, um mit Hilfe des Feder-Masse-Systems des Exciter 1 die Auslenkung „0” zu erreichen, sollte möglichst kurz (wenige Millisekunden) sein. Dies kann mit Hilfe der verschiedenen Stellglieder des Exciters erreicht werden. Die Grenzen dabei werden durch die Stellglieder des Exciters 1 und deren Trägheit und Dynamik gesetzt.
Nacheinander beschreibt die 5 Kraft „F” ausgehend von einer äußeren Schallquelle, die Auslenkung „L” der Scheibe infolge der Kraft „F”, die ungedämpften Beschleunigung „A_Scheibe” der Scheibe, die Beschleunigung „A_Exciter” des Exciters, die gedämpfte Beschleunigung des Fensters durch den Exciter „A_{Scheibe+Exciter}” im Sinne einer destruktiven Interferenz von A_Scheibe und A_Exciter, sowie den Kriechfall bzw. den aperiodische Grenzfall bei geregelter Dämpfung der Beschleunigung der Fensterscheibe durch eine Schallwelle mit Hilfe Stellglieder des Feder-Masse-Systems des Exciters nach 2 bzw. 3. Die Stellglieder werden mit Hilfe der Steuereinheit so geregelt, dass die Zeitdauer „τ” bis zum Stillstand der Scheibe möglichst kurz ist.
Der 6a ist ein Exciter 1 zur aktiven Schalldämpfung zu entnehmen. Der Exciter 1 ist dabei durch das Zentralelement 8 starr und punktuell an eine Glasscheibe 70 gekoppelt. Treffen beispielsweise von außen Schallwellen bzw. Schwingungen 2 auf die Fensterscheibe 70, ist die Fensterscheibe 70 in Schwingung versetzt. Durch den Exciter 1 ist zeitgleich diese Schwingung 2 erfasst und die Glasscheibe 70 zunächst quasi statisch stillgestellt, so dass diese ihre Ausgangsposition möglichst nicht verlässt. Befindet sich beispielsweise eine Person hinter der Glasscheibe 70 In einem geschlossenen Raum, so nimmt diese Person die Schallwellen 2 bzw. die Schwingungen 2 nicht wahr.
In 6b ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Exciters dargestellt, der in einem Kopfhörer oder einem Gehörschutz integriert ist. Der Exciter 1 erfasst die in den Kopfhörer eintretende Schallwellen bzw. Schwingungen 2 und dämpft diese durch eine geeignete Gegenschwingung.
Der Exciter 1 besteht dabei aus einem ersten und einem zweiten Gehäuse 3, 13 die parallel zueinander an dem Zentralelement 8 angeordnet sind. Die beiden Gehäuse sind jeweils mit einem Federelement 6, 16 bzw. 7, 17 an dem Zentralelement abgestützt und stützen sich darüber hinaus gegenseitig derart ab, dass dennoch beide Gehäuse 3, 13 unabhängig voneinander entlang der Symmetrieachse 5 und um die Symmetrieachse 5 schwingen können.
Der 7 ist ein schematischer Aufbau einer Weiterbildung des Exciters 1 zur aktiven Schalldämpfung zu entnehmen. Der Exciter 1 ist durch einen Becher 61 von außen einwirkenden Einflüssen geschützt und zugleich verhindert der Becher 61, dass Schallwellen, die vom Exciter 1 erzeugt werden, durch diesen nach außen hindurchtreten können.
In dem Innenraum 62 des Bechers 61 kann eine aktive oder passive Kühlung „Q” 63 eingebracht sein, um die entstehende Wärme im Exciter 1 nach außen abzuführen.
In den Feder-Masse Systemen 12 können neben den Federn k zusätzlich Dämpfer d eingesetzt werden, um das Schwingungsverhalten der einzelnen Feder-Masse Systemen 12 zu beeinflussen.
Der Beschleunigungssensor 11 kann auch als Micro- oder Miniaturbauteil ausgeführt sein und von dem Feder-Masse System 12 bzw. dem Gehäuse 3 ganz oder teilweise umgeben sein. Wesentlich ist, dass der Beschleunigungssensor 11 starr dem Zentralelement 8 zugeordnet ist. Vorzugsweise ist eine Positionierung in der Symmetrieachse 5.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007040082 A1 [0002]

Claims

Exciter (1) zur Erfassung und Erzeugung von Schallwellen (2) bzw. Schwingungen, bestehend aus: – einem Gehäuse (3), in dem eine Durchgangsöffnung (4) entlang einer Symmetrieachse (5) eingearbeitet ist – einem Zentralelement (8), das innerhalb der Durchgangsöffnung (4) in der Symmetrieachse (5) angeordnet ist – zwei parallel und beabstandet zueinander angeordneten plattenförmigen Federelementen (6, 7), die das Gehäuse (3) in der Symmetrieachse (5) federnd an dem Zentralelement (11) abstützen und das Gehäuse in eine Torsionsbewegung versetzen – einer an dem Zentralelement (8) befestigten Schwingspule (23), die über elektrische Leitungen (9) mit einer Steuereinheit (10) verbunden ist und – mindestens einem Dauermagnet (31), der im Inneren des Gehäuses (3) in der Durchgangsöffnung (4) angeordnet ist und dessen Magnetfeld (33) zu der Schwingspule (23) des Zentralelements (8) ausgerichtet ist dadurch gekennzeichnet, dass dem Zentralelement (8) mindestens ein Beschleunigungssensor (11) zugeordnet ist, dass durch den Beschleunigungssensor (11) Schwingungen (2) des Zentralelements (11) mindestens entlang der Symmetrieachse (5) erfasst sind und dass die erfassten Schwingungen (2) als ein elektrisches Signal zu der Steuereinheit (10) übermittelt sind.
Exciter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor (11) als Feder-Masse System (12) ausgebildet ist, dass der Beschleunigungssensor (11) durch eine zweite Schwingspule (24) und einen zweiten Dauermagneten (32) gebildet sind, dass die zweite Schwingspule (24) und der zweite Dauermagnete (32) parallel und beabstandet zu dem Dauermagneten (31) und der Schwingspule (23) innerhalb der Durchgangsöffnung (4) angeordnet sind und dass die zweite Schwingspule (24) über elektrische Leitungen (13) mit einer Steuereinheit (14) verbunden ist.
Breitband-Exciter (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schwingspule (24) dem Zentralelement (8) und der zweite Dauermagnet (32) dem Gehäuse (3) fest zugeordnet ist.
Exciter (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schwingspule (24) dem Zentralelement (8) und der zweite Dauermagnet (32) in einer Durchgangsöffnung (14) in einem zweiten Gehäuse (3) fest zugeordnet ist, dass das zweite Gehäuse (13) und dessen Durchgangsöffnung (14) koaxial auf der Symmetrieachse (5) angeordnet sind und dass das zweite Gehäuse (13) parallel und beabstandet zu dem Gehäuse (3) an dem Zentralelement (8) angeordnet ist.
Exciter (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Gehäuse (3, 13) eines der Federelemente (6 oder 7) zugeordnet ist und dass die Gehäuse (3, 13) sich derart gegeneinander abstützen, das diese unabhängig entlang oder um die Symmetrieachse (5) schwingen können.
Exciter (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuse (3, 13) jeweils durch zwei Federelemente (6 und 7, 16 und 17) federnd an dem Zentralelement (8) abgestützt sind
Exciter (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse (m₁) des Gehäuses (3) größer ist als die Masse (m₂) des zweiten Gehäuses (13)
Exciter (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3), der Dauermagnet (31) und die Schwingspule (23) durch die Steuereinheit (10) als Stellglied y(t) angesteuert werden und dass das zweite Gehäuse (13), der zweite Dauermagnet (32) und die zweite Schwingspule (24) den Messwertgeber (x(t)) der Steuereinheit (10) bilden.
Exciter (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentralelement (8) aus mindestens zwei Zentralelementabschnitten gebildet ist, dass die Zentralelementabschnitte ein oder mehrere Verbindungseinrichtungen (29) aufweisen, durch die die einzelnen Zentralelementabschnitte verbunden sind.
Exciter (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Exciter (1) durch das Zentralelement (8) mit einem Gegenstand (70) starr koppelbar ist, dass die Schwingungen (2) an dem Gegenstand (70) durch den Beschleunigungssensor (11) erfasst sind und dass durch die Steuereinheit (10) ein Stellsignal (y(t)) generiert ist durch das die Schwingungen (2) gedämpft sind.
Exciter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnungen 4a und 4b sowie 14a und b in der Höhe so dimensioniert sind, dass ein mechanisches Clipping verhindert wird und eine ausreichende Amplitudenhöhe der Federelemente 6 und 7 möglich wird.