DE102017209218A1 - Festkörperaktoren mit psychoakustischem Ansteuerungskonzept - Google Patents

Abstract

Störgeräusche bei Festkörperaktoren, insbesondere bei piezohydraulischen Aktoren, sollen reduziert werden. Dazu wird ein Verfahren zum Betreiben eines Festkörperaktors bereitgestellt, bei dem beispielsweise ein piezoelektrisches Bauelement (3) des Festkörperaktors (1) mit einer Ansteuerspannung angesteuert wird, deren Grundfrequenz in einem für das menschliche Gehör hörbaren Bereich liegt. Eine Frequenz der Ansteuerspannung, die von einer Ansteuereinrichtung (2) erzeugt wird, wird automatisch durch eine zufallszahlartige Größe in Bezug auf die Grundfrequenz variiert.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Festkörperaktors durch Ansteuern des Festkörperaktors mit einer Ansteuerspannung, deren Grundfrequenz in einem für das menschliche Gehör hörbaren Bereich liegt. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Festkörpervorrichtung mit einem Festkörperaktor und einer Ansteuereinrichtung zum Ansteuern des Festkörperaktors mit einer Ansteuerspannung, deren Grundfrequenz in einem für das menschliche Gehör hörbaren Bereich liegt.
• Elektromechanische Aktoren, die elektrische Spannung und Strom in mechanische Kraft und Verschiebung umsetzen, können in der ersten Stufe der Umsetzung nur für kleine Hübe effizient arbeiten. Die Übertragung größerer Leistungen erfordert daher eine oszillatorische Anregung mit hoher Frequenz, was die Gefahr der Abstrahlung parasitären Lärms beinhaltet. Soweit die oszillierenden Elemente keine direkte Verbindung zur Außenwelt haben, sondern im Maschinengehäuse eingeschlossen sind, verbleibt als möglicher Übertragungsweg nach außen die Kopplung oszillierender Massen über nicht verschwindende Steifigkeiten von Zwischenelementen an dieses Maschinengehäuse.
• Bei elektromagnetischen Aktoren wie Linearmotoren oder rotierenden Motoren herrschen zwar oszillierende Kräfte zwischen entsprechenden Polpaaren, aber es gibt keine nennenswerten direkt mitoszillierenden Massen. Den elektromagnetischen Feldern selbst entsprechen angesichts der Einsteinschen Formel E=m*c² und der Größe der Lichtgeschwindigkeit c nur vernachlässigbar kleine Massen m. Nennenswerte Massen wie Permanentmagnete, Eisenteile oder Leiterbahnen können auf Bahnen geführt werden, die von den oszillierenden Kräften zwischen den Polpaaren weitgehend entkoppelt sind und sich daher beispielsweise hauptsächlich nur in eine Richtung bewegen.
• Neben diesen elektromagnetischen Aktoren stehen auch kleine, aber kraftvolle Festkörperaktoren zur Verfügung. Ein Festkörperaktor ist jedes Bauelement, das elektrische Energie in mechanische Energie wandelt. Insbesondere wird im vorliegenden Dokument unter einem Festkörperaktor ein piezohydraulischer Aktor verstanden. Ein solcher Aktor ist z. B. nur wenige Zentimeter lang, kann aber mehr als 150 Newton Kraft ausüben. Solche Aktoren dienen beispielsweise zum Bewegen von Ventilen oder Klappen und können in der Robotik verwendet werden.
• Das festkörperhydraulische Konzept kombiniert Festkörpermechanik mit Hydraulik. Eine elektrische Spannung erzeugt winzige Auslenkungen beispielsweise eines Piezokristalls und ein internes Hydrauliksystem integriert diese kleinen Bewegungen zu einem Hub von beispielsweise 2 Zentimetern auf. Im Gegensatz zu rein elektromagnetischen Aktoren verlieren diese nicht an Effizienz, wenn sie sehr klein sind. Vorteilhafterweise kann ein derartiger Festkörperaktor mit hydraulischem Konzept metallisch gekapselt sein. So ist das gesamte Hydrauliköl im System eingeschlossen und der Aktor braucht nur mit Strom, nicht aber mit Flüssigkeit versorgt zu werden. Zum andern lässt sich der Aktor so gegen Einflüsse wie Staub, Feuchtigkeit oder Chemikalien schützen.
• Ein piezohydraulischer Aktor erreicht beispielsweise eine hohe Steifigkeit, wenn er nur mit 6 Millilitern Hydrauliköl gefüllt ist. Das gekapselte Hydrauliksystem besteht in einer Ausgestaltung aus drei benachbarten metallischen Bälgen, die in axialer Richtung dehnbar und durch Rückschlagventile miteinander verbunden sind. Wird der Piezokristall angeregt, dehnt er sich in die mittlere Kammer aus, erzeugt dort einen Druck und öffnet so das Ventil zur benachbarten Kammer, an deren Vorderseite eine Abtriebsstange sitzt. Das einströmende Öl dehnt den Balg leicht aus und die Abtriebsstange wird ausgelenkt. Einen Hub von insgesamt z.B. 2 Zentimetern erreicht man mit einer speziellen Integrationslösung. So kann der Piezokristall mit einer hochfrequenten Sägezahnspannung betrieben werden, wobei die schnellen kleinen Ausdehnungen zu einer gleichförmigen Bewegung der Abtriebsstange addiert werden. Dieses Konzept hat insbesondere zwei Vorteile. Legt man nämlich die umgekehrte Spannungsform an, dreht sich die Pumprichtung und damit die Bewegung um. Außerdem hält der Aktor einen einmal eingestellten Hub stabil ein.
• Festkörperaktoren, insbesondere piezoelektrische Aktoren, haben gegenüber elektromagnetischen Aktoren mehrere Vorteile, z.B. die außerordentlich hohe erzielbare Kraftdichte. Allerdings sind hier die in der ersten Stufe der festkörperhydraulischen Umsetzung auftretenden oszillierenden Kräfte unvermeidlich an die relativ hohe Massendichte des dabei mitschwingenden Festkörpermaterials gekoppelt. Dies bedingt angesichts der durch die Leistungsanforderungen benötigten Schwingfrequenzen ein erhebliches Abstrahlrisiko nach außen. Erst nach der Transformation der oszillierenden Kräfte im Rahmen einer Festkörperhydraulik, insbesondere einer Piezohydraulik, erhält man wieder eine gewisse Entkopplung von der Oszillation der primären Festkörperwandlerstufe, sodass sich beispielsweise ein Kolben auf der Sekundärseite der Hydraulik wieder vorzugsweise in eine Richtung bewegt.
• Auf diese Weise haben beispielsweise die piezohydraulischen Antriebe Nachteile bei der Akustik. Ein Grund hierfür liegt, wie oben angeführt, in der hochfrequenten Ansteuerung des Piezoaktors, um eine möglichst hohe Geschwindigkeit des Gesamtaktors zu erzielen. Bei der Ansteuerung des Piezos kann sowohl ein PWM-Signal (Pulsweitenmodulation) gemäß 1 als auch eine Sägezahnform gemäß 2 genutzt werden. Bei dem PWM-Signal entsprechend 1 ergeben sich steile Flanken, wenn die Piezospannung u_p über der Zeit t aufgetragen wird. Entsprechend dem Beispiel beginnt ein Impuls des PWM-Signals zum Zeitpunkt t₀ . Seine Anstiegsflanke endet zum Zeitpunkt t₁ . Zum Zeitpunkt t₂ beginnt der Impuls abzufallen und die abfallende Flanke endet zum Zeitpunkt t₃ . Zwischen dem Zeitpunkt t₃ und t₄ befindet sich die Piezospannung u_p auf einem Ruhepotential, z.B. 0V. Zum Zeitpunkt t₄ beginnt der nächste Impuls anzusteigen, wobei die Anstiegsflanke nun zum Zeitpunkt t₅ endet. Das Signal lässt sich nun in gleicher Weise fortsetzen. Entsprechend der gewünschten Signalinformation wird die Impulsbreite variiert.
• In dem Beispiel von 2 wird eine Piezospannung u_p mit einer Sägezahnform an dem Piezoaktor angelegt. Wiederum beginnt zum Zeitpunkt t₀ eine steile Anstiegsflanke, die zum Zeitpunkt t₁ endet. Nun fällt die Spannung linear bis zum Zeitpunkt t₄ ab. Dort beginnt die Spannung, wieder entsprechend einer (idealerweise unendlich) steilen Anstiegsflanke bis zum Zeitpunkt t₅ zu steigen. Das Signal wird in der Regel periodisch so fortgesetzt.
• Die Amplitude des akustischen Signals ergibt sich hierbei hauptsächlich aus der Maximalgeschwindigkeit der Piezoauslenkung s, also (s/(t₁ -t₀ )). Diese Geschwindigkeit kann nur bedingt reduziert werden, da ansonsten die Kraft und die Geschwindigkeit des Gesamtaktors stark sinken. Die Frequenz des Signals ist durch 1/(t₄ -t₀ ) definiert und liegt typischerweise bei mehreren 100 Hz, was für das Gehör des Anwenders eines solchen Aktors sehr lästig sein kann.
• Eine naheliegende Methode zur Verringerung der Schallabstrahlung basiert auf der passiven Dämpfung aller Körperschall-Pfade, die zur Übertragung der Piezobewegung auf das letztlich den Schall abstrahlende Maschinengehäuse beitragen. Hierzu ist es nötig, anstelle starrer Verbindungen geeignet abgestimmte Feder-Dämpfer-Elemente einzusetzen. Bei dieser Abstimmung wäre es zweckmäßig, einerseits die hohen Frequenzen zu dämpfen, die mit der Maximalgeschwindigkeit des Piezos verknüpft sind. Andererseits müsste auch die Arbeitsfrequenz 1/(t₄ -t₀ ) gedämpft werden. Nachteile einer solchen passiven Dämpfung liegen im benötigten Bauraum, in der benötigten Masse von Federn und Dämpfern, im Energieverlust durch die Dämpfung und in der Einschränkung möglicher Optionen zur hochdynamischen Ansteuerung des piezohydraulischen Gesamtsystems.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, akustische Störungen für das menschliche Gehör beim Betrieb eines piezohydraulischen Aktors möglichst weit zu reduzieren.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren und einen Festkörperaktor gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird demnach ein Verfahren zum Betreiben eines Festkörperaktors, insbesondere eines piezohydraulischen Aktors, durch Ansteuern des Festkörperaktors mit einer zeitvariablen Ansteuerspannung bereitgestellt. Der Festkörperaktor ist also mit einem Festkörperwandlerelement ausgestattet, welches eine Ansteuerspannung in eine mechanische Bewegung beziehungsweise Auslenkung umsetzt. Bei Ansteuerung mit der Ansteuerspannung ergibt sich eine entsprechende oszillierende Bewegung des Festkörperwandlerelements. Diese oszillierende Bewegung lässt sich in dem Festkörperaktor für eine Pumpbewegung nutzen. Aus den Pumpbewegungen erzeugt der Festkörperaktor z.B. über Hydraulik mittels entsprechender Integration beispielsweise eine vergrößerte Linearbewegung oder Drehbewegung.
• Die Grundfrequenz für die Ansteuerspannung liegt typischerweise in einem für das menschliche Gehör hörbaren Bereich. Der menschliche Hörbereich liegt etwa zwischen 20 Hz und 20 kHz. Wenn beispielsweise die Ansteuerspannung eine Grundfrequenz von mehreren 100 Hz besitzt, liegt sie im hörbaren Bereich.
• Erfindungsgemäß wird nun die Frequenz der Ansteuerspannung automatisch durch eine zufallszahlartige Größe in Bezug auf die Grundfrequenz variiert. Unter einer zufallszahlartigen Größe wird hierbei eine statistisch hinreichend genaue Approximation einer Zufallszahl-Folge verstanden. In der Praxis werden zu diesem Zweck in der Regel Pseudo-Zufallszahlen eingesetzt. Dies bedeutet, dass die Ansteuerspannung keine konstante Frequenz entsprechend beispielsweise der Grundfrequenz besitzt. Vielmehr wird die Frequenz der Ansteuerspannung in beispielsweise zufälliger oder pseudozufälliger Weise geändert. Der Nutzer des Festkörperaktors hört damit nicht ständig Störschall mit der Grundfrequenz. Vielmehr besitzt der Störschall beispielsweise fortlaufend unterschiedliche Frequenzen, wenn die Frequenz der Ansteuerspannung entsprechend fortlaufend zufällig bzw. pseudozufällig variiert wird. Diese Frequenzänderungen des Störschalls wirken sich deutlich psychoakustisch aus. So wird der Störschall, der nun immer wieder seine Frequenz ändert, als weniger störend empfunden als solch ein Störschall, der bei einer festen Grundfrequenz der Ansteuerspannung des piezoelektrischen Bauelements auftritt.
• Vorzugsweise liegt die Grundfrequenz der Ansteuerspannung in einem Bereich von 40 bis 20 000 Hz und insbesondere in einem Bereich von 100 bis 1 000 Hz. In diesem Frequenzbereich sind sehr hohe Hubgeschwindigkeiten für den Festkörperaktor erzielbar. Besonders vorteilhaft lässt sich ein piezohydraulischer Aktor beispielsweise mit 400 bis 600 Hz betreiben.
• Günstigerweise wird die Frequenz in einem vorgegebenen Intervall um die Grundfrequenz variiert. Auf diese Weise lassen sich die Grenzen der Frequenzvariation leicht bestimmen. Wird so beispielsweise im Rahmen der Erzeugung einer Zufallsgröße eine Zufallszahl zwischen -1 und +1 erzeugt, kann diese Zufallszahl mit der halben Intervallbreite multipliziert werden, wodurch die resultierende Frequenzänderung in dem vorgegebenen Intervall verbleibt. Insbesondere ergibt sich damit ein symmetrisches Intervall um die Grundfrequenz. Grundsätzlich ist man bei der Erzeugung der Zufallsgröße bzw. der zufallsartigen Größe aber nicht auf ein symmetrisches Intervall in Bezug auf die Grundfrequenz angewiesen. Beispielsweise kann die Frequenz ausgehend von der Grundfrequenz auch nur erhöht oder nur erniedrigt werden. Auch eine geringe Änderung in negativer Richtung und eine etwas größere in positiver Richtung sind denkbar, oder umgekehrt.
• In einer Ausprägungsform wird die Frequenz der Ansteuerspannung nach jeder Periode der Ansteuerspannung variiert. Die Frequenz beziehungsweise die entsprechende Periodendauer ändert sich also hier mit jeder Periode. Dann liegt eine Änderungsrate der Frequenz vor, die der Frequenz der Ansteuerspannung entspricht. So ändert sich die Frequenz bei einem PWM-Signal also beispielsweise von Impuls zu Impuls und bei einem Sägezahn-Signal von einem Sägezahn zum nächsten.
• Prinzipiell kann die Frequenz der Ansteuerspannung spätestens nach 100, vorzugsweise spätestens nach 10, Perioden der Ansteuerspannung variiert werden. Wird dann beispielsweise eine Grundfrequenz der Ansteuerspannung von mehreren 100 Hz verwendet, so liegt beispielsweise eine Änderungsrate vor, die mindestens im einstelligen Hz-Bereich liegt. Bei dieser Änderungsrate ist die Frequenzänderung psychoakustisch von Bedeutung. Zu geringe Änderungsraten wären unter Umständen weniger effizient.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform besitzt ein Frequenzsprung bei dem Variieren der Frequenz höchstens einen vorgegebenen Maximalsprungwert. Der Hintergrund dafür ist, dass nach psychoakustischen Erfahrungen Geräusche mit großen Frequenzsprüngen besonders störend wirken. Wird die Frequenzsprungweite hingegen auf einen vorgegebenen Maximalsprungwert begrenzt, so kann diesem Effekt entgegengearbeitet werden. Erfahrungswerte zeigen, dass Frequenzsprünge, die deutlich über 50 Hz liegen, sehr störend wirken. Daher soll für das zufällige Variieren der Frequenz ein Maximalsprungwert, um den sich die Frequenz der Ansteuerspannung schlagartig ändert, festgelegt werden. Dieser Maximalsprungwert kann insbesondere kleiner als eine Breite des vorgegebenen Intervalls für die Frequenzänderungen sein. Dadurch kann beispielsweise erreicht werden, dass bei einer einzigen Frequenzänderung nicht von der einen Intervallgrenze zur anderen Intervallgrenze gesprungen wird. Gegebenenfalls ist eine solche Änderung von Intervallgrenze zu Intervallgrenze nur mit zwei oder mehr Sprüngen möglich. Beispielsweise beträgt die Intervallbreite 100 Hz und der Maximalsprungwert beträgt 60 Hz oder 30 Hz. In ersterem Fall sind dann mindestens zwei Sprüngen und im zweiten Fall mindestens vier Sprünge von Intervallgrenze zu Intervallgrenze notwendig, wenn die Intervallbreite 100 Hz beträgt.
• Wie bereits erwähnt wurde, kann die Ansteuerspannung ein Sinus- oder PWM-Signal sein oder eine Sägezahnform besitzen. Prinzipiell kann die Ansteuerspannung natürlich auch eine andere Signalform besitzen. Besonders vorteilhaft ist, wenn die Signalform steile Flanken besitzt.
• Die oben erwähnte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch eine Festkörpervorrichtung mit einem Festkörperaktor und einer Ansteuereinrichtung zum Ansteuern des Festkörperaktors mit einer Ansteuerspannung, deren Grundfrequenz in einem für das menschliche Gehör hörbaren Bereich liegt, wobei die Ansteuereinrichtung dazu ausgebildet ist, eine Frequenz der Ansteuerspannung automatisch durch eine zufallsartige Größe (d.h. Zufalls- oder Pseudozufallsgröße) in Bezug auf die Grundfrequenz zu variieren.
• Hinsichtlich der erfindungsgemäßen Festkörpervorrichtung gelten die gleichen Vorteile und Variationsmöglichkeiten wie in dem oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Betriebsverfahren des Festkörperaktors. Die jeweiligen Verfahrensmerkmale sind dann bei der Festkörpervorrichtung als funktionelle Merkmale von entsprechenden Mitteln der Festkörpervorrichtung zu sehen.
• Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
• 1 eine Ansteuerspannung entsprechend einem PWM-Signal;
• 2 eine Ansteuerspannung mit einer Sägezahnform;
• 3 ein Ablaufdiagramm zum Betreiben eines Festkörperaktors; und
• 4 eine schematische Darstellung einer Festkörpervorrichtung mit piezohydraulischem Aktor.
• Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Dabei ist zu beachten, dass die einzelnen Merkmale nicht nur in den geschilderten Kombinationen, sondern auch in Alleinstellung oder in anderen technisch sinnvollen Kombinationen realisiert werden können. Insbesondere können auch Kombinationen mit den eingangs erwähnten Merkmalen aus dem Stand der Technik erfolgen.
• Die Ausführungsbeispiele im Folgenden beziehen sich auf einen piezohydraulischen Aktor, wie er eingangs erwähnt wurde. Er dient beispielsweise zum Stellen eines Ventils oder einer Klappe, oder aber auch zum Bewegen anderer Mechanismen beziehungsweise Komponenten in Vorrichtungen oder Anlagen.
• In dem Beispiel von 3 ist schematisch ein Betriebsverfahren für einen solchen piezohydraulischen Aktor dargestellt. In einem ersten Schritt S1 erfolgt ein Ansteuern eines piezoelektrischen Bauelements des piezohydraulischen Aktors mit einer Ansteuerspannung, die eine Grundfrequenz f₀ besitzt. Die Grundfrequenz f₀ liegt typischerweise in einem Bereich von 400 bis 600 Hz. In diesem Bereich ist ein sehr effizienter Betrieb des piezohydraulischen Aktors möglich. Allerdings liegt dieser Frequenzbereich im hörbaren Bereich. Dies bedeutet, dass die Schwingungen, die von dem piezoelektrischen Bauelement beziehungsweise dem piezohydraulischen Aktor erzeugt und gegebenenfalls über andere Komponenten weitergeleitet werden, vom menschlichen Gehör wahrnehmbar sind. Personen besitzen gegenüber diesem Störschall entsprechend den psychoakustischen Gegebenheiten eine mehr oder weniger hohe subjektive Empfindlichkeit. Diese kann reduziert werden, wenn die Frequenz der Ansteuerspannung gegenüber der Grundfrequenz f₀ variiert wird.
• Erfindungsgemäß wird zum Variieren der Frequenz der Ansteuerspannung gemäß Schritt S2 eine Zufallsgröße erzeugt. Hierzu kann beispielsweise ein Zufallsgenerator verwendet werden, der in einem vorgebbaren Intervall, z.B. 0 bis 1 oder - 1 bis + 1, Zufallszahlen erzeugt. Mit dieser Zufallszahl lässt sich ein zufälliger Frequenzwert durch beispielsweise eine Multiplikation mit einem festen Frequenzwert (z.B. Intervallgrenze) erzeugen. Dieser zufällige Frequenzwert stellt eine Zufallsgröße dar, mit der die Grundfrequenz f₀ automatisch abgeändert werden kann, wie dies durch Schritt S3 in 3 symbolisiert ist. Beispielsweise wird die Zufallsgröße beziehungsweise der zufällige Frequenzwert zu der Grundfrequenz addiert oder von ihr subtrahiert. Daraus resultiert eine gegenüber der Grundfrequenz geänderte Frequenz der Ansteuerspannung.
• Entsprechend Schritt S4 erfolgt nun ein Ansteuern des piezohydraulischen Aktors mit der geänderten Frequenz. Anschließend wird in dem vorliegenden Beispiel zum Schritt S2 zurückgesprungen, wo erneut eine Zufallsgröße zur Frequenzänderung erzeugt wird. Dieser Prozess kann nun beliebig lange fortgesetzt werden. Insbesondere kann er immer während des Betriebs des piezohydraulischen Aktors durchgeführt werden. Gegebenenfalls kann der Prozess auch manuell zum Betrieb des piezohydraulischen Aktors hinzugeschaltet werden. Dies bedeutet, dass er zeitlich von dem Betrieb des piezohydraulischen Aktors entkoppelt ist.
• In einer Weiterbildung können gewisse Parameter in dem Prozess der Frequenzänderung variiert werden. Insbesondere können die Grenzwerte für die Frequenzänderung festgelegt beziehungsweise geändert werden. Darüber hinaus könnte auch die Häufigkeit der Änderungen eingestellt werden. Vorteilhaft ist beispielsweise, wenn nach jeder Periode der Ansteuerspannung eine Frequenzänderung stattfindet. Weitere Variationsmöglichkeiten sind unten beschrieben.
• 4 zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Piezovorrichtung. Diese Piezovorrichtung besitzt einen piezohydraulischen Aktor 1 und eine Ansteuereinrichtung 2. Der piezohydraulische Aktor 1 wandelt elektrische Energie in mechanische Energie. Dazu besitzt er ein piezoelektrisches Bauelement 3, das eine elektrische Ansteuerspannung in eine pulsierende Bewegung umsetzt. Dazu steht das piezoelektrische Bauelement mit einer Hydraulikkomponente 4 in Wechselwirkung. Die Hydraulikkomponente 4 setzt beispielsweise eine Schwingungsbewegung des piezoelektrischen Bauelements 3 in eine lineare Bewegung eines Stifts 5 um. Speziell kann die Hydraulikkomponente 4 die Schwingungsbewegung des piezoelektrischen Bauelements 3 durch entsprechende Ventile in eine spezifische Bewegung einer Abtriebskomponente, wie etwa des Stifts 5, umsetzen. Gegebenenfalls führt die Abtriebskomponente anstelle einer linearen Bewegung eine Rotationsbewegung durch.
• Die Ansteuerspannung für das piezoelektrische Bauelement wird von der Ansteuereinrichtung 2 erzeugt. Die Ansteuerspannung kann unterschiedlichste Formen besitzen. Besonders geeignet sind PWM-Signalformen oder Sägezahn-Signalformen (vergleiche 1 und 2). Die Grundfrequenz der Ansteuerspannung liegt in einem für das menschliche Gehör hörbaren Bereich. Daher können im Betrieb der Piezovorrichtung unter Umständen lästige Störgeräusche entstehen. Um die Lästigkeit dieser Störgeräusche zu reduzieren, wird die Frequenz der Ansteuerspannung automatisch durch eine Zufallsgröße bzw. zufallsartige Größe in Bezug auf die Grundfrequenz variiert. Dazu besitzt die Ansteuereinrichtung 2 im vorliegenden Beispiel einen Zufallsgenerator 6, mit dem eine Zufallszahl generiert wird. Diese Zufallszahl, die beispielsweise im Bereich zwischen Null und Eins liegt, dient als Basis zur Erzeugung der Zufallsgröße, die vorzugsweise eine Frequenz darstellt. Beispielsweise handelt es sich um das Produkt der Zufallszahl mit einem Frequenzwert, der eine maximale Abweichung von der Grundfrequenz darstellt. Mit dieser Zufallsgröße wird die Ansteuerspannung der Ansteuereinrichtung 2 vorzugsweise ständig, z.B. nach jeder Periode, geändert. Damit kann eine Reduzierung der Störgeräusche nach psychoakustischen Prinzipien erfolgen.
• Bei einem sehr effizienten Betrieb des piezohydraulischen Aktors arbeitet dieser beispielsweise bei mehreren 100 Hz, insbesondere beispielsweise zwischen 400 und 600 Hz. Dabei kann die Hydraulik limitierend für höhere Frequenzen wirken.
• Eine derart feste Betriebsfrequenz von mehreren 100 Hz wirkt sehr störend auf das menschliche Gehör. Daher wird die Frequenz der Spannungszyklen der Ansteuerspannung beispielsweise innerhalb eines geeignet festgelegten Intervalls variiert, sodass die subjektiv empfundene Lautstärke reduziert wird. Das bedeutet, dass beispielsweise die Frequenz f_i des Zyklus i sich per Zufallsmodus um einen Wert f₀ innerhalb eines definierten Frequenzbereichs [f₀-Δf; f₀+Δf] bewegt.
• Um die Frequenzsprünge zwischen zwei Spannungszyklen (von i nach j) einzuschränken, kann auch ein maximal erlaubter Frequenzsprung Δf_{ij_max} definiert werden, der kleiner ist als der Betrag von |2*Δf|. Dadurch definiert sich Δf_ij wie folgt: $$\mathrm{\Delta }{\text{f}}_{\text{ij}}=\left\{\begin{array}{l}\Delta f_{ij},für\left|\Delta f_{ij}\right|\le \Delta f_{ij\_max}\\ \Delta f_{ij\_max}Sign\left(\Delta f_{ij}\right)sonst\end{array}\right\}$$

  

  Liegt die Grundfrequenz f₀ beispielsweise bei 500 Hz, so wird die Frequenz beispielsweise in einem Bereich von 500 +/-50 Hz variiert. Bei der Grundfrequenz f₀ kann es sich um einen idealen Arbeitspunkt handeln. Durch zufällige Variation kann die Frequenz der Ansteuerspannung beispielsweise auf 470 Hz, 520 Hz, 505 Hz, 465 Hz und so weiter geändert werden. Eine Periode der Ansteuerspannung beträgt im vorliegenden Beispiel dann etwa 1,82 ms bis 2,22 ms.
• Die Änderungsrate der Frequenz der Ansteuerspannung kann unterschiedlich gewählt werden. Vorteilhaft ist beispielsweise eine maximale Änderungsrate, wonach die Frequenz beziehungsweise die Periodendauer nach jeder Periode der Ansteuerspannung geändert wird. Die Frequenz kann aber auch beispielsweise nach jeweils 10 oder 100 Perioden oder nach einer beliebigen anderen Anzahl geändert werden. Wichtig ist lediglich, dass die Änderungsrate so häufig ist, dass sie psychoakustische Wirkung zeigt. Ist die Änderungsrate zu gering (z.B. im niedrigen einstelligen Hertz-Bereich), so tritt die psychoakustische Wirkung der Lautstärkereduktion unter Umständen nicht ein.
• Bei Experimenten mit piezohydraulischen Aktoren zeigt sich, dass bereits kleine Werte von Δf, die im Bereich von ein paar Prozent bezogen auf f₀ liegen (Änderungsrate maximal, d.h. nach jeder Periode), die subjektive Lautstärke deutlich reduzieren.
• Der Vorteil der beschriebenen Anwendung für Festkörperaktoren liegt im Kosten-Nutzen-Verhältnis. Da sich durch eine geringe Variation der Frequenz der Ansteuerspannung keine Einbußen in der Charakteristik des Gesamtaktors ergeben, kann durch eine Anpassung der Ansteuerungssoftware eine kostenfreie akustische Verbesserung realisiert werden. Da aufgrund der hohen Kraftdichte Festkörperaktoren auch für handgeführte Systeme von Vorteil sind, ist die vorliegende Erfindung essenziell für eine solche Anwendung unter ergonomischen Gesichtspunkten.

Claims (10)

1. Verfahren zum Betreiben eines Festkörperaktors, insbesondere eines piezohydraulischen Aktors (1) durch - Ansteuern (S1,S4) des Festkörperaktors mit einer zeitvariablen Ansteuerspannung, deren Grundfrequenz in einem für das menschliche Gehör hörbaren Bereich liegt, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Frequenz der Ansteuerspannung automatisch durch eine zufallszahlartige Größe in Bezug auf die Grundfrequenz variiert wird (S2,S3).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Grundfrequenz in einem Bereich von 10 bis 20000 Hz und insbesondere in einem Bereich von 100 bis 1000 Hz liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Frequenz in einem vorgegebenen Intervall um die Grundfrequenz variiert wird, und das vorgegebene Intervall eine Weite von vorzugsweise höchstens 20 Prozent von der Grundfrequenz besitzt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Intervall symmetrisch zu der Grundfrequenz liegt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Frequenz der Ansteuerspannung nach jeder Periode der Ansteuerspannung variiert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Frequenz der Ansteuerspannung spätestens nach 100, vorzugsweise spätestens nach 10 Perioden der Ansteuerspannung variiert wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei dem Variieren der Frequenz ein Frequenzsprung höchstens einen vorgegebenen Maximalsprungwert besitzt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei der Maximalsprungwert kleiner als die Weite des vorgegebenen Intervalls ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ansteuerspannung ein Sinus- oder ein PWM-Signal ist oder Sägezahnform besitzt.
10. Festkörperaktor-Vorrichtung mit - einem Festkörperaktor (1), und - einer Ansteuereinrichtung (2) zum Ansteuern des Festkörperaktors (3) mit einer Ansteuerspannung, deren Grundfrequenz in einem für das menschliche Gehör hörbaren Bereich liegt, dadurch gekennzeichnet, dass - die Ansteuereinrichtung (2) dazu ausgebildet ist, eine Frequenz der Ansteuerspannung automatisch durch eine zufallszahlartige Größe in Bezug auf die Grundfrequenz zu variieren.

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