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Die Erfindung betrifft einen schaltbaren Schallaktuator und ein Fahrzeug mit einem solchen schaltbaren Schallaktuator.
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Die Entwicklung von neuen Fahrzeugen und insbesondere Elektrofahrzeugen führt zu leiseren Fahrzeugen, da die Verbrennungsmotoren besser schallisoliert sind oder ganz wegfallen. Diese Fahrzeuge können somit von anderen Verkehrsteilnehmern, wie beispielsweise einem Fußgänger, nur schwer gehört werden. Dadurch kann es vorkommen, dass ein Fußgänger ein Fahrzeug nicht oder zu spät wahrnimmt. Um dies zu vermeiden, können Fahrzeuge über Einrichtungen verfügen, welche ein künstliches Fahrgeräusch erzeugen, damit diese für andere Verkehrsteilnehmer besser wahrnehmbar sind. Diese Einrichtungen müssen jedoch zusätzlich verbaut werden, wodurch das Gewicht des Fahrzeugs erhöht wird.
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Aus der
KR 10 1 851 702 B1 ist ein Lautsprecher bekannt, der in der Lage ist, ein Frequenzband unter Verwendung eines magnetorheologischen Elastomers (MRE) frei zu verschieben.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, gezielt Schall zu erzeugen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen schaltbaren Schallaktuator. Dieser schaltbare Schallaktuator weist ein erstes Koppelelement, ein zweites Koppelelement, einen Antrieb und eine Steuereinheit auf. Das erste Koppelelement ist an dem Antrieb, beispielweise ein Elektromagnet, befestigt und ist dazu eingerichtet, mit einer inneren Membranfläche verbunden zu sein. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, den Antrieb mit einem elektrischen Signal, welches mit einem akustischen Signal
korrespondiert, zu beaufschlagen, welches den Antrieb dazu veranlasst, die innere Membranfläche, welche mit einem ersten Ende des Antriebs in Verbindung steht, in Schwingung zu versetzen, sodass das akustisches Signal von der inneren Membranfläche abgestrahlt wird. Das zweite Koppelelement ist dazu eingerichtet, mit einer äußeren Membranfläche verbunden zu sein, wobei ein zweites Ende des Antriebs mit dem zweiten Koppelelement in Verbindung steht. Das zweite Koppelelement weist ein Material mit einer veränderbaren Steifigkeit bzw. Viskosität auf, z.B. ein elektrorheologisches oder ein magnetorheologisches Material. Die Steuereinheit ist ferner dazu eingerichtet, das zweite Koppelelement gezielt zu versteifen, sodass der Antrieb die äußere Membranfläche bedarfsweise in Schwingung versetzt, sodass das akustisches Signal von der äußeren Membranfläche abgestrahlt wird.
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Durch den schaltbaren Schallaktuator kann ein akustisches Signal sowohl nach innen als auch wahlweise nach außen abgestrahlt werden. Ein Antrieb kann ein von einer Steuereinheit erzeugtes elektrisches Signal, welches mit einem akustischen Signal korrespondiert bzw. welches durch ein akustisches Signal moduliert ist, in Schwingungen wandeln und diese auf eine innere Membranfläche und wahlweise auch auf eine äußere Membranfläche übertragen, sodass diese Membranfläche das akustische Signal nach innen und wahlweise nach außen abstrahlt. Der Antrieb kann mittels eines ersten Koppelelements mit der inneren Membranfläche und mittels eines zweiten Koppelelements mit der äußeren Membranfläche in Verbindung stehen. Das erste Koppelelement kann als Abstützung des Antriebs dienen und der Antrieb kann eine direkte Verbindung zu der inneren Membranfläche aufweisen, insbesondere kann der Antrieb mit der inneren Membranfläche verschweißt, verklebt oder verschraubt sein. Das zweite Kopplungselement kann mehrere Zustände aufweisen, in einem ersten Zustand kann es die Bewegungen des Antriebs gegenüber der äußeren Membranfläche dämpfen. In einen zweiten Zustand kann die Steifigkeit bzw. die Viskosität des zweiten Koppelelements erhöht werden, sodass die Bewegungen (Schwingungen) des Antriebs auch auf die äußere Membranfläche übertragen werden, sodass auch die äußere Membranfläche das akustische Signal abstrahlt. Mit anderen Worten können die innere und optional die äußere Membranfläche durch den Antrieb zu Schwingungen angeregt werden, wodurch diese das akustische Signal, z.B. ein Warnton oder ein Motorengeräusch, abstrahlen. Somit kann das akustische Signal wahlweise auch nach außen abgestrahlt werden. Somit muss nicht ein zusätzlicher Schallerzeuger, wie z.B. ein Lautsprecher, verbaut werden. Somit können Gewicht, Bauraum und Kosten eingespart werden.
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Es sei angemerkt, dass der schaltbare Schallaktuator zwischen einem inneren Fahrzeugblech und einem äußeren Fahrzeugblech angeordnet sein kann, sodass diese Bleche als Membranflächen fungieren. Es sei angemerkt, dass die Membranflächen auch Kunststoff- oder Glasteile des Fahrzeugs sein können. Ferner kann der schaltbare Schallaktuator auch für Freisprech- und Gegensprechanlagen genutzt werden, sodass ein Außenbereich gezielt mit einem akustischen Signal versorgt werden kann. Mit anderen Worten kann der schaltbare Schallaktuator die äußere Membranfläche gezielt zu- oder abschalten.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das zweite Koppelelement ein magnetorheologisches oder ein elektrorheologisches Material auf, bei welchem durch ein magnetisches oder ein elektrisches Feld die Steifigkeit bzw. die Viskosität beeinflussbar ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das magnetorheologisches oder das elektrorheologisches Material eine Flüssigkeit. Beispielsweise kann die elektrorheologische Flüssigkeit Aluminiumsalze der Stearinsäure oder Polyurethanpartikel dispergiert in einem Silikonöl als Träger aufweisen. Die magnetorheologischen Flüssigkeiten können magnetische Partikel in einer Trägerflüssigkeit, z.B. Mineralöl, aufweisen. Beide Flüssigkeiten haben gemein, dass diese ihre Steifigkeit bzw. Viskosität in Abhängigkeit eines elektrischen oder magnetischen Feldes ändern. Ferner sei angemerkt, dass die Steuereinheit die Steifigkeit gezielt steuern kann, sodass eine gewünschte Steifigkeit erzeugbar ist und somit eine gewünschte Intensität des äußeren akustischen Signals erzeugbar ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das zweite Koppelelement eine Hülle auf, welche das magnetorheologische oder das elektrorheologische Material umgibt. Ferner kann diese Hülle elastisch sein, sodass sich diese der Form des magnetorheologische oder des elektrorheologische Materials anpassen kann. Somit kann die Hülle auf etwaige Verformungen durch den Antrieb reagieren und sich gegebenenfalls anpassen, ohne dass das zweite Koppelelement seine Eigenschaften verliert.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung besteht das erste Koppelelement aus einem dämpfenden Material. Somit kann der Antrieb gegenüber der inneren Membranfläche abgestützt werden. Das dämpfendes Material kann ein Kunststoff oder eine Schaumstruktur sein, welche eine Schwingung dämpfen kann. Alternativ oder zusätzlich kann auch das erste Koppelelement ein magnetorheologisches oder eine elektrorheologisches Material aufweisen, welches gezielt versteift werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das elektrische Signal einen Gleichspannungsanteil und einen Wechselspannungsanteil auf. Der Wechselspannungsanteil korrespondiert mit dem akustischen Signal und der Gleichspannungsanteil ist dazu eingerichtet, das zweite Koppelelement gezielt zu versteifen.
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Der Gleichanteil kann über ein entstehendes magnetisches Feld eine magnetorheologisches Material versteifen. Alternativ oder zusätzlich kann der Gleichanteil auch direkt durch einen elektrischen Anschluss in das zweite Koppelelement eingebracht werden, wenn dieses ein elektrorheologisches Material aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Antrieb einen Spulenkörper und einen Spulenkern auf, sodass ein Elektromagnet entsteht. Der Spulenkörper umschließt den Spulenkern radial und der Spulenkörper ist dazu eingerichtet, den Spulenkern durch ein magnetisches Feld axial zu bewegen. Das erste Koppelelement ist an dem Spulenkörper befestigt. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, den Spulenkörper mit dem elektrischen Signal zu beaufschlagen, welches den Spulenkern dazu veranlasst, die innere Membranfläche, welche mit einem ersten Ende des Spulenkerns in Verbindung steht, in Schwingung zu versetzen, sodass das akustisches Signal von der inneren Membranfläche abgestrahlt wird. Ein zweites Ende des Spulenkerns steht mit dem zweiten Koppelelement in Verbindung. Die Steuereinheit ist ferner dazu eingerichtet, das zweite Koppelelement gezielt zu versteifen, sodass der Spulenkern die äußere Membranfläche bedarfsweise in Schwingung versetzt, sodass das akustisches Signal von der äußeren Membranfläche abgestrahlt wird.
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Mit anderen Worten kann der Antrieb einen Elektromagneten aufweisen. Dieser kann aus einem Spulenkörper und einem magnetischen Spulenkern, z.B. aus Weicheisen, bestehen. Der Spulenkörper kann den Spulenkern umschließen und wenn ein Strom die Spule durchfließt kann ein magnetisches Feld aufgebaut bzw. erzeugt werden, welches den Spulenkern veranlasst sich axial innerhalb des Spulenkörpers zu bewegen. Erfolgen schnelle Wechsel zwischen den Polaritäten des Stroms, beginnt der Spulenkern in dem Spulenkörper entsprechend zu schwingen. Diese Schwingungen können auf eine Membranfläche übertragen werden,
sodass diese ein akustisches Signal abstrahlt. Ein erstes Ende des Spulenkerns kann fest mit der inneren Membranfläche verbunden sein und diese zu Schwingungen anregen. Ein zweites Ende des Spulenkerns kann mit dem weiten Koppelement verbunden sein, welches wiederum mit der äußeren Membranfläche verbunden sein kann. In dem ersten Zustand, in welchen das zweite Koppelelement nicht versteift ist, kann dieses die Schwingungen des Spulenkerns dämpfen. Somit werden die Schwingungen nicht auf die äußere Membranfläche übertragen. In dem zweiten Zustand, in welchem das zweite Koppelelement versteift ist, kann dieser die Schwingungen des Spulenkerns an die äußere Membranfläche übertragen, sodass dieser ebenfalls zum Schwingen angeregt wird und das akustische Signal abstrahlt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die innere Membranfläche und/oder die äußere Membranfläche ein Blechteil eines Fahrzeugs. Alternativ oder zusätzlich kann die innere oder die äußere Membranfläche auch ein Kunststoffteil oder ein Glasteil sein. Jedoch ist zu verstehen, dass zwei verschiedene Membranflächen durch den Antrieb zum Schwingen angeregt werden können, wobei wenigstens eine Membranfläche schaltbar ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umgibt das erste Koppelelement den Spulenkern ringförmig. Es sei angemerkt, dass das erste Koppelement auch nur an einigen Punkten die innere Membranfläche und den Antrieb bzw. den Spulenkörper verbinden kann.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem vorhergehend und nachfolgend beschriebenen schaltbaren Schallaktuator.
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Bei dem Fahrzeug handelt es sich beispielsweise um ein Kraftfahrzeug, wie Auto, Bus oder Lastkraftwagen, oder aber auch um ein Schienenfahrzeug, ein Schiff oder um ein Flugzeug oder ein Helikopter.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und der Figuren.
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Die Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu. Sind in der nachfolgenden Beschreibung der Figuren gleiche Bezugszeichen angegeben, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente.
- 1 zeigt eine Schnittansicht eines schaltbaren Schallaktuators mit einem schaltbaren zweiten Kopplungselement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 2 zeigt eine Schnittansicht eines schaltbaren Schallaktuators mit einem schaltbaren zweiten Kopplungselement (nicht versteift) und einer Spule gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 3 zeigt eine Schnittansicht eines schaltbaren Schallaktuators mit einem schaltbaren zweiten Kopplungselement (versteift) und einer Spule gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 4 zeigt ein Blockdiagramm für einen schaltbaren Schallaktuator gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 5 zeigt ein Spannungssignal zur Ansteuerung eines schaltbaren Schallaktuators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 6 zeigt einen Gleichspannungs- und eine Wechselspannungsquelle zur Erzeugung eines elektrischen Signals gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 7 zeigt ein Fahrzeug mit einem schaltbaren Schallaktuator gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt eine Schnittansicht eines schaltbaren Schallaktuators 1. Dieser Schallaktuator 1 weist ein erstes Koppelelement 20, ein zweites Koppelelement 30 und einen Antrieb 10 auf. Ferner ist zu erkennen, dass der Schallaktuator zwischen zwei Membranflächen 21, 31 angeordnet ist. Eine innere Membranfläche 21 ist oben dargestellt und eine äußere Membranfläche 31 ist unten dargestellt. Der schaltbare Schallaktuator 1 kann entweder nur die innere Membranfläche 21 oder die innere und die äußere Membranfläche 21, 31 gezielt zu Schwingungen anregen, sodass diese ein akustisches Signal abstrahlen. Der Antrieb 10 weist ein erstes Ende 10a und ein zweites Ende 10b auf. Das erste Ende 10a ist der inneren Membranfläche 21 zugewandt und steht mit dieser in Verbindung, z.B. geklebt, geschweißt oder geschraubt. Somit kann der Antrieb 10 die innere Membranfläche 21 zu Schwingungen anregen, wodurch die innere Membranfläche 21 das akustische Signal abstrahlt. Ferner ist das erste Koppelelement 20 zwischen dem Antrieb 10 und der inneren Membranfläche 21 angeordnet und dient zur Halterung des Antriebs 10. Das erste Koppelelement 20 kann aus einem elastischen Material, wie beispielsweise einem Kunststoff oder einem Schaum bestehen. Das zweite Ende 10b des Antriebs 10 ist der äußeren Membranfläche 31 zu gewandt und steht mit dieser mittels dem zweiten Koppelelement 30 in Verbindung. Das zweite Koppelelement 30 weist ein Material mit einer veränderbaren Steifigkeit auf, sodass gezielt das zweite Koppelelement 30 versteift werden kann. Ist das zweite Koppelelement 30 versteift, z.B. durch ein angelegtes elektrisches oder magnetisches Feld, so kann der Antrieb 10 auch die äußere Membranfläche 31 über das zweite Koppelelement 30 zu Schwingungen anregen, sodass auch die äußere Membranfläche 31 das akustische Signal abstrahlt. Es sei angemerkt, dass wenn das zweite Koppelelement 30 nicht versteift ist, dieses die Schwingungen von dem Antrieb 10 dämpft und nicht auf die äußere Membranfläche überträgt. Das zweite Koppelelement 30 kann beispielsweise eine magnetorheologisches oder ein elektrorheologisches Material, z.B. eine Flüssigkeit in einer Hülle, aufweisen. Die gestrichelte Linie stellt die Bewegungsachse 13 des Antriebs 10 und der inneren Membranfläche 21 dar, welche um den Betrag x schwingen kann. In der Ausführungsform aus 1 ist das zweite Koppelelement 30 nicht versteift, sodass nur die innere Membranfläche 21 zum Schwingen angeregt wird.
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2 zeigt ebenfalls den schaltbaren Schallaktuator 1. Der Antrieb 10 weist hierbei einen Spulenkörper 12 und einen magnetischen Spulenkern 11, z.B. Weicheisen, auf. Der Spulenkörper 12 umschließt den Spulenkern 11. Des Weiteren weist der Spulenkörper 12 einen elektrischen Leiter mit mehreren Windungen auf, sodass dieser, wenn er von einem elektrischen Strom durchflossen wird, ein magnetisches Feld aufbaut. Dieses magnetische Feld kann den Spulenkern 11 entlang der Bewegungsachse 13 bewegen und zu Schwingungen anregen. Diese Schwingungen kann der Spulenkern 11 auf die innere Membranfläche 21 und optional auf die äußere Membranfläche übertragen. Ferner ist zu erkennen, dass das erste Koppelelement 20 zwischen dem Spulenkörper 12 und der inneren Membranfläche angeordnet ist. Somit stützt das erste Koppelelement 20 den Spulenkörper 12. Hierbei kann das erste Koppelelement 20 den Spulenkern 11 ringförmig umschließen oder aber an festen Kontaktpunkten, z.B. zwei, anliegen. Des Weiteren ist zu erkennen, dass das zweite Koppelelement 30 über das zweite Ende des Antriebs 10 reicht. Es sei jedoch angemerkt, dass das zweite Koppelelement 30 auch nur teilweise zwischen dem Spulenkern 11 und der äußeren Membranfläche 31 angeordnet sein kann. In dem in 2 dargestellten Zustand ist das zweite Koppelelement 30 nicht versteift und somit dämpft das zweite Koppelelement 30 die Schwingungen des Spulenkerns 11 und die äußere Membranfläche 31 wird nicht zu Schwingungen angeregt. Der Spulenkörper 12 wird mit einem Wechselspannungssignal beaufschlagt. Dieses Wechselspannungssignal korrespondiert mit dem akustischen Signal.
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Es sei angemerkt, dass ein magnetorheologisches Material eine gewisse Trägheit aufweisen sollte, sodass das zweite Koppelelement 30 nicht durch das wechselnde magnetische Feld der Spule andauernd versteift und wieder verflüssigt wird.
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3 zeigt ebenfalls den schaltbaren Schallaktuator 1. Hierbei wurde jedoch das zweite Koppelelement 30 versteift, sodass die Schwingungen des Spulenkerns 11 auf die innere 21 und die äußere Membranfläche 31 übertragen werden (durch die beiden Pfeile mit x dargestellt). Damit das zweite Koppelelement 30 versteift werden kann, wird der Spulenkörper mit einem elektrischen Signal beaufschlagt, welches neben dem Wechselspannungsanteil auch einen Gleichspannungsanteil aufweist. Durch diesen Gleichspannungsanteil wird der Spulenkern 11 in Richtung der äußeren Membranfläche 31 ausgelenkt, wodurch das erste Koppelelement 20 komprimiert wird. Ferner ragt nun das zweite Ende des Spulenkerns 11 in das zweite Koppelelement 30 ein und kann durch das magnetische Feld die Steifigkeit bzw. die Viskosität des magnetorheologischen Materials in dem zweiten Koppelelement 30 ändern, wodurch der Spulenkern 11 auch die äußere Membranfläche 31 zu Schwingungen anregen kann und somit die äußere Membranfläche 31 das akustische Signal abstrahlt.
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4 zeigt ein Blockdiagramm des schaltbaren Schallaktuators 1. Dieser weist eine Steuereinheit 40 und einen Antrieb 10 auf. Dieser Antrieb 10 kann insbesondere ein Elektromagnet sein. Die Steuereinheit 40 kann den Antrieb 10 gezielt mit einem elektrischen Signal beaufschlagen, sodass dieser eine innere Membranfläche oder eine innere und eine äußere Membranfläche in Schwingung versetzt, sodass von diesem ein akustisches Signal abgestrahlt wird.
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5 zeigt ein Diagramm eines elektrischen Signals 50, mit welchem der schaltbare Schallaktuator beaufschlagt wird. Auf der Abszisse ist hierbei die Zeit in Sekunden und auf der Ordinate die Spannung in Volt aufgetragen. Ferner ist der Gleichspannungsanteil 52 des elektrischen Signals 50 dargestellt. Der Wechselspannungsanteil wird auf den Gleichspannungsanteil 52 aufaddiert, sodass das dargestellte elektrische Signal 50 entsteht. Es sei angemerkt, dass der Wechselspannungsanteil mit dem akustischen Signal korrespondiert, welches über den schaltbaren Schallaktuator ausgegeben werden soll. Der Gleichspannungsanteil 52 dient der gezielten Schaltung zwischen innerer Membranfläche und innerer und äußerer Membranfläche. Bei dem dargestellten elektrischen Signal ist das zweite Koppelelement versteift, sodass auch die äußere Membranfläche zu Schwingungen angeregt wird und das akustische Signal abstrahlt.
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6 zeigt eine Wechselspannungsquelle 61 und eine Gleichspannungsquelle 62 zur Erzeugung eines elektrischen Signals, welches anschließend durch einen Verstärker 60 verstärkt wird, sodass das elektrische Signal 50 zur Ansteuerung des schaltbaren Schallaktuators entsteht. Die Steuereinheit 40 kann hierbei beide Spannungsquellen 61, 62 gezielt steuern. Die Spannungen der Gleichspannungsquelle 62 und der Wechselspannungsquelle 61 werden addiert, sodass das anschließende elektrische Signal einen Gleichspannungsanteil und einen Wechselspannungsanteil aufweist. Die Wechselspannungsquelle 61 stellt hierbei eine mit dem akustischen Signal korrespondierende Spannung bereit. Diese Wechselspannung kann die Spule des schaltbaren Schallerzeugers dazu veranlassen, die innere Membranfläche oder die innere und die äußere Membranfläche zum Schwingen anzuregen. Die Gleichspannungsquelle 62 stellt die Spannung, z.B. 10V, für das gezielte Versteifen des zweiten Koppelelements bereit.
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7 zeigt ein Fahrzeug 2 mit einem schaltbaren Schallaktuator 1. Dieser Schallaktuator 1 kann insbesondere zwischen einem äußeren und einem inneren Blech- bzw. Kunststoffteil dieses Fahrzeugs 2 angeordnet sein, sodass gezielt zwischen einem inneren akustischen Signal und einem inneren und äußeren akustischen Signal geschalten werden kann. Mit anderen Worten kann entweder nur ein Innenraum des Fahrzeugs 2 oder der Innenraum und der Außenbereich des Fahrzeugs mit einem akustischen Signal beaufschlagt werden. Somit muss nicht ein zusätzlicher Schallaktuator für den Außenbereich des Fahrzeugs 2 verbaut werden, sondern der Außenbereich kann durch den schaltbaren Schallaktuator 1 gezielt hinzugeschaltet werden. Somit können Gewicht, Bauraum und Kosten eingespart werden.
