DE102019112756B4 - Vorrichtung zur Kraftaufnahme, Weiterleitung sowie Dämpfung mechanischer Schwingungen - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Kraftaufnahme, Weiterleitung sowie Dämpfung mechanischer Schwingungen umfassend mindestens zwei äußere, miteinander verbundene Bauteile aus zusammenhängenden Werkstoffen (10, 14, 18, 20, 22, 25), die zusammen einen geschlossenen Hohlraum ausbilden, der zumindest teilweise mit dämpfendem Material (30) gefüllt ist, welches mindestens ein Akustisches Schwarzes Loch (40, 45, 47, 48, 50, 55, 57, 58) möglichst hoher Länge, geringer maximaler Dicke und geringer Randdicke im Bereich seiner geringsten Dicke umschließt, und wobei das mindestens ein Akustische Schwarzes Loch (40, 45, 47, 48, 50, 55, 57, 58) im Bereich seiner geringsten Dicke mittels des dämpfenden Materials (30) mit wenigstens einem äußeren Bauteil dauerhaft verbunden ist und weiterhin im Bereich seiner maximalen Dicke mit mindestens einem der zwei äußeren Bauteile (10, 14, 18, 20, 22, 25) fest verbunden ist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kraftaufnahme, Weiterleitung sowie Dämpfung mechanischer Schwingungen.
• Das Prinzip der Akustischen Schwarzen Löcher beschreibt eine Platte, deren Dicke h mit einer stetig steigenden Profilfunktion wie h = ε · xⁿ oder h = y · sin^m(x) entlang einer Strecke x zunimmt, wobei n, m ≥1. Dabei kann eine gerade herstellbare minimale Randdicke h₀ nicht unterschritten werden. Die Dicke der Platte nimmt nur bis zu einer bestimmten Höhe zu, im Falle einer fräsenden Fertigung des Akustischen Schwarzen Lochs die Ausgangsdicke des Bleches d. Durch die Dickenabhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Biegewellen führt das Design dazu, dass bei kleinen Dicken diese immer weiter sinkt, und bei einem hypothetischen h₀= 0 mm den Wert 0 erreicht, bei gleichzeitig großen Amplituden. Dieser Effekt wurde bereits von M. A. Mironov („Propagation of a flexural wave in a plate whose thickness decreases smoothly to zero in a finite interval“; Soviet Physics - Acoustics; Vol. 34 (1988); pp. 318-319) offenbart, wobei dort der Begriff des Akustischen Schwarzen Loches noch keine Verwendung fand. V. V. Krylov, („Acoustic ,black holes' for flexural waves and their potential applications“; Proceedings of the Institute of Acoustics Spring Conference; Salford, UK, 25-27 March 2002) bezog sich auf Mironovs Veröffentlichung, als er im Jahr 2002 zum ersten Mal diesen Begriff in einer Veröffentlichung verwendete, welche sich den praktischen Anwendungsmöglichkeiten von Mironovs idealer Struktur widmete, in welcher die Biegewellen einer schwingenden festen Oberfläche reflexionsfrei vollständig absorbiert werden. Hier besteht das Problem der praktischen Undarstellbarkeit einer Keildicke von exakt 0 mm bzw. der Unvermeidlichkeit einer Rundung oder eines Absatzes am Profilanfang und damit dem Auftreten von Reflexionen an jeder realen Anfertigung von Mironovs mathematisch beschriebenen Profil. In einer weiteren Veröffentlichung zu dem Gegenstand zeigen Krylow und Tilman („Acoustic ‚black holes‘ for flexural waves as effective vibration dampers“; Journal of sound and vibration; Vol. 274 (2004); pp. 605-619) eine Möglichkeit zur Verringerung des Reflexionskoeffizienten des ABH an einer realen Abbruchkante und damit der praktisch nachweisbaren Verbesserung des Absorptionsverhaltens mittels des Aufbringens einer dünnen, dämpfenden Kunststoffschicht im Bereich der scharfen Kante des Akustischen Schwarzen Loches. Bei zweidimensionalen Akustischen Schwarzen Löchern handelt es sich um Geometrien, in denen die Dickenänderung nicht nur entlang einer Achse in der Plattenebene beschrieben wird, sondern wie im Stand der Technik offenbart, von einem Mittelpunkt auf der Platte ausgeht, wovon aus die Plattendicke kreisförmig nach außen zunimmt. V. Denis („Vibration damping in beams using the acoustic black hole effect“; PhD thesis, Universite du Maine; 2014) untersuchte insbesondere die Wirkung von Unregelmäßigkeiten an der scharfen Kante und kam zu dem Schluss, dass diese sich im Erfindungssinne positiv auf das Dämpfungsverhalten auswirken. Weiterhin beschrieb W. Jeon („Vibration damping using a spiral acoustic black hole“; Internoise 2016 conference proceedings; Hamburg 2016; pp. 2387-2390) spiralförmige Akus-tische Schwarze Löcher mit einer Länge bis zu 720 mm, und wies die Verbesserung der dämpfenden Wirkung des Akustischen Schwarzen Loches mit zunehmender Keillänge nach. Dabei entsteht die hohe Modendichte mit einer hohen modalen Überlappung, welche V. Denis als ursächlich für die Wirksamkeit der ABH in einem breiten Frequenzbereich erkannte. E. P. Bowyer et al. („Acoustic black hole manufacturing for practical applications and the effect of geometrical and materials imperfections“; Internoise 2016 conference proceedings; Hamburg, 2016; pp. 2411-2421) offenbarten die Probleme der Erzeugung der Profile durch Fräsen, wie es bisher zu Forschungszecken praktiziert wurde, und schlugen als zukünftige Fertigungsmethoden das Gussverfahren, das Schmieden, und die Arbeit mit Materialverbunden aus dünnen Schichten und das Rapid Prototyping vor. In dieser Arbeit wird zum ersten Mal ein Akustisches Schwarzes Loch aus einem Kunststoff-Verbundmaterial untersucht und die Eigendämpfung dieses Materials als vorteilhaft nachgewiesen, den Einsatz eines Dämpfungsfilms an der scharfen ABH-Kante entbehrlich machend.
• US 2013/0071251 A1 offenbart eine schwingungsdämpfende fluiddynamische Anwendung, etwa eine Turbinenschaufel, ein Propellerblatt oder eine Tragfläche, welche keilförmig zur Vorder- oder Hinterkante ausläuft. In der DE 10 2015 100 442 A1 wird eine Struktur mit Akustischen Schwarzen Löchern gezeigt, bei der ein elektromechanischer Wandler an die Stelle(n) geringster Dicke gekoppelt wird, welcher nicht nur die Dämpfung verstärken, sondern auch als Energy Harvester eingesetzt werden kann, und in Verbindung mit einem Regelkreis dem System eine aktive Dämpfung hinzufügen kann. In der DE 10 2016 116 554 B3 wird die Anwendung einer Geometrie aus Akustischen Schwarzen Löchern in einem Passagierflugzeug gezeigt. Durch die Abnahme der Dicke der Innenverkleidung der Passagierkabine zur Dichtung des Fensterkomplexes hin wird eine einfach umzusetzende, bestehende Konstruktion nur geringfügig ändernde, in der konkreten Anwendung unsichtbare Nutzung des Akustische Schwarze Löcher-Effekts zur Schallminderung in der Passagierkabine vorgeschlagen. In der CN 106 023 979 A wird ein Akustisches Schwarzes Loch mit einem Feder-Masse-System an der/den Stellen der geringsten Dicke vorgeschlagen, welches die Wirkung des Akustischen Schwarzen Loches im Bereich seiner Eigenresonanz verstärkt, und zugleich den Wirk-Frequenzbereich des Akustischen Schwarzen Loches einschränkt. In der US 2018/0335406 A1 wird eine messtechnische Anwendung im Bereich des Structural Health Monitoring vorgestellt. Hier wird die Eigenschaft der dünnen Kante eines Akustischen Schwarzen Loches, die Amplitude einer eintreffenden Schwingung zu verstärken, dazu genutzt, normal zu einer Plattenebene auftretende Schwingungen mit einem Sensor zu detektieren und von Longitudinalschwingungen in der Ebene zu separieren. Eine solche Aufnahme von Transversalschwingungen durch eine Struktur aus Akustischen Schwarzen Löchern wird auch in der vorliegenden Schrift nutzbar gemacht.
• In der CN 109555805 A wird eine kastenförmige Schwingungsdämpfungsstruktur basierend auf einem akustischen Schwarzen-Loch-Effekt offenbart. Die kastenförmige Schwingungsdämpfungsstruktur umfasst einen oberen und einen unteren Hauptträger, die parallel und symmetrisch angeordnet sind, ein erstes und ein zweites Verbindungselement, die jeweils an zwei Enden des durch den oberen und den unteren Hauptträger gebildeten Raum angeordnet sind, wobei mindestens ein ABH-Schwingungsdämpfungselement zwischen dem oberen und dem unteren Hauptträger angeordnet ist. Die Oberfläche des ABH-Schwingungsdämpfungselements ist mit einer Dämpfungsschicht versehen.
• Weiterhin wird in der CN 108717850 A eine Hohlraumschwingungs- und Geräuschreduzierungsstruktur mit Doppelschichtplatte offenbart. Die Struktur umfasst eine Isolierplatte und eine Absorptionsplatte, wobei die Isolierplatte und die Absorptionsplatte durch ein starres Verbindungsstück verbunden sind, die Isolierplatte und die Absorptionsplatte einen Spalt bilden und die Innenfläche der Absorptionsplatte nach unten konkav in Form eines Schwarzen Lochs ausgebildet ist.
• In der CN 106023978 A wird eine Doppelschicht-Platinen-Schallschwingungs- und Rauschunterdrückungsstruktur für schwarze Löcher beschrieben. Die Doppelschicht-Platinen-Schallschwingungs- und Geräuschreduzierungsstruktur für schwarze Löcher wird durch Komination von zwei Plattenstrukturen A1 gebildet, wobei jede Plattenstruktur A1 einen einheitlichen Bereich und einen mit dem einheitlichen Bereich verbundenen schwarzen Schalllochbereich umfasst.
• Eine Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung und Geräuschreduzierung eines akustischen Schwarzen Lochs wird in der CN 108133700 A offenbart. Die Vorrichtung zur Schwingungsdämpfung und Geräuschreduzierung umfasst eine scheibenförmige Struktur, welche einen Blocklochbereich umfasst. Die im Stand der Technik bekannten Anwendungen von Akustischen Schwarzen Löchern eignen sich jedoch nicht zur Kraftaufnahme und Weiterleitung, weil die dünnen Kanten der Akustischen Schwarzen Löcher bereits bei kleinen Kräften einreißen würden und somit mit einem Rissfortschritt und einer daraus resultierenden Bauteilschädigung erfolgt.
• Im PKW-Bereich gibt es verschiedene Vorrichtungen mit selbstdämpfenden Eigenschaften. Im Karosseriebereich beschreibt die EP 0 245 636 B1 eine Schalldämpfungsplatte mit einer Trägerschicht aus Kunstfaservlies, einer schallabsorbierenden Schicht aus Kunststoffschaum und einer gegebenenfalls wasserdicht gestalteten Deckschicht. Diese Schalldämpfungsplatte kann an der schalleinfallenden Seite (beispielsweise der Motorhaube) befestigt werden und so zu ihrer Beruhigung beitragen. Weiterhin offenbart die DE 10 2012 022 935 A1 eine Schwingungsdämpfungsstruktur für die Fahrzeugbodenplatte insbesondere eines PKW, welche durch gewölbte, trapezförmige Blechabschnitte eine Dämpfung von Longitudinalwellen bewirkt und einen integralen Bestandteil der Bodenplatte darstellt. Ein selbstdämpfendes Konzept ist ferner in der Offenlegungsschrift DE 10 2006 004 432 A1 offenbart. Die offenbarte Ölwanne zeichnet sich durch eine an der Außenseite angebrachte dünne, dämpfende Schaumgummischicht, welche eine geschlossene Barriereschicht aus Urethan trägt, aus. Die Schaumgummi- und Barriereschicht stellen gemeinsam ein Masse-Dämpfer-Feder-System dar, welches bei Schwingung der Ölwanne in seinem eigenen Resonanzfrequenzbereich verstärkt Schwingungsenergie dissipieren kann.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, welcher der passiven Schwingungsdämpfung und der akustischen Beruhigung insbesondere Geräusche abstrahlender, flächenartiger technischer Gebilde sowie kraft- und schwingungsleitender Lager, insbesondere für Maschinen, dient.
• Weiterhin ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die einen Einsatz unter kritischen Bedingungen wie wechselnder starker Belastungen und hohen Temperaturen ermöglicht, wobei eine schädigende Kraft-Einwirkung vermieden wird.
• Des Weiteren ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, bei der Schwingungsenergie durch Dissipation in Wärme umgewandelt wird, ohne dass zu hohe Zug- oder Biegebelastungen auf die die dünnen Kanten der Akustischen Schwarzen Löcher wirken, welche dort zu Rissbildungen, Materialabbrüchen und in Folge zum Funktionsverlust führen würden.
• Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Bereitstellung einer Vorrichtung zur Kraftaufnahme- und Weiterleitung statischer und niedrigfrequenter Einwirkungen sowie der Leitung höherfrequenter Anteile der Einwirkung in einen lastfreien Bereich, wo sie wirksam gedämpft werden, gelöst, welche die Merkmale des Hauptanspruchs aufweist. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den abhängigen Unteransprüchen dargestellt.
• Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Kraftaufnahme- und Weiterleitung mechanischer Schwingungen, die mindestens zwei äußere, miteinander verbundene Bauteile aus zusammenhängenden Werkstoffen 10, 14, 15, 18, 20, 22, 25, umfasst, die zusammen einen geschlossenen Hohlraum ausbilden, der zumindest teilweise mit dämpfendem Material (30) gefüllt ist, welches mindestens ein Akustisches Schwarzes Loch 40, 45, 47, 48, 50, 55, 57, 58 möglichst hoher Länge, geringer maximaler Dicke und geringer Randdicke im Bereich seiner geringsten Dicke umschließt, und dass das mindestens eine Akustische Schwarze Loch (40, 45, 47, 48, 50, 55, 57, 58) im Bereich seiner geringsten Dicke mittels des dämpfenden Materials (30) mit wenigstens einem äußeren Bauteil dauerhaft verbunden ist und das weiterhin im Bereich seiner maximalen Dicke mit mindestens einem der zwei äußeren Bauteile 10, 14, 15, 18, 20, 22, 25 fest verbunden ist.
• Im Sinne der vorliegenden Erfindung werden die mindestens zwei äußeren, miteinander verbundenen Bauteile aus zusammenhängenden Werkstoffen auch Verkleidungsteile genannt. Im Sinne der vorliegenden Erfindung sind die mindestens zwei äußeren Bauteile ausgewählt aus einer Deckplatte und einer Bodenplatte oder einem Hauptblech und einem Stützblech oder aus einer Innenschale oder Außenschale.
• Vorteilhaft an der der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass sie insbesondere für Anwendungen geeignet ist, bei denen ein platten-, oder schalenförmiges Bauteil Schwingungen aufnimmt und, ohne, dass dies von technischem oder einem anderen Nutzen, oder erwünscht wäre, weiterleitet, eventuell verstärkt und abgibt, sei es als Luft-, oder Flüssigkeitsschall, sei es als mechanische Schwingung anschließender Teile (Körperschall).
• Weiterhin vorteilhaft ist, dass das platzsparend integrierte dämpfende Material, im Sinne der vorliegenden Erfindung auch als Dämpfungsmaterial bezeichnet, die Fortpflanzung der Schwingung innerhalb der Platte durch im inneren des Materials stattfindende Reibungsvorgänge erschwert und damit die Schallabstrahlung der Verkleidungsteile mindert.
• Vorzugsweise ist das mindestens eine Akustische Schwarze Loch, insbesondere der kritische dünne Bereich des Akustischen Schwarzen Loches, durch das dämpfende Material umschlossen, wodurch dieser Bereich geschützt ist, und eine kritische Krafteinleitung in diese Bereiche ausgeschlossen werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich somit auch für die Darstellung von Lagern, und ist geeignet, Schwingungen direkt am Ort der Krafteinleitung zu dämpfen. Weiterhin wird dadurch vermieden, dass dieser dünne Kantenbereich im direkten Kontakt mit den äußeren Bauteilen steht.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Akustische Schwarze Loch verschiedene Gestaltungen aufweisen, solange es platten- oder schalenförmig ist. Das mindestens eine Akustische Schwarze Loch weist von seiner geringsten fertigungstechnisch erzielbaren Randdicke h₀ ausgehend entlang wenigstens einer Richtung eine stetige Zunahme der Plattendicke normal zur Oberfläche auf. Diese folgt einer stetigen Profilfunktion geringen Anstiegs, beispielsweise h. = ε · xⁿ für $x_0\le x\le {\left(\frac{d}{\epsilon }\right)}^{\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$n$}\right.}\left(n\ge 1\right).$

  

  . Die Randdicke h₀ bei x₀ sollte so klein wie möglich sein. Das heißt durch Wahl des Fertigungsverfahrens und die spezifische Ausführung desselben erfolgt eine Annäherung der Randdicke möglichst nahe an 0 mm, wobei Unregelmäßigkeiten und sogar kleine Einrisse am Rand in Kauf genommen werden können, welche sich positiv auf den Dämpfungseffekt des Akustischen Schwarzen Lochs auswirken. Ist verfahrensbedingt eine bestimmte Minimaldicke gegeben, so kann die entsprechende Kante mit der Höhe h₀ verlängert ausgeführt und/oder zusätzlich flach angeschliffen werden, wobei die Ausbildung von Unregelmäßigkeiten der Kante ebenfalls erwünscht ist, und eine Unstetigkeit der ersten Ableitung der Profilfunktion des Akustischen Schwarzen Lochs in Kauf genommen werden darf.
• Die folgend beschriebenen einfachen Akustischen Schwarzen Löcher können als Spezialfälle schalenförmiger 3-dimensionaler Akustischer Schwarzer Löcher betrachtet werden, und zwar als ebene Ausprägungen rotationssymetrischer Akustischer Schwarzer Löcher bei unendlichem Radius und abschnittsweiser Ausprägung (1-dimensionale Akustische Schwarze Löcher), sowie als ebene Ausprägungen rotationssymetrischer Akustischer Schwarzer Löcher bei endlichem Radius und vollständiger Ausprägung (2-dimensionale Akustische Schwarze Löcher). In diesen ebenen Sonderfällen erfolgt die Dickenabnahme hin zum Rand entlang den in der Ebene liegenden Normalen lotrecht zur Umfangskoordinate u. Weiterhin sind partielle Ausprägungen entlang nur einer geraden Kante möglich, beispielsweise eine kammförmige Gestaltung, auch mit unterschiedlich langen Zungen wie beim Tonkamm einer Walzen-Spieldose. Die allseitige Ausdehnung mit langem Steg minimaler Dicke wie bei kreisförmigen Akustischen Schwarzen Löchern hingegen ist als dämpfungsfördernd anzusehen. Eine weitere Gestaltungsmöglichkeit ebener Akustischer Schwarzer Löcher ist die stetige Veränderung von x₀, ε oder n in der obigen Gleichung entlang der Umfangskoordinate u. So kann zum Beispiel durch eine stetige Abnahme von ε bei gleichbleibender Randdicke ho, Maximaldicke d und Anstiegspotenz n die Länge des Akustischen Schwarzen Lochs I_ABH entlang der Umfangskoordinate u erhöht werden. Durch eine solche Variabilität der Gleichungsparameter lässt sich zum Beispiel der oben erwähnte Beschnitt der Akustischen Schwarzen Löcher so darstellen, dass auch die Abschnittkanten Akustische Schwarze Löcher-Charakter haben, und so die dämpfende Wirkung, wenn auch bei höheren Frequenzen, verbessert wird. Weiterhin denkbar sind gekrümmte, das heißt schalenförmige, dreidimensionale, oft unsymmetrische Akustische Schwarze Löcher. Bei Akustischen Schwarzen Löchern aus einem biegbaren Material ist es möglich, die gekrümmte Geometrie durch Umformen eines ebenen Akustischen Schwarzen Lochs zu erzeugen. Bei einer Schale in Form einer halben Ölwanne, muss hingegen die Akustische Schwarze Loch-Koordinate x_i, entlang derer die Dicke des Materials des Akustischen Schwarzen Lochs zunimmt, nicht gerade, sondern kurvenförmig im 3-dimensionalen Raum verlaufend betrachtet werden. Sie schneidet sich nirgends mit den benachbarten ebenfalls kurvenförmigen x-Koordinaten x_i-1 und x_i+1, welche an differentiell nahe gelegenen Ausgangspunkten der (ebenfalls kurvenförmigen, 2- oder 3-dimensionalen) Umfangskoordinate beginnen und sich in Länge und räumlichem Verlauf differentiell von ihr unterscheiden können. Somit haben schalenförmige Akustische Schwarze Löcher in den meisten möglichen Fällen keine einheitliche Akustische Schwarze Loch-Länge entlang der verschiedenen gekrümmten Koordinaten, weisen somit in dem dünnen, dissipierenden Randbereich entweder unterschiedliche h₀ auf, oder bei annähernd konstanten h₀ über den Bereich stetig variierende ε oder n.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient der passiven Schwingungsdämpfung und der akustischen Beruhigung insbesondere Geräusche abstrahlender, flächenartiger technischer Gebilde sowie kraftleitenden Maschinenlagern, wobei die erfindungsspezifische Vorrichtung einen Einsatz unter kritischen Bedingungen wie wechselnder starker Belastungen und hohen Temperaturen ermöglicht, wobei eine schädigende Kraft-Einwirkung auf insbesondere dünne, besonders schädigungsanfällige Bereiche des mindestens einen Akustischen Schwarzen Lochs vermieden wird.
• Weiterhin vorteilhaft ist, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne nennenswerte kraftleitende Funktion allein der Verringerung der Amplituden hörakustisch relevanter Schwingungen an schallabstrahlenden Oberflächen unterschiedlicher, nahezu beliebiger Formen dienen kann. Auch kann die erfindungsgemäße Vorrichtung als passiv schwingungsdämpfendem (Maschinen-)Lager zur Kraftleitung bei gleichzeitig effektiver Körperschalldämpfung Anwendung finden. Die Eckfrequenz dieses passiv wirkenden mechanischen Tiefpasses lässt sich durch die Wahl der Länge des Akustischen Schwarzen Loches I_ABH festlegen. Diese wird umso größer ausfallen müssen, desto kleiner die gewünschte Eckfrequenz ist.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet im Wesentlichen den Vorteil, durch eine Fokussierung und Verstärkung hörakustisch relevanter Schwingungen in einem konstruktiv festgelegten Bereich durch die Anwendung plattenförmiger, dünner Akustischer Schwarzer Löcher eine Beruhigung der übrigen Vorrichtung zu bewirken und im genannten Bereich die Dämpfungseffizienz zu erhöhen. Somit wird mit geringem Bauteilaufwand das Material besonders schallmindernd gestaltet.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, umfasst die Vorrichtung weiterhin einen Rahmen 115, der zusammen mit den äußeren Bauteilen 10, 14, 15, 18, 20, 22, 25 den geschlossenen Hohlraum bildet.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die mindestens zwei äußeren Bauteile 10, 14, 15, 18, 20, 22, 25 Blech-, Platten-, oder Schalenförmig ausgebildet.
• Vorzugsweise erfüllt zumindest eines der äußeren Bauteile die Funktion der Kraftaufnahme und Weiterleitung.
• Weiterhin ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt, bei der zusammenhängende Werkstoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Metall, Kunststoff und Verbundwerkstoff.
• Außerdem ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt, bei der das dämpfende Material 30 einen Verlustfaktor von η > 0,05 aufweist.
• Vorzugsweise ist das dämpfende Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Kunststoffschäumen, Fein- und Mikrofasern, Naturfasern, Filze, Luftpolsterfolien und Granulaten.
• Im Sinne der vorliegenden Erfindung können die Kunststoffschäume Polyethylen, Polyurethan, Polyethersulfon oder Polyethylenterephthalat sein.
• Weiterhin können im Sinne der vorliegenden Erfindung die Granulate aus Kunststoff, Aerogel oder Perlit bestehen.
• Im Sinne der vorliegenden Erfindung beruhen die Fein- oder Mikrofasern auf Naturfaser-, Kunststoff-, Silikat-, Carbon-, Glas- oder Gesteins-Basis.
• Diese Materialien eignen sich bereits allein für die Dämpfung von Körperschall oder die Absorption und Dissipation von Luftschall, werden in dieser Wirkung durch die Kombination mit dem mindestens einen Akustischen Schwarzen Loch verstärkt. Je nach Anwendungsfall können verschiedene Dämpfungsmaterialien zum Einsatz kommen. Für Anwendungen, die eine sehr hohe Hitzebeständigkeit erfordern (zum Beispiel Heiß-, und Abgasanlagen) beispielsweise sind Glas-, Silikat-, oder Steinfasern geeignete dämpfende und dämmende Werkstoffe, die Temperaturen über 1000°C standhalten können. Für Anwendungen bei normalen Temperaturen hingegen genügen feinporige, elastische Kunststoffschäume. Bis auf die bei Belastung teils offenen Lagerstrukturen eignen sich alle anderen integrierten Akustischen Schwarzen Löcher auch für lose Werkstoffe wie Granulatschüttungen. Sollen diese den Raum, in welchen die Akustischen Schwarzen Löcher ragen, nur partiell ausfüllen, so müssen diesen Schüttungen beispielsweise mit Kunststoffschäumen wie den Auflagern 90 (90', 90'', 90''') begrenzt werden. Bei zusammenhängenden Dämpfungsmaterialien kann zur örtlichen Fixierung bei nur partiellem Ausfüllen des Hohlraums auch eine Klebung verwendet werden, wenn die Anwendungstemperaturen im Einsatztemperaturbereich des Klebstoffes liegen. Eine weitere Möglichkeit sind kautschukartige Werkstoffe, die flüssig in die Struktur eingebracht werden können, und dort aushärten. Dabei ist zu beachten, dass ein „Überdämpfen“ der Kanten des mindestens einen Akustischen Schwarzen Loches zur Verminderung des schwingungsdissipierenden Effektes führen kann.
• Die Dämpfungsmaterialien können sowohl als zusammenhängende als auch als unzusammenhängende Dämpfungsmaterialien schichtweise in die erfindungsgemäße Vorrichtung eingebracht werden. Dies bietet sich dergestalt an, dass die dämpfenden Unter-, Ober und ggf. Zwischenlagen abwechselnd mit Akustischen Schwarzen Löchern, die sie umgeben, eingebracht werden können. Dies ist für einen schädigungsfreien Einbau der Akustischen Schwarzen Löcher vorteilhaft, wenn nicht sogar unabdingbar.
• Des Weiteren ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt, bei der das mindestens eine Akustische Schwarze Loch 40, 45, 47, 48, 50, 55, 57, 58 über eine Geometrie verfügt, welche von einer Innenfläche ausgehend strahlförmig zu allen Kanten hin bis zur fertigungstechnisch erzielbaren Minimaldicke abnimmt.
• Im Sinne der vorliegenden Erfindung sind die Kanten die äußere Begrenzung des Akustischen Schwarzen Loches gegenüber der Umgebung, an dem es die Randdicke h₀ aufweist. Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass sie eine verbesserte Dämpfungswirkung durch Schwingungsbeaufschlagung einer größeren Randfläche aufweisen kann, insbesondere gegenüber nur zu einem Rand in der Dicke abnehmender Akustischer Schwarzer Löcher. Sie ähnelt dem Becken eines Schlagzeugs und begünstigt modale Schwingungen mit hoher Modendichte, oder sogar chaotische Schwingungen, was beides für die Dissipation vorteilhaft ist.
• Außerdem ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt, bei der das mindestens eine Akustische Schwarze Loch (40, 45, 47, 48, 50, 55, 57, 58) über die Umfangskoordinate unterschiedliche, stetig oder auch unstetig sich ändernde Koeffizienten der die Geometrie des mindestens einen Akustischen Schwarzen Loches (40, 45, 47, 48, 50, 55, 57, 58) vorgebenden Profilfunktion annimmt.
• Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die Profilfunktion eine im mathematischen Sinne eindeutige Funktion, welche einer gerade oder gekrümmt verlaufenden Koordinate x auf jedem Wert von xo>0 mm bis x_u=x₀+I_ABH (in mm) eine lotrecht auf ihr gemessene Materialstärke h(x) zuordnet, welche stetig von einer Randdicke h₀ bei x₀ ansteigt und bei x_u die Dicke d erreicht, wobei erfindungsgemäß der Raum zwischen der Koordinate x und h(x) durch ein festes Material ausgefüllt ist. Das Akustische Schwarze Loch im Sinne der Erfindung ist dann der zusammenhängende Bereich des festen Materials, welcher so gestaltet ist, dass er durch verschiedene einander in dem Bereich nicht schneidender Koordinaten x_i und einander ebenfalls nicht schneidender h_i(x_i), welche dieser Definition folgen, eingegrenzt ist und so in seiner Geometrie beschrieben wird.
• Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die Profilfunktion zum Beispiel die Potenzfunktion h = ε · xⁿ, wobei in diesem Falle verschiedene ε_i und n_i, oder aber auch unterschiedliche Randdicken h_0,i sind.
• Die Umfangskoordinate u ist genau diejenige Kurve an der Oberfläche des Akustischen Schwarzen Loches, an welchem jede x-Koordinate einer die Geometrie eines Akustischen Schwarzen Loches beschreibenden Profilfunktion genau den Wert x_u,i hat, für welchen h_i(x>x_u,i)=d=konst. gilt, also die Kurve, welche den Bereich maximaler Dicke des Akustischen Schwarzen Loches begrenzt.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, ist das mindestens eine Akustische Schwarze Loch 40, 45, 47, 48, 50, 55, 57, 58 im Innenraum der Vorrichtung an modalen Schwingungsmaxima befestigt.
• Im Sinne der vorliegenden Erfindung sind die modalen Schwingungsmaxima jene Punkte, in denen die Biegeschwingung der gewählten Mode die größten Amplituden in Schwingweg, Schwingschnelle und Schwingbeschleunigung aufweisen.
• Durch diese Ausführungsform können gezielt akustisch wichtige Biegeeigenmoden der Deckel- oder Bodenplatte oder einer in der Gesamt-Konstruktion anschließenden Komponente der erfindungsgemäßen Vorrichtung, worin diese eingesetzt wird, gedämpft werden. Bevorzugt ist auch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der das mindestens eine Akustische Schwarze Loch 40, 45, 47, 48, 50, 55, 57, 58 Bestandteil des Rahmens 115 der Vorrichtung ist.
• Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass dadurch Gewicht eingespart werden kann, und die Länge des Akustischen Schwarzen Loches I_ASL größer wird, wodurch niedrigere Frequenzen gedämpft werden können.
• Besonders bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der die mindestens zwei äußeren Bauteile 10, 14, 15, 18, 20, 22, 25 über mindestens ein Akustisches Schwarzes Loch 40, 45, 47, 48, 50, 55, 57, 58 oder über ein Akustisches Schwarzes Loch 40, 45, 47, 48, 50, 55, 57, 58 und mindestens zwei Verbindungsstücke 60, 61 an einander gekoppelt sind.
• Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann ein Akustisches Schwarzes Loch selbst ein Verbindungsstück darstellen.
• Vorteilhaft an dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass dadurch die Steifigkeit der gesamten Vorrichtung erhöht wird und die Schwingungen beider schallabstrahlender Seiten in die Akustischen Schwarzen Löcher eingekoppelt werden.
• Vorzugsweise bestehen die Verbindungsstücke aus einem thermisch isolierenden Material, beispielsweise einer Keramik. Dies kann die Verwendung eines thermisch weniger belastbaren Materials der Akustischen Schwarzen Löcher ermöglichen, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung mit Kontakt zum Verbindungsstück im Anwendungsfall höhere Temperaturen annimmt, und wenn auch das dämpfende Material ebenfalls thermisch isolierende Eigenschaften hat. Die Verbindung kann auf unterschiedliche Weise erzeugt werden. Erstens kann eine Schraubverbindung zwischen den Verkleidungsteilen hergestellt werden, welche das mindestens eine mit einer Durchgangsbohrung versehene Akustische Schwarze Loch und die Verbindungsstücke kraft- und/oder formschlüssig zwischen den äußeren Bauteilen, z. B. Deckel- und Bodenplatte, verspannt, wobei die Verspannung durch eine Mutter außerhalb der äußeren Bauteile oder durch eine Gewindebohrung, in welche eine Verbindungsschraube eingedreht wird, erfolgt. Die formschlüssige Verbindung bietet sich für folgende besondere Gestaltung an: Die Verbindungsstücke können auch aus einem Elastomer oder, bei thermisch anspruchsvollen Anwendungen, einem Drahtgeflechtpuffer bestehen, welches das Akustische Schwarze Loch elastisch an Deck- und Bodenplatte koppelt. So könnte das Akustische Schwarze Loch zusätzlich als Masse eines Masse-Dämpfer-Feder-Systems fungieren, welches bei richtiger Abstimmung eine bestimmte, und auch tieffrequente Struktureigenfrequenz dämpfen kann. Dabei stellen die Verbindungstücke Feder und Dämpfer zugleich dar. Des Weiteren kann auch eine Vernietung angebracht werden, wobei ein Niet anstelle der Verbindungsschraube eingesetzt wird und die Bohrungen in den äußeren Bauteilen an dieses Verbindungselement angepasst werden. Außerdem kann bei ähnlichen Materialien eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem mindestens einen Akustischen Schwarzen Loch und dem äußeren Bauteil, als auch, auf der anderen Seite, zwischen dem Akustischen Schwarzen Loch und Verbindungsstück hergestellt werden. Hier bietet sich zum Beispiel das Reibschweißverfahren an. Dieses stellt mittels Aufschmelzzonen eine Verbindung zwischen einem äußeren Bauteil, insbesondere einer Bodenplatte, dem mindestens einen Akustischen Schwarzen Loch sowie dem Akustischen Schwarzen Loch und einem Verbindungsstück her. Möglich ist aber auch eine Gewindebohrung im Verbindungstück, über die dieses mit einer kurzen Schraube gegen das äußere Bauteil, vorzugsweise die Deckelplatte verspannt wird. Drittens können als andere stoffschlüssige Verbindungen auch Löt- oder Klebeverbindungen an den gleichen Positionen erzeugt werden, wenn der Anwendungszweck der Struktur der Akustischen Schwarzen Löcher bei Temperaturen erfolgt, die unterhalb der Erweichungstemperatur des jeweilig verwendeten Verbindungsstoffes liegt.
• Vorzugsweise umfasst das mindestens eine Akustische Schwarze Loch eine Bohrung mit einem größeren Innendurchmesser als der Außendurchmesser der Verbindungsstücke, damit das Verbindungsstück sich räumlich nicht mit dem Akustischen Schwarzen Loch überschneiden kann. Hierbei ist nicht nur eine einfache Bohrung denkbar, sondern eine derartige Gestaltung des Randes des Bohrloches denkbar, bei dem er selbst die Form eines kleinen Akustischen Schwarzen Loches hat, also die Blechdicke zum Lochrand stetig abnimmt, im einfachsten Falle in Form einer einen scharfen Lochrand ausbildenden, linear verlaufenden, optimaler Weise flach gestalteten Fase.
• Vorzugsweise ist das mindestens eine Akustische Schwarze Loch einseitig entweder an der Deckel- oder Bodenplatte oder an dem Hauptblech und Stützblech oder an der Innenschale und Außenschale mittels eines Verbindungsstücks befestigt.
• Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann die Befestigung über Schrauben 52, 80, Gewindebohrungen 12 und Muttern 53 erfolgen oder mittels einer Reibschweiß-, Löt- oder Klebeverbindung 41, 75.
• Besonders bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der mindestens zwei Akustische Schwarze Löcher 40, 45, 47, 48, 50, 55, 57, 58 in den Bereichen ihrer größten Dicke aneinander befestigt und derart übereinander angeordnet sind, dass sie einen Stapel bilden.
• Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass das Verbindungsstück kürzer ausfallen kann oder sogar wegfällt. Entsprechend können auch Mutter(n) für die Verbindungsschraube(n) entfallen und durch ein Gewinde in dem letzten Akustischen Schwarzen Loch durch die Anordnung hergestellten Stapels erfolgen.
• Insbesondere bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der die Vorrichtung weiterhin Auflager (90', 90'', 90''') umfasst.
• Im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Auflager Stützkörper, Flächen zum Tragen von Bauteilen, welche aus Kunststoff oder Metall bestehen. Diese Auflager sind entsprechend der Anzahl k von Akustischen Schwarzen Löchern, die von ihnen abgestützt werden, in k+1 Lagen unterteilt. Die Auflager sind verschiebungssicher so im Raum zu positionieren, dass die minimal dünne Kante des Akustischen Schwarzen Lochs um mindestens ein Drittel der Länge des Akustischen Schwarzen Loches über das Auflager ragt.
• Des Weiteren wird eine Vorrichtung zur Kraftaufnahme, Weiterleitung sowie Dämpfung mechanischer Schwingungen in einem Lager offenbart, welche mindestens ein Akustisches Schwarzes Loch 49', 49'', 49''', 59', 59'', 59''' auf der Geräteseite 49 und/oder auf der Stützseite 59 umfasst, welches in seinem Bereich maximaler Dicke oder maximaler und hoher Dicke durch ein Lagerelastomer 95 mit dem mindestens einem Akustischen Schwarzen Loch 49', 49", 49''', 59', 59", 59''' oder einer Platte 62 auf der anderen Seite abgestützt wird, wobei eine senkrecht zu dem mindestens einem Akustischen Schwarzen Loch 49', 49'', 49''', 59', 59'', 59''' oder der Platte 62 wirkende Lagerkraft, welche durch eine Geräteaufnahme 29 aufgenommen und eine Stützaufnahme 19 abgegeben wird, vollständig über den Bereich hoher Dicke des mindestens einen Akustischen Schwarzen Lochs 49', 49'', 49''', 59', 59'', 59''' und vollständig durch das Lagerelastomer 95 übertragen wird, und mindestens ein dämpfendes Lagermaterial 31, 32, welches das mindestens eine Akustische Schwarze Loch 49', 49'', 49''', 59', 59'', 59''' mindestens in seinem Bereich minimaler Dicke umschließt.
• Vorzugsweise nimmt das mindestens eine Akustische Schwarze Loche nach außen oder innen in der Dicke ab.
• Weiterhin weist das mindestens eine Akustische Schwarze Loch vorzugsweise in seinem Bereich maximaler Dicke oder maximaler und hoher Dicke das Lagerelastomer auf.
• Die Geräteseite ist die Seite des Lagers, auf welcher der durch das Lager abgestützte Gegenstand seine Gewichtskraft oder eine andere durch ihn übertragene oder erzeugte Kraft auf das Lager überträgt, welche durch das Lager aufgenommen und übertragen wird. Die Stützseite hingegen ist diejenige Seite, in der die auf der Geräteseite aufgenommene Kraft, durch den Effekt des Lagers von Schwingungen bereinigt, in einen Festkörper, mit welchem das Lager durch die Stützaufnahme mechanisch verbunden ist, und der als fester Boden angesehen werden kann, eingeleitet wird.
• Vorzugsweise ist das mindestens eine Akustische Schwarze Loch eben, rotationssymetrisch gekrümmt oder rotationssymetrisch spiralenförmig gekrümmt ausgebildet.
• Vorteilhaft an der Verbindung des mindestens einen Schwarzen Lochs an seiner größten Dicke mit den äußeren Bauteilen ist, dass so eine Schwingungsübertragung erfolgen kann.
• Vorteilhaft an der Anordnung des mindestens einen dämpfenden Materials, welches das mindestens eine Akustische Schwarze Loch mindestens in seinem Bereich minimaler Dicke umschließt, ist, dass es die Schwingungen des mindestens einen Akustischen Schwarzen Lochs aufnimmt und dissipiert.
• In einer beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung wird offenbart, dass auf mindestens einer der Lagerseiten mindestens zwei Akustische Schwarze Löcher 49', 49'', 49''', 59', 59'', 59''' in den Bereichen ihrer größten Dicke aneinander befestigt sind und derart übereinander angeordnet, dass sie einen Stapel bilden und an ihren dünnen Bereichen von mindestens einem dämpfenden Lagermaterial 31, 32 umschlossen sind.
• Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass durch die Bildung von Stapeln, die Lagerkraft der Akustischen Schwarzen Löcher gleichermaßen übertragen wird.
• Des Weiteren ist eine Vorrichtung offenbart, bei der die Geräteaufnahme 29 in Lagerkraftrichtung durchgängig gebohrt und die Stützaufnahme 19 gesenkt gebohrt ist und beide Bohrungen über einen passenden Bolzen 65 verbunden sind, welcher das Lagerelastomer 95 durchdringt und Querkräfte von der Geräteaufnahme 29 auf die Stützaufnahme 19 überträgt.
• Besonders bevorzugt ist eine Vorrichtung, welche einen Lagerrahmen 118 aufweist, der das mindestens eine dämpfende Lagermaterial 31, 32 und dass mindestens eine Akustische Schwarze Loch 49', 49'', 49''', 59', 59'', 59''' umgibt.
• Vorteilhaft an einem Lagerrahmen ist, dass dieser sowohl das mindestens eine dämpfende Lagermaterial als auch das mindestens eine Akustische Schwarze Loch vor äußeren Einflüssen schützt, ohne eine Verschiebung der Lagerhälften zueinander unter Krafteinwirkung zu behindern.
• Außerdem ist eine Vorrichtung offenbart, bei der das mindestens eine dämpfende Lagermaterial (31, 32) für mindestens ein Akustisches Schwarzes Loch (49', 49'', 49''', 59', 59'', 59''') auf jeder der Lagerseiten getrennt vorliegt.
• Weiterhin kann das mindestens eine dämpfende Material nochmals in sich unterteilt sein.
• Die Vorrichtung kann dort zum Einsatz kommen, wo zugleich Druckkräfte normal zur Platten- oder Schalenebene aufgenommen und/oder übertragen werden sollen, oder Zug- und Druckbelastungen in Richtung der Ebene, wobei die Struktur insbesondere zugleich Schwingungen im Hörfrequenzbereich von 16 Hz bis 20 kHz dämpfen soll. Dabei wird zwischen dem einen Anwendungsfall unterschieden, in welchem die Kraft von einem Bauteil über die Struktur auf ein anderes Bauteil übertragen wird, und dabei die Schwingung im Hörfrequenzbereich teils oder vollständig in der Struktur dissipiert wird, und dem, worin die Struktur in ein wandförmiges Teil integriert wird oder dieses ersetzt, welches Körper-/und oder Luftschall aufnimmt, weiterleitet und an anderer Stelle als hörbaren, störend empfundenen oder anderweitig unerwünschten Luftschall abgibt. In beiden Fällen besteht die Wirkungsweise der Erfindung darin, dass ein ebenes oder gekrümmtes Akustisches Schwarzes Loch derart in die Struktur eingebaut ist, dass ein Teil der in sie eingeleiteten Schwingungen in das Akustische Schwarze Loch eingeht, sich darin als Biegeschwingung fortsetzt, und im Bereich der geringsten Dicke des Akustische Schwarze Loch idealerweise eine Ausbreitungsgeschwindigkeit von null erreicht, also nicht zurückläuft, dafür aber eine große Schwingungsamplitude dieses Bereiches erzeugt, welche direkt von einem dämpfenden Material aufgenommen wird, welches innerhalb der Struktur eingeschlossen ist und das Akustische Schwarze Loch zumindest im Bereich seines „Tip“ umgibt, so dass die Schwingungsenergie von ihm dissipiert, also in Wärme verwandelt und nicht in das angrenzende Bauteil oder die angrenzende Luft übertragen wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich somit zur geräuscharmen Darstellung von Gehäuseteilen schallabgebender Kraft- und Arbeitsmaschinen, Haushaltsgeräten, Teilen der Fahrzeugkarosserie. Sie kann als passiv schwingungsminderndes Stützlager für Maschinen die Einleitung von an anderer Stelle als störend wahrgenommenem Körperschall unterbinden oder vermindern und somit zur Verbesserung des Anwendungskomforts beitragen. Sie eignet sich prinzipiell auch zur Anwendung als Trittschalldämmung in Gebäuden. Da sich alle wesentlichen Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowohl aus hitzebeständigen Materialien, wie auch leichtbauenden Verbundwerkstoffen darstellen lassen, ist eine Anwendung auch unter schwierigen thermischen Bedingungen sowie unter der Forderung des Leichtbaus möglich.
• Vorzugsweise werden die Eigenschaften von Akustischen Schwarzen Löchern genutzt, die Schwingungen einer Platte oder Schale aufzunehmen, und auf einen Bereich zu fokussieren, wo sie durch Verstärkung der Schwingungsamplituden bei geringem Dämpfungsmaterialaufwand effektiv in Wärme umgewandelt werden. Durch die Möglichkeit, Akustische Schwarze Löcher als dünne und leichte Teile herzustellen, kann die Gestaltung der ursprünglichen Platte oder Schale zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei geringer Massen- und Dickenzunahme erfolgen. Dabei wird die Gefahr eines Einrisses des Plattenmaterials bei Krafteinwirkung, die bei direkter Einbringung eines Akustischen Schwarzen Loches in eine Platte herrscht, vermieden, indem der dünne Bereich des Akustischen Schwarzen Loches so angeordnet wird, dass der Kraftfluss durch ihn minimal wird.
• Im Falle einer Anwendung mit bereits gegebener integraler Anordnung von dämpfungsfähigem Material, wie zum Beispiel in doppelwandigen Karosserieteilen, ist die Darstellung des Konzeptes auch ohne Dickenzunahme möglich und eine äußerlich unsichtbare Integration des Akustischen Schwarzen Loches möglich.
• Auch kann das Konzept beispielsweise eine Gewichtsersparnis ermöglichen, wenn durch die strukturelle Schwingungsdämpfung auf einen schweren und steiferen Aufbau verzichtet werden kann, zum Beispiel im Fall einer Aluminiumölwanne, die durch eine Kunststoff-Leichtbaukonstruktion mit Kunststoffschaum und integriertem Akustischen Schwarzen Loch ersetzt werden kann.
  Das mindestens eine Akustische Schwarze Loch kann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung so angeordnet sein, dass sein Bereich maximaler Dicke Druck- und Zugkräfte übertragen und die Gesamtsteifigkeit der Struktur erhöhen kann.
• Weiterhin umfasst die Vorrichtung elektrisch ansteuerbare und aktiv schwingungsreduzierende Aktoren. Diese können sowohl an mäßig dicken Bereichen des mindestens einen Akustischen Schwarzen Lochs als auch im Innenraum oder an der äußeren Oberfläche der erfindungsgemäßen Vorrichtung angebracht sein. Die dem Fachmann bekannten zur aktiven Dämpfung ebenfalls notwendigen Sensoren und Regler sind ebenfalls von der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst, so sie der Erfassung des Schwingungszustandes der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie der Ansteuerung der auf oder in ihr befestigten Aktoren dient. Als solche können Piezo-Patches eingesetzt werden, welche jedoch zugleich der Erfassung von Körperschallspannungen dienen können. Bei Kombination einer Aktor-Schicht mit einer viskoelastischen handelt es sich um sogenanntes Active Constrained-Layer Damping (ACLD). Zur Schwingungsauslöschung muss die ansteuerbare Schicht durch den Regler dergestalt in Schwingung versetzt werden, dass sie einen Phasenversatz von etwa 180° zur zuvor messtechnisch erfassten eingehenden unerwünschten Schallschwingung hat und diese somit durch destruktive Interferenz auslöscht. Solche aktiven Schwingungsdämpfungsverfahren können Prinzip bedingt nur niederfrequente Schwingungen bis ca. 200 Hz dämpfen, und sind daher geeignet, die Wirkung der erfindungsgemäßen passiv wirkenden ABH-Strukturen zu ergänzen, aber nicht zu ersetzen.
• Die meisten Komponenten der vorliegenden Vorrichtung sind einfache Halbzeuge oder Normteile, deren Herstellung dem Fachmann bekannt sind und somit keiner genaueren Erläuterung bedarf. Die äußeren Bauteile sind grundsätzlich flächige Formen, insbesondere auch solche mit durchgängigen Löchern beliebiger Form innerhalb der Hauptfläche des äußeren Bauteils, die ebenfalls einen Rand dieser Fläche darstellen und ebenso wie die äußeren Ränder der Fläche so zu gestalten sind, dass ein Austreten des Dämpfungsmaterials nicht möglich ist, und der Schutz desselben vor äußeren Einflüssen ebenso gut wie an den äußeren Randbereichen ist. Auch hier ist ein Kontakt von den dünnen Rändern des mindestens einen Akustischen Schwarzen Loches konstruktiv auszuschließen.
• Die Herstellung der Akustischen Schwarzen Löcher dagegen ist eine fertigungstechnische Herausforderung, welche mittels bekannter Herstellungsverfahren wie dem Fräsen, insbesondere für die meisten einfachen Akustischen Schwarzen Löcher Anwendung findet, aber nicht für die Massenproduktion oder auch die Herstellung komplexer, schalenförmiger Akustischer Schwarzer Löcher geeignet ist. Ferner sind das Gießen, Gesenkschmieden und das Vakuum-Laminieren Verfahren, die sich für die Herstellung auch der erfindungsgemäßen komplexeren schalenförmigen Akustischen Schwarzen Löcher anbieten. Weitere mögliche Fertigungsverfahren sind (1) das Tiefziehen, welches mit einem geringfügig und präzise konisch gestalteten Stempel erfolgen muss, der im Prozess des Absenkens das umzuformende Blech in ein nach der Profilfunktion zunehmend geringeres Spaltmaß zwischen Stempel und Matrize zieht, das gegen null geht, und dort zum Materialabriss führt, (2) das Rapid Prototyping-Verfahren für Forschungszwecke mit eher kleineren Abmessungen aber komplexen Geometrien, (3) Prepreg-Laminierverfahren, bei denen die Randdicke h₀ durch die Höhe der einzelnen Fasermatten vorgegeben ist und der Dickenverlauf der Akustischen Schwarzen Löcher durch Längenzuschnitt dieser Fasermatten vorgegeben werden kann, (4) der funkenerosive Materialabtrag bei Blechen, (5) präzises Schleifen aus dem Vollen bei ebenen und gekrümmten Akustischen Schwarzen Löchern sowie (6) das Anschleifen anderweitig erzeugter Materialkanten zur zusätzlichen Verringerung der Minimaldicke und zum Erzeugen vorteilhafter ausfransender Ränder.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und die 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.
• Weitere Merkmale sind den Figuren - 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 Figuren 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.
• 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 ABH die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein ABH, zwei ABH oder mehr ABH vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben. Es zeigt
• 1 das erfindungsgemäße Merkmal eines plattenförmigen Akustischen Schwarzen Loches darstellend die in der Beschreibung aufgeführten Parameter zur Beschreibung über der Umfangskoordinate u variabler Profilgeometrien;
• 2 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung in ebener Form;
• 2a eine schematische Ansicht der Vorrichtung mit Merkmalen ihrer Gestaltung als Lager;
• 2b eine schematische der Vorrichtung mit Merkmalen ihrer Gestaltung als Lager unterschieden von der ersten durch die Verwendung einer Platte anstelle eines Stapels aus Akustischen Schwarzen Löchern;
• 3 eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung unterschieden von der ersten durch die Erfindungsmerkmale Form und Montage der Akustischen Schwarzen Löcher;
• 4 eine schematische Ansicht einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung unterschieden von der ersten durch die Form und Montage sowie Anordnung des dämpfenden Materials sowie Auflager;
• 5 eine schematische Ansicht einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Merkmal einer blechförmigen Ausprägung der äußeren Teile;
• 6 eine schematische Ansicht der in 5 gezeigten Ausführungsform mit zusätzlichen akustischen Gestaltungsmerkmalen sowie einem vollständig geschlossenen Aufbau;
• 7 einen Längsschnitt einer ersten Ausführungsform eines Schalenaufbaus der Struktur eines Akustischen Schwarzen Loches am Beispiel einer Ölwanne.
• 8 einen Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform eines Schalenaufbaus der Struktur eines Akustischen Schwarzen Loches am Beispiel einer Ölwanne.
• 1 zeigt die Geometrie beschreibende Profilfunktionen h(x) eines ebenen akustischen Schwarzen Loches, welches über eine Umfangskoordinate u oder verschiedene x-Achsen x_i, x_i+1, ..., x_i+n unterschiedliche Koeffizienten ε, n, γ, m, ... von h(x) und unterschiedliche Randdicken h₀ annehmen kann. Damit kann auch die Profillänge des Akustischen Schwarzen Loches I_ASL über u variieren. Anhand 8 lassen sich gekrümmte x-Achsen, mithin gekrümmte Akustische Schwarze Löcher vorstellen.
• 2 zeigt einen ebenen, rahmengestützten Aufbau der Vorrichtung mit integriertem Rahmen, wobei die Vorrichtung als Platte mit konstanter Dicke ausgeführt ist. Die Vorrichtung umfasst als äußere Bauteile eine Bodenplatte 10 und eine Deckelplatte 20. Die Bodenplatte 10 ist so ausgeführt, dass sie eine den Rahmen der Platte bildende rahmenartige Ausprägung hat, welche in etwa orthogonal zur Plattenebene steht, und mit der Deckelplatte 20 verbunden ist. Die rahmenartige Ausprägung kann im Falle eines Kunststoffspritzgusses oder der laminierenden Herstellung eines Verbundwerkstoffes durch Urformen erzeugt sein; im Falle einer Metallausführung aus dünnwandigem Blech bietet sich neben einem Formguss auch das Tiefziehen als umformendes Verfahren an. Hat der Rahmen eine ausreichende Breite, kann eine im Urformprozess oder nachträglich zum Beispiel durch Fräsen erzeugte Vertiefung 11 der Aufnahme der Deckelplatte 20 dienen.
• In 3 wird eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. In dieser Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung ein ebener, rahmengestützter Aufbau mit selbstständigem Rahmen 115, welcher mit Bodenplatte 10 und Deckelplatte 20 durch stoffschlüssige Verbindung oder eine andere Verbindungsart verbunden ist.
• 4 zeigt einen ähnlichen Aufbau wie 2. Im Unterschied zur 2, wird in 4 gezeigt, dass die Deckelplatte 20 selbst auch eine rahmenartige Ausprägung haben kann. Bei einem solchen Aufbau muss der Rahmen 115 durch passende Aussparungen für das in den Rahmen 115 zu integrierende mindestens eine Akustische Schwarze Loch 48, 58 versehen werden. Im Sinne der vorliegenden Erfindung können auch mehrere Akustische Schwarze Löcher 48, 58 im Rahmen 115 integriert sein.
• Die in 5 gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kommt nahezu ohne Rahmen aus. Es handelt sich um einen quasi-ebenen Schalenaufbau, die einen dämpfend wirkenden verwölbten Blechabschnitt einer Fahrzeugbodenplatte aufgreift, welche in Form des gewölbten Hautbleches 22 vorliegt und mit einem Stützblech 18, das ebenfalls gewölbt sein kann, verbunden ist, so dass ebenfalls eine Kavität für das dämpfende Material 30 entsteht. Im Falle einer randständigen Anbringung des mindestens einen Akustischen Schwarzen Lochs 48, 58 können an den freien Rändern Abdichtungen 110, 110' aus Elastomer, geschlossenzelligem Kunststoffschaum oder Weichmetall vorgesehen werden. Der quasi-ebene Schalenaufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann aber auch einem mit nicht randständig, sondern mindestens einem innen montierten Akustischen Schwarzen Loch 48, 58 versehen sein. In der vorliegenden Ausführungsform dient das Stützblech 18 ausschließlich der Aufnahme des dämpfenden Materials 30 und endet an den Rändern der Kavität.
• In 6 wird die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 5 gezeigt, wohingegen sich das Stützblech 18 in dieser Ausführungsform nach links und rechts des Kavitätsbereiches fortsetzt, und dort beispielsweise durch Verklebung mit dem Hauptblech 22 verbunden wird, und hier zusätzlich stützende, kraftleitende Funktionen übernimmt. Die Verklebung kann so gestaltet sein, dass der Bereich zusätzlich dämpfende Eigenschaften hat.
• 7 und 8 zeigen eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die einen nicht ebenen, beliebig eckig, konvex, konkav geformten Schalenaufbau aufweisen. Diese Ausführungsformen werden am Beispiel einer typischen Ölwannengeometrie mit einer Innenschale 25 und einer Außenschale 14 dargestellt. In 7 wird gezeigt, dass das mindestens eine Akustische Schwarze Loch, welches ebenfalls in Schalenform vorliegt, nahe des Randes aufgenommen ist, wohingegen es in der 8 am Rand aufgenommen ist.
• In den 2 und 3 wird weiterhin gezeigt, dass das mindestens eine Akustische Schwarze Loch 40, 45, 48, 50, 55, 58 am Rand der äußeren Bauteile 10, 14, 18, 20 22 oder zentral montiert sein kann. Eine Montage an den Schwingungsmaxima akustisch dominierender Biegemoden der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird besonders diese Moden dämpfen; exemplarisch sind die Akustischen Schwarzen Löcher 50, 55 an den Maxima der 2,2-Biegemoden der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeordnet, und die größeren Akustischen Schwarzen Löcher 40, 45 am Maximum der 1,1 Biegemode. Die in 2 gezeigte Montage der Akustischen Schwarzen Löcher 40, 50 zwischen Deckel- und Bodenplatte 20, 10 stellt mithilfe der Verbindungsstücke 60, 61 eine Versteifung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar, das heißt eine Verschiebung entsprechender Moden zu höheren Frequenzen und ihre Abschwächung gegenüber höheren, nicht-blockierten Moden. Dies ist vorteilhaft, da die Dämpfungswirkung des dämpfenden Materials 30 in der Regel mit höherer Schwingfrequenz zunimmt. Wird hingegen ein eher weiches Plattendesign verlangt, wie dies zum Beispiel bei Anwendungen zur Trittschaldämmung der Fall sein könnte, kann ein Aufbau ohne versteifende Verbindungselemente verwendet werden, wie in 3 gezeigt. Die 2 und 3 zeigen weiterhin verschiedene Montagemöglichkeiten des mindestens einen Akustischen Schwarzen Lochs 40, 45, 50, 55 sowie der tragenden Teile der äußeren Bauteile 10, 20, 115. Das mindestens eine Akustische Schwarze Loch 40, 45, 50, 55 wird teils durch eine stoffschlüssige Verbindung 12, 41, 52, 53, 75, 80, wie flächiges Reibschweißen, beziehungsweise auch kleben oder löten fixiert oder durch Verschraubungen. Ferner zeigen die 2 und 3 eine zwei- und dreiteilige Gestaltung der tragenden äußeren Bauteile 10, 20, 115. In beiden Figuren ist eine stoffschlüssige Montage dargestellt, während in 4 und 5 formschlüssige Montagearten durch Schrauben 80 oder Niete 100 illustriert werden. In der dreiteiligen Gestaltung von 3 liegt der Rahmen als besonderes Teil vor, während er in 2 eine Ausprägung der Bodenplatte 10 ist, welche in diesem Falle ur- oder umformend hergestellt werden muss. Gemäß der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in 4 müssen zusätzlich passende Vertiefungen dort in die Rahmenausprägungen eingebracht werden, wo das am Rand montierte mindestens eine Akustische Schwarze Loch 48, 58 als Teil des Rahmens befestigt wird. Die in den 4 bis 8 dargestellte Anordnung des mindestens einem Akustischen Schwarzen Loches 47, 48, 57, 58 am Rand der der erfindungsgemäßen Vorrichtung bietet sich vor allem in Anwendungen an, wo die Krafteinleitung an diesen Rändern erfolgt und die Platten- oder Schalenfläche diese Schwingungen verstärkt und als Schall an die fluide Umgebung überträgt. Eine Krafteinleitung am Rand findet beispielsweise statt bei der Montage der Struktur an einen Rahmen, welcher Kräfte und/oder Schwingungen aufnimmt und überträgt. Als ein solcher kann zum Beispiel das Zylinderkurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors aufgefasst werden. Da die Ölwanne an dieses Zylinderkurbelgehäuse montiert wird und über die Flanschfläche, einen Randbereich, die Schwingungen eingeleitet werden, stellen 7 und 8 zweckmäßig randnahe Montagepositionen der schalenförmigen, einseitig zulaufenden Akustischen Löcher 47, 57 dar. Eine randseitige Montage der Akustischen Schwarzen Löcher 47, 57 bietet sich ferner insbesondere für rahmenmontierte, blechartige Verkleidungsteile an: angefangen von Schirmungsblechen des Abgasnachbehandlungssystems, über schallleitende und abstrahlende Teile verschiedener Fahrzeugkarosserien, bis zu Geräteverkleidungen im Gastronomie- und Haushaltsbereich. Beispielhaft für solche Anwendungen stehen die 5 und 6 mit einer randseitigen, genieteten Montage leicht gekrümmter, einseitig zulaufender Akustischer Schwarzer Löcher 48, 58 in einen nicht-rechteckigen Rahmen. Die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht gemäß 5 alternativ zu einem Rahmenteil Abdichtungen 110, 110' in den Randbereichen vor. Diese sind jedoch unnötig, wenn das Stützblech 18, wie in 6 gezeigt, flächig das gesamte Hauptblech 22 überdeckt und nicht nur, wie in 5, die Akustischen Schwarze Loch- und Dämpfungsmaterial-Kammern. Stützblech 18 und Hauptblech 22 können aus Gewichtsgründen möglichst dünn ausgeführt werden, insbesondere das Stützblech 18 erfordert aufgrund seiner lediglich materialtragenden Funktion nur Dicken von einem oder wenigen zehntel Millimeter(n). In der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 6 sind mit Sicken 120 und Rippen 130 weitere mögliche Gestaltungen angedeutet, sowie auch eine äußere zusätzliche akustische Dämmung 140 mitsamt Schutz- oder Schwerschicht 150. Während in 6 die Ausprägung der Rippen 130 durch umformende Fertigungsverfahren erzeugt sein kann, sind in den Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen, die in den 7 und 8 dargestellt sind, urformend, zum Beispiel im Aluminium- oder Kunststoffguss, oder im Laminierprozess, herzustellenden Versteifungsrippen 135 gezeigt.
• In der in 2 gezeigten Ausführungsform der Vorrichtung ist mit dem Verbindungsstück 60, 61 der Akustischen Schwarzen Löcher 40, 50 gegen die Deckelplatte 20 und Bodenplatte 10 die Möglichkeit einer Kraftleitung durch die Bereiche der Akustischen Schwarzen Löcher 40, 50 mit maximaler Dicke gegeben. Dieser Aspekt der Platten- und schalenförmigen selbstdämpfenden Strukturen findet in der Gestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als selbstdämpfendes Lager Anwendung. Das Schema eines solchen Lagers wird in 2a) und 2b) dargestellt. Es sieht, anders als die Platten- und Schalendesigns, einige vollständige Kraft- und damit auch Schwingungsleitung durch mindestens ein Akustisches Schwarzes Loch auf der Geräteseite 49', 49'', 49''', welches über ein Lagerelastomer 95 mit einer Platte 62 oder einem weiteren Akustischen Schwarzen Loch 59', 59'', 59''' auf der Stützseite des Lagers verbunden ist, vor. Auf beiden Seiten können sich auch wie in der 1a dargestellt Stapel, aus jeweils mehreren Akustischen Schwarzen Löchern 49', 49'', 49''', 59', 59'', 59''' bestehend, befinden. Das oder die Akustischen Schwarzen Löcher 49', 49'', 49''' auf der Geräte und/oder Stützseite nehmen die Schwingungen auf und fokussieren diese reflexionsarm zu ihren dünnen Rändern, wo sie durch das dämpfende Lagermaterial 31, 32 dissipiert werden. Wenig dynamische Kräfte werden hingegen durch die Bereiche hoher Dicke des oder der Akustischen Schwarzen Löcher der Geräteseite 49', 49'', 49''', das Lagerelastomer 95, und gegebenenfalls die Platte 62 oder der Akustischen Schwarzen Löcher 59', 59'', 59''' der Stützseite weitergeleitet. Der Rahmen 115 der erfindungsgemäßen Vorrichtung in 3 ist in einen Lagerrahmen 118 verwandelt, welcher aber hier gemäß der vorliegenden erfindungsgemäßen Vorrichtung keine funktionalen Kräfte aufnimmt und überträgt, sondern der Fixierung der dämpfenden Lagermaterialien 31, 32 dient. In 2a) sind für die Akustischen Schwarzen Löcher der Geräteseite 49', 49'', 49''' und für die Akustischen Schwarzen Löcher der Stützseite 59', 59'', 59''' zwei getrennte dämpfende Lagermaterialien 31, 32 vorgesehen, die in sich wiederum aus Montagegründen aus vier Kreisringabschnitten bestehen. Die Trennung von oberem und unterem dämpfendem Lagermaterial 31, 32 verhindert insbesondere bei größeren Schwingungsamplituden und dynamischen Verschiebungen des mindestens einen Akustischen Schwarzen Loches auf der Geräteseite 49', 49", 49" gegen die Platte oder die Akustischen Schwarzen Löcher auf der Stützseite 59', 59'', 59''' ein Auftreten von Biegekräften an den dünnen Rändern der Akustischen Schwarzen Löcher oder des Akustischen Schwarzen Loches 49' und der Platte 62 auf beiden Seiten des Lagerelastomers 95, welches Geräte- und Stützseite trennt, infolge von Kompression nicht nur des Lagerelastomers, sondern eines etwaigen einheitlichen Blockes aus dämpfendem Lagermaterial 31, 32. Das Lager dient der Aufnahme von Kräften, die längs der Achse von Geräteaufnahme 29 und Stützaufnahme 19 wirken. Durch die Verbindung beider durch einen Bolzen 65, welcher beispielsweise mit einer Presspassung in die Stützaufnahme 19 eingebracht wurde, und in einer feinen, eventuell gefetteten Spielpassung in einer Bohrung der Geräteaufnahme 29 läuft, können auch Quer-und Biegekräfte aufgenommen, und unerwünschte Vibrationen derselben in die Akustischen Schwarzen Löcher übertragen werden. Die Gestaltung der Platte 62 als gleichzeitige Aufnahme des Lagerelastomers 95 in 2b) ermöglicht ebenfalls eine Aufnahme von Querkräften.
• Der Rahmen 115 der erfindungsgemäßen Vorrichtung in 3 ist in einen Lagerrahmen 118 verwandelt, welcher aber hier gemäß der vorliegenden erfindungsgemäßen Vorrichtung keine funktionalen Kräfte aufnimmt und überträgt, sondern der Fixierung der dämpfenden Lagermaterialien 31, 32 dient.
• Weitere akustisch wirksame Ausgestaltungen sind tiefgezogene oder durch anderweitiges Umformen erzeugte Rippen 130 und Sicken 120. Zum Beispiel beim Kunststoffspritzguss erzeugte Rippen (auch: Oberflächen-Feinverrippungen, z. B. Honeycombs), wie die in den 7 und 8 dargestellten Versteifungsrippen 135 der Innenschale 25 der Ölwanne, zusätzlich aufgetragene/aufgeklebte Dämmschicht 140 aus einem akustisch wirksamen zusammenhängenden Material wie z. B. Polyurethanschaum, wie in 6, oder aber auch viertens eine zusätzliche Schwer- und/oder Schutzschicht 150, wie in 6 gezeigt, die durch Kombination mit dem Dämmstoff 140 als Masseschicht ein Masse-Dämpfer-Feder-System erzeugt, das zusätzliche, gezielt auslegbare Schallminderungseffekte bewirkt. In diese Schwerschicht können ferner Poren oder Löcher eingebracht werden, welche schallmindernd wirken.
• Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung noch einmal mit anderen Worten zusammengefasst:
• Die beschriebene vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorrichtung zur Kontaktaufnahme und Weiterleitung statischer oder niedrigfrequenter Kräfte, welche eine gegebene Platten- oder Schalenstruktur, die unzweckmäßiger Weise Schwingungen überträgt und/oder unerwünschter Weise als Schall abstrahlt, ersetzt durch einen äußerlich platten- oder schalenförmigen Aufbau mit mindestens vier funktionalen Komponenten, welcher eine Fokussierung der Schwingungen im inneren des Aufbaus forciert und begünstigt und dort für eine Verwandlung der Schwingungen in Wärme (Dissipation) sorgt. Ein solcher Aufbau zeichnet sich durch vielfältige Anwendungsmöglichkeiten aus. Er kann verkleidende Platten oder Bleche von Maschinen ersetzen und so zu einer Verringerung des von der Maschine abgestrahlten Schalles und zur thermischen Isolation beitragen. Er lässt sich als schwingungsdämpfendes Auflager für vibrierende Aggregate wie Hubkolben-Verbrennungsmotoren einsetzen, dessen Wirkung durch Mehrfachschichtung oder -Anordnung verstärkt werden kann. Er eignet sich aufgrund seiner Plattenform zur Trittschalldämmung in Gebäuden und ermöglicht die Beruhigung von PKW-Karosserien, in welche er funktional und mittragender Funktion integriert werden kann. Im Haushaltsbereich können beispielsweise Geräte, die durch Oberflächenschwingungen störenden Lärm emittieren, wie z. B. Waschmaschinen oder Kaffeeautomaten durch entsprechend gestaltete Außenverkleidungen beruhigt werden. Das vorgestellte Prinzip kann auch in komplexer geformten schwingenden Teilen Anwendung finden, wie z. B. bei der Gestaltung akustisch besonders kritischer Ölwannen von PKW- oder LKW-Verbrennungsmotoren. Auch Anwendungen bei hohen Betriebstemperaturen, wie in Heißgassystemen sind nach den Erfindungsansprüchen möglich. Aufgrund der vielfältigen Anwendungsgebiete beschränkt sich die Darstellung des Standes der Technik auf das angewandte Prinzip und auf einige passiv selbstdämpfende Systeme aus dem Automobil-Bereich.
• Bezugszeichenliste

10

Bodenplatte

11

Vertiefung

12

Gewindebohrung

14

Außenschale

18

Stützblech

19

Stützaufnahme

20

Deckelplatte

22

Hauptblech

25

Innenschale

29

Geräteaufnahme

30

dämpfendes Material

31, 32

dämpfendes Lagermaterial

40, 45, 47, 48, 50, 55, 57, 58

Akustisches Schwarzes Loch

41, 75

Reibschweiß-, Löt-, oder Klebeverbindung

49', 49'', 49'''

Akustisches Schwarzes Loch Geräteseite

52, 80

Schraube

53

Mutter

59', 59'', 59'''

Akustisches Schwarzes Loch Stützseite

60, 61

Verbindungsstück

62

Platte

65

Bolzen

90, 90', 90'', 90'''

Auflager

90'

Auflager Lage 1

90"

Auflager Lage 2

90'''

Auflager Lage 3

95

Lagerelastomer

100

Niete

110, 110'

Abdichtungen

115

Rahmen

118

Lagerrahmen

120

Sicken

130

Rippen

135

Versteifungsrippen

140

Dämmschicht

150

Schwer- und/oder Schutzschicht

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Kraftaufnahme, Weiterleitung sowie Dämpfung mechanischer Schwingungen umfassend mindestens zwei äußere, miteinander verbundene Bauteile aus zusammenhängenden Werkstoffen (10, 14, 18, 20, 22, 25), die zusammen einen geschlossenen Hohlraum ausbilden, der zumindest teilweise mit dämpfendem Material (30) gefüllt ist, welches mindestens ein Akustisches Schwarzes Loch (40, 45, 47, 48, 50, 55, 57, 58) möglichst hoher Länge, geringer maximaler Dicke und geringer Randdicke im Bereich seiner geringsten Dicke umschließt, und wobei das mindestens ein Akustische Schwarzes Loch (40, 45, 47, 48, 50, 55, 57, 58) im Bereich seiner geringsten Dicke mittels des dämpfenden Materials (30) mit wenigstens einem äußeren Bauteil dauerhaft verbunden ist und weiterhin im Bereich seiner maximalen Dicke mit mindestens einem der zwei äußeren Bauteile (10, 14, 18, 20, 22, 25) fest verbunden ist.
2. Vorrichtung, gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin einen Rahmen (115) umfasst, der zusammen mit den äußeren Bauteilen (10, 14, 18, 20, 22, 25) den geschlossenen Hohlraum bildet.
3. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei äußeren Bauteile (10, 14, 18, 20, 22, 25) Blech-, Platten-, oder Schalenförmig ausgebildet sind.
4. Vorrichtung, gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zusammenhängende Werkstoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Metall, Kunststoff und Verbundwerkstoff.
5. Vorrichtung, gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dämpfende Material (30) einen Verlustfaktor von η > 0,05 aufweist.
6. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Akustische Schwarze Loch (40, 45, 47, 48, 50, 55, 57, 58) über eine Geometrie verfügt, welche von einer Innenfläche ausgehend strahlförmig zu allen Kanten hin bis zur fertigungstechnisch erzielbaren Minimaldicke abnimmt.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Akustische Schwarze Loch (40, 45, 47, 48, 50, 55, 57, 58) über die Umfangskoordinate unterschiedliche, stetig oder auch unstetig sich ändernde Koeffizienten der die Geometrie des mindestens einen Akustischen Schwarzen Loches (40, 45, 47, 48, 50, 55, 57, 58) vorgebenden Profilfunktion annimmt.
8. Vorrichtung, gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Akustische Schwarze Loch (40, 45, 47, 48, 50, 55, 57, 58) im Innenraum der Vorrichtung an modalen Schwingungsmaxima befestigt ist.
9. Vorrichtung, gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Akustische Schwarze Loch (40, 45, 47, 48, 50, 55, 57, 58) Bestandteil des Rahmens (115) der Vorrichtung ist.
10. Vorrichtung, gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei äußeren Bauteile (10, 14, 15, 18, 20, 22, 25) über mindestens ein Akustisches Schwarzes Loch (40, 45, 47, 48, 50, 55, 57, 58) oder über mindestens ein Akustisches Schwarzes Loch (40, 45, 47, 48, 50, 55, 57, 58) und zwei Verbindungsstücke (60, 61) an einander gekoppelt sind.
11. Vorrichtung gemäß der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Akustische Schwarze Löcher (40, 45, 47, 48, 50, 55, 57, 58) in den Bereichen ihrer größten Dicke aneinander befestigt und derart übereinander angeordnet sind, dass sie einen Stapel bilden.
12. Vorrichtung, gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin Auflager (90', 90'', 90''') umfasst.

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