DE19515498C1 - Aktiver Schwingungsminderer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen aktiven Schwingungsminderer, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Während passive Lärmminderer in Form von Antidröhnbelägen, Sandwich- Belägen und Schwingungsabsorbern auf der Grundlage einer irreversiblen Ableitung der Schwingungsenergie arbeiten, enthalten die aus der US 27 76 020 oder der EP 05 36 548 A1 bekannten aktiven Schwingungsminderer der eingangs genannten Art gegenphasig zur Schallquelle gesteuerte Laut­ sprecher bzw. schwingungsgesteuerte Kraftgeber, deren Dämpfungskraft sich nach dem Free-fall-Prinzip auf einer seismischen Masse abstützt, wo­ bei als Kraftgeber in dem für die Lärmminderung interessanten Frequenz­ bereich neben pneumatischen und hydraulischen Stellgliedern vor allem elektrodynamische Tauchspulanordnungen oder elektrostatische oder piezoelektrische Aktuatoren verwendet werden, die auch bei hohen Fre­ quenzen eine große Wiedergabetreue besitzen. Nachteilig an den bekannten aktiven Schwingungsminderern ist jedoch, daß sie, bezogen auf die erzielte Dämmungs- bzw. Dämpfungswirkung, sehr große und dementsprechend aufwendige Kraftgeber benötigen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen aktiven Schwingungsminderer vor­ nehmlich zur Dämpfung/Dämmung von Körperschallschwingungen im Be­ reich der hörbaren Frequenzen so auszubilden, daß seine Dämpfungs-/ Dämmungswirkung im Verhältnis zur Baugröße des Kraftaktuators erheb­ lich gesteigert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den im Patentanspruch 1 ge­ kennzeichneten Schwingungsminderer gelöst.

Erfindungsgemäß wird durch die Zwischenschaltung eines hornförmigen Wellenleiters als Krafttransformator zwischen Aktuator und Struktur und die Gestaltung des Wellenleiters derart, daß sich unter Berücksichtigung der Impedanz des Aktuators die erwünschte Schwingungsimpedanz am struktur­ seitigen Ende des Wellenleiters einstellt, eine dem Übersetzungsverhältnis des Wellenleiters entsprechende Kraftverstärkung und eine hochwirksame Schwingungsdämpfung bzw. -dämmung der Struktur erzielt, ohne daß es eines aufwendigen Kraftaktuators bedarf. Das Ergebnis ist ein konstruktiv einfacher, kompakter und in dem für den jeweiligen Anwendungsfall ge­ wählten Frequenzbereich äußerst effektiver Schwingungs- und insbesondere Lärmminderer.

In besonders bevorzugter Weise ist dem Kraftaktuator gemäß Anspruch 2 ein akustisches Netzwerk zugeordnet, welches das aus Kraftaktuator und Wellenleiter bestehende, kooperative System nach Maßgabe der vom Schwingungssensor ermittelten Arbeitsfrequenz der Struktur auf die er­ wünschte Impedanz einreguliert. Dieses Netzwerk kann von dem Aktuator oder dem Wellenleiter selbst in der Weise gebildet werden, daß diese auf­ grund der gewählten Formgebung, Masse, Materialdichte oder Elastizität eine bestimmte Filterkurve realisieren, vorzugsweise besteht das Netzwerk gemäß Anspruch 3 jedoch aus einem dem Kraftaktuator vorgeschalteten, die Ausgangssignale des Schwingungssensors modifizierenden Filter, welches gemäß Anspruch 4 zweckmäßigerweise variabel einstellbare Filterkoeffi­ zienten zur Änderung der vorgegebenen Impedanz aufweist.

Im einfachsten Fall ist der Wellenleiter ein stabförmiges, homogenes, sich hornförmig verjüngendes Bauteil z. B. aus Metall, Kunststoff oder Gummi. Um die axiale Baulänge des Wellenleiters zu verkürzen, ist dieser jedoch gemäß Anspruch 5 zweckmäßigerweise mit seinem kopfseitigen Wellen­ leiterabschnitt in Richtung der schwingenden Struktur U-förmig zu­ rückgebogen. Wahlweise kann der Wellenleiter, wie gemäß Anspruch 6 bevorzugt, auch als plattenförmiges, außenrandseitig mit der schwingenden Struktur verbundenes und im mittleren Bereich mit dem Kraftaktuator ver­ sehenes Bauteil ausgebildet sein, wodurch eine besonders einbaugünstige und platzsparende Bauweise garantiert wird.

Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Variante der Erfindung läßt sich die kraftverstärkende Wirkung des Wellenleiters nicht nur durch dessen Raumform, sondern auch durch die Materialzusammensetzung des Wellen­ leiters in der Weise erreichen, daß der Wellenleiter gemäß Anspruch 7 eine Schichtbauweise aus abwechselnd aufeinanderfolgenden Masse- und Feder­ elementen mit in Richtung des Wellenleiter-Kopfendes abnehmender Masse- und/oder Federsteifigkeit besitzt.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ergibt sich ferner daraus, daß der Schwingungssensor nach Anspruch 8 am Fußende des Wellenleiters ange­ ordnet ist und infolgedessen die Schwingung mit einem dem Verhältnis von Axiallänge zu Schallgeschwindigkeit im Wellenleiter entsprechenden Lauf­ zeitgewinn detektiert wird, wodurch sich die Anforderungen an die An­ sprechgeschwindigkeit von Schwingungssensor, akustischem Netzwerk und Aktuator zur Erzeugung der momentanen Dämpfungs- bzw. Dämmungs­ kraft ganz erheblich vereinfachen. In diesem Fall ist gemäß Anspruch 9 aus Gründen einer Stabilisierung der Aktuatorsteuerung vorzugsweise ein weiterer Schwingungssensor am Kopfende des Wellenleiters angebracht.

Gemäß Anspruch 10 ist der Wellenleiter vorzugsweise auf mehrere Schwin­ gungsrichtungen und -arten ausgelegt und besitzt für jede Schwingungs­ richtung und -art jeweils einen Kraftaktuator, so daß er nicht nur für Longitudinal-, sondern auch simultan für Translations-, Torsions- oder Biegeschwingungen verwendbar ist.

Aus Gründen einer einfachen und frequenzgenauen Ansteuerung schließlich besteht der Kraftaktuator nach Anspruch 11 zweckmäßigerweise aus einem elektrodynamischen, elektrostatischen oder piezoelektrischen Kraftgeber.

Die Erfindung wird nunmehr anhand mehrerer Ausführungsbeispiele in Ver­ bindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schemati­ sierter Darstellung:

Fig. 1 einen aktiven Schwingungsminderer nach der Erfindung in der Grundausführung;

Fig. 2 einen aktiven Schwingungsminderer in Umlenkausführung;

Fig. 3 einen aktiven Schwingungsminderer mit geschichtetem Wellenleiter und

Fig. 4a, b einen aktiven Schwingungsminderer in Plattenbauweise in der Aufsicht (a) bzw. im Schnitt (b).

Fig. 1 zeigt die Grundausführung eines aktiven Schwingungsminderers 2 mit einem hornförmigen Wellenleiter 4 z. B. aus Gummi, der an seinem Fuß­ ende 6 kraftübertragend mit der zu dämpfenden bzw. zu dämmenden Struk­ tur 8 verbunden ist. Am Kopfende 10 des Wellenleiters 4 befinden sich ein Schwingungssensor 12, etwa ein Beschleunigungsaufnehmer, sowie ein Kraftaktuator 14 in Form einer elektrodynamischen Schwingspule. Aus dem Ausgangssignal des Schwingungssensors 12 wird die Momentankraft des Aktuators 14 so eingesteuert, daß sich eine definierte Abschlußimpedanz Z₁ ergibt. Die Einsteuerung der definierten spektralen Impedanz Z₁ am Kopf­ ende 10 des Wellenleiters 4 erfolgt durch Filterelemente, etwa ein FIR- oder IIR-Filter 16. Die Filterung der Sensor-Ausgangssignale wird dadurch er­ leichtert, daß anstelle des bzw. zusätzlich zum Sensor 12 ein weiterer Schwingungssensor 18 am Fußende 6 des Wellenleiters 4 vorgesehen ist, dessen Ausgangssignale einen zeitlichen Vorsprung gegenüber den Aus­ gangssignalen des Schwingungssensors 12 haben.

Der hornförmige Wellenleiter 4 transformiert die Aktuatorimpedanz Z₁ auf die erwünschte Impedanz Z₂ des Schwingungsminderers 2. Je nach Anwen­ dungsfall kann die Impedanz Z₂ im Sinne einer Leistungsanpassung mit maximaler Dämpfung gleich der Impedanz der zu dämpfenden Struktur 8 gewählt werden, und bei Strukturschwingungen mit ausgeprägten harmoni­ schen Komponenten läßt sich die Impedanz Z₂ speziell auf diese Frequenzen abstimmen. Der Wellenleiter 4 ist nicht nur für Longitudinal-, sondern in Verbindung mit entsprechend ausgebildeten Kraftaktuatoren auch für Torsions- und/oder Transversalwellen verwendbar.

Durch den hornförmigen Wellenleiter 4 wird eine Kraftverstärkung der Aktuatorkraft entsprechend dem Verhältnis der Fußfläche S₂ zur Kopffläche S₁ des Wellenleiters 4 erzielt. Die je nach Anwendungsfall erwünschte, für die Dämpfung/Dämmung der Struktur 8 maßgebliche Impedanz Z₂ am Fußende 6 des Wellenleiters 4 wird aktiv durch die Impedanz Z₁ des Aktuators 14 eingestellt. Dabei besteht bei einem exponentialförmigen Wellenleiter 4 mit einem konstanten Wellenwiderstand σc zwischen Z₁ und Z₂ die Beziehung:

Dabei ist

Bei einem impedanzgleichen Abschluß mit S₁ Z₁ = σc erhält man im Wellenbereich k » m eine rein resistive Impedanz Z₂. Ein technisch inter­ essanter Anwendungsfall besteht darin, daß bei einer bestimmten Wellen­ zahl k eine maximale Impedanz Z₂ gefordert wird. Dies wird dadurch er­ reicht, daß die Aktuatorimpedanz

wobei Z₂ gegen unendlich geht.

Für andere Hornformen ebenso wie für geschichtete Wellenleiter und auch solche, deren Dichte σ und/oder Wellengeschwindigkeit c sich vom Fußende 6 zum Kopfende 10 verkleinert, gelten ähnliche Beziehungen.

Um die so bestimmte Impedanz Z₁ des Aktuators 14 zu gewährleisten, lautet im Frequenzbereich die Vorschrift für die Aktuatorkraft

P₁(ω) = ν₁(ω)·Z₁(ω).

Die Momentankraft P₁ (t) zur Zeit t ergibt sich aus der von den Schwin­ gungssensoren 12, 18 detektierten und über das Filter 16 modifizierten Schwingungsgeschwindigkeit ν₁ (t). Die Filterkoeffizienten des Filters 16 können veränderlich einstellbar sein, um so unterschiedliche Filterkurven zu realisieren.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2, bei dem die dem Schwingungsmin­ derer nach Fig. 1 entsprechenden Bauelemente durch ein um 100 erhöhtes Bezugszeichen gekennzeichnet sind, unterscheidet sich von diesem dadurch, daß der Wellenleiter 104 zur Verkürzung der axialen Baulänge des Schwingungsminderers 102 mit seinem kopfseitigen Wellenleiterabschnitt zur Struktur 108 zurückgelenkt ist. Der Wellenleiter 104 ist am Fußende 106 an der Struktur 108 befestigt und besitzt dort Schwingungssensoren 118. Am Kopfende 110 befindet sich ein weiterer Sensor 118 und ein Kraft­ aktuator 114, der durch die über das Filter 116 modifizierten Ausgangs­ signale der Schwingungssensoren 112, 118 gesteuert wird. Im übrigen ist die Bau- und Funktionsweise des Schwingungsminderers 102 die gleiche wie beim ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. 3, wo die dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden Bauelemente durch ein um 200 erhöhtes Bezugszeichen gekennzeichnet sind, zeigt einen aktiven Schwingungsminderer 202 mit einem Wellenleiter 204 in geschich­ teter Bauweise, welcher aus abwechselnd übereinandergeschichteten Masse­ elementen 20 z. B. aus Stahl und Federelementen 22 z. B. aus einem schwach dämpfenden Gummi besteht. Um die Hornwirkung zu erreichen, nimmt die Federsteifigkeit der Federelemente 22 vom Fußende 206 zum Kopfende 210 des Wellenleiters 204 ab. Die gleiche Wirkung ergibt eine Massenabnahme der Masseelemente 20 in gleicher Richtung. Der weitere Aufbau mit dem Kraftaktuator 214, den Filterelementen 216 und dem Schwingungssensor 218 ist analog zu den Fig. 1 und 2. Der Vorteil einer solchen Schichtbau­ weise liegt einmal darin, daß eine Kombination von Masse- und Federele­ menten 20, 22 variabler ist. Zusätzlich eignet sich diese Wellenleiter-Aus­ führung zum simultanen Betrieb in allen drei Schwingungsrichtungen sowie in Torsionsrichtung um die Hochachse.

Die Fig. 4a und 4b, in denen die dem ersten Ausführungsbeispiel entspre­ chenden Bauelemente durch ein um 300 erhöhtes Bezugszeichen gekenn­ zeichnet sind, zeigen einen aktiven Schwingungsminderer 302 mit einem plattenförmigen Wellenleiter 304 für Biegeschwingungen, der in der Plattenmitte 310 einen Schwingungssensor 312 und einen Kraftaktuator 314 besitzt und am Rande 306 an der zu dämpfenden/dämmenden Struktur 308 befestigt ist und dort ebenfalls Schwingungssensoren 318 aufweist. Der Aktuator 314 wird hier durch ein Piezoelement realisiert, kann aber in gleicher Weise auch ein elektrodynamischer oder elektrostatischer Schwin­ gungserreger sein. Im übrigen ist die Bau- und Funktionsweise wiederum die gleiche wie bei den übrigen Ausführungsbeispielen.

Claims (11)

1. Aktiver Schwingungsminderer, mit mindestens einem mit der zu dämpfenden/dämmenden schwingenden Struktur verbundenen Schwingungssensor und einem sensorgesteuert mit einer vorgege­ benen Impedanz an die Struktur angekoppelten Kraftaktuator zur Erzeugung einer dämpfenden/dämmenden Schwingung, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftaktuator (14; 114; 214; 314) mit der Struktur (8; 108; 208; 308) über einen hornförmigen, am Fußende (6; 106; 206; 306) kraft­ übertragend mit der Struktur und am Kopfende (10; 110; 210; 310) mit dem Kraftaktuator (14; 114; 214; 314) verbundenen Wellenleiter (4; 104; 204; 304) verkoppelt ist.

2. Schwingungsminderer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kraftaktuator (14; 114; 214; 314) ein die Aktuator-Ausgangs­ signale (P) auf die vorgegebene Impedanz (Z₂) abstimmendes Netz­ werk zugeordnet ist.

3. Schwingungsminderer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Netzwerk ein dem Kraftaktuator (14) vorgeschaltetes, die Aus­ gangssignale des Schwingungssensors (12, 18) modifizierendes Filter (16) vorgesehen ist.

4. Schwingungsminderer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (16) zur Änderung der vorgegebenen Impedanz (Z₂) variabel einstellbare Filterkoeffizienten aufweist.

5. Schwingungsminderer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (104) mit seinem kopfseitigen Wellenleiterabschnitt in Richtung der schwingenden Struktur (108) U-förmig zurückge­ bogen ist.

6. Schwingungsminderer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (304) als plattenförmiges, außenrandseitig mit der schwingenden Struktur (308) verbundenes und im mittleren Platten­ bereich mit dem Kraftaktuator (314) versehenes Bauteil ausgebildet ist.

7. Schwingungsminderer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Wellenleiter (204) in Schichtbauweise aus abwechselnd auf­ einanderfolgenden Masse- und Federelementen (20, 22) mit in Rich­ tung des Wellenleiter-Kopfendes (210) abnehmender Masse und/oder Federsteifigkeit.

8. Schwingungsminderer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungssensor (18) am Fußende (6) des Wellenleiters (4) angeordnet ist.

9. Schwingungsminderer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Schwingungssensor (12) am Kopfende (10) des Wellen­ leiters (4) angebracht ist.

10. Schwingungsminderer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (4) auf mehrere Schwingungsrichtungen und -arten ausgelegt ist und für jede Schwingungsrichtung und -art jeweils einen Kraftaktuator (14) besitzt.

11. Schwingungsminderer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Kraftaktuator (14) ein elektrodynamischer, elektrostatischer oder piezoelektrischer Kraftgeber vorgesehen ist.