DE19813959A1

DE19813959A1 - Einrichtung zur Körperschallunterdrückung

Info

Publication number: DE19813959A1
Application number: DE19813959A
Authority: DE
Inventors: Henning Strehlow; Peter Jaenker; Rudolf Maier
Original assignee: Eurocopter Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Priority date: 1998-03-28
Filing date: 1998-03-28
Publication date: 1999-09-30
Anticipated expiration: 2018-03-29
Also published as: DE19813959B4; FR2776815B1; US6480609B1; FR2776815A1; IT1309646B1; ITMI990398A1

Abstract

Körperschall-Unterdrückungseinrichtung zur Anordnung auf einer Trägerstruktur, wobei die Schallunterdrückungseinrichtung ein Piezoaktuator ist, der dafür vorgesehen ist, Schwingungen dergestalt zu erzeugen, daß der Körperschall-Übertragungspfad auf die zu isolierende Struktur gesperrt und die Schallerregung mittels der vorhandenen (erregten) Systemmassen kompensiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Körperschallunterdrückung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, zur Anbringung auf einer Trägerstruktur, insbesondere auf einer Getriebestrebe eines Hubschrauber-Hauptgetriebes.

Bekannt ist eine Schallunterdrückungseinrichtung zur aktiven Minderung der Körperschallübertragung durch Getriebestreben auf eine Hubschrauberzelle, bei der die Ursache oder die primären Belastungen (primary loads) durch ge regelte Gegenkräfte und Momente (secondary loads) kompensiert werden. Die Realisierung erfolgt z. B. mittels magnetostriktiven bzw. piezoelektrischen Aktuatoren in Verbindung mit einer entsprechenden Inertialmasse, die die notwendigen Gegenkräfte bzw. Momente in die Getriebestrebe einleiten.

Diese Aktuatoren sind dabei an einem ersten Ende auf der Getriebestrebe oder Trägerstruktur und zwar vorzugsweise in deren Längsrichtung angeordnet. Auf einem zweiten, entgegengesetzt zum ersten Ende gelegenen Ende des Aktuators ist eine Inertialmasse befestigt. Die Aktuatoren bewegen in Ab hängigkeit der Trägerstruktur-Bewegung die auf ihnen angeordneten Inertial massen und bewirken eine Überlagerung der Trägerstruktur-Bewegung und der Inertialmassen-Fußpunktsbewegung in einer Weise, daß die Trägerstruk turbewegung zumindest teilweise getilgt wird. Da diese Überlagerung im Fre quenzbereich des Körperschalls erfolgt, wird mit dieser Einrichtung teilweise die Übertragung von Körperschall von dem Hauptgetriebe auf die Hubschrau berzelle unterdrückt.

Ein Nachteil dieses Stands der Technik ist das vergleichweise hohe Gewicht der Anordnung, das sich aus dem Gewicht der Aktuatoren und der Inertial massen zusammensetzt, und die räumliche Integration in die Struktur. Zudem hat sich die Anwendung dieser Aktuatoren in Verbindung mit Inertialmassen als nicht wirkungsvoll genug herausgestellt.

Die Erfindung hat daher das Ziel, eine Einrichtung zur Körperschallunter drückung bereitzustellen, die die Übertragung von Maschinenvibrationen und -schwingungen durch eine Trägerstruktur auf eine Zelle oder ein Bauteil bei möglichst einfacher Bauweise und mit verhältnismäßig geringem Integrati onsaufwand im Vergleich zum Stand der Technik wirkungsvoller reduziert.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des An spruchs 1 gelöst, der auf der Verwendung von strukturintegrierten oder ge klebten piezoelektrischen Aktuator-Elementen auf der Getriebestrebe bzw. Trägerstruktur besteht. Diese geregelten Aktuatoren bewirken eine Sperrung des Körperschallübertragungspfades sowohl in Längs- als auch in Transver salrichtung, eine Erweiterung auf die Torsionsrichtung ist möglich. Die ei gentliche Körperschall-Kompensation erfolgt hier durch vorhandene System massen, insbesondere der Hubschrauber-Hauptgetriebemasse.

Alternative Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Dadurch, daß die erfindungsgemäßen Piezoaktuatoren ohne zusätzlich erfor derliche Komponenten direkt auf die Trägerstruktur geklebt werden, entfällt bei der Herstellung das Anbringen von weiteren Komponenten, z. B. von Inertialmassen an der Trägerstruktur. Dadurch wird der Herstellungsaufwand bei der erfindungsgemäßen Schallunterdrückungseinrichtung im Vergleich zum Stand der Technik deutlich reduziert. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in ihrer einfachen Bauweise, ihrem geringem Gewicht und ihrem ge ringem Platzbedarf. Dadurch eignet sich die erfindungsgemäße- Schallunter drückungseinrichtung insbesondere für Leichtbaustrukturen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß mit dieser eine im Vergleich zum Stand der Technik höhere Wirksamkeit erreicht wird. Die Anordnung von mehreren ge trennt ansteuerbaren Piezoschichten ermöglicht es, verschiedene Schwin gungsformen der Trägerstruktur zu berücksichtigen. Durch die Integration der Piezoaktuatoren direkt in die Getriebestrebe kann so mit einem entsprechen den Regelkonzept eine Schallisolation der Zelle oder des Bauteils von den hö herfrequenten Erregungen einer zugeordneten Maschine, z. B. eines Getrie bes, erreicht werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrie ben. Es zeigen:

Fig. 1 die Befestigung eines Hubschrauber-Hauptgetriebes auf eine Hub schrauberzelle mittels Getriebestreben, auf denen die erfindungs gemäßen Piezoaktuatoren angeordnet werden,

Fig. 2 eine auf eine Getriebestrebe mit rundem Querschnitt aufgeklebte, drei Schalen umfassende Piezoschicht, die geeignet ist, Schwingun gen in Längs- und Transversalrichtung der Getriebestrebe einzulei ten,

Fig. 3 einen Schnitt A-A durch die in Fig. 2 dargestellte Getriebestrebe,

Fig. 4 einen Schnitt durch eine Getriebestrebe mit dreieckigem Quer schnitt, wobei die dargestellten Piezoschichten geeignet sind, Schwingungen in Längs- und Transversalrichtung der Getriebestre be einzusteuern,

Fig. 5 einen Schnitt durch eine Getriebestrebe mit quadratischem Quer schnitt, wobei die dargestellten Piezoschichten geeignet sind, eben falls in Längs- und Transversalrichtung der Getriebestrebe Schwin gungen einzusteuern, und

Fig. 6 eine Getriebestrebe mit einem auf dieser spiralenförmig angeordne ten Piezoschicht, die geeignet ist,Torsionsschwingungen in die Ge triebestrebe einzusteuern,

Fig. 7 eine Getriebestrebe mit zwei gegensinnig spiralförmig angeordneten Piezoschichten, die geeignet sind, jeweils zwei Schwingungsformen gleichzeitig in die Getriebestrebe einzusteuern.

Fig. 1 zeigt das Hauptgetriebe 1 eines Hubschraubers, das über Getriebestre ben 5, 6, 7 mit der Hubschrauberzelle 9 verbunden ist. Das Hauptgetriebe 1 stellt die wichtigste Lärmquelle im Hubschrauber dar. Durch die erfindungs gemäße Gestaltung der Getriebestrebe mit Piezoaktuatoren können Schwin gungen in die Getriebestrebe in der Weise eingeleitet werden, daß die Getrie bemasse Schwingungen zur Kompensation des Primärsignals ausführen kann. Der Aktuator unterbindet hierbei in Verbindung mit geeigneten Sensoren/ Reglern durch Einführung von Sekundärsignalen auf die jeweilige Getriebe strebe oder Trägerstruktur die Körperschallübertragung auf die Zelle. Die in der Fig. 1 gezeigten Getriebestreben 5, 6, 7 sind beispielsweise gemäß der Darstellung in den Fig. 2 bis 7 ausgebildet.

Die Wirksamkeit der Schallunterdrückungseinrichtung setzt geeignete Regel konzepte entsprechend der Erregung voraus. Dies kann sowohl determini stisch (z. B. Sinus-Schwingung) also auch stochastisch (z. B. bandbegrenztes Rauschen) auftreten.

In den Fig. 2, 3 ist eine der in der Fig. 1 dargestellten Getriebestreben, bei spielsweise die Getriebestrebe 5 dargestellt. Dabei weist die Getriebestrebe 5 einen runden Querschnitt auf, wie der in der Fig. 3 dargestellte Schnitt A-A der Fig. 2 zeigt. Auf die Getriebestrebe 5 ist der erfindungsgemäße Piezoak tuator als schalenförmige Piezoschicht 11 aufgeklebt. Die schalenförmige Pie zoschicht 11 ist dabei in drei langgestreckte Drittelschalen 12, 13, 14 aufge teilt. Die Längsachse jeder Drittelschale 12, 13, 14 verläuft in Richtung der Längsachse der Getriebestrebe 5. Obwohl sich die Piezoaktuatoren in ihrem aktiven Zustand im wesentlichen in ihrer Längsrichtung bewegen, können durch die unterteilte Bauart bei entsprechender Ansteuerung sowohl Längs- als auch Transversalschwingungen ermöglicht und auf die Strebe oder Trä gerstruktur übertragen werden. Bei der Anordnung nach den Fig. 2, 3 werden Schwingungen in Längs- und Transversalrichtung der Getriebestrebe eingelei tet, um ebensolche vom Hauptgetriebe auf die Getriebestrebe übertragenen Schwingungen zu kompensieren.

Fig. 4 zeigt den Querschnitt einer Getriebestrebe, die einen dreieckigen Quer schnitt 21 aufweist und auf der drei streifenförmige Piezoaktuatoren 22, 23, 24, aufgebracht sind. Auch bei dieser Anordnung werden von den Piezoakto ren 22, 23, 24, im wesentlichen Schwingungen in der Längs- und Transver salrichtung der Getriebestrebe in diese eingeleitet.

Fig. 5 zeigt den Querschnitt einer Getriebestrebe mit quadratischem Quer schnitt 31. Auf jeder Seitenfläche dieser Getriebestrebe ist jeweils ein langge streckter Piezoaktuator 32, 33, 34, 35 aufgeklebt. Auch bei dieser Anordnung werden von den Piezoaktuatoren 32, 33, 34, 35 jeweils Schwingungen in Längs- bzw. Transversalrichtung der Getriebestrebe in diese eingeleitet.

Die in den Fig. 2 bis 5 gezeigten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Piezoaktuatoren bzw. deren Anordnung auf den entsprechenden Trägerstruk turen sind geeignet, longitudinale und transversale Schwingungen in die Trä gerstruktur einzuleiten, um die Übertragung von Körperschallschwingungen von der Trägerstruktur auf eine Zelle oder ein Bauteil zu unterdrücken. Die in den Fig. 2 bis 5 gezeigten Anordnungen lassen sich in analoger Weise auf an dere Querschnittsformen der Trägerstrukturen oder auch auf andersgestaltete Trägerstrukturen erweitern. Die Anordnung der Piezoaktuatoren auf diese Trägerstrukturen ergibt sich aus den entsprechenden geometrischen Überle gungen und der Anforderung, welche auf die Trägerstruktur eingeleitete Be wegungen durch die Piezoaktuatoren kompensiert werden soll.

In der Fig. 6 ist eine spiralenförmige Anordnung eines Piezoaktuators 42 auf einer Trägerstruktur 43 gezeigt. Diese Anordnung ist geeignet, Torsions schwingungen in die Trägerstruktur 43 einzuleiten.

In der Fig. 7 ist eine gegensinnig spiralförmige Anordnung von Piezoaktuator schichten 51, 52 auf einer Trägerstruktur 53 gezeigt. Diese Anordnung ist ge eignet, über eine unterschiedliche Aktivierung der Piezoaktuatorschichten entweder Längs-Torsionsschwingungen oder Transversalschwingungen in die Trägerstruktur einzuleiten.

Die spiralenförmige Anordnung eines Piezoaktuators zur Unterdrückung von Torsionsschwingungen in der Trägerstruktur kann auch kombiniert werden mit einem oder mehreren in Längsrichtung der Trägerstruktur aufgebrachten Piezoaktuatoren zur Unterdrückung von Longitudinal-, Transversal- und Torsi onschwingungen.

Zur Montage eines Piezoaktuators auf die entsprechende Trägerstruktur wird dieser als schalenförmige Piezoschicht auf die Trägerstruktur aufgekIebt. Die Montage der Piezoaktuatoren muß dabei die unterschiedlichen Betriebszu stände des Hubschraubers berücksichtigen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, können zur Erzeugung einer vorgegebenen Druckvorspannung im fertigen Zustand bei der Verklebung verschiedene Methoden zur Erzeugung einer Druckvorspannung der Piezoaktuatorschichten angewandt werden:

(1) Mechanische Zugverspannung der Trägerstruktur und/oder
(2) Erwärmung der Piezoschichten Trägerstruktur und/oder
(3) Elektrische Kompression der Piezoschichten.

Ein Sektor einer Piezoschicht eines Piezoaktuators kann weiterhin auch als Sensor zur Erfassung des sekundären, in die Trägerstruktur einzuleitenden Schwingungssignals verwendet werden.

Die erfindungsgemäßen Piezoaktuatoren können auf jedes ausreichend lange Trägerstrukturelement, wie Streben, Aufhängungen, Halterungen angebracht werden, die Getriebe, Motoren oder andere schallerzeugende Maschinen mit einem tragenden Bauteil, insbesondere einer Passagierzelle wie der Hub schrauberrumpf oder eine Fahrzeugkarosserie, verbinden.

Claims

1. Einrichtung zur Körperschallunterdrückung zur Anordnung auf einer Trägerstruktur, die eine Zelle und einen Schallerzeuger verbindet, da durch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Körperschallunterdrückung zumindest ein Piezoaktuator (11, 12, 13, 14; 22, 23, 24; 32, 33, 34, 35; 51, 52) ist, der Schwingungen in die Trägerstruktur (5, 6, 7; 21; 31) einleitet, um den Körperschall-Übertragungspfad auf die zu isolierende Struktur zu sperren und um die Schallerregung mittels der vorhandenen und erregten Systemmassen des Schallerzeugers zu kompensieren.

2. Einrichtung zur Körperschallunterdrückung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Piezoaktuator (12, 13, 14; 22, 23, 24; 32, 33, 34, 35) die Gestalt eines schmalen Streifens hat, das in Längs richtung der Trägerstruktur (5, 6, 7; 21; 31) in Richtung dessen Längsachse angeordnet ist.

3. Einrichtung zur Körperschallunterdrückung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Piezoaktuatoren (41; 51, 52) eine längliche Gestalt aufweist und um das Trägerstrukturelement (43; 53) gewickelt ist.

4. Einrichtung zur Körperschallunterdrückung nach einem der vor anstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoaktuatoren mit ihrer Längsrichtung entsprechend der betrieblichen Anforderung seg mentweise kombiniert werden.