DE3213101A1 - Elektronisches schallschutzsystemfenster - Google Patents

Description

• Elektronisches Schallschutzsystemfenster
• - Zusatz zu P 32 05 312.6 -Im Hauptpatent wurde die Aufgabe gelöst, durch elektronische Mittel die durch Außenlärm verursachten Schwingbewegungen eines mehrscheibigen Fenstersystems abzutasten und die innerste Scheibe in ihren Schwingbewegungen zu dämpfen oder im Idealfall in den Stillstand einzusteuern, wodurch Schalltötung zur Raumseite eines solchen Schallschutzsystemfensters erreicht wurde. Bewirkt wird dies im wesentlichen durch einen Schwingungsfühler, dort Piezofühler genannt, der an einer oder zwischen zwei Scheiben angreift, den auf ihn ausgeübten Druck in einen Steuerstrom umwandelt und einem #lektronischen-Verstärker zuleitet, der ihn verstärkt einem Schwingungsgeber, dort Piezoreaktor genannt, zuführt, der an der innersten, zimmerseitigen Scheibe angreift und diese soweit wie immer möglich in den Stillstand einsteuert.
• Gegen dieses vorgeschlagene System können zwei Einwände erhoben und Nachteile geltend gemacht werden, die einerseits darin liegen, daß die Schwingbewegung piezoelektrischer Kristalle wie Quarz und bedingt auch bei piezokeramischen Schwingern zu klein sei, um die durch starken Außenlärm verursachten Schwingbewegungen der innersten Scheibe eines solchen Systems gänzlich oder auch nur zu einem wirksamen Teil zu dämpfen, und andererseits darin, daß, wenn man durch geeignete elektronische oder elektrische Mittel die Mitte beziehungsweise mehrere Punkte der innersten Scheibe in den schwingungsmäßigen Stillstand einsteuert, Schwingungsbäuche eben an anderen Stellen entstehen und das System ganz oder teilweise unwirksam machen.
• Was den ersten Einwand betrifft, so ist die Schwingweite einfacher Quarzschwinger der in Frage kommenden Größenordnung in der Tat sehr gering, liegt selbst beim Anlegen von Spannungen von 1000 V und mehr im Angström-Einheiten-Bereich und ist damit für den vorgesehenen Zweck praktisch kaum nutzbar. Bereits mit piezokeramischen Schwingern läßt sich aber schon ein weit besserer Wirkungsgrad erzielen, der bei Schwingern der in Frage kommenden Größeneinheit schon eindeutig im Mikrometerbereich liegt.
• Tatsächlich lassen sich mit den modernsten, meist mehrteiligen piezokeramischen Schwingern Amplituden bis zu 50 Mikrometer erzielen, was bei nicht allzu starken Außenlärmbelastung in vielen Fällen wenn nicht zur Schalltötung, so doch zur beträchtlichen Schalldämpfung ausreicht. Zu vergessen ist andererseits auch nicht, daß es im vorliegenden Fall nur noch um die Vernichtung einer Restenergie von Schall geht, denn das bloße mechanisch wirkende Doppel- oder Dreifachfenster dämpft den Außenlärm ohnehin bereits um etwa 30 bis 40 dB, so daß bei einem Außenlärm von beispielsweise 80 dB nur noch restliche 40 bis 50 dB beseitigt werden müssen.
• Überhaupt darf man in diesem Zusammenhang nicht übersehen, daß es in vielen Fällen, wenn auch nicht in allen, um die Vernichtung verblüffend geringer Schallenergiemengen geht, was daran liegt, daß zur Erzeugung von Luftschall einerseits nur geringste Energien erforderlich sind und das menschliche Gehör andererseits die erstaunliche Leistung vollbringt, das Summen einer Mücke durch ein geschlossenes Fenster zu hören, obgleich die Stärke der Schallenergie, die das Innenohr erreicht, nicht mehr als ein Billiardstel Watt (10 -15) betragen dürfte. So betrachtet ist eine Schwingweite eines piezokeramischen Schwingers von 50 Mikrometer bereits eine Menge, und zu millimeterweiter Schwingweite schaukelt sich die Innenscheibe eines mehrscheibigen Fensters in der Regel ja nur auf, wenn die die Schwingung der Scheibe verursachende Schallwelle im Resonanzbereich einer solchen Fensterscheibe, zumeist zwischen 100 und 150 Hertz, liegt.
• Immerhin könnte der Fall eintreten, daß bei starker und stärkster Außenlärmeinwirkung, beispielsweise in der Nähe von Flughäfen, 50 Mikrometer Schwingweite oder Hub, wenn man so will, eines piezokeramischen Schwingers nicht mehr ausreichen, was aber eher einen Sonderfall an Lärmbelästigung darstellt. Schon im Hauptpatent wurde für solche Fälle vorgeschlagen, anstelle eines piezokeramischen Schwingers dann ein elektrodynamisches, also elektromagnetisches System nach Art des Iautsprechersystems zu setzen.
• Was den anderen Einwand betrifft, so besteht tatsächlich die Gefahr, daß bei elektronischer Fixierung einer Scheibe in ihrer Mitte oder auch an mehreren Punkt sich an anderen Stellen Schwingungsbäuche bilden. Es gibt jedoch eine ganze Reihe von sogar rein mechanischen Möglichkeiten, diesem entgegenzuwirken. Zum Beispiel kann die innere, zur Zimmerseite liegende Scheibe besonders dick ausgebildet sein, was allein schon die Bildung von Schwingungsbäuchen an anderen als den fixierten Stellen in solchem Maße hemmen kann, daß diese sekundären Schwingbewegungen der Scheibe praktisch keine oder jedenfalls keine mehr störende Rolle spielen. Es gibt daneben noch eine ganze Reihe von Möglichkeiten, Fensterscheiben weniger schwingungsempfindlich zu machen.
• So wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die innere Scheibe des elektronischen Schallschutzsystemfensters wesentlich dicker auszubilden, etwa im Verhältnis 2 : 1, als die unmittelbar davorliegende Scheibe, an der der Schwingungsgeber mit seiner anderen Auflagefläche angreift. Handelt es sich um eine elektromagnetischen Schwingungsgeber, so kann der in einem elastischen Rahmen oder Verbund angeordnet sein, der in seiner Querdimension so bemessen ist, daß er, ähnlich wie für piezoelektrische Schwinger vorgeschlagen, die beiden Scheiben, an denen er angreift, leicht auseinanderspreizt. Ebenso kann ein solcher Rahmen oder Verbund, in dem ein Schwingungsgeber angeordnet ist, aber auch mechanisch fest mit den beiden Scheiben, an denen er angreift, verbunden sein, beispielsweise durch Schrauben oder Nieten.
• Erfindungsgemäß wird ferner vorgeschlagen, diesen Rahmen so auszubilden, daß er die Schwing- und Hubbewegungen bei spielsweise eines Piezokeramikkörpers rein nach dem Hebelgesetz verstärkt. Oder der piezokeramische Schwinger kann schon in seiner äußeren Form und durch die Art seiner Polarisierung so ausgebildet sein, daß er einen größeren Schwinghub ergibt, als wenn er in geometrischer Grundform wie Block oder Scheibe ausgebildet wäre, beispielsweise als gerundete Schale. Oder er kann ausgebildet sein wie in P 22 41 189, P 25 42 228 oder P 28 42 086 vorgeschlagen.
• Ein weiteres Problem stellt dar, daß selbst bei perfekt erzielter Aussteuerung der Innenscheibe des System in den Stillstand immer noch die Schalldurchlässigkeit des Fensterrahmens und des Fensterstocks bliebe. Ein Fensterrahmen ließe sich aber so ausführen, daß er die Schwingbewegungen der Scheiben beziehungsweise den Stillstand der Innenscheibe mitvollzieht, indem er mehrteilig ausgebildet ist und nur an der Außenkante von federnden Verbindungselementen zusammengehalten wird. Und in die Hohlprofilräume insbesondere von Kunststoffenstern lassen sich relativ leicht und einfach piezokeramische Elemente oder Verbundelemente einfügen, die analog Jene Schwingbewegungen auf die Hohlprofilwandungen des Fensterstocks übertragen, welche die Schwingungsgeber auf die Scheiben ausüben. Da man nach dem vorgeschlagenen System ohnehin zumindest eine Stelle vorzugsweise in der Mitte der Scheibe belegen muß, kann man dies gleich auch nutzen, um dem Mehrscheibensystem mehr statische Festigkeit gegen Schwingungen zu geben, beispielsweise indem man anstelle einer oder beider Einzelscheiben, an denen der Schwingungsgeber angreift, zwei Einzelscheiben vorsieht, die durch eine Schraube oder Niete durch eine Mittelbohrung durch beide Scheiben zu einem Vorspannverbund beider Einzelscheiben führen.
• Die Fig. 1 bis 7 mögen diese erfindungsgemäßen Vorschläge verdeutlichen. In Fig. 1 ist 1 der elastische Rahmen oder Verbund, im dargestellten Beispielsfall ein offener Ring, weiterhin zu erkennen der Elektromagnet 2, die Schwingspule 3, der eingebettete Sockel 4 der Schwingspule 3 sowie die Befestigungselemente 5 des Elektromagneten 2 am elastischen Ring 1, ferner die Außenecheibe 6, die mittlere Scheibe 7, die Innenscheibe 8, der Piezokeramikkörper 9 und die Elektroden 10 des Piezokeramikkörpers. In Fig. 2 ist zu erkennen der elastische Verstärkerrahmen 11. Fig. 3 zeigt den schalenförmig ausgebildeten Piezokeramikkörper 9. Fig. 4 zeigt den äußeren Fensterrahmenteil 12, den inneren Fensterrahmenteil 13 und den elastischen Verbund 14 der beiden. Die Scheiben 6 und 8 sind dabei so tief in die beiden Rahmenteile 12 und 13 eingelassen, daß sie diese bei ihren Schwingbewegungen weitgehendst mitnehmen. Fig. 5 zeigt einen typischen Hohlprofilrahmen eines Kunststöffensterstocks, in den Piezokeramikkörper oder Piezokeramik-Metall-Verbundelemente t15) eingearbeitet sind, welche dieselben Schwingbewegungen ausführen wie der Schwingungsgeber zwischen den Scheiben 6 und 7 beziehungsweise 7 und 8 oder 6 und 8. Fig. 6 veranschaulicht mit den Einzelscheiben 16 eine Vorspannverbunddoppelscheibe 17, die durch Schraube oder Niete 18 in der Mitte bis zur Beruhrung der beiden Einzelscheiben 16 angenähert ist, innerhalb des Fensterrahmens 19. Fig. 7 veranschaulicht eine Anordnung, bei der beiden Scheiben, an denen beispielsweise ein Piezokeramikschwinger anliegt, durch Vorapannungsverbunddoppelscheiben 17 ersetzt sind.
• Fig. 8 hingegen veranschaulicht, weshalb sich möglicherweise die vorstehend gemachten Vorschläge zur Unterdrückung von Schwingungsbäuchen außerhalb der fixierten Mitte der Scheibe ganz oder teilweise erübrigen könnten. Fig. 8a zeigt dabei mit der idealen Stillstandslinie 20 einen Zustand, auf den sich die elektronisch schwinggedämmte Innenscheibe 8 wahrscheinlich niemals wird einsteuern lassen. Fig. 8b zeigt eine Innenscheibe 8, deren Mitte zwar perfekt auf Stillstand eingesteuert ist, bei der sich aber Schwingungsbäuche 21 und damit Schall oder Restschall in den hinter der Scheibe liegenden Raum ergibt.
• Tatsächlich würde Ja aber das erfindungsgemäße System nicht dahingehend eingesteuert, daß sich die Mitte der Innenscheibe 8 exakt in der idealen Stillstandslinie befindet, sondern das Potenziometer des Verstärkers würde nach Gehöreindruck eingesteuert, wie sich die beste Schalldämmung ergibt, und dies wird sich åeweils dann ergeben, wenn sich die durch den Schwingungsgeber gesteuerte Mitte der Scheibe auf der einen Seite der idealen Stillstandslinie befindet, während sich eventuelle Schwingungsbäuche 21 auf der anderen Seite der idealen Stillstandslinie 20 befinden, weil sich nämlich dann durch Interferenz die Abweichungen der Mitte der Scheibe einerseits und die der Schwingungsbäuche andererseits mit den daraus resultierenden Schwingungsüberlagerungen ausgleichen. Anders ausgedrückt, die Innenscheibe 8 des erfindungsgemäßen elektronischen Schallschutzsystemsfensters läßt sich zwar nicht perfekt in eine ideale Stillstandslinie 20 einsteuern, aber die Fehlabweichungen wirken phasenmäßig gegeneinander und heben sich dadurch zumindest zu einem großen Teil auf.
• Angezogene Druckschriften: Dt. Offenlegungsschrift 22 41 189 Dt. Auslegeschrift 25 42 228 Dt. Auslegeschrift 28 42 086

Claims (12)

1. Patentansprüche 1. Elektronisches Schallschutzsystemfenster nach Patentanmeldung P 32 05 312.6, dadurch gekennzeichnet, daß die piezokristallischen, piezokeramischen oder elektromagnetischen Schwingungsgeber in einem elastischen Rahmen oder Verbund (1) angeordnet sind, der in seiner Querdimension so bemessen ist, daß er die beiden elektronisch schwingungsbeeinflußten Scheiben (6, 7) des Schallschutzqystemfensters im Ruhezustand leicht auseinanderspreizt, so daß auf die beiden Scheiben (6, 7) eine mechanische Vorspannung gegeben wird.
2. 2. Elektronisches Schallschutzsystemfenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Rahmen oder Verbund (11) so ausgebildet ist, daß er die Schwingungsamplitude eines Piezokristalls oder einer Piezokeramik (9) vergrößert, beispielsweise nach dem Hebelgesetz.
3. 3. Elektronische Schallschutzsystemfenster nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der piezokeramische Schwingungsgeber (9) in seiner äußeren Form so ausgebildet ist, beispielsweise schalenförmig oder aus mehreren einzelnen riezokeramikkörpern zusammengesetzt, daß seine Schwingungsamplitude gegenüber Jener verstärkt wird, die sich bei geometrischen GrundFormen wie Blöcken oder Platten ergeben wUrde.
4. 4. Elektronisches Schallschutzsystemfenster nach Anspruch 1 folgende, dadurch gekennzeichnet, daß der Fensterrahmen zweiteilig, ähnlich einem Verbundfenster, in solcher Art ausgeführt ist, daß beide Rahmenteile (12, 13) an der Außenkante von schwingungselastischen Verbindungselementen (14) zusammengehalten werden, die es ermöglichen, daß sich der Außenralimenteil (12) mit der Außenscheibe (6) durch Wirkung eines oder mehrerer Schwingungsgeber von dem Innenrahmenteil (13) mit der Innenscheibe (8) abspreizt, somit die Schwingbewegung der beiden Scheiben (6, 8) auf die beiden Rahmenteile (12, 13) übertragen wird.
5. 5. Elektronisches Schallschutzsystemfenster nach Anspruch 1 folgende, dadurch gekennzeichnet, daß in die Hohlprofilräume eines Kunststoffensterstocks piezokeramische Schwingungsgeber (15) eingearbeitet sind, welche abgeschwächt dieselben Schwingungsbewegungen ausführen und auf die Wandungen der Hohlprolräume übertragen, die vom Verstärker des elektronischen Systems als Wechselstrom gleichermaßen auf sie wie auf die Schwingungsgeber zwischen den Scheiben (6, 8) gegeben werden.
6. 6. Elektronisches Schallschutzsystemfenster nach Anspruch 1 folgende, dadurch gekennzeichnet, daß die innerste, zur Zimmerseite liegende Scheibe (8) beträchtlich dicker ausgeführt ist, beispeilsweise im Verhältnis 2 : 1, als die davorliegende nächste Scheibe (7 beziehungsweise 6), an die der Schwingungsgeber des Systems mit seiner anderen Auflagefläche angreift.
7. 7. Elektronisches Schallschutzsystemfenster nach Anspruch 1 folgende, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehr als zweischeibiger Ausführung des Fensters zwei oder mehr, auch verschiedene, teils piezoelektrisch, teils elektromagnetisch wirkende System hintereinander angeordnet sind.
8. 8. Elektronisches Schallschutzsystemfenster nach Anspruch 1 folgende, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle nur einer Innenscheibe zwei im Fensterrahmen (19) dicht aneinander angeordnete Einzelscheiben (16) vorgesehen sind, die vorzugsweise an jener Stelle, an der die Schwingungsgeber angreifen, durchbohrt sind, durch Schrauben (18) Bolzen oder andere Befestigungselemente an dieser Stelle bis zur Beruhrung angenähert sind und auf diese Weise einen mechanischen Vorspannungsverbund bilden.
9. 9. Elektronisches Scballschutzsystemfenster nach Anspruch 1, folgende und insbesondere 8, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle sowohl der hinteren Scheibe (8) als auch der vorderen (6 beziehungsweise 7), an welcher der oder die Schwingungsgeber angreifen, je zwei im Fensterrahmen (19) dicht aneinander angeordnete Einzelscheiben (16) vorgesehen sind, dir durch mechanische Verbindungselemente (18) in Vorspannungsverbund gesetzt sind.
10. 10.-Elektronisches Schallschutzsystemfenster nach Anspruch 1 folgende, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Rahmen oder Verbund (1) des elektromagnetischen Schwingungsgebers mit den beiden Einzelsoheiben (6, 7 oder 7, 8) oder den beiden Einzelscheiben (17), an denen er angreift, verschraubt oder in sonstiger Art fest verbunden ist.
11. 11. Elektronisches Schallschutzsystemfenster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Rahmen oder Verbund (1), in dem der piezokristallische, piezokeramische oder elektromagnetische Schwingungsgeber angeordnet ist, aus Epoxidharz, Polystyrol oder Polypropylen besteht.
12. 12. Elektronisches Schallschutzsystemfenster nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Epoxidharz, Polystyrol oder Polypropylen bestehende Rahmen oder Verbund (1) durch eine Einlage aus Federstahl verstärkt ist.