DE3916032C2 - Aktive Schwingungsdämpfungsvorrichtung, insbesondere für Lärm - Google Patents

Aktive Schwingungsdämpfungsvorrichtung, insbesondere für Lärm

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine aktive Schwingungsdämpfungs­ vorrichtung, gemmäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine aktive Schwingungsdämpfungsvorrichtung, insbesondere für Lärm, enthält einen Empfänger M (falls es sich um Lärm handelt, ein Mikrophon), einen Filter mit einem Verstärkerteil und einen Sender HP (falls es sich um Lärm handelt, einen Lautsprecher). Der Filter F analysiert das in dem Empfänger M aufgrund der Außenschwingung erzeugte Signal, verarbeitet es und sendet zum Sender HP ein Signal, welches den Sender HP dazu veranlaßt, eine Gegenschwingung mit identischer Amplitude und Frequenz wie die erhaltene Außenschwingung, jedoch mit entgegengesetzter Phase, auszusenden.
Die Einheit Empfänger/Filter/(mit ihrem Verstärkungsteil und ihrer elektrischen Stromversorgung)/Sender stellt eine aktive Schleife dar. Die Summe der Schwingung und der Gegen-Schwingung ist im Prinzip gleich Null.
Praktisch erzeugt die Unvollkommenheit der Vorrichtungen (insbesondere die Verzögerung zwischen dem Empfänger der Schwingung und dem Senden der Gegen-Schwingung) Instabilitäten und verhindert eine beliebig große Verstärkung der Schleife. Die Schwingung wird lediglich gedämpft.
In der von der Anmelderin am gleichen Tag wie diese Anmeldung vorgelegten Patentanmeldung mit dem Titel "Aktive Schwingungsdämpfungs­ vorrichtung, insbesondere für Lärm, ohne akustische Verzögerung" werden Vorrichtungen beschrieben, deren Wirksamkeit (d. h. die Verstärkung der aktiven Schleife) durch die Verringerung der akustischen Verzögerung mit zwei Mitteln verbessert wird:
  • - Der Empfänger und der Sender haben Ansprechzeiten, die sehr viel kürzer sind, als die kürzeste Periode der zu dämpfenden Schwingungen (bei den hörbaren Schwingungen beträgt diese Periode ca. 50 Mikrosekunden).
  • - Die Entfernung zwischen dem Empfänger und dem Sender ist sehr viel kürzer als die kürzeste Wellenlänge der zu dämpfenden Schwingungen (bei den hörbaren Schwingungen beträgt diese Wellenlänge ca. 15 mm) oder ist sogar gleich Null.
Man ist auch in der Lage, solche Vorrichtungen zu realisieren, indem man als Wandler (d. h. Empfänger und Sender) Membranen aus piezoelektrischen Kopolymeren, insbesondere aus Polyvinylidenfluorid (PVF) verwendet.
Eine solche Vorrichtung ist zwar wirksam, kann aber nicht alle Probleme lösen.
Daher gilt insbesondere:
  • -Die Verstärkung der Schleife ist nicht total. Die Schwingung wird nicht annuliert, sondern lediglich gedämpft. Man kann aber durchaus mehr dämpfen wollen, als eine Vorrichtung mit einer einzigen aktiven Schleife erlaubt.
  • - Die Dämpfung wird in direkter Nähe zur aktiven Schleife erzeugt, entsprechend der Reichweite des Senders. Man kann nun aber einen Bedarf nach Dämpfung der Schwingungen in einem größeren Bereich haben, wie z. B. in einem verlängerten Bereich. Dies ist insbesondere der Fall bei Schwingungen, die durch die Zirkulation einer Flüssigkeit in einer Leitung (Kühlung, Belüftung . . .) entstehen.
  • - Bei den in der o. g. Patentanmeldung beschriebenen Realisierungsarten lassen die aus einer piezoelektrischen Membran bestehenden Vorrichtungen im Raum, in dem die Schwingung gedämpft wird, keinen freien Durchgang für Materie. Die Membran, die eben sein, eine gekrümmte Kalotte oder einen Kegel bilden kann, ist quer zur Laufrichtung der Schwingungswellen angeordnet. Sie verhindert den Durchgang der Wellen, aber auch jeglicher Materie. Es kann nun aber sein, daß ein Bedarf besteht, die Schwingungen zu dämpfen, ohne ein Hindernis für die Zirkulation von Materie zu bilden. Dies ist insbesondere der Fall bei der Zirkulation von Flüssigkeiten oder Gasen in einer Leitung, wie schon oben dargelegt wurde.
Aus der WO 87/05 430 ist eine Vorrichtung zur aktiven Schwingungsdämpfung bekannt, die als Lärmschutz in Ohrschützer eingebaut wird. Die Ohrschützer werden mit dieser bekannten Vorrichtung direkt auf das Ohr bzw. auf die Ohren aufgesetzt, um eine Lärmkompensation vorzunehmen. Die bekannte Vorrichtung enthält ein Mikrofon und einen Lautsprecher, die über eine Elektronik miteinander verkoppelt sind. Das Mikrofon nimmt den Umgebungslärm auf und über die Elektronik wird der Lärm über die Lautsprecher Phasen verschoben abgegeben, um auf diese Weise nach Möglichkeit eine Kompensation der Schallwellen des originären Lärms vorzunehmen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine wesentlich verbesserte aktive Schwingungsdämpfungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der eine möglichst weitgehende Kompensation störender Schwingungen erzielt werden kann..
Diese Aufgabe wird durch eine Schwingungsdämpfungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Die mit der vorliegenden Erfindung zu erzielenden Vorteile beruhen darauf, daß der Empfänger und der Sender wesentlich kürzere Ansprechzeiten aufweisen, als die kürzeste Periode der zu dämpfenden Schwingungen, und/oder die Entfernung zwischen dem Empfänger und dem Sender sehr viel kürzer ist, als die kürzeste Wellenlänge der zu dämpfenden Schwingungen, wobei mehrere aktive, elektrisch voneinander unabhängige Schleifen geometrisch hintereinander in einer Serienanordnung enthalten sind.
Diese aktiven Schleifen können vorteilhaft realisiert werden, indem man als Wandler (d. h. Empfänger und Sender) Membranen aus piezoelektrischem Material verwendet.
Der geringe Raumbedarf der Membranen und die Möglichkeit, ihnen sehr unterschiedliche Formen zu geben, erlauben zahlreiche verschiedene Realisierungsarten, die der zu lösenden Problemstellung angepaßt sind. Insbesondere erlauben Serienanordnungen die Dämpfung der Schwingungen in einem verlängerten Raum, und lassen dabei, falls erforderlich, einen freien Durchgang für die Zirkulation von Materie.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung sind aus den nachfolgenden Ausführungen zu entnehmen.
Zu den anliegenden Figuren, die als nicht erschöpfende Beispiele anzusehen sind:
Fig. 1 ist ein Schema einer aktiven Schleife mit 2 scheibenförmigen Membranen.
Fig. 2 ist eine detaillierte Schnittzeichnung dieser Schleife.
Fig. 3 ist ein Schema einer Anordnung mit mehreren Schleifen in Serie.
Fig. 4 ist ein Schema einer aktiven Schleife mit zwei ringförmigen Membranen.
Fig. 5 ist eine detaillierte perspektivische Schnittzeichnung der Anordnung einer ringförmigen Membran.
Fig. 6 ist ein Schema einer Anordnung mit mehreren Schleifen dieser Art in Serie.
Fig. 7 ist ein Schema einer Anordnung mit mehreren Schleifen in Serie auf der Oberfläche eines Rohres.
Fig. 8 zeigt eine Möglichkeit zur Realisierung der Anordnung der Fig. 7 mit lauter identischen Modulen.
Fig. 9 ist ein Schema einer Anordnung mit Membranen, die abwechselnd scheibenförmig und ringförmig sind.
Fig. 10 zeigt eine aktive Schleife in Zylinderform.
Die Fig. 1 zeigt das Schema einer aktiven Schleife mit einem Empfänger M, einem Filter F und einem Lautsprecher HP.
Die Außenschwingung V erzeugt im Empfänger M ein Signal; der Filter F verarbeitet es und sendet zum Sender HP ein Signal mit entgegengesetzter Phase, welches den Sender HP dazu veranlaßt, die Gegenschwingung zu erzeugen.
Jeder Wandler (Empfänger-Sender) besteht aus einer Membran aus einem piezoelektrischen Material. In Fig. 1 ist diese Membran als eine ebene Scheibe ausgebildet, aber sie kann auch andere Formen annehmen, beispielsweise die einer gekrümmten Kalotte oder eines Kegels.
Die Fig. 2 zeigt eine Schnittzeichnung einer möglichen Anordnung von diesen Membranen 1a, 1b. Jede Membran wird dabei zwischen zwei Ringe 2 und 3 eingeklemmt. Diese Ringe, die aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt sind, ermöglichen u. a. die Verbindungen zwischen den metallisierten Oberflächen der Membran und dem Filter F bzw. der Erde. In Fig. 2 ist der Innenring geerdet und der Außenring ist mit dem Filter F verbunden.
Wenn man mehrere aktive Schleifen dieser Art (B1, B2, . . . BN) in Serie anordnet, wie aus Fig. 3 ersichtlich, entsteht eine verlängerte Vorrichtung. Diese hat folgende Vorteile:
  • - Eine sehr weitgehende Dämpfung der Schwingungen ist möglich. Die Restschwingung, welche die erste Schleife B1 durchlaufen hat, wird dann weiter durch die Schleife B2 gedämpft, usw. Diese Anordnung ist z. B. anwendbar bei einem Gehörstöpsel mit quasi-zylindrischer Form, dessen Kontur durch die gestrichelten Linien der Fig. 3 angedeutet wird.
  • - Die Dämpfung von durch einen verlängerten schwingenden Körper, dessen Kontur durch die gestrichelten Linien der Fig. 3 angedeutet wird, erzeugten Schwingungen ist ebenfalls möglich. Jede Schleife dämpft die Schwingungen auf einem Abschnitt dieses schwingenden Körpers, der der Reichweite der Gegenschwingungen entspricht, die ihr Sender erzeugt.
Die Fig. 4 zeigt das Schema einer aktiven Schleife, bei der die Wandler (Empfänger und Sender) in Form eines Ringes A den Raum E umgeben, in welchem sich die zu dämpfenden Schwingungen fortpflanzen.
Die Fig. 5 zeigt, wie eine Membran aus einem piezoelektrischen Material in dieser Form gehalten werden kann. Die Membran 1 wird durch Druck zwischen zwei Innenringen 2 und einem Außenring 3, dessen Querschnitt u- förmig ist, gehalten. Diese Ringe bestehen aus elektrisch leitfähigem Material, wie schon oben beschrieben.
Wenn man mehrere aktive Schleifen dieser Art (B1, B2, . . . BN) in Serie anordnet, wie aus Fig. 6 ersichtlich, entsteht eine verlängerte Vorrichtung, die die gleichen Vorteile hat, wie die in der Fig. 3 beschriebene Vorrichtung, die aber außerdem einen freien Durchgang für die Zirkulation von Materie in dem von den Membranen umgebenen Raum läßt.
Die Vorrichtung ist also ganz besonders geeignet für die Dämpfung von Schwingungen in einer Leitung, in der ein Fluid, Flüssigkeit oder Gas, (Kühlung, Belüftung . . .) fließt. Hierzu wird eine Reihe von aktiven Schleifen (B1, B2, . . . BN) um die Leitung 5 herum angeordnet. Eine noch vorteilhaftere Anordnung besteht darin, daß die Leitung selbst als Wandlermembran verwendet wird.
Die Fig. 7 zeigt ein zylindrisches Rohr T aus piezoelektrischem Material, z. B. einem piezoelektrischen Kopolymer. Abwechselnd ist die Rohroberfläche auf einem Abschnitt metallisiert, d. h. es gibt abwechselnd metallisierte Abschnitte TM und nicht-metallisierte Abschnitte TN.
Ein Paar bestehend aus zwei aufeinanderfolgenden metallisierten Abschnitten TM, die durch einen nicht-metallisierten Abschnitt TN getrennt sind, kann als eine aktive Schleife B verwendet werden. Bei dieser Anordnung werden die Wandlermembranen durch die Leitung (das Rohr) aus piezoelektrischem Material selbst gebildet.
Um ein solches verlängertes Rohr mit abwechselnd metallisierten Abschnitten TM und nicht-metallisierten Abschnitten TN praktisch zu realisieren, besteht eine bequeme Lösung in der Serienherstellung von völlig identischen Modulen TI, von denen jedes einen metallisierten Mittelteil TM zwischen zwei nicht-metallisierten Teilen TN enthält, und in deren Aneinanderreihung, wie aus Fig. 8 ersichtlich ist.
Als Beispiel zeigt die Fig. 9 eine Reihe von aktiven Schleifen (B1, B2, . . . BN), von denen jede eine ebene Membran MT (wie in Fig. 4) enthält und eine ringförmige Membran MA (wie in Fig. 4). Auf diese Art wird eine verlängerte Vorrichtung realisiert, bei der Membranen der beiden Formen abwechselnd nebeneinander angeordnet sind.
Eine andere Realisierungsart besteht in einer aktiven Schleife B mit quasi-zylindrischer Form, deren eine Grundfläche eine ebene Membran M1 (Sender oder Empfänger) bildet und dessen Mantelfläche eine ringförmige Membran M2 (Sender oder Empfänger) bildet. Die Fig. 10 zeigt diese Anordnung. Ein solcher Quasi-Zylinder kann entweder eine offene Grundfläche haben, oder beide Grundflächen können mit einer Membran verschlossen sein. Man kann auch eine Öffnung durch die von den Membranen gebildeten Grundflächen bohren, um einen freien Durchgang für Materie zu schaffen. Solche Schleifen, in Serie angeordnet, bilden eine verlängerte Vorrichtung, analog zu den oben beschriebenen Vorrichtungen.
Es kann in allen Fällen, wo es nicht erforderlich ist, freien Durchgang für die Zirkulation von Materie zu lassen, die Anordnung nach Belieben vervollständigt werden, indem in die Abstände zwischen den aktiven Schleifen, oder sogar in die von den Schleifen umgebenen Räume, ein passives schwingungsdämpfendes Material eingefügt wird.

Claims (11)

1. Aktive Schwingungsdämpfungsvorrichtung mit aktiver Schleife
mit einem Empfänger (M),
mit einer Filterschaltung (F), und
mit einem Sender (HP)
dadurch gekennzeichnet,
  • a) daß der Empfänger und der Sender wesentlich kürzere Ansprechzeiten aufweisen als die kürzeste Periode der zu dämpfenden Schwingungen, und/oder
  • b) daß die Entfernung zwischen dem Empfänger und dem Sender sehr viel kürzer ist als die kürzeste Wellenlänge der zu dämpfenden Schwingungen ist,
  • c) daß mehrere aktive, elektrisch voneinander unabhängige, Schleifen (B1, B2, . . ., BN) geometrisch hintereinander in einer Serienanordnung enthalten sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein sich zwischen den Schleifen befindendes passives Schwingungsdämpfungsmaterial.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede aktive Schleife als Wandler zwei Membranen (T1, T2) aus einem piezoelektrischen Material enthält, die quer zur Laufrichtung der zu dämpfenden Schwingungen angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede aktive Schleife als Wandler zwei Membranen (A1, A2) aus einem piezoelektrischen Material enthält, die in Form eines Ringes den Raum umgeben, in welchem sich die zu dämpfenden Schwingungen in Erstreckungsrichtung des Raumes fortpflanzen.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede aktive Schleife als Wandler zwei Membranen (M1, M2) aus einem piezoelektrischen Material enthält, wobei die eine (M1) quer zur Laufrichtung der zu dämpfenden Schwingungen angeordnet ist, und die andere (M2) in Form eines Ringes den Raum umgibt, in welchem sich die zu dämpfenden Schwingungen fortpflanzen; wobei beide Membranen wahlweise als Sender oder als Empfänger, und umgekehrt, nutzbar sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Rohr (T) aus einem piezoelektrischen Material besteht, dessen Wände (P) abwechselnd metallisierte (TM) und nicht-metallisierte Abschnitte (TN) enthalten, wobei die metallisierten Abschnitte (TM) selbst die ringförmigen Membranen der aktiven Schleifen bilden.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (T) aus einer Aneinanderreihung identischer Module (TI) besteht, von denen jedes einen metallisierten Abschnitt (TM) enthält, der von zwei nicht- metallisierten Abschnitten (TN) umgeben ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede aktive Schleife die Form eines Zylinders (C) hat, dessen Mantelfläche eine ringförmige Membran (MA) bildet und dessen eine Grundfläche eine Quermembran (MT) bildet.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Material ein piezoelektrisches Kopolymer ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Material ein Polyvinylfluorid ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie für die Dämpfung von Schwingungen oder Lärm, der durch die Zirkulation einer Flüssigkeit in einer Leitung entsteht, angewendet wird.
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