DE4419933A1 - Piezoelectric polymer film acoustic generator for active cancellation - Google Patents
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Abstract
Description
Vorrichtung und Verfahren zur Schallerzeugung, zum Schallnachweis und zur aktiven Schalldämpfung.Device and method for sound generation, sound detection and active noise reduction.
Schall, d. h. Dichteschwankungen in einem Medium, verursacht mechanische Schwingungen in festen Körpern, die eine gemeinsame Grenzfläche mit diesem Medium besitzen. Umgekehrt strahlt ein mechanisch schwingender fester Körper Schall in das umgebende Medium ab. Die mechanischen Schwingungen des festen Körpers können einerseits elektrostriktiv erregt und andererseits piezoelektrisch detektiert werden, z. B. unter Verwendung von Aktuator- bzw. Sensor-Elementen bestehend aus anorganischen, kristallinen oder polykristallinen Festkörpern mit elektrostriktiven bzw. piezoelektrischen Eigenschaften wie z. B. gesinterte und polarisierte Bleizirkontitanat-Polykristalle (piezokeramische Aktuatoren bzw. Sensoren).Sound, d. H. Density fluctuations in a medium cause mechanical Vibrations in solid bodies that share a common interface own this medium. Conversely, a mechanically vibrating one solid body emits sound into the surrounding medium. The mechanical Vibrations of the solid body can be excited and electrostrictive on the one hand on the other hand, can be detected piezoelectrically, e.g. B. using Actuator or sensor elements consisting of inorganic, crystalline or polycrystalline solids with electrostrictive or piezoelectric Properties such as B. sintered and polarized lead zirconium titanate polycrystals (piezoceramic actuators or sensors).
Nach diesem Prinzip kann demnach sowohl eine Erzeugung (Bhattacharya & Crocker: Forced vibration of a panel and radiation of sound into a room, Acustica 22, pp. 275-294, 1969/1970) als auch ein Nachweis von Schall (Fricke, Moser, Scheurer & Schubert: Schall und Schallschutz, Physik-Verlag, Weinheim, 1983, 312 S.) stattfinden. Unter Verwendung eines geeigneten Regelungssystems kann die Wirkung eines an einem schwingfähigen Körper angebrachten Aktuators so gesteuert werden, daß die Schwingungsauslenkung dieses Körpers trotz Schalleinwirkung aus dem umgebenden Medium gedämpft wird, indem das Signal des am gleichen Körper angebrachten Auslenkungssensors als Meßgröße für die Regelung verwendet wird. Auf diese Weise können Vorrichtungen zur aktiven Schalldämpfung realisiert werden (Fuller, Hanser & Snyder: Active control of structurally radiated noise using piezoceramic actuators, Proc. Inter-noise 89, Newport Beach, Ca., Dec. 4-6, 1989, pp. 483-488).According to this principle, both a generation (Bhattacharya & Crocker: Forced vibration of a panel and radiation of sound into a room, Acustica 22, pp. 275-294, 1969/1970) as well as proof of sound (Fricke, Moser, Scheurer & Schubert: Schall und Schallschutz, Physik-Verlag, Weinheim, 1983, 312 p.). Using an appropriate Control system can have the effect of an on a vibrating body attached actuator can be controlled so that the vibration deflection this body despite the sound of the surrounding medium is dampened by the signal of the attached to the same body Deflection sensor is used as a measured variable for the control. To this In this way, devices for active sound attenuation can be implemented (Fuller, Hanser & Snyder: Active control of structurally radiated noise using Piezoceramic actuators, proc. Inter-noise 89, Newport Beach, Ca., Dec. 4-6, 1989, pp. 483-488).
Anstelle von piezokeramischen Aktuatoren und Sensoren wurden auch piezoelektrische Polymerfolien, z. B. PVDF (Polyvinylidendifluorid)-Folien verwendet. Durch ihre Formgebung können sie großflächig auf eine mechanische steife Trägerstruktur, z. B. eine Platte, aufgebracht und mit dieser kraftschlüssig verbunden werden. Die Trägerstruktur kann dann zu ihren charakteristischen Eigenschwingungen angeregt werden bzw. diese Eigenschwingungen können aktiv gedämpft werden (Bailey & Hubbard: Distributed Piezoelectric-Polymer Active Vibration Control of a Cantilever Beam, Journal Guidance and Control, Vol. 8, No. 5, pp. 605-611,1985).Instead of piezoceramic actuators and sensors, too piezoelectric polymer films, e.g. B. PVDF (polyvinylidene difluoride) films used. Due to their shape, they can cover a large area mechanical rigid support structure, e.g. B. a plate, applied and with this be frictionally connected. The support structure can then be yours characteristic natural vibrations are excited or these Natural vibrations can be actively damped (Bailey & Hubbard: Distributed Piezoelectric-Polymer Active Vibration Control of a Cantilever Beam, Journal Guidance and Control, Vol. 8, No. 5, pp. 605-611, 1985).
Die nach dem bisherigen Stand der Technik zur Schallerzeugung, Schalldetektion und aktiven Schalldämpfung einer mechanischen Struktur verwendeten Aktuatoren und Sensoren aus anorganischen kristallinen oder polykristallinen Festkörpern (piezokeramische Aktuatoren und Sensoren) sind in ihrer Ausdehnung begrenzt und können damit nur in einem entsprechend eingeschränkten Gebiet Kräfte auf den schwingfähigen Körper übertragen bzw. dort dessen Auslenkungen erfassen. Damit sind nicht an beliebig vielen Stellen des schwingfähigen Körpers direkt Kräfte aufbringbar bzw. die Auslenkungen dieses Körpers gleichzeitig erfaßbar. Diese lokale Positionierung der Aktuatoren bzw. Sensoren hat Einschränkungen im Frequenzspektrum der erregbaren bzw. nachweisbaren Schwingungen zur Folge und stellt eine Beschränkung für die Auslegung und die Optimierung des Wirkungsgrads eines Schalldämpfungssystems dar. Außerdem können diese Aktuatoren und Sensoren wegen ihrer elastischen Eigenschaften nur in begrenztem Umfang kraftschlüssig mit schwingfähigen Körpern aus anderen Materialien, z. B. Kunststoff-Membranen, gekoppelt werden. Sie benötigen ferner eine raumfeste mechanisch steife Trägerstruktur, die die Reaktionskräfte aufnehmen kann. Mit piezoelektrischen Polymerfolien können diese Beschränkungen überwunden werden, weil sie großflächig auf eine schwingende Struktur aufgebracht und damit Kräfte in örtlich kontinuierlich verteilter Weise in die Oberfläche der Trägerstruktur eingeleitet werden können. Bei einer mechanisch steifen Trägerstruktur wie z. B. einer Platte können allerdings nur die Eigenschwingungen dieser Trägerstruktur angeregt werden, da die piezoelektrischen Polymerfolien selbst keine mechanisch steifen Körper sind. Damit wird das Frequenzspektrum dieser Schwingungen durch die Eigenschwingungen der Trägerstruktur definiert und auch begrenzt.According to the current state of the art for sound generation, Sound detection and active sound attenuation of a mechanical structure used actuators and sensors made of inorganic crystalline or polycrystalline solids (piezoceramic actuators and sensors) limited in their extent and can therefore only in one accordingly restricted area transfer forces to the vibrating body or record its deflections there. So that are not in any number of places of the vibratable body directly apply forces or the deflections of this body can be grasped at the same time. This local positioning of the Actuators or sensors have restrictions in the frequency spectrum of the excitable or demonstrable vibrations and provides a Restriction on the design and optimization of efficiency a sound absorption system. In addition, these actuators and Sensors only to a limited extent due to their elastic properties non-positive with vibrating bodies made of other materials, e.g. B. Plastic membranes to be coupled. You also need a fixed mechanically rigid support structure that can absorb the reaction forces. With Piezoelectric polymer films can overcome these limitations because they are applied to a vibrating structure over a large area and so that forces are distributed in a locally distributed manner into the surface of the Support structure can be initiated. With a mechanically stiff Support structure such as B. a plate can only Natural vibrations of this support structure are excited because the piezoelectric polymer films themselves are not mechanically rigid bodies. So that the frequency spectrum of these vibrations by the Natural vibrations of the support structure defined and also limited.
Mit piezoelektrischen PVDF-Polymerfolien als Aktuator- und Sensorelemente, die auf der gesamten Grenzfläche zum schalltragenden Medium gleichmäßig kraftschlüssig mit dünnen, großflächigen Membranen aus Materialien mit kleinen Elastizitätsmodulen, z. B. Kunststoff-Folien, die durch Einspannung in einen Rahmen ein schwingfähiges mechanisches System bilden, verkoppelt werden, kann eine neuartige Vorrichtung zur Erzeugung, Detektion und aktiven Dämpfung von Schall hergestellt werden. Indem die Spannkraft dieser Membran variabel eingestellt werden kann, ergibt sich eine Möglichkeit, das Frequenzspektrum der Schwingungen den Erfordernissen der jeweiligen Anwendung anzupassen. Die Spannvorrichtung dient gleichzeitig als Trägerstruktur für die Aufnahme der Reaktionskräfte. Die elektrische Kontaktierung der Aktuator- und Sensor-Folien kann jeweils an einer überstehenden Lasche dieser Folien erfolgen und mechanisch ebenfalls in die Spannvorrichtung integriert werden.With piezoelectric PVDF polymer films as actuator and sensor elements, which are uniform over the entire interface with the sound-carrying medium non-positive with thin, large-area membranes made of materials small modulus of elasticity, e.g. B. plastic films by clamping in form a frame an oscillatable mechanical system, coupled can be a novel device for generation, detection and active Attenuation of sound can be made. By the resilience of this Membrane can be adjusted variably, there is a possibility that Frequency spectrum of the vibrations the requirements of each Adapt application. The tensioning device also serves as Support structure for absorbing the reaction forces. The electrical Contacting of the actuator and sensor foils can be done on one protruding tab of these foils and mechanically also in the Clamping device can be integrated.
Die Vorteile einer derartigen Vorrichtung bestehen in der großflächigen Struktur, der gleichartigen Formgebung auf der gesamten schwingenden Fläche mit gleichmäßiger und kleiner Massenbelegung der Fläche, der guten akustischen Impedanzanpassung an Luft und dem im Vergleich zu einer mechanisch steifen Trägerstruktur breitbandigen, durch die variable Spannkraft einstellbaren Frequenzspektrum hinsichtlich Anregung und Detektion von Schall. Damit können Probleme, die bei einer Begrenzung der flächenmäßigen Ausdehnung von Aktuator- und Sensor-Elementen hinsichtlich der exakten und auf spezifische Schallfrequenzen abzustimmenden Positionierung der Elemente und der elektrischen Kontaktzuführung entstehen, ausgeschaltet werden. Diese Vorteile ermöglichen die Herstellung von großflächigen Vorrichtungen zur aktiven Schalldämpfung mit kleiner, flächenbezogener Massenbelegung und entsprechend kleiner, auf ihre Oberfläche bezogene Wärmekapazität; dadurch kann ein hoher Wärmedurchgang bei gleichzeitiger Unterdrückung des Schalldurchgangs erreicht werden. Daher kann mit dieser Vorrichtung z. B. eine schallemissionsmindernde Haube für Maschinen, die eine gute Wärmeableitung benötigen, realisiert werden. Weiterhin kann durch einen Signalpfad vom Regler zur Spannvorrichtung die mechanische Spannung der Membran und damit das Frequenzspektrum einer aktiven Schalldämpfungsvorrichtung dynamisch variiert werden.The advantages of such a device are the large area Structure, of the same shape on the whole vibrating Area with even and small mass coverage of the area, the good acoustic impedance matching in air and compared to a mechanically stiff support structure broadband, due to the variable clamping force adjustable frequency spectrum with regard to excitation and detection of Sound. This can cause problems with a limitation of the area Expansion of actuator and sensor elements with regard to the exact and positioning of the Elements and the electrical contact supply arise, switched off become. These advantages enable the production of large areas Devices for active noise reduction with a small, area-related Mass occupancy and correspondingly smaller, related to their surface Heat capacity; this allows a high heat transfer with simultaneous Suppression of sound transmission can be achieved. Therefore, with this Device z. B. a noise-reducing hood for machines that need good heat dissipation. Furthermore, by a signal path from the controller to the tensioning device the mechanical Voltage of the membrane and thus the frequency spectrum of an active one Sound damping device can be varied dynamically.
Eine dünne, großflächige, in einem Rahmen eingespannte Membran aus Kunststoff wird auf der gesamten Fläche, oder auch nur auf einem Teil der Fläche, kraftschlüssig durch eine geeignete Klebeverbindung einseitig oder beidseitig mit einer dünnen piezoelektrischen PVDF-Polymerfolie gekoppelt. Hierfür werden beidseitig mit einer dünnen metallischen Beschichtung versehene PVDF-Polymerfolien verwendet, die an den Rändern der Aktuator- und Sensorflächen, z. B. an einer überstehenden Lasche, elektrisch kontaktiert werden können. Bei einseitiger Beklebung der gespannten Membran kann durch Anschluß der PVDF-Folie an eine Wechselspannungsquelle diese Membran zu Schwingungen mit variabler, einstellbarer Frequenz angeregt und damit Schall erzeugt werden. Umgekehrt kann diese Vorrichtung zur Schalldetektion dienen, indem das bei Schalleinwirkung auf die Membran an den Kontakten entstehende elektrische Spannungssignal ausgewertet wird. Bei doppelseitiger Beklebung der Membran mit PVDF-Folien und Schaltung einer PVDF-Folie als Aktuator und der anderen Folie als Sensor kann durch geeignete Regelung der Aktuatorsignals unter Verwendung des Sensorsignals eine Vorrichtung zur aktiven Schalldämpfung geschaffen werden.A thin, large-area membrane clamped in a frame Plastic is applied to the entire surface, or even to a part of it Surface, non-positively by a suitable adhesive connection on one side or coupled on both sides with a thin piezoelectric PVDF polymer film. This is done on both sides with a thin metallic coating provided PVDF polymer films used on the edges of the actuator and Sensor areas, e.g. B. on a protruding tab, electrically contacted can be. If the tensioned membrane is glued on one side, by connecting the PVDF film to an AC voltage source Membrane excited to vibrations with variable, adjustable frequency and so that sound is generated. Conversely, this device for Sound detection is used by applying sound to the membrane the electrical voltage signal arising from the contacts is evaluated. At double-sided gluing of the membrane with PVDF films and switching one PVDF film as an actuator and the other film as a sensor can pass through suitable control of the actuator signal using the sensor signal a device for active sound attenuation can be created.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown in the drawing and will described in more detail below.
Es zeigt Fig. 1 eine kreisförmige Kunstoffmembran (1), die beidseitig mit PVDF-Folien (10) beklebt ist und die mit einem Spannring (6), 5 Spannhaken (2) sowie den dazugehörigen Spannmuttern (4) auf einen kreisrunden, reifenförmigen Grundkörper (3) aufgespannt wird. Die mechanische Spannung dieser Membran kann mit Hilfe der Spannmuttern (4) verändert werden. Die PVDF-Folie besteht aus einer Polyvinylidendifluorid-Schicht mit piezoelektrischen bzw. elektrostriktiven Eigenschaften (8), die beidseitig mit Aluminium (7) bedampft ist, um eine elektrische Kontaktierung herzustellen. Diese Struktur wird wiederum mittels einer Klebeschicht (9) kraftschlüssig mit der Kunstoffmembran (1) verbunden. Die elektrische Kontaktierung (5) erfolgt über zwei Klemmkörper (11), auf denen eine Kupferkontaktschicht (12) aufgebracht ist. Die PVDF-Folie wird so zwischen die Klemmkörper gespannt, daß ein guter Kontakt jeweils zwischen der Kupferschicht (12) und der Aluminiumschicht (7) entsteht. Über Drähte (14) (16), die an der Kupferkontaktierung angebracht sind, wird eine Verbindung zu einer BNC-Buchse (13) hergestellt, an der die Signale abgegriffen oder angelegt werden können. Die Kontaktierung der zweiten Folie ist in gleicher Weise aufgebaut.It shows Fig. 1 a circular Kunstoffmembran (1) which is provided with PVDF film (10) glued on both sides and with a clamping ring (6), 5 clamping hook (2) and the associated clamping nuts (4) on a circular, hoop-shaped base body ( 3 ) is spanned. The mechanical tension of this membrane can be changed using the tension nuts ( 4 ). The PVDF film consists of a polyvinylidene difluoride layer with piezoelectric or electrostrictive properties ( 8 ), which is vapor-coated with aluminum ( 7 ) on both sides in order to produce electrical contact. This structure is in turn non-positively connected to the plastic membrane ( 1 ) by means of an adhesive layer ( 9 ). The electrical contacting ( 5 ) takes place via two clamping bodies ( 11 ) on which a copper contact layer ( 12 ) is applied. The PVDF film is stretched between the clamping bodies so that there is good contact between the copper layer ( 12 ) and the aluminum layer ( 7 ). A connection to a BNC socket ( 13 ) is established via wires ( 14 ) ( 16 ) attached to the copper contact, on which the signals can be tapped or applied. The contacting of the second film is constructed in the same way.
Wenn die Membran z. B. durch externe Schallanregung in Schwingungen versetzt wird, werden in den PVDF-Folien elektrische Spannungssignale erzeugt, die an den BNC-Buchsen (13, 15) abgegriffen werden können. Umgekehrt wird durch Anlegen einer Wechselspannung an die BNC-Buchsen (13,15) und damit an die PVDF-Folien die Membran zu mechanischen Schwingungen angeregt, die dann als Schall in den Raum abgestrahlt werden. Verwendet man in einem Regelkreis das detektierte Signal als Ist-Größe (Sensorsignal), z. B. an Buchse (15), und das erzeugte Signal als Stell-Größe (Aktuatorsignal), z. B. an Buchse (16), so läßt sich eine aktive Struktur zur Schwingungsdämpfung realisieren.If the membrane z. B. is caused to vibrate by external sound excitation, electrical voltage signals are generated in the PVDF films, which can be tapped at the BNC sockets ( 13 , 15 ). Conversely, by applying an alternating voltage to the BNC sockets ( 13, 15 ) and thus to the PVDF films, the membrane is excited to mechanical vibrations, which are then emitted into the room as sound. If you use the detected signal in a control loop as the actual variable (sensor signal), e.g. B. at socket ( 15 ), and the signal generated as a manipulated variable (actuator signal), for. B. on socket ( 16 ), an active structure for vibration damping can be realized.
Mit dem in Fig. 2 dargestellten Versuchsaufbau und einem Regler wurde mit dieser Vorrichtung eine Dämpfung des die Schwingungsauslenkung kennzeichnenden Sensorsignals von 18 dB erreicht.With the experimental setup shown in FIG. 2 and a controller, this device achieved a damping of the sensor signal characterizing the vibration deflection of 18 dB.
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- 1994-06-08 DE DE4419933A patent/DE4419933A1/en not_active Ceased
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