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TECHNISCHES
GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein intelligente Oberflächenstrukturen
mit Fähigkeiten zum
Verwalten und Steuern von Vibrationsenergie und insbesondere das
Verwalten von Vibrationen auf der Oberfläche oder der Hülle eines
Systems, von Unterbauteilen, einer Vorrichtung oder Struktur.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Aktuelle
Verfahren zur passiven Vibrationsunterdrückung lassen sich in drei Hauptgebiete
einteilen: Energieisolierung, Energieabsorption und Energieableitung
durch Dämpfungsmaterial
und/oder Dämpfungsvorrichtungen.
Wie der Name vermuten läßt, sind
Absorber hinzugefügte
Systeme mit einfachem oder mehrfachem Freiheitsgrad, die so ausgelegt
sind, daß sie
Vibrationsenergie absorbieren, während
Isolatoren den Fluß von
Vibrationsenergie abfangen und die Übertragung zu oder von dem
betreffenden System vermeiden. Dabei ist zu beachten, daß in ersterem
die Energie aus dem primären
System entnommen und zu den Absorbern umgeleitet wird, während im
letzteren Fall die Energie auf beiden Seiten der Isolatoren gefangen
ist. Im Fall von zusätzlicher
Dämpfung
wird die Energie jedoch in der Form von Geräusch und/oder Hitze abgeleitet.
Es gibt viele Vorteile in Zusammenhang mit der Verwendung dieser
passiven Verfahren. Vibrationsisolatoren, Absorber und hinzugefügte Dämpfungselemente werden
in ihrer Funktionsweise gut verstanden und weisen relativ einfache
mathematische Modelle auf, um ihre Einbindung in der Konstruktionsphase
zu unterstützen,
und werden von Konstrukteuren und Technikern seit mehr als einem
Jahrhundert verwendet. Sie lassen sich leicht herstellen und verursachen geringe
Kosten bei ihrer Anwendung. Dennoch weisen passive Verfahren einige
wichtige Nachteile in Bezug auf ihre Leistung auf. Isolatoren und
Absorber werden für
gewöhnlich
auf eine oder einige ausgewählte
Resonanzfrequenzen abgestimmt und sind daher innerhalb einer engen
Bandbreite um die ausgewählten
Resonanzfrequenzen herum am wirksamsten. Ihre Leistung nimmt mit
der Entfernung von den ausgelegten Frequenzbereichen ab. In bestimmten
Fällen
können
sie sogar unerwünschte
Vibrationen verstärken.
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Vibrationsisolatoren
sind nicht wirksam, wenn schwere Stoß- oder Vibrationsbelastungen
vorliegen. Die Hauptaufgabe einer zusätzlichen Dämpfung besteht darin, schneller
mehr Energie zu entnehmen. Somit hängt ihre Leistung davon ab,
wie gut und wie viel Energie von der Struktur zu dem Dämpfungsmechanismus
geliefert wird. Da strukturelle Vibrationen bei der Resonanz am
stärksten
sind, sind Verfahren zur Dämpfungsbehandlung
bei den oder in der Nähe
der Resonanzfrequenzen am effizientesten. Die Gewichtsproblematik
spielt eine Rolle, wenn Absorber oder zusätzliche Dämpfungselemente verwendet werden,
um Niedrigfrequenzvibrationen zu reduzieren. Ferner weisen die meisten
Dämpfungsmaterialien
einen begrenzten Temperaturbereich auf und erbringen bei höheren Frequenzen
bessere Leistung. Daher wird ein wirksamerer Vibrationsunterdrückungsplan
mit einem breiteren Frequenzbereich benötigt.
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In
den vergangenen Jahren wurden eine Reihe von AVC-Verfahren (Active
Vibration Cancellation – aktive
Vibrationstilgung) eingeführt,
um Vibrationen aktiv zu unterdrücken.
Die meisten dieser AVC-Techniken basieren auf Vibrationskonzepten,
welche mit Fortschritten in der Mikroelektronik, Signalverarbeitung,
Werkstoffwissenschaft und Steuerstrategien kombiniert wurden, um
ein flexibleres und effizienteres Vibrationsunterdrückungssystem
bereitzustellen. Im Fall von gegenwärtig eingesetzten AVC-Systemen mit
Feedback-Steuereinheiten werden Vibrationen gemessen, zur Steuereinheit
rückgeführt, wobei
ein geeigneter Betätigungsvorgang
durchgeführt
wird. In diesem Fall übt
der Betätiger
eine Kraft oder ein Moment aus, um den bestehenden Vibrationen entgegen
zu wirken. Im Fall von AVC-Systemen mit Feedforward-Steuereinheiten
wird die Quelle gemessen, vorwärts
zur Steuereinheit geführt,
und danach wird ein geeigneter Betätigungsvorgang durchgeführt. In diesem
Fall werden Betätiger
verwendet, um eine identische Störung
mit einer geeigneten Phasenverschiebung in Bezug auf das gemessene
Signal bei der oder in der Nähe
der Quelle einzuführen.
Obwohl sich die beiden AVC-Verfahren konzeptionell voneinander unterscheiden,
weisen sie mindestens zwei gemeinsame Merkmale auf: beide führen Energie
in das System ein, um bestehende unerwünschte Vibrationen oder Geräusche zu
beseitigen, und sie wirken in einer reaktiven Weise (d.h. Erfassen,
Verarbeiten und Reagieren). Aktuelle AVC-Verfahren sind nicht in
der Lage, den Fluß von
Vibrationsenergie innerhalb der Struktur zu ändern.
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Das
US-Patent Nr. 6,116,389, mit dem Titel „Apparatus and Method for
Confinement and Damping of Vibration Energy", erteilt am 12. September 2000, und
das US-Patent Nr. 6,032,552, mit dem Titel „Vibration Control by Confinement
of Vibration Energy",
erteilt am 7. März
2000, beschäftigen
sich mit Vibrationsproblemen, indem sie anmerken, daß es unter
Umständen
nicht möglich
oder praktisch ist, für alle
Teile eines Systems Vibrationen vollständig zu unterdrücken. Die
Patente anerkennen jedoch, daß es
praktisch sein kann, die Vibration auf weniger kritische oder leichter
steuerbare Regionen umzuleiten oder zu beschränken. In diesen Patentschriften
erfolgt die Begrenzung durch passive oder halbaktive Mittel, welche
die Position und/oder die Steifheit von strukturellen oder Maschinenbauteilen
steuerten.
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Metallische
Oberflächen
und Verbundoberflächen,
wie Paneele, welche ein Auto umgeben, Wände und Tapeten, die beim Bau
verwendet werden, und Gehäuse,
die Computer enthalten, sind sehr wichtige und integrale Bestandteile
eines Systems. Insbesondere Raumschiffe, Flugzeuge, Schiffe und
U-Boote weisen lasttragende Oberflächen auf, welche nicht nur
starken aerodynamischen und hydrodynamischen Belastungen widerstehen
müssen (daher
lasttragend), sondern auch Anordnungen von optischen, akustischen
und radarartigen Sensoren tragen müssen. Eine der Hauptaufgaben
einer Oberfläche
besteht darin, ihre Ladung und Sensoranordnungen zu schützen.
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Gegenwärtig sind
alle Oberflächen
(d.h. Flugzeugoberflächen,
Automobile, Geräte
usw.) einfach eine relativ dünne
Schicht entweder aus isotropem Metall oder mehrlagigen Verbundstoffen.
Zusätzlich
zu den herkömmlichen
Aufgaben wäre
es wünschenswert,
eine Oberfläche
zu haben, welche die Fähigkeit
aufweist, Vibrationsenergie zu verwalten und zu lenken, um die schädliche Auswirkung
von vibrierenden Lasten zu minimieren. Eine Oberfläche, die
Geräusche
und Vibrationen über
die Steuerung von Energiefluß und
Energieverwaltung steuern kann, könnte sich gut dazu eignen,
die Unversehrtheit ihres Host-Systems (oder Bauteils) zu überwachen.
Das bedeutet, daß die
Oberfläche
Schäden und
Risse in einem frühen
Stadium erfassen könnte, um
so schnell überprüft und repariert
zu werden, bevor sich die Schäden
und Risse auf den Rest des Systems ausbreiten.
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Das
Dokument DE-A-198 13 959 aus dem bekannten Stands der Technik offenbart
die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 und 11.
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Aus
den oben genannten Gründen
und aus anderen Gründen,
die unten angeführt
werden und Fachmännern
beim Lesen und Verständnis
der vorliegenden Erfindung offenbar werden, besteht auf dem Fachgebiet
ein Bedarf an einer intelligenten Oberfläche, die verwendet werden kann,
um eine Vibrationsenergie innerhalb der Struktur aktiv zu ändern.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
oben genannten Probleme in Zusammenhang mit strukturellen Vibrationen
sowie andere Probleme werden von der vorliegenden Erfindung behandelt
und werden durch das Lesen und die Beschäftigung mit der folgenden Beschreibung
verstanden werden.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein System bereit, welches die Menge,
die Position und die Art von Störenergie
erfaßt
und überschüssige Störenergie
begrenzt, ableitet und lenkt, um sich selbst und alle Bauteile,
welches es trägt,
vor potentiellen Schäden
zu schützen,
die auf zufällige
Ausbreitung von überschüssiger Störenergie
zurückzuführen sind.
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Eine
Struktur gemäß der Erfindung
umfaßt eine
Oberfläche,
Sensoren, die mit der Oberfläche gekoppelt
sind, um Vibrationen der Oberfläche
zu messen, und Betätiger,
die mit der Oberfläche
eine Einheit bilden und die selektiv aktiviert werden, um Kräfte auf
die Oberfläche
auszuüben,
um Vibrationsenergie in eine oder mehrere vorbestimmte Oberflächenregionen
umzuleiten. Ein passives Element kann dann verwendet werden, um
die begrenzte Vibrationsenergie abzuleiten. Die auszuübenden Kräfte können durch
räumliche
Ableitungen des vibrierenden Systems oder durch Phase und Größenordnung der
erfaßten
Vibrationen ermittelt werden. Unter Verwendung der Größenordnung
und Phase der erfaßten
Störung
werden die geeignete Phase und Größenordnung der durch die Betätiger angewendeten Kräfte bestimmt.
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In
einer anderen Ausführungsform
umfaßt eine
Struktur mit einem Oberflächenmaterial
eine äußere Schicht,
Sensoren, die mit der äußeren Schicht gekoppelt
sind, um Vibrationen in der äußeren Schicht
zu messen, Betätiger,
die mit der Oberfläche eine
Einheit bilden, und eine Steuereinheit, welche mit den Sensoren
gekoppelt ist, um Steuersignale an die Betätiger zu liefern.
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Ein
Verfahren zum Kontrollieren von Vibrationen in einer Oberflächenstruktur
gemäß der Erfindung
umfaßt
das Ermitteln der Vibrationen in der Oberflächenstruktur und das Anwenden
von Feedback-Kräften
auf Betätiger,
die integral in der Oberfläche
ausgebildet sind, um Vibrationsenergie umzuleiten.
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Ein
Verfahren zur Kontrolle von Vibrationen in einer Oberflächenstruktur
kann auch das Ermitteln von Vibrationen in der Oberflächenstruktur
und das Verarbeiten der ermittelten Vibrationen umfassen, um geeignete
Feedback-Kräfte
zu bestimmen, die erforderlich sind, um die Vibrationen zu beschränken. Die
Feedback-Kräfte
werden mit Stammdaten und Grundlinien-Daten verglichen, um zu bestimmen,
ob in der Oberflächenstruktur
ein Defekt vorliegt. Schließlich
werden die Feedback-Kräfte
durch die in der Oberfläche
integral ausgebildeten Betätiger
angewendet, um Vibrationsenergie zu beschränken oder umzuleiten.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1A zeigt
eine Draufsicht einer Strukturoberfläche einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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1B zeigt
eine perspektivische Ansicht einer Strukturoberfläche einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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1C zeigt
eine Querschnittsansicht einer Strukturoberfläche einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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1D zeigt
eine Querschnittansicht einer flachen Strukturoberfläche einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung mit einem passiven Element;
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1E zeigt
eine Querschnittsansicht einer gebogenen Strukturoberfläche einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit einem passiven Element;
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2 zeigt
eine zirkulierende Begrenzung, die unter Verwendung einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung herbeigeführt werden kann;
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3 zeigt
eine spiralförmige
Begrenzung, die unter Verwendung einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung herbeigeführt
werden kann;
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4A – 4C zeigt
drei mögliche
Energieflußmuster,
die verwendet werden, um Energie in einer Struktur zu verwalten,
die von einer Störkraft
erregt wird;
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5A und 5B zeigt
eine Ausführungsform
einer Oberflächenstruktur,
welche Vibrationen unter Verwendung spezieller Ableitungen begrenzt;
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6A und 6B zeigt
einige Unterschiede zwischen einem Energieverwaltungssystem einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und gegenwärtig verwendeten aktiven Vibrationsbegrenzungsverfahren;
und
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7 ist
ein Flußdiagram
einer Vibrationsbegrenzung und Defekterfassung einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In
der vorliegenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die integraler
Bestandteil der Anmeldung sind und in denen erläuternd spezifische bevorzugte
Ausführungsformen
gezeigt werden, in denen die Erfindungen umgesetzt werden können. Diese
Ausführungsformen
werden in ausreichendem Detail beschrieben, um Fachleute in die
Lage zu versetzen, die Erfindung umzusetzen. Die folgende detaillierte
Beschreibung ist daher nicht einschränkend auszulegen, wobei der
Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nur durch die Ansprüche definiert
wird.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung betrifft lasttragende Oberflächenstrukturen mit
integrierten auf Energie basierenden hybriden Vibrations- und Geräuschkontrollsystemen.
Die Vibrationskontrollstrategie beruht auf einem Vibrationsenergieverwaltungssystem.
Das Vibrationskontrollsystem umfaßt sowohl passive als auch
aktive Elemente, von denen jedes zwei Funktionen erfüllt. Die
passiven Elemente stellen eine Energieableitung bei hohen Frequenzen
und Energieabsorption bei Resonanzfrequenzen der Oberflächenstruktur
bereit. Beschränkte-Schichtdämpfung (Constrained
Layer Damping – CLD)
und abgestimmte Massendämpfer (Tuned-Mass
Dampers – TMD)
können
bei passiven Elementen verwendet werden. Die aktiven Elemente leiten
Energie bei niedrigen Frequenzen ab und leiten Vibrationsenergie
in spezifische Regionen, wo überschüssige Energie
effizienter von passiven und/oder aktiven Elementen absorbiert oder
abgeleitet werden kann. Wie oben erklärt, sind die aktiven Elemente
in das Oberflächenmaterial
integriert. Piezoelektrische Stäbchenbetätiger können in
einer Ausführungsform für aktive
Elemente verwendet werden. Diese passiven und aktiven Elemente ermöglichen
es, daß die Energieveraltung
in lasttragenden Oberflächenstrukturen
durchgeführt
wird, wodurch eine intelligente Oberflächenstruktur mit hoher Effizienz
erzeugt wird. Intelligente Oberflächenstrukturen weisen die Fähigkeit
auf, erregte Vibrationsenergie in einer effizienten und effektiven
Weise zu steuern, um schädliche
Auswirkungen und/oder ausgestrahlte Geräusche von sich ausbreitenden
Vibrationen zu minimieren.
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Zahlreiche
unterschiedliche Materialien können
als Sensoren und/oder Betätiger
in intelligenten Oberflächen
der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Piezoelektrische Technik
(PZT) ist nur eines der vielen Materialien, das sich für intelligente
Oberflächenanwendungen
eignet. Piezoelektrische Technik kann als Betätiger in aktiver Vibrationskontrolle verwendet
werden. Piezoelektrische Materialien können verwendet werden, um elektrische
Energie in mechanische Energie umzuwandeln und umgekehrt. Piezoelektrische
Technik ist bei der Präzisionsbewegung
(Nanoskala) aufgrund ihrer vielen nützlichen Eigenschaften, wie
Wiederholbarkeit bei hohen Frequenzen, große Lastbandbreite und keine
Wartung, weit verbreitet. Auf Bleizirkonattitanat (PZT) basierende
keramische Materialien werden am häufigsten verwendet. Einige
grundlegende Designs für PZT-Betätiger schließen – ohne darauf
beschränkt
zu sein – ein
Stäbchendesign,
Stapeldesign, laminares Design, Rohrdesign und Bieger-Typ-Designs
ein. In einem Stapeldesign besteht der Betätiger aus einem Stapel von
keramischen Scheiben, die durch dünne Metallelektroden getrennt
werden. Die maximale Betriebsspannung ist proportional zur Dicke
der Scheiben. Stapeldesign-Betätiger
können
hohem Druck widerstehen und weisen die höchste Steifheit aller Betätiger mit
piezoelektrischem Design auf. Federvorbelastete Betätiger werden
in Betracht gezogen, weil keramische Betätiger großen Ziehkräften nicht widerstehen können. Dieses
Design kann für
statischen und dynamischen Betrieb verwendet werden. In einem laminaren
Design besteht der Betätiger
aus dünnen
keramischen Streifen. Die Verschiebung dieser Betätiger ist
senkrecht zur Richtung der Polarisierung und des elektrischen Felds.
Der maximale Weg ist eine Funktion der Länge der Streifen und die Anzahl
von parallelen Streifen bestimmt die Steifheit und die Stabilität des Elementes.
In einem Rohrdesign arbeiten die Betätiger auf der Grundlage des transversalen
piezoelektrischen Effektes. Wenn eine Spannung zwischen dem Außen- und
dem Innendurchmesser angelegt wird, zieht sich das Rohr axial und
radial zusammen. Wenn die Außenelektrode
des Rohrs in vier Segmente aufgeteilt wird, führen unterschiedliche Steuerspannungen
zum Biegen von einem Ende. In einem Biegertyp-Design arbeiten die Betätiger ähnlich wie
ein bimetallischer Streifen in Thermostaten. Wenn die Keramik stromführend ist, wird
das Metallsubstrat mit einer Bewegung abgelenkt, welche zur angelegten
Spannung proportional ist.
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In
einer Ausführungsform
verwendet die vorliegende Erfindung Betätiger, die mit einer Oberfläche versehen
sind, die eine Struktur aufweist, um eine Reihe von Kräften herbeizuführen, welche
zur räumlichen
Ableitung (d.h. Belastung, Scherkraft) der Struktur am Punkt der
Anwendung proportional sind. Im Gegensatz dazu erzeugen herkömmliche
Betätiger,
die in aktiven Kontrollsystemen verwendet werden, eine Reihe von
Kräften,
die zu zeitlichen Ableitungen der Verschiebung (d.h. Geschwindigkeit
oder Beschleunigung) proportional sind. In einer anderen Ausführungsform
verwendet die vorliegende Erfindung aktive Betätiger, die mit einer Oberfläche einer Struktur
versehen sind, um eine Reihe von Kräften herbeizuführen, die
durch spiralförmigen
Energiefluß (Vortex
Power Flow – VPF),
wie oben erläutert,
definiert werden. Somit stellt die vorliegende Erfindung eine „intelligente" Oberfläche bereit,
die bei einer unbegrenzten Anzahl von strukturellen Anwendungen verwendet
werden kann. Die intelligente Oberfläche schließt Sensoren und Betätiger ein,
die eine Verwaltung der Vibrationen der Struktur ermöglichen.
Die Art, in welcher die Betätiger
kontrolliert werden, kann auf dem Erzeugen von Spiralen im Energiefluß beruhen,
und/oder die Betätiger
können
in Reaktion auf räumliche
Ableitung von der Systemverschiebung kontrolliert werden.
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Die 1A, 1B bzw. 1C zeigen eine
Draufsicht, eine perspektivische Ansicht und eine Querschnittansicht
eines Abschnitts einer Strukturoberfläche 100 oder Oberfläche. Unter
Bezugnahme auf 1A weist eine Ausführungsform
der Oberfläche
zahlreiche Zellen 101 auf, welche jeweils Betätiger enthalten.
Eine perspektivische Ansicht einer Zelle 101 ist in 1B dargestellt.
Die Oberfläche
kann aus einem geeigneten Material hergestellt werden, wird aber
typischerweise mit einer äußeren Schicht 110 aus
Metall oder Verbundstoff ausgebildet. Die Oberfläche kann eine Isolatorschicht 103 aufweisen.
Die Oberfläche
weist Betätiger 102 auf, die
in einem Muster angeordnet und integral mit der Oberflächenisolatorschicht 103 ausgebildet
sind, falls eine solche bereitgestellt wird. Die Betätiger werden
so positioniert, daß sie
selektiv Kräfte
auf die äußere Schicht 110 ausüben. Die
Betätiger
in der dargestellten Ausführungsform
sind piezoelektrische Stäbchen,
die eine Kraft auf die Oberflächenstruktur ausüben können. Die
Betätiger
können
in einem Rastermuster oder in anderen Mustern angeordnet werden,
die für
die Oberflächenkonfiguration
spezifisch sind. Die piezoelektrischen Stäbchen dehnen sich aus, wenn
sie einem elektrischen Feld ausgesetzt werden. Ebenso können die
piezoelektrischen Stäbchen
ein elektrisches Feld bereitstellen, wenn sie Kräften ausgesetzt werden. Somit
können
einige der piezoelektrischen Stäbchen
als Sensoren verwendet werden, um in der Oberfläche vorhandene Vibration zu
ermitteln. Unter Bezugnahme auf 1C werden die
Sensoren mit einer Steuereinheit 150 gekoppelt, welche
aktives Feedback an die Stäbchen
liefert, welche als Betätiger
agieren. Andere Typen von Sensoren und Betätigern werden in Betracht gezogen, und
die vorliegende Erfindung ist nicht auf piezoelektrische Vorrichtungen
begrenzt. Die Betätiger
können getrennte
Zusatzbauteile für
die Oberflächenstrukturen
sein. Betätiger,
die mit der Oberfläche
eine Einheit bilden, bieten jedoch mehr Designoptionen. Wie unten
erläutert,
kann die vorliegende Erfindung eine Energieverwaltung für Transport-
und Verbrauchersysteme, Geräte,
Subsysteme, Unterbauteile und Strukturen bereitstellen. Zum Beispiel
kann die Oberfläche
von Automobilen und Flugzeugen die vorliegende Erfindung enthalten.
Verbraucherartikel wie Kühlschränke, Klimaanlagen
und Waschmaschinen können
ebenfalls die vorliegenden Oberflächenstrukturen enthalten.
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1D zeigt
einen vereinfachten Querschnitt einer Ausführungsform einer flachen Oberflächenstruktur 152.
Die Oberflächenstruktur
schließt ein
passives Element 154 ein, das mit der Oberfläche gekoppelt
ist, um Vibrationsenergie abzuleiten, die auf den Oberflächenpositionsbereich
begrenzt ist, welcher die passiven Elemente enthält. 1E zeigt einen
vereinfachten Querschnitt einer Ausführungsform einer gebogenen
Oberflächenstruktur 156.
Die Oberflächenstruktur
schließt
ein passives Element 158 ein, das mit der Oberfläche gekoppelt
ist, um Vibrationsenergie abzuleiten, die auf den Oberflächenpositionsbereich
begrenzt ist, welcher die passiven Elemente enthält. Es wird begrüßt werden,
daß flache
und gebogene Oberflächenelemente
verwendet werden können,
um eine beliebige Anzahl an unterschiedlichen Formen, beispielsweise
eine Kugelform, zu konstruieren.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann Energiebegrenzung durch spiralförmigen Energiefluß (Energy
Confinement by Vortex Power Flow – EC-VPF) die auf die Oberfläche ausgeübten Feedback-Kräfte kontrollieren.
Die Intensitätsreaktionsmuster
der spiralförmigen
Art, die in einer Struktur erzeugt werden, die statischen Vibrationen ausgesetzt
ist, weisen ein großes
Potential für
das Beschränken
des Vibrationsenergieflusses auf einen spezifischen Bereich der
Struktur auf. 2 zeigt eine zirkulierende Begrenzung 160 (d.h.
spiralförmiger
Energiefluß),
welche durch Kontrollieren der Größenordnungen und Phasen einer
Anordnung von hinzugefügten
Betätigern
herbeigeführt
werden kann. Das Herbeiführen
von Energieflußspiralen
durch ein aktives Kontrollsystem ist eine effiziente Weise, um Vibrationsenergiefluß von kritischen
Abschnitten 170 in einer Struktur 180 abzuleiten.
In bestimmten Anwendungen kann eine solche Ableitung von Vibrationsenergiefluß effektiver
sein als die herkömmlichen
Verfahren, die verwendet werden, um Vibrationsenergie zu unterdrücken oder
abzuleiten. Es wird festgehalten, daß die Energie, die erforderlich ist,
um Vibrationsenergie aktiv abzuleiten, deutlicher geringer sein
kann als die Energie zur aktiven Unterdrückung. Unter Bezugnahme auf 3 kann
eine spiralförmige
Begrenzung unter Verwendung einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung herbeigeführt
werden. Mehrere Bereiche 310 mit einem kreisförmigen Energiefluß werden
in der Oberfläche herbeigeführt, um
kritische Bereiche 320 der Oberfläche zu isolieren. Betätiger 302 innerhalb
der Oberflächenstruktur
werden verwendet, um die Begrenzungsenergieflüsse herbeizuführen.
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Wenn
eine verlustfreie Struktur einer äußeren Kraft ausgesetzt wird,
werden die natürlichen
Vibrationsmodi der Struktur nicht sofort erregt. Die äußere Energie,
die in die Struktur eingeführt
wird, breitet sich als progressive Welle durch die Struktur hindurch
aus, bis sie deren Grenzen erreicht. In Abhängigkeit von den Eigenschaften
der Grenze werden schwindende und reflektierte Wellen in der Struktur erzeugt.
Es ist die Wechselwirkung der Einfallswellen und reflektierten Wellen,
welche in einer Struktur stationäre
Wellen erzeugt. Diese Modusformen, die mit den gebildeten stationären Wellen
identisch sind, werden dann erregt. Daher führt das Vermeiden der Ausbildung
der stationären
Wellen zu einer Reduktion von strukturellen Vibrationen. Die progressive Wellenkontrolle
kann verwendet werden, um Vibrationen durch Eliminieren ihrer Quelle,
also der reflektierten Wellen, zu reduzieren. Letzterer Ansatz macht alle
strukturellen Vibrationsmodi inaktiv. Mit anderen Worten, eine finite
Struktur scheint Merkmale aufzuweisen, die jener einer infiniten
Struktur ähneln,
bei der sich keine Vibrationsmodi ausbilden. Die Kontrolltechnik
der stationären
Welle wiederum hängt
von der Produktion von stationären
Wellen ab, welche sich nicht auf die natürlichen Modi einer Struktur
einstellen. In diesem Fall dominieren die extern erzeugten stationären Wellen
die strukturelle Reaktion und unterdrücken dadurch den Energiefluß.
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Vibrationsintensitätsverteilungsmuster
(auch als Energieflußmuster
bezeichnet) können
in einer Struktur in zahlreiche unterschiedliche Muster umgesetzt
werden, beispielsweise – ohne
darauf beschränkt
zu sein – in
geradlinige, S-förmige
oder spiralförmige
Muster. Diese Energieflußmuster
weisen das Potential auf, überschüssige Vibrationsenergie auf
einen beschränkten
Bereich zu begrenzen oder den Energiefluß aus einem spezifizierten
Abschnitt einer Struktur heraus in einen anderen Bereich abzuleiten.
In beiden Fällen
bleibt der kritische Abschnitt der Struktur bei einem geringen Vibrationspegel.
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Die
Position und die Anzahl eines Satzes von Betätigern werden in einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet, um Energiebegrenzung herbeizuführen und
dadurch die Vibrationsenergie in der Nähe der Eingangsquelle einzufangen. Die
Größenordnung
einer Kraft, die durch die Betätiger
angewendet wird, und eine Phase der Kraft relativ zur Störung werden
ebenfalls verwendet, um eine spiralförmige Begrenzung herbeizuführen. Im
Gegensatz zu herkömmlichen
Verfahren, welche für
gewöhnlich
den Versuch unternehmen, überschüssige Vibrationsenergie
zu unterdrücken,
abzuleiten oder zu beseitigen, fängt
die Energiebegrenzung durch den Ansatz des spiralförmigen Energieflusses
Vibrationsenergie um die Störungsquelle
herum ein und weg von den kritischen Bereichen, während etwas von
der Energie während
des Verfahrens abgeleitet wird.
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Die 4A – 4C zeigen
drei mögliche Energieflußmuster,
die verwendet werden, um Energie in einer Struktur zu verwalten,
die durch eine Störungskraft
erregt und durch einen einzelnen Betätiger gesteuert wird. Die Energieflußmuster
sind geradlinig, S-förmig
und spiralenförmig.
Falls die Struktur erregt und nahe des ersten Biegemodus gesteuert wird,
fließt
Energie geradlinig (siehe 4A) von
der Störung 200 (oder
Quelle) zum Betätiger 202 (oder Senke)
Ein geradliniges Flußmuster
kann verwendet werden, um Energie aktiv zu der geeignetsten Position
innerhalb einer Struktur zu leiten. Das Erregen und Steuern der
Struktur nahe des vierten Biegemodus zwingt Energie in einem S-förmigen Muster
(siehe 4B) von der Störung 200 (oder
Quelle) zum Betätiger 202 (oder
Senke) zu fließen.
Kleine spiralförmige
Flüsse
können
gebildet werden. Ein S-förmiges
Flußmuster
kann in Fällen
nützlich
sein, in denen Energie über
komplexe Pfade zu wünschenswerten Positionen
innerhalb einer Struktur geleitet werden soll. Kleine und verschachtelte
spiralförmige
Muster, die mit S-förmigen
Flußmustern
koexistieren, können verwendet
werden, um mehrfache kritische Komponenten (d.h. empfindliche Elektronikteile
oder Sensoranordnungen) innerhalb einer Struktur zu isolieren, beispielsweise
die Oberfläche
eines Luft- oder Raumfahrzeuges. Schließlich können spiralförmige Energieflußmuster
(siehe 4C) herbeigeführt werden,
wenn die Struktur erregt und nahe des sechsten Biegemodus gesteuert
wird. Energie wird in einem kreisförmigen Muster um die Störung 200 (oder
Quelle) und den Betätiger 202 herum
eingefangen. Es wird beobachtet, daß die Störung und der Betätiger nicht
im Zentrum (oder „Auge") jedes spiralförmigen Musters
positioniert werden. Ein spiralförmiges
Energieflußmuster
ist nützlich
bei der Vermeidung der Ausbreitung von Energie von der Quelle weg.
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Die
vorliegende Erfindung kann im Vergleich zu herkömmlichen Oberflächen einen
bedeutenden Einfluß auf
die Reduktion oder Steuerung von ausgestrahlten Geräuschen haben.
In Bezug auf die Dämpfung
von ausgestrahlten Geräuschen
(wie die Reduktion von Geräuschen
im Inneren von Flugzeugen) und von akustischen Signalen sind Techniken
der aktiven Geräuschunterdrückung (Active
Noise Control – ANC)
und aktiven strukturellen akustischen Unterdrückung (Active Structural Acoustic
Control – ASAC)
in Niederfrequenzbereichen effektiv. Im Fall von ANC sind Sensoren
und Betätiger
(d.h. Mikrophone und Lautsprecher) erforderlich, die im akustischen
Feld positioniert werden müssen.
Im Fall von ASAC jedoch werden Sensoren und Betätiger (d.h. Beschleunigungsmesser
und PZT-Patches) für
gewöhnlich
innerhalb einer strahlenden Struktur integriert. Wie im Fall der
ASAC-Technik ermöglicht
die vorliegende Erfindung die Integration von Sensoren und Betätigern innerhalb
der Oberflächenstruktur. Was
jedoch das vorgeschlagene Verfahren von dem herkömmlichen ASAC-Ansatz unterscheidet
und wodurch es diesem überlegen
ist, ist der Umstand, daß Betätiger für den Zweck
des Lenkens und Verwaltens von Vibrationsenergie einer Oberflächenstruktur
verwendet werden, wodurch ihre Strahlungsenergie verringert wird,
indem proaktiv bestimmte Regionen einer Struktur für das Aufnehmen
von Vibrationsenergie begrenzt werden.
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Wie
oben erläutert
kann die vorliegende intelligente Oberfläche unter Verwendung eines
spiralförmigen
Energieflusses gesteuert werden. Die vorliegende Erfindung kann
auch Feedback-Kräfte
bereitstellen, die proportional zu räumlichen Ableitungen von Systemverschiebungen,
Geschwindigkeiten und/oder Beschleunigungen sind, um die Verteilung von
Vibrationsenergie in einer Struktur oder Maschine zu kontrollieren.
Wenn in den richtigen Proportionen angewendet, haben diese Feedback-Kräfte die Fähigkeit,
eine exponentiell variierende Vibrationsreaktionsgrößenordnung
in einer Struktur oder einem Bauteil zu erzeugen. Die Reaktion des
Systems als solche kann so gestaltet werden, daß sie Vibration in bestimmten
Regionen oder bei bestimmten Bauteilen unterdrückt oder verstärkt. Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung schließen Sensoren, Signalverarbeitung
und Betätiger
ein, um die Reaktion der Struktur zu überwachen, die räumlichen
Ableitungen der Systemverschiebungen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen
zu berechnen und die erforderlichen Feedback-Kräfte anzuwenden.
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In
einer Ausführungsform
verwendet die vorliegende Erfindung aktive Feedback-Betätigung,
um Vibrationsenergie auf spezifizierte Regionen der Oberfläche zu begrenzen,
indem die Vibrationseigenschaften des Systems modifiziert werden,
hierin als aktive Vibrationskontrolle durch Begrenzung (Active Vibration
Control by Confinement – AVCC)
bezeichnet. Dieser Ansatz unterscheidet sich insofern deutlich von
Vibrationskontrolltechniken des bekannten Stands der Technik, als
daß diese
Technik nicht nur die zeitabhängigen
Eigenschaften der Systemreaktion verwendet, sondern auch ihre raumabhängigen Eigenschaften.
Durch die Anwendung von Feedback-Kräften, die proportional zu den
räumlichen
Ableitungen der Systemverschiebungen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen
sind, werden Vibrationsmodi geändert,
um die Vibrationsenergie in der räumlichen Domäne zu begrenzen
oder neu zu verteilen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren kann die
Vibrationsreaktion des Systems unabhängig von der Art der Störung kontrolliert
werden.
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Die
vorliegende Erfindung unterscheidet sich von vorhergehenden Vibrationskontrollverfahren
auf mehreren Ebenen. Der wahrscheinlich größte Unterschied liegt in der
Begrenzung der Vibrationsenergie selbst. In Techniken des bekannten
Stands der Technik geht die Vibrationsreduktion davon aus, daß der Kontrollmechanismus
auf die ankommende Vibration reagiert. Das heißt, die Systeme sind reaktiv.
Das vorliegende Verfahren jedoch verbietet spezifizierten Regionen
eines Systems Vibrationsenergie anzunehmen. In diesem Sinne ist
der Ansatz proaktiv.
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Alle
gegenwärtig
verfügbaren
Verfahren zur Vibrationskontrolle gehen davon aus, daß sich die
Vibration in einen Kontrollbereich ausbreiten wird. Das heißt, die
unerwünschte
Vibration wird erst dann behandelt, wenn die Vibration einen kritischen
Bereich erreicht hat. Insbesondere bei Isolierungstechniken wird
angenommen, daß die
Vibration in einem System an der Schnittstelle zwischen zwei Bauteilen
vorhanden ist. An dieser Schnittstelle reagiert die Isolierung mit
der ankommenden Vibration, wodurch ihre Ausbreitung reduziert wird.
Im Fall der Absorption, ohne daß Vibration
zum Absorptionsmechanismus geliefert wird, ist sie unwirksam. Dieses Kontrollverfahren
reduziert dann die Vibrationsenergie in den restlichen Systembauteilen.
Unterdrückungstechniken
sind am effektivsten, wenn große
Energiemengen zum Dämpfungsmechanismus
geliefert werden. In diesem Fall ist es zuerst erforderlich, daß Vibration im
System vorhanden ist, und erst dann wird sie abgeleitet. Aktive
Vibrationskontrolltechniken des bekannten Stands der Technik hängen von
der Anwendung von Kräften
ab, welche der im System vorhandenen Vibration entgegenwirken und
diese aufheben. Bei diesen Kontrollmechanismen wird angenommen,
daß die
Vibration zuerst einen unerwünschten
Bereich erreicht und dann aufgehoben wird. Es ist klar, daß jeder
dieser Mechanismen in einem reaktiven Modus funktioniert.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung führen
Feedback-Kräfte,
die zu den räumlichen
Ableitungen der Systemverschiebungen, Geschwindigkeiten und/oder
Beschleunigungen proportional sind, Begrenzung herbei. Das Ergebnis
ist eine räumliche
Vibrationsbegrenzung in der Form von exponentiellem Abbau der Vibrationsgrößenordnung entlang
der Länge
der Struktur oder ihrer Bauteile. Als Ergebnis wird Vibration auf
nicht-kritische Bereiche des Systems begrenzt, wodurch Vibrationsenergie
daran gehindert wird, sich auf Regionen des Systems auszubreiten,
welche vibrationsfrei bleiben müssen.
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Wie
oben beschrieben, wird eine erste Art von Energieverwaltung oder
Begrenzung, die unter Verwendung der Oberflächenstruktur der vorliegenden
Erfindung verwendet werden kann, hierin als aktive Vibrationskontrolle
durch Begrenzung (AVCC) bezeichnet. Vibrationsenergiebegrenzung
kann durch eine geeignete Anwendung von aktiven Kräften unter
Verwendung von Oberflächenbetätigern erfolgen.
Dieser Ansatz kann verwendet werden, um die Umsetzung der Begrenzung über strukturelle
Designmodifikation oder begrenzende Elemente zu unterstützen oder
zu ersetzen. 5A und 5B zeigen
diese Art der Energiebegrenzung. Ein Abschnitt einer Oberflächenstruktur
wird in 5A mit Regionen maximaler Vibration 500 und
Regionen minimaler Vibration 510 dargestellt. Die Begriffe
minimal und maximal sind nicht absolut zu verstehen, sondern werden
verwendet, um deutliche Unterschiede zwischen Regionen der Struktur
aufzuzeigen. 5B ist ein Querschnitt der Oberfläche mit
repräsentativen Vibrationswellen 520,
die dargestellt sind. Es wird von Fachleuten dank der vorliegenden
Beschreibung erkannt werden, daß die
Betätiger
in der Oberfläche verwendet
werden können,
um Vibrationen auf spezifische Regionen zu begrenzen.
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Die
zweite Art von Energieverwaltung oder Begrenzung, die unter Verwendung
der Oberflächenstruktur
der vorliegenden Erfindung umgesetzt werden kann, wird hierin als
Energiebegrenzung durch spiralförmigen
Energiefluß (EC-VPF)
bezeichnet. Spiralförmige
Intensitätsreaktionsmuster
werden in der Oberflächenstruktur
erzeugt.
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Einige
der Unterschiede zwischen dem vorliegenden Energieverwaltungssystem
und gegenwärtig
angewendeten aktiven Vibrationsbegrenzungsverfahren sind in 6A und 6B graphisch
dargestellt. Die standardmäßigen Schritte
bei der Kontrolle von Vibrationen, die auf allgemeinen Praktiken
beruhen, sind in 6A dargestellt, während in 6B eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt wird. In 6A stellt
Schritt 600 die Anfangsphase eines offenen Schleifensystems
dar, bei dem die Struktur vibriert, wobei ihre Energie durch ihre
Domäne
hindurch ausgebreitet ist. Herkömmliche
Vibrationskontrollverfahren verwenden passive und/oder aktive Dämpfungselemente 610 (in
Schritt 602 gezeigte Kreise), die der Struktur hinzugefügt werden,
siehe Schritt 612. Nachdem die Dämpfungselemente aktiviert sind,
werden die Gesamtvibrationen der Struktur reduziert, wie in Schritt 620 dargestellt.
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Eine
Ausführungsform
des vorliegenden energiebasierten intelligenten Vibrationskontrollsystems
wird in 6B dargestellt. Schritt 630 zeigt
Energievibrationen 625 in einer Struktur. Die Struktur schließt Betätiger, wie
oben beschrieben, ein, welche gesteuert werden können, um Energie zu verwalten. Die
Energie der Struktur, dargestellt in Schritt 630, wird
zuerst von kritischen Bereichen der Struktur zu weniger kritischen
Bereichen bewegt, wie in Schritt 640 gezeigt. In diesem
dargestellten Beispiel wird angenommen, daß der Mittelabschnitt der Struktur
ein kritischerer Bereich ist, dessen überschüssige Vibrationen bedeutende
Auswirkung auf die Gesamtleistung, Sicherheit und Missionserreichbarkeit
der Struktur haben können.
Ferner wird angenommen, daß die
beiden Seitenabschnitte geeignete Regionen sind, um die überschüssige Vibrationsenergie
einzufangen. Die Energie wird entweder unter Anwendung des Verfahrens
der aktiven Kraftanwendung oder des spiralförmigen Lenkungsverfahrens,
wie oben erläutert,
begrenzt.
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Falls
gewünscht,
kann die überschüssige Vibrationsenergie
entweder durch Verwendung von passiven oder aktiven Elementen (in
Schritt 650 dargestellte Kreise 660) entfernt
oder reduziert werden. Die resultierende Energieverwaltung der Struktur wird
in Schritt 670 dargestellt. Nachdem die Vibrationsenergie über die
konzentrierten Dämpfungselemente
entfernt ist, weisen die ausgewählten
kritischen Bereiche eine um mehrere Größenordnungen kleinere Vibrationsenergie
auf als die nicht-kritischen Bereiche, Schritt 680. Es
sollte beachtet werden, daß selbst
die nicht-kritischen Teile geringere Vibrationspegel aufweisen,
wenn sie mit allgemeinen passiven und aktiven Praktiken verglichen
werden. Das Verbinden von räumlicher
Begrenzung von Vibrationen und die konzentrierten passiven und/oder
aktiven Dämpfungselemente
sind die zwei charakteristischen Merkmale einer Ausführungsform
des Energieverwaltungsansatzes der vorliegenden Erfindung. Räumliche
Begrenzung der Vibrationsenergie unter Verwendung der Oberflächenstruktur
ermöglicht
Systemdesignern und Steuerungsexperten, eine begrenzte Anzahl an
passiven Elementen und aktiven Betätigern besser zu verwenden,
deren Energieanforderungen immer ein Problem darstellten.
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Die
vorliegende Erfindung weist deutliche Vorteile gegenüber anderen
verfügbaren
Verfahren auf. Die Anwendung von AVCC auf vibrierende Oberflächensysteme
ermöglicht
es spezifizierten Regionen der Oberfläche, einen akzeptablen Vibrationspegel
schneller zu erreichen als dies mit Ansätzen des bekannten Stands der
Technik möglich
ist. Es ist denkbar, die vorliegende Erfindung umzusetzen, um Vibrationsenergie
einfach daran zu hindern, sich in die kritischen Regionen der Oberfläche auszubreiten. Die
vorliegende Erfindung hat jedoch die Fähigkeit, den absoluten Vibrationspegel
auf Pegel unterhalb jener des bekannten Stands der Technik zu reduzieren.
Die Neuverteilung von Vibrationsenergie, wie in der vorliegenden
AVCC-Erfindung ausgeführt,
führt dazu,
daß weniger
Energie für
das Umleiten als für das
Beseitigen der Vibration benötigt
wird. Die vorliegende Erfindung kann weniger Energie und weniger Betätiger erfordern
als die aktiven Vibrationsbeseitigungsverfahren des bekannten Stands
der Technik, da die Verfahren des bekannten Stands der Technik eine
Vibrationsbeseitigung bei allen Teilen des Systems erfordern.
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Die
vorliegende Erfindung unterscheidet sich von den gegenwärtig im
Handel verfügbaren
Verfahren dadurch, daß sie
eine Reihe von Kräften
herbeiführt,
die zu der räumlichen
Ableitung (d.h. Belastung, Scherkraft) der Struktur am Punkt der
Anwendung proportional sind. Ferner weisen spiralförmige Intensitätsreaktionsmuster,
die in einer Struktur erzeugt werden, die stationären Vibrationen
ausgesetzt ist, ein starkes Potential für das Begrenzen des Vibrationsenergieflusses
in einen spezifischen Bereich der Struktur auf.
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Es
gibt einen offensichtlichen Bedarf an einem effektiven und kostengünstigen
Vibrationskontrollsystem, das sowohl für militärische als auch kommerzielle
Anwendungen geeignet ist. Oberflächenstrukturen
finden Anwendung in kommerziellen Wasserfahrzeugen, Luftfahrzeugen,
Raumfahrzeugen, Automobilen, Marinesystemen, Maschinen, Maschinenwerkzeugen
und Haushaltsgeräten.
Zum Beispiel zeigt 5 ein vereinfachtes Flugzeug 300 mit
einer Oberflächenstruktur
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die Oberflächenstruktur
kann auf bestimmte Stellen des Flugzeuges begrenzt sein.
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Die
Oberflächenstruktur
der vorliegenden Erfindung kann bei Fahrzeugen angewendet werden, deren
lasttragende Oberflächen
einen kritischen Teil darstellen und direkt die Leistung und Funktionalität des Fahrzeuges
beeinflussen. Passagier- und Kampfflugzeuge, Raumfahrzeuge, unbemannte
Luft- und Unterwasserfahrzeuge, U-Boote, Oberwasserschiffe und Automobile
werden von der Verwendung der vorliegenden Erfindungen profitieren.
Im Fall von Passagierflugzeugen kann die Oberfläche benutzt werden, um Kabinenlärm zu beseitigen,
welcher für die
Branche eines der größten Probleme
darstellt. Die Erfindung kann auch bei Systemen verwendet werden,
deren Oberfläche
kein lasttragendes Element ist. Eine der vielversprechendsten und
aufregendsten kommerziellen Anwendungen ist die intelligente „Tapete" (d.h. eine sehr
dünne Oberfläche). In einem
Raum oder Auditorium, dessen Wände
aus der vorliegenden Oberfläche
bestehen, können
die akustischen Eigenschaften des Raums geändert werden. Zusätzlich kann
die vorliegende Erfindung bei Computergehäusen verwendet werden, um den Lärm, der
in Bürobereichen,
Reinräumen
und Qualitätsüberprüfungsräumen ausgestrahlt
wird und in denen selbst kleinste Störungen nicht toleriert werden können, zu
reduzieren. Die Unterdrückung
von Vibration und Stoß sind
bei vielen Systemen wie Antennen, Flugsystemen, Flugzeugen, Trägerraketen, Raumfahrtsstrukturen
und Boden- sowie Seefahrzeugen auch sehr kritisch. Eine weitere
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung schließt ein Oberflächenmaterial
ein, das als Band ausgebildet ist und auf eine Oberfläche aufgetragen
werden kann, um Vibrationen in der Oberfläche zu verwalten. In dieser Ausführungsform
ist das Band ähnlich
der oben beschriebenen Oberfläche.
Das Band ist jedoch im wesentlichen flexibel und kann eine äußere Schicht,
beispielsweise eine Metallschicht, enthalten. Im Gegenzug weisen
die Betätiger
des Bands eine dünne Schicht
auf, welche sie von der hinzugefügten
Oberfläche
trennen.
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Alle
hierin beschriebenen Ausführungsformen
können über ein
Netzteil verfügen.
Das heißt, die
Betätiger
erfordern eine Leistungsversorgung. Diese Leistungsversorgung kann
durch Verwendung der Sensoren erzeugt werden. Zum Beispiel können piezoelektrische
Sensoren/Betätiger
verwendet werden, um Leistung aus der Energie zu erzeugen, die in der
Oberflächenstruktur
vorhanden ist. Diese Leistung kann kanalisiert werden, um das System
mit Leistung zu versorgen oder Batterien für das System aufzuladen.
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Zusammenfassend
ist festzuhalten, daß die vorliegende
Erfindung in kommerziellen Wasser-, Luft-, Raumfahrzeugen, Automobilen,
Seefahrtssystemen, Maschinen, Maschinenwerkzeugen, Haushaltsgeräten und
Arbeitsplatzrechnern verwendet werden kann. Sie kann auch in Gebäuden, Brücken und
Offshore-Ölplattformen
verwendet werden. Eine weitere kommerzielle Anwendung sind Produktions- und
Verarbeitungsanlagen. Eine intelligente Struktur mit eingebetteten
Energieverwaltungseigenschaften wird überschüssigen Lärm und Vibrationen der Maschinen,
die in diesen Anlagen verwendet werden, reduzieren und dadurch die
Produktivität,
Qualität und
Rentabilität
erhöhen.
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7 zeigt
ein Flußdiagramm
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Während
des Betriebs erfassen die Sensoren, die mit der Oberflächenstruktur 680 verbunden
sind, Vibrationen, Schritt 700. Ein externer Prozessor
verarbeitet bei Schritt 702 die Sensorausgänge. Der
Prozessor bestimmt die geeigneten Feedback-Kräfte, die auf die Oberfläche unter
Verwendung der Betätiger
anzuwenden sind, Schritt 706. Die Sensoren überwachen
weiterhin die Vibrationen, um zu bestimmen, ob die Vibrationen geändert wurden.
Der Prozessor kann die Betätiger
weiterhin anpassen, bis der gewünschte
Grad an Begrenzung erreicht ist. In einer alternativen Ausführungsform
wird eine Nachschlagtabelle Stammdaten vom Prozessor verwendet,
um zu ermitteln, ob es in der Struktur zu Defekten gekommen ist.
Das heißt, Risse
oder andere Defekte, die sich in einer Oberfläche ausbilden, können die
Vibrationsreaktion des Systems ändern.
Der Prozessor kann diese Änderungen
erfassen. Danach kann der Prozessor eine Warnung bei Schritt 712 ausgeben,
daß ein
potentieller Defekt erkannt wurde und eine Überprüfung erforderlich ist. Der
Prozessor wendet dann die Feedback-Kräfte auf die Betätiger und
die umgebenden Betätiger
an, um die Möglichkeit
einer Ausbreitung des Defektes zu reduzieren.
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Schlußfolgerung
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Es
wurde eine intelligente Oberflächenstruktur
mit Energieverwaltungsfähigkeiten
und Energielenkungsfähigkeiten
beschrieben. Die Oberfläche kann
verwendet werden, um Vibrationen in der Oberfläche oder dem Gehäuse eines
Systems, eines Unterbauteils, Geräts oder einer Struktur zu verwalten. Die
Oberfläche
weist Sensoren auf, welche mit der Oberfläche verbunden sind, um eine
Reaktion auf Vibrationen zu erhalten. Betätiger, die mit der Oberfläche eine
Einheit bilden, können
selektiv aktiviert werden, um Kräfte
auf die Oberfläche
anzuwenden, um Vibrationsenergie auf eine oder mehrere vorbestimmte
Oberflächenbereiche
zu begrenzen oder umzuleiten. Die durch die Betätiger angewendeten Kräfte können gesteuert
werden, um Begrenzungsenergieflüsse
zu erzeugen. Ferner können
die Oberflächenbetätiger unter
Verwendung von räumlichen Ableitungen
der Vibrationskräfte
gesteuert werden. Die Struktur kann – ohne darauf beschränkt zu sein – in Wasserfahrzeugen,
Luft-, Raumfahrzeugen, Automobilen, Seefahrzeugen, industriellen
Maschinen, Maschinenwerkzeugen, Haushaltsgeräten, Gebäuden, Brücken und Offshore-Plattformen verwendet werden.