DE60107598T2 - Smart-skin strukturen - Google Patents

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DE60107598T2
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vibrations
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Daryoush Allaei
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M5/00Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
    • G01M5/0066Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by exciting or detecting vibration or acceleration
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16FSPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16FSPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/005Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion using electro- or magnetostrictive actuation means
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M5/00Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
    • G01M5/0033Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by determining damage, crack or wear

Description

  • TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
  • 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.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Das Dokument DE-A-198 13 959 aus dem bekannten Stands der Technik offenbart die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 und 11.
  • 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.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1A zeigt eine Draufsicht einer Strukturoberfläche einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 1B zeigt eine perspektivische Ansicht einer Strukturoberfläche einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 1C zeigt eine Querschnittsansicht einer Strukturoberfläche einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 1D zeigt eine Querschnittansicht einer flachen Strukturoberfläche einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem passiven Element;
  • 1E zeigt eine Querschnittsansicht einer gebogenen Strukturoberfläche einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem passiven Element;
  • 2 zeigt eine zirkulierende Begrenzung, die unter Verwendung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung herbeigeführt werden kann;
  • 3 zeigt eine spiralförmige Begrenzung, die unter Verwendung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung herbeigeführt werden kann;
  • 4A4C zeigt drei mögliche Energieflußmuster, die verwendet werden, um Energie in einer Struktur zu verwalten, die von einer Störkraft erregt wird;
  • 5A und 5B zeigt eine Ausführungsform einer Oberflächenstruktur, welche Vibrationen unter Verwendung spezieller Ableitungen begrenzt;
  • 6A und 6B zeigt einige Unterschiede zwischen einem Energieverwaltungssystem einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und gegenwärtig verwendeten aktiven Vibrationsbegrenzungsverfahren; und
  • 7 ist ein Flußdiagram einer Vibrationsbegrenzung und Defekterfassung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die 4A4C 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Schlußfolgerung
  • 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.

Claims (16)

  1. Struktur, umfassend: eine Oberfläche (100, 152) und mit der Oberfläche verbundene Sensoren zum Messen der Vibrationen der Oberfläche, gekennzeichnet durch Betätiger (102, 202, 302), 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.
  2. Struktur nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche (100, 152) ein Oberflächenmaterial umfaßt, das eine äußere Schicht (110) hat und wobei die Sensoren verbunden sind mit der äußeren Schicht zum Messen von Vibrationen in der äußeren Schicht und mit den Betätigern (102, 202, 302), die eine Einheit bilden mit der Oberfläche (100, 152).
  3. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Struktur eingefügt ist in ein Transportmittel, ein Verbrauchergerät oder eine Produktionsausrüstung.
  4. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Betätiger (102, 202, 302) piezoelektrische Stäbchen umfassen.
  5. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Sensoren piezoelektrische Stäbchen umfassen, die integral in der Oberfläche (100, 152) gebildet sind.
  6. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Sensoren mit einer Steuereinheit zum Ermitteln von Vibrationskräften und zum Liefern von Steuersignalen an die Betätiger (102, 202, 302) verbunden sind.
  7. Struktur nach Anspruch 6, wobei die Steuersignale die Betätiger (102, 202, 302) aktivieren, um entweder einen Energiefluß mit geradlinigem Muster in der Oberfläche (100, 152), einen Energiefluß mit S-förmigem Muster in der Oberfläche (100, 152) oder einen Energiefluß mit spiralförmigem Muster in der Oberfläche (100, 152) bereitzustellen.
  8. Struktur nach Anspruch 6, wobei die Steuersignale die Betätiger (102, 202, 302) basierend auf räumlichen Ableitungen der erfaßten Vibrationskräfte aktivieren.
  9. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Struktur entweder flach oder gebogen ist.
  10. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, des weiteren umfassend ein passives Dämpfungselement (154, 158), das mit der Oberfläche (100, 152) verbunden ist.
  11. Verfahren zum Kontrollieren von Vibrationen in einer Oberflächenstruktur (100, 152), umfassend: Ermitteln der Vibrationen in der Oberflächenstruktur (100, 152), gekennzeichnet durch Anwenden von Feedback-Kräften auf Betätiger (102, 202, 302), die integral in der Oberflächenstruktur (100, 152) gebildet sind, um Vibrationsenergie umzuleiten.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, des weiteren vor dem Anwenden der Feedback-Kräfte auf die Betätiger (102, 202, 302), die integral in der Oberflächenstruktur (100, 152) gebildet sind, um die Vibrationsenergie umzuleiten, umfassend: Verarbeiten der ermittelten Vibrationen zum Bestimmen angemessener anzuwendender Feedback-Kräfte, Vergleichen der bestimmten Feedback-Kräfte mit historischen Daten, und Bestimmen, ob ein Defekt in der Oberflächenstruktur (100, 152) vorhanden ist.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12, wobei das Anwenden der Feedback-Kräfte auf die Betätiger (102, 202, 302), die integral in der Oberflächenstruktur (100, 152) gebildet sind, um Vibrationsenergie umzuleiten, ein Umleiten der Vibrationsenergie in eine oder mehrere vorbestimmte Regionen der Oberflächenstruktur (100, 152) umfaßt.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, des weiteren umfassend ein Ableiten der umgeleiteten Vibrationsenergie aus der einen oder mehreren vorbestimmten Regionen) der Oberflächenstruktur (100, 152) durch Verwenden eines passiven Ableitungselements (154, 158).
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei das Anwenden der Feedback-Kräfte auf Betätiger (102, 202, 302), die integral in der Oberflächenstruktur (100, 152) gebildet sind, um Vibrationsenergie umzuleiten, ein Erzeugen eines Energieleistungsflußmusters in der Oberflächenstruktur umfaßt (100, 152).
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15 und des weiteren umfassend: Erzeugen einer Versorgungsspannung unter Verwendung von Sensoren, die mit der Oberflächenstruktur (100, 152) verbunden sind, wobei die Sensoren die Versorgungsspannung in Reaktion auf die Vibrationsenergie in der Oberflächenstruktur (100, 152) erzeugen, und Anlegen der Versorgungsspannung an die Betätiger (102, 202, 302).
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