DE10040994C2 - Arrangement for generating sound in the low to high frequency range - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von Schall im nieder- bis hochfrequenten Be­ reich gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an arrangement for generating sound in low to high frequency loading rich according to the preamble of claim 1.

Aus Hufenbach, W.; Kroll, L.; Gude, M.: Deformation States of Unsymmetric Fibre-Reinforced Composites Dependent on Residual Stresses, Proceedings of SAMPE EUROPE/JEC Conference, Paris, France (1999), 341-352 ist bekannt, dass sich bei unsymmetrischen Mehrschichtverbunden (MSV) aufgrund ungewohnter Anisotropieeffekte in Kombination mit herstellungsbedingten Eigen­ spannungen bzw. anderen Beanspruchungen multistabile Verformungszustände mit zum Teil großen Deformationen ausbilden können. Um derartige unerwünschte Effekte zu vermeiden, werden daher in technischen Anwendungen bislang vorwiegend Mehrschichtverbunde mit einem symmetrischem Auf­ bau verwendet.From Hufenbach, W .; Kroll, L .; Gude, M .: Deformation States of Unsymmetric Fiber-Reinforced Composites Dependent on Residual Stresses, Proceedings of SAMPE EUROPE / JEC Conference, Paris, France ( 1999 ), 341-352 it is known that asymmetrical multilayer composites (MSV) due to unusual anisotropy effects in combination with manufacturing-related internal stresses or other stresses can form multistable deformation states with large deformations. In order to avoid such undesirable effects, multi-layer composites with a symmetrical structure have so far been used in technical applications.

Weiterhin ist bekannt, dass in Faserverbundstrukturen aktive Schichten etwa aus Piezokeramiken oder Formgedächtnislegierungen integriert werden können, mit dem Zweck, durch elektrische Anre­ gung der aktiven Schicht definierte Verformungen der Gesamtstruktur oder Spannungszustände her­ beizuführen (vgl. DE 196 24 204 C1; DE 196 31 026 A1; DE 199 08 972.8; US 4,349,762; US 4,868,447), wobei hier nicht der Multistabilitätseffekt von Schichtverbunden genutzt wird.It is also known that active layers in fiber composite structures, for example made of piezoceramics or shape memory alloys can be integrated with the purpose of electrical stimulation defined deformation of the overall structure or stress states to be provided (cf. DE 196 24 204 C1; DE 196 31 026 A1; DE 199 08 972.8; US 4,349,762; US 4,868,447), whereby the multi-stability effect of layered composites is not used here.

Multistabile Deformationszustände unsymmetrischer Mehrschichtverbunde lassen sich durch Integra­ tion von aktiven Schichten beeinflussen und so zum Aufbau von Kraft- und Wegübersetzern sowie von Stellelementen nutzen. Das Funktionsprinzip und die Bauweisen solcher Funktionsmultistabiler Hybridverbunde (FMH) als Kraft- und Wegübersetzer sind in der Offenlegungsschrift DE 100 13 821.7 detailliert beschrieben.Multi-stable deformation states of asymmetrical multi-layer composites can be achieved with Integra tion of active layers and thus to build force and path translators as well of control elements. The principle of operation and the construction of such functional multi-stable Hybrid networks (FMH) as force and path translators are in the published patent application DE 100 13 821.7 described in detail.

Aus Entwicklungen etwa im Automobilbereich ist ferner bekannt, im Rahmen der Fahrzeugakustik eine Unterdrückung von Innengeräuschen durch gezielte Beeinflussung der schallerzeugenden sowie schallübertragenden Systemelemente mit Hilfe von funktionsadaptiven Werkstoffen zu erreichen (vgl. etwa Schraff, K.; Schulz, J.: Verbesserung der Sprachqualität im Fahrzeug, DAGA 2000, 20.-23.­ 03.2000 Oldenburg oder Schirmcher, R.; Lippold, R.; Martner, O.: Aktive Klangbeeinflussung in einem PKW, DAGA 2000, 20.-23.03.2000 Oldenburg). Dagegen wurde bei der Beeinflussung von Geräuschen, die etwa durch Verschlussmechanismen von Fahrzeugtüren, Haushaltsgerätetüren bzw. anderen Klappsystemen erzeugt werden, bislang auf simple mechanische passive Hilfsmittel zurückgegriffen.From developments in the automotive sector, for example, it is known to suppress interior noise within the framework of vehicle acoustics by systematically influencing the sound-generating and sound-transmitting system elements with the aid of function-adaptive materials (cf.for example Schraff, K .; Schulz, J .: Improving speech quality in the vehicle DAGA 2000 20th to 23rd 03.2000 Oldenburg or Schirmcher, R .; Lippold, R .; Martner, O .: Active sound Control in a car, DAGA 2000, 20. 23.03.2000-Oldenburg). In contrast, simple mechanical passive aids have hitherto been used to influence noises that are generated, for example, by locking mechanisms of vehicle doors, household appliance doors or other folding systems.

Aus der US 5,831,371 A ist eine Anordnung bekannt, bei der ein Biegeaktuator auf einem vorgeformten metallischen Träger vorgesehen ist. Insofern handelt es sich um eine Mehrschichtstruktur mit aktiven und passiven, vorgeformten Schichten. Die Anordnung kann zwei stabile Lagen einnehmen. Auf dem vorgeformten metallischen Träger sind eine Reihe von Schichten aufgebracht, mit dem der Träger von einem in den anderen Zustand überführt werden kann. Dazu dient eine elektrisch aktive Schicht, die sich von zwei Seiten mittels Kontaktschichten ansteuern lässt, und sich in die eine oder die andere Richtung krümmt. Die Krümmung der elektrisch aktiven Schicht wird mittels adhäsiver Schichten auf den Träger übertragen.From US 5,831,371 A an arrangement is known in which a bending actuator on a preformed metallic support is provided. In this respect, it is a Multi-layer structure with active and passive, preformed layers. The arrangement can take two stable layers. There are a number of on the preformed metallic support Layers applied with which the carrier can be transferred from one state to the other can. An electrically active layer, which can be used from two sides, serves for this purpose Control contact layers, and bends in one direction or the other. The Curvature of the electrically active layer is applied to the carrier by means of adhesive layers transfer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Anordnung mit einer Membran zur Erzeugung von Schall im nieder- bis hochfrequenten Bereich anzugeben, die weitestgehend ohne die typischen Elemente eines elektrodynamischen Wandlers auskommt.The invention has for its object a simple arrangement with a membrane Generation of sound in the low to high frequency range to specify the largely without the typical elements of an electrodynamic converter get along.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.According to the invention the object is achieved with the features mentioned in claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.Advantageous refinements are the subject of dependent claims.

Zur Lösung der Aufgabe wird als Membran ein funktionsmultistabiler Hybridverbund eingesetzt, dessen gezieltes geräuschemittierendes Umschlagen von einem stabilen Zustand in einen anderen Gleichgewichtszustand genutzt wird. Damit dienen die FMH als steuerbare Schallgeber, die den akustischen Komfort von Verschlussmechanismen deutlich verbessern. Die Realisierung einer aktiven Klangbeeinflussung hochfrequenter Geräuschkomponenten erfolgt hierbei etwa durch die Konzipierung und Implementierung geeigneter Folien bzw. Fasern aus piezokeramischen Werkstoffen oder anderen Funktionswerkstoffen in multistabile MSV. Funktionsweisen und Strukturaufbau derartiger multistabiler MSV sind in DE 100 13 821.7 detailliert beschrieben, wobei der gewünschte Kopplungseffekt durch werkstoffspezifische Parameter, wie Faser/Matrixkombination, Faserorientierung, Faservolu­ mengehalt und Schichtaufbau gezielt eingestellt wird.To solve the problem, a functionally multi-stable hybrid composite is used as the membrane, its targeted noise-emitting change from a stable state to one other equilibrium state is used. The FMH thus serve as controllable sound generators, which significantly improve the acoustic comfort of locking mechanisms. The realization Active sound influencing of high-frequency noise components takes place here, for example by designing and implementing suitable foils or fibers piezoceramic materials or other functional materials in multistable MSV. Functions and structure of such multistable MSV are in DE 100 13 821.7 described in detail, with the desired coupling effect  through material-specific parameters such as fiber / matrix combination, fiber orientation, fiber volu amount and layer structure is set specifically.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung läßt sich aktiv auf die Klangbeeinflussung von Verschluss- und Öffnungsgeräuschen von Fahrzeug- bzw. Haushaltsgerätetüren mittels multistabiler Mehrschichtver­ bunde Einfluß nehmen. Die Realisierung einer aktiven Klangbeeinflussung hochfrequenter Geräusch­ komponenten erfolgt hierbei durch Nutzung von Umschlaggeräuschen zwischen unterschiedlichen Gleichgewichtslagen von Funktionsmaterialien. Mit derartigen adaptiven multistabilen Verbunden soll die Funktion eines Aktuators als Schallgeber realisiert werden, der den Stabilitätszustand gezielt ver­ ändert und ein Umklappen der Struktur mit einer einhergehenden gewünschten Geräuschemission auslöst. Die in den Verbund eingebetteten Funktionsmaterialien können gleichzeitig auch sensorische Aufgaben übernehmen.With the solution according to the invention it is possible to actively influence the sound of the shutter and Opening noises of vehicle or household appliance doors using multi-stable multi-layer ver to exert a strong influence. The realization of an active sound influencing high-frequency noise Here, components are made by using envelope noises between different ones Equilibrium positions of functional materials. With such adaptive multistable connections the function of an actuator can be realized as a sound generator, which ver ver the stability state changes and a collapse of the structure with an associated desired noise emission triggers. The functional materials embedded in the composite can also be sensory at the same time Take on tasks.

Wichtige Optimierungsparameter zur Einstellung gewünschter Schallfrequenzen sind dabei der Struktur- und Strukturwerkstoff. Durch diese schallerzeugende Hybridverbunde lassen sich psychoa­ kustisch angenehme Sounds generieren, welche das angestrebte akustische Komfort und den Ein­ druck einer zuverlässigen Funktionalität verstärken.Important optimization parameters for setting the desired sound frequencies are the Structural and structural material. These sound-generating hybrid networks allow psychoa generate acoustically pleasant sounds, which are the desired acoustic comfort and the on Enhance printing of reliable functionality.

Grundsätzlich lässt sich der die gewünschte Schallemission erzeugende Umschlagvorgang von FMH durch die integrierten aktiven Materialien auslösen und danach wieder durch diese Funktionsmateria­ lien in den Ausgangszustand überführen. Eine weitere Möglichkeit den Umschlagvorgang auszulösen, besteht in der Nutzung der mechanischen Energie, die etwa beim Schließen von Türen entsteht. Die Rückkehr zum Ausgangszustand kann dann wiederum durch Ausnutzung der Funktionsmaterialien (z. B. Drähte aus Formgedächtnislegierungen) erfolgen.Basically, the handling process that generates the desired sound emission can be done by FMH triggered by the integrated active materials and then again by this functional material lien to the initial state. Another way to trigger the handling process consists in the use of the mechanical energy that arises when doors are closed. The You can then return to the initial state by using the functional materials (e.g. wires made from shape memory alloys).

Die zu integrierenden ansteuerbaren Funktionsmaterialien können aus piezoelektrischen, elektrostrik­ tiven und magnetostriktiven Keramiken, Polymeren bzw. Legierungen, Formgedächtnislegierungen oder elektrorheologischen Flüssigkeiten bestehen. Der übrige faserverstärkte Mehrschichtverbund besteht aus passiven, insbesondere geschichteten anisotropen Materialien, der durch einen unsymme­ trischen Aufbau verschiedene stabile Gleichgewichtslagen aufweist. Auch der Einsatz von aktiven Fasern in den Verbund kann vorteilhaft zum Aufbau von Schallgebern genutzt werden. The controllable functional materials to be integrated can be made of piezoelectric, electrostric tive and magnetostrictive ceramics, polymers or alloys, shape memory alloys or electrorheological fluids. The rest of the fiber-reinforced multilayer composite consists of passive, in particular layered anisotropic materials, which are characterized by an asymmetrical structure has different stable equilibrium positions. Even the use of active ones Fibers in the composite can advantageously be used to build sounders.  

Mit Hilfe der Erfindung lassen sich elektroakustisch unangenehme Geräusche, wie das Schwingen dünner Blechkomponenten, durch angenehme Klänge, wie das Einrasten von hochwertigen Uhrwerk­ schaltern, ersetzen. Der so neu komponierte Klang übertönt nicht nur unangenehme Verschluss- und/oder Öffnungsgeräuschen; vielmehr bekommt der Konsument dabei den Eindruck einer zuverläs­ sigen, hochqualitativen Verschlussfunktion.With the help of the invention, electro-acoustically unpleasant noises, such as swinging thin sheet metal components, through pleasant sounds, such as snapping high-quality clockwork switch, replace. The newly composed sound not only drowns out unpleasant closure- and / or opening noises; rather, the consumer gets the impression of being reliable high quality locking function.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeich­ nungen zeigen:The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments. In the drawing shows:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer erfindungsgemäßen Anordnung Fig. 1 is a schematic representation to illustrate an arrangement according to the invention

Fig. 2 ein schematischer Aufbau einer erfindungsgemäßen Membran Fig. 2 is a schematic structure of a membrane according to the invention

In der Fig. 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung dargestellt. Eine etwa rechteckige Membran 1 wird oberhalb und unterhalb von einer Einspannung 2 gehalten. In der Einspannung 2 ist eine elastische Lagerung 3 vorgesehen, die Bewegungen der Membranenden ausgleicht. An aktive Funktionselemente 4 und ggf. vorhandene Sensorelemente in der Membran 1 ist eine Regelungs- und Steuereinheit 5 angeschlossen. Die Membran 1 ist in einem Ausgangszustand dargestellt. Ein ein­ nehmbarer Endzustand ist gestrichelt gezeigt.An arrangement according to the invention is shown schematically in FIG. 1. An approximately rectangular membrane 1 is held above and below a clamping 2 . An elastic mounting 3 is provided in the clamping 2 , which compensates for movements of the membrane ends. A regulation and control unit 5 is connected to active functional elements 4 and any sensor elements present in membrane 1 . The membrane 1 is shown in an initial state. An acceptable final state is shown in dashed lines.

In der Fig. 2 ist ein schematischer Aufbau einer erfindungsgemäßen Membran 1 dargestellt. Die Membran 1 ist ein Mehrschichtverbund aus zwei faserverstärkten Faser-Kunststoffverbund (FKV)- Lagen, deren Faserorientierung 90° zueinander versetzt ist. Jede der beiden Lagen nimmt durch ihre Faserverstärkung eine bevorzugte Gleichgewichtslage ein. Durch den Verbund ergeben sich zwei stabile Gleichgewichtszustände. Für den Übergang von einem in den anderen Gleichgewichtszustand sind ansteuerbare Funktionselemente 4 vorgesehen.In FIG. 2, a schematic configuration of a membrane 1 according to the invention. The membrane 1 is a multi-layer composite of two fiber-reinforced fiber-plastic composite (FKV) layers, the fiber orientation of which is offset by 90 ° to one another. Each of the two layers has a preferred equilibrium position due to its fiber reinforcement. The combination results in two stable equilibrium states. Controllable functional elements 4 are provided for the transition from one to the other state of equilibrium.

Die Funktionselemente 4 in der Fig. 2 bilden Schichten, die mittig in den jeweiligen 0°- und 90°- FKV-Lagen integriert sind. Es ist aber je nach Problemstellung auch eine andere Anordnung möglich. Dabei kommt eine Anordnung der Funktionselement/Schicht(en) exzentrisch, einseitig oder als Deck­ schichten in Betracht. In Abhängigkeit von dem passiven Trägermaterials, des Verbundaufbaus und Beschichtungen lassen sich beim Übergang von einem in einen anderen stabilen Gleichgewichtszustand gezielt Geräusche in bestimmten Frequenzbereichen erzeugen. Diese Frequenzbereiche lassen sich darüber hinaus von der Art der elastischen Lagerung der Membran 1 beeinflussen. So ist neben einer elastischen Lagerung an den Membranrändern auch eine Fixierung der Membran 1 in der Mitte möglich.The functional elements 4 in FIG. 2 form layers which are integrated in the center in the respective 0 ° and 90 ° FKV layers. Depending on the problem, a different arrangement is also possible. An arrangement of the functional element / layer (s) eccentric, one-sided or as outer layers can be considered. Depending on the passive carrier material, the composite structure and the coatings, it is possible to generate specific noises in certain frequency ranges when changing from one stable state of equilibrium to another. These frequency ranges can also be influenced by the type of elastic mounting of the membrane 1 . In addition to an elastic mounting on the membrane edges, it is also possible to fix the membrane 1 in the middle.

Claims (6)

1. Anordnung zur Erzeugung von Schall im nieder- bis hochfrequenten Bereich, bestehend aus einer in einer Einspannung (2) gelagerten schwingfähigen Membran (1) mit mindestens einer vorgespannten passiven Schicht und mindestens einer Schicht aus einem ansteuerbaren Funktionselement (4), einer Ansteuereinheit (5) zur Anregung von Schwingungen in der Membran (1), die mit dem ansteuerbaren Funktionselement (4) der Membran (1) verbunden ist, wobei die Membran (1) von einer in eine andere Gleichgewichtslage überführt werden kann und beim Übergang von einer in eine andere Gleichgewichtslagen von der Membran (1) ein elektroakustischer Schall im nieder- bis hochfrequenten Bereich erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (1) mehrere passive, gegeneinander verspannte Schichten mit unsymmetrischem Schichtaufbau aus anisotropen Werkstoffen aufweist. 1. Arrangement for generating sound in the low to high-frequency range, consisting of an oscillatable membrane ( 1 ) mounted in a clamping ( 2 ) with at least one prestressed passive layer and at least one layer consisting of a controllable functional element ( 4 ), a control unit ( 5 ) to excite vibrations in the membrane ( 1 ), which is connected to the controllable functional element ( 4 ) of the membrane ( 1 ), wherein the membrane ( 1 ) can be transferred from one to another equilibrium position and in the transition from one to another equilibrium position of the membrane ( 1 ) an electroacoustic sound is generated in the low to high frequency range, characterized in that the membrane ( 1 ) has a plurality of passive, mutually braced layers with asymmetrical layer structure made of anisotropic materials. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ansteuerbaren Funktionsele­ mente (4) aus piezoelektrischen, elektrostriktiven und magnetostriktiven Keramiken, Polymeren, Legierungen oder Formgedächtnislegierungen bestehen.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the controllable functional elements ( 4 ) consist of piezoelectric, electrostrictive and magnetostrictive ceramics, polymers, alloys or shape memory alloys. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die ansteuerbaren Funkti­ onselemente (4) eine Formgedächtnislegierungen vorgesehen ist, die in Form von dünnen Dräh­ ten in den Mehrschichtverbund eingebracht oder appliziert sind.3. Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that for the controllable Funkti onselemente ( 4 ) a shape memory alloy is provided, which are introduced or applied in the form of thin wires in the multilayer composite. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drähte direkt in Gewirke, Ge­ webe, Geflechte oder Gestricke zur Bildung des Mehrschichtverbundes eingebracht sind.4. Arrangement according to claim 3, characterized in that the wires directly in knitted fabrics, Ge Weaves, braids or knitted fabrics are introduced to form the multilayer composite. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht aus an­ steuerbaren Funktionselementen (4) in der Ebene richtungsabhängiges aktives Verformungsver­ halten aufweist. 5. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that a layer of controllable functional elements ( 4 ) in the plane has direction-dependent active Verformungsver hold. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schichten mit ansteuerbaren Funktionselementen (4) in unterschiedlichen Ebenen vorgesehen sind, die unab­ hängig voneinander steuerbar sind.6. Arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that a plurality of layers with controllable functional elements ( 4 ) are provided in different levels, which can be controlled independently of one another.