DE3916032A1 - Aktive daempfungsvorrichtungen fuer schwingungen, insbesondere in form von laerm, in serienanordnung - Google Patents
Aktive daempfungsvorrichtungen fuer schwingungen, insbesondere in form von laerm, in serienanordnungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft aktive Schwingungsdämpfungs
vorrichtungen, insbesondere für Lärm, nach besonderen Realisierungsarten
und in Serienanordnung.
Eine aktive Schwingungsdämpfungsvorrichtung, insbesondere für Lärm,
enthält einen Empfänger M (falls es sich um Lärm handelt, ein
Mikrophon), einen Filter mit einem Verstärkerteil und einen Sender HP
(falls es sich um Lärm handelt, einen Lautsprecher). Der Filter F
analysiert das in dem Empfänger M aufgrund der Außenschwingung
erzeugte Signal, verarbeitet es und sendet zum Sender HP ein Signal,
welches den Sender HP dazu veranlaßt, eine Gegenschwingung mit
identischer Amplitude und Frequenz wie die erhaltene Außenschwingung,
jedoch mit entgegengesetzter Phase, auszusenden.
Die Einheit Empfänger/Filter/(mit ihrem Verstärkungsteil und ihrer
elektrischen Stromversorgung)/Sender stellt eine aktive Schleife dar.
Die Summe der Schwingung und der Gegen-Schwingung ist im Prinzip gleich
Null.
Praktisch erzeugt die Unvollkommenheit der Vorrichtungen (insbesondere
die Verzögerung zwischen dem Empfänger der Schwingung und dem Senden der
Gegen-Schwingung) Instabilitäten und verhindert eine beliebig große
Verstärkung der Schleife. Die Schwingung wird lediglich gedämpft.
In der von der Antragstellerin am gleichen Tag wie diese Anmeldung
vorgelegten Patentanmeldung mit dem Titel "Aktive Schwingungsdämpfungs
vorrichtung, insbesondere für Lärm, ohne akustische Verzögerung" werden
Vorrichtungen beschrieben, deren Wirksamkeit (d. h. die Verstärkung der
aktiven Schleife) durch die Verringerung der akustischen Verzögerung mit
zwei Mitteln verbessert wird:
- - Der Empfänger und der Sender haben Ansprechzeiten, die sehr viel kürzer sind, als die kürzeste Periode der zu dämpfenden Schwingungen (bei den hörbaren Schwingungen beträgt diese Periode ca. 50 Mikrosekunden).
- - Die Entfernung zwischen dem Empfänger und dem Sender ist sehr viel kürzer als die kürzeste Wellenlänge der zu dämpfenden Schwingungen (bei den hörbaren Schwingungen beträgt diese Wellenlänge ca. 15 mm) oder ist sogar gleich Null.
Man ist auch in der Lage, solche Vorrichtungen zu realisieren, indem man
als Wandler (d. h. Empfänger und Sender) Membranen aus piezoelektrischen
Kopolymeren, insbesondere aus Polyvinylidenfluorid (PVF) verwendet.
Eine solche Vorrichtung ist zwar wirksam, kann aber nicht alle Probleme
lösen.
Daher gilt insbesondere:
- -Die Verstärkung der Schleife ist nicht total. Die Schwingung wird nicht annuliert, sondern lediglich gedämpft. Man kann aber durchaus mehr dämpfen wollen, als eine Vorrichtung mit einer einzigen aktiven Schleife erlaubt.
- - Die Dämpfung wird in direkter Nähe zur aktiven Schleife erzeugt, entsprechend der Reichweite des Senders. Man kann nun aber einen Bedarf nach Dämpfung der Schwingungen in einer größeren Bereich haben, wie z. B. in einem verlängerten Bereich. Dies ist insbesondere der Fall bei Schwingungen, die durch die Zirkulation einer Flüssigkeit in einer Leitung (Kühlung, Belüftung . . .) entstehen.
- - Bei den in der o. g. Patentanmeldung beschriebenen Realisierungsarten lassen die aus einer piezoelektrischen Membran bestehenden Vorrichtungen im Raum, in dem die Schwingung gedämpft wird, keinen freien Durchgang für Materie. Die Membran, die eben sein, eine gekrümmte Kalotte oder einen Kegel bilden kann, ist quer zur Laufrichtung der Schwingungswellen angeordnet. Sie verhindert den Durchgang der Wellen, aber auch jeglicher Materie. Es kann nun aber sein, daß ein Bedarf besteht, die Schwingungen zu dämpfen, ohne ein Hindernis für die Zirkulation von Materie zu bilden. Dies ist insbesondere der Fall bei der Zirkulation von Flüssigkeiten oder Gasen in einer Leitung, wie schon oben dargelegt wurde.
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, die Nachteile der bekannten
Realisierungsarten aufzuheben.
Nach der Erfindung ist diese aktive Schwingungsdämpfungsvorrichtung
dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere aktive Schleifen enthält, die
voneinander unabhängig sind und in Serie angeordnet sind, mit oder ohne
ein sich zwischen ihnen befindendes passives Schwingungsdämpfungsmaterial.
Diese aktive Schleifen können vorteilhaft realisiert werden indem man als
Wandler (d. h. Empfänger und Sender) Membranen aus piezoelektrischem
Material verwendet.
Der geringe Raumbedarf der Membranen und die Möglichkeit, ihnen sehr
unterschiedliche Formen zu geben, erlauben zahlreiche verschiedene
Realisierungsarten, die der zu lösenden Problemstellung angepaßt sind.
Insbesondere erlauben Serienanordnungen die Dämpfung der Schwingungen in
einem verlängerten Raum, und lassen dabei, falls erforderlich, einen
freien Durchgang für die Zirkulation von Materie.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung sind aus der
nachfolgenden Aufstellung zu entnehmen.
Zu den Figuren, die als nicht erschöpfende Beispiele
anzusehen sind:
- Fig. 1 ist ein Schema einer aktiven Schleife mit 2 scheibenförmigen
Membranen.
- Fig. 2 ist eine detaillierte Schnittzeichnung dieser Schleife.
- Fig. 3 ist ein Schema einer Anordnung mit mehreren Schleifen in Serie.
- Fig. 4 ist ein Schema einer aktiven Schleife mit zwei ringförmigen
Membranen.
- Fig. 5 ist eine detaillierte perspektivische Schnittzeichnung der
Anordnung einer ringförmigen Membran.
- Fig. 6 ist ein Schema einer Anordnung mit mehreren Schleifen dieser
Art in Serie.
- Fig. 7 ist ein Schema einer Anordnung mit mehreren Schleifen in Serie
auf der Oberfläche eines Rohres.
- Fig. 8 zeigt eine Möglichkeit zur Realisierung der Anordnung der Fig. 7
mit lauter identischen Modulen.
- Fig. 9 ist ein Schema einer Anordnung mit Membranen, die abwechselnd
scheibenförmig und ringförmig sind.
- Fig. 10 zeigt eine aktive Schleife in Zylinderform.
Die Fig. 1 zeigt das Schema einer aktiven Schleife mit einem Empfänger
M, einem Filter F und einem Lautsprecher HP.
Die Außenschwingung V erzeugt im Empfänger M ein Signal; der
Filter F verarbeitet es und sendet zum Sender HP ein Signal mit
entgegengesetzter Phase, welches den Sender HP dazu veranlaßt, die
Gegenschwingung zu erzeugen.
Jeder Wandler (Empfänger-Sender) besteht aus einer Membran aus einem
piezoelektrischen Material. In Fig. 1 ist diese Membran als eine ebene
Scheibe ausgebildet, aber sie kann auch andere Formen annehmen: Eben,
gekrümmte Kalotte oder Kegel oder andere.
Die Fig. 2 zeigt eine Schnittzeichnung einer möglichen Anordnung von
diesen Membranen 1 a, 1 b. Jede Membran wird dabei zwischen zwei Ringe 2
und 3 eingeklemmt. Diese Ringe, die aus einem elektrisch leitenden
Material hergestellt sind, ermöglichen u. a. die Verbindungen zwischen den
metallisierten Oberflächen der Membran und dem Filter F bzw. Erde.
In Fig. 2 ist der Innenring geerdet und der Außenring ist mit dem Filter
F verbunden.
Wenn man mehrere aktive Schleifen dieser Art (B 1, B 2, . . . BN) in Serie
anordnet, wie aus Fig. 3 ersichtlich, entsteht eine verlängerte
Vorrichtung. Diese hat folgende Vorteile:
- - eine sehr weitgehende Dämpfung der Schwingungen ist möglich. Die Restschwingung, welche die erste Schleife B 1 durchlaufen hat, wird dann weiter durch die Schleife B 2 gedämpft, usw. Diese Anordnung ist z. B. anwendbar bei einem Gehörstöpsel mit quasi-zylindrischer Form, dessen Kontur durch die gestrichelten Linien der Fig. 3 angedeutet wird.
- - Die Dämpfung von durch einen verlängerten schwingenden Körper, dessen Kontur durch die gestrichelten Linien der Fig. 3 angedeutet wird, erzeugten Schwingungen ist ebenfalls möglich. Jede Schleife dämpft die Schwingungen auf einem Abschnitt dieses schwingenden Körpers, der der Reichweite der Gegenschwingungen entspricht, die ihr Sender erzeugt.
Die Fig. 4 zeigt das Schema einer aktiven Schleife, bei der die Wandler
(Empfänger und Sender) in Form eines Ringes A den Raum F umgeben, in
welchem sich die zu dämpfenden Schwingungen fortpflanzen.
Die Fig. 5 zeigt, wie eine Membran aus einem piezoelektrischen Material
in dieser Form gehalten werden kann. Die Membran 1 wird durch Druck
zwischen zwei Innenringen 2 und einem Außenring 3, dessen Querschnitt u-
förmig ist, gehalten. Diese Ringe bestehen aus elektrisch leitfähigem
Material, wie schon oben beschrieben.
Wenn man mehrere aktive Schleifen dieser Art (B 1, B 2, . . . BN) in Serie
anordnet, wie aus Fig. 6 ersichtlich, entsteht eine verlängerte
Vorrichtung, die die gleichen Vorteile hat, wie die in der Fig. 3
beschriebene Vorrichtung, die aber außerdem einen freien Durchgang für
die Zirkulation von Materie in dem von den Membranen umgebenen Raum
läßt.
Die Vorrichtung ist also ganz besonders geeignet für die Dämpfung von
Schwingungen in einer Leitung, in der ein Fluid, Flüssigkeit oder Gas,
(Kühlung, Belüftung . . .) fließt. Hierzu wird eine Reihe von aktiven
Schleifen (B 1, B 2, . . . BN) um die Leitung 5 herum angeordnet. Eine noch
vorteilhaftere Anordnung besteht darin, daß die Leitung selbst als
Wandlermembran verwendet wird.
Die Fig. 7 zeigt ein zylindrisches Rohr T aus piezoelektrischem Material,
z. B. einem piezoelektrischen Kopolymer. Abwechselnd ist die
Rohroberfläche auf einem Abschnitt metallisiert, d. h. es gibt abwechselnd
metallisierte Abschnitte TM und nicht-metallisierte Abschnitte TN.
Ein Paar bestehend aus zwei aufeinanderfolgenden
metallisierten Abschnitten TM, die durch einen nicht-metallisierten
Abschnitt TN getrennt sind, kann als eine aktive Schleife B verwendet
werden. Bei dieser Anordnung werden die Wandlermembranen durch die
Leitung (das Rohr) aus piezoelektrischem Material selbst gebildet.
Um ein solches verlängertes Rohr mit abwechselnd metallisierten
Abschnitten TM und nicht-metallisierten Abschnitten TN praktisch zu
realisieren, besteht eine bequeme Lösung in der Serienherstellung von
völlig identischen Modulen TI, von denen jedes einen metallisierten
Mittelteil TM zwischen zwei nicht-metallisierten Teilen TN enthält, und
in deren Aneinanderreihung, wie aus Fig. 8 ersichtlich ist.
Als Beispiel zeigt die Fig. 9 eine Reihe von aktiven Schleifen (B 1,
B 2, . . . BN), von denen jede eine ebene Membran M 1 (wie in Fig. 4) enthält
und eine ringförmige Membran MT (wie in Fig. 1). Auf diese Art
wird eine verlängerte Vorrichtung realisiert, bei der Membranen der
beiden Formen abwechselnd nebeneinander angeordnet sind.
Eine andere Realisierungsart besteht in einer aktiven Schleife B mit
quasi-zylindrischer Form, deren eine Grundfläche eine ebene Membran M 1
(Sender oder Empfänger) bildet und dessen Mantelfläche eine ringförmige
Membran M 2 (Sender oder Empfänger) bildet. Die Fig. 10 zeigt diese
Anordnung. Ein solcher Quasi-Zylinder kann entweder eine offene
Grundfläche haben, oder beide Grundflächen können mit einer Membran
verschlossen sein. Man kann auch eine Öffnung durch die von den
Membranen gebildeten Grundflächen bohren, um einen freien Durchgang für
Materie zu schaffen. Solche Schleifen, in Serie angeordnet, bilden eine
verlängerte Vorrichtung, analog zu den oben beschriebenen Vorrichtungen.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen
Beispiele beschränkt, und zahlreiche Änderungen können vorgenommen
werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
So kann z. B. in allen Fällen, wo es nicht erforderlich ist, freien
Durchgang für die Zirkulation von Materie zu lassen, die Anordnung
nach Belieben vervollständigt werden, indem in die Abstände zwischen den
aktiven Schleifen, oder sogar in die von den Schleifen umgebenen Räume,
ein passives schwingungsdämpfendes Material eingefügt wird.
Claims (10)
1. Aktive Schwingungsdämpfungsvorrichtung mit aktiver Schleife Empfänger
(M)/Filter (F)/Sender (HP) ohne akustische Verzögerung, dadurch
gekennzeichnet, daß sie mehrere aktive Schleifen (B 1, B 2, . . . BN) enthält,
die voneinander unabhängig sind und in Serie angeordnet sind, mit oder
ohne ein sich zwischen ihnen befindendes passives Schwingungsdämpfungs
material.
2. Aktive Schwingungsdämpfungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß jede aktive Schleife als Wandler zwei Membranen (T 1,
T 2) aus einem piezoelektrischen Material enthält, die quer zur
Laufrichtung der zu dämpfenden Schwingungen angeordnet sind.
3. Aktive Schwingungsdämpfungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß jede aktive Schleife als Wandler zwei Membranen (A 1,
A 2) aus einem piezoelektrischen Material enthält, die in Form eines
Ringes den Raum umgeben, in welchem sich die zu dämpfenden Schwingungen
fortpflanzen.
4. Aktive Schwingungsdämpfungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß jede aktive Schleife als Wandler zwei Membranen (M 1,
M 2) aus einem piezoelektrischen Material enthält, wobei die eine (M 1)
quer zur Laufrichtung der zu dämpfenden Schwingungen angeordnet ist, und
die andere (M 2) in Form eines Ringes den Raum umgibt, in welchem sich
die zu dämpfenden Schwingungen fortpflanzen; dabei können beide Membranen
wahlweise als Sender oder als Empfänger, und umgekehrt, genutzt werden.
5. Aktive Schwingungsdämpfungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß sie aus einem Rohr (T) aus einem piezoelektrischen
Material besteht, dessen Wände (P) abwechselnd metallisierte (TM) und
nicht-metallisierte Abschnitte (TN) enthalten, wobei die metallisierten
Abschnitte (TM) selbst die ringförmigen Membranen der aktiven Schleifen
bilden.
6. Aktive Schwingungsdämpfungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das Rohr (T) aus einer Aneinanderreihung identischer
Module (TI) besteht, von denen jedes einen metallisierten Abschnitt (TM)
enthält, der von zwei nicht-metallisierten Abschnitten (TN) umgeben ist.
7. Aktive Schwingungsdämpfungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß jede aktive Schleife die Form eines Zylinders (C)
hat, dessen Mantelfläche eine ringförmige Membran (MA) bildet und dessen
eine Grundfläche eine Quermembran (MT) bildet.
8. Aktive Schwingungsdämpfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
7, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Material ein
piezoelektrisches Kopolymer ist.
9. Aktive Schwingungsdämpfungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Material ein
Polyvinylfluorid ist.
10. Aktive Schwingungsdämpfungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß sie für die Dämpfung von Schwingungen, insbesondere
Lärm, der durch die Zirkulation einer Flüssigkeit in einer Leitung
entsteht, angewendet wird.
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