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Dämpfende Anordnung zur Befestigung einer Vorrichtung zum
Schutz gegen mindestens einige Schwingungen.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine dämpfende Anordnung zur
Befestigung einer Vorrichtung, die Schwingungen ausgesetzt
sein kann, vor denen sie geschützt werden soll, insbesondere
um das Auftreten von Störresonanzphänomenen und eventuellen
zerstörerischen Resonanzphänomenen zu vermeiden.
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Eine solche Anordnung wird beispielsweise zur Befestigung an
einem Solarzellenpanel-Halter, an einer Satellitenantenne, an
einem Reflektor-Stapelarm (bras de gerbage de réflecteur)
vorgesehen.
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Es existieren zahlreiche Anordnungen, insbesondere mechanische
und elektromechanische Anordnungen zur Befestigung, mittels
derer die Schwingungen entweder von den Vorrichtungen, die sie
befestigen, oder jene, die auf Höhe dieser Vorrichtungen oder
ihrer Halter erzeugt werden, und die sich von den einen zu den
anderen übertragen, beseitigt oder zumindest gedämpft werden
sollen.
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Einige Schwingungen können sogar Störeffekte und manchmal
sogar zerstörerische Auswirkungen auf die Vorrichtungen
und/oder Halter haben, an denen sie auftreten, insbesondere
wenn sie Resonanzphänomene hervorrufen. So existiert
beispielsweise ein großes Zerstörungsrisiko durch Resonanzen
am ebenen Aufbau einer Satellitenantenne beim Start eines
Raumflugkörpers, der sie mit in die Umlaufbahn nehmen soll,
wenn Niedrigfrequenzschwingungen durch ihren Halter und/oder
auf akustischem Weg auf sie übertragen werden.
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Um solche Unzulänglichkeiten zu vermeiden, versucht man
einerseits an der Vorrichtung selbst, die man gegen die
Schwingungen schützen will, eine direkte Dämpfung vorzunehmen,
und andererseits die Schwingungsquelle(n) von der zu
schützenden Vorrichtung zu trennen.
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Eine klassische Lösung für eine solche Trennung besteht darin,
zwischen einer Vorrichtung und ihrem Halter passive Dämpfungen
wie Scheiben aus elastomerem Material einzufügen. Diese
Lösung, die bei Schwingungen mit hoher und mittlerer Frequenz
sehr wirksam ist, neigt jedoch dazu, Ausfederungen, die durch
Niedrigfrequenzschwingungen ausgelöst werden, zu verstärken.
Bei Schwingungen mit Frequenzen auf einer großen Bandbreite
ist es also erforderlich, passive Dämpfungen mit nicht
linearen Verschiebungsbegrenzungen und/oder aktiven
Kontrollmechanismen zu verbinden.
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Die Verwendung Von piezoelektrischen Materialien wie PZT oder
PVDI bei passiven Anordnungen zur Schwingungsdämpfung ist
bekannt.
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Es ist auch bekannt, dass sich ein piezoelektrisches Element
mit Elektroden, die durch eine induktive Schaltung parallel
geschaltet sind, so verhält als wäre es viskoelastisch, und
dann einen Dämpfungsgrad in der Größenordnung von
Dämpfungsgraden viskoelastischer Materialien besitzt, der für
ein bestimmtes Element je nach Frequenz und in Abhängigkeit
von den elektrischen Merkmalen der Shunt-Schaltung variiert.
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Das Dokument EP-A-0 375 570 beschreibt ein Verfahren zur
Aufbereitung eines piezoelektrischen Elementes, mittels dessen
insbesondere die Steifigkeit dieses Elementes verändert werden
kann, indem man auf ein Leistungsvermögen einwirkt, das in
einer resistiven Schaltung enthalten ist, mit deren Hilfe die
Elektroden dieses Elementes parallel geschaltet werden. Es ist
vorgesehen, dieses Verfahren bei den dämpfenden Anordnungen
einzusetzen. Doch der Dämpfungsgrad, der erreicht werden kann,
ist bei einem durchfedernden piezoelektrischen Element sehr
viel niedriger als der Dämpfungsgrad, der mit Elementen aus
viskoelastischen Materialien erreicht werden kann.
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Deshalb ist es nicht möglich, eine dämpfende Anordnung an
einem Halter zum Schutz einer Vorrichtung gegen Schwingungen
auszuführen, die sowohl eine hohe Steifigkeit als auch einen
guten Dämpfungsgrad besitzt.
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In der Erfindung wird also eine dämpfende Anordnung zur
Befestigung einer Vorrichtung zum Schutz gegen Schwingungen
vorgeschlagen, die es vor allem ermöglicht, die
Resonanzschwingungen zu dämpfen, die im Niedrigfrequenzbereich
an der Vorrichtung auftreten.
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Die bekannte Anordnung besitzt mindestens eine sogenannte
Unterstützung, über die sie mittels Verriegelungen an einem
Halter befestigt ist, und mindestens ein piezoelektrisches
Element mit Elektroden, die durch eine bestimmte
Strukturimpedanz parallel geschaltet sind, und die sich in
einer Interfaceposition zwischen dem Halter und der
Unterstützung, die festgelegte Abmessungen besitzt, befindet.
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Nach einer Ausführungsart der Erfindung besitzt die Anordnung
mindestens zwei piezoelektrische Elemente, wobei bei jedem der
Elemente die Elektroden durch eine bestimmte individuelle oder
gemeinsam genutzte Strukturimpedanz parallel geschaltet sind,
und wobei mindestens eines dieser durchfedernden Elemente
zwischen einem Halter und einer Unterstützung der zu
schützenden Vorrichtung zwischengeschaltet ist, und mindestens
ein unter Druck stehendes Element, das entweder zwischen dem
Halter oder der oben genannten Unterstützung
zwischengeschaltet ist, und Verriegelungen.
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Nach einer Ausführungsart der Erfindung besitzt die Anordnung
ein durchfederndes piezoelektrisches Element, das die Form
einer Platte hat, die derart dimensioniert und positioniert
ist, dass sie im Verhältnis zur Unterstützung, mit der sie
verklebt ist, herausragt, wenn die Vorrichtung befestigt ist.
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Nach einer Ausführungsart der Erfindung besitzt die Anordnung
mindestens ein unter Druck stehendes piezoelektrisches
Element, das die Form einer Scheibe hat, die entweder zwischen
dem Halter oder der Unterstützung positioniert ist, und eine
Verriegelung dieser Unterstützung an diesem Halter, wobei die
genannte Scheibe um eine Spindel herum montiert ist, die als
Klemmung dient, und die entweder eine Verriegelung oder eine
zusätzliche Verriegelung aufweist.
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Nach einer anderen Ausführungsart der Erfindung besitzt die
Anordnung mehrere durchfedernde piezoelektrische Elemente, die
eine lagenweise Anordnung von Platten bilden, wobei eine erste
Platte mit einer Unterstützung oder einem Halter verklebt ist,
und die genannte lagenweise Anordnung so dimensioniert und
positioniert ist, dass sie im Verhältnis zu der Unterstützung
oder dem Halter, mit dem die erste Platte der lagenweisen
Anordnung verklebt ist, herausragt.
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Nach einer anderen Ausführungsart der Erfindung besitzt die
Anordnung mindestens ein unter Druck stehendes
piezoelektrisches Element, das die Form einer lagenweisen
Anordnung von Scheiben besitzt, die entweder zwischen dem
Halter oder der Unterstützung positioniert ist, und einer
Verriegelung dieser Unterstützung an diesem Halter, wobei die
genannte lagenweise Anordnung um eine Spindel herum montiert
ist, die als Klemmung dient und die entweder eine Verriegelung
oder eine zusätzliche Verriegelung besitzt.
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Nach einer Ausführungsart der Erfindung besitzt die Anordnung
Verriegelungen in Form von Schraubenbolzen mit mindestens
einer Schraubenspindel, die sowohl durch ein piezoelektrisches
Element in der Form einer Scheibe oder einer lagenweisen
Anordnung von Scheiben, als auch durch ein piezoelektrisches
Element in der Form einer Platte hindurchgeht und in der
mindestens eine Durchgangsöffnung für jede Schraube vorgesehen
ist.
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Die Erfindung, ihre Ausführungsarten und ihre Vorteile werden
in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Abbildungen
präzisiert.
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Abb. 1 zeigt ein bekanntes Grundschaltbild eines
elektrischen Verbindungskreises eines
piezoelektrischen Elementes für eine dämpfende
Anordnung.
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Abb. 2 zeigt ein erstes Beispiel für die Anordnung
entsprechend der Erfindung.
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Abb. 3 zeigt ein zweites Beispiel für die Anordnung
entsprechend der Erfindung.
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Abb. 4 zeigt ein drittes Beispiel für die Anordnung
entsprechend der Erfindung.
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Die Anordnung entsprechend der Erfindung besitzt einen seinem
Prinzip nach bekannten Stromkreis mit einem oder mehreren
piezoelektrischen Elementen, die auf Abb. 1 mit 0
bezeichnet sind, und deren Anschlussklemmen mit einer passiven
oder vorzugsweise aktiven Impedanz verbunden sind, die mit Z
bezeichnet ist. Wie bereits bekannt, wird eine der
Anschlussklemmen, die sowohl mit den piezoelektrischen
Elementen als auch mit der Impedanz verbunden ist, an ein
Massepotential angeschlossen.
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Ein Stromkreis dieser Art ist in jeder Anordnung gemäß der
Erfindung vorgesehen. Er wird in den beigefügten Abb. 2
bis 4 in dem Maße nicht gezeigt, wie er nur einen indirekten
Bezug zum Gegenstand der Erfindung hat.
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Die in Abb. 2 gezeigte Anordnung entsprechend der
Erfindung gewährleistet die Befestigung einer Vorrichtung 1 an
einem Halter 2; diese Vorrichtung kann Schwingungen ausgesetzt
sein, vor denen sie geschützt werden soll.
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Die Vorrichtung besteht beispielsweise aus einer Feldantenne
eines Satelliten oder aus einem Solarzellenpanel, sie besitzt
mindestens eine Unterstützung, die hier allein gezeigt wird,
mittels derer sie an dem Halter 1 befestigt wird, der hier
durch ein Element in Form eines Fußes dargestellt ist. Die
Befestigung der Vorrichtung am Halter erfolgt durch eine
dämpfende Befestigungsanordnung - eventuell modularer Art -
wenn die Vorrichtung mehrere Unterstützungsteile aufweist,
denen jeweils ein anderes Teil des Halters entspricht. In den
genannten Beispielen wurde ein Teil der Unterstützung für die
geplante Vorrichtung 1 gezeigt und wie bereits bekannt, ist
die Verwendung von piezoelektrischen Elementen in Verbindung
mit Verriegelungen vorgesehen, um die dämpfende Anordnung zur
Befestigung einer Vorrichtung zum Schutz gegen Schwingungen
entsprechend der Erfindung zu realisieren.
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Die Verriegelung des Unterstützungsteils von Vorrichtung 1 an
einem Teil des Halters 1 wird hier beispielhaft gezeigt, wie
sie mit Hilfe mindestens einer ersten Verriegelung wie einer
Schraube 3, zusammen mit einer zweiten, zusätzlich zur ersten,
wie einem zusätzlichen Innengewinde 4 - das hier in der
Unterstützung der Vorrichtung 1 vorgesehen ist - realisiert
wird.
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Selbstverständlich können auch andere Verriegelungsanordnungen
mit dem gleichen Effekt eingesetzt werden, wie es insbesondere
die Abb. 3 und 4 zeigen, bei denen eine Schraubenmutter
4' mit einer Schraube 3' eingesetzt wird, um den
Klemmungseffekt zu erzielen, der auch durch Verriegelungen
erreicht werden kann, wie sie das Innengewinde 4 und die
Schraube 3 darstellen.
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Entsprechend der Erfindung zeigt insbesondere Abb. 2 ein
piezoelektrisches Element 5, hier in Form einer durchfedernden
Platte, die zwischen die Unterstützung von Vorrichtung 1 und
Halter 2 geschoben, an dem die Unterstützung befestigt ist.
Ein hier nicht gezeigtes, isolierendes Zwischenstück ist
zwischen der Platte, die Element 5 darstellt, und einem der
beiden Teile, zwischen die sie geschoben wurde und auf die sie
sich mit jeder ihren beiden großen Vorderseiten aufstützt,
vorgesehen. Element 5 ist hier über seinen Kontakt mit der
Masse der beiden Teile, auf die es sich direkt aufstützt, ohne
Einfügung eines Zwischenstücks geerdet, wenn - wie hier
angenommen - die Vorrichtung 1 und der Halter 2 selbst
mindestens in Höhe der beiden oben genannten Teile, von denen
angenommen wird, dass es leitende Teile sind, geerdet sind.
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Die Platte, die das piezoelektrische Element 5 darstellt,
besteht beispielsweise in einer oder mehreren Schichten aus
einem Material wie PZT oder PVDF, wie weiter oben beschrieben.
Sie soll die eventuellen Durchfederungen der Vorrichtung an
der Stelle, wo die Unterstützung dieser Vorrichtung an dem
entsprechenden Teil des Halters verriegelt ist, dämpfen.
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In einer Form der Realisierung ragt die Platte, die aus dem
piezoelektrischen Element 5 besteht, im Verhältnis zu
mindestens einem der beiden Teile der Unterstützung der
Vorrichtung 1 und dem Halter 2, zwischen die sie eingeschoben
ist, hervor.
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In dem Beispiel für die Realisierung der Erfindung in
Abb. 2, in dem der Teil des Halters, an dem die
Vorrichtung befestigt wird, die Form eines Fußes mit einer
breiteren Fußfläche aufweist, ragt die Platte in Bezug auf
diese Fußfläche heraus. In zahlreichen Fällen kann es
tatsächlich vorkommen, dass die Vorrichtung 1 weitaus größere
Abmessungen hat als die Fußfläche von Halter 2, an dem sie
befestigt ist.
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Entsprechend einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsart
der Erfindung ist vorgesehen, das in Abb. 2 dargestellte
piezoelektrische Element 5 durch eine lagenweise Anordnung
durchfedernder piezoelektrischer Elemente zu ersetzen. Damit
kann im Vergleich zu dem Fall, bei dem nur ein Element
eingesetzt wird, die auf jedes Element angewendete Spannung im
Verhältnis zu der Anzahl der lagenweise angeordneten Elemente
aufgeteilt werden.
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Entsprechend der Erfindung und wie insbesondere Abb. 2
zeigt, ist vorgesehen, mindestens ein weiteres
piezoelektrisches Element 6 zu ergänzen, das hier die Form
mindestens einer unter Druck stehenden Scheibe hat, wobei sich
der Begriff Scheibe auch auf jedes andere, in funktioneller
Hinsicht äquivalente, Teil bezieht. Jede Scheibe, die einem
anderen piezoelektrischen Element 6 entspricht, wird hier
zwischen den Teil von Halter 1 eingefügt, auf das sich das
piezoelektrische Element 5 stützt, wie oben angegeben, und
eine Verriegelung, wie hier Schraube 3 oder genauer gesagt der
Kopf dieser Schraube 3, mittels derer Vorrichtung 1 am Halter
2 befestigt wird. Diese Scheibe an der Spindel von Schraube 3
wird zwischen dem Kopf dieser Schraube und dem Teil von Halter
2 verriegelt, den diese Schraube passiert, um sich in ein
Innengewinde 4 einzuschrauben, das in der Unterstützung von
Vorrichtung 1 für sie vorgesehen ist, wenn diese Vorrichtung
durch eine Schraubverbindung am Halter befestigt wird.
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Selbstverständlich können in zahlreichen Formen der
Realisierung, die hier nicht dargestellt werden, mehrere
piezoelektrische Elemente 6 mit einem gleichen
piezoelektrischen Element 5 in Höhe eines Befestigungsmoduls
einer Unterstützung oder eines Teils der Unterstützung einer
Vorrichtung an dem entsprechenden Teil eines Halters verbunden
werden. Eine solche Anordnung wird durch das Vorhandensein
einer Achse symbolisiert, die im Verhältnis zur angenommenen
Achse des Fußes von Halter 2, 2' und 2" in den Abb. 2
bis 4 symmetrisch zur Schraube 4 angeordnet ist.
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In der geplanten Realisierung geht jede Schraube durch die
Platte hindurch, die das piezoelektrische Element 5 darstellt,
und schraubt sich in ein Innengewinde 4 der Unterstützung von
Vorrichtung 1 ein.
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In einer anderen Art der Realisierung, die in Abb. 3
gezeigt wird, besitzt die Anordnung ein piezoelektrisches
Element 5', das dem piezoelektrischen Element 5 in Abb.
2 entspricht, aber jedes piezoelektrische Element 6', das
einem Element 6 in dieser Abb. 2 entspricht, wird hier
gegen den Kopf einer Schraube 3' gedrückt, die von der anderen
Seite der Unterstützung der Vorrichtung 1' im Verhältnis zum
piezoelektrischen Element 5' und dem Halter 2' zugänglich ist.
Jede Schraube 3' drückt ein piezoelektrisches Element 6',
durch das sie hindurchgeht, gegen den Teil der Unterstützung
der Vorrichtung, durch den sie hindurchgeht, auch durch ihre
Spindel. Letztere geht auch durch den Teil von Halter 2'
hindurch, an dem der genannte Teil der Unterstützung befestigt
ist, um die Montage und das Verschrauben einer Stellmutter 4'
analog zum Innengewinde 4 zu ermöglichen.
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In einer anderen Art der Realisierung, die in Abb. 4
gezeigt wird, besitzt die Anordnung ein piezoelektrisches
Element 5", das dem piezoelektrischen Element 5 in Abb.
2 entspricht, aber jedes piezoelektrische Element 6", das
einem Element 6 dieser Abb. 2 entspricht, besteht hier
aus einer lagenweisen Anordnung von Scheiben, durch die eine
Schraubenspindel 3" hindurchgeht.
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Jede Schraube 3" ist hier in einem Aufbau mit einer
Schraubenmutter 4" verbunden, die hier dem Aufbau entspricht,
der für eine Schraube 3' und eine Schraubenmutter 4' in der
Variante, die in Abb. 3 gezeigt ist, vorgesehen ist. Die
lagenweise Anordnung, die das piezoelektrische Element 6"
darstellt, geht nun an der für die Schraube 3" vorgesehenen
Öffnung durch das piezoelektrische Element 5" hindurch und
stützt direkt Halter 1 ab, an dem die Unterstützung von
Vorrichtung 1 befestigt ist, wenn die Schraubenmutter 4" so
auf die Schraube 3" aufgeschraubt ist, dass damit die
Verriegelung der Vorrichtung am Halter sichergestellt wird.
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In einer anderen Art der Realisierung wird eine nicht
dargestellte, austarierte Feder eventuell zwischen dem Kopf
der Schraube 3 und der am nächsten liegenden äußersten Scheibe
der lagenweisen Anordnung platziert, um die Druckregulierungen
zu erleichtern. Die Scheiben, die die piezoelektrischen
Elemente 5, 5' und die lagenweise Anordnung, die das
piezoelektrische Element 5" darstellen, ermöglichen jeweils
die Dämpfung der Durchfederungen von Vorrichtung 1 durch Druck
(Komprimierung) in Richtung ihrer jeweiligen Stärken in eine
Richtung senkrecht zu den Elektroden, die sich an den Enden
dieser Elemente befinden.
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Diese Elemente stellen aufgrund der Tatsache, dass der
entsprechende mechanisch-elektrische Umwandlungskoeffizient
"k33" über 0,7 liegt und folglich hoch ist, ein hohes
Dämpfungspotential dar. Dagegen besitzt die Platte, die das
piezoelektrische Element 6, 6' oder 6" darstellt, einen
Koeffizienten von "k31", der unter 0,4 liegt, was erheblich
niedriger ist, und durch die größere Fläche der Platte
kompensiert wird.
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Jedes der oben genannten piezoelektrischen Elemente ist
einerseits durch eine Elektrode mit dem Massepotential
verbunden und mittels eines isolierenden Zwischenstücks an
einer anderen Elektrode, wie oben angegeben, von diesem
Potential isoliert. Wie in der Fachwelt bekannt, ist (sind)
diese andere(n) Elektrode(n) jeweils mit einer oder mehreren
aktiven oder passiven Strukturimpedanzen verbunden, mittels
derer die Elemente je nach Wahl entweder einzeln oder parallel
geschaltet werden können.
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Durch eine Shuntage(Parallelschaltung) über einen reinen
Widerstand kann eine schwache Dämpfung über eine große
Bandbreite erreicht werden, wobei diese Dämpfung umso größer
ist, je geringer die elektrische Leistung des
piezoelektrischen Elementes ist.
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Das Einsetzen einer Impedanz, die aus einem Widerstand und
einer passiven oder aktiven Induktanz besteht, und die
beispielsweise durch eine Verbindung von Hochspannungs-
Verstärkern realisiert wird, ermöglicht die Kontrolle einer
Resonanz.
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Man kann auch einen multimodalen Resonanz-Stromkreis
verwenden, der eventuell mit einem Aufbau verbunden ist,
mittels dessen die Kapazität eines piezoelektrischen
Elementes, an dessen Anschlussklemmen sich dieser Stromkreis
befindet, variiert werden kann.
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Die eventuellen Schwankungen in der Dynamik der zu schützenden
Vorrichtung 1 und insbesondere die Resonanzen können durch die
Einstellung der Widerstände und Induktanzen, die durch
Widerstände geregelt werden, welche selbst verstellbar sind,
berücksichtigt werden. Die Anfangseinstellungen werden
vorzugsweise in Echtzeit in Abhängigkeit von den Schwankungen
der Schwingungsfrequenzen im Laufe der Zeit verändert, welche
wiederum mit Hilfe geeigneter Mittel der Signalverarbeitung
bestimmt werden, die hier in dem Maße nicht weiter beschrieben
werden, als sie nur einen indirekten Bezug zum Gegenstand der
vorliegenden Erfindung aufweisen.