DE10040994A1 - Anordnung zur Erzeugung von Schall im nieder- bis hochfrequenten Bereich - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von Schall im nieder- bis hochfrequenten Bereich, bestehend aus einer schwingfähigen Membran (1), die in einer Einspannung (2) gelagert ist, mit einer Ansteuereinheit (5) zur Anregung von Schwingungen in der Membran (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (1) aus mehreren passiven verspannten Einzellagen aus isotropen und/oder anisotropen Werkstoffen und aktiven Funktionselementen (4) besteht, die einen Mehrschichtverbund bilden, der beim Eintrag von Verformungsenergie multistabile Verformungszustände in unterschiedlichen stabilen Gleichgewichtslagen einnimmt, die Ansteuereinheit (5) zum Eintrag einer umschlagauslösenden Energie mit ansteuerbaren Funktionselementen (4) des Mehrschichtverbundes verbunden ist, wobei beim Übergang von einer in eine andere Gleichgewichtslage von der Membran (1) ein elektroakustischer Schall im nieder- bis hochfrequenten Bereich erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von Schall im nieder- bis hochfrequenten Be­ reich gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus Hufenbach, W.; Kroll, L.; Gude, M.: Deformation States of Unsymmetric Fibre-Reinforced Composites Dependent on Residual Stresses, Proceedings of SAMPE EUROPE/SEC 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.

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.

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.

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 zurück­ gegriffen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Anordnung mit einer Membran zur Erzeu­ gung von Schall im nieder- bis hochfrequenten Bereich anzugeben, die weitestgehend ohne die typi­ schen Elemente eines elektrodynamischen Wandlers auskommt.

Die Aufgabe wird in Verbindung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen da­ durch gelöst, dass die Membran aus mehreren passiven verspannten Einzellagen aus isotropen und/oder anisotropen Werkstoffen und aktiven Funktionselementen besteht, die einen Mehrschicht­ verbund bilden, der beim Eintrag von Verformungsenergie multistabile Verformungszustände in un­ terschiedlichen stabilen Gleichgewichtslagen einnimmt, die Ansteuereinheit zum Eintrag einer um­ schlagauslösenden Energie mit ansteuerbaren Funktionselemente des Mehrschichtverbundes verbun­ den ist, wobei beim Übergang von einer in eine andere Gleichgewichtslagen von der Membran ein elektroakustischer Schall im nieder- bis hochfrequenten Bereich erzeugt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Zur Lösung der Aufgabe wird als Membran ein funktionsmultistabiler Hybridverbund eingesetzt, des­ sen gezieltes geräuschemittierendes Umschlagen von einem stabilen Zustand in einen anderen Gleich­ gewichtszustand genutzt wird. Damit dienen die FMH als steuerbare Schallgeber, die den akustischen Komfort von Verschlussmechanismen deutlich verbessern. Die Realisierung einer aktiven Klangbe­ einflussung 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 multista­ biler MSV sind in DE 100 13 821.7 detailliert beschrieben, wobei der gewünschte Kopplungseffekt durch werkstoffspezifische Parameter, wie Faser/Matrixkombination, Faserorientierung, Faservolu­ mengehalt und Schichtautbau gezielt eingestellt wird.

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.

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.

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.

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.

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.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeich­ nungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer erfindungsgemäßen Anordnung

Fig. 2 ein schematischer Aufbau einer erfindungsgemäßen Membran

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.

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.

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.

Claims (6)

1. Anordnung zur Erzeugung von Schall im nieder- bis hochfrequenten Bereich, bestehend aus einer schwingfähigen Membran (1), die in einer Einspannung (2) gelagert ist, mit einer Ansteuereinheit (5) zur Anregung von Schwingungen in der Membran (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (1) aus mehreren passiven verspannten Einzellagen aus isotropen und/oder anisotropen Werkstoffen und aktiven Funktionselementen (4) besteht, die einen Mehrschichtverbund bilden, der beim Eintrag von Verformungsenergie multistabile Verformungszustände in unterschiedlichen stabilen Gleichgewichtslagen einnimmt, die Ansteuereinheit (5) zum Eintrag einer umschlagauslö­ senden Energie mit ansteuerbaren Funktionselemente (4) des Mehrschichtverbundes verbunden ist, wobei beim Übergang von einer in eine andere Gleichgewichtslagen von der Membran (1) ein elektroakustischer Schall im nieder- bis hochfrequenten Bereich erzeugt wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ansteuerbare Funktionselemente (4) aus piezoelektrischen, elektrostriktiven und magnetostriktiven Keramiken, Polymeren oder Legierungen, Formgedächtnislegierungen oder elektrorheologischen Flüssigkeiten besteht.

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 Drähten in den Mehrschichtverbund eingebracht oder appliziert ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drähte direkt in Gewirke, Gewe­ be, Geflechte oder Gestricke zur Bildung des Mehrschichtverbundes eingebracht sind.

5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage aus ansteuerbaren Funktionselementen (4) in der Ebene richtungsabhängiges aktives Verformungsverhalten auf­ weist.

6. Anordnung nach Anspruch 1 bis S. dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Lagen mit ansteuerba­ ren Funktionselementen (4) in unterschiedlichen Ebenen vorgesehen sind, die unabhängig vonein­ ander steuerbar sind.