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DE102023126058A1 - Arrangement and method for generating sound and vibrations with a mechanical structure excited by a strain actuator - Google Patents

Arrangement and method for generating sound and vibrations with a mechanical structure excited by a strain actuator Download PDF

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DE102023126058A1
DE102023126058A1 DE102023126058.8A DE102023126058A DE102023126058A1 DE 102023126058 A1 DE102023126058 A1 DE 102023126058A1 DE 102023126058 A DE102023126058 A DE 102023126058A DE 102023126058 A1 DE102023126058 A1 DE 102023126058A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
contact surface
eigenfunction
mechanical structure
boundary line
slope
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102023126058.8A
Other languages
German (de)
Inventor
Wolfgang Klippel
Benjamin Zenker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Klippel GmbH
Original Assignee
Klippel GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of DE102023126058A1 publication Critical patent/DE102023126058A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

Die Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Anordnung und ein Verfahren zum Erzeugen von Schwingungen in einer mechanischen Struktur (19) und zum Erzeugen von Luftschall und zur aktiven Unterdrückung von Störschall unter Verwendung eines elektromechanischen Dehnungsaktuators (3), der an eine Kontaktfläche (Sc) mit der Struktur verbunden ist. Der Dehnungsaktuators verwendet piezoelektrisches Material, um ein elektrisches Signal u in eine Dehnung in der Kontaktfläche (Sc) umzuwandeln. Ein konstruktive Element (21) der Struktur erzeugt einen geringen Anstieg der Eigenfunktion auf einer Seite (7) der Begrenzungslinie der Kontaktfläche (Sc) und einen hohen Anstieg auf der gegenüberliegenden Seite (9) der Begrenzungslinie, um die Anregung modaler Schwingungen bei niedrigen Frequenzen zu erhöhen. Die Methode beinhaltet ein iteratives Entwurfsverfahren, das die Eigenschaften der Struktur und die Position des Dehnungsaktuators optimiert, indem eine Anregungsmetrik maximiert wird, die auf der Grundlage der Eigenfunktion an der Begrenzungslinie der Kontaktfläche (Sc) berechnet wird.

Figure DE102023126058A1_0000
The invention generally relates to an arrangement and a method for generating vibrations in a mechanical structure (19) and for generating airborne sound and for actively suppressing noise using an electromechanical strain actuator (3) connected to the structure at a contact surface (S c ). The strain actuator uses piezoelectric material to convert an electrical signal u into a strain in the contact surface (S c ). A structural element (21) of the structure generates a low slope of the eigenfunction on one side (7) of the boundary line of the contact surface (S c ) and a high slope on the opposite side (9) of the boundary line in order to increase the excitation of modal vibrations at low frequencies. The method includes an iterative design procedure that optimizes the properties of the structure and the position of the strain actuator by maximizing an excitation metric calculated based on the eigenfunction at the boundary line of the contact surface (S c ).
Figure DE102023126058A1_0000

Description

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung betrifft allgemein eine Anordnung zur Erzeugung von Luftschall mit Hilfe einer passiven, mechanischen Struktur, die mit Hilfe eines elektromechanischen Dehnungsaktuators zu Schwingungen angeregt wird und ein Verfahren zum konstruktiven Entwurf und der optimalen Anpassung dieser Komponenten in der Anordnung.The invention generally relates to an arrangement for generating airborne sound by means of a passive, mechanical structure which is excited to oscillate by means of an electromechanical expansion actuator and to a method for the structural design and optimal adaptation of these components in the arrangement.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Die meisten Lautsprecher und andere elektroakustische Schallwandler verwenden spezielle Komponenten wie Membranen aus leichten Materialien, die für die Erzeugung von Schwingungen und die Abstrahlung von Schall besonders geeignet sind. Der nach dem Stand der Technik bekannte Plattenlautsprecher (flat panel speaker) benutzt eine flache Platte, eine gekrümmte Schale, ein Fenster, eine Tür, ein Gehäuse, einen Monitorbildschirm, ein Karosserieteil und andere Strukturen mit großen, schallabstrahlenden Flächen, die eigentlich für andere Zwecke entwickelt wurden, und regt diese Strukturen mit einem elektromechanischen Aktuator zu mechanischen Schwingungen an, die Schall abstrahlen. Fuller, C., Elliott, S., und Nelson, P. entwickelten für diese Anordnung eine physikalische Theorie, die zur aktiven Steuerung dieser Aufbauten verwendet werden kann, siehe Active Control of Vibration, Associated Press, 1996, doi:https://doi.org/10.1016/b978-0-12-269440-0.x5000-6 .Most loudspeakers and other electroacoustic sound transducers use special components such as membranes made of lightweight materials that are particularly well-suited for generating vibrations and radiating sound. The state-of-the-art flat panel speaker uses a flat plate, a curved shell, a window, a door, a cabinet, a monitor screen, a car body panel, and other structures with large, sound-radiating surfaces that were originally designed for other purposes. These structures are excited by an electromechanical actuator to produce mechanical vibrations that radiate sound. Fuller, C., Elliott, S., and Nelson, P. developed a physical theory for this arrangement that can be used to actively control these structures, see Active Control of Vibration, Associated Press, 1996, doi:https://doi.org/10.1016/b978-0-12-269440-0.x5000-6 .

Die mechanische Struktur kann durch eine senkrecht in die Oberfläche der mechanischen Struktur eingespeiste Kraft angeregt werden, wodurch eine nahezu konstante effektive Anregung über einen weiten Frequenzbereich erreicht wird. Es gibt eine Vielzahl von elektromechanischen Kraftaktuatoren, die eine Kraft an einer relativ kleinen Kontaktfläche Sc erzeugen. Zu dieser Gruppe gehört auch ein elektrodynamischer Wandler, der eine Schwingspule in einem Magnetfeld verwendet, die Trägheit des Magneten für die Erzeugung der Anregungskraft ausnutzt. Elektrodynamische Kraftaktuatoren haben einige Nachteile, da das Magnetmaterial teuer und schwer ist und einen Eisenpfad erfordert, was die Dicke von Flachbildschirmen und Fernsehern erhöht.The mechanical structure can be excited by a force applied perpendicularly to the surface of the mechanical structure, achieving a nearly constant effective excitation over a wide frequency range. There are a variety of electromechanical force actuators that generate a force at a relatively small contact area S c . This group includes an electrodynamic transducer, which uses a voice coil in a magnetic field, exploiting the inertia of the magnet to generate the excitation force. Electrodynamic force actuators have some disadvantages, as the magnetic material is expensive and heavy and requires an iron path, which increases the thickness of flat panel displays and televisions.

Die mechanische Struktur kann auch durch einen Dehnungsaktuator angeregt werden, einen elektromechanischen Wandler, der aus einer elektrischen Eingangsspannung u eine Dehnung auf der Kontaktfläche Sc erzeugt. Dehnungsaktuatoren können zum Beispiel relativ einfach mit Hilfe einer piezoelektrischen Keramikplatte oder dielektrischen Folien realisiert werden. Diese Wandler sind leicht, extrem flach, robust und können einfach an der mechanischen Struktur befestigt werden.The mechanical structure can also be excited by a strain actuator, an electromechanical transducer that generates a strain on the contact surface Sc from an electrical input voltage u. Strain actuators can be relatively easily implemented using, for example, a piezoelectric ceramic plate or dielectric foils. These transducers are lightweight, extremely flat, robust, and can be easily attached to the mechanical structure.

M. Heilemann und Tre DiPassio präsentierten auf der 153. AES-Tagung im Oktober 2022 einen Beitrag 10618 mit dem Titel „Piezoelectric Aktuators for Flat-Panel Loudspeakers “, das einen umfassenden Überblick über die Theorie, wichtige Referenzen und praktische Lösungen gibt, die den Stand der Technik kennzeichnen und die Grundlage für die Beschreibung der besonderen Merkmale der hier beschriebenen Erfindung sind. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines typischen Flachbildschirmlautsprechers, der einen piezoelektrischen Dehnungsaktuator 3 aufweist, der an einer rechteckigen dünnen isotropen Platte 1 an einer außermittigen Position x0 und y0 befestigt ist. Ein in z-Richtung polarisierter Dehnungsaktuator aus einer PVDF-Folie (Polyvinylidenfluorid) oder piezoelektrischer Keramikplatte 13 dehnt das elektrostatische Material in x- und y-Richtung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung u aus, die zwischen der oberen und unteren leitenden Kontaktfolie 15 und 17 angelegt wird. Der Dehnungsaktuator 3 in 1 hat eine rechteckige Form, die an der Position x0 und y0 an der oberen Seite der Platte 1 mit paralleler Ausrichtung der Kanten angebracht ist. Die Länge 2lx und die Breite 2ly des piezoelektrischen Materials bestimmen die Kontaktfläche Sc zur mechanischen Struktur in Dehnungsaktuatoren. M. Heilemann and Tre DiPassio presented a paper 10618 at the 153rd AES Conference in October 2022 with dem Title “Piezoelectric actuators for flat-panel loudspeakers “, which provides a comprehensive overview of the theory, important references and practical solutions that characterize the state of the art and are the basis for describing the special features of the invention described here. 1 shows a schematic representation of a typical flat panel loudspeaker comprising a piezoelectric strain actuator 3 attached to a rectangular thin isotropic plate 1 at an off-center position x 0 and y 0. A z-polarized strain actuator made of a PVDF (polyvinylidene fluoride) film or piezoelectric ceramic plate 13 expands the electrostatic material in the x and y directions depending on the input voltage u applied between the upper and lower conductive contact foils 15 and 17. The strain actuator 3 in 1 has a rectangular shape, mounted at positions x 0 and y 0 on the upper side of plate 1 with parallel edges. The length 2l x and the width 2l y of the piezoelectric material determine the contact area S c to the mechanical structure in strain actuators.

Die am Dehnungsaktuator angelegte Spannung u erzeugt Momente, die Biegewellen in der Platte 1 erzeugen. Ein einzelner Dehnungsaktuator 3 einseitig montiert auf der Platte 1 erzeugt auch Dehnungskräfte und Longitudinalwellen in der Platte, die in der weiteren Modellierung vernachlässigt werden. Die Momente auf der Kontaktfläche Sc können wie folgt modelliert werden: M x = M y = C 0 ε p e ( u ) [ H { x ( x 0 l x ) } H { x ( x 0 l x ) } ] [ H { y ( y 0 l y ) } H { y ( y 0 + l y ) } ]

Figure DE102023126058A1_0001
mit der Heaviside-Stufenfunktion H(x) und der Dehnung εpe(u), abhängig von der Eingangsspannung u des Aktuators und einer Konstante C0, die andere geometrische und Materialeigenschaften repräsentiert.The stress u applied to the strain actuator generates moments that produce bending waves in plate 1. A single strain actuator 3 mounted on one side of plate 1 also generates strain forces and longitudinal waves in the plate, which are neglected in further modeling. The moments on the contact surface S c can be modeled as follows: M x = M y = C 0 ε p e ( u ) [ H { x ( x 0 l x ) } H { x ( x 0 l x ) } ] [ H { y ( y 0 l y ) } H { y ( y 0 + l y ) } ]
Figure DE102023126058A1_0001
with the Heaviside step function H(x) and the strain ε pe (u), depending on the input voltage u of the actuator and a constant C 0 representing other geometric and material properties.

Die auf der klassischen Theorie für dünne Platten basierende Bewegungsgleichung kann in Form der Verschiebung w als D 4 w + b ˙ w + m ' ' w ¨ = 2 M x x 2 + 2 M y y 2 = C 0 ε p e ( u ) [ δ ' { x ( x 0 l x ) } δ ' { x ( x 0 l x ) } ] [ H { y ( y 0 l y ) } H { y ( y 0 + l y ) } ] + C 0 ε p e ( u ) [ H { x ( x 0 l x ) } H { x ( x 0 + l x ) } ] [ δ ' { y ( y 0 l y ) } δ ' { y ( y 0 + l y ) } ]

Figure DE102023126058A1_0002
unter Verwendung der Plattenbiegesteifigkeit D, des Nabla-Operators V , eines Dämpfungsparameters b und der Flächenmassendichte m''. Die partielle Ableitung II. Ordnung wandelt die gleichmäßig über die Kontaktfläche Sc verteilten Momente Mx und My in positive und negative Dipolkräfte an den Rändern der Kontaktfläche Sc um, dargestellt durch die Ableitungen der Dirac-Delta-Funktionen δ'(·) in Gleichung (2). Die Dipolkräfte können sich unter bestimmten Bedingungen gegenseitig aufheben, wodurch die Anregung der Biegewellen bei niedrigen Frequenzen zusätzlich verringert wird. The equation of motion based on the classical theory for thin plates can be written in the form of the displacement w as D 4 w + b ˙ w + m ' ' w ¨ = 2 M x x 2 + 2 M y y 2 = C 0 ε p e ( u ) [ δ ' { x ( x 0 l x ) } δ ' { x ( x 0 l x ) } ] [ H { y ( y 0 l y ) } H { y ( y 0 + l y ) } ] + C 0 ε p e ( u ) [ H { x ( x 0 l x ) } H { x ( x 0 + l x ) } ] [ δ ' { y ( y 0 l y ) } δ ' { y ( y 0 + l y ) } ]
Figure DE102023126058A1_0002
using the plate bending stiffness D, the nabla operator V , a damping parameter b and the surface mass density m''. The second-order partial derivative converts the moments M x and M y uniformly distributed over the contact area S c into positive and negative dipole forces at the edges of the contact area S c , represented by the derivatives of the Dirac delta functions δ'(·) in equation (2). The dipole forces can cancel each other under certain conditions, which further reduces the excitation of the bending waves at low frequencies.

Die Verschiebung w(x,y) in z-Richtung an den Koordinaten x und y kann durch orthonormale Eigenfunktionen Φmn(x,y) beschrieben werden, die mit der modalen Amplitude Wmn skaliert wird w ( x ,   y ,   t ) = m = 1 n = 1 W m n Φ m n ( x ,   y ) e j ω t .

Figure DE102023126058A1_0003
The displacement w(x,y) in the z-direction at the coordinates x and y can be described by orthonormal eigenfunctions Φ mn (x,y), which are scaled with the modal amplitude W mn w ( x ,   y ,   t ) = m = 1 n = 1 W m n Φ m n ( x ,   y ) e j ω t .
Figure DE102023126058A1_0003

Heilemann beschreibt eine rechteckige Platte mit einfach unterstützten (gelenkig gelagerten) Kanten 11, wie in 1 gezeigt, mit Hilfe von analytischen Lösungen für die Eigenfunktionen Φ m n ( x ,   y ) = sin ( γ m x ) sin ( γ n y )

Figure DE102023126058A1_0004
mit γm = mπ / Lx und γn = nπ / Ly. Die Indizes m und n stellen die Anzahl der Halbwellenlängen in x- und y-Richtung dar, die in die Längen Lx bzw. Ly der rechteckigen Platte 1 passen.Heilemann describes a rectangular plate with simply supported (hinged) edges 11, as in 1 shown, using analytical solutions for the eigenfunctions Φ m n ( x ,   y ) = sin ( γ m x ) sin ( γ n y )
Figure DE102023126058A1_0004
with γ m = mπ / L x and γ n = nπ / L y . The indices m and n represent the number of half-wavelengths in the x- and y-directions that fit into the lengths L x and L y of the rectangular plate 1, respectively.

Unter Ausnutzung der modalen Orthogonalität der Eigenfunktionen kann die modale Amplitude wie folgt ausgedrückt werden: W m n = C m n ε p e ( u ) ω m n 2 ω 2 + j ω ω m n Q m n ( cos ( γ m ( x 0 l x ) ) cos ( γ m ( x 0 + l x ) ) ) ( cos ( γ n ( y 0 l y ) ) cos ( γ n ( y 0 + l y ) ) ) = 4 C m n ε p e ( u ) ω m n 2 ω 2 + j ω ω m n Q m n sin ( γ m x 0 ) sin ( γ n x 0 ) sin ( γ m l x ) sin ( γ n l y )

Figure DE102023126058A1_0005
Taking advantage of the modal orthogonality of the eigenfunctions, the modal amplitude can be expressed as follows: W m n = C m n ε p e ( u ) ω m n 2 ω 2 + j ω ω m n Q m n ( cos ( γ m ( x 0 l x ) ) cos ( γ m ( x 0 + l x ) ) ) ( cos ( γ n ( y 0 l y ) ) cos ( γ n ( y 0 + l y ) ) ) = 4 C m n ε p e ( u ) ω m n 2 ω 2 + j ω ω m n Q m n sin ( γ m x 0 ) sin ( γ n x 0 ) sin ( γ m l x ) sin ( γ n l y )
Figure DE102023126058A1_0005

Die modale Amplitude einers einfach unterstützen Platte wird Null, wenn der Mittelpunkt des Dehnungsaktuators, der durch die Koordinaten x0 und y0 dargestellt wird, auf einer Knotenlinie liegt, in der die Eigenfunktion sin (γmx0) sin (γnγ0) = 0 ist. Dieses Kriterium gilt auch für die Platzierung von Kraftaktuatoren mit elektrodynamischen Trägheitswandlern. So erzeugen sowohl ein Kraftaktuator als auch ein Dehnungsaktuator, der sich in der Mitte der einfach gelagerten Platte befindet, mehr Amplitude W11 der Grundmode (m=1 und n=1) als an jedem anderen Punkt der Platte.The modal amplitude of a simply supported plate is zero when the center of the extension actuator, represented by the coordinates x 0 and y 0 , lies on a nodal line where the eigenfunction sin (γ m x 0 ) sin (γ n γ 0 ) = 0. This criterion also applies to the placement of force actuators with electrodynamic inertial transducers. Thus, both a force actuator and a extension actuator located at the center of the simply supported plate generate more amplitude W 11 of the fundamental mode (m = 1 and n = 1) than at any other point on the plate.

2 zeigt die Gesamtamplitude der modalen Beschleunigung der einfach unterstützten Platte in 1, die durch den Dehnungsaktuator an der außermittigen Position angeregt wird, gemessen und simuliert von Heilemann in der AES-Tagungsbeitrag 10618. Heilemann fand heraus, dass „piezoelektrische Dehnungsaktuatoren aufgrund der relativ schwachen Kopplung zwischen den Abmessungen des Dehnungsaktuators und der halben Wellenlänge der Grundbiegemode der Platte typischerweise eine schwächere Basswiedergabe haben.“ Das piezoelektrische Wandlerprinzip verursacht dieses Problem nicht direkt, sondern ist eine allgemeine Eigenschaft aller Dehnungsaktuatoren, die Dipolkräfte an der Begrenzungslinie der Kontaktfläche Sc erzeugen. Jeder Dehnungsaktuator mit einer kleinen Kontaktfläche Sc, die an einer einfach unterstützten, dünnen Platte befestigt ist, erzeugt den Term sin (γmlx)sin (γnly) in Gleichung (5), der verschwindet, wenn die Abmessungen lx und ly viel kleiner als die Biegewellenlänge sind. Dieses Problem vermindert sich bei höheren Frequenzen, da die Biegewellenlänge abnimmt und die Anzahl der Schwingungsknoten und -bäuche auf der einfach gelagerten Platte zunimmt. 2 shows the total amplitude of the modal acceleration of the simply supported plate in 1 , which is excited by the strain actuator at the off-center position, measured and simulated by Heilemann in AES Conference Paper 10618. Heilemann found that “piezoelectric strain actuators typically exhibit a weaker bass response due to the relatively weak coupling between the dimensions of the strain actuator and the half-wavelength of the fundamental bending mode of the plate reproduction." The piezoelectric transducer principle does not cause this problem directly, but is a general property of all strain actuators that generate dipole forces at the boundary line of the contact area S c . Any strain actuator with a small contact area S c attached to a simply supported, thin plate generates the term sin (γ m l x )sin (γ n l y ) in equation (5), which vanishes when the dimensions l x and ly are much smaller than the bending wavelength. This problem diminishes at higher frequencies because the bending wavelength decreases and the number of nodes and antinodes on the simply supported plate increases.

Heilemann kam in diesem Tagungsbeitrag zu dem Schluss: „Da piezoelektrische Dehnungsaktuatoren sehr gut die Schwingungsmoden bei hohen Frequenzen anregen können, sollten sie am besten als Hochtöner in einem Zwei-Wege-Frequenzweichen-Flachlautsprecher verwendet werden, wobei die Schwingungsmoden bei tiefen Frequenzen mit elektrodynamischen Kraftaktuatoren angeregt werden sollen“.Heilemann concluded in this conference paper: “Since piezoelectric strain actuators are very good at exciting the vibration modes at high frequencies, they should best be used as tweeters in a two-way crossover flat panel loudspeaker, with the vibration modes at low frequencies being excited with electrodynamic force actuators.”

Heilemann et al. offenbarten in dem Patent US 10,966,042 auch ein „Verfahren zum Erzeugung von lokalisierter Schwingungen auf Paneelen“, das piezoelektrische Aktuatoren für die Anregung von Platten verwendet, die als Platte mit einfach unterstützten Kanten und sinusförmigen Eigenfunktionen in Gleichung (6) in Spalte 9 modelliert wurde.Heilemann et al. disclosed in the patent US 10,966,042 also a “method for generating localized vibrations on panels” that uses piezoelectric actuators for the excitation of panels, which were modeled as a plate with simply supported edges and sinusoidal eigenfunctions in equation (6) in column 9.

Tomohiko Kamimura et al. offenbarten in der US-Patentanmeldung 2006/0093165 auf Seite 1 einen Plattenlautsprecher, bei dem „die Plattenkante mit Dichtungen an bestimmten Abschnitten an einem Rahmen gehalten wird, wobei die Dichtung (31 in den 3a und 5) an der Plattenkante, auf der gegenüberliegenden Seite des elektromechanischen Aktuators platziert ist, eine höhere Härte aufweist als die Dichtung an anderen Positionen“.Tomohiko Kamimura et al. revealed in the US patent application 2006/0093165 on page 1 a plate loudspeaker in which “the plate edge is held to a frame with seals at certain sections, the seal (31 in the 3a and 5 ) at the plate edge, on the opposite side of the electromechanical actuator, has a higher hardness than the seal at other positions."

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Die Erfindung offenbart eine Anordnung und ein Verfahren zum Erzeugen mechanischer Schwingungen und zum Abstrahlen von Schall unter Verwendung eines Dehnungsaktuators, beispielsweise eines elektrostatischen Wandlers, der an einer Kontaktfläche an einer mechanischen Struktur befestigt ist. Der Dehnungsaktuator wandelt ein elektrisches Eingangssignal u in Dipolkräfte an der Begrenzungslinie der Kontaktfläche Sc, wie in Gleichung (2) gezeigt. Ein wesentliches Ziel der Erfindung ist es, die mechanische Anregung von Schwingungsmoden in großen mechanischen Strukturen durch Dehnungsaktuatoren mit kleiner Kontaktfläche Sc zu verbessern.The invention discloses an arrangement and a method for generating mechanical vibrations and radiating sound using a strain actuator, for example, an electrostatic transducer attached to a contact surface on a mechanical structure. The strain actuator converts an electrical input signal u into dipole forces at the boundary line of the contact surface Sc , as shown in equation (2). A key objective of the invention is to improve the mechanical excitation of vibration modes in large mechanical structures using strain actuators with a small contact surface Sc .

Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, dass sich die positiven und negativen Dipolkräfte an den gegenüberliegenden Punkten 7 und 9 des Randes 5 der Kontaktfläche Sc gegenseitig aufheben, wenn die modale Eigenfunktion an diesen gegenüberliegenden Punkten den gleichen Wert hat. Eine Auslöschung kann in Moden niedriger Ordnung entstehen, die in einfach unterstützten Platten 1 bei niedrigen Frequenzen erzeugt werden, wenn der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Punkten 7 und 9 viel kleiner als die Biegewellenlänge ist.The invention exploits the fact that the positive and negative dipole forces at the opposite points 7 and 9 of the edge 5 of the contact surface Sc cancel each other out if the modal eigenfunction at these opposite points has the same value. Cancellation can occur in low-order modes generated in simply supported plates 1 at low frequencies if the distance between the opposite points 7 and 9 is much smaller than the bending wavelength.

Entsprechend der Erfindung, soll die Geometrie oder das Material der mechanischen Struktur 1 modifiziert werden oder durch zusätzliche mechanische oder akustische Elemente die Randbedingungen verändert werden, um an den gegenüberliegenden Punkten der Begrenzung der Kontaktfläche Sc unterschiedliche Anstiege in der Eigenfunktion zu erzeugen. Das Einspannen der Kante der mechanischen Struktur und das Platzieren des Dehnungsaktuators mit einer Seite der Begrenzung an der eingespannten Kante sind sehr effektive Ausführungsformen der Erfindung. Eine andere Ausführungsform platziert den Dehnungsaktuator an einer bestimmten Position, an der die mechanische Struktur eine starke Krümmung in der Schale, eine variierende Dicke oder ein Übergang zwischen verschiedenen Materialien stattfindet, wodurch unterschiedliche Anstiege in den Eigenfunktionen an gegenüberliegenden Grenzpunkten erzeugt werden.According to the invention, the geometry or material of the mechanical structure 1 is to be modified, or the boundary conditions are to be changed by additional mechanical or acoustic elements in order to generate different slopes in the eigenfunction at the opposite points of the boundary of the contact area S c . Clamping the edge of the mechanical structure and placing the strain actuator with one side of the boundary at the clamped edge are very effective embodiments of the invention. Another embodiment places the strain actuator at a specific position where the mechanical structure has a strong curvature in the shell, a varying thickness, or a transition between different materials, thereby generating different slopes in the eigenfunctions at opposite boundary points.

Die Erfindung kann für ein Entwurfsverfahren verwendet werden, bei dem eine Anregungsmetrik Enm die Anstiege der Eigenfunktion an gegenüberliegenden Punkten auf der Begrenzungslinie der Kontaktfläche Sc auswertet. Ein kleiner Wert der Anregungsmetrik (Enm <<1) deutet auf eine schlechte mechanische Anregung der modalen Schwingung hin. Die Anregungsmetrik hilft dabei, die beste Position des Dehnungsaktuators zu ermitteln und Konstruktionsänderungen an der mechanischen Struktur zu bewerten. Bei der Methode handelt es sich um ein iteratives Verfahren, bei dem die gegenseitige Wechselwirkung zwischen dem Dehnungsaktuator und der Struktur, die die resultierende Eigenfunktion beeinflusst, berücksichtigt wird. Ein hoher Wert der Anregungsmetrik (Enm ≈1) zeigt an, dass eine optimale Entwurfslösung gefunden wurde und das iterative Verfahren beendet werden kann.The invention can be used for a design method in which an excitation metric E nm evaluates the slopes of the eigenfunction at opposite points on the boundary line of the contact surface S c . A small value of the excitation metric (E nm <<1) indicates poor mechanical excitation of the modal vibration. The excitation metric helps to determine the best position of the strain actuator and to evaluate design changes to the mechanical structure. The method is an iterative procedure in which the mutual interaction between the strain actuator and the structure, which influences the resulting eigenfunction, is taken into account. A high value of the excitation metric (E nm ≈1) indicates that an optimal design solution has been found and the iterative procedure can be terminated.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

  • 1 zeigt die Position und Größe eines piezoelektrischen Dehnungsaktuators, der an einer einfach unterstützten Platte in einer außermittigen Position befestigt ist, die von Heilemann entsprechend dem Stand der Technik verwendet wird. 1 shows the position and size of a piezoelectric strain actuator attached to a simply supported plate in an off-center position used by Heilemann according to the state of the art.
  • 2 zeigt die von Heilemann im Stand der Technik gemessene und simulierte Beschleunigung auf der einfach unterstützten Platte als Stand der Technik, die mit einem Dehnungsaktuator in einer außermittigen Position angeregt wird. 2 shows the acceleration measured and simulated by Heilemann in the state of the art on the simply supported plate as state of the art, which is excited with a strain actuator in an off-center position.
  • 3 zeigt einen Dehnungsaktuator, der an einer Struktur befestigt ist und eine Strukturkomponente, die an der Begrenzungslinie der Kontaktfläche Sc entsprechend der Erfindung angebracht ist. 3 shows a strain actuator attached to a structure and a structural component attached to the boundary line of the contact surface S c according to the invention.
  • 4 zeigt die erste Ausführungsform der Erfindung in einem Flachbildschirmlautsprecher unter Verwendung eines piezoelektrischen Dehnungsaktuators, der an einer Platte befestigt ist, indem die Kontaktfläche Sc nahe den eingespannten Kanten der Platte platziert wird. 4 shows the first embodiment of the invention in a flat panel loudspeaker using a piezoelectric strain actuator attached to a plate by placing the contact surface S c close to the clamped edges of the plate.
  • 5 zeigt die zweite Ausführungsform der Erfindung in einem Flachbildschirmlautsprecher unter Verwendung von zwei piezoelektrischen Dehnungsaktuatoren, die an einer Platte in der Nähe des mittleren Klemmbereichs angebracht sind. 5 shows the second embodiment of the invention in a flat panel loudspeaker using two piezoelectric strain actuators mounted on a plate near the central clamping area.
  • 6 zeigt die dritte Ausführungsform der Erfindung in einem aktiven Regelungssystem zur Unterdrückung unerwünschter Schwingungen an einem Gehäuse unter Verwendung eines piezoelektrischen Dehnungsaktuators, der an dem Gehäuse an einem Punkt angebracht ist, an dem die Gehäuseschale eine starke Krümmung aufweist. 6 shows the third embodiment of the invention in an active control system for suppressing unwanted vibrations on a housing using a piezoelectric strain actuator attached to the housing at a point where the housing shell has a strong curvature.
  • 7 zeigt ein Flussdiagramm, das die Schritte zur Optimierung eines Flachbildschirmlautsprechers detailliert beschreibt. 7 shows a flowchart detailing the steps for optimizing a flat panel speaker.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

3 zeigt die allgemeinen Elemente und Eigenschaften der Anordnung in der vorliegenden Erfindung. Diese Anordnung verwendet eine dünne mechanische Struktur 19, wie beispielsweise eine flache Platte oder gekrümmte Schale, wobei weitere Elemente die Randbedingungen beeinflussen. Diese Struktur verwendet eine bestimmte Geometrie, Materialien oder eine konstruktive Komponente 21 zum Einspannen der Struktur an der Begrenzungslinie der Kontaktfläche Sc, um ein Teil der Dipolkräfte, die durch die lokalen Ableitungen der Diract-Delta-Funktionen δ'(·) in Gleichung (2) erzeugt werden, zu vermindern. Diese lokalen Eigenschaften der mechanischen Struktur verhindern, das sich die Wirkung der Dipolkräfte teilweise aufhebt und sich die effektive Anregung der Biegewellen bei niedrigen Frequenzen erheblich kleiner ist als bei hohen Frequenzen. Diese Anordnung kann nicht durch die sinusförmigen Eigenfunktionen Φmn(x, y) in Gleichung (4) entsprechend dem Stand der Technik modelliert werden, die nur für eine einfach unterstütze Platte 1 gültig ist, sondern erfordert eine allgemeinere Definition der Eigenfunktionen w ( x ,   y ) = m = 1 n = 1 W m n Φ m n ( x ,   y ) = m = 1 n = 1 W m n φ m ( x ) φ n ( y )

Figure DE102023126058A1_0006
bestehend aus Produkten zweier unabhängiger modaler Unterfunktionen φm(x) und φn(y), die die Abhängigkeit von x und y beschreiben. 3 shows the general elements and properties of the arrangement in the present invention. This arrangement uses a thin mechanical structure 19, such as a flat plate or curved shell, with other elements influencing the boundary conditions. This structure uses a specific geometry, materials, or a structural component 21 to clamp the structure at the boundary line of the contact surface S c to reduce some of the dipole forces generated by the local derivatives of the direct delta functions δ'(·) in equation (2). These local properties of the mechanical structure prevent the effect of the dipole forces from partially canceling out, and the effective excitation of the bending waves at low frequencies is significantly smaller than at high frequencies. This arrangement cannot be modeled by the sinusoidal eigenfunctions Φ mn (x, y) in equation (4) according to the prior art, which is only valid for a simply supported plate 1, but requires a more general definition of the eigenfunctions. w ( x ,   y ) = m = 1 n = 1 W m n Φ m n ( x ,   y ) = m = 1 n = 1 W m n φ m ( x ) φ n ( y )
Figure DE102023126058A1_0006
consisting of products of two independent modal subfunctions φ m (x) and φ n (y), which describe the dependence of x and y.

Unter Ausnutzung der modalen Orthogonalität kann die modale Amplitude Wmn berechnet werden als W m n = C m n , c ε p e ( u ) ω m n 2 ω 2 + j ω ω m n Q m n ( φ m ( x 0 l x ) x φ m ( x 0 l x ) x ) ( φ n ( y 0 l y ) y φ n ( y 0 + l y ) y ) = C m n , c ε p e ( u ) ω m n 2 ω 2 + j ω ω m n Q m n ( φ ' m ( x 0 l x ) φ ' m ( x 0 + l x ) ) ( φ ' n ( y 0 l y ) φ ' n ( y 0 l y ) )

Figure DE102023126058A1_0007
unter Verwendung der Eigenfrequenzen ωmn, der Gütefaktoren Qmn und der Konstanten Cmn,c unter Berücksichtigung der geometrischen und materiellen Eigenschaften der Struktur, des Dehnungsaktuators und anderer akustischer Elemente (z.B. Gehäuse, Schallöffnungen) zur Erzeugung günstiger Anregungsbedingungen.Taking advantage of modal orthogonality, the modal amplitude W mn can be calculated as W m n = C m n , c ε p e ( u ) ω m n 2 ω 2 + j ω ω m n Q m n ( φ m ( x 0 l x ) x φ m ( x 0 l x ) x ) ( φ n ( y 0 l y ) y φ n ( y 0 + l y ) y ) = C m n , c ε p e ( u ) ω m n 2 ω 2 + j ω ω m n Q m n ( φ ' m ( x 0 l x ) φ ' m ( x 0 + l x ) ) ( φ ' n ( y 0 l y ) φ ' n ( y 0 l y ) )
Figure DE102023126058A1_0007
using the natural frequencies ω mn , the quality factors Q mn and the constants C mn,c taking into account the geometric and material properties of the structure, the strain actuator and other acoustic elements (e.g. housing, sound openings) to generate favorable excitation conditions.

Sind die Abmessungen 2lx oder 2ly des Dehnungsaktuators 3 viel kleiner als die Biegewellenlänge λnm, so verringert die Differenz der Anstiege φ'm und φ'n an der Begrenzungslinie der Kontaktfläche die Amplitude Wnm der Schwingungsmoden. Dieser Effekt ist eine charakteristische Eigenschaft des Dehnungsaktuators 3 und kann durch eine Anregungsmetrik bewertet werden, die für einen rechteckigen Rand wie folgt ausgedrückt werden kann: E m n = | φ ' m ( x 0 l x ) φ ' m ( x 0 + l x ) | | φ ' n ( y 0 l y ) φ ' n ( y 0 + l y ) | ( | φ ' m ( x 0 l x ) | + | φ ' m ( x 0 + l x ) | ) ( | φ ' n ( y 0 l y ) | + | φ ' n ( y 0 + l y ) | ) < 1

Figure DE102023126058A1_0008
If the dimensions 2l x or 2l y of the strain actuator 3 are much smaller than the bending wavelength λ nm , the difference between the slopes φ' m and φ' n at the boundary line of the contact surface reduces the amplitude W nm of the vibration modes. This effect is a characteristic property of the strain actuator 3 and can be evaluated by an excitation metric, which for a rectangular boundary can be expressed as follows: E m n = | φ ' m ( x 0 l x ) φ ' m ( x 0 + l x ) | | φ ' n ( y 0 l y ) φ ' n ( y 0 + l y ) | ( | φ ' m ( x 0 l x ) | + | φ ' m ( x 0 + l x ) | ) ( | φ ' n ( y 0 l y ) | + | φ ' n ( y 0 + l y ) | ) < 1
Figure DE102023126058A1_0008

Der Nenner in Gleichung (8) liefert eine hilfreiche Normalisierung auf die maximale Anregung, bei der die Abmessungen 2lx oder 2ly des Dehnungsaktuators der Hälfte der Biegewellenlänge λnm entsprechen.The denominator in equation (8) provides a useful normalization to the maximum excitation, where the dimensions 2l x or 2l y of the strain actuator correspond to half the bending wavelength λ nm .

Eine zweite Metrik E ¯ m n = 1 N D M D n = N H N H + N D m = M H M H + M D E m n

Figure DE102023126058A1_0009
beschreibt die mittlere Anregung in einem Frequenzband, das bei den Moden mit der Ordung NH und MH beginnt und die Anzahl ND und MD höherer Moden berücksichtigt.A second metric E ¯ m n = 1 N D M D n = N H N H + N D m = M H M H + M D E m n
Figure DE102023126058A1_0009
describes the average excitation in a frequency band that begins with the modes of order N H and M H and takes into account the number N D and M D of higher modes.

Beide Anregungsmetriken hängen von den besonderen Eigenschaften der Eigenfunktionen φm(x) und φn(y), der Platzierung des Dehnungsaktuators bei x0 und y0 und der Größe des Dehnungsaktuators, dargestellt durch lx und ly ab.Both excitation metrics depend on the particular properties of the eigenfunctions φ m (x) and φ n (y), the placement of the strain actuator at x 0 and y 0 and the size of the strain actuator, represented by l x and l y .

Gemäß der erfindungsgemäßen Idee soll die Geometrie oder das Material der Struktur 19 geändert werden, oder es soll eine zusätzliche Komponente 21 in der Struktur 19 verwendet werden, um den Anstieg der Eigenfunktionen auf einer Seite 7 der Begrenzung der Kontaktfläche Sc zu verringern, während der Anstieg auf der gegenüberliegenden Seite 9 so groß wie möglich gestaltet werden soll. Eine solche modifizierte Struktur unterdrückt die Dipolkräfte in Gleichung (2) auf einer Seite 7 des Randes, hält aber die Dipolkräfte auf der gegenüberliegenden Seite 7 aufrecht und verhindert einen Auslöschungseffekt bei niedrigen Frequenzen. Ein Dehnungsaktuator kann auch Moden niedriger Ordnung an einer Knotenlinie φm=0 oder φn=0 anregen, wenn sich der Anstieg der Eigenfunktion in der Kontaktfläche Sc ändert. Ein Kraftaktuator kann Schwingungsmoden an der Knotenlinie nicht anregen.According to the inventive idea, the geometry or material of the structure 19 is to be changed, or an additional component 21 is to be used in the structure 19, in order to reduce the slope of the eigenfunctions on one side 7 of the boundary of the contact area S c , while the slope on the opposite side 9 is to be made as large as possible. Such a modified structure suppresses the dipole forces in equation (2) on one side 7 of the edge, but maintains the dipole forces on the opposite side 7 and prevents a cancellation effect at low frequencies. A strain actuator can also excite low-order modes at a nodal line φ m = 0 or φ n = 0 if the slope of the eigenfunction in the contact area S c changes. A force actuator cannot excite vibration modes at the nodal line.

Es gibt viele praktische Möglichkeiten, eine gegebene mechanische Struktur zu modifizieren, um diese Bedingungen zu erfüllen, wie in den folgenden Ausführungsformen veranschaulicht wird:There are many practical ways to modify a given mechanical structure to meet these conditions, as illustrated in the following embodiments:

4 zeigt die erste Ausführungsform der Erfindung in einem Flachlautsprecher unter Verwendung eines piezoelektrischen Dehnungsaktuators 3, der an einer rechteckigen Platte 1 angebracht ist. Im Gegensatz zu dem in 1 gezeigten Stand der Technik ist der Dehnungsaktuator 3 an einer Ecke der Platte 1 in der Nähe der Kanten angeordnet, wo eine zusätzliche Klemmung 23 aufgebracht wurde. Die Klemmung erzeugt an den Rändern der Kontaktfläche Sc die Randbedingungen φ m ( x 0 l x ) = 0

Figure DE102023126058A1_0010
φ ' m ( x 0 l x ) = 0
Figure DE102023126058A1_0011
φ n ( y 0 l y ) = 0
Figure DE102023126058A1_0012
φ m ( x 0 l x ) = 0
Figure DE102023126058A1_0013
was den Wert der Anregungsmetrik Enm für die Grund- und andere Moden erhöht. 4 shows the first embodiment of the invention in a flat panel loudspeaker using a piezoelectric strain actuator 3 mounted on a rectangular plate 1. In contrast to the 1 In the prior art shown, the strain actuator 3 is arranged at a corner of the plate 1 near the edges, where an additional clamp 23 has been applied. The clamp creates the boundary conditions at the edges of the contact surface S c φ m ( x 0 l x ) = 0
Figure DE102023126058A1_0010
φ ' m ( x 0 l x ) = 0
Figure DE102023126058A1_0011
φ n ( y 0 l y ) = 0
Figure DE102023126058A1_0012
φ m ( x 0 l x ) = 0
Figure DE102023126058A1_0013
which increases the value of the excitation metric E nm for the fundamental and other modes.

5 zeigt die zweite Ausführungsform der Erfindung in einer rechteckigen flachen Platte 1, deren äußeren Ränder 11 einfach gestützt werden. Eine starre Schiene, die an der vertikalen Mittellinie xc auf der Rückseite der Platte 1 angeordnet ist, stellt eine Mittelklemmung 27 her, die auf der linken und rechten Seite der Platte 1 unabhängige modale Systeme gleicher Größe erzeugt. Jede Struktur wird durch einen piezoelektrischen Dehnungsaktuator 31 und 33 angeregt, der auf der linken und rechten Seite der Klemmschiene an den Positionen xl, y0 bzw. xr, y0 angeordnet ist. Die Mittenklemmung 27 auf der jeweiligen Erregerposition erzeugt folgende Randbedingungen: φ m ( x l l x ) 0

Figure DE102023126058A1_0014
φ m ( x l l x ) 0
Figure DE102023126058A1_0015
φ m ( x r l x ) 0
Figure DE102023126058A1_0016
φ m ( x r l x ) 0
Figure DE102023126058A1_0017
5 shows the second embodiment of the invention in a rectangular flat plate 1, the outer edges 11 of which are simply supported. A rigid rail arranged on the vertical center line x c on the back of the plate 1 establishes a center clamp 27, which generates independent modal systems of equal size on the left and right sides of the plate 1. Each structure is excited by a piezoelectric strain actuator 31 and 33, which is arranged on the left and right sides of the clamping rail at the positions x l , y 0 and x r , y 0 respectively. The center clamp 27 at the respective excitation position creates the following boundary conditions: φ m ( x l l x ) 0
Figure DE102023126058A1_0014
φ m ( x l l x ) 0
Figure DE102023126058A1_0015
φ m ( x r l x ) 0
Figure DE102023126058A1_0016
φ m ( x r l x ) 0
Figure DE102023126058A1_0017

Eine zusätzliche Kantenklemmung 29 wird auf die Platte 1 angewendet, wo die obere Begrenzungslinie beider Dehnungsaktuatoren liegt. Dadurch ergibt sich folgende Randbedingung: φ n ( y l + l y , x l l x < x < x r + l x ) 0

Figure DE102023126058A1_0018
φ n ( y l + l y , x l l x < x < x r + l x ) 0
Figure DE102023126058A1_0019
An additional edge clamp 29 is applied to plate 1, where the upper boundary line of both strain actuators lies. This results in the following boundary condition: φ n ( y l + l y , x l l x < x < x r + l x ) 0
Figure DE102023126058A1_0018
φ n ( y l + l y , x l l x < x < x r + l x ) 0
Figure DE102023126058A1_0019

Die Mittenklemmung 27 und die Kantenklemmung 29 erhöhen den Wert der Anregungsmetrik Enm für die Schwingungsmoden.The center clamp 27 and the edge clamp 29 increase the value of the excitation metric E nm for the vibration modes.

Ein Stereo-Audiosignal, das zwei Teilsignale sl und sr enthält, wird einer Weiche zugeführt, die die elektrischen Eingangssignale ul und ur für die Dehnungsaktuator 31 bzw. 32 erzeugt: u l = { s l + s r f < f c s l f f c

Figure DE102023126058A1_0020
u r = { s l + s r f < f c s r f f c
Figure DE102023126058A1_0021
A stereo audio signal containing two sub-signals s l and s r is fed to a switch which generates the electrical input signals u l and u r for the strain actuators 31 and 32, respectively: u l = { s l + s r f < f c s l f f c
Figure DE102023126058A1_0020
u r = { s l + s r f < f c s r f f c
Figure DE102023126058A1_0021

Beide Dehnungsanreger 31 und 32 erhalten bei niedrigen Frequenzen ein Monosignal, das durch Addition der linken und rechten Teilsignale erzeugt werden. Die hochfrequenten Stereosignale werden separat den beiden Dehnungsaktuatoren zugeführt. Diese Ausführungsform ermöglicht es, auf der linken und rechten Seite der Platte zwei Grundmoden anzuregen, die in Phase schwingen und die Schalldruckabgabe bei niedrigen Frequenzen verdoppeln. Die Mittelklemmung 27 ermöglicht die Entkopplung der modalen Schwingung auf der linken und rechten Seite der Platte bei höheren Frequenzen, die sich vorteilhaft auf die empfundene Breite des Klangbildes auswirkt.Both expansion exciters 31 and 32 receive a mono signal at low frequencies, generated by summing the left and right partial signals. The high-frequency stereo signals are fed separately to the two expansion actuators. This design allows two fundamental modes to be excited on the left and right sides of the plate, which oscillate in phase and double the sound pressure output at low frequencies. The center clamp 27 enables the decoupling of the modal oscillation on the left and right sides of the plate at higher frequencies, which has a beneficial effect on the perceived width of the sound image.

6 zeigt ein System zur aktiven Steuerung der Schwingungen am Gehäuse 35, die durch eine vom Motor 45 erzeugte Kraft FM anregt und über die Plattform 47 auf das Gehäuse übertragen werden (Active Noise Control). Das Gehäuse 35 verhält sich wie eine dünne, gekrümmte Schale, die unerwünschte Vibrationen und Geräusche erzeugt, die als Störgeräusche in die Umgebung abgestrahlt werden. Ein Sensor 37 misst den Bewegungszustandssignal a an der Gehäuseoberfläche und erzeugt in einer Steuerungseinheit 49 ein elektrisches Eingangssignal u, das dem piezoelektrischen Dehnungsaktuator 39 zugeführt wird, der an dem Gehäuse 35 angebracht ist. Eine Seite der Begrenzung der Kontaktfläche Sc befindet sich an Position 43, wo die Krümmung und Dicke der Schale und Materialeigenschaften wie Dichte und lokaler E-Modul einen niedrigen Anstieg in der Eigenfunktion erzeugen. Die gegenüberliegende Seite der Begrenzung befindet sich an Position 41, wo die geringe Krümmung und das dünne Material einen hohen Anstieg in der Eigenfunktion erzeugen. Diese Ausführungsform der Erfindung nutzt die gegebenen Eigenschaften des Gehäuses aus, ohne zusätzliche Mittel für die Klemmung oder Versteifung der mechanischen Struktur zu verwenden, und erzeugt einen hohen Wert in der Anregungsmetrik Enm in Gleichung (8). 6 shows a system for actively controlling the vibrations on the housing 35, which are excited by a force FM generated by the motor 45 and transmitted to the housing via the platform 47 (Active Noise Control). The housing 35 behaves like a thin, curved shell, generating unwanted vibrations and noise that are radiated into the environment as noise. A sensor 37 measures the motion state signal a on the housing surface and generates an electrical input signal u in a control unit 49, which is fed to the piezoelectric strain actuator 39 attached to the housing 35. One side of the boundary of the contact surface Sc is located at position 43, where the curvature and thickness of the shell and material properties such as density and local Young's modulus produce a low slope in the eigenfunction. The opposite side of the boundary is located at position 41, where the low curvature and the thin material produce a high slope in the eigenfunction. This embodiment of the invention exploits the given properties of the housing without using additional means for clamping or stiffening the mechanical structure and produces a high value in the excitation metric E nm in equation (8).

Die Erfindung wird auch als Verfahren zur optimalen Auslegung von mechanischen Shakern, Lautsprechern und aktiven Systemen zur Schall- und Schwingungsdämpfung eingesetzt.The invention is also used as a method for the optimal design of mechanical shakers, loudspeakers and active systems for sound and vibration damping.

7 zeigt ein Optimierungsverfahren als Flussdiagramm, in dem die Schritte zur Optimierung der Tonwiedergabe mit Hilfe eines Fernsehbildschirms beispielsweise aufgeführt sind. 7 shows an optimization process as a flow chart in which the steps for optimizing sound reproduction using a television screen, for example, are listed.

Im ersten Schritt wird eine vorläufige Version einer mechanischen Struktur bereitgestellt, die die Anforderungen einer primären Anwendung, wie z. B. die visuelle Leistung eines Bildschirms, erfüllt.The first step is to provide a preliminary version of a mechanical structure that meets the requirements of a primary application, such as the visual performance of a display.

Im zweiten Schritt wird ein Dehnungsaktuator mit einer Kontaktfläche Sc an der Struktur befestigt.In the second step, a strain actuator with a contact surface S c is attached to the structure.

Im dritten Schritt wird die modale Schwingung der Struktur mit dem angebauten Dehnungsaktuator gemessen bzw. simuliert.In the third step, the modal vibration of the structure is measured or simulated using the attached strain actuator.

Im vierten Schritt wird die Modalanalyse auf die gemessenen oder simulierten Schwingungsdaten angewendet, um die Eigenfrequenzen, den modalen Qualitätsfaktor und die Eigenfunktionen der Moden zu extrahieren. Die Anstiege der Eigenfunktionen werden an den Rändern der Kontaktfläche Sc berechnet.In the fourth step, modal analysis is applied to the measured or simulated vibration data to extract the eigenfrequencies, the modal quality factor, and the eigenfunctions of the modes. The slopes of the eigenfunctions are calculated at the edges of the contact surface S c .

Im fünften Schritt wird eine Anregungsmetrik Enm berechnet, die die Differenz der Anstiege der Eigenfunktionen in x- oder y-Richtung an gegenüberliegenden Punkten auf der Begrenzungslinie der Kontaktfläche Sc auswertet.In the fifth step, an excitation metric E nm is calculated, which evaluates the difference between the slopes of the eigenfunctions in the x- or y-direction at opposite points on the boundary line of the contact surface S c .

Im sechsten Schritt ist die Optimierung abgeschlossen, wenn die Anregungsmetrik Enm einen vordefinierten Schwellenwert (z.B. Enm≈1) erreicht.In the sixth step, the optimization is completed when the excitation metric E nm reaches a predefined threshold (e.g., E nm ≈1).

Im siebten Schritt werden konstruktive Konstruktionsänderungen, z.B. durch Anbringung zusätzlicher Versteifungen, an der mechanischen Struktur vorgenommen oder die Position des Dehnungsaktuators unter Berücksichtigung der Randbedingungen der primären Anwendung geändert und die vorherigen Schritte 2 bis 5 des Optimierungsverfahrens wiederholt.In the seventh step, design changes are made to the mechanical structure, e.g., by adding additional stiffeners, or the position of the strain actuator is changed taking into account the boundary conditions of the primary application and the previous steps 2 to 5 of the optimization procedure are repeated.

Das iterative Verfahren berücksichtigt die Wechselwirkungen zwischen der modifizierten Struktur, der effektiven Anregung und der Last, die vom Dehnungsaktuator an einer bestimmten Position ausgeübt wird.The iterative procedure takes into account the interactions between the modified structure, the effective excitation and the load exerted by the strain actuator at a specific position.

VORTEILE DER ERFINDUNGADVANTAGES OF THE INVENTION

Die Erfindung ist wesentlich für Wiedergabe von Audiosignalen als auch für die aktive Unterdrückung von Störschall, der durch mechanische Schwingungen auf dünnwandigen mechanischen Strukturen erzeugt wird.The invention is essential for the reproduction of audio signals as well as for the active suppression of noise generated by mechanical vibrations on thin-walled mechanical structures.

Die Erfindung kann auf jede mechanische Struktur angewendet werden, auch wenn diese ursprünglich für einen anderen Zweck entworfen wurde, bei dem mechanische Schwingungen und Schallabstrahlung nicht erforderlich oder nicht erwünscht sind. Zum Beispiel ist ein moderner Bildschirm mit organischen Leuchtdioden (OLED) in modernen Fernsehern und Monitoren in erster Linie darauf ausgelegt, die Videoanforderung zu erfüllen, soll nun aber auch ein Audioschallsignal wiedergeben können. Elektrostatische Dehnungsaktuatoren und andere dünne und leichte Hilfsmittel können auf der Rückseite des Bildschirms platziert werden, um Audiosignale in ausreichender Qualität wiederzugeben, ohne die Videoqualität, das visuelle Erscheinungsbild und den Stil des Verbraucherprodukts zu beeinträchtigen.The invention can be applied to any mechanical structure, even if it was originally designed for another purpose where mechanical vibrations and sound radiation are unnecessary or undesirable. For example, a modern organic light-emitting diode (OLED) display in modern televisions and monitors is primarily designed to meet video requirements, but now also needs to be able to reproduce an audio sound signal. Electrostatic strain actuators and other thin and lightweight devices can be placed on the back of the display to reproduce audio signals with sufficient quality without compromising the video quality, visual appearance, and style of the consumer product.

Moderne Bildschirme verfügen über eine große Abstrahlfläche und eine ausreichende modale Schwingungsdichte, die für Wiedergabe niedriger Audiofrequenzen erforderlich ist. Dehnungsaktuatoren sind vorteilhaft für die Realisierung von mehrkanaligen aktiven Steuerungssystemen, die eine gewünschte akustische Richtcharakteristik bei höheren Frequenzen erzeugen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine minimale Anzahl von kleinen Dehnungsaktuatoren für die Anregung von Schwingungsmoden niedrigerer Ordnung, die erforderlich sind, um das gesamte Audiofrequenzband ohne zusätzliche Tieftöner oder Kraftaktuatoren wiedergeben zu können. Somit reduziert die Erfindung die Kosten, das Gewicht und die Größe der Audiokomponenten.Modern screens have a large radiating surface and sufficient modal vibration density, which is necessary for reproducing low audio frequencies. Strain actuators are advantageous for implementing multi-channel active control systems that generate a desired acoustic directivity at higher frequencies. The present invention enables a minimal number of small strain actuators for exciting lower-order vibration modes, which are required to reproduce the entire audio frequency band without additional woofers or force actuators. Thus, the invention reduces the cost, weight, and size of the audio components.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 10,966,042 [0014]US 10,966,042 [0014]
  • US 2006/0093165 [0015]US 2006/0093165 [0015]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Active Control of Vibration, Associated Press, 1996, doi:https://doi.org/10.1016/b978-0-12-269440-0.x5000-6 [0002]Active Control of Vibration, Associated Press, 1996, doi:https://doi.org/10.1016/b978-0-12-269440-0.x5000-6 [0002]
  • M. Heilemann und Tre DiPassio präsentierten auf der 153. AES-Tagung im Oktober 2022 einen Beitrag 10618 mit [0005]M. Heilemann and Tre DiPassio presented a paper 10618 with [0005] at the 153rd AES Conference in October 2022.
  • Titel „Piezoelectric Aktuators for Flat-Panel Loudspeakers [0005]Title “Piezoelectric Actuators for Flat-Panel Loudspeakers [0005]

Claims (10)

Anordnung zur Erzeugung von Schall und Schwingung auf der Grundlage eines elektrischen Eingangssignals u, umfassend eine mechanische Struktur und einen elektromechanischen Dehnungsaktuator, der über eine Kontaktfläche Sc mit der mechanischen Struktur verbunden ist, wobei der Dehnungsaktuator das elektrische Eingangssignal u in eine Dehnung der Kontaktfläche wandelt und über Dipolmomente an der Begrenzungslinie der Kontaktfläche Sc die Struktur zu mechanischen Schwingungen anregt, die mit Eigenfunktionen φn beschrieben werden können; die mechanische Struktur mindestens eine Komponente besitzt, die so gestaltet ist, dass es auf gegenüberliegende Punkten der Begrenzungslinie der Kontaktfläche Sc einen unterschiedlichen Anstieg φn' der Eigenfunktion φn erzeugt, um die Anregung der Struktur durch die Dipolmomente zu erhöhen.Arrangement for generating sound and vibration on the basis of an electrical input signal u, comprising a mechanical structure and an electromechanical strain actuator which is connected to the mechanical structure via a contact surface S c , wherein the strain actuator converts the electrical input signal u into a strain of the contact surface and excites the structure to mechanical vibrations via dipole moments at the boundary line of the contact surface S c , which vibrations can be described by eigenfunctions φ n ; the mechanical structure has at least one component which is designed such that it generates a different slope φ n ' of the eigenfunction φ n at opposite points on the boundary line of the contact surface S c in order to increase the excitation of the structure by the dipole moments. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die mechanische Struktur geometrische und materielle Eigenschaften aufweist, die für die Erzeugung von Biegewellen erforderlich sind; die Größe der Kontaktfläche Sc kleiner ist als die Größe der schallabstrahlenden Fläche S; der elektromechanischer Dehnungsaktuator piezoelektrisches Material zur Erzeugung der Dehnung in der Kontaktfläche Sc nutzt.Arrangement according to Claim 1 , wherein the mechanical structure has geometric and material properties required for the generation of bending waves; the size of the contact area S c is smaller than the size of the sound-radiating area S; the electromechanical strain actuator uses piezoelectric material to generate the strain in the contact area S c . Anordnung nach Anspruch 1, wobei das konstruktive Element eine Klemmung der mechanischen Struktur bewirkt, die den Anstieg φn' der Eigenfunktion φn an Punkten auf der Begrenzungslinie verringert und einen hohen Anstieg φn' der Eigenfunktion φn an den gegenüberliegenden Punkten auf der Begrenzungslinie erzeugt.Arrangement according to Claim 1 , wherein the constructive element causes a clamping of the mechanical structure which reduces the slope φ n ' of the eigenfunction φ n at points on the boundary line and produces a high slope φ n ' of the eigenfunction φ n at the opposite points on the boundary line. Anordnung nach Anspruch 3, wobei die Klemmung am Rand der mechanischen Struktur angebracht ist.Arrangement according to Claim 3 , with the clamping being attached to the edge of the mechanical structure. Anordnung nach Anspruch 1, wobei das konstruktive Element die Steifigkeit oder Massenverteilung der Struktur ändert, so dass der Anstieg φn' der Eigenfunktion φn an Punkten auf der Begrenzungslinie verringert wird und gleichzeitig ein hoher Anstieg φn' der Eigenfunktion φn an gegenüberliegenden Punkten auf der Begrenzungslinie erzeugt wird.Arrangement according to Claim 1 , where the structural element changes the stiffness or mass distribution of the structure so that the slope φ n ' of the eigenfunction φ n is reduced at points on the boundary line and at the same time a high slope φ n ' of the eigenfunction φ n is produced at opposite points on the boundary line. Anordnung nach Anspruch 1, wobei das konstruktive Element den auf die mechanische Struktur wirkenden Schalldruck ändert, so dass der Anstieg φn' der Eigenfunktion φn an Punkten auf der Begrenzungslinie verringert wird und gleichzeitig ein hoher Anstieg φn' der Eigenfunktion φn an gegenüberliegenden Punkten auf der Begrenzungslinie erzeugt wird.Arrangement according to Claim 1 , whereby the constructive element changes the sound pressure acting on the mechanical structure so that the slope φ n ' of the eigenfunction φ n is reduced at points on the boundary line and at the same time a high slope φ n ' of the eigenfunction φ n is generated at opposite points on the boundary line. Verfahren zur Erzeugung von Schall und Schwingungen auf der Grundlage eines elektrischen Eingangssignals u unter Verwendung einer mechanischen Struktur und eines elektromechanischen Dehnungsaktuators entsprechend der Anordnung nach Anspruch 1, umfassend die folgenden Schritte: I. Bereitstellen einer ersten Version der mechanischen Struktur, die die Anforderungen einer primären Anwendung erfüllt; II. Anbringen eines elektromechanischen Wandlers an einer Kontaktfläche Sc an der Struktur und Erzeugen einer Dehnung in den Werkstoffen an der Kontaktfläche Sc mit einem elektrischen Eingangssignal u; III. Messung oder Simulation der Schwingungen auf der mechanischen Struktur, die durch den Dehnungsaktuators erzeugt werden; IV. Anwendung der Modalanalyse auf die gemessenen oder simulierten Schwingungsdaten, um die Eigenfrequenzen, den modalen Qualitätsfaktor und die Eigenfunktion der Moden niedriger Ordnung zu extrahieren; V. Berechnung der Anstieg φn' der Eigenfunktion φn an der Begrenzungslinie der Kontaktfläche Sc; VI. Berechnung einer Anregungsmetrik Enm, die die Differenz des Anstieg φn' der Eigenfunktion φ an gegenüberliegenden Punkten auf den Begrenzungslinien der Kontaktfläche Sc bewertet; VII. Abschluss des Optimierungsverfahrens, wenn die Anregungsmetrik Enm einen vordefinierten Schwellenwert erreicht; andernfalls werden konstruktive Konstruktionsänderungen an der mechanischen Struktur oder eine Änderung der Position des Dehnungsaktuators unter Berücksichtigung der Anforderungen der primären Anwendung vorgenommen und die vorherigen Schritte II bis VII des Optimierungsverfahrens wiederholt.Method for generating sound and vibrations based on an electrical input signal u using a mechanical structure and an electromechanical strain actuator according to the arrangement according to Claim 1 , comprising the following steps: I. Providing a first version of the mechanical structure that meets the requirements of a primary application; II. Attaching an electromechanical transducer to a contact surface S c on the structure and generating a strain in the materials at the contact surface S c with an electrical input signal u; III. Measuring or simulating the vibrations on the mechanical structure generated by the strain actuator; IV. Applying modal analysis to the measured or simulated vibration data to extract the natural frequencies, the modal quality factor and the eigenfunction of the low-order modes; V. Calculating the slope φ n ' of the eigenfunction φ n at the boundary line of the contact surface S c ; VI. Calculating an excitation metric E nm that evaluates the difference in the slope φ n ' of the eigenfunction φ at opposite points on the boundary lines of the contact surface S c ; VII. Completing the optimization procedure when the excitation metric E nm reaches a predefined threshold; Otherwise, design changes to the mechanical structure or a change in the position of the strain actuator are made taking into account the requirements of the primary application and the previous steps II to VII of the optimization procedure are repeated. Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend die Schritte: Veränderung der Steifigkeit oder Massenverteilung in einer Kontaktfläche Sc der mechanischen Struktur, wobei der Anstieg φn' der Eigenfunktion φn an Punkten auf der Begrenzungslinie der Kontaktfläche Sc verringert wird und gleichzeitig ein hoher Anstieg φn' der Eigenfunktion φn an gegenüberliegenden Punkten auf der Begrenzungslinie erzeugt wird; Platzieren des Dehnungsaktuators an der Kontaktfläche Sc der mechanischen Struktur.Procedure according to Claim 7 , further comprising the steps of: changing the stiffness or mass distribution in a contact surface S c of the mechanical structure, wherein the slope φ n ' of the eigenfunction φ n at points on the boundary line of the contact surface S c is reduced and at the same time a high slope φ n ' of the eigenfunction φ n at opposite points is generated on the boundary line; placing the strain actuator at the contact surface S c of the mechanical structure. Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend die Schritte: Veränderung der Randbedingungen der mechanischen Struktur durch Klemmung von Komponenten der Struktur auf der Begrenzungslinie der Kontaktfläche Sc, wobei der Anstieg φn'=0 der Eigenfunktion φn an den geklemmten Punkten auf der Begrenzungslinie der Kontaktfläche Sc verringert wird und gleichzeitig ein hoher Anstieg φn' der Eigenfunktion φn an gegenüberliegenden Punkten auf der Begrenzungslinie erzeugt wird; Platzieren des Dehnungsaktuators an der Kontaktfläche Sc der mechanischen Struktur.Procedure according to Claim 7 , further comprising the steps of: changing the boundary conditions of the mechanical structure by clamping components of the structure on the boundary line of the contact surface S c , wherein the slope φ n '=0 of the eigenfunction φ n is reduced at the clamped points on the boundary line of the contact surface S c and at the same time a high slope φ n ' of the eigenfunction φ n is generated at opposite points on the boundary line; placing the strain actuator on the contact surface S c of the mechanical structure. Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend die Schritte: Veränderung der Randbedingungen der mechanischen Struktur durch akustische Komponenten, die den Schalldruck auf der Kontaktfläche Sc beeinflussen, wobei der Anstieg φn'=0 der Eigenfunktion φn auf ausgewählten Punkten auf der Begrenzungslinie der Kontaktfläche Sc verringert wird und gleichzeitig ein hoher Anstieg φn' der Eigenfunktion φn an gegenüberliegenden Punkten auf der Begrenzungslinie erzeugt wird; Platzieren des Dehnungsaktuators an der Kontaktfläche Sc der mechanischen Struktur.Procedure according to Claim 7 , further comprising the steps of: changing the boundary conditions of the mechanical structure by acoustic components which influence the sound pressure on the contact surface S c , whereby the slope φ n '=0 of the eigenfunction φ n is reduced at selected points on the boundary line of the contact surface S c and at the same time a high slope φ n ' of the eigenfunction φ n is generated at opposite points on the boundary line; placing the strain actuator on the contact surface S c of the mechanical structure.
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US20060093165A1 (en) 2004-10-28 2006-05-04 Hosiden Corporation Flat panel speaker
US10966042B2 (en) 2015-11-25 2021-03-30 The University Of Rochester Method for rendering localized vibrations on panels

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Title
Active Control of Vibration, Associated Press, 1996, doi:https://doi.org/10.1016/b978-0-12-269440-0.x5000-6
M. Heilemann und Tre DiPassio präsentierten auf der 153. AES-Tagung im Oktober 2022 einen Beitrag 10618 mit
Titel „Piezoelectric Aktuators for Flat-Panel Loudspeakers

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