STORM, Stefan (Valerystr.84, Unterschleissheim, 85716, DE)
KONSTANZER, Peter (Oberweg 38, Taufkirchen, 82024, DE)
STORM, Stefan (Valerystr.84, Unterschleissheim, 85716, DE)
| Patentansprüche
1. System zur SchwingungsbeeinfSussung, umfassend ein Koppelelement (1), das mit einem schwingungsfähigen Objekt (100, 100') gekoppelt oder koppelbar ist, um damit Schwingungen des Objekts zu beeinflussen, mindestens einen Sensor (2) zum Messen von mindestens einer Schwingungsgröße des Objekts und/oder des Koppeleiements, einen Aktuator (4), der angeordnet und eingerichtet ist, Schwingungseigen- schatten des Koppelelements (1) zu beeinflussen, eine den Aktuator (4) steuernde elektronische Kontrolleinrächtung (3) zum Adaptieren der Schwingungseigenschaften des Koppelelements (1) mittels des Aktuators (4) an unterschiedliche Schwingungszustände des Objekts (100, 100') in Abhängigkeit von Messsignalen des Sensors (4), und - einen elektromechanischen Wandler (5), der eingerichtet ist, mechanische Schwingungsenergie aus Schwingungen des Objekts (100, 100') und/oder des Koppelelements (1 ) in elektrische Energie zu wandeln, dadurch gekennzeichnet, dass das System eingerichtet ist, die zum Betreiben des Aktuators (4) notwendige Energie vollständig aus der mittels des elektromechani- sehen Wandlers (5) gewonnenen Energie zu ziehen.
2. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der elektromecha- nische Wandler (5) Bestandteil des Koppelelements (1) ist.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (2) Bestandteil des Koppelelements (1) ist
4. System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der elektro- mechanische Wandler (5) und Aktuator (4) und/oder der elektromechanische Wandler (5) und Sensor (2) durch dasselbe elektronische Bauelement (10) realisiert sind.
5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass 5 der elektromechanische Wandler (5) ein oder mehrere Piezoelemente umfasst.
6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Energiespeichereinheit zum Zwischenspeichern der mittels des elektromechanischen Wandlers (5) gewandelten elektrischen Energie.
I O
7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichereinheit eine Batterie umfasst.
8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass 15 das System eingerichtet ist, die Resonanzfrequenz des Koppelelements (1) durch
Verlagerung einer verlagerbaren Masse (1a) am Koppelelement zu verändern.
9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das System eingerichtet ist, die Resonanzfrequenz des Koppelelements (1) durch 0 Veränderung einer Befestigungslage des Koppelelements (1) am Objekt (100) zu verändern.
10. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das System eingerichtet ist, die Resonanzfrequenz des Koppelelements (1) durch
25 Verändern einer Federsteifigkeit des Koppelelements (1) zu verändern.
11. System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das System ein semiaktives System ist, wobei die elektrische Kontrolieinrichtung (3) eingerichtet ist, die Resonanzfrequenz des Koppelelements (1 ) zu verändern.
12. System nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement (1) ein Schwingungsabsorber ist.
13. System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolieinrichtung (3) eingerichtet ist, das System derart zu steuern, dass mittels des elektromechanischen Wandlers (5) dann mechanische Schwingungsenergie aus Schwingungszuständen des Objekts (100) und/oder Koppelelements (1) in elektrische Energie gewandelt und zum Betreiben des Aktuators (4) genutzt wird, wenn das Objekt mit einer schwingungsmäßig zu beeinflussenden Frequenz schwingt.
14. System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das System ein aktives System ist, wobei die elektrische Kontrolleinrichtung eingerichtet ist, die Schwingungseigenschaften des Koppelelements (1 ) mitteis des Ak- tuators (4) unter dauerhaftem Energieverbrauch des Aktuators zu beeinflussen.
15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die KontrolSein- richtung (3) eingerichtet ist, das Koppelelement (1) mittels des Aktuators (4) zu Gegenschwingungen anzuregen.
16. System nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolieinrichtung (3) eingerichtet ist, das System derart zu steuern, dass mittels des elektromechanischen Wandlers (5) dann mechanische Schwingungsenergie aus Schwingungszuständen des Objekts (100) und/oder Koppeleiements (1 ) in elektrische Energie gewandelt wird, wenn das Objekt (100) mit einer Frequenz schwingt, die verschieden ist von einer mittels des Systems zu beeinflussenden Frequenz, und diese Energie zunächst zwischenzuspeichern und später zu nutzen, wenn das Objekt mit der zu beeinflussenden Frequenz schwingt. 17 Verfahren zum Beeinflussen der Schwingungen eines schwingenden Objekts (100, 100') mittels eines mit dem Objekt gekoppelten Koppeieiements (I) 1 umfassend die Schritte
Messen von mindestens einer Schwingungsgroße des Objekts (100) und/oder des KoppeJelements (1),
Adaptieren der Schwingungseigenschaften des Koppeieiements (1) mittels eines Aktuators (4) an unterschiedliche Schwingungszustande des Objekts (100) in Abhängigkeit von den zu der Schwingungsgroße gemessenen Messwerten, und
Wandeln von mechanischer Schwingungsenergie aus Schwingungen des Objekts (100) und/oder des Koppelelements (1 ) in elektrische Energie, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Betreiben des Aktuators (4) notwendige Energie vollständig aus der gewandelten Energie gezogen wird
18 Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die gewandelte Energie vollständig aus mechanischer Schwingungsenergie des Koppelelementes
(1) gewonnen wird
19 Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schwingungsgroße am Koppelelement (1 ) gemessen wird
20 Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zum Wandeln der Energie und als Aktuatot (4) und/oder zum Wandein der Energie und zum Messen der mindestens einen Schwingungsgroße dasselbe e- lektronische Bauelement (10) verwendet wird
21 Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zum Wandeln der Energie mindestens ein Piezoeiement genutzt wird 22 Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die gewandelte Energie zumindest teilweise zwischengespeichert wird
23 Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwischen- speichern der gewandelten Energie eine Batterie dient
24 Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zum Adaptieren der Schwingungseigenschaften des Koppelelements (1) die Resonanzfrequenz des Koppelelements (1) mittels des Aktuators (4) verändert wird
25 Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz durch Verlagern einer verlagerbaren Masse (1 a) am KoppeSeiement (1) verändert wird
26 Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz durch Verandern einer BefestigungsSage des Koppelelements (1) am Objekt (100) verändert wird
27 Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz durch Verandern einer Federsteif ig keit des Koppelelements (1 ) verändert wird
28 Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Schwingungseneigie dann aus Schwingungen des Objekts (100) und/oder des Koppelelements (1 ) in elektrische Energie gewandelt und zum Verandern der Resonanzfrequenz des Koppelelements (1) genutzt wird, wenn das Objekt mit einer schwingungsmaßig zu beeinflussenden Frequenz schwingt
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppei- element (1) als ein semiaktiver Schwingungsabsorber ausgebildet wird.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Schwingungseπergie zu einem Zeitpunkt aus Schwingungen des Objekts (100) und/oder des Koppelelements (1) in elektrische Energie gespeichert und zur späteren Nutzung zwischengespeichert wird, wenn das Objekt (100) mit einer schwingungsmäßig nicht zu beeinflussenden Frequenz schwingt.
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass zum Adaptieren der Schwingungseigenschaften des Koppelelements (1) an unterschiedliche Schwingungszustände des Objekts (100) dem Aktuator dauerhaft Energie zugeführt wird, während das Objekt (100) mit einer schwingungsmäßig zu beeinflus- senden Frequenz schwingt.
32. Verfahren nach Anspruch 30 oder 31 , dadurch gekennzeichnet, dass zum Adaptieren der Schwingungseigβnschaften des Koppelelements (1) an unterschiedliche Schwingungszustände des Objekts der Aktuator (4) aktiv zur Schwin- gung angeregt wird, während das Objekt mit der schwingungsmäßig zu beeinflussenden Frequenz schwingt.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 - 32, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Betreiben des Aktuators (4) notwendige Energie einem Frequenzbe- reich entzogen wird, der verschieden ist von dem zu beeinflussenden Frequenzbereich des schwingenden Objekts (100).
34. System nach einem der Ansprüche 30 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass das KoppeSeSement (1) als ein Kraftgenerator ausgebildet ist. |
System und Verfahren zur Schwingungsbeeinflussung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur aktiven und semiaktiven Schwingungsbeeinflussung von schwingenden Objekten. Solche Sys- teme werden eingesetzt, um Schwingungen in Objekten zu reduzieren bzw. zu absorbieren, insbesondere um mechanischen und akustischen Belastungen der Bauteile und der Umweit zu begegnen.
Es gibt aktive, semiaktive und passive Systeme zur Schwingungsbeeinflussung. Bei den passiven Systemen handelt es sich in der Rege! um einfache mechanische Resonatoren, die beispielsweise durch eine einseitig eingespannte Feder, etwa in Gestalt eines Biegebaikens, und eine träge Masse gebildet werden. Die Resonanzfrequenz von mechanischen Resonatoren (Feder-Masse-Schwinger) wird im Wesentlichen durch die Federsteifigkeit und die Größe der schwingenden trägen Masse bestimmt und ist abgestimmt auf die konkret zu bedämpfende Schwingung des Objekts.
Variiert jedoch die Schwingung des zu bedämpfenden Objekts, wie beispielsweise bei Helikoptern oder bei Flächenflugzeugen mit Propeller- oder Turboprop-Antrieb aufgrund von Drehzahischwankungen, so muss die Resonanzfrequenz der mechanischen Resonatoren daran entsprechend angepasst werden. Zu diesem Zweck werden semiaktive Systeme eingesetzt, d. h. die Resonanzfrequenz der mechanischen Resonatoren wird aktiv verändert. Dazu kann beispielsweise der Masseschwerpunkt oder die Einspannstelle der Biegefeder verschoben werden. Es ist auch denkbar, die Federsteifigkeit zu verändern. Im übrigen verhalten sich aber auch semiaktive Systeme passiv, soweit es um die eigentliche Bedämpfung der Objektschwingungen geht.
Anders als bei passiven und semiaktiven Systemen wird aktiven Systemen dauerhaft Energie zugeführt, während das schwingungsmäßig zu beeinflussende Objekt mit der zu beeinflussenden Frequenz schwingt. Insbesondere können geeignete Gegenschwingungen in die schwingungsmäßig zu bedämpfende Struktur eingelei- tet werden. Ein solches als Kraftgenerator bezeichnetes System ist in der DE 10 2005 060 779 A1 beschrieben. Der darin beschriebene Kraftgenerator besteht ebenfalls aus einem Biegearm mit einer am entfernten Ende des Biegearms befestigten Inertialmasse, wobei der Biegearm selbst mit einem als Piezostapel ausgebildeten elektromechanischen Wandler versehen ist. Durch geeignetes Ansteu- ern des piezoelektrischen Wandlers wird der Biegearm mit der Initialmasse derart gebogen und dadurch die Initialmasse derart ausgelenkt, dass Schwingungskräfte mit variabler Amplitude, Phase und Frequenz in die schwingungsmäßig zu bedämpfende Struktur als Gegenschwingungen einleitbar sind.
Ein weiterer aktiver Schwingungsabsorber ist aus der DE 197 39 877 C2 bekannt Darin werden piezoelektrische Elemente dazu eingesetzt, die Federsteifigkeit der Biegefeder aktiv zu beeinflussen. Auf einer oder beiden Seiten der Biegefeder sind entweder piezoelektrische Schichten oder ein Piezostapel angeordnet, die so angesteuert werden, dass entweder eine der Auslenkung der Biegefeder entgegen- gerichtete Kraft zur Erhöhung der Federsteifigkeit oder eine entgegengesetzte Kraft zur Verringerung der Federsteifigkeit wirkt. Ein separierter Bereich der piezoelektrischen Schicht bzw. ein isoliertes Segment des Piezostapels wird dabei als aktiver Weggeber verwendet, welcher aufgrund des piezoelektrischen Effektes bei einer Verbiegung der Biegefeder ein wegabhängiges Spannungssignal liefert. Das Spannungssignal wird in einer Steuereinheit verstärkt und mit geeignetem Vorzeichen an diejenigen Bereiche der piezoelektrischen Elemente angelegt, die nicht als Weggeber dienen. Die entsprechend mit Spannung beaufschlagten piezoelektrischen Bereiche dehnen sich aus oder ziehen sich zusammen und beeinflussen dementsprechend die Federsteifigkeit der Biegefeder. Bei diesem System
wird also der Schwingungszustand des schwingungsmäßig zu bedampfenden Objekts anhand des Schwingungszustands des Resonators ermittelt, und die Schwingungseigenschaften des Resonators werden abhängig davon auf piezoelektrischem Wege durch Anpassung der Federsteifigkeit des Resonators mittels der Piezoelemente adaptiert. Dazu wird dauerhaft Energie benötigt.
Nachteilhaft an den bekannten aktiven und semiaktiven Systemen ist die Notwendigkeit, dass zum Erzeugen der Gegenschwingungen und zum Adaptieren der Schwingungseigenschaften des Resonators von außen Energie über eine Verkabelung zuzuführen ist, die zu einer zentralen Energiequelle oder einem zentralen Energiespeicher, z.B. einer Batterie, führt. In Anwendungsfällen mit einer hohen Anzahl solcher Schwingungsbeeinflussungssysteme führt dies zu einem erheblichen Verkabelungsaufwand. Bei Luft- und Raumfahrzeugen haben die hohen Massen der Verkabelung entsprechend erhöhte Betriebskosten zur Folge.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein System und ein Verfahren zur aktiven oder semiaktiven Schwingungskontrolie vorzuschlagen, bei dem auf Verkabelungen weitestgehend verzichtet werden kann.
Dementsprechend umfasst ein erfindungsgemäßes System zur Schwingungsbeeinflussung ein Koppelelement, beispielsweise eine Biegefeder nach Art eines Biegebalkens, welches mit einem schwingungsfähigen Objekt gekoppelt oder koppelbar ist, um mittels des Koppelelements Schwingungen des Objekts zu be- einflussen, insbesondere zu reduzieren. Des Weiteren ist mindestens ein Sensor zum Messen von mindestens einer Schwingungsgröße des Objekts und/oder ggf. des Koppelelements vorgesehen. Aus den Schwingungsgrößen des Koppelelements lässt sich auf den Schwingungszustand des schwingungsmäßig zu bedämpfenden Objekts zurückschließen. Eine elektronische Kontrolleinrichtung
steuert einen Aktuator, um mittels des Aktuators die Schwingungseigenschaften des Koppelelements an unterschiedliche Schwingungszusiände des schwingungsmäßig zu bedämpfenden Objekts zu adaptieren. Das Adaptieren der Schwingungseigenschaften des Koppeielements erfolgt dabei in Abhängigkeit von den vom Sensor gelieferten Messsignaien, welche den Schwingungszustand des schwingungsmäßig zu bedampfenden Objekts charakterisieren. Schließlich ist noch ein elektromechanischer Wandler vorhanden, der dazu dient, mechanische Schwingungsenergie aus Schwingungen des Objekts oder des KoppeieSements in elektrische Energie zu wandeln. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die zum Betreiben des Aktuators notwendige Energie vollständig aus der mittels des elektromechanischen Wandlers gewonnenen Energie gezogen wird.
Im Ergebnis ist das System energetisch vollständig autark. Auf Verkabelung kann weitestgehend verzichtet werden. Dementsprechend reduzieren sich die Masse des Systems und damit die Betriebskosten insbesondere bei Luft- und Raumfahrzeugen. Ein solches System eignet sich beispielsweise dazu, einen Flugzeugrumpf mit mehreren hundert semiaktiven Schwingungsabsorbern zur Lärmminderung im Fiugzeuginnenraum einzusetzen oder Schwingungen in der Kabine eines Hubschraubers zu reduzieren.
Als elektromechanischer Wandier kann jedes Bauelement eingesetzt werden, welches mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt, beispielsweise ein piezoelektrisches, elektrostriktives oder magnetostriktives Element oder eine elektromagnetische Induktionsspule. Besonders bevorzugt wird allerdings ein piezo- elektrisches Element wegen seiner kompakten Bauweise, seiner kurzen Ansprechgeschwindigkeit und seines hohen Wirkungsgrades verwendet. Ein solches piezoelektrisches Element Sässt sich insbesondere gut in das Koppelelement integrieren, welches zur Schwingungsbeeinfiussung des schwingungsmäßig zu bedämpfenden Objekts dient. Da das Koppelelement besonders starken mechani-
sehen Veränderungen ausgesetzt ist, kann ein darin geeignet integrierter elektro- mechanischer Wandler besonders viel elektrische Energie liefern.
Auch der Sensor zum Messen der Schwingungsgrößen des Objekts kann Be- standtei! des Koppeleiements sein und kann insbesondere durch den Wandler selbst gebildet werden. Wenn nämlich der Wandler z.B. ein Piezoelement ist, so lassen sich aus dem aufgrund des piezoelektrischen Effekts verursachten Spannungssignal sowohl auf Frequenz als auch auf Amplitude einer Schwingung schließen, die letztendlich durch die Schwingungen des zu bedämpfenden Objekts verursacht sind. Schwingungsgrößen, die mittels der Sensoren gemessen werden, können aber auch Beschleunigungen, Dehnungen, Kräfte und dergleichen sein.
Auch der Aktuator zum Beeinflussen der Schwingungseigenschaften des Koppelelements kann in vorteilhafter weise mit dem elektromechanischen Wandler als ein- und dasselbe Bauelement realisiert sein. Dies ist wiederum z.B. mittels Pie- zoelementen möglich. So kann der piezoelektrische Wandler zeitweise zum Wandeln mechanischer Schwingungsenergie in elektrische Energie dienen und zeitweise dazu, die Schwingungseigenschaften des Koppelelements an unterschiedliche Schwingungszustände des zu bedämpfenden Objekts zu adaptieren. Dazu muss die mittels des elektromechanischen Wandlers gewonnene Energie zwischengespeichert werden, damit sie anschließend zur Bedämpfung des Objekts zur Verfügung steht. Im Falle einer kurzzeitigen Zwischenspeicherung kann dies mittels Kondensatoren realisiert werden. Für eine längere Zwischenspeicherung und insbesondere Akkumulation von Energie wird vorzugsweise eine wiederauf- ladbare Batterie eingesetzt.
Gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das System zur Schwingungsbeeinfiussung als semiaktives System ausgeführt. In einem solchen semiaktiven System werden die Schwingungseigenschaften des
Koppelelements beeinflusst, indem die Resonanzfrequenz des Koppelelements verändert wird. Dazu kann eine Masse am Koppelelement verlagert werden oder die Befestigungsiage des Koppelelements am zu bedämpfenden Objekt verändert werden. Die dazu erforderliche Energie zur Betätigung des Aktuators kann in die- sem Fall zu einem Zeitpunkt gewonnen und genutzt werden, bei dem das zu beeinflussende Objekt bereits mit der zu bedämpfenden Schwingung schwingt. Zwar wird dabei Energie dissipiert, so dass die durch das Koppelelement erzielte Dämpfungswirkung zeitweise negativ beeinflusst wird. Dies erfolgt aber nur über einen kurzen Zeitraum, bis die Resonanzfrequenz des Koppelelements in gewünschter Weise eingestellt ist. Die Beeinflussungsmöglichkeiten des Objekts können z.B. Tilgung (Gegenschwingungen), Dämpfung (d.h. Dissipation) oder Phasenverschiebung (z.B. Veränderung der Steifigkeit) sein.
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das System zur Schwingungsbeeinflussung in einem aktiven System eingesetzt. Das heißt, zum Adaptieren der Schwingungseigenschaften des Koppelelements an unterschiedliche Schwingungszustände des Objekts wird dem Aktuator dauerhaft Energie zugeführt, während das Objekt mit der zu beeinflussenden Frequenz schwingt. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Federsteifigkeit des Koppelele- ments dauerhaft auf einen gewünschten Wert eingestellt wird, wobei dem Aktuator zu diesem Zweck ständig Energie zugeführt werden muss, so wie dies etwa in der DE 197 39 877 C2 beschrieben ist. Das Koppelelement kann aber auch als Kraftgenerator, z.B. entsprechend DE 10 2005 060 779 A1 , ausgebildet sein, um aktiv Gegenschwingungen in das schwingungsmäßig zu bedämpfende Objekt einzulei- ten. Auch in diesem Falle wird ständig Energie zur Betätigung des Aktuators benötigt, sobald das Objekt Schwingungsfrequenzen in einem vorgegebenen kritischen Bereich erreicht.
Um die notwendige Energie für das aktive System zur Verfügung zu steilen, ist es vorgesehen, diese Energie aus der schwingenden Struktur, also entweder aus dem Objekt und/oder aus dem Koppelelement, zu einem Zeitpunkt zu gewinnen, während das Objekt/Koppelelement in einem nicht zu bedämpfenden Frequenzbe- reich schwingt. Die außerhalb des zu bedämpfenden kritischen Frequenzbereichs durch elektromechanische Wandlung gewonnene Schwingungsenergie wird in einem Zwischenspeicher, insbesondere einer Batterie, gespeichert und steht dann zur Verfügung, wenn das Objekt einen kritischen Schwingungszustand erreicht und mittels des aktiven Systems bedämpft werden soll.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der begleitenden Zeichnung beispielhaft erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 schematisch das Grundprinzip eines erfindungsgemäßen Systems zur Schwingungsbeeinflussung,
Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel betreffend ein semiaktives Schwin- gungsbeeinflussungssystem, und
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel betreffend ein aktives Schwingungs- beeinflussungssystem.
Fig. 1 zeigt beispielhaft in schematischer Weise das Grundprinzip eines erfindungsgemäßen Systems zur Schwingungsbeeinflussung. Dazu ist ein Koppeiele- ment 1 , welches hier durch einen Druck-VZugbalken gebildet wird, zwischen zwei schwingenden Strukturen 100, 100' eingespannt. Die Schwingungen der Strukturen 100, 100' sind durch zwei Doppelpfeile angedeutet. In dem Koppelelement 1 ist ein Sensor 2 zum Messen von Schwingungsgrößen des Koppelelements 1 und damit indirekt zum Messen von Schwingungszuständen der Strukturen 100, 100'
integriert. Gemessen werden beispielsweise Beschleunigungen, Dehnungen, Kräfte, Frequenzen und dergleichen. Die Messergebnisse werden an eine Kontroliein- richtung 3 übermittelt Dies ist durch einen strichiinierten Pfeii angedeutet. Die Kontrolleinrichtung 3 dient dazu, einen Aktuator 4 zu steuern, der ebenfalls in dem Koppeleiement 1 integriert ist und der seinerseits dazu dient, die Schwingungseigenschaften des Koppeielements 1 zu beeinflussen. Da sich die mittels des Aktua » tors 4 erzielte Beeinflussung wiederum auf die Sensorergebnisse auswirkt, ergibt sich insgesamt ein Regelsystem. Die Kontrolieinrichtung 3 dient darüberhinaus dazu, den Aktuator 4 mit der notwendigen Energie zu versorgen. Diese Energie wird der Kontrolieinrichtung 3 durch einen eiektromechanischen Wandler 5 geliefert, der in den Kraftpfad zwischen den schwingenden Strukturen 100, 100' innerhalb des Koppeielements 1 eingebunden ist. Der eiektromechanische Wandler 5 umfasst vorzugsweise ein oder mehrere Piezoelemente, beispielsweise eine Pie- zoschicht auf einer oder auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Druckbalkens 1 oder entsprechend angeordnete Piezostapel. Wie eingangs erläutert, können die Piezoelemente gleichzeitig als Sensor und/oder als Aktuator dienen. Sensor 2 und Aktuator 4 können aber auch separate Bauelemente sein.
Die von dem elektromechanischen Wandler 5 aus den mechanischen Schwingun- gen des Koppelelements 1 gewonnene elektrische Energie wird in der Kontrolleinrichtung 3 „verwaltet", d. h. für den Betrieb des Aktuators 4 und ™ soweit notwendig - des Sensors 2 verteilt und/oder zwischengespeichert, beispielsweise in einer Batterie. Auch die für den Betrieb der Kontrolleinrichtung 3 notwendige Energie wird aus der vom elektromechanischen Wandler 5 zur Verfügung gestellten Ener- gie gezogen. Das Gesamtsystem ist somit energetisch völlig autark. Es kann darüberhinaus auch informationstechnisch autonom sein, sofern in der Kontrolleinrichtung 3 die notwendigen Grundinformationen über die konkret zu bedämpfenden Schwingungen der Strukturen 100, 100' hinterlegt sind. Etwaige notwendige
Informationen können der Kontroileinrichtung 3 aber auch drahtlos übermitteSt werden, so dass das System insgesamt keine Verdrahtung nach außen erfordert.
Anstatt das Koppelelement 1 zwischen zwei schwingende Strukturen 100, 100' einzuspannen, ist es auch mögüch, das KoppeleSement 1 nur einseitig an eine schwingungsmäßig zu bedämpfende Struktur 100 zu koppeln. Das Grundprinzip ändert sich dadurch nicht.
Fig. 2 zeigt ein erstes konkretes Ausführungsbeispiel, welches besonders zum Einsatz als semiaktives System geeignet ist, insbesondere als Schwingungsabsorber. Das Koppelelement 1 ist hier als Biegebalken ausgeführt, der beidseitig zu einer Neutrallage 1a jeweils einen eiektromechanischen Wandler 5 umfasst, der wiederum vorzugsweise als Piezoelement {piezoelektrische Schicht oder Piezo- stapel) ausgebildet ist. Ein elektromechanischer Wandler 5 auf nur einer Seite der Neutrallage 1a kann allerdings ausreichen. Ein erstes Ende des Biegebalkens 1 ist fest an einer Struktur 100 fixiert. Am anderen Ende des Biegebalkens 1 befindet sich eine Inertialmasse 1 b. Aufgrund einer Schwingung der Struktur 100 wird die InertiaSmasse 1 b über den sich biegenden Biegestab 1 in Schwingung versetzt, wie durch die Doppelpfeile angedeutet. Der Sensor 2 ist in diesem Falle ebenfalls fest mit der Struktur 100 gekoppelt und liefert dementsprechend Messwerte über den unmittelbaren Schwingungszustand der Struktur 100 an die Kontrolleinrichtung 3. Der Sensor 2 könnte aber auch in das Koppelelement 1 integriert sein und insbesondere als gemeinsames elektronisches Bauelement mit dem eiektromechanischen Wandler 5 ausgebildet sein, wie zuvor erläutert.
Mittels eines Aktuators 4, der hier fest mit dem Koppelelement 1 verbunden ist und vielfältige Ausgestaltungen haben kann, wird die Inertialmasse 1 b des Koppelelements 1 abhängig von den Sensormesswerten so verschoben, dass das Koppelelement 1 in seiner Resonanzfrequenz an den Schwingungszustand der Struktur
100 möglichst optimai angepasst ist. Anstatt die Inertialmasse 1 b zu verschieben, kann auch der Einspannpunkt des Koppeleiements 1 relativ zur Struktur 100 verlagert werden.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel kann die mechanische Schwin- gungsenergie aus dem zu beeinflussenden Frequenzbereich gewonnen, in elektrische Energie gewandelt und damit die Inertialmasse 1 b langsam verschoben werden, um den Schwingungsabsorber an den zu beeinflussenden Frequenzbereich zu adaptieren. Energie wird dem System dabei nur entzogen, wenn eine Fre- quenzanpassung nötig ist. Ansonsten wird keine Energie dissipiert und das System nicht weiter bedämpft.
Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispie! eines erfindungsgemäßen Systems zur Schwingungsbeeinflussung, welches besonders vorteilhaft als aktives Schwin- gungsbeeinflussungssystem, insbesondere als Kraftgenerator, einsetzbar ist. Dieses System unterscheidet sich strukturell vornehmlich dadurch von dem System nach Fig. 2, dass der Sensor, der elektromechanische Wandler und der Aktuator in einem Bauelement 10 vereint sind, welches vorzugsweise als Piezoelement, insbesondere durch Piezokeramik, realisiert ist.
Der Sensor 2 könnte auch wie in Fig. 2 getrennt von dem Bauelement 10 und fest mit der Struktur 1 gekoppelt sein.
Das System nach Fig. 3 kann vorteiihafterweise als Kraftgenerator eingesetzt werden, indem der Aktuator dazu verwendet wird, das Koppeielement 1 in definierte Schwingungen zu versetzen, die als Gegenschwingungen in die schwingende Struktur 100 eingeleitet werden. Die dazu erforderliche elektrische Energie wird mittels des elektromechanischen Wandlers aus mechanischer Schwingungsenergie gewonnen, die einem Frequenzbereich entzogen wird, der verschieden ist
von dem zu beeinflussenden Frequenzbereich der schwingenden Struktur 100. Wenn zu beeinflussende Frequenzbereiche bei typischerweise niedrigen Frequenzen von z.B. lediglich 25 Hz liegen, kann Schwingungsenergie aus mechanischen Schwingungen vorteilhaft aus dynamisch hohen Frequenzbereichen von beispielsweise 100 Hz bis 20 kHz gewonnen werden, aber auch aus einem niedrigen Frequenzbereich unter 25 Hz. Die so gewonnene elektrische Energie wird in der Kontrolleinrichtung 3 zwischengespeichert, um sie später in dem zu beeinflussenden Frequenzbereich zur aktiven Beeinflussung von mechanischen Schwingungen bei z.B. 25 Hz zur aktiven Einleitung von Gegenschwingungen zu nutzen.
Anstatt das System aus Fig. 3 als Kraftgenerator zu nutzen, kann es beispielsweise auch als aktiver Schwingungsabsorber derart genutzt werden, dass die außerhalb des zu bedämpfenden Frequenzbereichs gewonnene und zwischengespeicherte Energie dazu genutzt wird, die Federkonstante des Koppelelements 1 an die jeweils zu bedämpfende Schwingung optimal anzupassen, so wie dies in DE 197 39 877 C2 prinzipiell vorgeschlagen wird. Dazu können der eiektromechani- sche Wandler und der Aktuator vorteilhaft als gemeinsames piezoelektrisches Bauelement ausgebildet sein, wobei das piezoelektrische Element außerhalb des zu beeinflussenden Frequenzbereichs elektrische Energie liefert, welche durch die Kontrolleinrichtung 3 gespeichert wird, in dem zu beeinflussenden Frequenzbereich werden die Schwingungseigenschaften des Koppelelements 1 dann unter Einsatz der gespeicherten Energie durch Einbringen entsprechender Kräfte auf den ge-genüberliegenden Seiten der Neutrallage 1 a des Koppelelements 1 beein- flusst. Es ist gleichermaßen möglich, das Bauelement 10 nur auf einer Seite der Neutrallage 1 a vorzusehen.
Next Patent: METHOD FOR PREPARING CELLS FOR ENGRAFTMENT