Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
L\u00e4rm geh\u00f6rt zu den Umweltproblemen, die sich unmittelbar auf die Gesundheit des Menschen auswirken. In der EU leiden ca. 13 % der Bev\u00f6lkerung unter gesundheitlichen Problemen, weil sie einem L\u00e4rmpegel > 65 dB(A) ausgesetzt sind. Neben Schienen-, Stra\u00dfen- und Luftverkehr tragen Produktionsmaschinen und Kleinger\u00e4te wesentlich zur L\u00e4rmbelastung bei. Zielsetzung des Projektes ist deshalb die Entwicklung eines aktiven Moduls zur K\u00f6rperschallminderung, das nach einem individuellen Adaptionsprozess an das Schwingungsverhalten des Zielproduktes in dieses integriert werden kann. Durch das aktive Modul soll die Abstrahlung von K\u00f6rperschall erheblich reduziert werden.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenNach Konzeption und Bau eines geeigneten Teststandes wurden an einer \u00fcberschaubaren Struktur Vor-untersuchungen durchgef\u00fchrt. Dabei standen FEM-Simulationen von Eigenfrequenzen und -formen im Vordergrund. Zus\u00e4tzlich mussten Aktoren modelliert werden. Auf einem Teststand mit variabler Positionierm\u00f6glichkeit wurde eine Aluminiumplatte in einem Spannrahmen untersucht.
\nNach Auswahl der unter akustischen Fragestellungen relevanten Frequenzen konnten Sensor- und Aktorpositionen bestimmt und semiaktive und aktive Konzepte zur Schwingungs- und Schallminderung evaluiert werden. Dabei waren u. a. die Kriterien Wirksamkeit, Umweltvertr\u00e4glichkeit, Kosten und die \u00dcbertragbarkeit des Konzeptes auf Maschinen und Ger\u00e4te zu pr\u00fcfen. Begleitet wurden die Simulationen von umfangreichen dynamischen Messungen. Zur Zusch\u00e4rfung des Berechnungsmodells wurden Mess- und Berechnungsergebnisse st\u00e4ndig miteinander verglichen. Nach einer Optimierung wurde das Konzept auf eine geeignete Struktur (Produktionsmaschine, Bauteil oder Kleinger\u00e4t) \u00fcbertragen. An dieser Struktur sollte die Funktions- und Leistungsf\u00e4higkeit eines Moduls zur aktiven Minderung des K\u00f6rperschalls nachgewiesen werden. Der dazu notwendige Adaptionsprozess ist nur m\u00f6glich, wenn das modale Verhalten der aufnehmenden Struktur (Produktionsmaschine, Bauteil oder Kleinger\u00e4t) durch Messungen und Simu-lation genau bekannt ist. Die Erprobung in realen Strukturen erfolgte am Beispiel der zweischaligen Gipskartonplatte als typischem Innenausbauelement und an einer Waschmaschine. Parallel zum Adaptionsprozess sollte versucht werden, Regelung und Leistungselektronik zu miniaturisieren und so weit wie m\u00f6glich in die Struktur zu integrieren.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Im Projekt wurden aktive und semiaktive Methoden zur Reduktion von K\u00f6rperschall untersucht. Besonders Kosten\u00fcberlegungen zwingen zu einer Konzentration auf die semiaktiven Konzepte. Betrachtet wurden dabei Schaltungen, die das Verhalten einer Induktivit\u00e4t nachbilden (Gyratoren), und eine Schaltung, die eine negative Kapazit\u00e4t nachbildet. Da diese Schaltungen mit Operationsverst\u00e4rkern mit einer Versorgungsspannung betrieben werden m\u00fcssen, spricht man von semiaktiven Ans\u00e4tzen.
\nDie Vorversuche wurden an einem einseitig eingespannten Biegebalken aus Aluminium durchgef\u00fchrt. Auf dem Balken waren zwei piezokeramische Aktoren aufgebracht, von denen einer zur Schwingungserregung verwendet wurde. Ein weiterer Aktor wurde mit den semiaktiven Schaltkreisen betrieben, um die Schwingung zu mindern. Bei diesen Versuchen konnte mit der Gyrator-Schaltung eine deutliche Schwingungsminderung erzielt werden. Bei den Versuchen mit der negativen Kapazit\u00e4t war ebenfalls eine Schwingungsminderung festzustellen, die bei mehreren Frequenzen (breitbandig) wirksam war. Da der schmale Balken schlecht die untersuchten Frequenzen an die Luft ankoppelt, konnte bei diesen Versu-chen keine Aussage bez\u00fcglich der Schallminderung gemacht werden.
\nDer \u00dcbergang auf reale Strukturen ergab bisher keine eindeutig positiven Ergebnisse: Wie die Messungen zum Schalldurchgang an einer doppelschaligen Struktur aus zwei Gipskartonplatten zeigten, verminderte sich der Schalldurchgang durch den Einsatz des Gyrators, der auf eine typische problematische Durchlassfrequenz von ca. 93 Hz abgestimmt ist, nicht. Bei Schalldurchgangsmessungen mit einem aufw\u00e4ndigeren, aktivem Regelsystem konnte der Schalldurchgang positiv beeinflusst werden. Eine Schalldurchgangsminderung in diskreten Neben-Peaks im Frequenzspektrum konnte erreicht werden. Als weitere reale Struktur wurde eine Waschmaschine mit besonders lauten Ger\u00e4uschen beim Schleudern betrachtet, deren Drehfrequenz von ca. 23 Hz. (~ 1400 U\/min) ziemlich genau mit einer Strukturresonanzfrequenz zusammenf\u00e4llt. Schwingungs- und schalltechnisch stellt dieser Umstand eine \u00e4u\u00dferst ung\u00fcnstige Ausgangslage dar, da die Struktur unter diesen Bedingungen mit besonders gro\u00dfen Schwin-gungsamplituden auf die Erregung antwortet. Es wurde ein Piezoaktor zur Schwingungs- und Schallminderung in der Mitte der Seitenwand der Waschmaschine aufgeklebt. Leider kann durch den Piezoaktor nicht gen\u00fcgend Schwingungsenergie eingebracht werden, um die durch das Schleudern induzierte starke Schwingung zu mindern. Auch wenn die Seitenwand der Waschmaschine mit einem Lautsprecher \u00fcber Luft-Struktur-Kopplung in Schwingung versetzt wurde, konnte in dieser Anwendung mit semiaktiven Schaltungen Gyrator und NCC, die auf die Piezokapazit\u00e4t und die Frequenz abgestimmt waren, keine signifikante Schwingungs- und somit Schallminderung erzielt werden.
\nEine direkte Umsetzung der Projektergebnisse in Produkte ist am Ende des F+E-Projektes noch nicht m\u00f6glich. Allerdings wurden wertvolle Erkenntnisse im Hinblick auf die Einsatzm\u00f6glichkeiten aktiver und semiaktiver Methoden zur Schallreduzierung sowie umfangreiches Know-how bez\u00fcglich der Thematik der Struktur-\/ Akustikkopplung gewonnen.
\nMit dem im Projekt erarbeiteten Wissen konnten schon viele Problemstellungen bei der allt\u00e4glichen Projektarbeit angegangen werden: So erm\u00f6glichen die w\u00e4hrend des Projekts erstellten Demonstratoren die Vorstellung der Wirkungsweise von aktiven und semiaktiven Methoden bei potentiellen Anwendern der neuen L\u00e4rmminderungstechnik oder geben den Anwendern ein besseres Verst\u00e4ndnis ihres Problems bzw. des vorgeschlagenen L\u00f6sungswegs. Es gab verschiedene Versuche, die entwickelten L\u00f6sungsans\u00e4tze auszubauen und in Produkte zu integrieren. Konkret wurde schon ein gr\u00f6\u00dferes Projekt im Umfeld Struktur-\/ Akustikkopplung im Rahmen von Dienstleistungen bearbeitet, ein zweites steht unmittelbar bevor.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Projektergebnisse wurden der Fachwelt z.B. auf dem Adaptronic-Congress, 3.-4. Mai 2006 in G\u00f6ttingen vorgestellt. Mehrere Messepr\u00e4sentationen erfolgten, z. B. auf der Hannovermesse 2006.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Aus der bekannten Theorie und aus den Versuchen hat sich gezeigt, dass der Gyrator prinzipiell geeignet ist, um tonale Probleme anzugehen. Sein Aufbau ist relativ kompakt und er kann mit Teilen gebaut werden, die relativ billig sind. Er besitzt keine spill-over-Problematik, wie sie oft bei aktiven L\u00f6sungen auftritt. Der Nachteil des Gyrators ist, dass er keine elektrische Spannung stellen kann, die gr\u00f6\u00dfer ist als die Versorgungsspannung der eingesetzten Operationsverst\u00e4rker. Ferner ist er auf eine Kapazit\u00e4t und eine Frequenz abgestimmt. \u00c4ndert sich eine dieser Komponenten, f\u00fchrt dies dazu, dass sich die Abstimmung \u00e4ndert und der Gyrator unter Umst\u00e4nden wirkungslos bez\u00fcglich Schwingungs- und Schallminderung wird. Untersuchungen hinsichtlich eines adaptiven Gyrators w\u00e4ren deshalb von Interesse. Die Thematik wird \u00fcber das Projektende hinaus weiterverfolgt.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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