DE102006046593B4 - Vorrichtung zur Reduktion von Schwingungen einer Struktur - Google Patents

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    • G05D19/02—Control of mechanical oscillations, e.g. of amplitude, of frequency, of phase characterised by the use of electric means

Abstract

Vorrichtung zur Reduktion von Schwingungen einer Struktur (1) mit einem an der Struktur (1) angeordneten Schwingungssensor (8), mit einem an der Struktur (1) angreifenden Aktuator (11) und mit einer den Aktuator (11) in Abhängigkeit von einem Signal (10) des Schwingungssensors (8) ansteuernden Steuerung (9), wobei die Steuerung (9) einen elektrischen Schwingkreis (14) aufweist, der den Verlauf einer Übertragungsfunktion der Steuerung (9) zwischen dem Signal (10) des Schwingungssensors (8) und der Ansteuerung des Aktuators (11) bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (9) aus dem Signal (10) des Schwingungssensors (8) ein wegproportionales Spannungssignal (15) generiert, das in den Schwingkreis (14) rückgekoppelt wird, und dass die Steuerung (9) den Aktuator (11) mit einer Differenz zwischen einem rückgekoppelten Spannungssignal (13) des elektrischen Schwingkreises (14) und dem wegproportionalen Spannungssignal (15) ansteuert.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Reduktion von Schwingungen einer Struktur mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
  • STAND DER TECHNIK
  • Zur Reduktion von Schwingungen einer Struktur ist der Einsatz so genannter passiver Schwingungstilger bekannt. Diese weisen einen mechanischen Aufbau mit einer Tilgermasse auf, die über eine Tilgersteifigkeit, d. h. eine Feder, elastisch an die Struktur, deren Schwingungen zu reduzieren sind, angekoppelt wird. Durch die Schwingungen der Struktur wird die Tilgermasse aufgrund der Ankopplung ihrerseits zu Schwingungen angeregt. Wenn die Eigenfrequenzen der Struktur und des Schwingungstilgers identisch sind, bewirken die von dem Schwingungstilger auf die Struktur ausgeübten Reaktionskräfte, dass die Struktur bei ihrer Eigenfrequenz von dem Schwingungstilger in Ruhe gehalten wird. Diese ideale Wirkung eines Schwingungstilgers ist jedoch ausschließlich für den Fall gegeben, dass die Tilgereigenfrequenz gleich der Frequenz der zu reduzierenden Schwingungen der Struktur ist. Wenn die Struktur hingegen mehrere Eigenfrequenzen oder mindestens eine veränderliche Eigenfrequenz aufweist, oder mit einer frequenzvariablen äußeren periodischen Kraft zu Schwingungen angeregt wird, stoßen herkömmliche, rein passive Schwingungstilger schnell an ihre Grenzen. Sollen Eigenfrequenzen der Struktur schwingungsmindernd beeinflusst werden, müssen mehrere Schwingungstilger vorgesehen werden, wobei die daraus resultierende größere Zahl der Tilger eine unerwünschte Erhöhung der Gesamtmasse des Systems bedeutet. Einer frequenzvariablen Anregung der Struktur kann auch mit einer Mehrzahl von Schwingungstilgern nur dann begegnet werden, wenn die Frequenzbandbreite klein bleibt.
  • Es ist bekannt, dass der nutzbare Frequenzbereich um die eigentliche Tilgereigenfrequenz eines passiven Schwingungstilgers durch eine Dämpfung der Bewegungen der Tilgermasse im Frequenzraum verbreitert werden kann. Mit der Einführung einer Dämpfung reduziert sich aber das Vermögen eines passiven Schwingungstilgers, die Struktur bei der Tilgereigenfrequenz in Ruhe zu halten. Es ist dann lediglich eine Reduktion der Schwingungen der Struktur bei der Tilgereigenfrequenz erreichbar. Diese Funktion erfüllt ein Schwingungstilger mit integrierter Dämpfung dann aber über einen größeren Frequenzbereich. Je größer die Dämpfung ist, desto weniger wird die Struktur bei der Tilgereigenfrequenz ideal in Ruhe gehalten, desto breiter ist aber auch der Frequenzbereich, in dem der Schwingungstilger eine noch nutzbare Reduktion von Schwingungen der Struktur bereitstellt.
  • Es sind verschiedene Versuche unternommen worden, um einen Schwingungstilger bezüglich seiner Tilgereigenfrequenz variabel auszubilden, um diese Tilgereigenfrequenz auf die Frequenz aktuell besonders störender Schwingungen einer Struktur abstimmen zu können. Ein Beispiel hierfür ist in der DE 103 51 243 A1 beschrieben. Selbst wenn wie hier die Tilgereigenfrequenz verglichen mit dem hierfür betriebenen aktuatorischen Aufwand recht effektiv geändert wird, so ist der Aufwand für einen derartigen frequenzabstimmbaren Schwingungstilger verglichen mit dem mit seiner variablen Tilgereigenfrequenz abdeckbaren Frequenzbereich relativ groß.
  • Ein weiterer Ansatz, den Frequenzbereich zu verbreitern, über den ein grundsätzlich passiver Schwingungstilger zur Reduktion von Schwingungen einer Struktur geeignet ist, ist aus der DE 197 25 770 A1 bekannt. Hier ist ein Linearaktuator zwischen der Tilgersteifigkeit und der Struktur angeordnet, um den Schwingungstilger bei Frequenzen neben der Tilgereigenfrequenz mittels Ansteuerung des Linearaktuators zusätzlich aktiv anzuregen. Dies hat den Zweck, die Amplitude der Schwingungen der Tilgermasse bei diesen Frequenzen aktiv so weit anzuheben, dass die von dem Schwingungstilger in die Struktur rückgekoppelten Kräfte auch bei diesen Frequenzen effektiv in der Lage sind, Schwingungen der Struktur zu reduzieren. Wie bei allen aktiven Maßnahmen zur Reduktion von Schwingungen einer Struktur ist es auch hier erforderlich, dass die Ansteuerung des Linearaktuators phasenrichtig erfolgt. Letztlich ist verglichen mit der erreichten Verbreiterung des nutzbaren Frequenzbereichs des Schwingungstilgers der zu betreibende Aufwand auch hier relativ groß.
  • Alle Schwingungstilger mit mechanischem Aufbau sind mit dem Nachteil verbunden, dass ihre Tilgermasse auf die Schwingungsenergie der zu reduzierenden Schwingungen abgestimmt sein muss, damit die von der Tilgermasse für die Bereitstellung der notwendigen Rückkopplungskräfte auf die Struktur zurückzulegenden Wege in Grenzen bleiben. Dies ist einerseits notwendig, weil reale Tilgersteifigkeiten nur für begrenzte Wege geeignet sind, und andererseits, weil auch der von einem Schwingungstilger beanspruchte Bauraum mit dem zunehmenden Weg der Tilgermasse anwächst. In der Praxis bedeutet dies, dass beispielsweise die Masse der insgesamt in einem Propellerflugzeug, dessen Struktur massiv bei der Umlauffrequenz der Propeller und hierzu Harmonischen angeregt wird, verbauten Schwingungstilger einen schon erheblichen Anteil der Gesamtmasse des Propellerflugzeugs ausmachen.
  • Aus der EP 0 956 950 A1 ist für das Spezialgebiet der Papierstreichapparate das Prinzip der aktiven Schwingungsreduktion bekannt, bei dem Beschleunigungskräfte, die auf eine Struktur wirken, mit gleich großen aber entgegen gesetzten Kräften, die mit aktiv angesteuerten Aktuatoren hervorgerufen werden, zwecks Auslöschung überlagert werden. Die gewünschte Auslöschung setzt dabei voraus, dass die mit den Aktuatoren erzeugten Kräfte sowohl den richtigen Betrag als auch die richtige, d. h. entgegen gesetzte Phase in Bezug auf die zu unterdrückenden Anregungen der Struktur aufweisen. Aus diesem Grund weist eine aus der DE 197 25 770 A1 bekannte Vorrichtung mit den Merkmalen der eingangs beschriebenen Art neben dem an der Struktur angreifenden Aktuator einen an der Struktur angeordneten Beschleunigungsaufnehmer auf. Abhängig von dem Signal des Beschleunigungsaufnehmers steuert eine Steuerung der bekannten Vorrichtung den Aktuator so an, dass er mit den von ihm hervorgerufenen Kräften die Struktur in Ruhe hält. Grundsätzlich ist diese Vorgehensweise frequenzunabhängig, d. h. eine derartige Vorrichtung kann über einen sehr großen Frequenzbereich wirksam sein. In der Praxis bedeutet die Berücksichtigung beliebiger Frequenzen für die Ansteuerung des Aktuators jedoch erhebliche Schwierigkeiten. Aus der DE 197 25 770 A1 ist es daher bekannt, die Rotationsfrequenz der mit einer aktiven Schwingungsreduktion ausgestatteten rotierenden Struktur zu erfassen und die Ansteuerung des Aktuators auf diese Rotationsfrequenz und Harmonische hiervon zu beschränken. Das Prinzip der aktiven Schwingungsreduktion einer Struktur kann auch so beschrieben werden, dass der Struktur mit Hilfe der Ansteuerung des Aktuators bezüglich der von dem Schwingungssensor erfassten Schwingungen eine ”unendliche” Steifigkeit verliehen wird. Der für dieses Prinzip zu betreibende energetische Aufwand für die Ansteuerung des an der Struktur angreifenden Aktuators ist bei stärkeren Anregungen der Struktur allerdings ganz erheblich. Hierdurch werden die Vorteile gegenüber passiven Schwingungstilgern begrenzt, die überdies eine deutlich höhere Ausfallsicherheit aufweisen als die komplexe Steuerung, die für eine aktive Schwingungsreduktion erforderlich ist.
  • Eine Vorrichtung zur Reduktion von Schwingungen einer Struktur mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ist aus der EP 1 291 551 bekannt. Diese Vorrichtung verwendet einen passiven elektrischen Schwingkreis, der über ein Piezoelement, das als Sensor dient, und einen davon getrennten Aktuator an die Struktur angebunden ist, deren Schwingungen zu reduzieren sind. Der Sensor wandelt mechanische Energie der Struktur in elektrische Energie um, wodurch von dem Sensor ein Spannungssignal generiert wird. Das Spannungssignal wird dem passiven elektrischen Schwingkreis zugeführt. Wenn die Spannung eine Frequenz gleich oder nahe der Eigenfrequenz des passiven elektrischen Schwingkreises aufweist, schwingt dieser. Von dem elektrischen Schwingkreis wird eine Gegenspannung an den Aktuator angelegt, die ihn verformt, so dass er der Schwingung der Struktur entgegenwirkt. Durch diese Art der Kopplung des Sensors und des Aktuators mit dem elektrischen Schwingkreis in Verbindung mit dem Aufbau des elektrischen Schwingkreises aus einem Widerstand, einer Induktivität und/oder einer Kapazität ergibt sich zwar derselbe Nachteil der Beschränkung der Schwingungsdämpfung auf einen kleinen Frequenzbereich wie bei einem passiven mechanischen Schwingungstilger, dessen maximaler Wirkungsgrad bei der Tilgereigenfrequenz wird aber nicht erreicht.
  • Aus der DE 103 55 624 A1 ist eine weitere Vorrichtung zur Reduktion von Schwingungen einer Struktur mit den Merkmalen des Obergriffs des Patentanspruchs 1 bekannt. Hier ist ein an der Struktur appliziertes Piezoelement vorgesehen, das in einer elektrischen Schaltung mit einer Steuerschaltung vorgesehen ist. Die Steuerschaltung ist derart konfiguriert, um Energie von dem Piezoelement phasenverschoben zur Schwingung zurückzuleiten. Dabei ist die Steuerschaltung zur Phasenverschiebung in die elektrische Schaltung, die mit dem Piezoelement einen Schwingkreis bildet, integriert und weist einen Operationsverstärker auf, der über eine Hilfsenergiequelle betrieben wird. Dadurch ist es möglich, die infolge einer mechanischen Schwingung in dem Piezoelement erzeuge elektrische Energie phasenverschoben zur Schwingung in das Piezoelement zurückzuleiten, so dass unter Ausnutzung des reziproken piezoelektrischen Effekts eine der mechanischen Schwingungen entgegenwirkende Kraft erzeugt wird, welche die Schwingung mindert. Auch hier liegen die Nachteile der Funktionsbeschränkung auf eine einzige Eigenfrequenz des mit einer Induktivität und einer Kapazität aufgebauten Schwingkreises vor, ohne dass die besonderen Vorteile eines mechanischen Schwingungstilgers hinsichtlich seines maximalen Wirkungsgrads bei der Tilgereigenfrequenz erreicht werden können.
  • AUFGABE DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Reduktion von Schwingungen einer Struktur mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, bei der die bislang vorhandenen Nachteile einer aktiven Schwingungsreduktion gegenüber einem mechanischen Schwingungstilger tatsächlich beseitigt werden.
  • LÖSUNG
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen dieser neuen Vorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 9 beschrieben.
  • BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Bei der neuen Vorrichtung weist die Steuerung einen zu einem mechanischen Tilger analog aufgebauten elektrischen Schwingkreis auf, der den Verlauf einer Übertragungsfunktion der Steuerung zwischen dem Signal des Schwingungssensors und der Ansteuerung des Aktuators bestimmt. Es geht also nicht darum, dass die erfindungsgemäße Steuerung irgendwo irgendeinen elektrischen Schwingkreis aufweist, was auch bei einer Steuerung einer Vorrichtung aus dem Stand der Technik bereits der Fall sein mag. Vielmehr geht es darum, dass der Verlauf der Übertragungsfunktion der Steuerung zwischen dem Signal des Schwingungssensors und der Ansteuerung des Aktuators, also das Antwortverhalten der Steuerung in Form der Ansteuerung des Aktuators auf das Signal des Schwingungssensors nach Betrag und Phase durch den elektrischen Schwingkreis bestimmt wird. Der vorliegenden Erfindung liegt das Konzept zugrunde, den mechanischen Schwingkreis eines passiven Schwingungstilgers durch einen analog aufgebauten elektrischen Schwingkreis zu ersetzen und mit dem Schwingungssensor einerseits und dem Aktuator andererseits die relevanten Kopplungen eines mechanischen Schwingungstilgers mit der Struktur, deren Schwingungen zu reduzieren sind, analog nachzubilden. Bis auf Anpassungen zwischen dem elektrischen Schwingkreis und der mechanischen Struktur, die die Zuführung elektrischer Leistung erfordern können, arbeitet die neue Vorrichtung wie ein mechanischer Schwingungstilger insoweit passiv, als dass das Antwortverhalten auf Schwingungen der Struktur durch den passiven elektrischen Schwingkreis bestimmt wird und als dass zumindest ein Teil der Leistung, die zum Reduzieren der Schwingungen der Struktur benötigt wird, als Blindleistung zurr Verfügung steht. Hierdurch sind eine hohe Störunanfälligkeit und ein energiesparender Betrieb der neuen Vorrichtung garantiert. Die Anpassung des elektrischen Schwingkreises an die Energie der zu reduzierenden Schwingungen einer Struktur kann durch eine größere Dimensionierung des elektrischen Schwingkreises, d. h. größere elektrische Komponenten erfolgen. In diesem Fall kommt man mit wenig von außen zugeführter elektrischer Leistung zur Anpassung zwischen dem elektrischen Schwingkreis und der mechanischen Struktur aus. Es ist aber auch grundsätzlich ausreichend, die Anpassung an der Energie der zu reduzierenden Schwingungen im Bereich der Schnittstelle zwischen dem elektrischen Schwingkreis und der mechanischen Struktur vorzusehen.
  • Der elektrische Schwingkreis der neuen Vorrichtung weist grundsätzlich eine feste Eigenfrequenz auf. Es ist aber ohne weiteres möglich, in diesen elektrischen Schwingkreis einzugreifen, indem beispielsweise seine elektrischen Größen verändert werden, um seine Eigenfrequenz zu verändern. So kann diese Eigenfrequenz leicht auf eine relevante Frequenzkomponente der Schwingungen der Struktur abgestimmt oder dieser nachgeführt werden. Durch die leichte Veränderbarkeit der elektrischen Größen des elektrischen Schwingkreises kann neben seiner Eigenfrequenz, so weit dies erwünscht ist, z. B. auch seine Dämpfung verändert und in Bezug auf die aktuellen Betriebsbedingungen der Vorrichtung optimiert werden.
  • Die Abstimmung der Eigenfrequenz und ggf. auch der Dämpfung des elektrischen Schwingkreises durch Verändern seiner elektrischen Größen erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit von einer dominanten Frequenzkomponente des Signals des Schwingungssensors oder eines weiteren Sensors. Es können auch mehrere weitere Sensoren bei der Ermittlung der aktuell idealen elektrischen Größen des elektrischen Schwingkreises eingesetzt werden.
  • Um mit dem Schwingungssensor die Kopplung eines mechanischen Schwingungstilgers an die Struktur nachzubilden, generiert die Steuerung aus dem Signal des Schwingungssensors ein wegproportionales Spannungssignal, das in den Schwingkreis rückgekoppelt wird. Ein wegproportionales Spannungssignal wird von einem Wegsensor direkt bereitgestellt. Es kann aber auch aus dem Signal eines Geschwindigkeitssensors oder eines Beschleunigungssensors durch ein- bzw. zweifache Integration generiert werden. Grundsätzlich ist es zudem möglich, dass direkt ein geschwindigkeits- oder beschleunigungsproportionales Spannungssignal in den Schwingkreis der neuen Steuerung rückgekoppelt wird.
  • Um die Koppelung der mechanischen Struktur an einen mechanischen Schwingungstilger nachzubilden, steuert die Steuerung den Aktuator mit einer Differenz zwischen einem rückgekoppelten Spannungssignal des elektrischen Schwingkreises und dem an der mechanischen Struktur aufgenommenen wegproportionalen Spannungssignal an. Diese Ansteuerung erfolgt typischerweise über einen Leistungsverstärker. Das rückgekoppelte Spannungssignal des elektrischen Schwingkreises entspricht dem Schwingungsweg der Tilgermasse, die je nach ihrer Position gegenüber der Struktur über die in dem elektrischen Schwingkreis simulierte Tilgersteifigkeit auf die Struktur einwirkt.
  • In der neuen Vorrichtung kann der elektrische Schwingkreis der Steuerung analog realisiert oder digital simuliert sein. Der elektrische Schwingkreis kann also mindestens eine Kapazität und mindestens eine Induktivität aufweisen. Er kann aber auch aus integrierten Schaltungen in Form von Operationsverstärkern aufgebaut sein, wobei dann die Anpassung an das Leistungsniveau der Schwingungen der mechanischen Struktur aufwändiger sein kann. Umgekehrt erleichtert ein digital simulierter elektrischer Schwingkreis die Veränderung der elektrischen Größen des Schwingkreises, um dessen Eigenfrequenz und/oder Dämpfung je nach Bedarf zu verändern.
  • Der Aktuator, mit dem die Steuerung auf die mechanische Struktur einwirkt, ist vorzugsweise ein solcher, der sich ausschließlich an der Struktur selbst abstützt, d. h. an mindestens zwei Punkten der Struktur angreift und zwischen diesen wirksam ist. Lageveränderungen der Struktur gegenüber einer externen Abstützung des Aktuators müssen dann nicht berücksichtigt werden.
  • Konkret kann der Aktuator einem Schichtaufbau aus zwei Flächenelektroden und einer zwischen den Flächenelektroden angeordneten piezoelektrischen Schicht aufweisen, die sich bei Anlegen einer Spannung zwischen den Flächenelektroden in ihrer Haupterstreckungsebene streckt. Hierdurch wird ein flächiges Element der Struktur, mit dem dieser Aktuator flächig verbunden ist, auf Biegung beansprucht. Auf diese Weise kann häufig auftretenden Biegeschwingungen einer Wandung oder eines anderen flächigen Elements einer Struktur sehr effektiv begegnet werden.
  • Es wurde bereits mehrfach darauf hingewiesen, dass die Eigenfrequenz des elektrischen Schwingkreises der neuen Vorrichtung einfach veränderbar ist. Der elektrische Schwingkreis kann aber auch ohne weiteres so ausgebildet sein, dass er über mehrere Eigenfrequenzen verfügt und so das Antwortverhalten, d. h. die Übertragungsfunktion der Steuerung auf Schwingungen der mechanischen Struktur bei mehreren Frequenzen in idealer Weise bestimmt.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.
  • 1 zeigt ein Prinzipschaubild zu einer elastischen Struktur mit daran angebrachtem mechanischem Schwingungstilger.
  • 2 zeigt ein Prinzipschaubild zu einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der der mechanische Schwingungstilger gemäß 1 durch einen elektrischen Schwingkreis nachgebildet ist.
  • 3 zeigt ein gegenüber 1 um eine Dämpfung der Tilgermasse des mechanischen Schwingungstilgers ergänztes Prinzipschaubild.
  • 4 zeigt das Prinzipschaubild einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die den mechanischen Schwingungstilger mit Dämpfung gemäß 3 nachbildet und bei der weitere Erweiterungsmöglichkeiten gegenüber 2 angedeutet sind.
  • 5 zeigt die Anordnung eines Aktuators an einer Struktur bei der Anwendung der neuen Vorrichtung; und
  • 6 zeigt Details des Aktuators gemäß 5.
  • FIGURENBESCHREIBUNG
  • In 1 ist eine mechanische Struktur 1 wiedergegeben, die hier so dargestellt ist, dass sie über eine Struktursteifigkeit 2 an eine ortsfeste Basis 3 angekoppelt ist, um ihre Elastizität wiederzugeben. An die Struktur 1 ist ein mechanischer Schwingungstilger 4 aus einer Tilgersteifigkeit 5 und einer Tilgermasse 6 angekoppelt, wobei die Tilgersteifigkeit 5 die Tilgermasse 6 an die Struktur 1 anbindet. Wenn die Tilgereigenfrequenz des Schwingungstilgers 4 gleich der Eigenfrequenz der Struktur 1 ist, so dass die folgende Gleichung (0):
    Figure 00090001
    gilt, wobei ω die als Kreisfrequenz ausgedrückte übereinstimmende Eigenfrequenz ist, cT der Wert der Tilgersteifigkeit 5 ist, mT der Wert der Tilgermasse 6 ist, K der Wert der modalen Struktursteifigkeit 2 ist und M der Wert der modalen Masse der Struktur 1 ist, reduziert der Schwingungstilger 4 Schwingungen der Struktur 1 mit der übereinstimmenden Eigenfrequenz bis auf null.
  • Für die auf die modale Masse der Struktur 1 insgesamt wirkende Kraft P gilt in dem System gemäß 1 die Gleichung (1): Mẍ + Kx + cT(x – xT) = P (1),wobei x die Verschiebung der Struktur 1 ist, xT die Verschiebung der Tilgermasse 6 ist und die Beschleunigung der Struktur 1 ist.
  • Für den Fall,, dass keine äußeren Kräfte P auf die Struktur 1 einwirken, d. h. P = 0, ergibt sich aus der Gleichung (1) die Gleichung (2): Mẍ + Kx = –cT(x – xT) (2).
  • Hieraus folgt, dass die Struktur 1 in diesem Fall den Schwingungstilger 4 ausschließlich in Form einer Kraftkomponente –cT(x – xT) ”sieht”.
  • Umgekehrt gilt für die Tilgermasse 6 die Gleichung (3): mTẍT – cT(x – xT) = 0 (3),wobei ẍT die Beschleunigung der Tilgermasse 6 ist. Diese Gleichung (3) ist in die folgende Gleichung (4) umformbar: mTẍT + cTxT = cTx (4).
  • Hieraus folgt, dass der Schwingungstilger 4 von der Struktur 1 ausschließlich die Kraftkomponente cTx ”sieht”.
  • Die aus den Gleichungen (2) und (4) abzuleitenden Erkenntnisse sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 7 gemäß 2 umgesetzt. Hier ist statt eines mechanischen Schwingungstilgers 4 an der Struktur 1 ein Schwingungssensor 8 angeordnet, der an eine Steuerung 9 ein Signal 10 abgibt. In Abhängigkeit von dem Signal 10 steuert die Steuerung 9 einen an der Struktur 1 angreifenden Aktuator 11 mit einem Ansteuersignal 12 an. Das Ansteuersignal 12 ist dabei proportional zu (x – xT), wobei x hier ein wegproportionales Spannungssignal ist, das die Steuerung 9 aus dem Signal 10 des Schwingungssensors 9 generiert, und xT hier ein rückgekoppeltes Spannungssignal 13 eines elektrischen Schwingkreises 14 der Steuerung 9 ist. Auf diese Weise wird mit der Steuerung 9 und dem Aktuator 11 der Einfluss eines Schwingungstilgers auf die Struktur 1 analog nachgebildet. Die Rückkopplung von der Struktur 1 auf den Schwingungstilger wird dabei über den Schwingungssensor 9 nachgebildet, in dem die Steuerung das aus seinem Signal 10 generierte wegproportionale Spannungssignal 15, das auch in das Ansteuersignal 12 eingeht, in den elektrischen Schwingkreis 14 rückkoppelt. Der elektrische Schwingkreis 14 kann auf unterschiedliche Weise ausgebildet sein. Hier ist er durch einen Operationsverstärker 16, der die Differenz zwischen den Spannungssignalen 13 und 15 verstärkt und zwei Integratoren 17 und 18 wiedergegeben. Dabei entspricht ein Übergangssignal 19 von dem Operationsverstärker 16 zu dem Integrator 17 der Beschleunigung der Tilgermasse eines durch den Schwingkreis 14 nachgebildeten mechanischen Schwingungstilgers, während ein Übergangssignal 20 zwischen den beiden Integratoren 17 und 18 einer Geschwindigkeit dieser Tilgermasse entspricht. Das rückgekoppelte Spannungssignal 13 ist ebenso wie das Spannungssignal 15 wegproportional. Während das Spannungssignal 15 jedoch die Verschiebung x der Struktur 1 wiedergibt, entspricht das Spannungssignal 13 der Verschiebung xT der Tilgermasse 6. Ein Konditionierer 21 der Steuerung 9 dient dazu, aus dem Signal 10 des Schwingungssensors 8 das wegproportionale Spannungssignal 15 zu machen und aus dem Signal 10 bzw. dem Spannungssignal 15 und dem Spannungssignal 13 das Ansteuersignal 12 zu erzeugen. Dabei geht es, zumindest wenn der Schwingungssensor 8 ein Wegsensor ist und keine Integration des Signals 10 für die Generierung des Spannungssignals 15 erforderlich ist, im Wesentlichen um eine Niveauanpassung zwischen dem Schwingungssensor 8 und dem elektrischen Schwingkreis 14 einerseits und dem elektrischen Schwingkreis 14 und dem Aktuator 11 andererseits. Bis auf diese Niveauanpassung, die eine Zuführung von elektrischer Leistung von außen erfordert, arbeitet die Steuerung 9 auf Basis des elektrischen Schwingkreises 14 passiv. D. h., ein wesentlicher Teil der elektrischen Leistung zur Ansteuerung des Aktuators 11 wird durch den elektrischen Schwingkreis 14 in Form von Blindleistung bereitgestellt. Auf dieser Basis ist die gesamte Vorrichtung 7 sehr sparsam in Bezug auf die ihr von außen zuzuführende elektrische Leistung.
  • Ein bislang noch nicht erwähnter Vorteil der Vorrichtung 7 gegenüber dem Anbringen eines mechanischen Schwingungstilgers 4 gemäß 1 an der Struktur 1 ist, dass die gesamte Steuerung 9 entfernt von der Struktur angeordnet werden kann. Bereits angedeutet wurde darauf, dass gerade bei höherenergetischen Schwingungen der Struktur 1 die erforderliche Masse mT der Tilgermasse 6 bei adäquater Auslegung eines Schwingungstilgers 4 gemäß 1 oft sehr groß wird, weil die für die Tilgermasse 6 zur Verfügung stehenden Wege xT praktisch begrenzt sind. Diese Begrenzung tritt in Bezug auf die Amplituden der Spannungssignale in dem elektrischen Schwingkreis 14 so nicht auf. Überdies können dessen elektrische Größen geändert und insbesondere erhöht werden, ohne dass dies im selben Maße Einfluss auf die Masse der Steuerung 9 hat wie bei einem mechanischen Schwingungstilger 4 gemäß 1.
  • Bei dem in 3 skizzierten System ist neben der Tilgersteifigkeit 5 ein Dämpfer 22 zwischen der Struktur 1 und der Tilgermasse 6 wiedergegeben. Die mit dem Dämpfer 22 verbundene Dämpfung der Bewegung der Tilgermasse 6 ist häufig nicht nur real vorhanden, sondern durchaus erwünscht. Bei der in 4 skizzierten Vorrichtung 7 ist diese Dämpfung ebenfalls in der Steuerung 9 nachgebildet, indem bei dem elektrischen Schwingkreis 14 nicht nur das Spannungssignal 13, sondern auch das Übergangssignal 19 zwischen den beiden Integratoren 17 und 18 mit negativem Vorzeichen zu dem Operationsverstärker 16 rückgekoppelt wird. Dieses Übergangssignal 22 entspricht einer Geschwindigkeit ẋT der Tilgermasse des nachgebildeten mechanischen Schwingungstilgers. Das Maß der Dämpfung ist durch ein Stellglied 23 einstellbar. Weitere Stellglieder 24 bis 26 weisen auf weitere Eingriffsmöglichkeiten in den Schwingkreis 14 hin, um diesen bei Bedarf zu modifizieren. Mit gestrichelten Linien ist in 4 weiter angedeutet, dass auch das Übergangssignal 19 in den Operationsverstärker rückgekoppelt werden kann und dass zudem die Übergangssignale 19 und 20 auch dem Konditionierer 21 zugeführt werden können, um in das Ansteuersignal 12 einzugehen. Die Stellglieder 23 bis 26 und auch ein Stellglied 27 für ein etwaig rückgekoppeltes Übergangssignal 19 sind dabei keinesfalls auf Potentiometer zum einstellbaren Abschwächen der jeweiligen Eingangsspannung beschränkt. Es kann sich auch um einstellbare Verstärker oder sogar einstellbare Invertierer für die Eingangsspannung handeln. So kann auch eine negative Steifigkeit oder eine negative Dämpfung eines Schwingungstilgers analog nachgebildet werden. Letztlich ist in 4 ein zusätzlicher Schwingungssensor 38 an der Struktur 1 angedeutet, dessen Signal 39 genutzt wird, um beispielsweise eine dominante Frequenz der Schwingungen der Struktur 1 zu ermitteln, um hierauf die oder eine der Eigenfrequenzen des elektrischen Schwingkreises 14 abzustimmen. Grundsätzlich kann zu diesem Zweck auch das Signal 10 des Schwingungssensors 8 verwendet werden. Es können aber auch noch weitere Schwingungssensoren an der Struktur 1 angeordnet werden.
  • In 5 ist gezeigt, wie ein flächig ausgebildeter Aktuator 11 an einem flächigen Element 28 der Struktur 1 angeordnet ist, indem er flächig mit diesem verbunden ist. die Steuerung 9 ist hier nur als ”Black Box” wiedergegeben, die in Abhängigkeit von dem Signal 10 des Schwingungssensors 8 an der Struktur 1 den Aktuator 8 mit dem Ansteuersignal 12 ansteuert und der elektrische Leistung 28 von außen zugefügt wird. Dabei wird die Übertragungsfunktion der Steuerung 9 zwischen dem Signal 10 und dem Ansteuersignal 12 von dem hier nicht dargestellten Schwingkreis 14 gemäß den 2 und 4 sowohl bezüglich der Amplitude als auch der Phase bestimmt.
  • 6 zeigt einen möglichen Aufbau des Aktuators 11. In einer Umhüllung 29, die sowohl zur elektrischen Isolierung als auch zur mechanischen Stabilisierung dient, ist eine zweidimensional ausgedehnte piezoelektrische Schicht 30 angeordnet. Die piezoelektrische Schicht 30 liegt zwischen zwei Flächenelektroden 31 und 32. Die Flächenelektrode 31 ist hier durch ein Kupfergewebe 33 ausgebildet, während die Flächenelektrode 32 eine Beschichtung 34 der dem Kupfergewebe 33 abgekehrten Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 20 ist. Das Ansteuersignal 12 wird zwischen den Flächenelektroden 31 und 32 über elektrische Kontakte 35 und 36 angelegt. In Folge einer Spannung zwischen den Flächenelektroden 31 und 32 kommt es zu einer Streckung der piezoelektrischen Schicht 30 in ihrer Haupterstreckungsebene, die sich auf die Umhüllung 29 überträgt. Bei der Anordnung gemäß 5 wirkt sich diese Streckung des Aktuators 8 in einer Wölbung des flächigen Elements 37 der Struktur 1 aus.
    • 1
    Struktur
    2
    Struktursteifigkeit
    3
    Basis
    4
    Schwingungstilger
    5
    Tilgersteifigkeit
    6
    Tilgermasse
    7
    Vorrichtung
    8
    Schwingungssensor
    9
    Steuerung
    10
    Signal
    11
    Aktuator
    12
    Ansteuersignal
    13
    Spannungssignal
    14
    elektrischer Schwingkreis
    15
    Spannungssignal
    16
    Operationsverstärker
    17
    Integrator
    18
    Integrator
    19
    Übergangssignal
    20
    Übergangssignal
    21
    Konditionierer
    22
    Dämpfung
    23
    Stellglied
    24
    Stellglied
    25
    Stellglied
    26
    Stellglied
    27
    Stellglied
    28
    elektrische Leistung
    29
    Umhüllung
    30
    piezoelektrische Schicht
    31
    Flächenelektrode
    32
    Flächenelektrode
    33
    Kupfergewebe
    34
    Oberflächenschicht
    35
    elektrischer Kontakt
    36
    elektrischer Kontakt
    37
    flächiges Element
    38
    Sensor
    39
    Signal

Claims (8)

  1. Vorrichtung zur Reduktion von Schwingungen einer Struktur (1) mit einem an der Struktur (1) angeordneten Schwingungssensor (8), mit einem an der Struktur (1) angreifenden Aktuator (11) und mit einer den Aktuator (11) in Abhängigkeit von einem Signal (10) des Schwingungssensors (8) ansteuernden Steuerung (9), wobei die Steuerung (9) einen elektrischen Schwingkreis (14) aufweist, der den Verlauf einer Übertragungsfunktion der Steuerung (9) zwischen dem Signal (10) des Schwingungssensors (8) und der Ansteuerung des Aktuators (11) bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (9) aus dem Signal (10) des Schwingungssensors (8) ein wegproportionales Spannungssignal (15) generiert, das in den Schwingkreis (14) rückgekoppelt wird, und dass die Steuerung (9) den Aktuator (11) mit einer Differenz zwischen einem rückgekoppelten Spannungssignal (13) des elektrischen Schwingkreises (14) und dem wegproportionalen Spannungssignal (15) ansteuert.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Größen des elektrischen Schwingkreises (14) veränderbar sind, um seine Eigenfrequenz auf eine Eigenfrequenz der Struktur (1) abzustimmen.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (9) die Eigenfrequenz des elektrischen Schwingkreises (14) dynamisch in Abhängigkeit von einer aktuell dominanten Frequenzkomponente des Signals (10) des Schwingungssensors (8) oder eines weiteren Sensors (38) abstimmt. 4 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (9) einen Leistungsverstärker für die Ansteuerung des Aktuators mit einer Differenz zwischen einem rückgekoppelten Spannungssignals (13) des elektrischen Schwingkreises und dem wegproportionale Spannungssignal (15) ansteuert.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Schwingkreis der Steuerung (9) analog realisiert oder digital simuliert ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (11) nur an der Struktur (1) abgestützt ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (11) einen Schichtaufbau aus zwei Flächenelektroden (31 und 32) und einer zwischen den Flächenelektroden (31 und 32) angeordneten piezoelektrischen Schicht (30) aufweist, die sich bei Anlegen einer Spannung zwischen den Flächenelektroden (31 und 32) in ihrer Haupterstreckungsebene streckt.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (11) flächig mit einem flächigen Element (37) der Struktur (1) verbunden ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Schwingkreis (14) mehrere Eigenfrequenzen aufweist.
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