Elektroaktive Polymere Mini-Lautsprecher geht aktiv gegen Lärm vor

Fenster zu, und der Lärm bleibt draußen. Leider klappt das nicht immer und so bleibt der Lärm, der wiederum schnell zum Stress werden kann. Das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit hat jetzt einen neuartigen, im Fensterrahmen integrierten schlanken Lautsprecher entwickelt, der unerwünschten Schall mit seinen eigenen Mitteln schlägt.

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Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

Bei aktiven Schallschutzfenstern werden bereits Schwingungen gegen Schwingungen eingesetzt. Besonders im tieffrequenten Bereich haben diese Schallschutzfenster Vorteile gegenüber konventionellen Fenstern. Bisher hatten solche Konzepte aber Nachteile: Die auf der Scheibe angebrachten Elemente schränkten die Sicht ein oder benötigten einen vergrößerten Bauraum. Das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF hat jetzt einen im Fensterrahmen integrierten schlanken Lautsprecher auf Basis elektroaktiver Polymere (EAP) entwickelt, der diese Nachteile beseitigt und darüber hinaus kostengünstig herzustellen ist.

Vorteil: kompakter Aufbau

Im Loewe-Zentrum Adria (Adaptronik – Research, Innovation, Application), angesiedelt am Fraunhofer LBF, wurden verschiedene Möglichkeiten untersucht, um Lärmschutzfenster mit aktiven Methoden zu verbessern. Als Herausforderung zeigte sich stets die Aktorik, denn bisher mussten Piezoaktoren im Sichtfeld auf der Scheibe angebracht werden, um dort die Scheibenschwingungen und somit den Schalldurchgang zu mindern. Die neuen schlanken Lautsprecher auf Basis elektroaktiver Polymere (EAP) können dagegen im Fensterrahmen eingebaut werden. Vorteil: Es macht den Aufbau kompakt und schränkt die Sicht nicht ein. Damit lässt sich der Schalldruck zwischen den Scheiben aktiv regeln und die Übertragung reduzieren.

Große konstruktive Freiheiten mit neuem Designansatz

EAP-Stapelaktoren bestehen aus einer Vielzahl abwechselnd angeordneter Elastomer- und Elektrodenschichten, über die ein hohes elektrisches Feld aufgeprägt wird. In dem neu entwickelten Designansatz sind die Elektroden metallisch ausgeführt und mit mikroskopisch feinen Löchern versehen. Dies erlaubt dem nicht komprimierbaren Elastomer, sich örtlich im Betrieb zu deformieren. Sowohl Elastomer- als auch Elektrodenschichten können nahezu beliebig geformt sein, was große konstruktive Freiheiten eröffnet.

Für den Prototyp des aktiven Spacers für ein Doppelglasfenster wurden entsprechend schmale Elektroden- und Elastomerschichten gefertigt und in einem Gehäuse, dessen Abmessungen denen eines konventionellen Spacers entsprechen, übereinander gestapelt. Der Lautsprecher selbst ist also vollständig in den Spacer integriert. Das Gehäuse übernimmt die lasttragende Aufgabe des Originalbauteils. Über Löcher im Deckel wird der Schall in den Innenraum des Doppelglasfensters abgestrahlt.

Seriennaher Prototyp mit vier Spacern

Bereits mit einem nur 20 cm langen Lautsprecher, das entspricht rund sieben Prozent des Fensterrahmens, ließ sich bei geringer Lautstärke im Labor eine Reduktion der abgestrahlten Schalleistung von 3,3 Dezibel im Summenpegel bis 500 Hertz erreichen. Eine Vergrößerung der aktiven Fläche verspricht weiteres Potential. Deshalb baute das Fraunhofer LBF zusammen mit dem Glaszentrum Darmstadt einen ersten seriennahen Prototyp auf. Das Team integrierte vier EAP-Spacer mitsamt den benötigten Mikrofonen im Inneren des Scheibenmoduls und prüfte das akustische Verbesserungspotential am realen Fenster messtechnisch.

Der gemessene Pegelunterschied des mittleren Summenpegels des Schalldrucks betrug im inneren des Fensters 16,8 Dezibel (Graphik 1).

Dies verdeutlicht das Potential des EAP-Lautsprechers. Das resultierende Spektrum der Geschwindigkeit der schallabstrahlenden Scheiben zeigt Graphik 2.

Die berechnete Reduktion des Summenpegels der Schallleitung bis 500 Hertz beträgt rund 3 Dezibel. Eine weitere Verbesserung durch Verwendung mehrerer Mikrofone im Zwischenraum ist zu erwarten.

Die Anwendung im aktiven Fenster verdeutlicht zum einen den steigenden Technologiereifegrad der elektroaktiver Polymere für dynamische Anwendungen, zum anderen deren flexible Einsatzmöglichkeit in zukünftigen Produkten. (mz)

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