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Elektroaktive Polymere Mini-Lautsprecher geht aktiv gegen Lärm vor

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

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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Im Fensterrahmen integriert und kostengünstig:
Im Fensterrahmen integriert und kostengünstig:
(Bild: Fraunhofer 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.

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Elektroaktive Polymere

Elektroaktive Polymere (EAP) ist ein Oberbegriff für eine Vielzahl von Kunststoffen, deren Gemeinsamkeit die Gestaltänderung durch Einfluss elektrischer Spannungen und Ladungen ist. Grundsätzlich lassen sich EAP in ionische EAP, deren Wirkungsmechanismus auf der Diffusion von Ionen beruht, und elektronische EAP, welche über ein elektrisches Feld oder über elektromagnetische Kraft arbeiten, unterscheiden.

Ionische EAP benötigen eine relativ niedrige Spannung zur Formveränderung (1-2 V), sind jedoch aufgrund des diffusiven Ionentransports auf das Vorhandensein einer Elektrolytlösung angewiesen.

Dem gegenüber stehen die elektronischen EAP, die zwar eine hohe Spannung benötigen (von über 10 V/µm bis zu über 150 V/µm), aber durch Beibehaltung der Form bei angelegter Spannung zu kontrollierten Bewegungen an der Luft fähig sind und deswegen großen Einsatz in der Robotik finden.

Einsatzgebiete elektroaktiver Polymere

Bei der Entwicklung von künstlichen Muskeln für Prothesen und in der Robotik, sowie für biomimetische Sensoren und Aktuatoren spielen EAP aufgrund ihrer besonderen elektroaktiven Eigenschaften eine zunehmend wichtige Rolle. EAP sind für Pumpsysteme medizinischer Anwendungen besonders interessant, da bisherige Systeme meist passive Membranen besitzen, die über einen separaten Antrieb verformt werden und in einem unflexiblen, steifen Gehäuse verpackt sind.

Weitere eher technische Anwendungen sind beispielsweise veränderliche Displays mit Blindenschrift, optische Membranen und Linsen, Bauteile für miniaturisierte, schwimmfähige Roboter und Strukturen mit zilienartigen ionischen EAP-Fäden oder der mögliche Einsatz für minimal-invasive Instrumente in der Medizin.

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).

Grafik1
Grafik1
(Bild: Fraunhofer LBF)

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

Grafik 2
Grafik 2
(Bild: Fraunhofer LBF)

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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Über das Fraunhofer LBF

Das Fraunhofer LBF entwickelt, bewertet und realisiert im Kundenauftrag maßgeschneiderte Lösungen für maschinenbauliche Komponenten und Systeme, vor allem für sicherheitsrelevante Bauteile und Systeme. Dies geschieht in den Leistungsfeldern Schwingungstechnik, Leichtbau, Zuverlässigkeit und Polymertechnik. Neben der Bewertung und optimierten Auslegung passiver mechanischer Strukturen werden aktive, mechatronisch-adaptronische Funktionseinheiten entwickelt und prototypisch umgesetzt. Parallel werden entsprechende numerische sowie experimentelle Methoden und Prüftechniken vorausschauend weiterentwickelt. Die Auftraggeber kommen aus dem Automobil- und Nutzfahrzeugbau, der Schienenverkehrstechnik, dem Schiffbau, der Luftfahrt, dem Maschinen- und Anlagenbau, der Energietechnik, der Elektrotechnik, dem Bauwesen, der Medizintechnik, der chemischen Industrie und weiteren Branchen. Sie profitieren von ausgewiesener Expertise der mehr als 400 Mitarbeiter und modernster Technologie auf mehr als 11 560 Quadratmetern Labor- und Versuchsfläche an den Standorten Bartningstraße und Schlossgartenstraße.

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