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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeugbauteil, ein Fahrzeug mit mindestens einem derartigen Fahrzeugbauteil und ein Verfahren zum Reduzieren des Übertragens von Körperschall an einem Fahrzeug.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Von Passagieren wahrgenommene Geräusche in einer Fahrzeugkabine werden durch zahlreiche Faktoren bestimmt, die unter anderem von der Art des Fahrzeugs abhängen. In einem Verkehrsflugzeug umfassen die Faktoren etwa die Luftströmung außen am Flugzeug, das Betriebsgeräusch von Triebwerken sowie unter anderem die in der Kabine angeordnete Klimaanlage. Die von den Triebwerken resultierende Geräuschentwicklung kann dabei durch unterschiedliche Einbauszenarien variieren. Bei heckmontierten Triebwerken sind die Schallemissionen in einen Flugzeugrumpf etwa wesentlich höher als bei flügelmontierten Triebwerken, da Schall durch direkte Körperschallleitung über einen Triebwerksträger stärker in die Kabine geleitet wird, als bei flügelmontierten Triebwerken. Zudem ist der Abstand zwischen dem Flugzeugrumpf und heckmontierten Triebwerken geringer als bei flügelmontierten, so dass auch die Schallübertragung durch die Luft bei heckmontierten Triebwerken höher ist.
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Es ist bekannt, eine Dämpfungsschicht in eine Rumpfsektion aus Verbundwerkstoff neben dem Triebwerk einzubringen, um die Schallübertragung zu reduzieren. Beispielsweise in einer Mitte eines Lagenaufbaus aus kohlefaserverstärktem Kunststoff kann eine Elastomerschicht angeordnet sein. Das Hauptziel dieser Schicht ist, die Schwingungseigenschaften des betreffenden Abschnitts der Rumpfsektion zu modifizieren. Dies ist eine komplexe Aufgabenstellung, da es sich um ein komplexes Zusammenspiel von Schallenergie aus Körperschall und Luftschall auf der einen Seite und den Eigenfrequenzen der schwingenden Struktur auf der anderen Seite handelt, das durch eine Elastomerschicht beeinflusst werden soll. Beispielsweise bei niedrigeren Triebwerksdrehzahlen im Reiseflug werden die niedrigsten Schwingungsmodi der Struktur am meisten verstärkt, wobei es sich dabei nicht unbedingt um den ersten Schwingungsmodus handeln muss, sondern auch den zweiten Schwingungsmodus umfassen kann, der am meisten verstärkt wird, je nachdem, wie nahe der Körperschall und Luftschall beieinander liegen. Weitere Faktoren umfassen geometrische Größen, wie etwa eine Entfernung eines Motorträgers zu einer beobachteten Struktur, lokale Unregelmäßigkeiten in der Struktur.
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Das Einfügen einer einzelnen Elastomerschicht verschiebt Struktureigenfrequenzen in Richtung einer „weicheren“ Struktur, d.h. nach links im Frequenzspektrum. Bei einer ansonsten identischen Einleitung von Schall von heckmontierten Triebwerken wird die Verstärkung der Eigenfrequenzen modifiziert. Es ist eine komplexe und herausfordernde Aufgabe, den Geräuschpegel in der Kabine für heckmontierte Triebwerke zu senken. Das Einfügen einer elastomeren Dämpfungsschicht kann zwar eine gewisse Verbesserung bringen, jedoch sind unterschiedliche Lärmbedingungen mit einer einzigen Elastomerschicht, welche sich passiv verhält und lediglich eine konstante Modifikation der Schallübertragung bietet, nur schwer effizient zu bewältigen. Dies ist unter anderem auf unterschiedliche Drehzahlen von Triebwerken, unterschiedliche Entfernung vom Motorträger zu der betreffenden Position in der Kabine, unterschiedliche atmosphärische Bedingungen und räumliche Unterschiede in dem Aufbau und der Steifigkeit der Kabine zurückzuführen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe der Erfindung ist, ein Fahrzeugbauteil zu schaffen, das eine Reduktion der Körperschallübertragung ermöglicht, beispielsweise zur Reduktion von Schall, der von einem am Fahrzeug angebrachten Triebwerk stammt, im Innern des Fahrzeugs.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Fahrzeugbauteil mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
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Es wird ein Fahrzeugbauteil vorgeschlagen, das zumindest bereichsweise einen Lagenaufbau mit mehreren Lagen aus Verstärkungsfasern aufweist, die in eine thermoplastische Matrix eingebettet sind. Der Lagenaufbau weist ferner mindestens eine elektrische Heizschicht auf, die zum selektiven Erwärmen benachbarter Lagen des Lagenaufbaus ausgebildet ist, so dass die benachbarten Lagen zur Reduktion von Körperschallübertragung selektiv erweicht werden.
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Der Lagenaufbau des Fahrzeugbauteils kann im Wesentlichen dem eines üblichen, aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellten Fahrzeugbauteils entsprechen. Hierbei sind mehrere Lagen aus Verstärkungsfasern vorgesehen, die in ein Matrixmaterial eingebettet sind. Die Verstärkungsfasern können als textiles Gebilde vorliegen, beispielsweise als mehrere Einzelfasern, als ein Gewebe, ein Gewirke oder ähnliches. Erfindungsgemäß ist das Matrixmaterial ein Thermoplast und kann etwa Polyetherketonketon (PEKK), Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherimid (PEI), Polycarbonat (PC), Polypropylen (PP) oder andere umfassen. Verstärkungsfasern können weiterhin Kohlefasern, Glasfasern, oder andere, zugfeste, faserförmige Materialien umfassen. Die Verstärkungsfasern können in lagenweise unterschiedlichen Richtungen angeordnet sein. In einzelnen Lagen können auch Verstärkungsfasern angeordnet sein, die gruppenweise in derselben Lage in unterschiedlichen Richtungen verlaufen. Das Fahrzeugbauteil ist bevorzugt wie ein herkömmliches Fahrzeugbauteil auf die entsprechende Einbaubedingung und einen zu erwartenden maximalen Lastfall angepasst.
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Die mindestens eine elektrische Heizschicht ist in dem Lagenaufbau angeordnet. Sie ist möglichst flach und könnte zwischen einzelnen Lagen des Lagenaufbaus liegen. Alternativ oder zusätzlich dazu die Heizschicht auch in eine der Lagen des Lagenaufbaus integriert sein. Die Heizschicht ist dazu ausgebildet, beim Anlegen einer elektrischen Spannung aufgeheizt zu werden oder zumindest benachbarte Lagen selektiv zu erwärmen und dadurch zu erweichen.
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Durch das selektive Erweichen einer oder mehrerer bestimmter Lagen des Lagenaufbaus kann selektiv die örtliche Steifigkeit des Fahrzeugbauteils beeinflusst werden. Hierdurch wird direkt die Körperschallleitung von einer Seite des Fahrzeugbauteils zu der anderen, gegenüberliegenden Seite beeinflusst. Die selektiv erweichte thermoplastische Matrix des Fahrzeugbauteils könnte dieselbe Wirkung aufweisen, wie ein in den Lagenaufbau integrierter Elastomer. Allerdings wird durch die selektive Erweichung diese Wirkung erst dann erzeugt, wenn es aufgrund eines bestimmten Betriebszustands gewünscht ist. Dieser Betriebszustand kann etwa einen bestimmten Drehzahlbereich eines Triebwerks umfassen. Für mehrere unterschiedliche Betriebszustände können unterschiedliche Erweichungsgrade in Erwägung gezogen werden oder unterschiedliche Lagen oder mehrere Lagen entsprechend erweicht werden.
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Durch das selektive Erweichen einzelner Lagen kann das Übertragungsverhalten des Fahrzeugbauteils durch Reduktion der Steifigkeit direkt beeinflusst werden. Das Resonanzverhalten wird geändert, so dass die Eigenfrequenzen der mechanischen Schwingungen des Fahrzeugbauteils bedarfsweise verschoben werden, um in dem betreffenden Betriebszustand eine Resonanz zu verhindern oder zumindest abzuschwächen. Die Eigenfrequenzen werden in dem Frequenzspektrum verschoben. Es ist besonders bevorzugt, wenn die elektrische Heizschicht hierzu eine besonders rasche Aufwärmung erreicht, so dass weitgehend unmittelbar nach dem Verbinden der Heizschicht mit einer Spannungsquelle die Erwärmung erfolgt. Die Zielsetzung des erfindungsgemäßen Fahrzeugbauteils liegt folglich darin, eine bedarfsweise, maßgeschneiderte Beeinflussung des Schallübertragungsverhaltens während des Betriebs des Fahrzeugs in mindestens einem Betriebszustand zu erreichen.
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Es ist außerdem besonders vorteilhaft, wenn eine der mindestens einen Heizschicht in der Mitte des Lagenaufbaus angeordnet ist. Die Mitte des Lagenaufbaus kann bei geometrisch gesehen halber Dicke des Lagenaufbaus vorliegen und um eine oder, falls das Fahrzeugbauteil eine größere Dicke aufweist, auch um zwei Schichten von der halben Dicke versetzt sein. Die Möglichkeit zur Beeinflussung des Schallübertragungsverhaltens ist dabei sehr gut.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die mindestens eine elektrische Heizschicht eine Schicht aus Kohlenstoffnanoröhrchen auf, die auf oder in mindestens einer der Lagen angeordnet ist. Es wurde überraschenderweise entdeckt, dass Moleküle von Kohlenstoffnanoröhrchen umgebenden Materials zu Schwingungen angeregt werden, wenn die Kohlenstoffnanoröhrchen von einem elektrischen Strom durchflossen werden. Dies führt zu einer sehr raschen lokalen Erwärmung des Materials und folglich im Falle der thermoplastischen Matrix zu einem Erweichen. Dieser auch „Remote Joule Effect“ genannte Effekt ist in der Lage, eine besonders rasche Erweichung der Matrix zu realisieren, was besonders vorteilhaft ist, da eine bedarfsgesteuerte Erweichung mit geringer Trägheit realisierbar ist.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist die Schicht aus Kohlenstoffnanoröhrchen eine Gitterstruktur auf. Es ist bekannt, derartige Gitterstrukturen mit mehreren, sich überkreuzenden Kohlenstoffnanoröhren durch eine Lösung von Kohlenstoffnanoröhren mit großer Länge herzustellen, die unter kontrollierten Bedingungen auf eine Oberfläche aufgebracht wird. Die Kohlenstoffnanoröhren können sich dabei eigenständig in einer Gitterstruktur anordnen und so eine Schicht mit über die Fläche gleichmäßigen Eigenschaften ausbilden.
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Es ist besonders bevorzugt, wenn der Lagenaufbau mehrere elektrische Heizschichten aufweist, die selektiv und unabhängig voneinander betreibbar sind. Je nach Betriebszustand des Fahrzeugs kann es vorteilhaft sein, unterschiedliche Lagen zu erweichen, um so das Schallübertragungsverhalten gezielt zu beeinflussen. Neben dem selektiven Erweichen unterschiedlicher Lagen kann es auch denkbar sein, gleichzeitig zwei oder mehr Lagen zu erweichen, die sich an unterschiedlichen Stellen innerhalb des Lagenaufbaus befinden. Bevorzugt könnte eine Steuereinheit dazu vorgesehen sein, gezielt die entsprechenden Heizschichten anzusteuern, um so eine gezielte Beeinflussung des Schallübertragungsverhaltens zu erwirken.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform können im Lagenaufbau aufeinander folgende Heizschichten mindestens eine Lage einschließen. Die Heizschichten können folglich unterschiedliche Bereiche in Dickenrichtung erweichen. Selbstverständlich können auch in einer Lage voneinander beabstandete Heizschichten vorgesehen sein.
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In dem Fahrzeugbauteil können Sensoren integriert sein, die verschiedene Größen erfassen können. Beispielsweise kann ein Temperatursensor vorgesehen sein, der von außerhalb des Fahrzeugbauteils kontaktierbar ist. Der Temperatursensor kann die Temperatur einer erwärmten Lage messen und eine Ansteuerung der mindestens einen Heizschicht beeinflussen. Statt einer direkten elektrischen Kontaktierung kann auch eine drahtlose, induktive Signalübertragung in Erwägung gezogen werden.
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Alternativ und/oder zusätzlich dazu kann auch ein Vibrationssensor vorgesehen sein, der dazu ausgebildet ist, Vibrationen zu erfassen. Damit kann eine Ansteuerung der mindestens einen Heizschicht beeinflusst werden. Beispielsweise kann das Vorliegen einer Schwingung mit einer bestimmten Frequenz ermittelt werden, um dann gezielt die mindestens eine Heizschicht anzusteuern.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, aufweisend mindestens ein Fahrzeugbauteil wie vorangehend beschrieben, wobei das mindestens eine Fahrzeugbauteil mindestens einen Teil einer Außenhaut des Fahrzeugs bildet. Das Fahrzeug ist insbesondere ein Flugzeug und das mindestens eine Fahrzeugbauteil ist ein Rumpfhautsegment. Das mindestens eine Fahrzeugbauteil kann einen Motorträger für ein Triebwerk aufweisen.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform des Fahrzeugs weist ferner eine Steuereinheit auf, die mit der mindestens einen elektrischen Heizschicht verbunden ist, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, in mindestens einem Betriebszustand eines das Fahrzeugbauteil aufweisenden Fahrzeugs die mindestens eine elektrische Heizschicht zum Erwärmen zu betreiben. Die Steuereinheit erlaubt, basierend auf einem Steuerbefehl die mindestens eine elektrische Heizschicht zu aktivieren. Der Steuerbefehl könnte von einer externen Elektronikeinheit stammen, mit der die Steuereinheit gekoppelt ist. Dies könnte etwa ein Flugsteuerungscomputer oder ein Flugmanagementcomputer sein. Andererseits könnte die Steuereinheit auch dazu ausgebildet sein, einen bestimmten Algorithmus auszuführen, anhand dessen eine Entscheidung über die Aktivierung der mindestens einen elektrischen Heizschicht getroffen werden kann. Es ist weiterhin vorstellbar, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, durch Vorgabe unterschiedlicher Spannungswerte, eines gepulsten Spannungssignals oder unterschiedlicher Wellenformen einer Wechselspannung unterschiedliche Heizgrade einzustellen.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Lagenaufbau mindestens einen Temperatursensor aufweist, der dazu ausgebildet ist, die Temperatur im Innern des Lagenaufbaus zu messen und ein die gemessene Temperatur repräsentierendes Signal an die Steuereinheit zu senden. Dabei ist die Steuereinheit ausgebildet, die mindestens eine Heizschicht basierend auf der gemessenen Temperatur derart anzusteuern, dass im Innern des Lagenaufbaus eine vorgegebene Maximaltemperatur nicht überschritten wird. Die Steuereinheit kann folglich den Vorgang des Erwärmens stets überwachen und beeinflussen. Der Temperatursensor ist bevorzugt in einer zu der mindestens einen Heizschicht benachbarten Lage angeordnet und kann direkt die betreffende, zu erweichende Lage überwachen. Eine Funktion der Steuereinheit kann darin liegen, bei Erreichen einer vorgegebenen Maximaltemperatur, die Heizschicht zu deaktivieren. Allerdings könnte es sich auch anbieten, einen durch die mindestens eine Heizschicht geleiteten Strom sukzessive zu verringern, wenn die gemessene Temperatur sich der vorgegebenen Maximaltemperatur annähert. Basierend auf beispielsweise experimentell ermittelten Kennlinien oder anderen charakteristischen Eigenschaften kann auch eine bestimmte Stromkurve vorgesehen werden, mit der etwa ein anschwellender und/oder abschwellender Strom durch die mindestens eine Heizschicht geleitet wird. Der Betrieb der betreffenden Heizschicht könnte auch von den jeweiligen Umgebungsbedingungen abhängen. Bei höherer Außentemperatur ist etwa eine geringere Heizwirkung und damit ein geringerer Strom notwendig, als bei niedrigeren Außentemperaturen.
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In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform weist der Lagenaufbau mindestens einen Schwingungssensor auf, der dazu ausgebildet ist, eine Vibration des Lagenaufbaus zu messen und ein die gemessene Vibration repräsentierendes Signal an die Steuereinheit zu senden, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, die mindestens eine Heizschicht basierend auf der gemessenen Vibration derart anzusteuern, dass mindestens eine Eigenfrequenz des Fahrzeugbauteils durch selektives Erweichen der Matrix von einer Frequenz der gemessenen Vibration entfernt wird. Analog zu der Messung der Temperatur kann auch die Vibration in dem Fahrzeugbauteil gemessen werden. Hierbei kann beispielsweise die Frequenz und Amplitude einer Vibration ermittelt werden. Hierauf abgestimmt kann eine Beheizung einer entsprechenden Heizschicht initiiert werden. Insbesondere können Eigenfrequenzen der mechanischen Schwingungen derart beeinflusst werden, dass diese nicht mit den ermittelten Schwingungsfrequenzen zusammenfallen.
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Weiterhin kann das mindestens eine Fahrzeugbauteil mehrere Fahrzeugbauteile umfassen, die jeweils mit mindestens einer Heizschicht ausgestattet sind, wobei die Fahrzeugbauteile bevorzugt individuell und damit auch unterschiedlich angesteuert werden können.
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Insbesondere ist das Fahrzeug ein Luftfahrzeug, beispielsweise ein Verkehrsflugzeug.
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Wie vorangehend erwähnt, kann das mindestens eine Fahrzeugbauteil einen Motorträger für ein heckmontiertes Triebwerk oder einen angrenzenden Abschnitt der Außenhaut umfassen.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbezügen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
- 1 zeigt einen Teil eines Flugzeugs in einer schematischen Darstellung.
- 2 zeigt eine Schallübertragung von einem heckmontierten Triebwerk in eine Kabine.
- 3 zeigt eine Heizschicht in einem Lagenaufbau eines Fahrzeugbauteils.
- 4 zeigt schematisch den Aufbau einer Heizschicht.
- 5 zeigt ein Geräusch in der Kabine als Schalldruck über Frequenz.
- 6 zeigt eine Abschwächung eines Schalleintrags in zwei schematischen Diagrammen.
- 7 zeigt eine Verschiebung von Eigenfrequenzen.
- 8 zeigt das abgeschwächte Geräusch auf Basis von 5.
- 9 zeigt den Vorgang des Beschichtens einer Oberfläche mit einem Gitter aus Kohlenstoffnanoröhren.
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DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt einen Teil eines Flugzeugs 2, das einen Rumpf 4 mit einer Außenhaut 5 aufweist, an dem ein heckmontiertes Triebwerk 6 angeordnet ist. Dieses ist exemplarisch ein Turbofantriebwerk und weist einen Rotor auf, der bei voller Leistung mit einer recht hohen Drehzahl rotiert. Das Triebwerk 6 ist über einen Motorträger 8 mit dem Rumpf 4 verbunden. Es erzeugt während seines Betriebes ein Geräusch, das als Körperschall 10 und Luftschall 12 in eine Kabine 14 innerhalb des Rumpfes 4 übertragen wird. Je nach Position innerhalb der Kabine 14 kann ein dort wahrnehmbares Geräusch mehr oder weniger ausgeprägt sein. Das in die Kabine 14 übertragene Geräusch hängt zudem von der Konstruktion und dem Montageort des Motorträgers 8 an dem Rumpf 4 ab. Ein weiterer Faktor liegt in der Drehzahl des Triebwerks 6 und folglich einer dominierenden Frequenz des Geräuschs. Ohne eine Beeinflussung der Struktur des Rumpfes 4 sowie des Motorträgers 8 können durch den Betrieb des Triebwerks 6 Vibrationen entstehen, die zu Resonanzen führen können, welche das Geräusch in der Kabine 14 sogar verstärken können.
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2 zeigt eine Innenseite des Rumpfes 4 im Bereich des Motorträgers 8. Hier sind schematisch der Körperschall 10 und der Luftschall 12 gezeigt. Der Körperschall 10 kann eine höhere Stärke aufweisen, als der Luftschall 12. Letzterer kann jedoch auf einen größeren Flächenbereich des Rumpfes 4 einwirken.
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Der Rumpf 4 kann mehrere Fahrzeugbauteile 16 aufweisen, welche beispielsweise in 3 schematisch dargestellt sind. Hier ist ein einzelnes Fahrzeugbauteil 16 gezeigt, das einen Lagenaufbau mit mehreren Lagen 18 aus Verstärkungsfasern aufweist, welche in einer thermoplastischen Matrix eingebettet sind. Der Lagenaufbau weist ferner eine elektrische Heizschicht 20 auf, die zum selektiven Erwärmen benachbarter Lagen 18 des Lagenaufbaus ausgebildet ist. Die benachbarten Lagen 18 werden folglich durch die Heizwirkung der Heizschicht 20 erwärmt und, da die Matrix ein Thermoplast ist, etwas erweicht.
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An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Erwärmung und die daraus resultierende Erweichung so minimal wie möglich und auf eine minimale Fläche zu beschränken ist, so dass sich die mechanischen Eigenschaften des Fahrzeugbauteils 16 praktisch nicht ändern. Die Körperschallübertragung durch das Fahrzeugbauteil 16 wird durch einen leichten Steifigkeitssprung beeinflusst. Geräusche des Triebwerks 6, die über den Motorträger 8 in den Rumpf 4 geraten, sowie von außen auf das Fahrzeugbauteil 16 einwirkender Luftschall 12, der in die Kabine 14 übertragen wird, können damit reduziert werden. Wie weiter anhand von 5-8 dargestellt wird, können insbesondere die Eigenfrequenzen der mechanischen Schwingung des Fahrzeugbauteils 16 beeinflusst werden, so dass in dem jeweiligen Betriebszustand des Triebwerks 6 als Reaktion auf den Körperschall 10 und den Luftschall 12 keine Resonanz auftritt.
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Eine Steuereinheit 21 ist vorgesehen, die die Heizschicht 20 bedarfsweise mit einer Spannung beaufschlagt. Des Weiteren können ein oder mehrere Sensoren23a, 23b vorgesehen sein, die in der Heizschicht 20 oder einer benachbarten Lage 18 integriert sein können. Der jeweilige Sensor 23a, 23b kann beispielsweise als Temperatur- oder Schwingungssensor ausgebildet sein. Die Steuereinheit 21 ist mit den Sensoren 23a, 23b verbunden, um die durch die Sensoren 23a, 23b erfassten Größen, wie beispielsweise eine Temperatur oder eine Schwingungsfrequenz, in eine Ansteuerung der Heizschicht 20 einzubeziehen.
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4 zeigt einen Ausschnitt aus dem Lagenaufbau des Fahrzeugbauteils 16. Die Heizschicht 20 wird dabei durch ein Gitter aus Kohlenstoffnanoröhren 22 gebildet, die in das Matrixmaterial 24 eingebettet sind. Werden die Kohlenstoffnanoröhren 22 mit einer vorgegebenen, elektrischen Spannung beaufschlagt, werden Elektronen 26 in dem umgebenden Material zu Schwingungen angeregt, so dass sich das Matrixmaterial 24 sowie die angrenzenden Lagen 18 erwärmen. Es ist folglich möglich, die Heizschicht 20 selektiv anzusteuern, um sehr rasch eine angrenzende Lage 18 zu erwärmen und damit unmittelbar die Steifigkeit und die Schallübertragung zu beeinflussen.
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5 zeigt ein qualitatives Diagramm, in dem der Schalldruck eines in der Kabine 14 wahrnehmbaren Geräuschs über der Frequenz bei logarithmischer Skala gezeigt wird. Beispielhaft werden zwei Betriebszustände dargestellt, bei denen unterschiedliche Schalldrücke erreicht werden. Eine durchgezogene Linie zeigt das Geräusch während einer Steigflugphase 28, bei der eine höhere Leistung gefordert wird. Eine gestrichelte Linie zeigt indes eine Reiseflugphase 30 mit einem niedrigeren Schalldruck.
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Exemplarisch sind dabei vier prägnante Schwingungsmoden 32a, 32b, 32c und 32d des Fahrzeugbauteils 16 gezeigt, deren Form von der Geometrie des Fahrzeugbauteils 16 abhängt. Die Schwingungsmoden 32a bis 32d werden unter anderem je nach Betriebszustand des Flugzeugs 2 unterschiedlich verstärkt. In dieser Darstellung ist in beiden Betriebszuständen der zweite Schwingungsmode 32b insbesondere durch eine Resonanz am stärksten verstärkt.
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Mittels der Heizschicht 20 ist es nun die Aufgabe, das Fahrzeugbauteil 16 derart in seiner Steifigkeit zu beeinflussen, dass insbesondere die dominanten Schwingungsmoden in ihrer Stärke reduziert werden. 6 zeigt in einer oberen Teilfigur einen Geräuscheintrag ausgehend von dem Triebwerk 6 in eine unbeeinflusste Struktur des Fahrzeugbauteils 16. Beispielhaft fällt eine dominierende Frequenz 34 des Schalleintrags (gestrichelte Linie) weitgehend mit der einer Schwingungsmode 32 (durchgezogene Linie) des Fahrzeugbauteils 16 zusammen. Die Amplitude des resultierenden Geräuschs in der Kabine 14 ist aufgrund der Resonanz recht hoch.
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In einer unteren Teilfigur ist eine vorangehend erläuterte Heizschicht 20 des Fahrzeugbauteils 16 in Betrieb und erweicht die angrenzenden Lagen 18. Dadurch wird die Auswirkung des Schalleintrags deutlich reduziert, denn die mit dem Schalleintrag zusammenfallende Schwingungsmode 32 wird in Richtung tieferer Frequenzen verschoben. Die resultierende Amplitude des in der Kabine 14 wahrnehmbaren Geräuschs wird dadurch deutlich reduziert. Durch das selektive lokale Erweichen kann demgemäß eine Resonanz selektiv verhindert werden.
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7 zeigt den Effekt auf die Eigenfrequenzen bei der Aufheizung mehrerer Lagen 18 durch Heizschichten 20. Teilfigur A zeigt etwa zwei Heizschichten 20 in einem Lagenaufbau, während Teilfigur B drei Heizschichten 20 zeigt. Hier werden die Eigenfrequenzen 32a-d mehrerer Schwingungsmoden von einem unbeeinflussten Zustand des Fahrzeugbauteils 16 (gestrichelte Linien) zu Eigenfrequenzen 32'a-d einem aktiv beeinflussten Zustand des Fahrzeugbauteils 16 (durchgezogene Linien) dargestellt. Durch selektives Erweichen der betreffenden Lagen 18 können mehrere Eigenfrequenzen der mechanischen Schwingung des Fahrzeugbauteils gemeinsam in Richtung der niedrigeren Frequenzen verschoben. Dies kann auch weniger oder mehr als vier Schwingungsmoden umfassen und die Darstellung ist hier lediglich beispielhaft gewählt.
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Unter Anwendung dieses Prinzips resultiert das in 8 beispielhaft dargestellte, qualitative Diagramm, in dem die Stärke der in der Kabine 14 wahrgenommenen Geräusche der einzelnen Schwingungsmoden 32a-d deutlich gegenüber der Darstellung aus 5 reduziert sind.
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9 zeigt schließlich einen beispielhaften Vorgang zur Schaffung eines Gitters aus Kohlenstoffnanoröhren 22 als Heizschicht 20 auf einer Lage 18. Hierzu werden Kohlenstoffnanoröhren 22 in einer Lösung 36 auf die Oberfläche aufgebracht. Bei kontrollierten Umgebungsbedingungen richten sich die Kohlenstoffnanoröhren selbstständig gitterförmig aus.
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Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt, und „ein“ oder „eine“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Flugzeug
- 4
- Rumpf
- 5
- Außenhaut
- 6
- Triebwerk
- 8
- Motorträger
- 10
- Körperschall
- 12
- Luftschall
- 14
- Kabine
- 16
- Fahrzeugbauteil
- 18
- Lage
- 20
- Heizschicht
- 21
- Steuereinheit
- 22
- Kohlenstoffnanoröhren
- 23a, 23b
- Sensor / Temperatursensor / Schwingungssensor
- 24
- Matrix
- 26
- Elektron
- 28
- Steigflugphase
- 30
- Reiseflugphase
- 32, 32a-d, 32'a-d
- Schwingungsmode
- 34
- Frequenz eingeleiteten Schalls
- 36
- Lösung