Okt 23 2017

Piezoelemente in der Vibrationsakustik

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Piezoelemente werden nicht nur in Hochtechnologiemärkten wie der Medizintechnik, dem Maschinen- und Automobilbau oder der Halbleitertechnik eingesetzt, sondern sind auch im Alltag, wie der Vibrationsakustik, präsent, z.B. als Erzeuger der Ultraschallschwingungen im Reinigungsbad für Brillen und Schmuck oder bei der medizinischen Zahnreinigung. Nun haben sie sich auch im Bereich der Vibrationsakustik neue Anwendungsbereiche erschlossen. Integriert in bestehende Strukturen wie Fenster, Wände oder Möbel, dienen sie beispielsweise zur Musikausgabe, zur Spracherkennung bei Freisprecheinrichtungen oder als Schwingungsdetektoren für Alarmsysteme. Sie können zur Voraussage seismischer Ereignisse beitragen sowie in Rauschsteuersystemen zur gezielten Reduzierung von Straßenlärm bzw. als Abhörschutz eingesetzt werden.

Piezoelemente sind dank ihres Funktionsprinzips wahre Tausendsassas, da sie sowohl als Sensor als auch als Aktor arbeiten: Piezoelektrische Materialien erzeugen bei Krafteinwirkung eine elektrische Spannung (direkter Piezoeffekt) und verändern unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes ihre Abmessungen (inverser Piezoeffekt). Sie wandeln also mechanische in elektrische Energie um und umgekehrt. Während sich der inverse Piezoeffekt auch für aktorische Anwendungen nutzen lässt, bietet sich der direkte Piezoeffekt für Sensoren an. Der Piezoeffekt beruht dabei ausschließlich auf Verschiebungen innerhalb des Kristallgitters des piezoelektrischen Elements. Er ist daher keiner mechanischen Reibung und keinem Verschleiß im klassischen Sinne unterworfen und hochsensibel. Bereits kleinste Deformationen erzeugen unmittelbar eine messbare Ladungsverschiebung und umgekehrt bewirkt eine kleine elektrische Spannung bei einem Aktor eine sofortige Auslenkung.
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Neues Raumklangerlebnis dank Piezotechnologie
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Die von den Piezoelementen erzeugten Schallwellen werden von den Fensterscheiben abgestrahlt; im Raum erklingt Musik (Bild: Photodune)

In der Vibrationsakustik lassen sich beide Piezoeffekte nutzen. Piezoelemente können hier Schallwellen im hörbaren Bereich erzeugen, wenn sie elektrisch angeregt werden. Ebenso können sie aber auch Schallwellen empfangen und in ein elektrisches Signal umwandeln, also als Empfänger arbeiten. Diese Eigenschaften hat sich jetzt die italienische Firma HST zu Nutze gemacht, um Anwendungen im Bereich der Gebäudeautomatisierung mit Piezotechnologie zu realisieren. Das Start-up-Unternehmen entwickelte beispielsweise ein System, dass innerhalb eines Raumes Fenster als Lautsprechersysteme nutzt. Die von den Piezoelementen erzeugten Schallwellen werden dann von den Scheiben wie von einer Lautsprechermembran abgegeben; Musik erklingt.

Prinzipiell funktioniert diese Tonabgabe natürlich auch mit anderen Strukturen wie z.B. Deckenflächen, Kacheln oder Möbeln. Das erschließt weitere Möglichkeiten. Die Piezos eignen sich beispielsweise auch für eine Unterwasser-Beschallung im Swimmingpool oder – integriert in eine Tischplatte oder einen Lampenschirm – als Freisprecheinrichtung beim Telefonieren. Dabei gilt immer: Je mehr Strukturen mit den Piezoelementen verbunden sind, desto intensiver wird das Klangerlebnis.
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Fenster, Kacheln oder Möbel werden zum Lautsprecher
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Die Piezoelemente sind etwa so groß wie eine Briefmarke; die Drähte für den elektrischen Anschluss sind bereits angelötet. (Bild PI Ceramic)

Um in Wohnräumen Musik zu hören, lassen sich beispielsweise beliebig viele Fensterflächen nutzen. Für eine typische Hintergrundmusik ohne allzu hohe Ansprüche an die Klangqualität genügen dazu im Schnitt schon etwa ein Piezoelement pro 4 m² zu beschallender Wohnfläche bei einer Raumhöhe bis 2,50 m, wobei die einzelnen 0,5 mm dicken Elemente mit 20 mm Breite und 20 mm Länge nur etwa Briefmarkengröße haben. Für höhere Räume oder größere Leistung und Klangqualität ist die Montage von zwei Elementen pro 4 m² empfehlenswert. Soll Sprache wiedergegeben werden, rechnet man je nach Raumhöhe im Schnitt mit ein bis zwei Elementen pro 1 m². Wer das Sound-System in Konferenzräumen nutzen will, die eine hohe akustische Leistung in Sprachqualität verlangen, ist je nach Raumhöhe mit zwei bis drei Elementen pro 1 m² Grundfläche gut beraten. Hier lässt sich dann auch die Sensorfunktion gut nutzen; zusätzliche Mikrofone sind nicht mehr erforderlich. In den Tisch integrierte Piezoelemente ersetzen sie.

Die Piezoelemente für sein Sound-System bezieht der italienische Hersteller ausschließlich von PI Ceramic. Beide Unternehmen hatten in der Vergangenheit schon bei diversen Hochschulprojekten erfolgreich zusammen gearbeitet. PI Ceramic fertigt seit 1992 piezokeramische Materialien und Bauelemente für Standard- und OEM-Lösungen und kann auf kundenspezifische Anforderungen schnell reagieren. Die Piezokeramiken „made in Germany“ lassen sich zudem gut an die jeweiligen Anwendungsanforderungen anpassen, denn neben der auf die Applikation bezogenen Materialauswahl sind unterschiedliche geometrische Varianten und Resonanzfrequenzen realisierbar.
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Einfache Montage, viele Möglichkeiten
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Die Piezoelemente werden an die Strukturelemente geklebt und über eine elektrische Ansteuerung mit Strom versorgt. (Bild: Photodune)

Die Montage des piezobasierten Sound-Systems ist recht einfach. Die Piezoelemente werden an die Strukturelemente geklebt und über eine elektrische Ansteuerung mit Strom versorgt. Die Drähte samt Stecker für den elektrischen Anschluss sind bereits ab Werk angelötet. Eine Ansteuerung kann bis zu 30 Elemente mit Strom versorgen. Über ihre Bluetooth-Schnittstelle lassen sich dann Handys, Tablets oder eine Musikanlage mit dem Systemverbund der Piezoelemente koppeln. Eine Buchse für einen Klinken-Stecker ist ebenfalls vorhanden.

Für die Bedienung gibt es eine komfortable Software, die dem Benutzer viele Möglichkeiten erschließt. So kann die Musik z.B. dem Bewohner folgen, wenn er den Raum wechselt. Dazu muss lediglich in die Türschwelle ein Piezoelement als Sensor integriert sein. Analog dazu ist es natürlich ebenfalls möglich, beim Betreten eines Raumes „piezogesteuert“ das Licht anzuschalten.

Vom Alarmsystem bis zum Abhörschutz

Eine weitere interessante Anwendungsmöglichkeit sind Alarmsysteme, die Manipulationen am Fenster erkennen und einen entsprechenden Warnton auslösen. Das Piezoelement erfasst die Manipulation am Fenster anhand von akustischen Signalen, die in der Alarmanlage dann als elektrische Signalveränderung erkannt werden. Um Fehlalarme zu vermeiden, programmiert man das System so, dass ein Alarm nur bei einer gewissen Frequenzgrenze (Scheibenklirren) ausgelöst wird. Innerhalb der Wohnung angebrachte Piezoelemente lassen sich dann als Alarmsirene verwenden.
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Für die Bedienung gibt es eine komfortable Software, die dem Benutzer viele Möglichkeiten erschließt. (Bild HST)

Dieselbe Installation innerhalb eines Gebäudes lässt sich also bei entsprechender Programmierung für sehr unterschiedliche Aufgaben nutzen. Dazu gehört beispielsweise auch der Einsatz in Systemen zur Rauschsteuerung. Angeregt mit der entsprechenden Frequenz reduzieren die Piezoelemente an den Fenstern dann den im Innenraum wahrnehmbaren Straßenlärm oder können in anderer Richtung als Abhörschutz dienen.

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Autoren

 

Dominik Nehse (Bild 5), Fachredakteur bei Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG,

Dipl.-Ing. (FH) Nora Crocoll, Redaktionsbüro Stutensee

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HST srl

HST srl ist ein italienisches Start-up-Unternehmen, das von Wissenschaftlern der Universität Politecnico di Milano und ortsansässigen Industriellen gegründet wurde. Es konzentriert sich auf strukturelle Vibrationsakustik, bei der Rezeptoren in bestehende architektonische Konstruktionen wie z. B. Türen, Fenster oder Möbel eingebaut werden. Passive Strukturen verwandeln sich so in aktive Systeme zur Schallemission und Schall- und Schwingungsaufzeichnung, zur Dämpfung von externem Schall, aber auch für Spracherkennungssysteme oder die Voraussage von seismischen Ereignissen. 2012 erhielt HST ein international geltendes Patent und präsentierte 2013 erstmals seine Markenprodukte.

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PI Ceramic

PI Ceramic, ein Tochterunternehmen von Physik Instrumente (PI, Karlsruhe) mit Sitz im thüringischen Lederhose, ist eines der weltweit führenden Unternehmen auf dem Gebiet aktorischer und sensorischer Piezoprodukte. Derzeit beschäftigt PI Ceramic über 220 Mitarbeiter, darunter allein 40 Ingenieure, in der Piezoforschung, -entwicklung und -herstellung. Breitgefächertes Knowhow im komplexen Entwicklungs- und Herstellungsprozess funktionskeramischer Bauelemente verbunden mit modernster Ausstattung gewährleisten hohe Qualität, Flexibilität und Liefertreue. Das Unternehmen liefert piezokeramische Lösungen für alle wichtigen High-Tech-Märkte, angefangen von der Industrieautomation und Halbleiterindustrie über Medizintechnik, Maschinenbau und Feinwerktechnik bis hin zu Luft- und Raumfahrt sowie dem Automobilbereich.

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