Hochwertige Piezoelemente als Schallgeber in den Flugzeugtüren:

Mit dem A380 auf Tour

Das aktuell größte in Serienfertigung produzierte Verkehrsflugzeug ist der Airbus A380. Seine Türen sind zu groß und zu schwer, um sie manuell zu betätigen. Bild: Airbus

Wurde in der Antike das Fliegen noch als Privileg der Götter angesehen, sind Flugreisen in der heutigen Zeit selbstverständlich. Größer, schneller und weiter heißt dabei die Devise. Dadurch steigen allerdings auch die Anforderungen an die in der Flugzeugtechnik verwendeten Komponenten, schließlich hat Sicherheit oberste Priorität. Was im Flugzeug eingesetzt werden darf, muss „flugtauglich“ sein, also vor allem zuverlässig, langlebig und meist auch noch möglichst klein und leicht. Das gilt auch für Schallgeber, die bei automatisierten Abläufen akustische Signale oder Warntöne erzeugen, z.B. beim Schließen der Kabinentüren des Airbus A380.

Die Rechnung ist einfach: je mehr Passagiere an Bord sind, desto geringer werden die Betriebskosten pro Sitzplatz. Kein Wunder also, dass heute deutlich größere Flugzeuge unterwegs sind, als noch vor einigen Jahren und Jahrzehnten. Das aktuell größte in Serienfertigung produzierte Verkehrsflugzeug ist der Airbus A380. Dieses Großraumflugzeug mit zwei durchgehenden Passagierdecks kann prinzipiell über 850 Reisende befördern. Bei der meist üblichen Aufteilung in Economy-, Business- und First-Class sind es immer noch deutlich mehr als 500 Passagiere, die komfortabel reisen, vor allem auf Langstreckenflügen: Das vierstrahlige Flugzeug mit einer Spannweite von 79,8 Metern kann 15.400 Kilometer ohne Zwischenlandung zurücklegen, schafft also mit zweieinhalb Tankfüllungen eine Erdumrundung und damit nonstop alle Verbindungen zwischen den wichtigsten Drehkreuzen in Europa, Nordamerika und Asien.

Überwachen der Türverriegelung

Der automatische Schließ- und Verriegelungsmechanismus der Türen muss überwacht und signalisiert werden. Dazu sind pro Flugzeug 14 Schallgeber neben den Türen eingebaut. Bild: Holmberg

Der automatische Schließ- und Verriegelungsmechanismus der Türen muss überwacht und signalisiert werden. Dazu sind pro Flugzeug 14 Schallgeber neben den Türen eingebaut.
Bild: Holmberg

Am Anfang eines jeden solchen Langstreckenfluges steht der Start. Aber noch bevor ein Flugzeug zur Startbahn rollt, gilt es diverse Checklisten abzuarbeiten. Auch was dem Laien vielleicht als Kleinigkeit erscheint, hat dabei Bedeutung für die Flugsicherheit. Ehe sich das Flugzeug Richtung Startbahn in Bewegung setzen darf, muss beispielsweise sichergestellt sein, dass alle Außentüren richtig verschlossen sind. Lassen sich die Türen per Hand schließen, spürt man ein deutliches Einrasten, wenn der Verriegelungsmechanismus greift. Beim A380 geht das nicht ganz so einfach, denn seine Türen sind zu groß und zu schwer, um sie manuell zu betätigen. Hier ist man auf Motorkraft angewiesen. Der automatische Schließ- und Verriegelungsmechanismus muss allerdings überwacht werden. Sind die Türen ordnungsgemäß geschlossen, ertönt ein akustisches Okay-Signal. Falls der Verriegelungsvorgang unvollständig war, wird ein Warnton generiert. Dazu sind pro Flugzeug 14 Schallgeber neben den Türen eingebaut.

Als Spezialist für solche flugzeugtauglichen Schallgeber gilt schon seit Langem die Holmberg GmbH, die in Berlin elektroakustische Geräte für den professionellen Einsatz unter anspruchsvollen Umweltbedingungen entwickelt und produziert. Das Unternehmen ist zertifizierter Herstellungsbetrieb und Instandhaltungsbetrieb für Luftfahrtgerät und außer Airbus vertrauen viele andere namhafte Flugzeugbauer den elektroakustischen Geräten der Berliner. Dazu zählen auch die Schallgeber, für die die Luftfahrtindustrie umfangreiche Zertifizierungen der Zuverlässigkeit und Lebensdauer fordert. Die Piezoschallgeber für die Flugzeugtüren lassen sich deshalb keineswegs mit den am Massenmarkt verwendeten Buzzern vergleichen, die z. B. in Mikrowellen, Waschmaschinen, Spielwaren, etc. eingesetzt sind. Sie müssen deutlich höhere Qualitätsanforderungen erfüllen.

Prinzipieller Aufbau eines Schallgebers, der aus zwei verklebten Piezoscheiben, einer Kunststoffmembran und einem wasserdichten Gehäuse besteht. Bild: PI

Prinzipieller Aufbau eines Schallgebers, der aus zwei verklebten Piezoscheiben, einer Kunststoffmembran und einem wasserdichten Gehäuse besteht.
Bild: PI

Im Prinzip bestehen die Schallwandler aus zwei miteinander verklebten Piezoscheiben, einer Kunststoffmembran und einem wasserdichten Gehäuse. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an der Piezokeramik beginnt diese, sich im Rhythmus der Frequenz zu verformen. Man spricht hier vom inversen Piezoeffekt; elektrische Energie wird vom Piezoelement in mechanische umgewandelt. Die Bewegung wird über ein Horn auf eine Membran übertragen, die dann Schallwellen abstrahlt. Je nachdem welche der beiden Piezoscheiben angesteuert wird, lassen sich entsprechend der jeweiligen Resonanzfrequenz zwei unterschiedliche Töne erzeugen, also das Okay-Signal für „Tür geschlossen“ oder der Warnton. Die „Lautstärke“ der kleinen Schallwandler ist dabei mit einem Schalldruckpegel von 160 dB und im eingebauten Zustand immerhin noch 84 dB beachtlich.

Piezos „made in Germany“

Die eingesetzte Piezokeramik spielt damit bei den Schallgebern eine Schlüsselrolle. Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und das exakte Einhalten der technischen Spezifikationen sind wichtige Voraussetzungen für ihren Einsatz in einer Flugzeug-Komponente. „Die zwei bereits miteinander verklebten Piezoscheiben erhalten wir von PI Ceramic“, erzählt Peter Köppel, technischer Leiter bei Holmberg, und führt auch die gleich die Gründe dafür an: „Die Piezoscheiben erfüllen unsere hohen Qualitätsansprüche und überzeugen mit sehr geringen Tolerierungen aller für die Schallperformance relevanten piezoelektrischen Parameter wie Resonanzfrequenz, elektrische Kapazität und Kopplungskoeffizienten.“

Seit 1992 entwickelt und produziert PI Ceramic piezokeramische Materialien und Bauelemente für Standard- und OEM-Lösungen und kann auf kundenspezifische Anforderungen schnell reagieren. „Bei unseren Schallgebern haben das die Piezospezialisten bewiesen“, betont Köppel. „Als wir schnellstmöglich Ersatz für unseren ehemaligen Lieferanten suchten, hat PI Ceramic von Anfang an unsere Wünsche verstanden und konnte schon beim ersten Prototyp alle geforderten Spezifikationen erfüllen.“

Bei Piezoelementen sind unterschiedliche Varianten realisierbar, die die Anpassung an die jeweilige Anwendung ermöglichen. Bild: PI Ceramic

Bei Piezoelementen sind unterschiedliche Varianten realisierbar, die die Anpassung an die jeweilige Anwendung ermöglichen.
Bild: PI Ceramic

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. „Die räumliche Nähe zu unserem Lieferanten ist ein weiteres nicht zu unterschätzendes Argument“, ergänzt Köppel abschließend. Die Piezoelemente haben den Spezialisten für elektroakustische Geräte damit nicht nur in technischer, sondern auch in praktischer Hinsicht überzeugt und vermutlich wird es auch in Zukunft gemeinsame Projekte geben.

Über HOLMBERG
Die Holmberg GmbH & Co. KG wurde 1919 gegründet und befindet sich seit 1951 im Familienbesitz. Im Herzen Berlins entwickelt und produziert das Unternehmen elektroakustische Geräte für den professionellen Einsatz unter anspruchsvollen Umweltbedingungen. Die qualitativ hochwertigen dynamischen Schallwandler, Mikrofone, Hörsprechgarnituren und Handapparate werden in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt, z.B. in der Luftfahrt, dem öffentlichen Nahverkehr und der Bahntechnik. Aber auch Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS), die moderne Leitstellentechnik und Logistik, die Schiffs- und Marinetechnik oder Industrie und Medizintechnik nutzen die elektroakustischen Geräte aus Berlin.

Über 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.

Titelbild: Airbus

Dipl.-Phys. Birgit Schulze

Markt & Produkte bei Physik Instrumente (PI)

Ellen-Christine Reiff

Ellen-Christine Reiff

Studium der deutschen Philologie, danach tätig bei Theater und Fernsehen, seit 1986 freie Journalistin beim Redaktionsbüro Stutensee mit Schwerpunkt Optoelektronik, elektrische Antriebstechnik, Elektronik und Messtechnik.

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