Piezos als Schallgeber in den Flugzeugtüren des A380

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, etwa 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 je nach Konfiguration 850 Reisende befördern.
Bei der meist üblichen Aufteilung in Economy-, Business- und First-Class sind es immerhin über 500 Passagiere, die dann 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

Am Anfang eines jeden solchen Langstreckenfluges steht der Start. Aber noch bevor ein Flugzeug zur Startbahn rollt, gilt es, diverse Checklisten abzuarbeiten. Was dem Laien vielleicht als Kleinlichkeit erscheint, hat essenzielle 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 die Crew 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 Firma Holmberg, die in Berlin elektroakustische Geräte für den professionellen Einsatz unter anspruchsvollen Umweltbedingungen entwickelt und produziert. Das Unternehmen ist zertifizierter Herstellungs- und Instandhaltungsbetrieb für Luftfahrtgeräte und neben Airbus vertrauen viele andere namhafte Flugzeugbauer den elektroakustischen Geräten der Berliner.
Dazu zählen auch die verbauten 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 etwa in Mikrowellen, Waschmaschinen oder Spielwaren stecken. Sie müssen deutlich höhere Qualitätsanforderungen erfüllen.

Im Prinzip bestehen die Schallwandler aus zwei miteinander verklebten Piezoscheiben, einer Kunststoffmembran und einem wasserdichten Gehäuse. Durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung 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.
Ein „Horn“ überträgt die Bewegung auf eine Membran, 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 beachtlich, im eingebauten Zustand sind es immerhin noch 84 dB.

Piezos als Schlüsseltechnologie

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“, setzt Peter Köppel, technischer Leiter bei Holmberg an, und führt aus: „Die Piezoscheiben erfüllen unsere hohen Qualitätsansprüche und überzeugen mit sehr geringen Tolerierungen aller für die Schall-Performance 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 das Unternehmen von Anfang an unsere Wünsche verstanden und konnte schon beim ersten Prototyp alle geforderten Spezifikationen erfüllen.“
Piezokeramiken 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 Piezoelemente haben den Spezialisten für elektroakustische Geräte damit nicht nur in technischer, sondern auch in praktischer Hinsicht überzeugt. (jbi)

Dipl.-Phys. Birgit Schulze, Markt & Produkte bei Physik Instrumente (PI) und Ellen-Christine Reiff, M.A. , Redaktionsbüro Stutensee.

Hintergrundinformation: Die Firma Holmberg

Holmberg wurde 1919 gegründet. 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 kommen beispielsweise in der Luftfahrt, dem öffentlichen Nahverkehr und der Bahntechnik zum Einsatz. Aber auch Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS) nutzen die elektroakustischen Geräte ebenso wie Leitstellen und Logistik, Schiffbau und Marine oder Industrie und Medizintechnik.