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Platte od. dgl. mit hohen akustischen Energieübertragungsverlusten
Die Erfindung betrifft Wandkonstruktionen, Zwischenwände, Flächen, Abteilungen u. dgl., die nach- stehend mit dem allgemeinen Ausdruck"Platte od. dgl." bezeichnet werden, u. zw. insbesondere Kon- struktionen, welche hohe akustische Energieübertragungsverluste aufweisen und somit schalldämmend wirken.
Es sind schalldämmende Trennwände bekannt, bei denen zur Vermeidung des Koinzidenzeffektes das
Verhältnis von Biegesteifigkeit zu Masse je Flächeneinheit entweder klein gehalten ist, beispielsweise durch
Anordnung von Schlitzen, oder gross gehalten ist. beispielsweise durch Aufsetzen von Leisten, wobei die Bie- geschwingungen der einzelnen Wand gedämpft und mehrere Wände hintereinander gesetzt sein können, welche unterschiedliche Verhältnisse von Biegesteifigkeit zu Masse pro Flächeneinheit aufweisen.
Eine weitere bekannte Plattenkonstruktion besteht aus wenigstens einer Schicht, welche auf den einander gegenüberliegenden Flächen mit einer Anzahl von einander ähnlichen Elementen versehen ist, von denen jedes mit Verbindungsorganen verbunden ist und die am weitesten abstehende Partie jedes Elementes wenigstens einer Fläche, eine kleinere Oberfläche als seine Basis aufweist, an welcher die Verbindungsorgane angeordnet sind, wobei wenigstens eine der Wandflächen mit einer durchlaufenden Wand bekleidet sein kann.
Es ist weiters bereits erkannt worden, dass die obere Grenze der akustischen Energieube. tragungsverluste einer einzelnen Platte od. dgl. durch das Massenwirkungsgesetz bestimmt wird, d. h., durch die Übertragungsverluste, die auftreten, wenn keine Schwingungskopplung zwischen einander benachbarten Massenelementen der Platte od. dgl. vorhanden ist. Das bedingt, dass die durch die Steifigkeit der Platte bestimmte Kopplung zwischen einander benachbarten, Masse besitzenden Teilen, im folgenden Massenanhäufungen genannt, immer trachtet, die Übertragungsverluste herabzusetzen. Dies ist zwar allgemein für isotope Platten od. dgl. experimentell bewiesen, doch hat es sich gezeigt, dass es nicht notwendigerweise iur alle Arten von Platten u. dgl. zutrifft.
Die Erfindung zielt darauf ab, eine schalldämmende Platte od. dgl. zu schaffen, die über einen breiten Bereich der unteren und mittleren akustischen Frequenzen höhere akustische Energieübertragungsverluste aufweist, als sie mit Hilfe des Massenwirkungsgesetzes erzielbar sind.
Dies wird. dadurch erreicht, dass bei einer Platte mit flächenhaft verteilten Massenanhäufungen der mittlere Abstand der Schwerpunkte benachbarter angehäufter Massen kleiner ist, als die Wellenlänge einer akustischen Schwingung in einem an die Platte grenzenden Medium aus einem abzudämmenden Frequenzbereich und Massenimpedanzen der angehäuften Massen mit Steifheitsimpedanzen der jeweils an diese angrenzenden Plattenteile für wenigstens eine deren erwähnten Bereich angehörende Frequenz auf Resonanz abgestimmt sind.
Es sind zwar bereits, wie vordem angeführt, Platten bekanntgeworden, die eine ungleichförmige Verteilung der Masse über die Plattenflächen aufweisen, jedoch konnte dadurch der erfindungsgemässe Gedanke, nämlich einer Platte durcn entsprechende Anordnung von Massen die Wirkung eines schwingungsfähigen ebenen oder räumlichen Gitters, das mit Massenpunkten besetzt ist, zu verleihen, nicht vermittelt werden.
Weitere erfindungsgemässe Merkmale sind darin zu erblicken, dass die Massenanhäufungen statistisch oder in an sich bekannter Weise gleichförmig flächenhaft verteilt bzw. als von we- nigstehs einer der Plattenoberfläche abstehenden Elementen hoher Dichte ausgebildet sind, oder dass die
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Massenanhäufungen aus der Platte unmittelbar herausgebildet bzw. wenigstens zum Teil innerhalb der Platte angeordnet sind.
'Die Erfindung wird nun an Hand mehrerer in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben, wobei sich weitere erfindungsgemässe Merkmale ergeben. Fig. l zeigt schaubildlich einen Teil einer erfindungsgemäss ausgebildeten Platte od. dgl. und Fig. 2 in einer ähnlichen Darstellung eine bevorzugte Ausführungsform, Fig. 3a, 3b und 3c zeigen weitere Ausführungsformen in Seitenansicht, Fig. 4, 5 und 6 zeigen weitere Ausführungsformen von Platten in ähnlichen Darstellungen, Fig. 7 zeigt schau- bildlich in vergrössertem Massstab einen Teil einer weiteren Ausführungsform teilweise im Schnitt zur Darstellung von Konstruktionseinheiten und Fig. 8 stellt ein Diagramm dar, in dem die Wirkungsweise einer Ausführungsform der Erfindung mit den optimalen angesichts des Massenwirkungsgesetzes theoretisch zu erwartenden Übertragungsverlusten verglichen wird.
Die Erfindung schafft Plattenkonstruktionen, deren Masse nicht gleichmässig über die ganze Plattenfläche verteilt, sondern an Stellen konzentriert ist, die in einer bestimmten Weise in Abständen voneinander angeordnet sind, tjhd die voneinander durch ein zwischen ihnen angeordnetes, : relativ leichtes, aber nicht poröses Blatt- oder Plattenmaterial getrennt sind. In Fig. l ist ein dünnes Platten- oder Blattmaterial, beispielsweise eine Metallfolie od. dgl. mit 1 bezeichnet, das mit regelmässig verteilten Massenanhäufungen 3, beispielsweise Bleigewichten od. dgl. belastet ist, zwischen denen dünne Plattenteile l* an- geordnet sind.
Wenn auf eine derartige Platte 1 eine akustische Welle in der Luft oder einem andern die Platte od, dgl. umgebenden 1\"1edium auftrifft, wobei die Wellenlänge dieser Welle im Vergleich mit dem Abstand d zwischen den aufeinanderfolgenden Massenanhäufungen 3 grösser ist, zeigen die verschiedenen Flächenteile 1', 3 ein unterschiedliches Verhalten. Unterhalb einer bestimmten Grenzfrequenz wirken die unbelasteten Teile l'der Platte 1 als Federn bzw. als Steifigkeit besitzende Impedanzelemente (analog der elektrischen Kapazität), während die Teile 3 als Masse besitzende Impedanzelemente (entsprechend der elektrischen Induktivität) wirken. Wenn keine Dämpfung auftritt, sind die Bewegungen der als Masse bzw. Feder wirkenden Teile einander entgegengesetzt gerichtet.
Bei der durch die Grössen der Teile l', 3 und ihre Flächeninhalte bestimmten Resonanzfrequenz weisen die Bewegungen der Teile l'und 3 eine solche Grösse auf, dass die resultierende Bewegung gleich Null ist. Das heisst, dass bei dieser Frequenz die akustischen Übertragungsverluste der angenommenerweise nicht dämpfenden Platte 1 unendlich gross ist.
Die Wirkungsweise der in Fig. l gezeigten Anordnung ist an Hand der elektrischen Analogie leichter verständlich. Die Steifigkeit einer normalen isotropen Platte kann durch eine Reihenschaltung einer Kapazität mit einer Induktivität dargestellt werden. Man erhält daher bei der Resonanzfrequenz die Impedanz Null, was einem akustischen Übertragungsverlust Null im Falle der Übereinstimmung entspricht. Bei den in Fig. 8 auf der Abszisse aufgetragenen niedrigen Frequenzen f nähern sich die auf der Ordinate aufgetragenen Übertragungsverluste V der dem Massenwirkungsgesetz entsprechenden strichlierten Kurve, können diese aber nie überschreiten. In diesem Fall ist die Kapazität proportional1/i.
In der Platte nach Fig. l sind die Teile jedoch so gekoppelt, dass die Kapazität l'der Induktivität 3 parallel geschaltet ist, so dass bei der Resonanzfrequenz eine unendlich grosse Impedanz und daher ein unendlich grosser Übertragungsverlust erhalten wird. Bei den unteren Frequenzen des Hörbereichs nähern sich die Übertragungsverluste den dem Massenwirkungsgesetz entsprechenden, sind jedoch immer höher, da sie oberhalb desunteren Teiles der strichlierten Kurve liegen. Dies ist in Fig. 8 durch den linken Teil I der ausgezogenen Kurve dargestellt. Oberhalb der Resonanzfrequenz fällt jedoch der Übertragungsverlust unter den dem Massenwirkungsgesetz entsprechenden, wie bei II angedeutet ist.
Dies ist jedoch kein wesentlicher Nachteil, da das Massenwirkungsgesetz bei zunehmender Frequenz eine Zunahme der Übertragungsverluste um 6 db pro Oktave bedingt, so dass eine den Forderungen für die niedrigen Frequenzen genügende Wand gewöhnlich bei den hohen Frequenzen viel zu hohe Übertragungsverluste hat.
Die Resonanzfrequenz, bei der die Übertragungsverluste unendlich gross werden, ist umso niedriger, je grösser die punktförmigen Massenanhäufungen 3 und ihre Abstände d sind und je kleiner die Steifigkeit der tragenden Plattenteile l', ist. In physikalisch einfachen Fällen kann diese Resonanzfrequenz errechnet werden, aber im allgemeinen ist es einfacher, die zur Erzielung der gewünschten Resonanzfrequenz erforderlichen Kennwerte der Platte experimentell zu bestimmen.
In der in Fig. l dargestellten Plattenkonstruktion sind die Massenanhäufungen 3 gleichmässig verteilt, so dass die Platte eine bestimmte Resonanzfrequenz hat. Die Anwendung der Platte 1 ist daher auf Fälle beschränkt, in denen hohe Energieübertragungsverluste nur bei einer einzigen Frequenz f erwünscht sind, so dass beispielsweise eine Abschirmung gegen einen reinen Ton hoher Lautstärke erzielt wird. Die Platte l kann auch als akustisches Filter verwendet werden.
Im allgemeinen sind jedoch höhere Übertragungsverluste in einem weiteren Frequenzbereich erwünscht.
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Diese Forderung kann nicht durch Dämpfung des wirksamen "Resonanzkreises" erfüllt werden, weil die Dämpfung an jedem Punkt der Kurve der Übertragungsverluste den Gewinn unterhalb des dem Massenwirkungsgesetz entsprechenden Wert herabsetzt. Die Forderung kann jedoch befriedigt werden, wenn man die Massenanhäufungen 3 nicht wie in Fig. 1 gleichmässig, sondern statistisch verteilt, so dass die Resonanzfrequenzen über einen abzudämmenden Frequenzbereich von etwa ein bis zwei oder sogar drei Oktaven verteilt werden. Die gleiche Wirkung wird natürlich erzielt, wenn an Stelle der Abstände zwischen den Massenanhäufungen 3 oder zusätzlich zu ihnen auch das Gewicht der Massen statistisch verteilt ist.
Gemäss Fig. 2 ist eine statistische Verteilung von Massenanhäufungen vorgesehen, wobei der mittlere Abstand d der Schwerpunkte benachbarter angehäufter Massen kleiner ist als die Wellenlänge einer akustischen Schwingung, in dem die Platte umgebenden Medium. In den Fig, 3a, 3b und 3c ist eine statistische Gewichtsund/oder Gewichts- und Abstandsverteilung vorgesehen. Gemäss Fig. 3a und 3c sind Massenanhäufungen auf einer Seite der Platte und gemäss Fig. 3b auf beiden Seiten derselben vorgesehen.
Der vorstehend beschriebene tatsächliche Frequenzgang 1, Il der Fig. 8 wurde experimentell für eine Platte aus 0, 076 mm starker Aluminiumfolie ermittelt, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, die mit Massenanhäufungen von 0, 25 g mit einem mittleren Abstand von 12 mm versehen war. Die Resonanzfrequenz liegt in dem gewünschten Frequenzbereich I, in dem hohe Übertragungsverluste erzielt werden sollen. Die dem Massenwirkungsgesetz entsprechende strichlierte Kurve der Fig. 8wurde für eine Platte mit einer Masse von 0, 224 g/cmtermittelt.
In den vorstehenden Beispielen wird die Steifigkeit der Plattenteile l'im wesentlichen durch die Biegesteifigkeit der Platte bestimmt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die erfindungsgemässe schalldammende Platte eine mit Massenanhäufungen belastete Membran oder Platte auf, wobei die Steifigkeit der zwischen den angehäuften Massen liegenden Plattenteile im wesentlichen durch die Biegesteifigkeit der unbelasteten Membran bzw. Platte bestimmt ist. Es besteht somit eine grosse Anzahl von möglichen Abwandlungen in der Konstruktion der erfindungsgemässen Platten, von einer blattförmigen Schicht, beispielsweise aus Metall, Kunststoff od. dgl., in welche die als Elemente aus dichterem Material ausgebildeten Massenanhäufungen eingesetzt oder eingebettet sind, bis zu einer massebelasteten massiven Platte aus Gips oder sogar Beton od. ähnl.
In dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Massenanhäufungen als Elemente 3 hoher Dichte ausgebildet, beispielsweise halbkugelförmige Perlen und über eine Plattenfläche 1 von relativ geringer Dichte verteilt, die aus dünnem Kunststoff od. dgl. besteht. Die Elemente 3 hoher Dichte bzw. Massenanhäufungen sind in der Platte der Fig. 5 jedoch durch ein weiteres Blatt 4 abgedeckt. In der Platte der Fig. 6 dagegen sind die Massenanhäufungen 3 in den Ausnehmungen 3'einer biegsamen Folie 1 aus Kunststoff od. dgl. angeordnet.
Die Massenanhäufungen oder Masse besitzenden Bereiche 3 können auch mit der Platte 1 einstückig aus-
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der Fig. 1 und 2 beschrieben wurde, wo die Massenanhäufungen an der Platten fläche befestigt sind und von ihr vorstehen. Fig. 7 zeigt einen Abstandhalter 6 in Form eines Wabenkörpers, der eine innere und eine äussere homogene Deckfläche 1 und 10 tragt, so dass ein Schichtkörper erhalten wird, in dem die Massenanhäufungen 3 durch Füllung vorherbestimmter Zellen mit einem Metall oder einem andern Material hoher Dichte gebildet werden, wie bei 6'angedeutet ist.
In allen Fällen besteht das gemeinsame Kennzeichen der erfindungsgemässen Platten in der ungleichmässigen Verteilung der Masse und/oder Steifigkeit ihrer Teile, so dass der mittlere Abstand zwischen den aufeinanderfolgenden Massenanhäufungen 3 und zwischen den aufeinanderfolgenden, dazwischen angeordneten, steifheitsbestimmten Teilen l'kleiner ist, als die Wellenlänge einer akustischen Schwingung in der Luft oder einem andern Umgebungsmedium innerhalb des abzudämmenden Frequenzbereiches, in dem hohe Übertragungsverluste erwünscht sind. In der Konstruktion derartiger Platten sind die Werte für die Massen und Steifigkeit einander so angepasst, dass die resultierende Resonanzfrequenz in dem gewünschten Frequenzbereich liegt.
Weitere Abänderungen im Rahmen des durch die Patentansprüche gekennzeichneten Erfindungsgedankens liegen im Bereich fachmännischer Massnahmen.
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