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Verfahren und Vorrichtung zur Dämpfung von Schallschwingungen
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Gegenstandes nach Fig. 2 im vergrösserten Massstab darstellt. Die Fig. 4-6 und 14-16 betreffen weitere Ausführungsbeispiele, die Fig. 7 und 9 betreffen einen Auspufftopf mit eingebauter erfindungsgemässer zusätzlicher Dämpfeinrichtung im Längsschnitt ; in den Fig. 8 und 10 sind Querschnitte längs der Linien 8-8 in Fig. 7 und 10-10 der Fig. 9 dargestellt, Fig. 11 ist ein ähnlicher Längsschnitt einer andern Ausführungform und die Fig. 12 und 13 zeigen in erläuternden Diagrammen, die durch die erfindungsgemässen Merkmale erreichte Wirkung.
Gemäss Fig. 1 ist der erfindungsgemässe Auspufftopf einer besonderen Ausführungsform einer Schall-
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näle oder rohrartige Körper 1 und 3 dargestellt sind, die im folgenden allgemein als rohrförmig bezeich- net werden,-durch welche sich die Schallenergie von der einen Endzone zur andern Endzone des Auspuff- topfes fortpflanzt, wobei entlang des rohrförmigen Körpers Geschwindigkeitsdifferenzen und daher verschiedene Wellenlängen auftreten.
Die Wege 1 und 3 stehen miteinander längs eines wesentlichen Teiles ihrer Länge in Verbindung, vorzugsweise in Richtung der Längsachse der Vorrichtung, wobei diese Verbindung durch schalleitende Mittel 5 hergestellt wird, die als linke Begrenzungswand des Rohres 3 und als rechte Begrenzungswand des Rohres 1 dienen, und die eine akustische Impedanz, die einen wesentlichen Real- oder Resistivteilaufweist, für den Durchtritt der Schwingungswellen von einem Weg zum andern darstellen.
Ein derartiges Schallverbindungsmittel 5 kann, wie dargestellt, eine perforierte oder poröse Schicht, Wand od. dgl. oder ein Verbindungsmedium, das einen geeigneten Schallwiderstandswert besitzt, sein.
Die erforderliche Geschwindigkeitsdifferenz in den beiden Wegen kann auf verschiedene Art erreicht werden, wie z. B. durch den Gebrauch von zwei verschiedenen Gasen oder Medien innerhalb der beiden Wege 1 und 3 ; durch die Anwendung verschiedener Temperaturen in den beiden Wegen, durch Verwendung verschiedener geometrischer Formen der Wege ; oder durch Einbringen von Verzögerungseinrichtungen in einen der beiden Wege.
Ein Auspufftopf mit diesem Aufbau arbeitet in der Weise, dass er eine allmählich zunehmende Verzögerungsphase in einem Weg im Verhältnis zum andern Weg erzeugt. Der Schall in den beiden Wegen 1 und 3 trägt zur Erzeugung eines abwechselnden Luftstromes im rechten Winkel zwischen den beiden Wegen durch die Schallwiderstände 5 bei ; wobei der wechselnde Luftstrom in der Zone, in der die Phase in den beiden Wegen um im wesentlichen 1800 differiert, am grössten ist, und ändert seine Grösse sinusförmig von diesem Maximum auf im wesentlichen 0, in Zonen, wo der Phasenunterschied 0 ist. Die bestmögliche Ausführungsform wird tatsächlich durch die Verwendung reiner Schallwiderstandsverbindungen 5 zwischen den beiden Wegen 1 und 3, wie später ausgeführt wird, erreicht.
Zur grösstmöglichen Absorption muss der Schallwiderstand der Verbindung 5 annähernd gleich dem geometrischen Mittel der akustischen Impedanz, gesehen von einem Weg oder Rohr zum andern, sein. In dem Fall, dass der Weg- oder Rohrquerschnittsdurchmesser kleiner als eine Viertel-Wellenlänge der zu dämpfenden Schallfrequenz w ist, wird, wenn die normale akustische Impedanz eines Längselementes des einen Rohres, gesehen vom benachbarten Längselement des andern Rohres hauptsächlich eine kapazitive Reaktanz ist, die Impedanz mit der Frequenz abnehmen. Daher wird bei hoher Frequenz U der günstige Widerstand klein sein und umgekehrt.
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bestimmt.
Die Beziehung zwischen y und R'ist im wesentlichen bestimmt durch
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welche, im Falle das Verhältnis von X und K grösser als Eins ist, sich zu der näherungsweisen Beziehung
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vereinfacht.
In der praktischen Anwendung wählt man demgemäss ein Verhältnis y vorzugsweise innerhalb des vorher aufgezeigten günstigsten Bereiches und einer vorher festgesetzten Geschwindigkeit oder einem Wellenlängenverhältnis K (vorzugsweise in der Ordnung des vorerwähnten Wertes 8 im Falle von Auto-Auspuffdämpfern u. dgl., und man bestimmt die niederste Schwingungsfrequenz M, die tatsächlich gedämpft werden soll. Aus den Diagrammen der Fig. 12, wird der Wert y für die günstigste Dämpfung pro Wellenlänge gewählt (hier als um 1, 5 dargestellt). Der erforderliche Schallwiderstand R'für die Verbindung 5 wird
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oder Dämpfung a, in Phone pro Fuss ausgedrückt, die auf der Ordinate als Funktion der Frequenz und auf der Abszisse in Schwingungen pro Sekunde aufgetragen sind.
In der Kurve I wurde eine Austritts-Frequenz von ungefähr 200 Schwingungen gewählt, ungefähr für 100 Schwingungen in Kurve II ; und ungefähr 50 Schwingungen in Kurve III. Die Dämpfung wächst im Bereich niederer Frequenzen, wie dargestellt, bis näherungsweise 12 Phone pro Doppelfrequenz, bis ein im wesentlichen horizontaler Kurvenverlauf erreicht ist ; der Wert dieses Dämpfungsverlaufes ist in erster Linie durch die Länge des Auspufftopfes, durch die Grösse des Schallwiderstandes R'und des Verhältnisses K der Schallgeschwindigkeit in den beiden Wegen bestimmt. Deshalb ist bei hohen Frequenzen die Dämpfung im wesentlichen konstant, weil, wenn die Frequenz zunimmt, der Verlust an Dämpfung pro Wellenlänge gerade durch das Zunehmen der Anzahl der Wellenlängen bei einer gegebenen Länge des Topfes aufgehoben wird.
Die Länge des Topfes 1, 3, 5, hängt natürlich von der niedersten Frequenz, die abgedämpft werden soll, ab. Im besonderen kann bei einem Topf von ungefähr 3 Fuss Länge und ungefähr 4 Zoll im Durchmesser mit einer Dämpfung von annähernd 40 Phone bei Frequenzen aber annähernd 100 Schwingungen pro Sekunde gerechnet werden. Wie in Fig. 12 in der oberen Kurve gezeigt, kann man bei dieser Art einer Ausführung eines Topfes, einen Fortpflanzungsverlust in der Grösse von annähernd 100 Phone pro freier Wellenlänge erhalten, wenn die effektive Schallgeschwindigkeit in den beiden Wegen 1 und 3 eine Differenz mit einem Faktor 8 aufweist. Die Dämpfung kann natürlich mit höheren Geschwindigkeitsverhältnissen auch höher gemacht werden.
Während sich die Erfindung bisher mit den aufgezeigten Beispielen für im wesentlichen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt von im wesentlichen parallelen Wegen 1 und 3 befasste, können ebenso anders gestaltete Formen der Wege verwendet werden, wobei die Wege aber einen Einlass beschickt und über einen Auslass entleert werden. Wie später erläutert wird, kann auch der Schwingungsdämpfungsvorgang dadurch erzielt werden, dass ein Weg allein nur durch die Widerstandsverbindung zwischen den beiden Wegen hindurch beschickt wird. Daher ist in den Fig. 2 und 3 ein im wesentlichen zylindrischer innen rohrförmiger Weg l'dargestellt, der mit einem zweiten ausgedehnten rohrförmigen Weg 3', spiralig oder schneckenförmig umwunden ist, um einen wesentlichen Unterschied in der Weglänge zu schaffen.
An den Zwischenflächen zwischen den Wegen l'und 3'ist jeder Weg mit zusammenwirkenden Verbindungsschlit- zen oder Öffnungen 2 und 4 versehen. Wie vorher angegeben, hat die innere Wegverbindung eine grosse Schallwiderstandskomponente, welche durch poröse Füllungen 5', wie vorher erklärt, oder durch andere Verbindungsmedien oder-mechanismen einschliesslich Membranen, perforierte Widerstandsschichten oder andere bekannte Einrichtungen, die diese Eigenschaften haben, erreicht wird. Diese Schlitze können im wesentlichen einen Schallwiderstand als solchen darstellen oder können mit einem porösen Material bedeckt oder gefüllt ausgeführt sein.
Die Verbindungsschlitze 2, 4 müssen entlang des wesentlichen Teiles
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der Zwischenfläche des Weges wirksam sein, vorzugsweise ununterbrochen durchgehend, obwohl der Vorgang auch mit einer Vielzahl von einzelnen Schlitzen, die über die geforderte Ausdehnung angebracht sind, durchführbar ist.
An Stelle des Verhältnisses x der Durchmesser dund d , Fig. l. wurde für die Ausführungsform Fig. 2 und 3 das Verhältnis x', welches das Verhältnis der senkrecht zur Längsachse des Topfes liegenden Querschnittflächen St und 52 der Weg l'und 3'bestimmt, verwendet.
Wieder ist ein günstigster Wert x'im wesentlichen 2-2, 5. Die Gleichung (2) nimmt dann die Form
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an, wobei h3 die Breite des Schlitzes 2, gemessen an der Normalebene zur Längsachse des Auspufftopfes, ist. Die Gleichung (4) reduziert sich im Falle von x'und K grösser als Eins, zu im wesentlichen
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Es ist weiters zu bemerken, dass bei dem spiralförmige Rohr, welches in Fig. 2 und 3 dargestellt ist, das Gas oder andere Fluid, das sich in diesem spiralförmigen Rohr 3'befindet, kühler sein kann, als im
Zentralrohr 1'. Dadurch vermindert sich die Schallgeschwindigkeit im Verhältnis zum Zentralrohr. Dies begünstigt die Wirkung des Topfes indem das Geschwindigkeitsverhältnis K vergrössert wird.
Für die günstigste Anordnung ist, wie oben erläutert, der Widerstand der Verbindung 2-5'-4 geeignet gewählt, um die Dämpfung im wesentlichen unabhängig von der Frequenz zu halten, wobei in Fig. 13 die Frequenz der günstigsten Dämpfung eine Funktion des Widerstandes ist und umgekehrt zum Widerstand zunimmt. In manchen Fällen wird es wünschenswert sein, die Porengrösse des Widerstandsmaterials 5'zu vergrössern ; der Widerstand desselben wird dann mit zunehmender Frequenz vermindert. Dies ermöglicht es, den gunstigsten Wert von R'über ein Frequenzband aufrecht zu erhalten.
Berechnungen der durch diese Type eines Spiraldämpfers erzielbaren Dämpfung ergeben, dass, wenn der Widerstand der Verbindung 2-5'-4 zwischen dem gerade durchgehenden Weg l'und dem Spiralrohr 3' dem geeigneten Wert angepasst wird, die Dämpfung pro Wellenlänge 100 Phone annähernd erreichen kann, Fig. 12. Während die Wahl des Widerstandswertes R'der Verbindung 2-5'-4 von grösster Bedeutung ist, wird der Dämpfungswert pro Wellenlänge dennoch für einen Widerstandsbereich, der durch einen Faktor veränderlich ist, an den beiden Seiten des'günstigsten Wertes grösser als maximal 0, 7 sein.
Für einen Auspufftopf, der in Übereinstimmung mit der Erfindung konstruiert ist, und der ein gegebenes Wellengeschwindigkeitsverhältnis K und einen Schallwiderstand R'zwischen den beiden Wegen hat, wird die vollständige Dämpfung, die man bei einer Frequenz erhält, mit der Zunahme der Länge des Topfes grösser werden. Die Beruhigung oder Dämpfung pro Längeneinheit wird im Vorderende des Topfes, der Zone, wo die Fortpflanzung stetiger Wellen in dem Dämpfer noch nicht feststeht, von einem 0-Wert zu dem vorbestimmten günstigsten Wert von annähernd 100 Phone pro Wellenlänge anwachsen, welcher den günstigsten stationären Dämpfungszustand darstellt.
Die Wege 1 und 3 oder l'und 3'brauchen jedoch nicht rohrförmig sein oder irgendein Fluid enthalten. Sie brauchen nur Wege zur Fortpflanzung der Schwingungswellen zu sein, einschliesslich Stäben, Platten und andern Gefügen. Als weiteres Beispiel kann der verlängerte Weg 3'., gemäss Fig. 4, als schnekkenförmiges Leitflächengefüge 6 innerhalb eines Kanals 8 ausgeführt sein, wobei das schneckenförmige Gebilde 6 in derAchsrichtung eine Öffnung aufweist, in der ein durchragender rohrförmiger Weg 1"vor- gesehen ist, der von. einer resistiven Wand 5", wie vorher beschrieben, begrenzt wird.
Bei andern Ausführungsformen kann die schneckenförmige Leitflächenkonstruktion durch Zick-ZackWege erzeugende parallele Leitflächen 6', Fig. 5, oder abwechselnd gegenüber angeordnete, versetzte Leitflächen 6", Fig. 6, gebildet sein. Die parallelen Leitflächen 6'oder die versetzt angeordneten Leitflächen 6", müssen nicht an beiden Seiten des Weges 1" angebracht sein. Daher sind in den Darstellungen der Fig. 7 und 8 die parallelen Leitflächen 6'nur im Bodenteil des Kanales 8, mit dem Widerstandsverbindungsglied 5"'in Form einer ebenen Schicht dargestellt. Eine ähnliche Konstruktion für versetzte Leitflächen 6" ist in Fig. 9 und 10 erläutert.
Die Ausführungsform, die in Fig. 7-10 dargestellt ist, ist tatsächlich hervorragend für Automobil- oder ähnliche Auspufftöpfe geeignet und kann mit ovalen oder im wesentlichen flachen oder sogar rechteckigem Querschnitt, wie dargestellt, hergestellt werden.
Wenn man die Dämpfung innerhalb einer bestimmten Frequenzart verstärken will, beispielsweise für
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derstand durch grössere Poren erreichbar ist. Diese Massnahme kann auch bei andern Ausführungsformen der Erfindung angewendet werden.
Seitdem durch den Bau von Klimaanlagen (Luftleitungen) und ähnliche Einrichtungen sehr lange
Rohrlängen verfügbar sind, können kleine Verhältnisse von K etwa in der Grössenordnung von 2 oder dar- über, angewendet werden.
Um die Dämpfung am Vorderende des Auspufftopfes zu erhöhen, so dass der Auspufftopf für die niedersten in Frage kommenden Frequenzen am wirksamsten wird, ist es möglich, in einem der inneren Teile einer der beiden Wege ein phasenverschiebendes Schallnetzwerk einzusetzen, so dass die Welle in dem
Weg mit der langsameren Geschwindigkeit oder kürzeren Wellenlänge mit einer unmittelbaren Phasenver- zögerung von bis zu fast 1800 eintritt. Die Dämpfung in dem ersten Viertel einer Wellenlänge des Aus- pufftopfes wird dann die maximalste sein und über dieses Viertel einer Wellenlänge des Topfes hinaus kann die Dämpfung auf mehr als 200 Phone pro Wellenlänge anwachsen.
Obwohl die Phasenverschieoung bei sämtlichen Ausführungsformen der Erfindung angewendet werden kann, ist sie zum Zweck der Erläuterung lediglich in Fig. 6 dargestellt. Eine besondere Ausführungsform eines Phasenverschiebers ist in Form einer Schallhöhle 10 dargestellt, die mit Durchtrittsöffnungen 12 zur Erzeugung der gewünschten Anfangsphasenverzögerung im Wege 3" versehen ist. Andere Arten von Einrichtungen mit phasenverschiebender Wirkung können natürlich auch verwendet werden.
In Fig. 11 ist die Widerstandswand 5" als eine weitere Ausführungsform in Form eines pulverförmigen oder körnigen katalytischen Materials dargestellt, oeispielsweise ein Vanadinum-Pentoxyd-Ummantelungsmaterial, zur gleichzeitigen Umwandlung des Kohlenstoffmonoxyd-Abgases in unschädliches Kohlenstoffdioxyd. Wenn der hinzukommende Druckfall geduldet werden kann, kann im Austrittsende (oder anderem Teil) des Weges 1" auch ein Hindernis 15 von katalytischem oder anderem porösen Gefüge als Filter vorgesehen sein.
Als eine weitere Ausführungsform kann ein schneckenförmiges Leitflächengefüge, ähnlich der im Zusammenhang mit der Ausführungsform der in Fig. 4 besprochenen, zwischen zwei porösen Widerstandsschichten als konzentrische, rohrförmige Zylinder 30, 30' in Fig. 14 in einem Kanal 40 angeordnet sein. Diese Schichten, die gleich dem vorerwähnten Widerstandsmaterial 5, 5', 5", 5"'sind, können auch von der Art, wie sie inderUSA-PatentanmeldungSer. Nr. 483, 467 eingereicht am 24. 1. 1955 für Light-Transmit- ting Acoustic Absorber and Method, durch Jordan J. Baruch, sein, welche auf einer dünnen perforierten Trägerschicht aufgetragene Widerstandsschichten betrifft, oder es wird eine annähernd dünne, perforierte Schicht, wie sie in der USA-Patentanmeldung Ser.
Nr. 534,958 eingereicht am 19. 9. 1955 für Acoustic Absorber durch Jordan J. Baruch und Bill C. Watters beschrieben ist, verwendet. Der gerade Weg wird nun in zwei Teilwege geteilt oder aufgespalten ; einen inneren Hoch-Geschwindigkeits-Teilweg I und einen äusseren Hoch-Geschwindigkeits-Teilweg I', der mit dem spiralförmigen Nieder-Geschwindigkeitsweg II auf resistive Art verbunden ist. Die gesamte Querschnittsfläche des Weges 1-I'wird dann der Querschnittsfläche, beispielsweise des unterteilten Weges 1" der Fig. 4, entsprechen.
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gestellt, vorzugsweise, aber nicht ausschliesslich geteilt durch feste Trennwände 42.
Als weiteres Ausführungsbeispiel ist das Gebilde 30-6-30'in Fig. 16 abgeändert, dargestellt, wonach versetzt angeordnete Leitflächen 6" zwischen ebenen, porösen Widerstandsschichten 30, 30' vorgesehen sind und die Leitflächen 6" bei 32 geöffnet sind, wodurch ein Zick-Zack-Weg gebildet wird.
Das Medium umströmt die beiden resistiven Flächen von aussen und bildet somit den einen Weg, den zweiten Weg bilden sodann die Leitflächen 6" zwischen den resistiven Flächen.
Im Falle der spiraligen Ausführungsform der Fig. 2 und 3 ist die Schallgeschwindigkeit quer zur Achse des Dämpfers verschieden von der Längsachse desselben, d. h., der Weg 3'übt für die Schallenergie eine anisotrope Wirkung aus. Während der vorherbestimmte günstigste Bereich des Parameterverhältnisses x und x'für im wesentlichen isotrop wirkende Wege angewendet wird, wurde gefunden, dass in Wegen, die sich in solch einer anisotropen Art verhalten, der günstigste Bereich von x und x'um 0,10 bis um 1, 0 für K-Werte, wie oben erwähnt, liegt.
Z. B. erzeugt ein nicht optimaler Versuchsauspufftopf, der 30 Zoll lang ist und von der Art, wie er in den Fig. 2 und 3 dargestellt wurde, und der für höhere hörbare Frequenzbereiche entworfen wurde und ein Verhältnis x'von annähernd 0, 5 hat und eine Spiralwegquerschnittsfläche 53 um 4 Quadrat-Zoll und eine Widerstandsverbindung 5 von annähernd 4 pc aufweist, eine Dämpfung, die sich von etwa 50 Phone bei etwa 1000 Schwingungen bis zu 10000 Schwingungen (mit einem Maximum von 62 Phone) erstreckt und eine fortlaufende Verstärkung der Dämpfung, die von etwa 20 Phone bei 400 Schwingungen bis zu 50
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Phone bei 1000 Schwingungen erreicht.
Wird der Widerstand 5'halbiert, so ergibt sich, dass der Widerstand nach einer höheren Frequenz hin um etwa ein Drittel einer Oktave verschoben wird und die HochFrequenzdämpfung auf ein Maximum von über 72 Phone anwächst, mit einer durchschnittlichen Dämpfung bei 1200 Schwingungen und 60 Phone.
Weitere Abänderungen und solche, die man als naheliegend betrachten kann, liegen durchaus im Rahmen der Erfindung und sollen durch die folgenden Patentansprüche geschützt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Dämpfung von Schallschwingungen, insbesondere von aus Brennkraftmaschinen austretenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallschwingungsenergie mit vorbestimmter Geschwindigkeit in zwei Wegen geführt wird, die untereinander über einen Teil ihrer Länge miteinander in Verbindung stehen, wobei die Wellenlängen der Schallschwingungen längs dieser Wege verschieden sind und die Schwingungsenergie dämpfen.