Vorrichtung zur Schalldämpfung in von Gas durchströmten Kanälen mittels eines Membranschalldämpfers Die Erfindung bezieht sich auf die Schalldämpfung in von Gas durchströmten Kanälen, beispielsweise den Luftstrom im Kanal einer Lüftungsanlage, mittels eines Membranschalldämpfers. Soweit deshalb im folgenden von Gas gesprochen wird, ist darunter auch immer Luft zu verstehen, zumal das Hauptanwendungsgebiet der Er findung auf dem Gebiete der Schalldämpfung in Luft kanälen liegt.
Die Erfindung bezweckt, die Schalldämpfung zu ver vollkommnen, insbesondere hinsichtlich der tieffrequen- ten Geräusche unterhalb 500 Hertz, wobei ferner der Schalldämpfer in einer gegenüber den bekannten Schall dämpfern vergleichsweise kleinen Bauart hergestellt wer den soll, so dass er bequem innerhalb des Kanals ange bracht werden kann.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zeichnet sich da durch aus, dass wenigstens ein Teil der parallel zum Gas strom in den Kanal eingesetzten Membrane, eine Eigen frequenz von weniger als 500 Hertz aufweist und die Flächenabmessungen des wirksamen Teils der Mem brane in und quer zur Schallausbreitungsrichtung im Kanal ein Drittel der Länge der diese Frequenz aufwei senden Schallwellen nicht überschreitet.
Der in einem strömenden Gas auftretende Schall enthält im allgemeinen eine Mischung von Wellenbewe- gungen verschiedenster Frequenzen. Die Membrane dämpft im wesentlichen diejenigen Schallwellen, die im Oktavband liegen, die die gleiche Frequenz wie die Eigenfrequenz der Membrane bzw. eines Teils davon besitzen. Darüber hinaus dämpft die betreffende Mem brane zu einem Teil aber auch die Schallwellen, die in den Oktavbändern unmittelbar oberhalb und unterhalb dieses Bandes liegen.
Die Eigenfrequenz einer Membrane, die sich entlang der vorgenannten Kammeröffnung erstreckt, kann an genähert nach folgender Funktionsgleichung bestimmt werden:
EMI0001.0027
In dieser Gleichung bedeuten f" = die Eigenfrequenz in Hertz o = die Dichte des in der Kammer befindlichen Gases c = die Schallgeschwindigkeit des Gases innerhalb ,der Kammer g = die Erdbeschleunigung d = die Kammertiefe s = das Gewicht der Membrane pro Flächeneinheit Das System aus Membrane und Kammer kann mit ,
dem System Feder-Masse verglichen werden, bei dem sich unter Vernachlässigung der Reibung oder anderer Verluste folgende Beziehung ergibt:
EMI0001.0039
In dieser Gleichung bedeuten K = die Federkonstante W = die Masse Nimmt man an, dass dabei die Masse von einer Gas säule mit der Höhe d getragen wird, so l'ässt sich die Feder konstante K in der Gleichung (b) durch die Beziehung
EMI0001.0041
in der Formel (a) ersetzen. Die Masse W kann ausge drückt werden als das Gewicht s der Membrane pro Flächeneinheit.
Es wird hierbei unterstellt, dass die seitliche Bewe gung des Gases in der Säule durch die Anwesenheit des Absorptionsmaterials eingeschränkt wird, so dass ledig lich der senkrechte Schwingungseinfall berücksichtigt ist.
Die Eigenfrequenz einer Masse, die von einer Gas säule getragen wird, ist demzufolge
EMI0002.0001
Sofern nun die Säule aus Luft bei Normaltemperatur und Normaldruck besteht und die ungefähren Werte für die Dichte der Luft und die Schallgeschwindigkeit in Luft eingesetzt werden, ergibt sich folgende Gleichung:
EMI0002.0003
d hat dabei die Dimension cm, s die Dimension Gramm pro cm2.
Sofern also in der Kammer dies Schalldämpfers Luft unter normaler Temperatur und normalem Druck ent halten ist, kann die Eigenfrequenz der Membrane auf einen gewünschten Wert abgestimmt werden, und zwar durch geeignete Wahl des Membrangewichtes. pro Flä- chen2inheit und die Kammertiefe, so dass die vorgenannte Gleichung erfüllt wird.
Die seitlichen Abmessungen der Kammer im Ver hältnis zu der Wellenlänge des zu dämpfenden Geräu sches werden zweckmässig klein gehalten. Diese seitlichen Abmessungen sollen dabei vorzugsweise 1/.4 der zu dämp fenden Wellenlänge nicht überschreiten.
Es ist selbstverständlich möglich, in Strömungsrich tung gesehen mehrere solche mit einer Membrane ab gedeckte Kammern hintereinander anzuordnen, um den Dämpfungseffekt zu erhöhen. Innerhalb dieses Schall dämpfers bildet eine Kammer bzw. die auf ihr angeord nete Membrane eine Längeneinheit. Für die rechnerische Erfassung ist diese Längeneinheit von Interesse.
Sie kann annähernd dadurch bestimmt werden, dass für die Membrane ein Absorptionskoeffizient von 1,0 bei senkrechtem Schwingungseinfall in dem Oktavband berücksichtigt wird, das die Eigenfrequenz gemäss Glei chung (c) enthält. Die Dämpfung pro Längeneinheit kann dann in LUbereinstimmung mit der Gleichung ausgerech net werden, die üblicherweise für die Dämpfung pro Längeneinheit mit dem Absorptionskoeffizienten bei sta tistischem Schwingungseinfall in einem ausgekleideten Kanal benutzt wird,
und zwar mit einem geeigneten Übergang von dem Absorptionskoeffizienten bei senk rechtem Schwingungseinfall zu dem mit einem statisti- schen Einfall.
Für den Fall, dass die Membrane aus einer Platte aus undurchlässigem flexiblen Material gebildet ist, beispiels weise eine Kunststoffplatte, sollte die Membrane von geringer Steifigkeit sein.
Falls die Dicke der Membrane, um das gewünschte Gewicht pro Flächeneinheit zu er reichen, so gross wird, dass ein freies Schwingen der Membrane nicht mehr möglich ist, kann eine dünne Platte dieses Materials mit der erforderlichen geringen Steifigkeit mit einem oder mehreren Gewichten bzw. vor zugsweise mit einer Vielzahl von Gewichten ausgerüstet sein, die in bestimmten Abständen über die gesamte oder einen Teil der Platte auf der Vorder- und/oder Rück seite angeordnet sind, um so das Durchschnittsgewicht .in dem gewünschten Wert pro Flächeneinheit der Mem brane zu erhalten. Eine Membrane aus biegsamem Ma terial kann an den Seitenwänden der Kammer auf ihrem gesamten Umfang befestigt werden.
Dabei ist es wich tig, dass die so befestigte Membrane frei von irgendwel chen Spannungen ist, die einer freien Schwingungsbewe- gung hinderlich sind. Im übrigen wird die Membrane vorzugsweise vertikal in dem Schalldämpfer bzw. in dem Kanal angeordnet.
Das Absorptionsmaterial kann aus irgendeinem ge eigneten Material mit grosser Porosität bestehen, das der Gasströmung durch dieses Material einen Widerstand entgegensetzt. BeÄspielsweise wird man als Absorptions material Mineralwolle oder Schaumstoff aus Polyuretha- nen wählen.
Die nach aussen gerichteten Oberflächen der Mem branen können, sofern dies gewünscht wird, mit einer Schicht aus Absorptionsmaterial versehen werden, um auf diese Weisse zusätzlich höher frequenten Schall zu dämpfen.
Weitere Einzelheiten der erfindungsgemässen Vor richtung sind an Hand mehrerer .in der Zeichnung dar gestellter Ausführungsbeispiele veranschaulicht. Es zeigt: Fig.l einen schematisch gehaltenen Horizontal schnitt durch einen Strömungskanal, der mit einem Schalldämpfer ausgerüstet ist, Fig. 2 in teilweisse im Schnitt gehaltener perspektivi scher Darstellung und @in grösserem Massstabe ebenfalls einen Strömungskanal mit einem eingesetzten Schall dämpfer gemäss Fig. 1,
während die Fig. 3 bis 9 in schematisch gehaltenen Horizontal schnitten weitere Ausführungsformen zeigen.
In den Zeichnungen sind gleiche bzw. ähnliche Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen.
Gemäss Fig. 1 und 2 hat der aus Metallblech gebil dete Strömungskanal einen rechtwinkligen Querschnitt und besitzt einen erweiterten Teil 2. In diesem erweiter ten Teil 2 ist ein Schalldämpfer 3 angeordnet, der ,sich von der Decke bis zum Boden dieses erweiterten Teiles erstreckt (Fig. 1). Der Schalldämpfer 3 besitzt ein Ge häuse mit einer vertikalen Mittelplatte 4, die sich in Längsrichtung des Kanals erstreckt. Das Gehäuse weist ferner zwei senkrechte Platten 5 auf, die an den gegen liegenden Enden der Platte 4 vorzugsweise durch Schwei- ssung befestigt sind.
Schliesslich sind zwei horizontale Platten 6 vorgesehen, die an den Ober- und Unterkanten der Platte 4 befestigt sind. Auf diese Weise bildet das Gehäuse zwei Schallkammern 7 auf sich gegenüberlie genden Seiten des Schalldämpfers.
Die Höhe des Gehäuses entsprichst wie bereits er wähnt dem Abstand zwischen Ober- und Unterwand des Kanals, so dass lediglich zwei Durchlässe 8 für das in dem Kanal strömende Gas gebildet werden.
Der Schalldämpfer kann zweckmässig durch Schrau ben in dem Kanal befestigt werden, die an den Platten 6 angebracht sind und die Ober- und Unterwand durch fassen.
Die Seitenkanten der Platten 5 und 6 sind nach innen gebogen und bilden dadurch Flansche 9, 9'. Auf den Öffnungen der Kammern 7 sind je eine undurchlässige flexible Membrane 10 angeordnet, wobei diese Mem branen entlang ihrer Aussenkanten an den Flanschen 9, 9' der Platten 5 und 6 befestigt sind. Die Membranen werden vorzugsweise so befestigt, dass sie unter keiner Spannung stehen, ausgenommen natürlich die Spannung, die durch ihr Eigengewicht hervorgerufen wird. Jede Membrane besteht aus einer Kunststoffplatte mit einer Dicke von 0,75 mm. Selbstverständlich kann die Platte auch aus irgendeinem anderen geeigneten undurchlässi gen, flexiblen Material bestehen.
Jede Kammer 7 enthält als Absorptionsmaterial eine Lage aus Polyesterschaumstoff 11, die die Oberfläche der Platte 4 abdeckt, aber im Abstand von der Membrane angeordnet ist. Es bedarf keiner näheren Erläuterung, dass an Stelle des vorbeschriebenen Absorptionsmaterials auch andere geeignete Stoffe, wie beispielsweise Glas wolle, verwendet werden können.
Beim Betrieb strömt Luft oder irgendein anderes Gas durch den Kanal entlang der aussenseitigen Oberflächen der Membranen. Durch den bei der Strömung entstehen den Schall werden die Membranen in Schwingung ver setzt, so dass sie ihrerseits den Schall dämpfen.
Das Gewicht pro Flächeneinheit der Membranen und die Tiefe der Kammern sind erfindungsgemäss so abgestimmt, dass die Eigenfrequenz oder Frequenz der Membranen gleich oder annähernd gleich zu der Fre quenz der zu dämpfenden Schallwellen in dem den Kanal durchfliessenden Luftstrom sind. Die seitlichen Abmes sungen (nicht Tiefe) jeder Kammer 7 sind kleiner als die Wellenlänge des zu dämpfenden Schalles.
In der Fig. 3 ist der Kanal mit drei Schalldämpfern 3 ausgerüstet, die über den Querschnitt verteilt in :dem erweiterten Teil 2 des Kanals angeordnet sind. Jeder Schalldämpfer ist für sich genommen in seiner Konstruk tion ähnlich mit dem in der Fig. 1 bzw. 2 und besitzt Kammern 7, die durch Membranen 10 abgedichtet sind.
Die in der Fig. 4 gezeigte Ausführungsform ist eben falls ähnlich zu denjenigen gemäss Fig. 1. Der einzige Unterschied besteht hier darin, dass auf der innenseitigen Oberfläche jeder Membrane in regelmässigen Abständen Gewichte 12 angeordnet sind. Diese Gewichte 12 er höhen das Gewicht der Membrane pro Flächeneinheit, ohne ihre Steifigkeit zu beeinflussen.
Gemäss Fig. 5 sind zwei Schalldämpfer 3 hintereinan der angeordnet, wobei jeder Schalldämpfer zwei Kam mern 7 aufweist, die .durch flexible Membranen 10 ab gedichtet sind. Die Membranen können, sofern es er wünscht ist, ein unterschiedliches Gewicht pro Flächen einheit aufweisen, damit Schall unterschiedlicher Fre quenzen gedämpft werden kann.
Gemäss Fig.6 weist der Strömungskanal 15 zwei Schalldämpfer 16 auf, die auf gegenüberliegenden Seiten in entsprechende Verbreiterungen des Kanals 15 einge setzt sind. Jeder Schalldämpfer 16 besitzt eine Grund platte 17 und vier Seitenplatten 18, die eine Schallkam mer 7 bilden und deren offene Seite zu dem Innenraum des Kanals 17 weist. In der Fig. 6 sind lediglich zwei dieser Seitenplatten 18 gezeichnet.
Eine flexible Membrane 10 ist auf den offenen Seiten jeder Kammer 7 vorgesehen, und die innenseitige Ober fläche der Grundplatte 17 trägt eine Lage 11 aus Ab sorptionsmaterial, das jedoch nicht bis zu der Mem brane reicht.
Bei dieser Ausführungsform bilden die Membranen gleichzeitig die Seitenwände des Kanals. Im übrigen müssen selbstverständlich die Membranen und die Kam mertiefe so ausgelegt sein, dass die erfindungsgemässe Schalldämpfung erzielt wird.
Die Ausführungsform gemäss Fig. 7 ist ähnlich der jenigen der Fig. 1, allerdings mit dem Unterschied, dass hier der Schalldämpfer einen rechteckigen Rahmen auf weist, der aus vier Seitenplatten gebildet ist. Die Zeich nung zeigt lediglich die beiden senkrechten Seitenplatten 5. In diesem Rahmen ist eine Schaumstoffplatte aus Polyurethanen 21 mittig angeordnet und mit ihren Au ssenkanten an den entsprechenden Seitenplatten des Rah mens befestigt.
Die Platte 21 unterteilt so den Rahmen in zwei Kammern 7, und die offenen Seiten dieser Kam mern sind durch Membranen 10 abgedichtet, genauso wie bei der Ausführungsform gemäss Fig. 1. Die innen- seitig liegenden Oberflächen der Seitenplatten können mit Flanschen 22 ausgerüstet werden, die sich in die Ränder der Platte 21 einbetten und so für diese einen Halt bieten.
Die Lage 11 aus Absorptionsmaterial muss nicht un bedingt im Abstand von der Membrane angeordnet wer den, obwohl herausgefunden worden ist, dass gerade dann bessere Resultate erhalten werden, wenn ein solcher Zwi schenraum vorhanden ist. Darüber hinaus kann seine zu sätzliche Lage von Absorptionsmaterial, das ähnlich auf gebaut ist wie die Lage 11, auf der Aussenseite der Mem brane angebracht werden. Dadurch wird es möglich, zu- sätzlich hohe Frequenzen zu dämpfen.
In der Fig. 8 ist ein Schalldämpfer dargestellt, der ähnlich aufgebaut :ist wieder Dämpfer gemäss Fig. 7, in dem sich .eine Lage 11 aus Absorptionsmaterial mnttig innerhalb eines Rahmens befindet. Bei dieser Ausfüh rungsform sind jedoch zwei Membranen 25 in Kontakt mit der Lage 11 und mit ihren Aussenkanten an dem Rahmen befestigt. Zwei weitere Lagen 26 aus Absorp tionsmaterial sind an den Aussenseiten der zwei Mem branen vorgesehen.
Bei der Bestimmung der Eigenfre quenz :der Membranen gemäss Formel (c) entspricht die Tiefe<B>d</B> der Kammer dem halben Abstand zwischen den beiden Membranen.
Die Membranen in den Schalldämpfern gemäss Fig. 1 bis 8 bestehen alle aus einer Platte aus flexiblem Mate rial. Fig. 9 zeigt eine Konstruktion, in der jede Mem brane aus einer dünnen Platte aus galvanisiertem, wei chem Stahl oder ähnlichem, nicht flexiblen Material be steht.
Der Schalldämpfer gemäss Fig. 9 enthält einen Au ssenrahmen, :der aus zwei Seitenplatten 27 sowie Ober- und Unterplatten (nicht gezeichnet) besteht. Die Platten wessen nach innen gerichtete Flansche 28 auf, die durch entsprechende Umbiegung ihrer Aussenkanten gebildet sind. Zwei Stahlmembranen 29 sind in dem Rahmen zwischen einer Mittelschicht 30 aus Absorptionsmaterial und zwei Aussenlagen 31, ebenfalls aus Absorptions material, angeordnet.
Die Membranen haben eine Grösse, die etwas kleiner ist als die lichte Weite des Rahmens, so dass sie frei zwischen den Lagen 30 und <B>31</B> schwingen können.
Die flexiblen Membranen der Schalldämpfer gemäss Fig. 1 bis 8 können, sofern gewünscht, selbstverständlich auch durch Stahlmembranen oder andere, nicht flexible Membranen ersetzt werden, die mittels dehnbarer Bänder an den Flanschen 9, 9' befestigt werden können, um .so ein freies Schwingen zu gewährleisten.
Bei dem Schalldämpfer nach der Erfindung dämpft die Membranschwingung den Schall, der die gleiche Fre quenz wie die Schwingung der Membrane hat, ferner die Frequenzen des Schalls, die etwas ober- und unterhalb der Eigenfrequenz der Membrane liegen. Wenn beispiels weise die Eigenfrequenz der Membrane 125 Hertz be trägt, wird der Schalldämpfer nicht nur den Schall inner halb des Oktavbandes mit einer Mittelfrequenz von 125 Hertz, :sondern auch zu einem geringen Teil mit den Mit telfrequenzen von 63 und 250 Hertz dämpfen.