CH691942A5 - Lambda/4-Absorber mit einstellbarer Bandbreite. - Google Patents

Description

  



  Die vorliegende Erfindung betrifft einen  lambda /4-Absorber zur Absorption von Schall, wie er von Maschinen, insbesondere von Fahrzeugen, erzeugt wird, mit einer Vielzahl röhrchenförmiger lambda /4-Resonatoren, deren Mündung an eine schallreflektierende Fläche angrenzt. 



  Das Bestreben der modernen Fahrzeug- und Maschinenindustrie ist es, die von den Maschinen resp. Fahrzeugen erzeugten Geräusche zu verringern oder ganz zu elimininieren. Zur Schallabsorption werden heute im Wesentlichen Matten aus Faserdämmstoffen oder offenporige Schäume verwendet, die um die Lärmquellen gelegt werden resp. in deren unmittelbarer Umgebung montiert werden. Deren Verwendung ist jedoch in stark verschmutzenden Umgebungen eingeschränkt, da sich diese offenporigen Materialien rasch mit \l, Wasser oder Staub anreichern und dadurch ihre schallabsorbierende Wirksamkeit verlieren. 



  Es ist auch bekannt, Schallabsorber aus einer Vielzahl unterschiedlich dimensionierter Helmholtz-Resonatoren aufzubauen. Solche Helmholtz-Absorber haben sich in der Praxis aus verschiedenen Gründen nicht durchgesetzt. Insbesondere sind solche Helmholtz-Absorber nur schwierig zu dimensionieren und/oder zu fabrizieren und ungeeignet, um in stark verschmutzenden Umgebungen verwendet werden zu können. 



  Es sind deshalb auch schon Schallabsorber vorgeschlagen worden, die aus einer Vielzahl röhrchenförmiger Resonatoren bestehen. Diese röhrchenförmigen Resonatoren können derart montiert werden, dass sich allfällige Verschmutzungen oder Nässe darin nicht verfangen können. Darüber hinaus unterscheiden sich diese röhrchenförmigen Resonatoren in ihrer akustischen Funktionsweise von Helmholtz-Resonatoren und sind dem Fachmann unter dem Namen  lambda /4-Resonatoren bekannt. 



  Dieser Unterschied liegt im Wesentlichen in der gleichzeitig in Erscheinung tretenden Masse und Kompressibilität der Luft im Resonator und kann insbesondere daran erkannt werden, dass bei den  lambda /4-Resonatoren die Resonanzfrequenz direkt durch die stehende Welle bestimmt wird, deren Wellenlänge ein Viertel der Länge des röhrchenförmigen Resonators ist, während die akustische Funktionsweise und Resonanz von Helmholtz-Resonatoren durch ein Feder-Masse-System beschrieben und bestimmt werden muss. Bei praktischen Ausführungen der Helmholtz-Resonatoren lassen sich verschiedene Annahmen, welche zur Vorausberechnung der Resonanzfrequenz getroffen werden, nicht realisieren.

   So können bspw. die Wände der Helmholtz-Resonatoren nicht so steif gebaut werden, dass sich diese unter den Druckschwankungen bei Resonanz nicht deformieren, oder kann die Masse der Luft im Halsbereich der Helmholtz-Resonatoren nicht exakt bestimmt werden. Die Vorteile der  lambda /4-Resonatoren gegenüber den Helmholtz-Resonatoren sind also im Wesentlichen in der genaueren Vorausbestimmbarkeit der Absorptionswirkung, deren geringeren Verschmutzungsgefahr und deren einfacheren Dimensionierung und Fabrikation zu sehen. 



  Ein solcher  lambda /4-Absorber ist bspw. in der WO 96/23 294 beschrieben und umfasst eine Vielzahl röhrchenförmiger Resonatoren, deren Schallöffnungen an eine Fläche angrenzen, derart, dass die Wechselwirkungszonen (in denen die auftreffende Schallwelle und die in den einzelnen Resonatoren ausgebildeten stehenden Wellen destruktiv interferierenden) der einzelnen Resonatorenöffnungen möglichst flächendeckend verteilt sind und gleichzeitig nicht wesentlich überlappen. Solche  lambda /4-Resonatoren absorbieren grundsätzlich in einem engen Frequenzbereich, um deren Resonanzfrequenz f0. Die Breite dieses Frequenzbereichs ist abhängig vom Qualitätsfaktor Q der Resonatoren resp. von der Grösse der Energieverluste, welche bei der Resonanz auftreten.

    lambda /4-Absorber können, wie in dieser Wo 96/23 294 beschrieben, in einem beliebig dichten, schallharten Material eingebet tet sein, wie bspw. Metall, Kunststoff, Keramik oder Glas. Bei der praktischen Anwendung dieser Absorber, insbesondere wenn ein breiteres Frequenzband durch eine Vielzahl von Resonatoren unterschiedlicher Länge erreicht werden soll, ist es wichtig, die Energieverluste in einfacher Weise beeinflussen zu können. Bei gewissen Ausführungsformen, z.B. bei tief gezogenen Halbröhrchen, welche mit einer Platte komplettiert werden, sind die Energieverluste sehr klein, d.h. der Q-Faktor und die Abschlussimpedanz sehr hoch. Dies führt zu unerwünscht schmalen Resonanz-Absorptionskurven. 



  Es ist also Ziel der vorliegenden Erfindung, akustisch hochwirksame lambda /4-Absorber mit einstellbare Bandbreite in einfacher Weise herstellen zu können. 



  Erfindungsgemäss wird dies durch einen  lambda /4-Absorber mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht und insbesondere durch Mittel zur Änderung der Schallenergieverluste, resp. der Schallimpedanz ZMünd im Mündungsbereich und/oder der Schallenergieverluste, resp. der Schallimpedanz ZT im Bodenbereich der  lambda /4-Resonatoren. Insbesondere wird vorgesehen, die Schallimpedanz ZMünd im Mündungsbereich der  lambda /4-Resonatoren durch einen perforierten Kopfteil zu erhöhen, resp. zusätzliche Energieverluste im Bodenbereich durch das Einsetzen von weichem und/oder wärmetauschendem Material zu erzeugen, um so ZT zu reduzieren. Dies kann also dadurch erreicht werden, dass im Bodenbereich der Resonatoren, wo die Druckschwankungen sehr gross sind, eine Wärmesenke mit grosser Kontaktfläche zur Luft vorgesehen wird.

   Eine solche Wärmesenke wird durch jedes Material gebildet, welches aus den von Druckschwankungen erzeugten Temperaturfluktuationen der Luft Wärme aufnehmen und ableiten kann. Der Fachmann auf dem Gebiet des Lärmschutzes kennt solche Materialien zur Genüge. Eine andere praktische Möglichkeit wird in der Verwendung eines Pfropfens aus geschlossenporigem viskoelastischem Schaum gesehen. 



  Eine andere Möglichkeit besteht darin, im Mündungsbereich Energieverluste herbeizuführen, indem man einen - niedrigen - Luftströmungswiderstand einbaut, z.B. ein "Gitter". Bei der Ausführungsform aus einer tief gezogenen Folie und Abdeckplatte kann ein solches "Gitter" erzeugt werden, indem man das zu öffnende Ende nicht entfernt, sondern nur perforiert. 



  Es erweist sich als überraschend, dass durch die Behinderung der Luftströmung im Mündungsbereich der  lambda /4-Absorber nicht grundsätzlich deren Absorptionsvermögen beeinträchtigt wird, sondern dass dadurch eine Absorption mit grösserer Bandbreite des Resonanzfrequenzgangs erreicht werden kann. 



  Die vorliegende Erfindung erlaubt also erstmals, effiziente lambda /4-Absorber industriell, d.h. kostengünstig, herzustellen. Darüber hinaus ermöglicht die vorliegende Erfindung auch die Konstruktion von Multifrequenzabsorbern in einfacher Weise, indem zur Bildung eines breiteren Resonanzfrequenzbandes mehrere verschieden dimensionierte  lambda /4-Resonatoren mit erfindungsgemäss erhöhtem Schallenergieverlust im Mündungs- und/oder Bodenbereich kombiniert werden. 



  Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Figuren und mithilfe von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Dabei zeigen: 
 
   Fig. 1 Prinzipschema zur Funktionsweise der  lambda /4-Resonatoren; 
   Fig. 2a Diagramm zum Absorptionsverhalten des erfindungsgemässen lambda /4-Absorbers; 
   Fig. 2b Diagramm zum Absorptionsverhalten des erfindungsgemässen Multifrequenz-Absorbers; 
   Fig. 3a Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Resonators mit geschlitztem Kopfteil für den erfindungsgemässen  lambda /4-Absorber; 
   Fig. 3b Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines Resonators mit gelochtem Kopfteil für den erfindungsgemässen  lambda /4-Absorber; 
   Fig. 3c Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Resonators mit wärmetauschendem Material im Bodenteil für den erfindungsgemässen lambda /4-Absorber;

   
   Fig. 4 Querschnitt einer praktischen Ausführungsform des erfindungsgemässen  lambda /4-Absorbers. 
 



  Die prinzipielle Funktionsweise der erfindungsgemässen  lambda /4-Absorber 1 soll anhand der Fig. 1 näher erläutert werden. Aus dieser Figur ist ersichtlich, dass die \ffnung des  lambda /4-Resonators 2 in einer schallreflektierenden Fläche A liegt. Im Folgenden soll mit Z0 die charakteristische Impedanz der Luft bezeichnet werden. Die Schallimpedanz im Bodenbereich 3 wird im Folgenden mit ZT bezeichnet und umfasst in diesem vereinfachten Modell alle Schallenergieverluste im Innern des Resonators, (wobei ZT proportional zum Qualitätsfaktor Q ist). Für eine vorgegebene Länge 1 und eine vorgegebenen Querschnittsfläche S2 des lambda /4-Resonators 2 bildet sich auf der reflektierenden Fläche A eine Wechselwirkungszone S1 aus, in welcher die auftreffende Schallwelle mit der im Resonator 2 gebildeten stehenden Welle destruktiv interferiert.

   Diese Wechselwirkungszone S1 ist auch als "äquivalente Absorptionsfläche" bekannt. Bei einer 100%-Absorption wird im Wesentlichen die Schallimpedanz im Bereich der Wechselwirkungszone S1 der charakteristischen Impedanz Z0 der Luft entsprechen. Setzt man ausserdem voraus, dass im Falle einer 100%-Absorption im Mündungsbereich 4 des  lambda /4-Resonators 2 der Schalldruck und der Teilchenfluss kontinuierlich sind, lässt sich folgende einfache Gleichung auf stellen: 



  S1 / S2 = ZT / Z0. 



  Dies gilt, wie in der genannten WO 96/23 294 dargestellt, nicht nur für senkrecht zur Fläche stehende Resonatoren, sondern ebenso gut auch für an oder in dieser Fläche eingebaute Resonatoren. Wenn diese Gleichung nicht erfüllt ist, besteht keine 100%-Absorption, d.h. besteht eine Restreflektion, welche entweder von Reflektionen an der reflektierenden Fläche A oder von Reflektionen am Resonatorboden 3 dominiert wird. Wenn man einen Absorber 1 mit hohem Absorptionsvermögen konstruieren will, sind also S1, S2 und ZT nicht frei wählbar und müssen aufeinander abgestimmt werden. Darüber hinaus bestimmt die gewünschte Bandbreite des Frequenzgangs den Wert von ZT. Demzufolge ist es wichtig, ZT und damit die Energieverluste im Resonator in gewünschter Weise einstellen zu können.

   Dies kann erfindungsgemäss durch das Einsetzen von weichen, d.h. viskoelastischen, geschlossenporigen Schäumen oder andere wärmetauschende Materialien im Bodenbereich der  lambda /4-Resonatoren erzielt werden, wobei alle Materialien gewählt werden können, welche bei hohen Druckschwankungen zu Energiedissipationen führen. 



  Nimmt man bspw. einen Resonator 2, für welchen das Flächenverhältnis S1/S2 = 25 ist, dann ergibt sich für eine 100%-Absorption ein Impedanzverhältnis ZT/Z0 = 25. Da Z0 der charakteristischen Impedanz der Luft entspricht, also einen Wert von ca. 400 Ns/m<3> aufweist, beträgt die erforderliche Schallimpedanz ZT im Bodenbereich ca. 25 * 400 Ns/m<3>. Leider sind derartig hohe Impedanzwerte heute nur schwierig zu realisieren. 



  Die vorliegende Erfindung macht darüber hinaus von der Erkenntnis Gebrauch, dass bei der Resonanzfrequenz für das Impedanzverhältnis ZT/Z0 im Bodenbereich 3 und das Impedanz verhältnis Z0/ZMünd im Mündungsbereich 4 folgende Beziehung gilt: 



  ZT / Z0 = Z0 / ZMünd 



  Dies führt zu der überraschenden Einsicht, dass an Stelle einer Erhöhung der Energieverluste im Bodenbereich 3 des  lambda /4-Resonators 2, ebenso gut die Energieverluste im Mündungsbereich 4 desselben erhöht werden können. Für obiges Beispiel, bei welchem S1/S2 = 25 gewählt worden ist, ergibt sich damit ein Impedanzverhältnis Z0/ZMünd = 25 resp. ZMünd = 1/25 * Z0 = 1/25 * 400 Ns/m<3>. Dieser Wert entspricht etwa dem Strömungswiderstand resp. der Schallimpedanz eines grobmaschigen Gitters (Fliegengitter) und kann damit in einfacher Weise, d.h. industriell realisiert werden. 



  Grundsätzlich könnte man jedoch an jeder Stelle des Resonators durch den Einbau geeigneter Luftströmungswiderstände die gewünschten Energiedissipationen herbeiführen. 



  Diese Überlegungen können durch experimentelle Messungen, wie in Fig. 2a dargestellt, bestätigt werden. Kurve C in Fig. 2a zeigt den Frequenzgang eines 84 mm tiefen und 14 mm Innendurchmesser aufweisenden  lambda /4-Absorbers mit einem Flächenverhältnis von S1/S2 = 50, welcher keine Mittel zur Erhöhung des Schallenergieverlustes aufweist. Der Frequenzgang resp. die Absorptions-Charakteristik dieses Resonators weist eine Bandbreite Bc von lediglich 5,1% auf. 



  Kurve D in Fig. 2a stellt den Frequenzgang eines erfindungsgemässen akustisch optimierten  lambda /4-Absorbers dar. Bei diesem Absorber beträgt das Flächenverhältnis S1/S2 = 25 und weist die Absorptions-Charakteristik eine Bandbreite BD von ca. 11% auf. 



  Diese Kurven machen deutlich, dass durch die Veränderung des Luftströmungswiderstandes resp. der Schallimpedanz im Mündungsbereich 4 und/oder im Bodenbereich 3 des Resonators 2 die Frequenzgangbreite B beeinflusst werden kann und gleichzeitig eine fast 100%-Absorption realisierbar ist. 



  Fig. 2b macht das Absorptionsverhalten des erfindungsgemässen Multifrequenz-Absorbers deutlich. Bei der Verwendung konventioneller lambda /4-Resonatoren (Schmalbandabsorber) mit unterschiedlicher Resonanzfrequenz zeigt sich ein Absorptionsverhalten, wie dies durch die Kurve V dargestellt ist. Die Kurve V ergibt sich aus der Summe der von den einzelnen Schmalbandabsorbern erzeugten Absorptionscharakteristiken S1, S2 und S3. Diese Kurve V macht die Nachteile der mit herkömmlichen Schmalbandabsorbern geschaffenen Multifrequenzabsorber deutlich. Diese Kurve V folgt den Frequenzgang der einzelnen Schmalbandabsorber und fällt zwischen den entsprechenden Resonanzfrequenzen f1, f2 und f3 stark ab, d.h. zeigt in diesem Zwischenbereich eine schlechte Absorption.

   Demgegenüber ist es mit den erfindungsgemässen  lambda /4-Absorbern möglich, ein breites Absorptionsband W mit konstant hohem Absorptionsvermögen zu schaffen. Aus Fig. 2b wird deutlich, dass die erfindungsgemässen lambda /4-Absorber gegenüber den konventionellen Schmalbandabsorbern eine grössere Bandbreite B aufweisen. Dies führt bei Multifrequenzabsorbern zu wesentlichen Überlappungen der Absorptionscharakteristiken T1, T2 und T3 der einzelnen  lambda /4-Absorber in den zwischen den einzelnen Resonanzfrequenzen f1, f2 und f3 liegenden Bereichen. Diese Überlappungen führen dazu, dass die Summe W der durch die erfindungsgemässen Einzelabsorber erzeugten Absorptionen T1, T2 und T3 auch im Bereich zwischen den Resonanzfrequenzen f1, f2 und f3 zu einer fast 100%-Absorption führt. Dies zeigt die Kurve W deutlich.

   Damit wird auch deutlich, dass mit den erfindungsgemässen  lambda /4-Absorbern Multifrequenzabsorber mit einer beliebigen Absorptionscharakteristik geschaffen werden können. 



  Fig. 3a, 3b und 3c zeigen Ausführungsformen der erfindungsgemässen lambda /4-Absorber. Aus Fig. 3a ist ersichtlich, dass der Resonator 2 einen Kopfteil 5 aufweist, in welchem eine Vielzahl von Perforationen, insbesondere Schlitze 6 eingebracht ist. An Stelle eines solchen Kopfteils 5 oder in Ergänzung eines solchen, kann erfindungsgemäss im Bodenbereich 3 des Resonators 2 ein weiches oder wärmetauschendes Material 7 angebracht sein (Fig. 3a, 3c). In einer weiteren Ausgestaltung des gitterartigen Kopfteils 5 können an Stelle von schlitzartigen Perforationen 6 auch Löcher 8 vorgesehen sein (Fig. 3b). Die geometrische Gestaltung des Resonators 2, die Wahl des wärmetauschenden Materials 7 und die Form, Dimensionierung und Anzahl der Perforationen 6, 8 liegen im Bereich des gewöhnlichen fachmännischen Handelns.

   Als geeignete energiedissipierende Materialien 7 sind solche Materialien zu betrachten, die relativ zu Luft eine grosse Wärmekapazität und eine möglichst grosse Oberfläche aufweisen, wie bspw. offenporiger Schaum mit kleinen Zellen, watteartige Faserstoffe, körniges Material oder poröses Keramikmaterial. Als weiche Materialien kommen geschlossenporige, viskoelastische Schäume oder andere Materialien in Frage, die bei hohen Druckschwankungen Energie dissipieren. 



  Fig. 4 zeigt einen anderen industriell in einfacher Weise realisierbaren Multifrequenzabsorber 9 mit einer Vielzahl unterschiedlich dimensionierter Resonatoren 2. In einer bevorzugten Ausführungsform weist dieser eine aus einem Faservlies oder Schaum gefertigte Trägerschicht 10 auf, in welche röhrchenförmige Vertiefungen 11 eingeformt sind. Diese röhrchenförmigen Vertiefungen 11 können mit einer Klebschicht 12 überzogen sein, um einerseits die Poren der Trägerschicht 10 in diesem Bereich zu verschliessen, und andererseits eine Deckfolie 13 an dieser Trägerschicht 10 zu befestigen. Die erfindungsgemässen Löcher 8 oder Schlitze 6 können in dieser Deckfolie 13 eingebracht werden.

   Für bestimmte Anwendungen ist auch vorgesehen, die geformte Trägerschicht 10, statt mit einer Deckfolie 11 zu versehen, an einer festen Aussenhaut, bspw. einer Motorhaube, anzubringen und die Perforationen 8, 6 im verformten Bereich 14 der Trägerschicht 10 anzubringen. 



  Die erfindungsgemässen  lambda /4-Absorber lassen sich in einfacher Weise industriell fertigen. Insbesondere können diese in bekannter Weise extrudiert werden, bspw. als extrudierte Platten mit röhrchenartigen Vertiefungen, welche mit einer zweiten Platte abgedeckt werden, hergestellt werden. Je nach Anwendungsbereich lassen sich diese erfindungsgemässen Absorber auch mithilfe der Tiefzieh- oder Spritzgiesstechnik herstellen. In einer weiteren Fertigungsform kann direkt wellkartonartiges Material, in welches die erfindungsgemässen Perforationen eingebracht werden, verwendet werden. 



  Es versteht sich, dass für die jeweiligen Anwendungen die erfindungsgemässen  lambda /4-Resonatoren in geeigneter Weise dimensioniert werden können und/oder unterschiedlich dimensionierte lambda /4-Resonatoren zur Bildung eines Breitbandabsorbers miteinander kombiniert werden können. Es versteht sich auch, dass die erfindungsgemässen Resonatoren, einzeln, in Gruppen mit gleichartigen Resonatoren (Monofrequenzabsorber) oder in Gruppen mit unterschiedlich dimensionierten Resonatoren (Multifrequenzabsorber) hergestellt und eingesetzt werden können. Selbstverständlich können die erfindungsgemässen Absorber auch mit herkömmlichen faserigen oder geschäumten Absorbern kombiniert werden und insbesondere so abgestimmt sein, dass diese im Bereich des Absorptionsabfalls gegen tiefe Frequenzen wirksam sind.

   Ihre bevorzugte Anwendung wird in Land- und Luftfahrzeugen ebenso gesehen wie bei Transformatoren, Generatoren, Getrieben oder anderen Maschinen jeder Art. 



  Anwendungen im Fahrzeugbau liegen insbesondere bei Absorptionsbauteilen an Motorhauben, an Stirnwänden und Radkä sten, insbesondere motorseitig, an Dachhimmeln, Türverkleidungen resp. Türhohlkörpern und Kofferraumdeckeln, in Lieferwagen oder Lastwagen, im Ladebereich, am Dach oder an den Wänden. Es versteht sich, dass diese Absorber auch im Hochbau oder Strassenbau eingesetzt werden können, insbesondere an Wänden und Decken von Wohn- oder Arbeitsräumen, in Fabrikhallen, Sporthallen, Tunnels oder an Schallschirmen entlang von Strassen oder Bahntrassées.

Claims (10)

1. lambda /4-Absorber zur Absorption von Schall, wie er von Maschinen, insbesondere von Fahrzeugen, erzeugt wird, mit mindestens einem röhrchenförmigen lambda /4-Resonator (2), dessen Mündung (4) an eine schallreflektierende Fläche (A) angrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der Bandbreite (B) des Resonanzfrequenzgangs (C, D) des lambda /4-Resonators (2), dieser mit Mitteln (6, 8, 7) zur Änderung des Schallenergieverlustes im lambda /4-Resonator (2) versehen ist.

2. lambda /4-Absorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (6, 8) zur Änderung des Energieverlustes im Mündungsbereich (4) des X/4-Resonators (2) vorgesehen sind.

3.

lambda /4-Absorber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (6) zur Änderung des Energieverlustes im Mündungsbereich (4) ein Kopfteil (5) mit einer Mehrzahl schlitzförmiger Perforationen (6) umfassen.

4. lambda /4-Absorber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (8) zur Änderung des Energieverlustes im Mündungsbereich (4) ein Kopfteil (5) mit einer Mehrzahl lochförmiger Perforationen (8) umfassen.

5. lambda /4-Absorber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (6, 8) zur Änderung des Energieverlustes im Mündungsbereich (4) ein gitterartiges Kopfteil (5) umfassen.

6. lambda /4-Absorber nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopfteil (5) integrierter Bestandteil des lambda /4-Absorbers (2) ist.

7.

lambda /4-Absorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (7) zur Änderung des Energieverlustes im Bodenbereich (3) des lambda /4-Resonators (2) vorgesehen sind.

8. lambda /4-Absorber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (7) zur Änderung des Energieverlustes im Bodenbereich (3) ein im Bodenteil des Resonators (2) vorgesehenes weiches und/oder wärmetauschendes Material umfassen.

9. Verwendung eines lambda /4-Absorbers nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Bildung eines Multifrequenz-Absorbers.

10. Verwendung eines lambda /4-Absorbers nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Bildung eines Monofrequenz-Absorbers.