DE10151474A1 - Schallabsorber mit streifenförmiger schalldichter Abdeckung - Google Patents

Schallabsorber mit streifenförmiger schalldichter Abdeckung

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schallabsorber, bestehend aus einer porösen Absorberschicht (1), auf deren Vorderseite (2) mittels streifenförmiger schalldichter Abdeckungen (3) der Breite B schmale Spalte (4) der Breite b gebildet werden, wobei die streifenförmigen schalldichten Abdeckungen (3) unmittelbar auf der Vorderseite (2) der Absorberschicht (1) angeordnet sind und die Breite B der Abdeckungen (3) mindestens 150 mm, vorzugsweise mehr als 200 mm und mehr als das achtfache der Breite b der Spalte (4), vorzugsweise mehr als das zehnfache, beträgt. DOLLAR A Dabei ist die Breite B proportional zur Wellenlänge des zu absorbierenden Schallsignals eingestellt und die Breite b der Spalte (4) proportional zur Bandbreite des zu absorbierenden Schallsignals, um die Schallabsorption der porösen Absorberschicht (1) bei tiefen Frequenzen zu erhöhen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schallabsorber gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1 mit einer porösen Absorberschicht wie er aus dem nachfolgend beschriebenen Stand der Technik bekannt ist.
Stand der Technik
Zur Schallabsorption werden überwiegend poröse Materialien (Glas-, Mineralwolle, offenporige Schäume etc.) zumeist als Platten aber auch in anderer geometrischer Gestalt verwendet. Bereits dünne Schichten führen zu einer hohen Absorption der einfallenden Schallwellen, sofern die Schichtdicke nur mindestens einem Achtel bis zu einem Viertel ihrer Wellenlänge entspricht. Um die Oberflächen der Absorberplatten möglichst ohne Beeinträchtigung ihrer Absorptionswirkung mechanisch zu schützen, sind schalldurchlässige Schutzschichten erforderlich. Sie können aus stoff- oder gewebeartigen Lagen mit geringem Strömungswiderstand sowie aus stabilen Loch- oder Schlitzplatten (Metall, Kunststoff, Holz etc.) bestehen. Die Schalldurchlässigkeit von Lochplatten ist gegeben, wenn einfallende Schallwellen unbeeinflußt die Lochplatte durchdringen und in die Absorberschicht eindringen. Deshalb werden sowohl die Fläche und Anzahl der Löcher ausreichend groß als auch die Abstände zwischen den Löchern möglichst gleichmäßig und klein gewählt.
Die Schallabsorption mit homogenen porösen Absorbern ist für tiefe Frequenzen auf entsprechend dicke Schichten angewiesen, wofür in der Praxis häufig die Raumtiefe fehlt. In diesem Frequenzbereich werden dafür Resonanzsysteme eingesetzt, die sich aus mehreren, miteinander gekoppelten schwingfähigen Einzelelementen zusammensetzen. Ein vielfach modifiziertes und kombiniertes Funktionsprinzip ist der sogenannte Helmholtz-Resonator (z. B. US 4319661, US 3819007) als Verknüpfung eines masseartigen Luftpfropfens mit einem federartigen kompressiblen Luftvolumen. Diese beiden Komponenten bestimmen den Frequenzbereich der Schallabsorption. Bei mehreren Luftpfropfen vor einer Luftfeder definieren diese in ihrer Gesamtheit die zu berücksichtigende Luftmasse. Eine solche Ausführung repräsentieren z. B. mikroperforierte oder mikrogeschlitzte Platten (DE 43 15 759, DE 44 37 196, DE 197 54 107, DE 295 00 207 U1, DE 195 05 025 A1, WO 91/19287). Diese Platten stellen auf Grund ihrer sehr kleinen Lochdurchmesser und der damit verbundenen hohen Lochreibung eine besondere Spielart des Helmholtz-Resonators dar.
In einigen Fällen befinden sich vor den Luftpfropfen bzw. Luftöffnungen (Löcher, Schlitze etc.) dieser Resonatoren weitere Schichten, die wiederum je nach Strömungswiderstand schalldurchlässig sein oder eine zusätzliche Reibung und damit eine breitbandigere Schallabsorption des Helmholtz- Resonators bewirken können. Andererseits können diese Schichten in Form von Folien oder dünnen Platten ein mit dem Helmholtz-Resonator kombiniertes Resonanzsystem (DE 35 04 208) bilden. Je nach den Eigenschaften der Folien oder Platten stellen sie mechanische Masse-Feder- Systeme oder Plattenschwinger dar. Diese mechanischen Masse-Feder- Resonatoren allein repräsentieren ebenfalls eine große Gruppe von Schallabsorbern. Als federartige Komponenten dienen geschlossene Luftvolumina oder elastische bzw. poröse Absorberschichten. Die Ausführung (geometrische, elastische und Materialeigenschaften) der masseartigen Komponente entscheidet, ob es sich um bloße Masse-Feder-Resonatoren (biegeweiche Folien bzw. Membranen) (DE 195 06 511) oder um Plattenschwinger (biegesteife Platten) (DE 43 12 883) mit angeregten Biegeschwingungen handelt. Darüber hinaus beeinflussen die Art der Randeinspannung (starr, beweglich etc.) und die mechanische Kopplung der Komponenten (starr, elastisch) die Funktionsweise und Wirkung dieser Resonanzsysteme.
Aufgabe der Erfindung ist die Erhöhung der Schallabsorption einer porösen Absorberschicht bei tiefen Frequenzen mit möglichst geringen Schichtdicken.
Erfindungsbeschreibung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Schallabsorber nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Schallabsorbers sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Der erfindungsgemäße Schallabsorber, Fig. 1, besteht aus einer Absorberschicht (1) aus porösem Material, z. B. aus Glas- oder Mineralwolle oder offenporigem Schaum. Sie ist durch ihre geometrischen (Dicke, Gestalt) und Materialeigenschaften (Strömungswiderstand, Dichte, Strukturparameter etc.) charakterisiert. Auf der den einfallenden Schallwellen zugewandten Vorderseite (2) der Absorberschicht (1) befinden sich streifenförmige schalldichte Abdeckungen (3) der Breite B. Abgesehen von der Streifenfarm beschränken sich die Anforderungen an diese Abdeckungen (3) lediglich auf ihre Schallundurchlässigkeit.
Ebenso frei kann die Art der Verbindung mit der Absorberschicht (1) gewählt werden. Sie reicht von loser Auflage über Verklebung bis hin zu stabilen Befestigungselementen durch die Absorberschicht (1) hindurch. Bei Absorberschichten (1) mit ausreichender Eigenstabilität, z. B. gesinterter Glasschaum, können die Abdeckungen (3) auch direkt, z. B. als Putzschicht, aufgetragen werden. Der entscheidende geometrische Parameter der streifenförmigen Abdeckungen (3) ist ihre Breite B. Bei den in der Praxis endlichen Abmessungen der Abdeckungen (3) beschreibt die Breite B die kleinste Seitenlänge.
Mittels dieser Abdeckungen (3) werden schmale Spalte (4) der Breite b jeweils zwischen benachbarten Abdeckungen (3) gebildet.
Erfindungsgemäß sind die streifenförmigen schalldichten Abdeckungen (3) unmittelbar auf der Vorderseite (2) der Absorberschicht (1) angeordnet, und die Breite B der Abdeckungen (3) beträgt mindestens 150 mm, vorzugsweise mehr als 200 mm und mehr als das Achtfache der Breite b der Spalte (4), vorzugsweise mehr als das Zehnfache.
Eine schallharte Rückwand (5), Fig. 2, hinter der streifenförmig abgedeckten Absorberschicht (1) komplettiert eine beispielhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Schallabsorbers.
Die Wirkungsweise des Schallabsorbers beruht auf dem nahezu linienförmigen Eindringen der einfallenden Schallwellen durch die weit voneinander entfernten Spalte (4). Einerseits verursacht die in den Spalten (4) erhöhte Schallschnelle der einfallenden Wellen hohe Reibungsverluste beim Eindringen in die Absorberschicht (1). Andererseits breiten sich die linienförmig durch die Spalte (4) eindringenden Schallwellen in der Absorberschicht (1) allseitig aus, da der Druckausgleich und damit das ebene Eindringen der Schallwellen in die Absorberschicht (1) durch die große Entfernung zwischen den Spalten (4) verhindert wird. Bei allseitiger Ausbreitung in der Absorberschicht (1) wiederum bestimmt nicht mehr nur die Schichtdicke die Absorptionswirkung sondern auch die seitliche Ausdehnung der Absorberschicht (1). Diese beiden Zusammenhänge, durch erhöhte Schallschnelle erhöhte Reibungsverluste und durch weit entfernte Spalte (4) erzwungene allseitige Ausbreitung in der porösen Absorberschicht (1), bestimmen sowohl die Grenzen der geometrischen Parameter als auch ihre Relation zueinander. Während die Breite B der schalldichten Abdeckungen (3) proportional zur Wellenfänge des zu absorbierenden Schallsignals einzustellen ist, richtet sich die Breite b der Spalte (4) nach der notwendigen Bandbreite der Schallabsorption.
Die jeweiligen Proportionalitätsbeziehungen sind dabei eng mit den stofflichen und Struktureigenschaften (Strömungswiderstand, Dichte etc.) und Dicke der Absorberschicht (1) verknüpft. Zur Veranschaulichung der Absorptionswirkung zeigt das Diagramm in Fig. 3 den frequenzabhängigen Schallabsorptionsgrad von zwei beispielhaften Ausführungen des Schallabsorbers bei senkrechtem Schalleinfall. Der Vergleich mit dem Schallabsorptionsgrad der Absorberschicht (1) allein belegt die erreichte Erhöhung der Absorption bei tiefen Frequenzen. Die Gegenüberstellung von Meßwerte mit berechneten Werten in Fig. 4 bestätigt die erläuterte zugrundeliegende Theorie.
Ein weiterer praktisch vorhandener Parameter des Schallabsorbers ist die Dicke der Abdeckungen (3), gleichbedeutend mit der Höhe der Spalte (4), die bei herkömmlichen Helmholtz-Resonatoren eine entscheidende Rolle spielt. Der Einfluß dieses Wertes auf die Wirkungsweise des Schallabsorbers ist dagegen gering, wie der Vergleich entsprechender Meßwerte in Fig. 5 verdeutlicht. Auch unter diesem Aspekt bestehen nur geringe Einschränkungen der Gestaltungsmöglichkeiten des Schallabsorbers. Die weitgehend freie Wahl der Komponenten des Schallabsorbers ermöglicht folgende weitere vorteilhafte Ausgestaltungen:
  • - Eine Luftschicht (6) unter dem Schallabsorber ermöglicht seinen Einsatz z. B. als aufgeständerter Doppelboden, Fig. 6, mit tragender Unterkonstruktion (7).
  • - In ähnlicher Weise ermöglicht eine Luftschicht (12) hinter dem Schallabsorber seinen Einsatz als abgehängte Unterdecke, Fig. 7. Die erforderlichen Befestigungs- bzw. Distanzelemente (13) oder (14) können dabei je nach Bedarf und Materialwahl an den Abdeckungen (3) oder der Absorberschicht (1) fixiert werden.
  • - Die Spalte (4) lassen sich durch linienförmig dicht nebeneinanderliegende Löcher entsprechender Größenordnung ersetzen.
  • - Unter Berücksichtigung der Breitenmaße der schalldichten Abdeckungen (3) und der Spalte (4) können die Abdeckungen (3) sowohl eben als auch teilweise gekrümmt, geknickt, strukturiert oder mechanisch versteift sein, Fig. 8. Auch die Spalte (4) müssen nicht gerade sein, sondern können auch gekrümmt sein. Gegebenenfalls wird die Form der Absorberschicht (1) entsprechend angepaßt.
  • - Nahezu unabhängig von dieser Form der Abdeckungen (3) lassen sich vor den Abdeckungen (3) andere Schallabsorber anordnen, z. B. Formkörper (8) aus absorbierendem Material, Fig. 9. Voraussetzung ist lediglich, daß die einfallenden Schallwellen weitgehend ungehindert auf die Spalte (4) treffen.
  • - Ohne Einschränkung der Wirksamkeit lassen sich vor den Abdeckungen (3) eine Luftschicht (10) sowie eine akustisch wirksame Schicht (9), Fig. 10, aus porösem Material oder aus gelochten, geschlitzten oder mikroperforierten Platten (DE 43 15 759, DE 44 37 196) oder Folien anordnen.
  • - Die Spalte (4) können in Raumecken oder -kanten auch durch Abdeckungen (3) und Raumbegrenzungsflächen gebildet werden, Fig. 11.
  • - Ohne wesentliche Einschränkung der Absorptionswirkung des Schallabsorbers vor einer schallharten Rückwand (5) können Teile der Absorberschicht (1) unter den Abdeckungen (3) entfernt und durch Luftvolumina (11) ersetzt werden, Fig. 12.
  • - Bei transparenter Ausführung der Abdeckungen (3) sowie der schallharten Rückwand (5), z. B. aus Glas oder Kunstglas, lassen sich durchsichtige Bauteile mit hoher tieffrequenter Schallabsorption realisieren.
  • - In Ecken oder Kanten können auch Luftvolumina (11) unter den Spalten vorgesehen sein.
Vorteile gegenüber dem Stand der Technik
Im Vergleich mit porösen Absorberschichten gleicher Dicke erreicht der erfindungsgemäße Schallabsorber eine erheblich höhere Absorptionswirkung bei tiefen Frequenzen. Dieser Vorzug rechtfertigt würde auch einen allenfalls geringen Mehraufwand rechtfertigen. Vorteile des Schallabsorbers ergeben sich jedoch auch gegenüber bekannten Resonanzabsorbern, die eine ähnliche oder sogar höhere Wirksamkeit insbesondere bei sehr tiefen Frequenzen erreichen. Bei diesem Vergleich ist die konstruktiv besonders einfache Bauweise mit im wesentlichen zwei Komponenten hervorzuheben, der Absorberschicht (1) und den Abdeckungen (3). Diese können aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden, während z. B. Masse-Feder- Resonatoren oder Plattenschwinger an Materialien mit ganz bestimmten elastischen und stofflichen Eigenschaften gebunden sind. Darüber hinaus läßt sich auch die Befestigung bzw. Verbindung der Komponenten des Schallabsorbers in vielfacher Weise gestalten bzw. stößt nur auf geringe Einschränkungen.
Beschreibung der Bilder
Fig. 1 perspektivische Darstellung des Schallabsorbers,
Fig. 2 Schnittzeichnung des Schallabsorbers vor einer schallharten Rückwand (5),
Fig. 3 gemessener frequenzabhängiger Absorptionsgrad
einer Absorberschicht (1) bestehend aus 5 cm dickem offenporigen Melaminharz-Schaum (gepunktete Kurve),
einer beispielhaften Ausführungen des Schallabsorbers mit dieser Absorberschicht (1) sowie mit 1 mm dicken schalldichten Abdeckungen (3) mit B = 198 mm und b = 1 mm (dicke durchgehende Kurve),
einer beispielhaften Ausführungen des Schallabsorbers mit dieser Absorberschicht (1) sowie mit 1 mm dicken schalldichten Abdeckungen (3) mit B = 180 mm und b = 10 mm (dünne durchgehende Kurve)
vor schallharter Rückwand (5) bei senkrechtem Schalleinfall,
Fig. 4 gemessener frequenzabhängiger Absorptionsgrad
einer Absorberschicht (1) bestehend aus 5 cm dickem offenporigen Melaminharz-Schaum (gepunktete Kurve),
einer beispielhaften Ausführungen des Schallabsorbers mit dieser Absorberschicht (1) sowie mit 1 mm dicken schalldichten Abdeckungen (3) mit B = 198 mm und b = 1 mm (dicke durchgehende Kurve)
im Vergleich mit dem berechneten Absorptionsgrad
dieser beispielhaften Ausführungen des Schallabsorbers (dünne durchgehende Kurve) vor schallharter Rückwand (5) bei senkrechtem Schalleinfall,
Fig. 5 gemessener frequenzabhängiger Absorptionsgrad
einer Absorberschicht (1) bestehend aus 5 cm dickem offenporigen Melaminharz-Schaum (gepunktete Kurve),
einer beispielhaften Ausführungen des erfindungsgemäßen Schallabsorbers mit dieser Absorberschicht (1) sowie mit 1 mm dicken schalldichten Abdeckungen (3) mit B = 198 mm und b = 1 mm (dicke durchgehende Kurve),
einer beispielhaften Ausführungen des Schallabsorbers mit dieser Absorberschicht (1) sowie mit 2,5 mm dicken schalldichten Abdeckungen (3) mit B = 198 mm und b = 1 mm (dünne durchgehende Kurve)
vor schallharter Rückwand (5) bei senkrechtem Schalleinfall,
Fig. 6 Schnittzeichnung des Schallabsorbers mit einer rückseitigen Luftschicht (6) vor einer schallharten Rückwand (5) und mit einer tragenden Unterkonstruktion (7) nach Art eines aufgeständerten Doppelbodens,
Fig. 7 Schnittzeichnung des Schallabsorbers mit einer rückseitigen Luftschicht (12) vor einer schallharten Rückwand (5) und mit Befestigungs- bzw. Distanzhaltern (13) oder (14) an den Abdeckungen (3) oder an der Absorberschicht (1) nach Art einer abgehängten Unterdecke,
Fig. 8 Schnittzeichnung des Schallabsorbers mit geknickten Abdeckungen (3) und entsprechend geformter Absorberschicht (1) vor einer schallharten Rückwand (5),
Fig. 9 Schnittzeichnung des Schallabsorbers mit geknickten Abdeckungen (3) und aufgesetzten absorbierenden Formkörpern (8) sowie mit entsprechend geformter Absorberschicht (1) vor einer schallharten Rückwand (5),
Fig. 10 Schnittzeichnung des Schallabsorbers vor einer schallharten Rückwand (5) mit einer akustisch wirksamen Schicht (9) sowie einer Luftschicht (10) vor den Abdeckungen (3),
Fig. 11 Schnittzeichnung des Schallabsorbers in Raumecken oder -kanten, so daß Spalte (4) durch Abdeckungen (3) und Raumbegrenzungsflächen nach Art einer schallharten Rückwand (5) gebildet werden,
Fig. 12 Schnittzeichnung des Schallabsorbers mit geschlossenen Luftvolumina (11) in der unter den Abdeckungen (3) teilweise entfernten Absorberschicht (1) vor einer schallharten Rückwand (5),
Fig. 13 Schnittzeichnung des Schallabsorbers mit offenen Luftvolumina (11) in der unter den Spalten (4) teilweise entfernten Absorberschicht (1) vor einer schallharten Rückwand (5),
Fig. 14 Schnittzeichnung des Schallabsorbers mit offenen Luftvolumina (11) in der zusätzlich unter den Abdeckungen (3) teilweise entfernten Absorberschicht (1) vor einer schallharten Rückwand (5).

Claims (12)

1. Schallabsorber mit einer porösen Absorberschicht (1) mit streifenförmigen schalldichten Abdeckungen (3) der Breite B zur Bildung schmaler Spalte (4) der Breite b, wobei die Breite b der Spalte (4) proportional zur Bandbreite des zu absorbierenden Schallsignals bemessen ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die streifenförmigen schalldichten Abdeckungen (3) unmittelbar auf der Vorderseite (2) der Absorberschicht (1) angeordnet sind,
dass die Breite B der Abdeckungen (3) mindestens 150 mm, vorzugsweise mehr als 200 mm und mehr als das Achtfache der Breite b der Spalte (4), vorzugsweise mehr als das Zehnfache beträgt,
2. Schallabsorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte (4) durch linienförmig dicht nebeneinanderliegende Löcher gebildet sind.
3. Schallabsorber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass unter Berücksichtigung der Breitenmaße der schalldichten Abdeckungen (3) und der Spalte (4) die Abdeckungen (3) sowohl eben als auch teilweise gekrümmt, geknickt, strukturiert oder mechanisch versteift sind und die Oberfläche der Absorberschicht (1) der Form der Abdeckungen (4) angepaßt ausgebildet ist.
4. Schallabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Absorberschicht (1) und einer schallharten Rückwand (5) eine Luftschicht (6) bzw. (12) nach Art von abhängten Unterdecken oder aufgeständerten Doppelböden angeordnet ist, wobei die Absorberschicht (1) oder die Abdeckungen (3) mittels Befestigungs- oder Distanzelementen (13) bzw. (14) oder Tragekonstruktionen (7) mit der schallharten Rückwand verbunden sind.
5. Schallabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder auf den Abdeckungen (3) Formkörper (8) aus absorbierendem Material vorgesehen sind, ohne den Schalleinfall auf die Spalte (4) zu beeinträchtigen.
6. Schallabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor den Abdeckungen (3) eine Luftschicht (10) sowie eine akustisch wirksame Schicht (9) aus porösem Material oder aus gelochten, geschlitzten oder mikroperforierten Platten oder Folien vorgesehen sind.
7. Schallabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Teile der Absorberschicht (1) unter den Abdeckungen (3) entfernt und durch geschlossene Luftvolumina (11) ersetzt sind.
8. Schallabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckungen (3) und/oder die schallharte Rückwand (5) aus transparentem oder transluzentem Glas oder Kunstglas bestehen.
9. Schallabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Raumecken oder -kanten die Spalte (4) von den Abdeckungen (3) und seitlich angrenzenden Raumbegrenzungsflächen gebildet werden.
10. Schallabsorber nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberschicht (1) von den Raumbegrenzungsflächen beabstandet angeordnet ist.
11. Schallabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in Raumecken oder -kanten unter den Spalten (4) oder Spalten und der Abdeckung (3) ein zum Raum hin offener Hohlraum (11) vorgesehen ist.
12. Schallabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallabsorber als Schalldämpfer in Rohrleitungen und Kanälen in Form von Wandauskleidungen oder Kulissen verwendet wird.
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