DE102005022807B3

DE102005022807B3 - Schall absorbierendes Bauteil und Verwendung

Info

Publication number: DE102005022807B3
Application number: DE200510022807
Authority: DE
Inventors: Helmut V. Prof. Fuchs; Xueqin Prof. Zha
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2005-05-12
Filing date: 2005-05-12
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2025-05-13
Also published as: WO2006119964A3; WO2006119964A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein allseitig Schall absorbierendes Bauteil bestehend aus einem Flächengebilde mit darin vorgesehenen Mikrolöchern mit einer kleinsten Querabmessung 0,05 < d < 2 mm, der Dicke t < 10 mm des Flächengebildes und mit einem Lochflächenanteil 0,05 < sigma < 5%. DOLLAR A Ein wesentliches Element der Erfindung besteht darin, dass das Bauteil nach der Formel DOLLAR F1 optimiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schall absorbierendes Bauteil und seine Verwendung.
Der weitaus größte Teil Schall absorbierender Bauelemente benutzt fein-faseriges oder -poröses Material zur Umwandlung von Schwingungsenergie in Wärme. Dieses Dämpfungsmaterial wird entweder gemäß 1(a) im Hohlraum zwischen einer schützenden geschlossenen oder gelochten Abdeckung und einer schallharten Rückwand oder auch gemäß 1(b) hinter oder vor der Lochplatte angebracht. Wenn man die Löcher in der Abdeckung (2r₀) nicht, wie üblich, groß sondern vergleichbar gegenüber der akustischen Grenzschicht (δ) gemäß 2 macht, so kann man auf zusätzliches Dämpfungsmaterial gemäß 1(c) ganz verzichten, derartige Absorber fallen unter den Begriff mikroperforierte Absorber.

In zahlreichen Patentschriften (z.B. EP 0 967 051 ( DE 43 12 885 ); GM 93 20 543 ( DE 43 12 886 ); DE 43 15 759 ; DE 195 06 512 ; DE 197 17 266 ) werden derartige einen mikroperforierten Absorber beinhaltende Bauteile wie z.B. Unterdecken; Schalldämpfer; Vorsatzschalen vor Fenstern und Fassaden beschrieben, die alle einen möglichst rundum geschlossenen Hohlraum benötigen. Der Abstand d zu einer schallharten Begrenzung gemäß 1(c) ist für derartig mikro-perforierte Bauelemente, zusammen mit der Geometrie der Löcher in der Platte, Membran oder Folie ein wichtiger Auslegungsparameter. Je größer d gewählt wird, umso breitbandiger wirkt diese Art von Schallabsorbern. Auch als Schalldämpfer in Lüftungskanälen ( DE 197 30 355 ) oder in Kapselungen ( DE 100 51 658 ) wirkt das stets einseitig von Schallwellen getroffene mikro-perforierte Flächengebilde nach dem Stand der Technik und des Wissens immer nur in Verbindung mit einem rückseitig angekoppelten Hohlraum. Anders als durch einen so aus der Luftmasse in den Löchern und der Luftfelder im Hohlraum gebildeten Masse-Feder-Resonator konnte man sich gar nicht vorstellen, dass dieser eigenartige Absorber mit einem Anteil von z.B. nur ca. 1 % kleiner Löcher in einer im übrigen starren Frontplatte den auf diese einseitig auftreffenden Schall nahezu vollständig „schlucken" kann.

Auch wenn man, wie in einem Rückfall auf konventionelle Schallabsorber gemäß 1(a) und 1(b), meinte, die neuartige Absorption in den kleinen Löchern (2r₀ z.B. kleiner als 1 mm) gemäß EP 1 202 874 ( DE 100 22 902 ) mit dem Einbringen zusätzlichen Dämpfungsmaterials unterstützen zu müssen, bleibt immer der räumliche Abstand zu einer schallharten Wand oder Decke ein wesentliches Merkmal dieser Art von Schallabsorbern. Auch in der theoretischen Arbeit von D.-Y. Maa (Theory and design of micro-perforated panel sound absorbing constructions, Scientia Sinica 18 (1975), 55–71), welche die Grundlagen für alle bisher realisierten mikro-perforierten Schallabsorber geschaffen hat, wird immer nur die Kombination mit einem dahinter angeordneten Hohlraum nahe gelegt.

Auch bei der Kombination mehrerer mikro-perforierter Flächengebilde als Kulissen/Baffles gemäß 3 hat man sich stets vorgestellt, dass die Hohlräume zwischen denselben eine entscheidende Rolle für die Wirksamkeit dieser Art von Schallabsorbern spielen. In WO 02/089 110 ( DE 101 20 727 ) werden sogar in den Hohlraum des Schalldämpfers noch zusätzlich mikro-perforierte Folien eingebracht. In DE 197 54 107 wird ebenfalls noch davon ausgegangen, dass die Absorption eines einzelnen Flächengebildes (ohne Luftkissen zwischen einer mikro-perforierten Platte und einer anderen oder einer harten Rückwand) nur eine untauglich kleine Absorption von kaum mehr als 10–20 % der auftreffenden Schallenergie ermöglicht (s. dort 3 und 7). Erst wenn der Abstand B benachbarter solcher Absorber (s. dort 5) sehr klein würde, meinte man bisher, Absorptionsgrade von mehr als 50 % (bezogen auf die belegte Grundfläche) erreichen zu können.

Zum Stand des Wissens gehört es außerdem, Flächengebilde auf einer makro-perforierten Substruktur als Träger bzw. Hilfsmittel für die eigentliche Mikro-Perforation aufzubauen: In US 4 850 093 wird z.B. eine sehr dünne mikro-perforierte „face plate" aus Titan über eine Bienenwaben-Struktur auf Abstand zur „solid back plate" gehalten, um so Masse-Feder-Resonatoren (s.o.) als Schalldämpfer für Strahltriebwerke zu realisieren. Die DE 44 37 196 beschreibt die Realisierung beliebig kleiner Schlitze zwischen 2 hintereinander angeordneten, gegeneinander parallel verschiebbaren, an sich makro- perforierten Platten, wiederum in Verbindung mit einem rückwärtigen Luftkissen. Schließlich wird in DE 198 39 973 gezeigt, wie man dünne und empfindliche mikro-perforierte Frontschichten aus den verschiedensten Materialien (z.B. auch Holz oder Papier) auf einer wesentlich dickeren und robusteren Makro-Struktur akustisch vorteilhaft befestigt.

Zusammenfassend kann man zum Stand des Wissens festhalten, dass bisher die mikro-perforierten Schallabsorber

– ein gegenüber konventionellen porösen/faserigen Absorbern nicht wesentlich verkleinertes Bauvolumen beanspruchen,
– eine aufwändige Unterkonstruktion erfordern, um das mikro-perforierte Frontelement im Abstand zur starren Rückwand anzubringen,
– für das zwischen Front- und Rückenplatte eingeschlossene Luftkissen kassettierende Waben-Strukturen oder/und umschließende Rahmen-Konstruktionen benötigen,
– grundsätzlich immer nur als einseitig absorbierende Bauteile konzipiert wurden.

Aufgabe der Erfindung ist es, den mikroperforierten Absorber noch einsatzfähiger und noch einfacher zu machen. Erfindungsgemäß wird dies durch den mikroperforierten Absorber nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung nach Anspruch 2. Diese Anweisung zur Optimierung des erfindungsgemäßen Absorbers beinhaltet nur noch die zwei Parameter Reibung r und Masse m des im Mikroloch in der Materialschicht (Flächengebilde) vorhandenen schwingfähigen Luftpfropfens. Diese hängen von dem Lochradius r_o (im nachfolgenden d genannt und ist die kleinste Querabmessung des Loches) und der Dicke t der Materialschicht ab. Die Absorption in dem Mikroloch wird bestimmt durch die kleinste Querabmessung d des Mikroloches. Da in allen Dokumenten, Literaturangaben und Patentschriften von Mikroperforationen die Rede ist, muss hier betont werden, dass die Mikroperforation jede Form haben kann, es sich aber in dem Flächengebilde umgangssprachlich um Löcher handelt. Das Loch kann deshalb rund, oval, elliptisch, gezackt, mehreckig, längserstreckend, z.B. rechteckig, wellenförmig, schlitzförmig oder allgemein unregelmäßig sein

Weiterhin ist dieses erfindungsgemäße Bauteil gegenüber den bekannten Mikroabsorbern neu, da es nicht mehr eine in einem Abstand angeordnete Rückwand benötigt.. Da der Schall von allen Seiten auf dieses Bauteil auftreffen kann und damit auch in die Mikroperforation, wirkt es allseitig absorbierend. Dies bewirkt natürlich auch eine erhebliche Verbesserung des Wirkungsgrades dieses neuen erfindungsgemäßen Bauteils.

Die Anordnung der bisher bekannten Absorber entspricht immer einem Resonator, was in der vorliegenden Erfindung nicht der Fall ist, da es sich um ein flächiges, einschaliges Gebilde handelt..

Das erfindungsgemäße Bauteil

– besteht aus nur einem dünnen Flächengebilde, welches frei im zu bedämpfenden Raum aufgehängt oder – gespannt wird (z.B. nach Art einer „Schürze" an einer Decke oder einem Balken bzw. nach Art einer „Standarte" an einer Wand oder einem Mast befestigt),
– bietet seine Vorder- wie seine Rückseite dem Schallfeld als hochwirksame und breitbandige Absorptionsfläche an,
– wirkt akustisch nur nach Maßgabe der Masse und der Reibung in den Löchern der Mikro-Perforation in einer für diese Art von Absorbern optimierten Relation zueinander (aber ohne die übliche resonanzartige Unterstützung durch ein angekoppeltes Feder-Element (etwa als „Luftkissen" zwischen einer Front- und einer Rückenplatte)),
– wird in seiner Wirksamkeit zu hohen Frequenzen f nur durch das Verhältnis von akustischer Masse ωm mit ω = 2πf in den Mikro-Löchern zum Strömungswiderstand r in den Löchern begrenzt,
– wird in seiner Wirksamkeit zu tiefen Frequenzen nur durch seine Längen- und Breiten-Abmessungen L_a, L_b im Verhältnis zur Wellenlänge λ = c₀/f mit der Schallgeschwindigkeit c₀ in Luft begrenzt.

Wenn im einfachsten Falle die Abmessungen des erfindungsgemäßen Bauteils sehr groß gegenüber der akustischen Wellenlänge gewählt werden können, La, Lb >> λ (1) so kann man den Absorptionsgrad für senkrecht auf diesen Absorber auftreffende Schallwellen abschätzen nach
wobei die auf den Kennwiderstand der Luft (ρ₀ c₀) bezogenen Parameter
mit dem Radius r₀ [mm] und der Länge t [mm] der zylindrisch angenommenen Perforation sowie dem Lochflächen-Verhältnis σ (typischerweise 0.001 bis 0.1, bevorzugt 0.005 bis 0.05) mit Kr = (1 + 0.031x2)1/2 + 0.35xr0/t (6) Km = 1 + (9 + 0.5x2)–1/2 + 1.7r0/t (7) x = 0.65(0.42)r0√f (8)aus dem theoretischen Rüstzeug der oben zitierten Arbeit von Maa ohne (in Klammern: mit) Wärmleitung im Material des mikro-perforierten, im Übrigen beliebig geformten, Flächengebildes ergibt.
Eine optimale Auslegung eines erfindungsgemäßen Bauteils wäre z.B. ein nur t = 0.2 mm dickes Wärme leitendes Flächengebilde mit Loch-Durchmessern von 2r₀ = 0.2 mm und einem Lochanteil von σ = 0.02. Mit r' ≅ 1 ergäbe sich so ein Absorptionsgrad von über 0.9 für Frequenzen weit in den kHz-Bereich hinein. Tatsächlich werden wohl auch die erfindungsgemäßen Absorber selten so groß sein, dass sie die Schallquelle vollständig umschließen. Im praktischen Einsatz

– trifft immer nur ein Teil der ausgesendeten Schallwellen direkt (unter durchaus unterschiedlichem Einfallswinkel) auf den Absorber,
– wird nur ein Teil der vom Absorber aufgenommenen Schallenergie im mikro-perforierten Flächengebilde in Wärme umgewandelt (ein anderer kann dahinter weiter im Raum vagabundieren),
– bei tiefen Frequenzen können Schallwellen von dem Absorber mit endlichen Abmessungen wenig gedämpft herumgebeugt und ebenfalls von anderen Flächen in den Raum zurückgeworfen werden.

Dadurch bleibt theoretisch die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Bauteils zunächst einmal hinter den oben bezifferten Erwartungen bezüglich der Höhe und Breitbandigkeit seines Absorptionsgrades zurück. Andererseits kann dieses neue Schall absorbierende Bauteil seine derart verminderte Wirksamkeit, anders als herkömmliche mikro-perforierte Bauteile mit rundum geschlossenem Luftkissen vor einer harten Raumbegrenzung, auf beiden seiner dem Schallfeld im Raum dargebotenen Oberflächen entfalten. Darin liegt, insbesondere bei Schalleinfall aus verschiedenen Richtungen, ein unschätzbarer Vorteil des „nackten" mikro-perforierten Absorbers NMPA für die unterschiedlichsten Anwendungen in der Raumakustik wie im technischen Schallschutz.
4a zeigt einen Ausschnitt und Schnitt des erfindungsgemäßen mikro-perforierten Absorbers. Der Schall trifft von allen Seiten auf das Flächengebilde und kann dort absorbiert werden.
4 zeigt den auf die (einfache) Fläche bezogenen Absorptionsgrad eines typischen erfindungsgemäßen NMPA mit einer für mittlere und hohe Frequenzen optimalen Perforation, senkrecht auf dem harten Hallraum-Boden aufgestellt. Der Verlust an Absorption bei tiefen Frequenzen gegenüber einem herkömmlichen Aufbau, bei dem der NMPA im großen Abstand parallel zum harten Hallraumboden angebracht würde, wird mehr als aufgewogen durch die Einsparung von Bauvolumen, Material und Kosten. Bei vielen Anwendungen in der zeitgemäßen Architektur verbietet sich die übliche „Verkleidung" von schallharten Wänden und Decken mit akustischen Materialien und Elementen, die nicht nur optische, sondern auch thermische Konsequenzen haben, z.B. die Bauteil-Aktivierung als Wärme- und Kältespeicher stören würden.
Der erfindungsgemäße NMPA eignet sich natürlich besonders als Schallabsorber in lauten Räumen. Seine glatte, so gut wie geschlossene Oberfläche kann nicht verschmutzen und gegebenenfalls leicht gereinigt werden. Seine geradezu winzige Bautiefe prädestiniert ihn aber außerdem für den Einsatz als Schalldämpfer in Strömungen führenden Kanälen für raumlufttechnische, prozesslufttechnische und versuchstechnische Aufbauten. 5 zeigt z.B., wie man nach dem Stand der Technik (W. Schirmer: Technischer Lärmschutz, Kap. 9, Düsseldorf: VDI, 1996) sich Mühe gibt, um durch geknickte (a) oder versetzt angeordnete Kulissen (b) sowie durch Umlenkungen (c) oder schraubenförmige (schallharte oder – absorbierende) Einbauten (d) die Dämpfung der mit der Strömung mitgeführten Schallwelle, insbesondere bei hohen Frequenzen zu verbessern. In großen Wind-Kanälen wurden bereits bis zu 30 cm dicke poröse Schaumstoff-Profile nach 6 (oben) eingebaut (H.V. Fuchs und D. Eckoldt: Umlenk-Schalldämpfer für einen Aeroakustik-Windkanal, Z. Flugwiss. Weltraumforsch. 20 (1996), 248–256).
Wenn man z.B. das an der Rohrwandung in 5(d) oder an den Umlenkapparaten in 6 (unten) derart dick aufgetragene Dämpfungsmaterial fortlassen würde und stattdessen die konventionell ungelochten dünnen Leitbleche erfindungsgemäß mit einer Mikro-Perforation (ohne Luftkissen) versehen würde, hätte dies folgende Vorteile:

– bei vorgegebenen Strömungskanälen ergäben sich entsprechend vergrößerte Strömungsquerschnitte und damit geringere Druckverluste sowie niedrigere Energiekosten
– bei vorgegebener Strömungsgeschwindigkeit und Fördermenge ergäben sich entsprechend geringere Bauvolumina und damit niedrigere Baukosten,
– bei geeigneter Formgebung können erfindungsgemäße Flächengebilde wegen ihrer leichten Formbarkeit und äußerst geringen Perforation die anliegende Strömung auf geradezu ideale Weise druckverlustarm führen und gleichzeitig die mitgeführten Schallwellen bei Anordnungen wie in 5(d) oder 6 (unten) auch mehrfach hintereinander dämpfen.

Ganz allgemein können NMPA überall dort mit Vorteil eingesetzt werden, wo laute Räume, Kanäle oder Kapselungen lauter Maschinen oder Anlagen keine mit schalldämpfenden Materialien zu verkleidende Begrenzungsflächen aufweisen. Sie ermöglichen mit ihren mechanisch robusten Materialien, z.B. aus Metall, Holz oder Kunststoff, die Installation von „Schürzen", „Standarten" oder „Schirmen", z.B. Segeln, Vorhängen und Raumteilern, die gleichzeitig auch als funktionale und gestalterische Bauteile Nutzen bringen. Während bei allen herkömmlichen Schallabsorbern das dämpfende Element (z.B. Mineralfasern, Kunststoffschäume oder auch mikro-perforierte Strukturen) stets von mehr oder weniger aufwändigen Substrukturen gehalten, umfasst oder in seiner akustischen Wirkungsweise irgendwie unterstützt wurde, vereinen NMPA Funktion und Stabilität in nur einer Flächenstruktur, die alle nur irgendwie auf dieselbe einfallenden Schallwellen nur dank der in ihrer Mikro-Perforation in sehr großer Zahl implizierten Luftmassen- und Luftreibungselemente unerwartet stark dämpft.
Das Wort Flächengebilde beinhaltet alle möglichen Formen der Materialschichten, nämlich geformte, tiefgezogene, strukturierte, geknickte, gefaltete, gewellte, kugelförmige Kunststofffolien oder Bleche
Als Material für das Flächengebilde eignen sich zunächst alle Kunststoffe, Metalle, Hölzer oder Papiere, die einfach und billig in jeder gewünschten Dicke zwischen 0,1 und 20 mm herstellbar sind. Bei dünnen Flächengebilden mit entsprechend geringer Masse muss allerdings durch die Art der Anbringung im Schallfeld dafür gesorgt werden, dass immer nur die Masse in der Mikroperforation, nicht aber das Flächengebilde als ganzes oder Teile davon in dem Schallfeld zu Schwingungen angeregt werden.

Claims

Allseitig Schall absorbierendes Bauteil bestehend aus einem Flächengebilde mit darin vorgesehenen Mikrolöchern mit einer kleinsten Querabmessung 0,05 < d < 2 mm, der Dicke t < 10 mm des Flächengebildes und mit einem Lochflächenanteil 0,05 < σ < 5 %, wobei das Bauteil nach der Formel
optimiert ist, mit • dem Absorptionsgrad, r der Reibung, bzw. der kleinsten Breite d und der Dicke t des Flächengebildes und der Masse m des im Mikroloch vorhandenen Luftpfropfen.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückwand nicht vorgesehen ist.
Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrolöcher rund, oval, elliptisch, gezackt, mehreckig, längserstreckend, z.B. rechteckig, wellenförmig, schlitzförmig oder allgemein unregelmäßig ausgebildet sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächengebilde aus Kunststoff, Metall, Holz oder Papier besteht.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kleinste Querabmessung d < 1 mm beträgt.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Flächengebildes t < 0,5 mm, vorzugsweise < 0,2 mm beträgt.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lochflächenanteil 0,05 < σ < 1,5 % beträgt.
Verwendung des Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 7, als Strömungsführungen in Windkanälen und Lüftungskanälen.
Verwendung des Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 7, als schraubenförmige Einbauten in Lüftungskanälen.
Verwendung des Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 7, als Raumteiler, z.B. in Mehrpersonenbüros.
Verwendung des Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 7, als von der Decke abgehängte Schürzen, oder Segel, z.B. über lauten Schallquellen.
Verwendung des Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 7, als von der Decke abgehängte Vorhänge, zur Verschattung und Abschirmung lauter Arbeitsplätze.