DE102005045844B3 - Schalldämmelement und Verfahren zur Herstellung eines Schalldämmelements - Google Patents

Schalldämmelement und Verfahren zur Herstellung eines Schalldämmelements Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schalldämmelement (1), ein Verfahren zur Herstellung solch eines Schalldämmelements (1) sowie ein Flugzeug, bei dem zumindest ein Bauteil in Form solch eines Schalldämmelements (1) ausgebildet ist. Das erfindungsgemäße Schalldämmelement (1) umfasst eine erste Wandfläche (2), eine zweite Wandfläche (3) sowie eine Vielzahl an Federelementen (4). Hierbei sind die erste Wandfläche (2) und die zweite Wandfläche (3) durch einen Zwischenraum (7) beabstandet zueinander angeordnet, in welchem die Vielzahl an Federelementen (4) angeordnet sind, die die erste Wandfläche (2) und die zweite Wandfläche (3) miteinander verbinden. Um eine weitestgehende Entkopplung der ersten Wandfläche (2) und der zweiten Wandfläche (3) zu erzielen, werden die Federelemente (4) vorgespannt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das technische Gebiet der Akustik. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Schalldämmelement, mit welchem sich hohe Schalldämmmaße im gesamten Frequenzbereich und insbesondere im tieffrequenten Bereich erzielen lassen. Fernerhin betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für solch ein Schalldämmelement, sowie ein Flugzeug, bei dem zumindest ein Bauteil in Form solch eines Schalldämmelements ausgebildet werden kann.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Bekannte Schalldämmelemente sind häufig als Doppelwandsystem ausgeführt. Derartige Doppelwandsysteme bestehen in aller Regel aus zwei Wandflächen, welche über mechanische Verbindungen beabstandet miteinander verbunden sind. Vor allem wenn die Doppelwandsysteme aus Platzgründen nur eine geringe Dicke haben dürfen, sind die Schaldämmmaße bekannter Doppelwandsysteme insbesondere im niederfrequenten Bereich relativ gering. In diesem Falle sind die beiden Wandflächen der bekannten Doppelwandsysteme in ungünstiger Art und Weise über die zwischen den Wandflächen eingeschlossene Luft miteinander gekoppelt, wobei zusätzlich noch eine Koppelung über die notwendeigen mechanischen Verbindungen erfolgt, wodurch ebenfalls Schall von der einen Wandfläche auf die andere übertragen werden kann. Bedingt durch diesen Aufbau erbringen bekannte Doppelwandsysteme jedoch lediglich geringe Schalldämmmaße, was jedoch gerade im Gebiet der Luft- und Raumfahrttechnik im Hinblick auf den Passagierkomfort als nicht ausreichend erscheint.
  • Fernerer Stand der Technik ist eine in der DE3014207C2 offenbarte Isolierglaseinheit mit Innenscheibe, Außenscheibe und Gasfüllung im Zwischenraum. Zumindest eine der Scheiben ist an zumindest einem Rand mit Hilfe eines federnden Abschlußaggregates unter Schallbeaufschlagung schwingend verlagerbar gehalten. Die Federkennlinie des Abschlußaggregates hat im mittleren Bereich einen im wesentlichen horizontalen Federkennlinienabschnitt, auf dem der Arbeitspunkt des Abschlußaggregates bei Schallbeaufschlagung wandert.
    •
  • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Ausgehend von den beschriebenen bekannten Doppelwandsystemen anhaftenden Nachteilen besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein zumindest doppelwandiges Schalldämmelement anzugeben, bei dem die Kopplung der Einzelwände gegenüber bekannten Doppelwandsystemen herabgesetzt ist.
  • So betrifft die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt ein Schalldämmelement, welches eine erste Wandfläche, eine zweite Wandfläche und eine Vielzahl an Federelementen umfasst. Hierbei ist die erste Wandfläche von der zweiten Schalldämmelement durch einen Zwischenraum beabstandet angeordnet. In diesem Zwischenraum befindet sich die Vielzahl an Federelementen angeordnet, welche die erste Wandfläche und die zweite Wandfläche miteinander verbinden. Diese Federelemente haben eine degressive Federkennlinie und können durch Vorspannung in einen Zustand gebracht werden, in dem ihre Federkonstante gegen Null geht, so dass auch die dynamische Koppelung der ersten und der zweiten Wandfläche über die Federn weitgehend gegen Null geht. Um eine weitestgehende dynamische Entkopplung der ersten Wandfläche und der zweiten Wandfläche zu erzielen, können somit die Vielzahl an Federelementen vorgespannt werden, wodurch insbesondere im tieffrequenten Bereich eine weitestgehende Entkopplung der ersten und der zweiten Wandfläche erreicht werden kann. Zwar wurde das Schalldämmelement hier mit zwei voneinander beabstandeten Wandfläche beschrieben, jedoch kann das Schalldämmelement auch drei und mehr Wandfläche aufweisen, welche jeweils durch Federelemente voneinander entkoppelt sind.
  • Um die nötige Vorspannung auf die Federn zu erzeugen, wird der Zwischenraum, durch welchen sich die erste Wandfläche und die zweite Wandfläche beabstandet gegenüber liegen, mit einem Unterdruck beaufschlagt werden, wodurch die Vielzahl an Federelementen vorgespannt wird. Neben der Vorspannwirkung, welche durch eine derartige Evakuierung des Zwischenraums erzielt werden kann, bringt die Unterdruckbeaufschlagung des Zwischenraums den weiteren positiven Effekt mit sich, dass dadurch die Kopplung der ersten und der zweiten Wand durch die üblicherweise in dem Zwischenraum eingeschlossene Luft minimiert werden kann. Die hohen Lasten, welche in Folge einer derartigen Evakuierung des Zwischenraums auftreten, werden über die Federelemente aufgenommen, deren Federkonstante in dem durch den Unterdruck entstandenen Lastbereich derart eingestellt ist, dass sie annährend gegen Null geht, wodurch dynamisch annährend keine Lasten mehr übertragen werden.
  • Um eine derartige Federkonstante zu erzielen, weist jedes einzelne der Vielzahl an Federelementen eine Federkennlinie F(x) auf, welche zumindest abschnittsweise einen degressiven Bereich besitzt. So ist die Federkennlinie F(x) in einem gewissen Bereich konkav gekrümmt, in welchem sie vorzugsweise einen Hochpunkt aufweist, in dem sich die Federkonstante durch Gradientenbildung zu Null einstellt. Im Bereich um diesen Hochpunkt herum ist die Federkonstante durch Gradientenbildung zwar nicht exakt Null, nähert sich jedoch Null an, was sich im Hinblick auf die Schalldämmung dahingehend günstig auswirkt, dass in diesem Bereich dynamisch annährend keine Lasten mehr übertragen werden.
  • Es wird angestrebt, die Vorspannung soweit aufzubauen, dass sich die Federkonstante in dem degressiven Federkennlinienbereich zu Null einstellt, jedoch wird dieser Punkt in aller Regel schwer einzustellen sein. Gute Ergebnisse lassen sich jedoch auch bereits dann erzielen, wenn die einzelnen Federelemente der Vielzahl an Federelemente bis in einen Bereich vorgespannt werden, in welchem der Gradient, also die Federkonstante kleiner ist als 5% des maximalen Werts des Gradienten im gesamten Bereich der Federkennlinie.
  • Zwar können beliebige Federelemente zum Einsatz kommen, welche eine abschnittsweise degressive Federkennlinie aufweisen, jedoch haben Versuche gezeigt, dass sich gute Ergebnisse unter Verwendung von Tellerfedern als Federelemente erzielen lassen.
  • Damit der in dem Zwischenraum zwischen der ersten Wandfläche und der zweiten Wandfläche erzeugte Unterdruck sich nicht verflüchtigt, ist die erste Wandfläche und die zweite Wandfläche durch ein flexibles Dichtungselement berandet, welches den Zwischenraum gegenüber der Atmosphäre abdichtet.
  • Um einem "Umschnappen" der Federelemente in dem Bereich, in dem ihr Gradient annährend Null ist, entgegen zu wirken, können die erste Wandfläche und die zweite Wandfläche zusätzlich über andere Federelemente als Anschlag gegenseitig abgestützt werden, welche eine lineare, progressive oder jede andere Art von Federkennlinie aufweisen, welche keinen Umschnappeffekt zeigen oder deren Hochpunkt sich in einem anderen Auslenkungsbereich befindet als der Hochpunkt der im Rahmen der vorliegenden Erfindung zuerst genannten Federelemente. Hierdurch kann erreicht werden, dass, wenn die als erstes genannten Federelemente zum Umschnappen neigen, die durch das Vakuum erzeugten Lasten weiter durch die hier als zweites genannten Federelemente aufgenommen werden können.
  • Wie bereits eingangs erläutert wurde, vermögen bekannte doppelwandige dünne Schalldämmelemente insbesondere im niederfrequenten Bereich nur geringe Schalldämmmaße zu erzielen. Demgegenüber können mit der erfindungsgemäßen Ausbildung eines Schalldämmelements erhebliche Verbesserungen erzielt werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines doppelschaligen Schallelements vorgeschlagen, bei dem in einem ersten Schritt eine erste Wandfläche mit einer zweiten Wandfläche über eine Vielzahl an Federelementen verbunden wird, sodass die erste Wandfläche und die zweite Wandfläche durch einen Zwischenraum beabstandet zueinander angeordnet sind. Hierbei wird der Abstand des Zwischenraums durch die Ausdehnung der Federelemente bestimmt. In einem weiteren Schritt wird die Vielzahl an Federelementen so vorgespannt, dass die erste Wandfläche und die zweite Wandfläche weitestgehend mechanisch dynamisch entkoppelt sind. Anstelle lediglich zwei Wandflächen über eine Vielzahl an Federelementen zu beabstanden, ist es selbstverständlich ebenfalls möglich, eine dritte oder noch mehr Wandflächen über Federelemente beabstandet zu der ersten oder der zweiten Wandfläche anzuordnen, sodass ein ganzes Paket aus beabstandet zueinander angeordneten Wandflächen entsteht.
  • Da eine besonders einfache Art und Weise zur Vorspannung der Vielzahl an Federelementen und zur Reduktion der Luftschallübertragung darin besteht, den Zwischenraum zwischen dem ersten und dem zweiten Wandelement mit einem Unterdruck zu beaufschlagen, wird der Zwischenraum zwischen dem ersten Wandelement und dem zweiten Wandelement gegenüber der Atmosphäre mit einem Dichtungselement abgedichtet, welches die erste Wandfläche und die zweite Wandfläche berandet. Durch eine derartige Abdichtung kann erreicht werden, dass ein einmal in dem Zwischenraum erzeugte Unterdruck auf Dauer konstant vorhanden bleibt und sich nicht gegenüber der Außenatmosphäre wieder ausgleicht. Alternativ kann durch einen Absaugstutzen und eine daran angeschlossene Absaugpumpe der erforderliche Unterdruck an die Einsatzbedingungen angepasst werden,.
  • Die verwendeten Federelemente müssen, wie bereits zuvor beschrieben, zumindest abschnittsweise eine degressive Federkennlinie aufweisen, in welchem Bereich die Federkennlinie einen Hochpunkt ausbildet. Eine gute Entkopplung der ersten und der zweiten Wandfläche kann dann dadurch erzeugt werden, indem die Vielzahl an Federelementen soweit vorgespannt wird, dass der Gradient der Federkennlinie, also die Federkonstante einen Wert von Null besitzt. Da sich dieser Punkt jedoch schwer einstellen lässt, wird es in aller Regel ausreichen, die Vielzahl an Federelemente bis in einen Bereich vorzuspannen, in welchem ihre Federkonstante einen Wert besitzt, der kleiner als 5% ihrer maximalen Federkonstante ist. Wenn die Federkonstante auf einen derartigen Wert eingestellt wird, können erhebliche Verbesserungen bei der Schalldämmung erreicht werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird fernerhin ein Flugzeug zur Verfügung gestellt, bei dem zumindest das Eis-Schutz-Schild im Propellerbereich und die darunter in einem gewissen kleinen Abstand liegende Rupfhaut als Schalldämmelement ausgebildet ist, wie es zuvor beschrieben wurde. So entstehen gerade am Eis-Schild, welcher am Flugzeugrumpf angebracht ist, um diesen gegen von einem Propeller abreißendes Eis schützen, extrem hohe Schallpegel, welche es aus Komfortgründen für die Flugzeugpassagiere vom Kabineninnenraum fern zu halten gilt, weshalb sich gerade die Ausbildung des Eis-Schildes in Form des erfindungsgemäßen Schalldämmelements als vorteilhaft erweisen kann.
    •
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen exemplarisch erläutert. Das in den Figuren exemplarisch beschriebene Ausführungsbeispiel dient lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und darf insbesondere nicht als schutzbereichsbeschränkend aufgefasst werden. Es zeigt:
  • 1 zeigt ein perspektivisches Drahtgittermodell des erfindungsgemäßen Schalldämmelements;
  • 2 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Schalldämmelement; und
  • 3 zeigt eine exemplarische Federkennlinie eines Federelements des erfindungsgemäßen Schalldämmelements.
  • In sämtlichen Figuren hinweg sind gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen oder übereinstimmenden Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Darstellungen sind nicht zwangsweise maßstäblich, können jedoch qualitative Größenverhältnisse wiedergeben.
  • BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN
  • AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
  • Die 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Schalldämmelements 1 bei dem eine erste Wandfläche 2 und eine zweite Wandfläche 3 durch eine Vielzahl an Federelementen 4, welche hier als Tellerfedern 4 ausgebildet sind, beabstandet angeordnet sind. Der besseren Darstellbarkeit wegen, ist hier die erste Wandfläche 2 durchsichtig dargestellt, um das Innenleben des erfindungsgemäßen Schalldämmelements 1 besser zu verdeutlichen. Die Tellerfedern 4 sind hier in einem regelmäßigen Rechteckraster relativ zueinander angeordnet, um eine möglichst gleichmäßige Entkopplung der ersten Wandfläche 2 von der zweiten Wandfläche 3 zu erzielen.
  • Wie der 2 besser entnommen werden kann, sind die erste Wandfläche 2 und die zweite Wandfläche 3 durch einen Zwischenraum 7 beabstandet zueinander angeordnet. In diesem Zwischenraum 7 sind in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Tellerfedern 4 angeordnet, die die erste Wandfläche 2 und die zweite Wandfläche 3 miteinander verbinden. Zwar können die Tellerfedern 5 auf jede beliebige Art und Weise vorgespannt werden, bei der kein Kontakt zwischen den Wandflächen 2, 3 entsteht, jedoch besteht eine besonders einfache Möglichkeit zur Vorspannung der Tellerfedern 4 darin, den Zwischenraum 7 über eine Absaugung 6 mit einem Unterdruck zu beaufschlagen, wodurch die Tellerfedern 5 vorgespannt werden. Damit ein auf dieser Art und Weise einmal erzeugter Unterdruck im Zwischenraum 7 auf Dauer erhalten bleibt, wird das Schalldämmelement 1 an den Rändern der ersten Wandfläche 2 und der zweiten Wandfläche 3 durch ein flexibles Gummidichtungselement 5 berandet, welches den Zwischenraum 7 gegenüber der Außenatmosphäre abdichtet. Alternativ dazu kann der Unterdruck über eine Absaugpumpe, die an den Absaugstutzen 6 angeschlossen ist, eingestellt und aufrechterhalten werden.
  • Unter Bezugnahme auf die 3 wird abschließend eine Federkennlinie F(x) vorgestellt, die eine Tellerfeder 4 zur Verwirklichung der erfindungsgemäßen Entkopplung der ersten Wandfläche 2 von der zweiten Wandfläche 3 aufweisen kann. Bei dem in der 3 gezeigten Diagramm wird auf der X-Achse die Auslenkung x und auf der Y-Achse die Federkraft F(x) dargestellt. Ausgehend vom Nullpunkt nimmt die Federkraft bis zum Hochpunkt der Federkennlinie unterproportional zu, welche Federcharakteristik im Allgemeinen als degressiv bezeichnet wird. Da bekanntermaßen die Steigung der Federkennlinie an einer Stelle x die Federkonstante der Feder mit dieser Federkennlinie wiedergibt, ist bei der in der 3 dargestellten Federkennlinie im Ursprung die Federkonstante maximal, da dort die maximale Steigung vorliegt. Bis zum Hochpunkt nimmt die Steigung der Federkennlinie kontinuierlich ab, was gleichzeitig bedeutet, dass auch die Federkonstante sukzessive abnimmt. Am Hochpunkt ist letztlich die Gradiente oder Steigung der Federkennlinie gleich Null, was bedeutet, dass die Federkonstante an dieser Stelle Null ist.
  • Wird eine Tellerfeder nun bis in den Bereich um den Hochpunkt herum vorgespannt, so wird die Tellerfeder bei einer weiteren dynamischen Auslenkung in Folge Schalls, keine zusätzlichen Lasten mehr übertragen können, wodurch eine weitgehende Entkopplung unter Verwendung einer Tellerfeder mit solch einer Federcharakteristik erzielt werden kann. Zwar ergibt sich die beste Entkopplung dann, wenn die Tellerfeder genau bis zu dem Hochpunkt ihrer Federkennlinie vorgespannt wird; da sich jedoch dieser Punkt nur schwer einstellen lässt, kann es ausreichen, die Tellerfedern 5 so weit vorzuspannen, dass ihr Gradient
    Figure 00100001
    einen Wert besitzt, der kleiner als 5% des maximalen Gradientenwerts
    Figure 00100002
    im gesamten Bereich der Federkennlinie F(x) ist, welcher bei der hier gezeigten Federcharakteristik im Ursprung erzielt wird.
    • 1
    Schalldämmelement
    2
    Erste Wandfläche
    3
    Zweite Wandfläche
    4
    Federelement
    5
    Dichtungselement
    6
    Absaugung
    7
    Zwischenraum

Claims (12)

  1. Schalldämmelement (1), umfassend: – eine erste Wandfläche (2); – eine zweite Wandfläche (3); und – eine Vielzahl an Federelementen (4); wobei die erste Wandfläche (2) und die zweite Wandfläche (3) durch einen Zwischenraum (7) beabstandet zueinander angeordnet sind, in welchem (7) die Vielzahl an Federelementen (4) angeordnet sind, die die erste Wandfläche (2) und die zweite Wandfläche (3) miteinander verbinden, und wobei jedes einzelne Federelement der Vielzahl an Federelementen (4) zur Entkopplung der ersten Wandfläche (2) und der zweiten Wandfläche (3) vorgespannt ist.
  2. Schalldämmelement gemäß Anspruch 1, wobei der Zwischenraum (7) mit einem Unterdruck beaufschlagt ist, wodurch die Vielzahl an Federelementen (4) vorgespannt wird.
  3. Schalldämmelement gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei jedes einzelne der Vielzahl an Federelemente (4) eine Federkennlinie F(x) mit zumindest abschnittweise einem degressiven Bereich aufweist.
  4. Schalldämmelement gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei jedes einzelne der Vielzahl an Federelemente (4) eine Federkennlinie F(x) mit zumindest einem Bereich besitzt, in welchem der Gradient
    Figure 00120001
    gegen Null geht.
  5. Schalldämmelement gemäß Anspruch 4, wobei die Vielzahl an Federelemente (4) bis in einen Bereich vorgespannt ist, in welchem der Gradient
    Figure 00130001
    Wert besitzt, der kleiner als 5% des maximalen Werts des Gradienten
    Figure 00130002
    im gesamten Bereich der Federkennlinie F(x) ist.
  6. Schalldämmelement gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl an Federelemente (4) als Tellerfedern ausgebildet sind.
  7. Schalldämmelement gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, ferner umfassend: – ein Dichtungselement (5), welches die erste Wandfläche (2) und die zweite Wandfläche (3) berandet und welches den Zwischenraum (7) gegenüber der Atmosphäre abdichtet.
  8. Verfahren zur Herstellung eines doppelschaliges Schalldämmelements, mit den Schritten: – Verbinden einer ersten Wandfläche (2) mit einer zweiten Wandfläche (3) über eine Vielzahl an Federelemente (4), sodass die erste Wandfläche (2) und die zweite Wandfläche (3) durch einen Zwischenraum (7) beabstandet zueinander angeordnet sind; – Vorspannen der Vielzahl an Federelementen (4), sodass die erste Wandfläche (2) und die zweite Wandfläche (3) dynamisch entkoppelt sind.
  9. Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 8, mit dem weiteren Schritt: – Abdichten des Zwischenraums (7) gegenüber der Atmosphäre mit einem Dichtungselement (5), welches die erste Wandfläche und die zweite Wandfläche berandet.
  10. Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Vorspannen der Vielzahl an Federelementen (4) erfolgt, indem der Zwischenraum (7) mit einem Unterdruck beaufschlagt wird.
  11. Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 10, wobei die Vielzahl an Federelementen (4) bis in einen Bereich vorgespannt wird, in welchem ihre Federkonstante einen Wert besitzt, der kleiner als 5% ihrer maximalen Federkonstante ist.
  12. Flugzeug mit zumindest einem Bauteil aus der Gruppe von Bauteilen bestehend aus Eis-Schutz-Schild und Rumpfhaut von denen zumindest eines als Schalldämmelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildet ist.
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