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Die
Erfindung betrifft eine körperschallsenkende
Vorrichtung zur Reduktion der Emission aus Geräuschquellen mittels Impedanzsprüngen mit
den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Die
Schallabstrahlung von Oberflächen
gewinnt insbesondere durch immer strengere arbeitsrechtliche und
auch Komfortanforderungen in sämtlichen
Industriebereichen an Bedeutung. Vibrationen, sogenannter Körperschall,
die in einem großen,
möglichst
senkrechten, Winkel zur Oberfläche
auftreten, strahlen direkt Schall ab. Sind bereits andere, direkte Lärmquellen
reduziert, so treten diese Anteile, die vorher maskiert waren, deutlich
hervor.
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Für Abgasanlagen
von Straßenfahrzeugen gilt:
Durch die Integration der Schalldämpfer in den Unterboden mit
Tiefziehteilen wird inneres Volumen für die Dämpfung von Mündungsgeräuschen gewonnen.
Dieses ergibt allerdings flachere Formen, welche mehr Schall direkt über Oberflächen abstrahlen und
zu deutlich hörbaren
Resonanzen im Fahrgastraum führen.
Zusätzlich
erfolgt der zunehmende Einsatz von dünnwandigen, luftspaltisolierten
Blechkrümmern
anstatt dickwandiger Gusskrümmer.
Dadurch wird weniger thermische Energie über die Struktur abgeleitet
und die Betriebstemperatur des Katalysators früher erreicht. Allerdings treten
Störgeräusche deutlicher
hervor, die vorher durch die Massenbelegung des Gusskrümmers gedämmt waren. Zusätzlich werden
vermehrt Vibrationsquellen, wie z. B. Turbolader bei Dieselmotoren,
verbaut. Aber auch Änderungen
im Verbrennungsprozess, z. B. durch Direkteinspritztechniken führen zu
zusätzlicher
Vibrationsanregung der Struktur. Die Weiterleitung von Vibrationen
wird nicht nur durch Entkoppelung durch flexible Elemente vermieden,
sondern auch durch große
Impedanzsprünge
direkt in der Struktur. Die Grundüberlegung ist eine Analogie
zum Schalldämpferprinzip.
Schalldämpfer
dämpfen
den Luftschall u. a. dadurch, dass die Schallwellen reflektiert
werden und sich mit der auflaufenden Schallwelle überlagern und
durch Interferenz die Schallwelle abschwächen. Übertragen auf Strukturen heißt das:
Die Schallenergie wird an Querschnittssprüngen reflektiert und interferiert
mit der eintreffenden Schallwelle.
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Das
Gebrauchsmuster
DE 20 2004
005 526.0 offenbart eine Vorrichtung zur Reflexion der Schallwellen
und damit zu einer Verringerung des weitergeleiteten Körperschalls
durch Minimierung der Kontaktflächen
an einer Flanschverbindung, die von flächenhaft zu linienförmig umgestaltet
sind. Bereits eine Ausführung
mit einem Ring aus 2 mm Draht zwischen zwei Flanschen zeigt eine
Reduktion des abgestrahlten Schalls um mehr als 10 dB oberhalb von
500 Hz, wobei gemäß diesem
Stand der Technik der Impedanzsprung durch Querschnittsverengung erzeugt
wird. Nachteilig bei einer linienförmigen Flanschverbindung sind
eingeschränkte
Gasdichtigkeit und Dauerhaltbarkeit der Flanschverbindung.
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Die
DE 835 066 offenbart eine
durch Reibung körperschalldämpfende
Vorrichtung, bei der ein dünnes
Blechband beschränkter
Breite satt anliegt über
einem Schalldämpfermantel.
Das Blechband ist punktgeschweißt
und kann auch um ein Rohr gewickelt sein. Körperschalldämpfung wird gemäß diesem
Stand der Technik durch flächige
Abdeckung des Schalldämpfermantels
mit einem Blechband angestrebt, das örtliche Maxima von Schwingungen überdeckt,
wobei sich unterschiedliche Schwingungen des Schalldämpfermantels
und des Blechbands durch Reibung gegenseitig dämpfen sollen. Nachteilig bei
der Körperschalldämpfung gemäß diesem Stand
der Technik ist die große
Fläche
und damit der große
Materialaufwand für
das Blechband mit einer Breite von mindestens ¼ der Länge des Schalldämpfermantels
und die für
diesen hohen Aufwand unbefriedigende Schalldämpfung.
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Die
DE 196 03 594 C2 offenbart
eine Abgasleitung aus zwei durch einen flexiblen Wellschlauch mit
unterschiedlichen Durchmessern gasdicht verbundene Rohrabschnitte.
Eine kräfteübertragende Schraubenfeder
verbindet die zwei Rohrabschnitte und entlastet den Wellschlauch.
Zur Körperschalldämpfung der
Schraubenfeder ist deren Querschnitt als Hohlprofil ausgebildet,
wobei die Schraubenfeder nicht den Körperschall der Abgasleitung
dämpft,
sondern ausschließlich
Eigenfrequenzen, die durch die Schraubenfeder zusätzlich entstehen,
erhöht
werden. Die Schraubenfeder kann erst montiert werden, wenn die zwei
durch den Wellschlauch verbundenen Rohrabschnitte zusammen gesetzt
sind, so dass die Montage starr und aufwändig ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, körperschallsenkende
Vorrichtungen zu schaffen, die Emission aus Geräuschquellen mittels Impedanzsprüngen reduzieren
und verbesserte Gasdichtigkeit und Dauerhaltbarkeit bieten.
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Die
Lösung
erfolgt mit körperschallsenkenden
Vorrichtungen mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
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Gemäß der Erfindung
ist eine körperschallsenkende
Vorrichtung vorgesehen mit mindestens einem in einer axialen Richtung
im wesentlichen konstanten Querschnitt, wie z. B. einem Abgasrohr
mit konstantem Querschnitt, der lokal mit mindestens einem Impedanzsprung
in Form von mindestens einer radialen Erweiterung auf dem im wesentlichen
konstanten Querschnitt vorgesehen ist. Die körperschallsenkende Vorrichtung
der Erfindung senkt vorteilhaft die Emission hochfrequenter Vibrationen
an Abgasleitungen, die mit Turboladergeräuschen beaufschlagt sind, wobei
der Impedanzsprung durch Querschnittserweiterung zusätzlich die
Gasdichtigkeit und Dauerhaltbarkeit der Abgasleitung verbessert.
Die Impedanzsprünge
können
auf eine Struktur, deren Körperschall
gesenkt werden soll, z. B. durch Aufschieben von radialen Erweiterungen
auf ein freies Rohrende aufgebracht werden, ohne dass hierfür Strukturen,
wie z. B. zwei durch einen Wellschlauch oder durch Flansche verbundene
Rohrabschnitte, zusammen gesetzt werden müssen, so dass die Montage der
Impedanzsprünge
auf einer Struktur flexibler, einfacher und vor allem gasdicht ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine
radiale Erweiterung aus Vollmaterial gefertigt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens
eine radiale Erweiterung durch Schweißen, Verkleben, Aufkalibrieren
oder durch Aufschrumpfen auf den Querschnitt aufgebracht.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die mindestens
eine radiale Erweiterung in radialer Richtung eine Materialstärke auf,
die ca. der mindestens doppelten Wandstärke bis dem höchstens
doppelten Durchmesser des Gehäuses
entspricht, auf den sie aufgebracht wird.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind eine Reihe
von vorzugsweise 3–10
Impedanzsprüngen
mit insbesondere unterschiedlichen Stärken durch Reihenschaltung
der radialen Erweiterungen des Querschnitts kombinierbar.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind eine Reihe
von Impedanzsprüngen
mit insbesondere unterschiedlichen Stärken bei mehrflutigen Systemen
durch Parallelschaltung der radialen Erweiterungen auf den Querschnitten
kombinierbar.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind Zwischenlagen
in radialer und/oder axialer Richtung, insbesondere aus dämpfenden
Materialien, z. B. Drahtgestrick oder andere elastische Materialien
an der mindestens einen radialen Erweiterung vorgesehen für zusätzliche
Dämpfung.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung entspricht das
mindestens eine Material der mindestens einen radialen Erweiterung
dem mindestens einen Material des Querschnitts.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens
eine radiale Erweiterung mehrlagig aufgebaut mit dämpfenden weichen
Schichten und aus steifen Impedanzsprüngen und/oder mikroperforierten
Bauteilen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der mindestens
eine Impedanzsprung in Form von mindestens einer radialen Erweiterung
des Querschnitts einer Abgasanlage einer aufgeladenen Brennkraftmaschine
nahe an dem Turbolader angebracht.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnung
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische perspektivische Ansicht einer Ausgestaltung einer körperschallsenkenden
Vorrichtung gemäß der Erfindung,
und
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2 ein
Diagramm mit einer Gegenüberstellung
der abgestrahlten Schallleistungen einer körperschallsenkenden Vorrichtung
gemäß der Erfindung
und einer herkömmlichen
Vorrichtung ohne Impedanzsprünge.
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1:
Ein als Gehäuse
ausgebildetes metallisches Rohr 1 mit mindestens einem
in einer axialen Richtung im wesentlichen konstanten Querschnitt einer
Abgasanlage einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (nicht dargestellt)
weist an einem freien Ende nach einem Flexelement (nicht dargestellt),
das einem Turbolader (nicht dargestellt) zugewandt ist, ein Anschlussstück 2 auf.
Das Rohr 1 hat einen Durchmesser von 4– 8 cm und eine Wandstärke von 0,8–5 mm.
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Unmittelbar
am freien Ende des Rohrs 1 sind über den ganzen Umfang anliegend
auf dem Querschnitt – nach
aussen – eine
Reihe von 9 Impedanzsprüngen
mit gleichen Stärken
durch Reihenschaltung in axialer Richtung hintereinander von gleichen radialen
Erweiterungen 3 aus metallischem Vollmaterial vorgesehen.
Die radialen Erweiterungen 3 weisen in radialer Richtung
eine Materialstärke
auf, die mindestens ca. der doppelten Wandstärke bis höchstens dem dreifachen Durchmesser
des Rohrs 1 entspricht. Die radialen Erweiterungen 3 sind
regelmäßig oder
unregelmäßig voneinander
beabstandet, wobei die Abstände
zwischen 5 mm–10
cm variieren können.
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Die
Geometrie der Impedanzsprünge,
deren Anzahl, unsymmetrische Gestaltung und deren Abstand kann durch
Schallberechnungen in Abhängigkeit
der Basisstruktur und des Frequenzbereiches der Anregung der störenden Vibrationen
festgelegt werden.
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Das
Material der radialen Erweiterungen 3 ist gleich dem Material
des Rohrs 1. Das Material der radialen Erweiterungen 3 kann
aber auch aus Beton oder innen aus Edelstahl und aussen aus Baustahl mehrlagig
aufgebaut sein mit dämpfenden
weichen Schichten und aus steifen Impedanzsprüngen und/oder mikroperforierten
Bauteilen und/oder Bauteilen aus Drahtgestrick.
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Die
radialen Erweiterungen 3 können durch Schweißen, Verkleben,
Aufkalibrieren oder durch Aufschrumpfen auf den konstanten Querschnitt
des Rohrs 1 aufgebracht sein.
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2:
Ein Vergleich der abgestrahlten Schallleistung der in 1 beschriebenen
körperschallsenkenden
Vorrichtung mit einer Reihe von Impedanzsprüngen mit gleichen Stärken durch
Reihenschaltung in axialer Richtung hintereinander gleicher radialer
Erweiterungen 3 aus metallischem Vollmaterial zeigt, dass
die körperschallsenkende
Vorrichtung mit einer Reihe dieser Impedanzsprünge gegenüber einer herkömmlichen
Vorrichtung ohne Impedanzsprünge
beim Maximum von 750 Hz einen um mehrere 10 dB deutlich niedrigeren
Pegel aufweist.