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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft Lärmschutzwände mit profilierter
schallabsorbierender Beschichtung, deren Schallabsorption durch
nachträgliche Einbauten erhöht wird. Die Erfindung
betrifft ebenso ein zugehöriges Verfahren.
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Stand der Technik
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Die
akustische Wirksamkeit von Lärmschutzwänden zwischen
Lärmquelle(n) und -empfängern beruht auf drei
physikalischen Effekten. Schalldämmung verhindert die direkte
Schallausbreitung durch die Wand. Schallabsorption – meist
nur auf der quellseitigen Wandoberfläche – verhindert
die infolge Schallreflexion an der Wand mögliche Lärmerhöhung an
Empfängerorten auf der Seite der Lärmquelle. Schallbeugung
an der Wandoberkante begrenzt die Minderungswirkung, indem frequenzabhängig Schallanteile
in den „Schatten” hinter der Wand gebeugt werden.
Die Balance dieser drei Effekte bestimmt die Gesamtlärmminderung.
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Eine
sehr häufige Ausführung von Lärmschutzwänden
umfasst eine schalldämmende Betonwand entsprechender Höhe,
die auf Fundamenten befestigt wird. Die Stabilität der
Konstruktion richtet sich u. a. nach Windlasten und dem Eigengewicht. Auf
der Seite der Lärmquelle befindet sich eine schallabsorbierende
Schicht mit je nach Anforderung unterschiedlicher Dicke. Ebenso
ist quellseitige Schallabsorption gefordert, wenn z. B. eine Straße oder
Bahntrasse auf beiden Seiten mit Lärmschutzwänden
ausgestattet werden muss. Mit Blick auf die Verarbeitung und Verbindung
der Elemente Wand und Absorberschicht sowie unter Aspekten wie Dauerhaftigkeit,
Festigkeit und Kosten wurden in der Vergangenheit überwiegend
trapezförmig profilierte, poröse Schallabsorber,
1,
aus einem mit Bindemittel, z. B. Zement, gebundenen Granulat, z.
B. mineralische körnige Zuschlagstoffe, verwendet. Eine übliche
Bezeichnung für diese Materialien ist haufwerksporiger
Leicht- oder Magerbeton. Eine Ausführung samt Herstellungsverfahren
wird z. B. in
DE 4200159 und
eine weitere Spielart u. a. mit Vorschlägen zur Erhöhung
der Wirksamkeit wird in
DE 4200159 beschrieben.
Auch variieren die stofflichen Bestandteile des haufwerksporigen
Materials und statt trapezförmiger kommen andere, z. B.
kreisförmige Querschnitte vor (
DE 10 2006 047 314 ). Neben einigen
Vorteilen weisen diese Materialien einige Nachteile auf. Die Schallabsorption
einer ebenen Schicht aus den genannten Materialien ist für
viele Anwendungsfälle zu gering, so dass auf eine zum Teil tiefe
Profilierung (Tiefe T in
1) zurückgegriffen wird,
eine bekannte Vorgehensweise zur Erhöhung der Wirkung schwach
absorbierender Stoffe. Die überwiegend trapezförmige
Profilierung führt jedoch zu frei stehenden Kanten, die
wiederum gegen mechanische oder anderweitige Belastung, z. B. Absprengungen
infolge Frost-Tau-Wechsel, empfindlich sind. In der Praxis ist dies
ein Grund für Sanierungsbedarf. Ein weiterer Grund ergibt
sich aus der Dimensionierung der profilierten Absorberschicht auf
die zum Planungszeitpunkt vorhandene Lärmsituation, da
die Schicht- und Profiltiefe daraufhin dimensioniert wird. Es gilt
als einfachste Regel, je leiser die Lärmquelle und je weniger
Lärmempfänger auf der Quellseite, desto dünner
die Absorberschicht. Im Laufe der Zeit haben sich jedoch vielerorts
diese beiden Parameter geändert. Die Lärmemission
stieg z. B. mit dem Verkehrsaufkommen und neue Bebauungen führten
zu neuen Lärmempfängerorten vor Lärmschutzwänden.
Um den Schutz von Betroffenen hinter Lärmschutzwänden
einer neuen Situation anzupassen, muss in aller Regel die Wand erhöht
werden (Verringerung der Schallbeugung), da die Schalldämmung
meist noch ausreicht. Mitunter kann auch die Wandoberkante mit Bauteilen
ausgestattet werden, die den Beugungseffekt beeinflussen, siehe.
DE 69607826 ,
DE 69610177 und
DE 69814708 . Dies wirkt sich letztlich ähnlich
wie eine Wanderhöhung aus, ist allerdings in der Leistungsfähigkeit
begrenzt.
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Für
Betroffene vor der Lärmschutzwand ist eine Erhöhung
der Schallabsorption erforderlich. Bei den hier behandelten profilierten
Absorberschichten aus haufwerksporigem Leichtbeton bedeutet dies bislang
eine Entfernung der Schicht und Ersatz durch eine andere, dickere
und tiefer profilierte Schicht. Auf Grund des enormen baulichen
und stofflichen Aufwandes ist dies in der Vergangenheit nur äußerst
selten geschehen, obgleich mitunter auch die optische Qualität
sehr gern verbessert worden wäre. Ein weiteres Hindernis
liegt auch in der signifikanten Erhöhung und Veränderung
der Massenbelegung, die bei der ursprünglichen Planung
der Statik nicht berücksichtigt wurde, auch wenn eine gewisse
Redundanz besteht, die es gestatten würde, die Massenbelegung
der Lärmschutzwand geringfügig zu erhöhen.
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Beschreibung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile
des Standes der Technik zu überwinden und eine verbesserte
Lärmschutzwand sowie ein Verfahren zu deren Bereitstellung
anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche
gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte
Weiterbildungen an.
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Es
wurde erkannt, dass bei einer Lärmschutzwand, welche eine
tragende Wand mit einer profilierten Beschichtung aufweist, die
Schallabsorption deutlich verbessert werden kann. In der Regel wird
diese Lärmschutzwand wie oben dargelegt aus Beton bestehen
oder zumindest sehr viel Beton enthalten. Die an der Lärmschutzwand
aufgebrachte profilierte Beschichtung kann aus verschiedenen Stoffen
bestehen. Häufig wird sogenannter haufwerksporiger Leichtbeton
oder Magerbeton eingesetzt. Kennzeichnend für die Erfindung
ist, dass auf der profilierten Beschichtung ein Flächengebilde
aufgebracht ist, so dass sich von der profilierten Beschichtung
und dem Flächengebilde umgebene Hohlräume ausbilden.
Dadurch wird die Absorption der Lärmschutzwand deutlich
verbessert. Die Verbesserung übersteigt die schlichte Addition
des Effekts des aufgebrachten Flächengebildes und der schon
vorhandenen Lärmschutzwand. Vielmehr ergibt sich ein Synergieeffekt,
der vor allem daher rührt, dass die sich ausbildenden Hohlräume,
die von der profilierten Beschichtung und dem Flächengebilde umgeben
sind, akustisch wirksam sind. Die Hohlräume können
also zur Absorption beitragen. Die Entstehung dieser Hohlräume
kann man sich einfach vorstellen. Das Flächengebilde liegt
an den im Wandquerschnitt äußeren Bereichen der
profilierten Beschichtung an. In denjenigen Bereichen, in denen
die Wand aufgrund des Profils einen niedrigeren Querschnitt aufweist,
sind zwischen der profilierten Beschichtung und dem Flächengebilde
nun Hohlräume. Die Form der Hohlräume hängt
dabei von der Form der profilierten Beschichtung und der Form des
Flächengebildes ab. Ist das Flächengebilde eben
und die profilierte Beschichtung dadurch gebildet, dass eine Ebene
existiert, aus der Stege herausragen, so sind die Hohlräume
die zwischen den Stegen liegenden freien Bereiche. Verlaufen die
Stege von oben nach unten, gilt dies in derselben Weise auch für
die Hohlräume. Es ist aber auch eine Vielzahl verschiedener
anderer Formen für die Hohlräume möglich.
So könnte die profilierte Beschichtung Stege aufweisen, welche
sich weiter aus der Ebene erheben als andere Stege. Wird auf eine
solche profilierte Beschichtung ein ebenes Flächengebilde
aufgebracht, so bildet sich ein von den weiter aus der Ebene ragenden
Stegen umgebener Hohlraum. Die weniger weit aus der Ebene ragenden
Stege ragen in diesen Hohlraum etwas hinein und geben ihm eine innere
Struktur.
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Um
die Schallabsorption der Lärmschutzwand optimal zu verbessern,
sollte die sich ergebende Impedanz der zur Lärmquelle weisenden
Oberfläche der Lärmschutzwand einen gewünschten
Wert annehmen. Dabei geht es um die Impedanz der gesamten Lärmschutzwand,
also der tragenden Wand, der profilierten Beschichtung, der sich
ausbildenden Hohlräume und dem Flächengebilde,
welches aufgebracht ist. Diese gewünschte Impedanz hängt
von den gestellten Schallabsorptionsanforderungen ab. Diese Anforderungen
richten sich nach der bestehenden Lärmsituation und der
gewünschten Minderung.
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Zum
Erreichen der gewünschten akustischen Impedanz der gesamten
Lärmschutzwand ist die akustische Impedanz des Flächengebildes
auf die akustische Impedanz der Hohlräume und der tragenden
Wand entsprechend abgestimmt.
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Ein
besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass das Flächengebilde
an der an ihrem Einsatzort aufgestellten Lärmschutzwand
befestigt werden kann. Damit kann eine bereits existierende Lärmschutzwand,
etwa an einer Bahnlinie mit relativ niedrigem Aufwand akustisch
deutlich verbessert werden. Es genügt vor Ort ein Flächengebilde
aufzubringen. Neben dem unmittelbaren Vorteil eingesparter Arbeitsstunden
hat dies auch den Vorteil, dass – um beim Beispiel einer
Bahnlinie zu bleiben – eventuelle Streckensperrungen verkürzt
werden können. Derartige Streckensperrungen stellen eine
Beeinträchtigung dar, welche die Durchführung
an sich notwendiger Sanierungsmaßnahmen von Lärmschutzwänden
erschweren.
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Es
können dabei relativ leichte Flächengebilde verwendet
werden. Es genügen Flächengebilde, deren Masse
pro Flächeneinheit weniger als 5% der Masse pro Flächeneinheit
der tragenden Wand und der profilierten Beschichtung beträgt.
Dieser Aspekt ist insofern bedeutsam, da durch eine Erhöhung
der Masse um weniger als 5% keine statische Neuauslegung der Wand
erforderlich wird. Es genügt also, lediglich das Flächengebilde
aufzubringen.
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Das
Flächengebilde kann an der Lärmschutzwand teilflächig
verklebt und/oder mechanisch befestigt werden. Im Falle einer Verklebung
kann in denjenigen Bereichen des Flächengebildes, die wie ausgeführt
auf der Beschichtung aufliegen, ein Kleber angebracht werden. Er
kann so gewählt werden, dass er die gewünschten
Absorptionseigenschaften unterstützt. Zusätzlich
oder alternativ sind verschiedene mechanische Befestigungsmöglichkeiten
denkbar.
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Für
das Flächengebilde kommen verschiedene Materialien und
Aufbauten in Betracht. In der Regel ist das Flächengebilde
mehrlagig. Es sind aber auch einlagige Flächengebilde denkbar.
Um die gewünschten akustischen Eigenschaften zu erhalten und
gleichzeitig ein niedriges Gewicht einzuhalten, eignen sich poröse
und/oder faserige und/oder haufwerksporige und/oder perforierte
Materialien. Es können auch mikroperforierte Materialien
zum Einsatz kommen.
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Um
das Flächengebilde optisch ansehnlich und wirksam zu erhalten,
kann es vorzugsweise eine Schutzschicht aufweisen, z. B. eine schalldurchlässige,
aber chemisch beständige und reinigbare Beschichtung oder
Lackierung.
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Eine
weitere Verbesserung der Lärmschutzwand kann erreicht werden,
wenn die Hohlräume mit schallabsorbierenden Materialien
gefüllt sind. Dabei kann es genügen die Hohlräume
jeweils nur teilweise mit einem schallabsorbierenden Material zu
füllen oder nur einen Teil der Hohlräume zu füllen.
Hierbei ist auf die oben geschilderten Probleme der gesamten akustischen
Impedanz der Lärmschutzwand zu achten. Durch ungeeignete
schallabsorbierende Materialien könnte auch eine Verschlechterung
der Lärmschutzwand im Vergleich zu einer Lärmschutzwand
mit Hohlräumen eintreten.
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Weiterhin
ist es möglich, die Hohlräume oben und/oder unten
mit einer Abdeckung zu versehen. Insbesondere eine obere Abdeckung
kann eine akustische Verbesserung bewirken. Die obere Abdeckung
kann nämlich zur akustisch vorteilhaften Gestaltung der
oberen Beugungskante der Lärmschutzwand genutzt werden.
Unabhängig von dieser Funktion dient eine Abdeckung auch
dazu, dass das Eindringen z. B. von Wasser verhindert wird. Insbesondere
bei einer Füllung der Lärmschutzwand mit schallabsorbierenden
Materialien, welche nicht feucht oder nass werden sollen, ist diese
Maßnahme vorteilhaft.
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Bei
der Sanierung einer Lärmschutzwand gilt es die akustische
Impedanz der tragenden Wand mit der profilierten Beschichtung durch
Messung und/oder Schätzung zu bestimmen. Abhängig
davon kann die zum Erreichen einer gewünschten akustischen
Impedanz der Lärmschutzwand erforderliche akustische Impedanz
des Flächengebildes ermittelt werden. Diese Ermittlung
wird bevorzugt rechnerisch erfolgen. Ebenso werden auch bei der
Schätzung der akustischen Impedanz der tragenden Wand mit
der profilierten Beschichtung rechnerische Verfahren unterstützend
zum Einsatz kommen.
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Zur
Bestimmung dieser vorgenannten akustischen Impedanz ist neben der
Kenntnis der verwendeten Materialien auch eine Berücksichtigung
der geometrischen Daten der tragenden Wand mit der profilierten
Beschichtung vorteilhaft. Insbesondere ist die Geometrie der profilierten
Beschichtung heranzuziehen. Dabei kann auf aus der Literatur bekannte Werte
zurückgegriffen werden.
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Bei
der erfindungsgemäßen Lärmschutzwand
sind verschiedene optische Ausgestaltungsmöglichkeiten
möglich, mit denen gewünschte architektonische
Anforderungen erfüllt werden können. So kann das
ebene Flächengebilde optisch gestaltet werden, auch kann
es mit Werbung oder einer gewünschten Farbe versehen werden.
Gegebenenfalls können auch Photovoltaikmodule oder andere
funktionelle Bauteile integriert werden. Aufgrund der hohen Flächen
sind photovoltaisch wirksame Oberflächen auch bei eventuell
nicht optimaler Ausrichtung geeignet, Sonnenenergie zu gewinnen.
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Beispiele
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Ohne
Einschränkung der Allgemeinheit wird die Erfindung anhand
eines Beispiels mit Hilfe von Figuren nachfolgend näher
beschrieben. Dabei zeigen
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1 Schematische
Darstellung einer Lärmschutzwand nach dem Stand der Technik,
bestehend aus einer tragenden Wandplatte 1 mit einer einseitig flächigen
Verkleidung aus profiliertem schallabsorbierenden Material 2 der
Profiltiefe T.
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2 Schematische
Darstellung einer Lärmschutzwand, bestehend aus einer tragenden
Wandplatte 1 mit einer einseitig flächigen Verkleidung
aus profiliertem schallabsorbierenden Material 2 und einem
darauf befestigten, erfindungsgemäßen Flächengebilde 3.
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3 Diagramm
mit Messergebnissen des Schallabsorptionsgrades bei senkrechtem
Schalleinfall eines einer praxistypischen Schicht aus profiliertem
schallabsorbierenden Material 2 der Dicke 100 mm und der
Profiltiefe 50 (durchgezogene Kurve) mit einem darauf befindlichen
Flächengebilde 3 erstens in Form einer 15 mm dicken,
ebenen Absorberschicht mit dem Strömungswiderstand von
ca. 120 Pa s/m (gestrichelte Kurve) und zweitens in Form einer 0,5 mm
dicken, ebenen Absorberschicht mit dem Strömungswiderstand
von ca. 200 Pa s/m (gestrichelte Kurve).
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Ausgangspunkt
ist die in 1 gezeigte Lärmschutzwand,
bestehend aus einer tragenden Wandplatte 1 mit einer einseitig
flächigen Verkleidung aus profiliertem schallabsorbierenden
Material 2 der Profiltiefe T. Erfindungsgemäß wird
das leichte, ebene Flächengebilde 3 mit besonderen
akustischen Eigenschaften darauf aufgebracht, wie 2 zeigt. Das
Flächengebilde 3 ist als akustisch verbessernde, optisch
aufwertende und zugleich schützende Vorsatzkonstruktion
auf der profilierten Oberfläche der Absorberschicht 2 angebracht
und befestigt. Die Absorberschicht besteht aus haufwerksporigem
Leichtbeton.
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Erstens
beruht dies auf der Erkenntnis, dass trotz der eingangs beschriebenen
Probleme (akustisch und optisch unzureichend, geringe statische Redundanz)
die Substanz der profilierten Absorberschicht 2 aus haufwerksporigem
Leichtbeton und die Tragfähigkeit sowohl dieser Elemente
als auch der Wand 1 für leichte, dünne
Schichten ausreicht. Je nach Substanz können sowohl Klebeverbindungen als
auch andere, z. B. verdübelte Befestigungen verwendet werden.
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Zweitens
besteht die Besonderheit der akustischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen
Flächengebildes
3 in einer Kombination aus stofflichen und
geometrischen Parametern, wobei es vorwiegend auf die Dichte und
Dicke ankommt. Diese Parameter sind auf die für hohe Absorption
notwendige akustische Impedanz an der zur Lärmquelle weisenden
Oberfläche des Flächengebildes
3 ausgerichtet und
zugleich an die mittlere akustische Impedanz in der Ebene der Oberfläche
der profilierten Absorberschicht
2 angepasst. Beides zusammen
verbessert somit die resultierende Schallabsorption unter Ausnutzung
der bereits vorhandenen Schallabsorptionswirkung der profilierten
Absorberschicht
2. In
3 wird diese
Verbesserung anhand eines Beispiels dokumentiert. Eine exemplarisch
herangezogene profilierte, insgesamt 100 mm dicke Schicht (Profiltiefe
T = 50 mm) aus haufwerksporigem Leichtbeton weist eine Schallabsorption
(durchgezogene Kurve) auf, die insbesondere bei Frequenzen unterhalb
500 Hz sehr gering ist. Dies ist jedoch ein z. B. für Verkehrlärm
dominierender Frequenzbereich. Bei hohen Frequenzen um 1000 Hz sinkt
die Absorptionswirkung ebenfalls auf niedrige Werte, so dass insgesamt deutlicher
Verbesserungsbedarf besteht, insbesondere natürlich bei
geänderter Lärmsituation. Bereits eine 15 mm dicke
Schicht als Flächengebilde
3 aus einem konventionellen
homogenen Absorbermaterial (gestrichelte Kurve) mit einem Strömungswidertand von
ca. 100 bis 150 Pa s/m (Pascal × Sekunde/Meter) erhöht
die tieffrequente Schallabsorption um ca. 10% und beseitigt die
hochfrequenten Einbrüche. Weitere Verbesserungen sind jedoch
möglich, wie die Verwendung eines ca. 0,5 mm dicken Flächengebildes
3 mit
einem Strömungswiderstand von ca. 200 Pa s/m zeigt (gepunktete
Kurve). Die Methode erweist sich also erstens als akustisch einfach
umsetzbar. Zweitens sind selbst mit sehr dünnen, ebenen Flächengebilden
3 bei
geeigneter Materialwahl erhebliche akustische Verbesserungen zu
erreichen. Eine wesentliche Materialkenngröße
ist der Strömungswiderstand, der an die idealerweise bekannten
akustischen Eigenschaften der profilierten Oberfläche der
Absorberschicht
2, d. h. an die akustische Impedanz angepasst
wird. Je nach Befestigungsart sind weitere, auch akustisch relevante
Einzelheiten zu berücksichtigen. Während die punktuelle
Verschraubung kaum Folgen auf das Schallabsorptionsverhalten hat,
ist bei flächenhafter Verklebung an den Profiloberseiten
deren möglicherweise streifenförmig schalldichte
Abdeckung zu berücksichtigen. Allerdings kann dies sogar
vorteilhaft ausgenutzt werden, wie es ähnlich in
DE 10151474 beschrieben
ist.
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Bei
der Befestigung des Flächengebildes
3 auf der
profilierten Oberfläche der Absorberschicht
2 sind
in Verbindung mit der Materialwahl noch weitere Kriterien, wie z.
B. die mechanische und chemische Beständigkeit, zu beachten.
Neue, robuste und zugleich akustisch gestaltbare mineralische Stoffe,
wie z. B. in
DE 19712835 beschrieben,
verfügen über diese Eigenschaften und eignen sich
daher in besonderem Maße als erfindungsgemäße
Flächengebilde
3.
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Die
zwischen profilierter Absorberschicht 2 und ebenem Flächengebilde 3 entstehenden
vertikalen oder horizontalen Kanäle mit der Profilform
als Querschnitt sind vorteilhafterweise an ihren Endpunkten abzudecken,
um z. B. eindringendes Wasser fernzuhalten. Dies gilt auch dann,
wenn diese Kanäle oder Hohlräume mit einer absorbierenden
Masse oder vergleichbaren Stoffen gefüllt werden. Bei vertikal
verlaufenden Kanälen kann die obere Abdeckung auch zur
akustisch vorteilhaften Gestaltung der oberen Beugungskante der
Lärmschutzwand benutzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4200159 [0003, 0003]
- - DE 102006047314 [0003]
- - DE 69607826 [0003]
- - DE 69610177 [0003]
- - DE 69814708 [0003]
- - DE 10151474 [0026]
- - DE 19712835 [0027]