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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Schalldämpfer mit mindestens einem
von einem Gas durchgeströmten
Gaskanal und den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs
1.
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Durch
einen erfindungsgemäßen Schalldämpfer soll
das strömende
Gas möglichst
ungehindert hindurch treten können.
Sich in dem strömenden Gas
ausbreitende Schallwellen, unter denen hier auch jedwede schnelle
Druckschwankungen des strömenden
Gases zu verstehen sind, sollen jedoch möglichst gedämpft werden.
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STAND DER TECHNIK
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Neben
Schalldämpfern,
in denen Schallwellen Energie durch Gasreibung in porösem Material entzogen
und in Wärme
umgesetzt wird, sind auch Schalldämpfer bekannt, die Schall dynamisch
absorbieren. Im Ingenieurwesen werden sie als akustische Tilger,
in der Physik als dynamische Absorber bezeichnet. Es handelt sich
um Resonanzsysteme, die bei ihrer Eigenfrequenz auftretenden Schall
sehr gut absorbieren und in der Folge dissipieren können. Beispiele
hierfür
sind sogenannte Loch- oder Helmholtz-Resonatoren. Zu den auf dem
Gebiet der dynamischen Schallabsorber bekannten Maßnahmen
gehört
es auch, mit Hilfe eines oder mehrerer Querschnittssprünge, d.
h. Durchmesserveränderung
des einen Gaskanal begrenzenden Rohrs, akustische Resonatoren aufzubauen.
Hierdurch wird jedoch der Strömungswiderstand
für das
durch den Schalldämpfer
strömende
Gas drastisch erhöht.
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Aus
der
DE 196 44 089
A1 ist ein Schalldämpfer
für Verbrennungsmotoren
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 bekannt.
Hier ist in einem von einem Gas durchströmten Gaskanal ein helikaler
Einbau vorgesehen, der einem Innenbereich des Gaskanals einen schraubenförmigen Verlauf
verleiht. Der Schall soll an den helikalen Flächen des helikalen Einbaus durch
Reflexion und Streuung sowie anschließende Absorption in der Kanalwand
des Gaskanals reduziert und außerdem
aufgrund des sogenannten Cut-Off-Effekts an seiner Ausbreitung gehindert
werden. Zur Absorption in der Kanalwand des Gaskanals ist der Gaskanal
von einem Ringkanal umgeben, der über Perforationen mit dem Gaskanal
kommuniziert und in dem Schallabsorptionsmaterial, wie beispielsweise
Keramikwolle, angeordnet ist. Eine Abstimmung auf eine oder mehrere
Hauptschallfrequenzen, d. h. ein besonders hoher Wirkungsgrad bei
diesen Hauptschallfrequenzen ist bei dem bekannten Schalldämpfer nicht
möglich.
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Aus
der
DE 199 32 714
A1 ist es bekannt, eine helikale Membran, die mit Antischall
erzeugenden Elementen ausgerüstet
ist, in einer rohrförmigen und
luftdurchströmten
Vorrichtung anzuordnen, um Schall in der rohrförmigen Vorrichtung aktiv zu
dämpfen.
Aktive Schalldämpfung
mit Antischall erzeugenden Elementen verlangt nach einer aktiven
Ansteuerung dieser Elemente und ist entsprechend aufwändig.
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Aus
der
DE 10 2004
006 031 A1 ist eine Vorrichtung zur Reduzierung von Druckpulsationen
in Flüssigkeiten
führenden
Leitungssystemen bekannt. Dabei wird ein Drosselkörper in
einer Leitung des Leitungssystems angeordnet, der eine Schraubenwendel
aufweist, deren Schraubenachse in der Ausbreitungsrichtung der Druckpulsationen
in der Leitung ausgerichtet ist. Die Druckpulsationen Wechselwirken
mit der Schraubenwendel. Dabei kann es sich um eine passive Wechselwirkung
unter elastischer Formung der Schraubenwendel handeln. Alternativ kann
die Schraubenwendel aktiv angesteuert werden. Es können auch
mehrere Drosselkörper
in Form von Schraubenwendeln in einem festen Abstand zwischen den
Drosselkörpern
hintereinander in der jeweiligen Leitung angeordnet werden. Die
Lehre der
DE 10
2004 006 031 A1 bezieht sich ausdrücklich anders als diejenige
der
DE 199 32 714
A1 nicht auf gasdurchströmte, sondern nur auf Flüssigkeiten
führende
Leitungssysteme.
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Aus
der
DE 195 33 623
B4 ist ein Absorber zur Absorption von Luftschall bekannt,
bei dem ein akustischer Serienkreis und ein akustischer Parallelkreis
miteinander gekoppelt sind, wobei der akustische Serienkreis ein
Helmholtz-Resonator ist. Dieser Helmholtz-Resonator besteht aus einem
Hohlkörper mit
einem Luftvolumen und einer Querschnittsverengung als Öffnung.
Der Parallelkreis ist ebenfalls ein Resonator, der aus einer Parallelschaltung
einer akustischen Federung – realisiert
durch ein Luftvolumen – mit
einer akustischen Masse, die durch die in einem Hals schwingende
Luft gegeben wird, realisiert ist. Der akustische Serienkreis und
der akustische Parallelkreis sind auf die gleiche Resonanzfrequenz
abgestimmt. Der bekannte Absorber wird als solcher nicht von einem
Gas durchströmt,
sondern ist zur Ausbildung einer grundsätzlich gasdichten Wandung in
schallabsorbierender Weise vorgesehen. Das vorübergehende Eintreten von Gas
in die Hohlkörper
bzw. Luftvolumina des bekannten Absorbers führt anders als bei einem gasdurchströmten Schalldämpfer zu
keinem hierdurch verlaufenden Nettogasstrom.
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Die
GB 460 148 A offenbart
einen weiteren Schalldämpfer
für Verbrennungsmotoren
mit dem Merkmal des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1. Dabei
werden Ausführungsformen
des bekannten Schalldämpfers
beschrieben, die mehrere Gaskanäle
aufweisen, auf die sich das strömende Gas
aufteilt. Im Inneren der Gaskanäle
können
helikale Einbauten vorgesehen sein. Die helikalen Einbauten können an
ihren Enden Einlauf- und Auslaufbereiche aufweisen, in denen sich
ihr Durchmesser in der Strömungsrichtung
des Gases stetig von innen an die Wandung des Gaskanals annähert bzw.
von dieser entfernt. Die Steigung der helikalen Einbauten des bekannten
Schalldämpfers
kann variabel sein. Die Gaskanäle
können
auch Verjüngungen
und Erweiterungen ihres freien Querschnitts längs ihrer Haupterstreckungsrichtung
aufweisen. Die mehreren Gaskanäle
werden z. B. zur auslöschenden Überlagerung
von Schallwellen genutzt werden, welche sich in dem strömenden Gas
ausbreiten.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schalldämpfer mit
den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufzuzeigen,
der mit passiven Mitteln eine hohe Schalldämpfung verglichen mit dem Strömungswiderstand des
Gases durch den Schalldämpfer
aufweist.
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LÖSUNG
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch einen Schalldämpfer
mit den Merkmalen des unabhängigen
Patentanspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele
des neuen Schall dämpfers sind
in den abhängigen
Patentansprüchen
2 bis 11 beschrieben. Der abhängige
Patentanspruch 12 betrifft bevorzugte Verwendungen des neuen Schalldämpfers.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei
einem erfindungsgemäßen Schalldämpfer wird
mittels mindestens eines helikalen Einbaus in einem von einem Gas
durchströmten
Gaskanal, wobei der Einbau einem Innenbereich des Gaskanals einen
schraubenförmigen
Verlauf verleiht, ein Helmholtz-Resonator in dem Gaskanal ausgebildet,
der von Schallwellen angeregt wird, welche sich in dem durch den
Gaskanal strömenden
Gas ausbreiten. Mit Hilfe eines oder mehrerer helikaler Einbauten
in den Gaskanal ist es möglich,
darin einen Helmholtz-Resonator auszubilden, der zwar von Gas mit
relativ niedrigem Strömungswiderstand
durchströmbar
ist, der aber dennoch in der Lage ist, in erheblichem Umfang Energie
aus sich in dem strömenden
Gas ausbreitenden Schallwellen zu entziehen. Hierdurch werden diese
Schallwellen stark gedämpft,
ohne die Gasströmung
stark zu drosseln. Dies beruht darauf, dass mittels des einen oder
mehrerer helikaler Einbauten Impedanzsprünge für die Schallwellen ausgebildet
werden, ohne die Gasströmung
in dem Maße zu
beeinträchtigen
wie durch einen Impedanzsprung, der (allein) durch eine Durchmesserveränderung
des Gaskanals erreicht wird.
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Konkret
wird bei dem neuen Schalldämpfer zur
Ausbildung eines Helmholtz-Resonators eine Kavität in der Strömungsrichtung
des Gases durch gegenläufige
Impedanzsprünge
für die
sich in dem Gas ausbreitenden Schallwellen begrenzt. In jeder solchen
Kavität
wird Energie von einer durchlaufenden Schallwelle gefangen, deren
Wellenlänge
zu der Länge
der Kavität
passt, d. h. auf die der Helmholtz-Resonator abgestimmt ist.
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In
der Kavität
weist der Schalldämpfer
einen anderen helikalen Einbau als daran angrenzend oder andere
Kennwerte des helikalen Einbaus als daran angrenzend auf. So werden
die gegenläufigen
Impedanzsprünge
zur Begrenzung der Kavität
des Helmholtz-Resonators nicht (nur) durch das Enden und Wiederbeginnen
eines helikalen Einbaus auf beiden Seiten der Kavität gesetzt
werden, sondern auch durch gegenläufige Änderungen der Steigung und/oder
des Durchmessers des mindestens einen helikalen Einbaus.
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Konkret
kann der mindestens eine helikale Einbau einschließlich einer
ihn umschließenden Wandung
des Gaskanals mindestens zwei lokale Einschnürungen oder mindestens eine
lokale Aufweitung aufweisen. Eine Einschnürung besitzt – akustisch
betrachtet – die
Wirkung einer trägen
Masse, deren Impedanz für
hohe Frequenzen sehr groß wird. Es
werden also insbesondere die hohen Frequenzen von einer solchen
Einschnürung
nicht durchgelassen. Zwischen zwei solcher Einschnürungen wird
erfindungsgemäß ein Helmholtz-Resonator
ausgebildet. Gegenüber
einem herkömmlichen
Helmholtz-Resonator bewirkt der helikale Einbau eine verringerte
Verlustleistung des durch die Einschnürungen strömenden Gases, indem er das
Gas durch die Einschnürung
führt und
damit insbesondere turbulente Verwirbelungen des Gases hinter der
Einschnürung
verhindert. Eine Aufweitung wirkt hingegen wie eine Feder, ist also
bei tiefen Frequenzen sehr hochohmig. Hier verhindert der helikale
Einbau eine verlustleistungsbehaftete Verwirbelung des in die Aufweitung
einströmenden
Gases. Ein Helmholtz-Resonator kann bereits innerhalb einer solchen
Aufweitung zwischen deren Flanken ausgebildet werden.
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Der
Gaskanal des neuen Schalldämpfers kann
eine kreisförmige
Querschnittsfläche
aufweisen, die von dem mindestens einen helikalen Einbau mit einer
zweigängigen
Helix überspannt
wird. Bei einer kreisförmigen
Querschnittsfläche
des Gaskanals ist eine Einfachhelix zur Ausbildung des helikalen Einbaus
in aller Regel unzureichend, da diese nahe Ihrer Achse einen von
ihr nahezu unbeeinflussten Durchtrittsbereich für Schallwellen belässt.
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Wenn
jedoch der Gaskanal eine ringförmige Querschnittsfläche aufweist,
reicht es aus, wenn diese von dem helikalen Einbau mit mindestens
einer Schraubenwendel überspannt
wird.
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Bei
dem neuen Schalldämpfer
können
auch mehrere Gaskanäle
vorgesehen sein, auf die sich das strömende Gas aufteilt. Dabei kann
einer dieser Gaskanäle
eine kreisförmige
Querschnittsfläche
und ein anderer dieser Gaskanäle
eine darum liegende ringförmige
Querschnittsfläche
aufweisen.
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In
allen dieser Gaskanäle
des neuen Schalldämpfers
sind dabei typischerweise Helmholtz-Resonatoren mittels helikaler Einbauten
ausgebildet.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
des neuen Schalldämpfers
ist dieser als Zweikreisresonanzabsorber ausgelegt, in dem in zwei
Gaskanälen,
auf die sich das strömende
Gas aufteilt, auf gleiche Frequenzen der anregenden Schallwellen
abgestimmte Helmholtz-Resonatoren vorgesehen
sind, von denen der oder die Helmholtz-Resonatoren in dem einen Gaskanal
als akustischer Parallelkreis und der oder die Helmholtz-Resonatoren
in dem anderen Gaskanal als akustischer Serienkreis ausgelegt sind.
Damit findet ein Zweikreisresonanzabsorber, wie er grundsätzlich bereits aus
der
DE 195 33 623
B4 bekannt ist, erstmals bei einem gasdurchströmten System
Anwendung, bei dem das Gas durch die Helmholtz-Resonatoren selbst strömt.
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Grundsätzlich können auch
in einem Gaskanal mehrere Helmholtz-Resonatoren hintereinander ausgebildet
sein. Dies ist zum Beispiel bevorzugt, um Schallwellen mit einer
besonders störenden
Hauptschallfrequenz möglichst
vollständig
zu dämpfen.
In diesem Fall sind dann alle oder zumindest mehrere der hintereinander
angeordneten Helmholtz-Resonatoren auf eben diese Hauptschallfrequenz
abzustimmen. Grundsätzlich
können
hintereinander geschaltete Helmholtz- Resonatoren auch auf unterschiedliche
Frequenzen abgestimmt sein, wobei für jede Frequenz dann wiederum
mehrere Helmholtz-Resonatoren vorgesehen sein können.
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Darüber hinaus
ist es grundsätzlich
möglich, dass
der mindestens eine helikale Einbau des neuen Schalldämpfers aktiv
verformbar ist. Diese aktive Verformbarkeit kann einerseits genutzt
werden, um einen mit Hilfe des helikalen Einbaus ausgebildeten Helmholtz-Resonators
zu verstimmen. Daneben besteht im quasistatischen Bereich die Möglichkeit,
die an dem helikalen Einbau auftretenden Impedanzsprünge zu variieren.
Es ist aber auch eine aktive Erzeugung von Antischall durch aktive
dynamische Verformung des helikalen Einbaus möglich, um zusätzlich zu
der passiv absorbierenden Funktion der Helmholtz-Resonatoren einen
aktiv schalldämpfenden
Effekt bereitzustellen.
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Während es
zur Begrenzung der Kavität
eines Helmholtz-Resonators in dem neuen Schalldämpfer sinnvoll ist, die Impedanz
für die
sich in dem durchströmenden
Gas ausbreitenden Schallwellen möglichst
sprungartig zu ändern,
sollten die Schallwellen an den Enden, vor allem am Eingang des
neuen Schalldämpfers
nicht unnötig
reflektiert werden. Einen reflexionsarmen, weichen Impedanzübergang erhält man,
wenn der helikale Einbau an mindestens einem Ende des Schalldämpfers einen
Einlauf- oder Auslaufbereich aufweist, indem sich sein Durchmesser
in der Strömungsrichtung
des Gases stetig von innen an die Wandung des Gaskanals annähert bzw. von
dieser entfernt. Die Schallwellen gelangen so nahezu vollständig in
den neuen Schalldämpfer
und werden dann dort gezielt absorbiert.
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Anwendungsmöglichkeiten
für den
neuen Schalldämpfer
gibt es bei allen gasdurchströmten Rohren,
bei denen das Gas instationäre
Druckschwankungen und insbesondere Schallwellen führt. Solche
Rohre gibt es bei Brennkraftmaschinen, Heizungen, wie beispielsweise
für die
Abluft eines Brenners, Belüftungsanlagen
und dergleichen. Insbesondere ist der neue Schalldämpfer dann
vorteilhaft einsetzbar, wenn die Schallwellen bzw. instationären Druckschwankungen
eine feste Frequenz aufweisen, auf die der Helmholtz-Resonator abstimmbar
ist.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung
genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer
Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ
zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen
erzielt werden müssen.
Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten
Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander
sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen.
Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen
der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls
abweichend von den gewählten
Rückbeziehungen
der Patentansprüche
möglich
und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in
separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung
genannt werden. Diese Merkmale können
auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso
können in
den Patentansprüchen
aufgeführte
Merkmale für weitere
Ausführungsformen
der Erfindung entfallen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren näher
erläutert und
beschrieben. In allen Figuren ist dabei jeweils ein Schalldämpfer in
einer perspektivischen Seitenansicht mit aufgeschnittener Wandung
eines Gaskanals wiedergegeben. Nur die 8 bis 11 zeigen
jedoch Schalldämpfer
mit den Merkmalen des unabhängigen
Patentanspruchs 1.
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1 zeigt
einen Schalldämpfer,
bei dem zwei Helmholtz-Resonatoren, die auf gleiche Frequenzen abgestimmt
sind, in einem durchströmten Gaskanal
ausgebildet sind und dessen Enden für Schallwellen reflexionsarm
gestaltet sind.
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2 zeigt
einen Schalldämpfer,
bei dem nur ein Helmholtz-Resonator in einem durchströmten Gaskanal
ausgebildet ist. Auch hier sind die Enden des Schalldämpfers für Schallwellen
reflexionsarm gestaltet.
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3 zeigt
eine Abwandlung des erfindungsgemäßen Schalldämpfers gemäß 1, bei der
die beiden endseitigen helikalen Einbauten größere Windungszahlen aufweisen
als bei der Ausführungsform
gemäß 1.
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4 zeigt
eine Abwandlung des Schalldämpfers
gemäß den 1 und 3,
bei der die endseitigen helikalen Einbauten und der zentrale helikale
Einbau in den Gaskanal stark unterschiedliche Steigungen aufweisen.
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5 zeigt
eine Abwandlung des Schalldämpfers
gemäß den 1 und 3,
bei der drei Helmholtz-Resonatoren, die auf gleiche Frequenzen abgestimmt
sind, hintereinander in dem Gaskanal ausgebildet sind.
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6 zeigt
eine Abwandlung des Schalldämpfers
gemäß den 1 und 3,
bei dem vier Helmholtz- Resonatoren, die auf gleiche Frequenzen abgestimmt
sind, hintereinander in dem Gaskanal ausgebildet sind.
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7 zeigt
eine Abwandlung des Schalldämpfers,
bei dem insgesamt sechs Helmholtz-Resonatoren hintereinander in dem Gaskanal
ausgebildet sind. Anders als in den bisherigen Figuren weisen die
endseitigen helikalen Einbauten bei dieser Ausführungsform keine Einlauf- bzw.
Auslaufbereiche mit geringer Schallreflexion auf.
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8 zeigt
einen erfindungsgemäßen Schalldämpfer, bei
dem zwei Helmholtz-Resonatoren durch
drei Einschnürungen
eines helikalen Einbaus in den Gaskanal samt der Wandung des Gaskanals ausgebildet
ist.
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9 zeigt
eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Schalldämpfers,
bei dem ein Helmholtz-Resonator durch eine Ausweitung des Querschnitts
des Gaskanals samt des darin vorgesehenen helikalen Einbaus ausgebildet
ist.
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10 zeigt
einen erfindungsgemäßen Schalldämpfer mit
einer Reihenschaltung eines Helmholtz-Resonators gemäß 8,
eines Helmholtz-Resonators gemäß 9 und
eines weiteren Helmholtz-Resonators gemäß 8, wobei
die Einschnürungen
und die Aufweitung weniger stark ausgeprägt sind als in den vorangehenden 8 und 9.
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11 zeigt
einen Schalldämpfer,
bei dem das strömende
Gas auf zwei Gaskanäle
aufgeteilt wird, in denen jeweils ein Helmholtz-Resonator ausgebildet
ist, die auf gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt sind, von denen
aber der eine als akustischer Parallelkreis und der andere als akustischer
Serienkreis ausgebildet ist.
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12 zeigt
einen Schalldämpfer,
bei der in Abwandlung gegenüber 11 in
dem einen Gaskanal mehrere, aber ebenfalls auf dieselbe Resonanzfrequenz
abgestimmte Helmholtz-Resonatoren hintereinander vorgesehen sind.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Ein
in 1 skizzierter Schalldämpfer 1 weist in einem
Rohr 2 mit einer Wandung 3 drei helikale Einbauten 4, 5 und 6 auf.
Dabei liegt der helikale Einbau 5 zwischen den endseitigen
helikalen Einbauten 4 und 6 und weist zu jedem
von diesen einen gleichen freien Abstand 7 in Richtung
der Rohrachse 8 des Rohrs 2 auf. Jeder der helikalen
Einbauten 4–6 besteht
aus einer um die Rohrachse 8 verdrillten zweigängigen Helix 9.
An den Enden des Schalldämpfers
wächst
der Durchmesser der zweigängigen
Helix 9 der endseitigen helikalen Einbauten 4 und 6 stetig
von null auf den Durchmesser des Rohrs 2 an. Überall dort,
wo die zweigängige
Helix 9 den Durchmesser des Rohrs 2 aufweist,
ist sie fest an der Wandung 3 gelagert. Hierdurch sind
auch die Abstände 7 fest.
Die zweigängigen
Helices 9 verleihen einem Innenbereich 10 eines
durch das Rohr 2 führenden
und durch dessen Wandung 3 begrenzten Gaskanals 11 einen
schraubenförmigen
Verlauf. Dabei grenzt jede der zweigängigen Helices 9 zwei schraubenförmig verlaufende
Teilinnenbereichen 12 des Gaskanals 8 gegeneinander
ab. Für
eine Gasströmung
längs der
Rohrachse 8 durch den Gaskanal 11 bedeuten die
helikalen Einbauten 4–6 zwar
eine Erhöhung
des Strömungswiderstands.
Diese Erhöhung
des Strömungswiderstands
fällt jedoch
vergleichsweise klein aus. Für
sich in dem strömenden Gas
ausbreitende Schallwellen bedeuten die helikalen Einbauten 4–6 hingegen
eine starke Variation der Impedanz. Diese Variation ist an den Enden
des Schalldämpfers 1 durch
die sich dort stetig ändernden
Durchmesser der zweigängigen
Helices stetig. Dort, wo die helikalen Einbauten 4–6 jedoch
abrupt enden, d. h. auf beiden Seiten beider Abstände 7,
treten Impedanzsprünge
auf. Auf diese Weise werden bei dem Schalldämpfer 1 zwei Helmholtz-Resonatoren 13 ausgebildet,
deren Hohlräume
oder Kavitäten 14 dem
freien Rohrquerschnitt längs
der Abstände 7 entsprechen.
Beide Helmholtz-Resonatoren 13 sind durch die gleichen
Abstände 7 auf
gleiche Frequenzen abgestimmt, wobei es sich um eine Hauptschallfrequenz
handelt, die in dem durch den Gaskanal 11 strömenden Gas
auftritt. Schallwellen mit dieser Hauptschallfrequenz wird von den
Helmholtz-Resonatoren 13 Energie entzogen, die letztlich
in Wärme umgesetzt
wird. Dies geschieht unter im Vergleich zu dem Wirkungsgrad der
Schalldämpfung
nur minimaler Beeinträchtigung
der Gasströmung,
d. h. mit minimalem Strömungswiderstand
für das
strömende Gas.
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Die
Ausführungsform
des Schalldämpfers 1 gemäß 2 unterscheidet
sich von derjenigen gemäß 1 dadurch,
dass nur ein Helmholtz-Resonator 13 ausgebildet ist, in
dem kein zusätzlicher
helikaler Einbau zwischen den helikalen Einbauten 4 und 6 vorgesehen
ist. Zudem sind die geometrischen Verhältnisse bei den helikalen Einbauten 4 und 6 anders als
in 1, indem deren Windungszahlen größer und
die endseitigen Einlauf- bzw. Auslaufbereiche, in denen sich der
Durchmesser der zweigängigen
Helices 9 stetig von null bis auf den Durchmesser des Rohrs 2 erweitert,
länger
gestreckt sind. Die Frequenz, auf die der jeweilige Schalldämpfer 1 abgestimmt
ist, hängt
im Wesentlichen von der Länge
der Kavität 14 seiner
Helmholtz-Resonatoren 13 ab, d. h. von dem Abstand 7.
Diese Länge
muss so abgestimmt sein, dass sich hier stehende Wellen mit der Wellenlänge der
interessierenden Hauptschallfrequenz ausbilden können. D. h., es kommt nicht
allein auf den geometrischen Abstand 7 sondern auch auf die
Schallausbreitungsgeschwindigkeit innerhalb des Gaskanals 10 und
damit auf das davon geführte
Gas sowie dessen Zustand an.
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Der
Schalldämpfer 1 gemäß 3 entspricht
wieder im Wesentlichen 1, d. h. es ist wieder ein zusätzlicher
helikaler Einbau 5 vorhanden. Die geometrischen Daten des
Schalldämpfers 1 sind jedoch
gegenüber 1 variiert.
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Der
Schalldämpfer 1 gemäß 4 unterscheidet
sich von denjenigen gemäß den 1 und 3 wieder
durch seine geometrischen Abmessungen. Während jedoch bislang alle zweigängigen Helices 9 bei
den helikalen Einbauten 4 bis 6 die gleiche Steigung
aufwiesen, ist hier bei dem helikalen Einbau 5 eine stark
nach oben abweichende Steigung vorgesehen. Auf diese Weise kann
ein weiterer Helmholtz-Resonator 15 ausgebildet werden,
dessen Kavität
sich längs
der schraubenförmigen
Teilinnenbereiche 12 im Bereich des helikalen Einbaus 5 erstreckt.
Grundsätzlich
ist die Ausbildung eines solchen weiteren Helmholtz-Resonators 15 bei
allen helikalen Einbauten 4–6 denkbar. Allerdings
ist die Dämpfung
innerhalb der helikalen Einbauten 4–6 bei kleinerer Steigung
der zweigängigen
Helices 9 für
die Ausbildung eines wirksamen Resonators schnell zu groß. Bei den
bisher gezeigten endseitigen helikalen Einbauten 4 und 6 wird
die Funktion als Helmholtz-Resonator zudem durch den auslaufenden Durchmesser
der zweigängigen
Helices 9 behindert, weil dieser einen fließenden Impedanzübergang
und keinen Impedanzsprung bedeutet. Ein fließender Impedanz-Übergang
reflektiert Schallwellen in dem Gas innerhalb des Gaskanals 11 nicht
und ist daher zur Begrenzung der Kavität eines Helmholtz-Resonators
ungeeignet. Bei dem Schalldämpfer 1 dient dieser
fließende Übergang
gezielt dazu, die Schallwellen zunächst ungehindert in den Schalldämpfer 1 eintreten
zu lassen, um sie dann dort zu absorbieren.
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Der
Schalldämpfer 1 gemäß 5 weist
wieder bei allen helikalen Einbauten 4–6 gleiche Steigungen
der zweigängigen
Helices 9 auf. Jetzt sind jedoch zwei helikale Einbauten 5 zwischen
den endseitigen helikalen Einbauten 4 und 6 vorgesehen.
Auch zwischen diesen helikalen Einbauten 5 liegt derselbe Abstand 7 wie
zu den helikalen Einbauten 4 und 6 vor. Entsprechend
sind hier drei Helmholtz-Resonatoren 13 ausgebildet. Je
nach Ausgestaltung der helikalen Einbauten 5 können auch
in deren Bereichen grundsätzlich
zusätzliche
Helmholtz-Resonatoren 15 (hier
nicht eingezeichnet) ausgebildet sein.
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Der
Schalldämpfer 1 gemäß 6 weist noch
einen weiteren mittleren helikalen Einbau 5 auf, so dass
hier insgesamt vier Helmholtz-Resonatoren 13 zwischen den
helikalen Einbauten 4–6 ausgebildet
sind. Zudem ist hier die Steigung der zweigängigen Helices 9 der
helikalen Einbauten 5 deutlich kleiner als bei den zweigängigen Helices 9 der
endseitigen helikalen Einbauten 4 und 6.
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7 zeigt
einen Schalldämpfer 1,
bei dem zum einen mit Hilfe von insgesamt fünf mittleren helikalen Einbauten 5 zwischen
den endseitigen helikalen Einbauten 4 und 6 sechs
Helmholtz-Resonatoren über die
freien Abstände 7 ausgebildet
sind, und bei dem zum anderen die endseitigen helikalen Einbauten 4 und 6 abrupt,
d. h. mit vollem Durchmesser ihrer zweigängigen Helices 9 enden.
Auf diese Weise wird auch an den Enden des Schalldämpfers 1 ein
Impedanzsprung ausgebildet. Entsprechend kann auch hier innerhalb
jedes helikalen Einbaus 4–6 ein zusätzlicher
Helmholtz-Resonator 15 ausgebildet sein.
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8 skizziert
einen Schalldämpfer 1,
in dessen Rohr 2 nur ein einziger helikaler Einbau 4 vorgesehen
ist. Dieser helikale Einbau 4 läuft an beiden Enden des Schalldämpfers 1 mit
zu der Rohrachse 8 stetig abnehmenden Durchmesser seiner
zweigängigen
Helix 9 aus, um dort reflexionsarme Übergange auszubilden. Zur Ausbildung
von zwei Helmholtz-Resonatoren 16 weisen der helikale Einbau 4 und
das Rohr 2 drei gemeinsame Einschnürungen 17 auf. Die Einschnürungen wirken
akustisch betrachtet wie träge
Massen, deren Impedanz für
hohe Frequenzen sehr groß wird,
so das hochfrequente Schallwellen zwischen ihnen reflektiert werden.
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Bei
dem Schalldämpfer 1 gemäß 9 weisen
das Rohr 2 und der helikale Einbau 4 statt der Einschnürungen 17 gemäß 8 eine
Aufweitung 19 zur Ausbildung eines Helmholtz-Resonators 18 zwischen
deren Flanken 20 auf. Die ganze Aufweitung 19 wirkt
zudem wie eine Feder.
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Bei
der Ausführungsform
des Schalldämpfers 1 gemäß 10 wurden
Einschnürungen 17 gemäß 8 und
die Aufweitung 19 gemäß 9 kombiniert,
um verschiedene Helmholtz-Resonatoren 16 und 18 auszubilden.
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Mit
den Schalldämpfern
1 gemäß den
11 und
12 wird
das grundsätzlich
aus der
DE 195 33
623 B4 bekannte Prinzip eines Zweikreisresonanzabsorbers
mit einem akustischen Serienkreis und einem akustischen Parallelkreis
auf einen Schalldämpfer
für ein
strömendes
Gas angewandt. Hierzu wird das Gas auf zwei Gaskanäle
21 und
22 aufgeteilt,
wobei der Gaskanal
21 ein Ringkanal ist, der zwischen dem
Rohr
2 und einem Innenrohr
23 verläuft, während der
Gaskanal
22 durch das Innenrohr
23 verläuft. Die
Innenbereiche
24 und
25 der Gaskanäle
21 und
22 werden
hier jeweils durch helikale Einbauten
26 und
27 zu
Schraubengängen
geformt. Hierbei sind nur die helikalen Einbauten
27 in dem
Innenrohr
23 zwingend zweigängige Helices
9. Die
helikalen Einbauten
6 in dem ringförmigen Gaskanal
21 können auch
Einfachhelices sein, wie dies hier dargestellt ist. Mit den helikalen
Einbauten
26 und
27 werden in beiden Gaskanälen
21 und
22 Helmholtz-Resonatoren
28 und
29 ausgebildet,
wobei hier jedoch die Reihenfolge von helikalen Einbauten
26 bzw.
27 und
deren freien Abständen
zwischen den Gaskanälen
21 und
22 vertauscht
ist. D. h., an den Enden des Gaskanals
21 liegen helikale
Einbauten und an den Enden des Gaskanals
22 liegen Freiräume. Den
akustischen Parallelkreis bildet dabei der Gaskanal
22,
der die endseitigen Freiräume
aufweist. Diese bilden akustische Federn aus, während die helikalen Einbauten
26 und
27 akustischen
Massen entsprechen. Bei den skizzierten Zweikreisresonanzabsorbern
wird eine besonders hohe Absorptionsleistung bei der Hauptschallfrequenz
erreicht, auf die die einzelnen Helmholtz-Resonatoren
28 und
29 abgestimmt
sind. Die beiden Ausführungsformen
des Schalldämpfers
gemäß den
11 und
12 unterscheiden
sich durch den geometrischen Aufbau der helikalen Einbauten
26 und
27.
-
- 1
- Schalldämpfer
- 2
- Rohr
- 3
- Wandung
- 4
- helikaler
Einbau
- 5
- helikaler
Einbau
- 6
- helikaler
Einbau
- 7
- Abstand
- 8
- Rohrachse
- 9
- zweigängige Helix
- 10
- Innenbereich
- 11
- Gaskanal
- 12
- Teilungen
- 13
- Helmholtz-Resonator
- 14
- Kavität
- 15
- Helmholtz-Resonator
- 16
- Helmholtz-Resonator
- 17
- Einschnürung
- 18
- Helmholtz-Resonator
- 19
- Aufweitung
- 20
- Flanke
- 21
- Gaskanal
- 22
- Gaskanal
- 23
- Innenrohr
- 24
- Innenbereich
- 25
- Innenbereich
- 26
- helikaler
Einbau
- 27
- helikaler
Einbau
- 28
- Helmholtz-Resonator
- 29
- Helmholtz-Resonator