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Die
Erfindung betrifft ein geräuscharmes Aggregat mit einem
Motor und einer durch diesen antreibbaren Pumpe, insbesondere ein
Hydraulikaggregat, bei dem Motor und Pumpe zusammen in einem als
Schallschutzkapsel ausgebildeten Gehäuse angeordnet sind.
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Derartige
Aggregate sind beispielsweise aus der
DE 102 27 017 A1 und der
DE 42 19 462 A1 bekannt.
Zur Schalldämpfung werden bei diesen auch als „Flüsteraggregate” bezeichneten
Aggregaten verschiedene Maßnahmen getroffen, um Motor und Pumpe
möglichst schalldicht einzuschließen. Beispielsweise
kann ein Behälter für ein hydraulisches Druckmittel
derart ausgebildet sein, dass er Motor und Pumpe auf mehreren Seiten
umgibt und somit einen Rahmen bildet, in dem Motor und vor allem
Pumpe schwingungsisoliert aufgehängt werden können, so
dass eine gute Körperschallabkopplung erreicht werden kann.
Zusätzliche Maßnahmen wie die Auskleidung mit
Absorbern können ergriffen werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, bei derartigen Aggregaten eine
noch weitergehende Reduzierung der Schallemission zu erreichen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit
dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein
erfindungsgemäßes geräuscharmes Aggregat
weist einen Motor und eine durch diesen antreibbare Pumpe auf. Der
Motor und die Pumpe sind in einem gemeinsamen, als Schallschutzkapsel
ausgebildeten Gehäuse aufgenommen, wobei das Aggregat zumindest
ein aktives Schalldämpfungssystem aufweist.
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Unter
einer Schallschutzkapsel wird hier und im Folgenden eine Vorrichtung
verstanden, die Motor und Pumpe mit speziellen Maßnahmen
für eine Reduzierung der Schallemission umgibt, beispielsweise durch
eine schwingungsisolierte Aufhängung von Motor und Pumpe
oder andere schalldämpfende Maßnahmen, die eine
erhebliche und gezielte Schallisolation nach außen bewirken.
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Unter
einem aktiven Schalldämpfungssystem wird hier und im Folgenden
ein System verstanden, das durch die Abgabe akustischer Energie
eine Reduktion des nach außen dringenden Schalls bewirkt.
Derartige, auch als „Antischall”-Systeme bezeichnete
Systeme weisen typischerweise mindestens einen Schallaufnehmer wie
ein Mikrofon, eine Verarbeitungseinheit und mindestens eine Schallquelle
wie einen Lautsprecher auf. Der Schallaufnehmer registriert auftretende
Schallemissionen, aus denen die Verarbeitungseinheit das Antischallsignal
berechnet und erzeugt, das durch die Schallquelle zur Verfügung
gestellt wird und destruktiv mit den aufgenommenen Schallemissionen
interferiert.
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Einem
Grundgedanken der Erfindung zufolge ist die Anwendung einer aktiven
Schalldämpfung bei Maschinen wie beispielsweise Hydraulikaggregaten
besonders erfolgreich, weil deren Schallemissionen typischerweise
zeitlich wenig veränderlich sind. Beispielsweise sind Schallemissionen
einer Axialkolbeneinheit durch ein Spektrum mit einem sehr hohen Anteil
diskreter, charakteristischer Frequenzen gekennzeichnet, das sich
zudem, sofern sich die Arbeitsbedingungen nicht verändern,
zeitlich nicht unvorhersehbar ändert. Derartige Schallemissionen können
besonders effektiv durch aktive Maßnahmen wie Antischall
gedämpft werden, weil sie besonders gut berechenbar und
somit reproduzierbar sind.
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In
einer Ausführungsform weist das Gehäuse zumindest
einen Strömungskanal als Verbindung von der Schallschutzkapsel
nach außen auf und das aktive Schalldämpfungssystem
ist innerhalb des Strömungskanals angeordnet.
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Ein
derartiger Strömungskanal ist beispielsweise zur Be- und
Entlüftung vorgesehen, besonders, wenn der Motor als luftgekühlter
Elektromotor ausgebildet ist. Derartige Kanäle sind mit
passiven Maßnahmen nur begrenzt zu dämmen, da
eine Dämmung meist auf Kosten des Kanalquerschnitts geht. Insbesondere
im Bereich der Be- und Entlüftung entstehen somit „akustische
Lecks”, die mit passiven Materialien nur schwer abzudichten
sind. Es können beispielsweise mit porösem Absorptionsmaterial
gefüllte Blechkanäle im Bereich der Be- und Entlüftung vorgesehen
sein. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird jedoch
zusätzlich eine Verbesserung der Schalldämpfung
mit aktiven Maßnahmen erreicht, da sich das aktive Schalldämpfungssystem
ohne störende Nebeneffekte im Bereich von Strömungskanälen anbringen
lässt.
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In
einer Ausführungsform der Erfindung ist das aktive Schalldämpfungssystem
innerhalb der Schallschutzkapsel angeordnet und damit nicht im Bereich
einer Be- und Entlüftung oder einer ähnlichen
Verbindung nach außen. Auch innerhalb der Schallschutzkapsel
können, wenn dort eine weitergehende Reduktion des Schallpegels
angestrebt wird, derartige aktive Maßnahmen vorteilhaft
eingesetzt werden.
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Selbstverständlich
können diese aktiven Maßnahmen innerhalb der Schallschutzkapsel
vorteilhaft mit solchen im Bereich eines Strömungskanals,
der eine Verbindung nach außen darstellt, kombiniert werden.
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Das
aktive Schalldämpfungssystem umfasst typischerweise mindestens
einen Schallaufnehmer, beispielsweise ein Mikrofon, und mindestens
eine Schallquelle, beispielsweise einen Lautsprecher. Die Aufnahme
des Schallsignals kann jedoch auch anders als direkt über
ein Mikrofon, nämlich beispielsweise über Beschleunigungssensoren
im Bereich der Schall erzeugenden Elemente oder über Drehzahlsensoren
erfolgen.
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Bei
einer Ausführungsform der Erfindung sind zumindest zwei
Wände des Gehäuses durch einen Vorratsbehälter
für hydraulisches Druckmittel gebildet. Der Vorratsbehälter
für hydraulisches Druckmittel kann auch eine U-Form aufweisen
und drei Wände des Gehäuses ausbilden, innerhalb
dessen der Motor und die Pumpe schwingungsisoliert befestigt sind.
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Bei
einer derartigen Anordnung wird die Schallschutzkapsel durch eine
weitgehende mechanische Entkoppelung von Motor und Pumpe vom Gehäuse
verwirklicht. Der mit hydraulischem Druckmittel gefüllte
Vorratsbehälter wird dazu gezielt genutzt.
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Innerhalb
der Schallschutzkapsel können passive Schalldämpfungsmittel
wie poröse Materialien und/oder Resonanzabsorber vorgesehen
sein.
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In
einer Ausführungsform fallen Maxima des Absorptionsgrades
der passiven Schalldämpfungsmittel mit Maxima von tonalen
Erregerfrequenzen des Aggregats zusammen, so dass eine beson ders gute
Absorption gerade bei den besonders störenden Frequenzen
erreicht wird.
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Unter „zusammenfallen” der
Maxima wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass die Lage der
lokalen Maxima des Absorptionsgrades nur um bis zu 20% des Abstands
zu benachbarten Maxima im Emissionsspektrum abweicht, wobei ein
Maximum des Emissionsspektrums noch im Bereich der mittleren quadratischen
Abweichung um das entsprechende Maximum im Absorptionsspektrum zu liegen
kommt.
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Die
erfindungsgemäße Verwendung eines aktiven Schalldämpfungssystems
weist folgende Vorteile auf: Erstens können durch Strömungskanäle austretende
Schallemissionen durch den Einsatz aktiver Maßnahmen stark
verringert werden. Zweitens kann diese Wirkung auch gezielt in Frequenzbereichen
erzielt werden, in denen passive Maßnahmen nicht sehr effektiv
sind. Drittens ist der Einsatz aktiver Dämpfungsmaßnahmen
besonders geeignet bei Maschinen wie Hydraulikaggregaten, die stationäre Emissionsspektren
aufweisen.
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Es
wird somit ermöglicht, derartige Maschinen, beispielsweise
Axialkolbenpumpen, weniger stark auf geringe Schallemissionen, sondern
vielmehr auf eine besonders Effizienz steigernde Umsteuerung auszulegen,
so dass beim Betrieb Energie eingespart werden kann.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung weist ein geräuscharmes Aggregat einen
Motor und eine durch diesen antreibbare Pumpe auf, wobei der Motor
und die Pumpe in einem gemeinsamen, als Schallschutzkapsel ausgebildeten
Gehäuse aufgenommen sind. Innerhalb der Schallschutzkapsel
sind passive Schalldämpfungsmittel angeordnet. Maxima des
Absorptionsgrades der pas siven Schalldämpfungsmittel fallen
mit Maxima von tonalen Erregerfrequenzen des Aggregats zusammen.
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„Zusammenfallen” soll
hier wie bereits weiter oben erläutert verstanden werden.
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Auf
diese Weise kann innerhalb der Schallschutzkapsel eine gezielte
Dämpfung von Schallemissionen auch ohne zusätzliche
aktive Maßnahmen erreicht werden.
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Als
passive Schalldämpfungsmittel sind beispielsweise poröse
Materialien vorgesehen, die auch ein mehrschichtiges System unterschiedlicher
Materialien umfassen können.
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Weiterhin
sind als passive Schalldämpfungsmittel Resonanzabsorber
geeignet, die beispielsweise als Helmholtzabsorber oder als schwingfähig
aufgehängte Platten ausgebildet sind.
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Im
Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand
einer Zeichnung näher erläutert.
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1 zeigt
schematisch eine Seitenansicht eines Hydraulikaggregats gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung;
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2 zeigt
schematisch einen Querschnitt durch den Ansaugkanal des Hydraulikaggregats
gemäß 1;
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3a zeigt
schematisch einen Ausschnitt aus dem Frequenzspektrum des Hydraulikaggregats gemäß 1;
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3b zeigt
schematisch einen Ausschnitt aus dem Absorptionsgrad eines verwendeten
passiven Schalldämpfungsmittels in Abhängigkeit
von der Frequenz;
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4 zeigt
schematisch ein Beispiel für einen Resonanzabsorber und
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5 zeigt
schematisch Beispiele für Helmholtzresonatoren.
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Gleiche
Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt
schematisch eine Seitenansicht des Hydraulikaggregats 1 gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung. An einer Grundplatte 2 ist ein
U-förmiger Vorratsbehälter 3 für
ein hydraulisches Druckmittel gehalten. Der Vorratsbehälter 3 bildet
drei Seitenwände 5, 7 und 12 eines
quaderförmigen Rahmens 4, dessen Boden von der
Grundplatte 2 gebildet wird. Die Seitenwände 5, 7 und 12 sind doppelwandig
ausgeführt und mit der Grundplatte 2 verschweißt.
Durch diese konstruktive Maßnahme entsteht ein zur Aufnahme
von hydraulischem Druckmittel dienender Hohlraum, der zusätzlich
eine schalldämpfende Wirkung besitzt. Zur vierten Seite hin
ist eine nicht dargestellte Dämmwand vorgesehen, nach oben
ist der Rahmen 4 durch eine Dämmwand 6 abgeschlossen.
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Im
Innern des Rahmens 4 ist eine Motor-Pumpe-Gruppe 8 angeordnet,
die einen in dieser Ausführungsform luftgekühlten
Elektromotor 9 und eine durch den Elektromotor 9 antreibbare
Pumpe 10 umfasst. Der Elektromotor 9 ist an dem
Motorträger 11 gehalten, wobei der Motorträger 11 seinerseits über Schwingungsdämpfer 13, 14 mit
der Grundplatte 2 verbunden ist.
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Die
Motor-Pumpe-Gruppe 8 ist somit von dem Vorratsbehälter 3 mechanisch
entkoppelt und die Wände des Rahmens 4 sind nach
allen Seiten schalldämpfend ausgebildet, so dass sich schon
aufgrund dieser Maßnahmen eine gute Schalldämpfung des
Hydraulikaggregats 1 ergibt. Der Rahmen 4 bildet
somit eine Schallschutzkapsel für die Motor-Pumpe-Gruppe 8.
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Um
der Motor-Pumpe-Gruppe 8 die insbesondere für
den fremdbelüfteten Elektromotor 9 benötigte
Kühlluft zuzuführen, ist ein Ansaugkanal 15 vorgesehen.
Wie durch die beiden Pfeile 16, 17 angedeutet,
wird die Kühlluft durch ein Gitter 18 angesaugt,
innerhalb des Ansaugkanals 15 umgelenkt und dem Elektromotor 9 zugeführt.
Somit stellt der Ansaugkanal 15 eine Verbindung zwischen
der Schallschutzkapsel des Hydraulikaggregats 1 und der
Außenwelt her.
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In
der dargestellten Ausführungsform weist der Rahmen 4 eine
Entlüftungsöffnung 19 in der Dämmwand 6 auf.
Eine derartige Entlüftungsöffnung kann jedoch
auch in den Seitenwänden des Rahmens 4 angeordnet
sein.
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Vor
der Entlüftungsöffnung 19 ist ein kurzer Kanal 20 gebildet,
in dem der Entlüftungsöffnung 19 unmittelbar
benachbart ein Mikrofon 21 angeordnet ist, das Schallemissionen
aus der Entlüftungsöffnung 19 aufnimmt
und einer nicht dargestellten Verarbeitungseinheit zuführt.
Das Mikrofon 21 und die Verarbeitungseinheit gehören
zu einem aktiven Schalldämpfungssystem, das ferner einen
Lautsprecher 22 umfasst. Der Lautsprecher 22 ist
ebenfalls im Bereich des Kanals 20 und weiter von der Entlüftungsöffnung 19 entfernt
als das Mikrofon 21 angeordnet.
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Die
Verarbeitungseinheit stellt ein aufgrund der durch das Mikrofon 21 aufgenommenen
Schallemissionen berechnetes Antischallsignal zur Verfügung,
das durch den Lautsprecher 22 ausgesandt wird und Schallemissionen
durch destruktive Interferenz reduziert.
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2 zeigt
schematisch Details des Ansaugkanals 15 des Hydraulikaggregats 1 gemäß 1.
Der Ansaugkanal 15 weist eine Lufteintrittsöffnung 23 und
eine der Lufteintrittsöffnung 23 gegenüberliegende
Stirnwand 25 auf. Umgeben ist der Ansaugkanal von gedämmten
Seitenwänden 24. Eine Auslassöffnung 27 des
Ansaugkanals 15 fluchtet mit einem Kühllufteintritt 26 des
Elektromotors 9.
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Bei
der gezeigten Ausführungsform ist im Ansaugkanal 15 ein
aktives Schalldämpfungssystem untergebracht, das zumindest
ein Mikrofon 21, eine nicht gezeigte Verarbeitungseinheit
und einen Lautsprecher 22 aufweist. Dabei ist der Lautsprecher 22 näher
an der Lufteintrittsöffnung 23 angeordnet als das
Mikrofon 21 und stellt demnach im Bereich der Lufteintrittsöffnung 23,
wo der Kontakt nach außen hergestellt wird, die Schalldämpfung
zu Verfügung.
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Die
aktiven Schalldämpfungssysteme gemäß den 1 und 2 können
zusammen in einem einzigen Hydraulikaggregat 1 angeordnet
sein. Es kann jedoch auch nur eines der aktiven Schalldämpfungssysteme
vorgesehen sein. Eine Kombination mit beliebigen weiteren passiven
oder aktiven Schalldämpfungssystemen ist ebenfalls denkbar.
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3a zeigt
schematisch einen Ausschnitt aus einem beispielhaften Frequenzspektrum
der Schallemissionen eines Hydraulikaggregats gemäß 1,
wobei der Schalldruckpegel Lp über
der Frequenz f aufgetragen ist. Eine derartige Maschine emittiert
aufgrund ihrer Arbeitsweise – beispielsweise durch ihre
Axialkolbeneinheit – ein Spektrum mit einem sehr hohen
Anteil diskreter Frequenzen. Zudem ist das Geräusch stationär,
zeitlich also kaum variabel. Für derartige Schallemissionen
ist der Einsatz des beschriebenen aktiven Schalldämpfungssystems
besonders geeignet.
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Darüber
hinaus können die Charakteristika dieser Spektren auch
genutzt werden, um zusätzlich zu den oder anstelle der
aktiven Schalldämpfungssysteme besonders konzipierte passive
Dämpfungssysteme einzusetzen.
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3b zeigt
schematisch das Absorptionsspektrum eines passiven Schalldämpfungssystem gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung, das speziell auf das Frequenzspektrum
gemäß 3a zugeschnitten
wurde. Der Absorptionsgrad α des passiven Schalldämpfungssystems
in Abhängigkeit von der Frequenz f ist durch die durchgezogene
Kurve 29 angedeutet.
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Im
Gegensatz zu einem herkömmlichen Absorbermaterial, dessen
Absorptionsgrad in Abhängigkeit von der Frequenz durch
die gestrichelte Kurve 28 angedeutet ist, weist das passive
Schalldämpfungssystem mehrere lokale Maxima in seinem Absorptionsgrad
auf. Die Lage der lokalen Maxima bei den Frequenzen f1,
f2, f3, f4 usw. entspricht der Lage der lokalen Maxima
des Schalldruckpegels im Emissionsspektrum gemäß 3a.
Somit ist das Absorptionsvermögen des passiven Schalldämpfungssystems
optimal auf die zu dämpfenden Emissionen abgestimmt.
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Ein
derartiges passives Schalldämpfungssystem kann als poröser
Absorber, als Resonanzabsorber oder als Kombination aus beidem aufgebaut sein.
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4 zeigt
schematisch einen Resonanzabsorber, der eine Platte 31 umfasst,
die mittels eines Abstandhalters 32 an einer Wand 30 beispielsweise innerhalb
eines Strömungskanals des Hydraulikaggregats befestigt
ist. Zwischen der Platte 31 und der Wand 30 ist
ein Zwischenraum 33 der Dicke dL gebildet,
der in der gezeigten Ausführungsform mit einem porösen
Absorbermaterial 34 aufgefüllt ist.
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Die
Platte 31 mit der spezifischen Masse m bildet mit dem dahinter
liegenden Zwischenraum ein Masse-Feder-System mit einer Resonanzfrequenz, die
durch eine geeignete spezifische Masse m der Platte und einen geeigneten
Abstand dL auf die zu absorbierenden Frequenzen
abgestimmt werden kann.
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Eine
Resonanzfrequenz von 220 Hz kann beispielsweise bei einem Abstand
dL von 5 cm und einer spezifischen Masse
m von 1 kg/m2 der Platte 31 eingestellt
werden. Als Materialien für die Platte 31 sind
beispielsweise Gläser, Folien oder Sperrholz geeignet.
Im Bereich der Resonanzfrequenzen lässt sich der Absorptionsgrad α mit
dieser Maßnahme von ca. 30 bis 50% auf 60 bis 80% erhöhen.
Derartige Platten 31 können auch mit Löchern
oder Durchbrüchen versehen sein, so dass die poröse
Absorption erhöht wird.
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5 zeigt
beispielhaft zwei Resonanzabsorber insbesondere für tiefe
Frequenzen, die als Helmholtzresonatoren 35 ausgebildet
sind. Ein derartiger Resonator besteht aus einem Gasvolumen 36,
das über eine enge Öffnung 37 mit der
Außenwelt verbunden ist. Im Betrieb stellt dies wegen des
Zusammenwir kens der hohen Komprimierbarkeit des Gasvolumens mit
der Trägheit der in der Öffnung befindlichen Luft
ein Masse-Feder-System mit einer Resonanzfrequenz dar.
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Zur
optimalen Schalldämpfung können die beschriebenen
Maßnahmen des aktiven Schalldämpfungssystems und
der passiven Systeme – Resonanzabsorber, insbesondere Helmholtzresonator, und
poröser Absorber – geeignet miteinander kombiniert
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10227017
A1 [0002]
- - DE 4219462 A1 [0002]