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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft einen Schalldämpfer für ein Hilfstriebwerk eines Flugzeugs mit einem Gehäuse und einem in dem Gehäuse angeordneten Strömungskanal, wobei der Zwischenraum zwischen dem Strömungskanal und dem Gehäuse in mehrere Zellen unterteilt ist. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines Schalldämpfers für ein Hilfstriebwerk in einem Flugzeug sowie ein Flugzeug mit mindestens einem Hilfstriebwerk und mindestens einem daran angeordneten erfindungsgemäßen Schalldämpfer.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Verkehrsflugzeuge weisen verbreitet ein Hilfstriebwerk auf (auch „APU” für „Auxiliary Power Unit” genannt) auf, welches sich häufig in einer Heckspitze des Flugzeugs befindet und auf Basis einer Strömungskraftmaschine, zum Beispiel eines Turboluftstrahltriebwerks, ausgeführt ist und das Flugzeug mit Druckluft und elektrischer Energie versorgt. Bei einer derartigen Anordnung tritt das beim Betrieb entstehende Abgas durch einen Abgasauslass im Bereich der Heckspitze in die Umgebung des Flugzeugs aus, so dass möglichst unter allen bei Bodenaufenthalt des Flugzeugs und bei im Flug auftretenden Bedingungen keines der Leitwerke des Flugzeugs mit dem heißen Abgasstrahl in Berührung kommt. Aufgrund des häufigen Betriebs des Hilfstriebwerks während des Bodenaufenthalts des Flugzeugs kann dessen Geräuschentwicklung eine Lärmbelästigung für den Flughafen und dessen Umgebung darstellen. Zum Reduzieren der Geräuschentwicklung am Boden werden Schalldämpfer eingesetzt, die an den Abgasauslass des Hilfstriebwerks angekoppelt sind und den Abgaslärm entsprechend dämpfen.
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Aus
WO 2010/040837 A1 sind Schalldämpfer für Hilfstriebwerke eines Flugzeugs bekannt, deren grundlegende Bauart in Folgenden besondere Berücksichtigung findet.
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Ein bekannter Schalldämpfer für ein Hilfstriebwerk weist einen Strömungskanal auf, der einen Abgaseinlass mit einem Abgasauslass verbindet und von einem Gehäuse umgeben ist. Das Volumen zwischen dem Gehäuse und dem Strömungskanal ist durch Zwischenwände (auch „Partitionen” genannt) in mehrere Zellen unterteilt, wobei die Mehrheit der Partitionen in äquidistanter Weise entlang des Strömungskanals angeordnet ist. Der Strömungskanal ist üblicherweise aus einem metallischen, filzartigen Material aufgebaut, das die Temperatur und Korrosivität des Abgases verträgt und gleichzeitig porös ist. Dadurch wird nicht nur eine Leitung des Abgases durch den Strömungskanal entlang seiner Erstreckung in dem Gehäuse ermöglicht, sondern auch eine Wechselströmung quer dazu durch das Wandmaterial des Strömungskanals hindurch in die einzelnen Zellen, so dass beim Durchtritt durch das Wandmaterial des Strömungskanals durch Reibung Schallenergie in Wärme umgesetzt wird und dadurch das Abgasgeräusch gemindert wird.
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Bei der Auslegung eines entsprechenden Schalldämpfers ist besonders bei Flugzeugen der zur Verfügung stehende Bauraum stark begrenzt, so dass zur Steigerung des Schalldämmmaßes die äußeren Abmessungen des Schalldämpfers praktisch nicht vergrößert werden können, sondern stets konstant oder zumindest auf einem geringstmöglichen Niveau gehalten werden sollten. Mit den vorhandenen Bauweisen von Schalldämpfern für Hilfstriebwerke eines Flugzeugs sind nicht ohne Weiteres Verbesserungen im Schalldämmmaß zu erwarten, ohne die äußeren Abmessungen des Schalldämpfers zu vergrößern.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es könnte demnach als Aufgabe der Erfindung angesehen werden, einen Schalldämpfer für ein Hilfstriebwerk eines Flugzeugs vorzuschlagen, bei dem eine verbesserte Schalldämpfung erreicht werden kann, ohne den Schalldämpfer in seinen äußeren Abmessungen zu vergrößern. Der Schalldämpfer sollte möglichst kompakt sein, aber dennoch eine effektive Schalldämpfung in einem weiten Frequenzbereich ermöglichen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Schalldämpfer für ein Hilfstriebwerk eines Flugzeugs mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Schalldämpfer einen Einlass, einen Auslass, ein Gehäuse und einen in dem Gehäuse angeordneten Strömungskanal mit einem porösen Wandmaterial auf. Zwischen dem Gehäuse und dem Strömungskanal ist ein Zwischenraum gebildet, der mittels einer oder mehrerer äußerer Partitionen in um den Strömungskanal herum angeordnete äußere Zellen unterteilt ist. Der Schalldämpfer weist weiterhin einen Zentralkörper mit einem zumindest abschnittsweise gasdurchlässigen Mantel auf, der im Inneren des Schalldämpfers angeordnet ist, zumindest bereichsweise in den Einlass ragt und innere Partitionen aufweist, die den Zentralkörper in innere Zellen unterteilen. Dabei entspricht die Resonanzfrequenz der inneren Zellen der Eigenfrequenz der ersten Radialmode in einem zwischen dem Mantel des Zentralkörpers und der inneren Oberfläche des Einlasses gebildeten Kanal.
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Durch den Einlass in den Strömungskanal eintretendes Abgas bewegt sich innerhalb des Strömungskanals zu dem Auslass und tritt dort in die Umgebung des Flugzeugs aus. Das Wandmaterial des erfindungsgemäßen Schalldämpfers ist – wie auch im Stand der Technik bekannt – porös und erlaubt eine Wechselströmung durch eine Wand des Strömungskanals. Beim Durchströmen des porösen Wandmaterials wird ein Teil der Schallenergie in Wärme umgewandelt, so dass eine gewisse Geräuschreduktion eintritt. Über die entlang des Schalldämpfers verteilten äußeren Zellen wiederholt sich diese Schallreduktion mehrmals, so dass im Bereich des Auslasses bereits eine sehr gute Schalldämpfung erreicht wird. Die Verteilung der äußeren Partitionen muss nicht zwingend äquidistant ausgeführt sein, sondern kann auch in einem oder mehreren Intervallen variiert werden, wie
WO 2010/040837 A1 zeigt.
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Die Schalldämpfung mit Hilfe des Zentralkörpers wird durch die zumindest teilweise Anordnung des Zentralkörpers in dem Einlass zumindest teilweise von der Schalldämpfung in dem Innern des Gehäuses im Bereich des Strömungskanals entkoppelt. Es ist vorstellbar, dass der Zentralkörper vollständig innerhalb des Einlasses positioniert ist und von dort sogar in einen Anschlussbereich des Hilfstriebwerks hineinragt. Dadurch wird eine vollständige Entkopplung ausgeführt, bei gleichzeitig unverändertem Bauraum des Schalldämpfers.
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Eine Herausforderung bei der Auslegung derartiger Schalldämpfer liegt in der Optimierung bzw. Maximierung einer Energieübertragung schwach gedämpfter ebener Wellen zu Transversalwellen, die deutlich besser schallgedämpft werden können. Bei derart optimierten Schalldämpfern kann auch beobachtet werden, dass aufgrund eines Resonanzphänomens eine erste Radialmode in dem Schalldämpfer stromabwärts des Hilfstriebwerks angeregt wird. Die erfindungsgemäße Integration des Zentralkörpers kann diesen Effekt deutlich reduzieren. Durch das Angleichen der Eigenfrequenz der in dem Zentralkörper gebildeten inneren Zellen mit der ersten Radialmode einer stehenden Welle in dem Schalldämpfer wird eine hohe Strömungsgeschwindigkeit durch das Wandmaterial des Mantels des Zentralkörpers hervorgerufen, so dass hieraus akustische Energie reduziert und die Anregung der Radialmode reduziert wird.
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Der erfindungsgemäße Schalldämpfer dämpft Abgasgeräusche eines Hilfstriebwerks deutlich besser als herkömmliche Schalldämpfer für Hilfstriebwerke, die nach einem ähnlichen Prinzip mit einem porösen Strömungskanal und um den Strömungskanal herum gebildete Zellen arbeiten.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Mantel des Zentralkörpers aus einem porösen Material gebildet. Dadurch wird eine gleichmäßige Bereitstellung eines definierten Strömungswiderstands zum Abbau akustischer Energie innerhalb des Zentralkörpers bereitgestellt. Das poröse Material kann auf verschiedene Arten ausgebildet sein, beispielsweise aus einer Art Metallfilz oder ähnlichen wärmestabilen und gasdurchlässigen Materialien. Der Mantel könnte demnach aus einem vergleichbaren Material bestehen wie der Strömungskanal zwischen dem Einlass und dem Auslass. Dadurch wird eine gleiche Wirkung bei einer Wechselströmung durch den Mantel erzeugt wie bei einer Wechselströmung durch den Strömungskanal.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform entspricht der Strömungswiderstand R des Materials des Mantels des Zentralkörpers dem 1- bis 1,5-fachen eines Grundwiderstands, der sich durch
berechnet, wobei T die Temperatur in Kelvin (K) des durch den Schalldämpfer strömenden Gases ist. Allgemein ist der Widerstand so einzustellen, dass sowohl recht leicht ein geräuschinduziertes Durchströmen des Abgases ermöglicht und die Schallenergie zumindest zu einem Teil in Wärme umgesetzt wird. Dies bedeutet im Gegenzug auch, dass der Widerstand groß genug sein muss, um möglichst viel Schallenergie in Wärme umzusetzen. Für den Zentralkörper beeinflusst der Strömungswiderstand auch eine Aufteilung einer Resonanzfrequenz eines Systems gebildet aus dem Strömungskanal und den inneren Zellen in dem Zentralkörper in zwei separate Frequenzen, die nicht exakt der Resonanzfrequenz der Zellen des Zentralkörpers entsprechen. Tendentiell wird dadurch eine etwas geringere Schalldämpfung erreicht wird als ohne eine Frequenzaufteilung. Die Einstellung des Strömungswiderstands auf den oben genannten, überraschend aufgefundenen Wert führt zu einer solchen Frequenzteilung, die mit einer optimalen Schalldämpfung einhergeht.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Mantel zylindrisch ausgeführt und koaxial zum Strömungskanal angeordnet, was die Entstehung symmetrischer Transversalwellen begünstigt, die sich durch den porösen Strömungskanal vorteilhafter dämpfen lassen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Zentralkörper zumindest teilweise koaxial zum Einlass ausgerichtet. Durch die Koaxialität wird ein gleichmäßig ausgeformter ringförmiger Zwischenraum zwischen dem Zentralkörper und dem Einlass bzw. dem Strömungskanal gebildet, der zu einer gleichmäßigen Dämpfung in Umfangsrichtung führt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umgibt eine perforierte Wandung den Mantel. Durch die zusätzliche Verwendung einer perforierten Wandung kann eine unabhängige Einstellung des Strömungswiderstands zur Schallabsorption und der Eigenfrequenz der inneren Zellen erreicht werden. Würde keine perforierte Wandung den Mantel umgeben und würde der Strömungswiderstand des Mantels zur Verbesserung der Absorption erhöht werden, würde die Eigenfrequenz der inneren Zellen sinken. Die perforierte Wandung kann demnach die Effektivität des erfindungsgemäßen Schalldämpfers weiter steigern.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist an der Innenseite des Mantels eine perforierte Wandung angeordnet. Dies ist demnach der umgekehrte Aufbau wie in der vorangehenden Ausführungsform beschrieben, wobei jedoch der ringförmige Einströmraum des Abgases nicht durch die perforierte Wandung gestört wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein Luftspalt zwischen dem Mantel und der perforierten Wandung gebildet. Der Luftspalt zwischen der porösen Wandung und dem Mantel besonders vorteilhaft, denn durch den Abstand zwischen den Perforationsöffnungen der Wandung und dem Mantel wird neben der lokalen Durchströmung der Perforationsöffnungen der perforierten Wandung eine Durchströmung praktisch der gesamten Mantelfläche erlaubt. Würde die perforierte Wandung den Mantel berühren würde sich nur eine lokale Strömung durch Perforationsöffnungen und direkt daran anschließende Mantelflächenbereiche einstellen, was jedoch das Dämpfungsverhalten verschlechtert.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Perforationsgrad der perforierten Wandung derart gewählt, dass die Resonanzfrequenz der inneren Zellen dem 0,95–1,05-fachen der ersten transversalen Eigenfrequenz einer stehenden Welle in dem Raum zwischen dem Einlass und dem Zentralkörper entspricht. Damit kann insbesondere die Frequenzaufteilung vorteilhaft beeinflusst werden.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Flugzeug mit einem Hilfstriebwerk und einem Schalldämpfer mit den vorangehend genannten Merkmalen, wobei der Einlass des Schalldämpfers mit einem Abgasauslass des Hilfstriebwerks verbunden ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Zentralkörper mit einem Turbinenstator des Hilfstriebwerks verbunden. Damit kann eine maximale Erstreckung des Schalldämpfers innerhalb des Flugzeugs bei ansonsten unverändertem Bauraumangebot erreicht werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbezügen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schalldämpfers in einer seitlichen Schnittansicht.
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2a und 2b zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Schalldämpfers mit einer zusätzlichen perforierten Wandung.
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3 zeigt ein Flugzeug mit einem Hilfstriebwerk und einem erfindungsgemäßen Schalldämpfer.
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DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Schalldämpfer 2 in einer seitlichen Schnittdarstellung. Der Schalldämpfer 2 weist einen Einlass 4, einen Auslass 6, ein zwischen dem Einlass 4 und dem Auslass 6 befindliches Gehäuse 8 und einen davon umgebenen Strömungskanal 10 mit einem porösen Wandmaterial auf. Das Gehäuse 8 weist mehrere voneinander beabstandete Partitionen 12 auf, die einen Zwischenraum zwischen dem Gehäuse 8 und dem Strömungskanal 10 in mehrere äußere Zellen 14 unterteilen.
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Der Einlass 4 ist mit einem Abgasauslass 16 einer APU verbunden, wobei der Ausdruck „APU” ein Hilfstriebwerk bezeichnet. Wie die Strömungsrichtungspfeile 18 angeben, strömt Abgas aus dem Abgasauslass 16 in den Einlass 4 hinein, von dort über den Strömungskanal 10 zu dem Auslass 6, um von dort wieder in die Umgebung zu gelangen. Der Einlass 4 und der Strömungskanal 10 weisen beispielhaft den gleichen Durchmesser auf, so dass ein gleichmäßiges Strömungsbild im Übergang von dem Einlass 4 zu dem Strömungskanal 10 erfolgt.
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Bei der Einströmung des Abgases in den erfindungsgemäßen Schalldämpfer 2 werden Resonanzschwingungen mit mehreren Transversalmoden angeregt, durch die sich eine Wechselströmung durch das poröse Wandmaterial des Strömungskanals 10 einstellt. Durch die Querströmung in die einzelnen äußeren Zellen 14 bei Überwindung des vorbestimmten Strömungswiderstands des Wandmaterials des Strömungskanals 10 wird ein Teil der Schallenergie in Wärme umgesetzt, so dass der Abgaslärm reduziert wird.
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In einem Bereich des Einlasses 4 ist ein Zentralkörper 20 angeordnet, der eine Reihe von inneren, voneinander beabstandeten Partitionen 22 aufweist, die den Zentralkörper 20 in innere Zellen 24 unterteilen. Zusätzlich werden die inneren Partitionen 22 von einem zumindest bereichsweise gasdurchlässigen Mantel umgeben. Dieser lässt eine Wechselströmung zwischen den inneren Zellen 24 und außerhalb des Mantels 26 liegenden Bereichen zu.
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Bei Ausführung des Hilfstriebwerks als eine Gasturbine kann diese in einem Bereich ihres Abgasauslasses 16 einen Stator 28 aufweisen, an dem sich der Zentralkörper 20 bündig anschließt. Es ist hierbei von Vorteil, dass der Durchmesser der zylindrischen Schale 26 des Zentralkörpers 20 auf den Durchmesser des Stators 28 angepasst ist. Abgas, das aus dem Abgasauslass 16 des Hilfstriebwerks in den Schalldämpfer 2 strömt, weist zunächst aufgrund des Stators 28 ein ringförmiges Strömungsbild auf. Aufgrund der Anregung von Transversalmoden erstrecken sich Schallwellen auch durch den zumindest abschnittsweise gasdurchlässigen Mantel 26 in die inneren Zellen 24 des Zentralkörpers 20, werden von den Partitionen 22 reflektiert und geraten auf der gegenüberliegenden Seite des Mantels 26 wieder aus dem Zentralkörper 20 hinaus. Aufgrund der Durchströmung des Mantels 26 wird ein Teil der Schallenergie in Wärme umgewandelt.
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Abgas, welches anschließend aus dem ringförmigen Bereich zwischen Einlass 4 und/oder Strömungskanal 10 den Bereich des Zentralkörpers 20 verlässt und den daran anschließenden Teil des Schalldämpfers 2 durchströmt, wird aufgrund des sich erweiternden Strömungsraums etwas verlangsamen und dort aufgrund Wechselströmungen durch den Strömungskanal 10 und der Reflexion in den äußeren Zellen 14 weiter schallgedämpft werden.
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In dem mit A-A gekennzeichneten Schnitt wird eine exemplarisch auftretende akustische Druckverteilung in dem ringförmigen Kanal zwischen dem Zentralkörper 20 und dem Einlass 4 dargestellt, der aus der Anregung der ersten Radialmoden durch ein Resonanzphänomen resultiert. Die Resonanzfrequenz weist dabei folgende vereinfachte Abhängigkeit auf: fres = ~c/(D2 – D1) [Hz], wobei c die Schallgeschwindigkeit im Abgas, D2 der äußere und D1 der innere Durchmesser des Kanals ist. Durch den vorgeschlagenen Aufbau des Schalldämpfers wird dieser Effekt vermindert, so dass die Größe und das Gewicht des Schalldämpfers reduziert werden können. Das Maximum der ersten Radialmode liegt ungefähr auf der Höhe des Zentralkörpers 20, so dass dort eine größtmögliche Wechselströmung durch das poröse Wandmaterial 26 zur Erreichung einer größtmöglichen Absorption erreicht und die Anregung der ersten Radialmoden verringert werden.
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In 2a wird eine leichte Modifikation dieses Aufbaus dargestellt. Zusätzlich zu den Merkmalen aus 1 weist ein Schalldämpfer 30 eine perforierte Wandung 32 auf, die einen gewissen Abstand zu dem gasdurchlässigen Mantel 26 aus einem porösen Material besitzt. Der sich dazwischen bildende Spalt 34 erlaubt insbesondere eine vollständige Durchströmung der Oberfläche des Mantels 26, so dass dessen gesamte Oberfläche zur Schalldämpfung beiträgt. Ein besonderer Vorteil dieser Ausgestaltung liegt weiterhin in der voneinander unabhängigen Einstellung der Eigenfrequenz der inneren Zellen und des Strömungswiderstands zur Schallabsorption.
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Weiterhin könnte bei entsprechender Materialgestaltung zusätzlich eine Reflexion an der Innenseite der perforierten Wandung 32 auftreten, so dass dadurch ein erneutes Durchströmen des porösen Mantels 26 erzwungen wird. Damit lässt sich die schalldämpfende Wirkung noch weiter steigern.
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Alternativ dazu kann, wie in 2b gezeigt, die in 2a gezeigten Positionen der perforierten Wandung 32 und eines porösen Mantels 26 getauscht werden, so dass die perforierte Wandung 32 direkt an die Partitionen 22 anschließt und in einem gewissen Abstand dazu der poröse Mantel 26 verläuft. Die Reflexionen in den inneren Zellen 24 werden dadurch tendenziell verstärkt, während der aus der perforierten Wandung 32 austretende Schall zur weiteren Schalldämpfung den porösen Mantel 26 durchströmt.
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Schließlich zeigt 3 ein Flugzeug 38, das in einer Heckspitze ein Hilfstriebwerk 40 aufweist, an das sich stromabwärts ein Schalldämpfer 2 anschließt. Dieser führt zu einer verbesserten Schalldämpfung des Abgasstrahls aus dem Hilfstriebwerk und erlaubt einen geräuscharmen Betrieb am Boden.
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Ergänzend sei darauf hinzuweisen, dass „aufweisend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „ein” oder „eine” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010/040837 A1 [0003, 0009]
