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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Sandwichpaneel mit zwei Deckschichten und einer zwischen den beiden Deckschichten angeordneten Wabenstruktur, die quer zu den Deckschichten ausgerichtete, Waben ausbildende Wabenwandungen umfasst.
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Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Verwendungen eines solchen Sandwichpaneels und Vorrichtungen mit einem solchen Sandwichpaneel.
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STAND DER TECHNIK
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Aus M. P. Arunkumar et al.: Sound radiation and transmission loss characteristics of a honeycomb sandwich panel with composite facings: effect of inherent material damping, Journal of Sound and Vibration 383 (2016) 221-232 ist ein Sandwichpaneel mit zwei Deckschichten aus faserverstärktem Kunststoff und einer Wabenstruktur aus Aluminium bekannt. Dabei bilden Wabenwandungen der Wabenstruktur Waben von sechseckigem freiem Querschnitt aus. Eine Wabenzellgröße, die einen minimalen freien Wabendurchmesser der jeweiligen Wabe angibt, liegt bei einer Kantenlänge des freien Querschnitts von 4 mm unterhalb von 6 mm.
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M. P. Arunkumar et al.: Sound transmission loss characteristics of sandwich aircraft panels: Influence of nature of core, Journal of Sandwich Structures and Materials 2017, Vol. 19 (1) 26-48 haben einen Effekt der Wabenzellgröße auf das Schalltransmissionsverlustverhalten ermittelt. Da beim Variieren der Wabenzellgröße zwischen 2 mm und 4 mm nur eine geringe Variation des Schalltransmissionsverlustes mit der Wabenzellgröße auftrat, haben sie geschlossen, dass der Wert Schalltransmissionsverlust gegenüber der Zellgröße nicht empfindlich ist.
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Aus S. Kumar et al.: Predicting the sound transmission loss of honeycomb panels using the wave propagation approach, ACTA Acustica United with Acustica Vol. 94 (2011) 869-876 sind Sandwichpaneele mit Zellgrößen bis zu 2 cm bekannt. Dabei wird ein Sandwichpaneel mit einer Wabenzellgröße von 19,2 mm als ein solches mit einem weichen Kern bezeichnet.
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In der
EP 0 673 982 B1 wird eine Wabenstruktur für eine Sandwichplatte beschrieben, die Waben mit einer Wabenzellgröße von 1,59 mm bis zu über 5,08 cm aufweisen soll. Es wird jedoch kein Beispiel für eine Wabenzellgröße über 5,08 cm gegeben, wobei diese Angabe
2 Inch oder 2 Zoll entspricht.
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Kommerziell angebotene Sandwichplatten mit Wabenstrukturen aus Metall oder Kunststoff und kommerziell angebotene Wabenstrukturen aus Metall oder Kunststoff für Sandwichplatten weisen Wabenzellgrößen von nicht mehr als 2 cm auf.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sandwichplatte mit in einem großen Frequenzbereich von Schallfrequenzen grundsätzlich erhöhtem Schalldämmmaß sowie Verwendungen dieser Sandwichplatte und Vorrichtungen mit dieser Sandwichplatte aufzuzeigen.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Sandwichplatte mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 2 bis 11 betreffen bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sandwichplatte. Der Patentanspruch 12 ist auf eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Sandwichplatte als schalldämmendes Bauteil für ein Flugzeug oder die Generatorgondel einer Windkraftanlage gerichtet. Patentanspruch 13 betrifft ein Flugzeug und Patentanspruch 14 eine Generatorgondel für eine Windkraftanlage mit einem erfindungsgemäßen Sandwichpaneel.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei einem erfindungsgemäßen Sandwichpaneel mit zwei Deckschichten mit einer zwischen den beiden Deckschichten angeordneten Wabenstruktur, wobei die Wabenstruktur quer zu den Deckschichten ausgerichtete Wabenwandungen umfasst, die Waben einer Wabenzellgröße Größe c ausbilden, wobei die Wabenzellgröße c der jeweiligen Wabe einen minimalen freien Wabendurchmesser angibt, den die Deckschichten an beiden Enden der Wabe zwischen den Wabenwandungen überspannen, beträgt die Wabenzellgröße zumindest einiger der Waben mindestens 7,5 cm.
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Die Wabenzellgröße des erfindungsgemäßen Sandwichpaneels ist sehr groß. Sie ist sehr viel größer als die Wabenzellgröße bekannter Sandwichpaneele. Hiermit wird erreicht, dass ein Anstieg des Schalldämmmaßes TL, wobei TL für „Transmission Loss“ steht, zu kleineren Frequenzen des Luftschalls verschoben werden. So kann der Einbruchs oder Dip am Fuße des Anstiegs des Schalldämmmaßes TL konkret bis unter 1000 Hz und auch bis unter 800 oder sogar unter 400 Hz abgesenkt werden. Die durch die größere Wabenzählgröße c tendenziell reduzierte Stabilität des erfindungsgemäßen Sandwichpaneels kann durch Erhöhen der Schichtdicke der Deckschichten, insbesondere aber durch Erhöhen der Wandstärke der Wabenwandungen der Wabenstruktur kompensiert werden. Letzteres ist durch die reduzierte Fläche der Wabenwandungen in der Regel ohne Erhöhung der Flächendichte des erfindungsgemäßen Sandwichpaneels gegenüber Sandwichpaneelen gleicher Stabilität aber kleinerer Wabenzellgröße c möglich.
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Das Wirkprinzip des erfindungsgemäßen Sandwichpaneels in Bezug auf das Schalldämmmaß TL basiert darauf, dass die einzelnen Waben eine insbesondere durch die Wabenzellgröße c und die Eigenschaften der Deckschichten, insbesondere deren Werkstoff und Schichtdicke, bestimmte Eigenfrequenz aufweisen. Wenn die in dem Sandwichpaneel miteinander verschalteten Waben in Phase schwingen kann bereits bei einer großen Wellenlänge von auftreffendem Luftschall eine Koinzidenz erreicht werden, so dass beim Annähern an diese Wellenlänge des Luftschalls zunächst ein Einbruch und darauffolgend ein Anstieg des Schalldammmaßes erfolgt. In erster Näherung ist die Wabenzellgröße c neben Parametern des Werkstoff der Deckschichten von der Wurzel aus einem Quotienten der Schichtdicke geteilt durch die gewünschte Frequenz des Einbruchs am Fuße des Anstiegs des Schalldämmmaßes TL abhängig. Bei gleichbleibender Schichtdicke der Deckschichten nimmt die Frequenz des Einbruchs daher mit dem Quadrats des Kehrwerts der Wabenzellgröße c ab.
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Bei dem erfindungsgemäßen Sandwichpaneel kann die Wabengröße c, um den Einbruch des Schalldämmmaßes TL auf Frequenzen deutlich unter 1000 Hz zu verschieben, mindestens 10 cm oder sogar mindestens 15 cm betragen. Diese große Wabenzellgröße ist zumindest bei einigen, d. h. mehreren der von den Wabenwandungen der Wabenstruktur ausgebildeten Zellen gegeben. Es müssen aber nicht alle Waben des Sandwichpaneels eine derart große Wabenzellgröße c aufweisen. Bevorzugt ist es jedoch, wenn ein überwiegender Anteil der Waben, d. h. mindestens 50 % aller Waben die Wabenzellgröße c von mindestens 7,5 cm, 10 cm, bzw. 15 cm aufweisen. Mehr bevorzugt ist es, wenn dies für mindestens 66 % aller Waben gilt. Der jeweilige Mindestwert der Wabenzellgröße c kann auch von 90 % oder allen Waben eingehalten werden.
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Unabhängig von der Wabenzellgröße c umfasst das erfindungsgemäße Sandwichpaneel mehrere Waben. Dies bedeutet regelmäßig, dass in jeder Haupterstreckungsrichtung des Sandwichpaneels mindestens drei Waben nebeneinander angeordnet sind. Häufig ist die Zahl der in jeder Haupterstreckungsrichtung des Sandwichpaneels nebeneinander angeordneten Waben auch deutlich höher. Sie kann zum Beispiel 5 oder 10 betragen.
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Insbesondere bei einem größeren Sandwichpaneel können die Frequenzen oder die Einfallrichtungen von Luftschall, den das Sandwichpaneel dämmen soll, über die Haupterstreckungsfläche des Sandwichpaneels variieren. Daher kann es sinnvollsein, wenn das erfindungsgemäße Sandwichpaneel Waben mit unterschiedlichen Wabenzellgrößen aufweist. Konkret kann die Wabenzellgröße c über die Haupterstreckungsfläche des erfindungsgemäßen Sandwichpaneels um einen Prozentsatz eines Medians der Wabenzellgröße zwischen 3 % und 30 % oder zwischen 5 % und 25 % oder zwischen 10 % und 20 % variieren. Dabei gibt der Prozentsatz die Gesamtvariation bezogen auf den Median der Wabenzellgröße c an. So bedeutet eine Variation von 10 % bezogen auf den Median, dass die Wabenzellgröße c in einem Bereich um den Median liegt, der 10 % des Medians breit ist, aber nicht notwendigerweise symmetrisch um den Median herum angeordnet ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Sandwichpaneel kann eine Länge der Waben zwischen den Deckschichten zwischen 20 % und 500 % oder zwischen 50 % und 200 % des Median der Wabenzellgröße c betragen. Dies bedeutet, dass aus der erfindungsgemäßen Ausbildung des Sandwichpaneels mit großen Wabenzellgrößen c aber ansonsten gleichbleibenden Abmessungen Waben resultieren, die bezogen auf die Wabenzellgröße c sehr kurz sind, wenn man einen Vergleich mit Sandwichpaneelen nach dem Stand der Technik anstellt, bei denen die Wabenzellgrößen c sehr viel kleiner sind.
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Bei dem erfindungsgemäßen Sandwichpaneel können die Waben von mehreckigem oder rundem freien Querschnitt sein. Dabei sind auch Übergangsformen, d. h. Waben von mehreckigem freien Querschnitt mit abgerundeten Ecken und Waben von polygonalem freien Querschnitt möglich. Typischerweise sind die Waben entweder von etwa rechteckigem, insbesondere etwa quadratischem freiem Querschnitt, von etwa hexagonalem freiem Querschnitt oder von etwa kreisrundem freiem Querschnitt. Die Waben eines Sandwichpaneels können sämtlich eine gleiche Querschnittsform alternativ aber auch unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen.
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Die Deckschichten des erfindungsgemäßen Sandwichpaneels können aus metallischem Werkstoff ausgebildet sein. Vorzugsweise sind sie aus Faserverbundwerkstoff ausgebildet, um ein stabiles Sandwichpaneel von geringer Masse ausbilden zu können. Der Faserverbundwerkstoff kann ein Glasfaserverbundwerkstoff sein. Ein Elastizitätsmodul des Faserverbundwerkstoffs kann beispielsweise zwischen 20 und 30 GPa betragen. Seine Dichte kann im Bereich von 1500 bis 2000 kg/m3 liegen. Eine typische Schichtdicke des Faserverbundwerkstoffs liegt in der Größenordnung von 0,001 m, d. h. von etwa 0,5 mm bis wenigen, beispielsweise 3 mm. Verstärkungsfasern in den Deckschichten, also insbesondere in dem die Deckschichten ausbildenden Faserverbundwerkstoff können gezielt parallel und/oder senkrecht zu Kontaktbereichen zwischen ebenen Abschnitten der Wabenanordnung und den Deckschichten verlaufen. Die Verstärkungsfasern können aber auch ohne weitere Vorzugsorientierung parallel zur Haupterstreckungsebene des erfindungsgemäßen Sandwichpaneels ausgerichtet sein.
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Die Wabenstruktur des erfindungsgemäßen Sandwichpaneels kann durch Extrusion und anschließendes Ablängen aus Kunststoff oder Leichtmetall oder durch Abwinkeln, Zusammenstellen und Verbinden der einzelnen Wabenwandungen aus Kunststoff oder metallischem Werkstoff ausgebildet werden. Eine weitere interessante Möglichkeit der Herstellung der Wabenstruktur besteht im 3D-Druck. Der 3D-Druck ermöglicht es auch, die Waben über ihre Länge, d. h. den Abstand zwischen den Deckschichten aus unterschiedlichen Materialien aufzubauen. So können die Wabenwandungen zwischen den Deckschichten einen Impedanzsprung bewirkende Zwischenlage aus elastischem Werkstoff aufweisen. Dieser elastische Werkstoff kann grundsätzlich auch als flächige Zwischenlage, die sich zweidimensional über die gesamte Haupterstreckungsebene des erfindungsgemäßen Sandwichpaneels erstreckt, ausgebildet sein. Vorzugsweise macht die Zwischenlage aber nur einen netzförmig zusammenhängenden Teil aller Wabenwandungen aus. In jedem Fall behindert die Zwischenlage durch den von ihr bereitgestellten Impedanzsprung eine Übertragung von Körperschall zwischen den Kontaktbereichen der einen Deckschicht mit der Wabenstruktur zu den Kontaktbereichen der anderen Deckschicht mit der Wabenstruktur. Durch die netzartig ausgedehnte Anbindung der angrenzenden Bereiche der Wabenstruktur an die Zwischenlage stellt die Zwischenlage die Stabilität und mechanische Integrität des erfindungsgemäßen Sandwichpaneels jedoch nicht in Frage.
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Ganz allgemein kann ein erfindungsgemäßes Sandwichpaneel den Einbruch seines Schalldämmmaßes zu niedrigeren Schallfrequenzen von Luftschall in einem Bereich von 100 Hz bis 2 kHz aufweisen. Wie schon angesprochen wurde, kann der Einbruch des Schalldämmmaßes TL auch bei 1000 Hz und weniger liegen, typischerweise herab bis zu etwa 300 Hz.
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Konkrete Verwendung kann ein erfindungsgemäßes Sandwichpaneel als schalldämmendes Bauteil in einem Flugzeug oder auch in einer Generatorgondel einer Windkraftanlage finden. Die vorliegende Erfindung betrifft entsprechend auch ein Flugzeug oder eine Generatorgondel für eine Windkraftanlage mit einem erfindungsgemäßen Sandwichpaneel.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung 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. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: 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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Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Sandwichpaneel die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Sandwichpaneel, zwei Sandwichpaneele oder mehr Sandwichpaneele vorhanden sind. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch weitere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die das jeweilige Erzeugnis aufweist.
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Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
- 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Sandwichpaneel in perspektivischer Darstellung.
- 2 ist eine Draufsicht auf eine Wabe des Sandwichpaneels gemäß 1.
- 3 erläutert das Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Sandwichpaneels.
- 4 ist eine 1 entsprechende perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sandwichpaneels mit unterschiedlichen Wabenzellgrößen c.
- 5 zeigt schematisch die Anordnung von Waben mit quadratischem freien Querschnitt bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sandwichpaneels.
- 6 ist eine Auftragung des Schalldämmmaßes TL des Sandwichpaneels gemäß 5 über der Frequenz von Luftschall, und
- 7 ist ein Querschnitt durch die eine Wabe begrenzenden Wabenwandungen mit Zwischenlage aus elastischem Werkstoff bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sandwichpaneels.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Das in 1 gezeigte Sandwichpaneel 1 weist zwei Deckschichten 2 und 3 sowie eine zwischen den beiden Deckschichten 2 und 3 angeordnete Wabenstruktur 4 auf. Die Wabenstruktur 4 umfasst quer und insbesondere senkrecht zu den Deckschichten ausgerichtete Wabenwandungen 5, die Waben 6 ausbilden. Dabei gibt, wie in 2 in einer Draufsicht auf eine Wabe 6 dargestellt ist, eine Wabenzellgröße c einen minimalen freien Wabendurchmesser der Wabe 6 an, den die Deckschichten 2, 3 zwischen den Wabenwandungen 5 überspannen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Sandwichpaneel 1 ist die Wabenzellgröße c vergleichsweise groß, so dass mehrere bei ihrer Eigenfrequenz in Phase schwingende Waben mit auftretendem Luftschall 7 in Phase schwingen können, wie dies in 3 illustriert ist. Die Anzahl an Waben 6 mit gleichen Abmessungen bestimmt die Stärke eines Einbruch des Schalldämmmaßes TL, da mehrere Waben 6 bei einer Frequenz schwingen. Die Schwingungen der jeweiligen Wabe 6 sind Schwingungen der jeweiligen Deckschicht 2, wobei Kontaktbereiche 8 zwischen der Deckschicht 2 und den Wabenwandungen 5 in Ruhe bleiben, d. h. Knoten der Schwingungen ausbilden. Die in 3 enthaltene Angabe λ/2 bezieht sich auf die Wellenlänge des Luftschalls 7, der auf das erfindungsgemäße Sandwichpaneel 1 auftrifft. Der Winkel, unter dem der Luftschalls 7einfällt, bestimmt die anregende Frequenz. Weiterhin verursacht der Luftschall 7 über seine halbe Wellenlänge λ/2 auf der Deckschicht 2 einen Schalldruck mit gleichem Vorzeichen. So schwingen mehrere Waben 6 in Phase, da sie mit demselben Vorzeichen des Schalldrucks und in ihrer Eigenfrequenz angeregt werden. Auf dieser Basis können für Luftschall 7, der mit bestimmter Wellenlänge unter einem bestimmten Einfallswinkel einfällt, Wabenpakete definiert werden, um die Transmission bzw. Dämmung des Luftschalls 7 durch das Sandwichpaneel 1 gezielt zu gestalten, d.h. insbesondere zu minimieren bzw. maximieren.
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4 ist eine 1 entsprechende perspektivische Ansicht eines Sandwichpaneels 1, bei der die einzelnen Waben 6 unterschiedliche Größen aufweisen und dadurch an unterschiedliche Wellenlängen von auftreffendem Luftschalls angepasst sind.
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5 zeigt eine Draufsicht auf die Wabenstruktur 4 eines Sandwichpaneels 1 mit quadratischen Waben 6. Die Wabenzellgröße c beträgt hier 0,1 m.
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In 6 ist für das Sandwichpaneel 1 gemäß 5 bei Ausbildung der Deckschichten aus 1 mm starkem Glasfaserverbundwerkstoff mit einem Elastizitätsmodul von 23 GPa und einer Dichte von 1800 kg/m3 das resultierende Schalldämmmaß TL über der Frequenz des transmittierten Luftschalls aufgetragen. Deutlich sichtbar ist ein Einbruch des Schalldämmmaßes TL bei 600 Hz, an das sich ein Anstieg des Schalldämmmaßes TL zu höheren Frequenzen und damit ein Frequenzbereich anschließt, in dem das Sandwichpaneel 1 gemäß 5 gut zur Schalldämmung geeignet ist.
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Der Querschnitt senkrecht zu den Deckschichten 2 und 3 durch das Sandwichpaneel 1 in der Ausführungsform gemäß 7 zeigt Wabenwandungen 5 die sämtlich auf mittlerer Höhe zwischen den Deckschichten 2 und 3 durch eine Zwischenlage 9 aus elastischem Werkstoff unterteilt sind. Die elastische Zwischenlage 9 bildet ein Impedanzsprung aus und behindert damit die Körperschallübertragung über die Wabenwandungen 5 normal zu den Deckschichten 2 und 3. Bei Verwendung eines elastomeren elastischen Werkstoffs für die Zwischenlage 9 kann in dieser zudem eine erhebliche Dissipation von Schallenergie erreicht werden. Ausgebildet werden kann die Wabenstruktur 4 des Sandwichpaneels 1 gemäß 7 beispielsweise durch 3D-Druck, bei dem die Wabenwandungen 5 der Wabenstruktur 4 wechselweise aus unterschiedlichen Materialien, d. h. einem formstabilen Werkstoff angrenzend an die Deckschichten 2 und 3 einerseits und dem elastischen Werkstoff für die Zwischenlage 9 andererseits ausgebildet werden. Dabei kann die Wabenstruktur 4 auf eine der Deckschichten 3 aufgedruckt werden und die andere Deckschicht 2 anschließend auf die Wabenstruktur aufgebracht und mit der Wabenstruktur 4 verbunden werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sandwichpaneel
- 2
- Deckschicht
- 3
- Deckschicht
- 4
- Wabenstruktur
- 5
- Wabenwandung
- 6
- Wabe
- 7
- Luftschall
- 8
- Kontaktbereich
- 9
- Zwischenlage
- c
- Wabenzellgröße
- TL
- Transmission Loss
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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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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- M. P. Arunkumar et al.: Sound radiation and transmission loss characteristics of a honeycomb sandwich panel with composite facings: effect of inherent material damping, Journal of Sound and Vibration 383 (2016) 221-232 [0003]
- M. P. Arunkumar et al.: Sound transmission loss characteristics of sandwich aircraft panels: Influence of nature of core, Journal of Sandwich Structures and Materials 2017, Vol. 19 (1) 26-48 [0004]
- S. Kumar et al.: Predicting the sound transmission loss of honeycomb panels using the wave propagation approach, ACTA Acustica United with Acustica Vol. 94 (2011) 869-876 [0005]
