DE102020100162A1

DE102020100162A1 - Vorrichtung zur Absenkung von Luft- und Körperschall

Info

Publication number: DE102020100162A1
Application number: DE102020100162.2A
Authority: DE
Inventors: Berend Linke; Ingo Krebs
Original assignee: Umfotec Umformtechnik GmbH; Umfotec GmbH
Current assignee: Umfotec GmbH
Priority date: 2020-01-07
Filing date: 2020-01-07
Publication date: 2021-07-08
Anticipated expiration: 2040-01-08
Also published as: CN113160785B; CN113160785A; US20210207508A1; DE102020100162B4; US11727911B2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Absenkung von Luft- und Körperschall (10, 10', 10"), umfassend einen Strömungskanal (20, 20', 20") mit einer Strömungskanalwand (22, 22', 22") und mindestens eine an die Strömungskanalwand (22, 22', 22") angrenzende Resonatorkammer (40, 40', 40"), wobei die Strömungskanalwand (22, 22', 22") zumindest in einem Teil des Grenzbereichs zur Resonatorkammer (40, 40', 40") aus einem Schallabsorber (30, 30', 30") mit Durchtrittsöffnungen (32, 32', 32") ausgebildet ist.Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Schallabsorber (30, 30', 30") zur Resonatorkammer (40, 40', 40") hin von einer schallharten Resonatorkammerinnenwand (42, 42', 42") mit mindestens einem Wanddurchbruch (44, 44', 44") abgedeckt ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Absenkung von Luft- und Körperschall, umfassend einen Strömungskanal mit einer Strömungskanalwand und mindestens eine an die Strömungskanalwand angrenzende Resonatorkammer, wobei die Strömungskanalwand zumindest in einem Teil des Grenzbereichs zur Resonatorkammer aus einem Schallabsorber mit Durchtrittsöffnungen ausgebildet ist.
Stand der Technik
Derartige Vorrichtungen zur Absenkung von Luft- und Körperschall sind aus der WO 2019/092038 A1 bekannt.
Eine konventionelle Möglichkeit, Luft- und Körperschall zu dämpfen, bieten Resonatoren, die nach dem Helmholtz-Prinzip funktionieren. Bei solchen Resonatoren können Schallwellen über Öffnungen in eine Resonatorkammer gelangen, wo durch die Interaktion der Schallwellen mit der Resonatorkammer ein Gegenschall erzeugt wird, der die Druckschwankungen der durchströmenden Schallwellen reduziert. Klassische Resonatorkammern dämpfen Schall eher in einem schmalbandigen Frequenzbereich. Durch den Einsatz mehrerer Resonatorkammern mit unterschiedlichen Volumina lässt sich jedoch eine breitbandigere Schalldämpfung im Bereich von 700 bis 3000 Hz erzielen.
Eine Möglichkeit, Luft- und Körperschall zu dämmen, ist durch den Einsatz von Schallabsorbern gegeben. Schallabsorber besitzen eine poröse bzw. faserige Struktur, in die Schallwellen eindringen und sich durch Reibung in Wärme umwandeln können. Da die Wirksamkeit flächiger Schallabsorber von der Größe ihrer Oberfläche abhängt, sollte die dem Schallfeld zugekehrte Oberfläche eines Schallabsorbers möglichst groß sein und dem Schallfeld so offen wie möglich dargeboten werden. Herkömmliche Schallabsorber bieten eine gute Schalldämmung oberhalb von 2000 Hz. Allerdings lässt sich der Frequenzbereich der Schallabsorption nicht ohne Weiteres einstellen.
Um eine besonders breitbandige Absenkung von Luft- und Körperschall zu erreichen, können Resonatorkammern mit Schallabsorbern kombiniert werden. Eine Vorrichtung, bei der beide Prinzipien verwendet werden, ist in der WO 2019/092038 A1 offenbart. Die WO 2019/092038 A1 betrifft einen Schalldämpfer, der einen Strömungskanal mit einer Strömungskanalwand und eine an die Strömungskanalwand angrenzende Resonatorkammer umfasst. Die Strömungskanalwand ist im Grenzbereich zur Resonatorkammer durch eine vorgegebene Permeabilität schallabsorbierend ausgebildet. Sie wirkt also als Schallabsorber. Um die Kommunikation der durch den Strömungskanal strömenden Luft mit der Resonatorkammer zu ermöglichen, ist die Strömungskanalwand zudem mit einer Mehrzahl von Durchtrittsöffnungen versehen.
Nachteilig an der bekannten Vorrichtung, die sich grundsätzlich bewährt hat, ist, dass die Resonatorwirkung durch die große Absorptionsfläche, die den Strömungskanal von der Resonatorkammer trennt, beeinträchtigt sein kann.
Aus der CH 550 964 A ist ein weiterer Schalldämpfer bekannt, der einen Strömungskanal mit einer Strömungskanalwand und mehrere an die Strömungskanalwand angrenzende Resonatorkammern umfasst. Sämtliche Wände der Resonatorkammern bestehen aus Schaumstoff, wie z. B. Styropor. Dies gilt auch für die zum Strömungskanal weisenden Innenwände der Resonatorkammern, die zugleich die Strömungskanalwand des Strömungskanals im Grenzbereich zu den Resonatorkammern bilden. Zur Ermöglichung der Kommunikation der durch den Strömungskanal strömenden Luft mit den Resonatorkammern sind die Innenwände der Resonatorkammern mit einer Mehrzahl von Durchtrittsöffnungen versehen. Zudem sind die Innenwände der Resonatorkammern zum Strömungskanal hin mit einer schallabsorbierenden Schicht aus Mineralwolle oder dergleichen abgedeckt, wobei die schallabsorbierende Schicht durch ein Siebgitter gehalten wird.
Nachteilig ist auch hier, dass die Resonatorwirkung nicht optimal ausgebildet ist.
Aufgabenstellung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bekannten Vorrichtungen zur Absenkung von Luft- und Körperschall derart zu verbessern, dass die Resonatorwirkung weiter verbessert wird, ohne dass die Schallabsorption beeinträchtigt wird.
Darlegung der Erfindung
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass der Schallabsorber zur Resonatorkammer hin von einer schallharten Resonatorkammerinnenwand mit mindestens einem Wanddurchbruch abgedeckt ist.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zwischen dem Schallabsorber und dem Volumen der Resonatorkammer eine schallharte Wand angeordnet wird, die mit dem Schallabsorber in Kontakt steht. Schallhart wird hier verwendet im Sinne von „mit großem (Schall-)Wellenwiderstand“, also im Wesentlichen schallundurchlässig, den Schall stark reflektierend. Bevorzugt reicht die schallharte Fläche in einer Ausdehnungsrichtung über die gesamte Breite der als Schallabsorber ausgebildeten Strömungskanalwand, während sie in einer zweiten Längsausdehnungsrichtung einen Bereich der Schallabsorberfläche unabgedeckt lässt. Die schallharte Wand weist also ein Fenster bzw. einen Wanddurchbruch auf, der den Durchtritt von Schallwellen in die Resonatorkammer ermöglicht. Durch das Vorsehen einer schallharten Schicht zwischen dem Schallabsorber und dem Volumen der Resonatorkammer wird die Fläche des Schallabsorbers, die zum Inneren der Resonatorkammer weist, im Vergleich zu der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung reduziert. Auf diese Weise wird die Resonanzwirkung der Resonatorkammer erhöht und eine größere Geräuschreduktion erzielt. Um eine optimale Resonanzwirkung zu erhalten, ist es besonders vorteilhaft, wenn sämtliche Wände der Resonanzkammer aus einem schallharten Material gefertigt sind. Dadurch, dass der Schallabsorber in Strömungsrichtung der Schallwellen vor der Resonatorkammer angeordnet ist, wird zusätzlich eine bessere Schallabsorption erreicht.
Generell kann die Größe der Absorberfläche, und damit die schallabsorbierende Wirkung, unabhängig von der Größe und dem Volumen der Resonatorkammer gewählt werden. Bevorzugt aber ist die Fläche des Schallabsorbers im Grenzbereich zur Resonatorkammer mindestens so groß ist wie die Fläche des mindestens einen Wanddurchbruchs. Dadurch ist sichergestellt, dass der Schallabsorber den Wanddurchbruch der Resonatorkammerinnenwand vollständig abdeckt und durch den Strömungskanal strömende Schallwellen zwingend den Schallabsorber passieren müssen, um in die mindestens eine Resonatorkammer zu gelangen.
Weiter bevorzugt ist die Fläche des Schallabsorbers im Grenzbereich zur Resonatorkammer größer als die Fläche des mindestens einen Wanddurchbruchs. Dies ermöglicht eine Befestigung des Schallabsorbers, der über die Ränder des mindestens einen Wanddurchbruchs ragt, an der an ihn angrenzenden, schallharten Resonatorkammerinnenwand.
Um den Schall bestmöglich zu absorbieren, ist die Fläche des Schallabsorbers im Grenzbereich zur Resonatorkammer günstigerweise mindestens doppelt so groß wie die Fläche des mindestens einen Wanddurchbruchs.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die Fläche des Schallabsorbers im Grenzbereich zur Resonatorkammer mindestens dreimal so groß ist wie die Fläche des mindestens einen Wanddurchbruchs.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Resonatorkammerinnenwand genau einen Wanddurchbruch aufweist. Es ist aber auch denkbar, dass die Resonatorkammerinnenwand mehrere Wanddurchbrüche aufweist. Die Umrissform der Wanddurchbrüche ist dabei unerheblich. Entscheidend ist, dass die Fläche des mindestens einen Wanddurchbruchs größer ist als die Fläche einer der Durchtrittsöffnungen des Schallabsorbers. Ansonsten wäre der mindestens eine Wanddurchbruch der Resonatorkammerinnenwand nicht länger vom Schallabsorber abgedeckt.
Bevorzugt ist der Schallabsorber aus Schaumstoff ausgebildet. Grundsätzlich ist es möglich, den Schallabsorber ein- oder mehrschichtig auszubilden. Bestimmte Schaumstoffe weisen aufgrund ihrer Porosität hohe Transmissions- und Dissipationskoeffizienten sowie niedrige Reflexionskoeffizienten auf, sodass sie Schall sehr gut absorbieren. Zudem hat Schaumstoff ein geringes Eigengewicht. Schallabsorber aus Schaumstoff eignen sich besonders für den Einsatz bei gasförmigen Medien, insbesondere Luft. Alternativ kann der Schallabsorber aus Vlies oder einem anderen porösen bzw. faserigen Material ausgebildet sein.
Weiter bevorzugt ist die Oberfläche des Schallabsorbers aufgeraut. Dadurch wird der Strömungswiderstand des Schallabsorbers erhöht.
Günstigerweise ist der Schallabsorber zum Strömungskanal hin mit einem Vlies abgedeckt. Dies verringert turbulente Strömungen, die an der Oberfläche des Schallabsorbers auftreten können, und mindert somit das Rauschen.
Optional kann die Resonatorkammer mindestens einen von der dem Strömungskanal abgewandten Resonatorkammeraußenwand ausgehenden Steuersteg aufweisen, der gegenüber der Resonatorkammerinnenwand beabstandet ist und parallel zu den Stirnwänden der Resonatorkammer verläuft. Sind mehrere Steuerstege vorgesehen, können diese unterschiedlich lang sein. Durch die Anordnung eines oder mehrerer Steuerstege wird ein gesteuerter Druck-Resonanzaufbau der Resonatorkammer ermöglicht. Damit werden die Einflussmöglichkeiten auf die Schallreduktion unterschiedlicher Frequenzen weiter erhöht. Während durch die einzelnen Resonatorkammern insbesondere Grundfrequenzen eingestellt werden, lassen sich durch die Steuerstege insbesondere Frequenzen höherer Ordnung einstellen.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Resonatorkammerinnenwand und die Resonatorkammeraußenwand als konzentrisch zueinander verlaufende Rohrstücke ausgebildet sind. Die Verbindung zwischen Innenwand und Außenwand der Resonatorkammer erfolgt dabei in bekannter Weise über die Stirnwände der Resonatorkammer bzw. Resonatorkammern. Solche Ausbildungen sind beispielsweise zur Absenkung von Luft- und Körperschall in Verbindung mit Turboladern geeignet.
Alternativ kann die Strömungskanalwand wenigstens im Grenzbereich zur Resonatorkammer in ihrer Längsrichtung konkav ausgebildet sein und einen offenen Kanal bilden. Eine solche Ausbildung ist insbesondere für Gebläseresonatoren in Verbindung mit Klimaanlagen geeignet.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
Figurenliste
Es zeigen:

1: eine prinzipielle Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Absenkung von Luft- und Körperschall im Schnitt,
2: eine Seitenansicht im Schnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Absenkung von Luft- und Körperschall,
3: eine räumliche Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Absenkung von Luft- und Körperschall, entlang der Linie III-III von 4 geschnitten, sowie
4: eine Ansicht der Ausführungsform von 3, entlang der Linie IV-IV geschnitten.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten auf gleiche oder analoge Elemente hin.
1 zeigt eine prinzipielle Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Absenkung von Luft- und Körperschall 10 im Schnitt. Die Vorrichtung umfasst einen Strömungskanal 20 mit einer Strömungskanalwand 22 sowie eine an die Strömungskanalwand 22 angrenzende Resonatorkammer 40. Im gezeigten Beispiel ist die Strömungskanalwand 22 im gesamten Grenzbereichs zur Resonatorkammer 40 aus einem Schallabsorber 30 mit Durchtrittsöffnungen 32 ausgebildet. Die Fläche des Schallabsorbers 30 kann aber auch über den Grenzbereich zur Resonatorkammer 40 hinausragen oder nur einen Teil des Grenzbereichs ausmachen. Zur Resonatorkammer 40 hin ist der Schallabsorber 30 von einer schallharten Resonatorkammerinnenwand 42 mit einem Wanddurchbruch 44 abgedeckt.
2 zeigt eine Seitenansicht im Schnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Absenkung von Luft- und Körperschall 10'. Die Vorrichtung umfasst einen Strömungskanal 20', der ausgehend von seiner Längsmittelachse 201' in radialer Richtung von einer Strömungskanalwand 22' begrenzt wird. Der Strömungskanal 20' besitzt einen Zufluss 24' sowie einen Abfluss 26', durch die Schallwellen in den Strömungskanal 20' hinein- bzw. wieder hinausgelangen können. Zwischen dem Zufluss 24' und dem Abfluss 26' ist eine Resonatorkammer 40' angeordnet, die an die Strömungskanalwand 22' angrenzt. Die Strömungskanalwand 22' ist im Grenzbereich zur Resonatorkammer 40' aus einem Schallabsorber 30' mit Durchtrittsöffnungen 32' ausgebildet. Zur Resonatorkammer 40' hin ist der Schallabsorber 30' von einer schallharten Resonatorkammerinnenwand 42' abgedeckt, die einen Wanddurchbruch 44' aufweist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Resonatorkammerinnenwand 42' lediglich einen Wanddurchbruch 44' auf. Sie kann stattdessen auch mehrere Wanddurchbrüche 44' aufweisen. Ferner ist bei dem Ausführungsbeispiel von 1 die Fläche des Schallabsorbers 30' im Grenzbereich zur Resonatorkammer 40' größer als die Fläche des Wanddurchbruchs 44'. Es kann jedoch genügen, wenn beide Flächen etwa gleich groß sind. Bevorzugt ist die Fläche des Schallabsorbers 30' im Grenzbereich zur Resonatorkammer 40' mindestens doppelt so groß wie die Fläche des Wanddurchbruchs 44'. Sie kann auch dreimal so groß oder noch größer sein als die Fläche des Wanddurchbruchs 44'. Bevorzugt ist der Schallabsorber 30' aus einem Schaumstoff ausgebildet, der an seiner Oberfläche aufgeraut ist. Für eine besonders gute Minderung turbulenter Strömung kann der Schallabsorber 30' zum Strömungskanal 20' hin mit einem Vlies abgedeckt sein (hier nicht gezeigt). Ferner kann die Resonatorkammer einen oder mehrere Steuerstege aufweisen (hier nicht gezeigt).
3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Absenkung von Luft- und Körperschall 10", bei der zwischen einem Zufluss 24" und einem Abfluss 26" eines Strömungskanals 20" vier Resonatorkammern 40" in Strömungsrichtung der Schallwellen seriell hintereinander angeordnet sind. Die Volumina der Resonatorkammern 40" sind durch Stirnwände 46" voneinander abgegrenzt. Die Resonatorkammern 40" können Steuerstege 50" aufweisen, die von der dem Strömungskanal 20" abgewandten Resonatorkammeraußenwand 48" ausgehen, gegenüber der Resonatorkammerinnenwand 42" beabstandet sind und parallel zu den Stirnwänden 46" der Resonatorkammern 40" verlaufen. Entsprechend dem Ausführungsbeispiel der 3 weisen die einzelnen Resonatorkammern 40" unterschiedlich lange Steuerstege 50" auf. Die Steuerstege 50" können aber auch gleich lang sein. Wie in 4, die eine entlang der Linie IV-IV geschnittene Ansicht der Ausführungsform von 3 zeigt, zu erkennen, weisen die Resonatorkammern 40" quer zur Längsrichtung 101" der Vorrichtung zur Absenkung von Luft- und Körperschall 10" einen rechteckigen Querschnitt auf. Dabei verläuft die Resonatorkammeraußenwand 48" parallel zur Längsrichtung 101", während im Ausführungsbeispiel der 3 und 4 die Strömungskanalwand 22" wenigstens im Grenzbereich zur Resonatorkammer 40" in ihrer Längsrichtung konkav ausgebildet ist und einen offenen Kanal bildet.
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum von Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben.
Bezugszeichenliste

10, 10', 10'': Vorrichtung zur Absenkung von Luft- und Körperschall
101'': Längsrichtung von 10''
20, 20', 20'': Strömungskanal
201': Längsmittelachse von 20'
22, 22', 22': Strömungskanalwand
24', 24": Zufluss von 20', 20"
26', 26": Abfluss von 20', 20"
30, 30',30": Schallabsorber
32, 32', 32": Durchtrittsöffnungen
34: Vlies
40, 40', 40": Resonatorkammer
42, 42', 42": schallharte Resonatorkammerinnenwand
44, 44', 44": Wanddurchbruch
46": Stirnwand
48": Resonatorkammeraußenwand
50": Steuersteg

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2019/092038 A1 [0002, 0005]
CH 550964 A [0007]

Claims

Vorrichtung zur Absenkung von Luft- und Körperschall (10, 10', 10"), umfassend einen Strömungskanal (20, 20', 20") mit einer Strömungskanalwand (22, 22', 22") und mindestens eine an die Strömungskanalwand (22, 22', 22") angrenzende Resonatorkammer (40, 40', 40"), wobei die Strömungskanalwand (22, 22', 22") zumindest in einem Teil des Grenzbereichs zur Resonatorkammer (40, 40', 40") aus einem Schallabsorber (30, 30', 30") mit Durchtrittsöffnungen (32, 32', 32") ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallabsorber (30, 30', 30") zur Resonatorkammer (40, 40', 40") hin von einer schallharten Resonatorkammerinnenwand (42, 42', 42") mit mindestens einem Wanddurchbruch (44, 44', 44") abgedeckt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatorkammerinnenwand (42, 42') genau einen Wanddurchbruch (44, 44') aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche des Schallabsorbers (30, 30', 30") im Grenzbereich zur Resonatorkammer (40, 40', 40") mindestens so groß ist wie die Fläche des mindestens einen Wanddurchbruchs (44, 44', 44").
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche des Schallabsorbers (30, 30', 30") im Grenzbereich zur Resonatorkammer (40, 40', 40") größer ist als die Fläche des mindestens einen Wanddurchbruchs (44, 44', 44").
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche des Schallabsorbers (30, 30', 30") im Grenzbereich zur Resonatorkammer (40, 40', 40") mindestens doppelt so groß ist wie die Fläche des mindestens einen Wanddurchbruchs (44, 44', 44").
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche des Schallabsorbers (30, 30', 30") im Grenzbereich zur Resonatorkammer (40, 40', 40") mindestens dreimal so groß ist wie die Fläche des mindestens einen Wanddurchbruchs (44, 44', 44").
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallabsorber (30, 30', 30") aus Schaumstoff ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Schallabsorbers (30, 30', 30") aufgeraut ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallabsorber (30) zum Strömungskanal (20) hin mit einem Vlies (34) abgedeckt ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanalwand (22") wenigstens im Grenzbereich zur Resonatorkammer (40") in ihrer Längsrichtung (101") konkav ausgebildet ist und einen offenen Kanal bildet.