DE102021114238A1

DE102021114238A1 - Schallabsorber für industrielle Maschinen

Info

Publication number: DE102021114238A1
Application number: DE102021114238.5A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Hiel
Original assignee: Allgaier Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Allgaier Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2021-06-01
Filing date: 2021-06-01
Publication date: 2022-12-01

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein System mit einer industriell einsetzbaren Maschine, die eine Komponente aufweist, die im Betrieb der Maschine derart in Schwingungen versetzt wird, dass dadurch ein Schallspektrum erzeugt wird, das eine stehende Welle umfasst, die in einer bestimmten Richtung ausgebildet ist, und mit einem Schall absorbierenden Element, das ein röhrenförmig ausgebildetes Halsstück und eine Kammer umfasst, wobei das Halsstück mit der Kammer derart verbunden ist, dass ein Durchlass von einem freien Ende des Halsstücks in den Innenraum der Kammer ausgebildet ist, wobei das Schall absorbierende Element derart ausgestaltet ist, dass es eine Resonanzfrequenz aufweist, die auf eine Frequenz fswder stehenden Welle abgestimmt ist, und wobei das freie Ende des Halsstücks an die Maschine gekoppelt ist und das Halsstück im Wesentlichen entlang der bestimmten Richtung ausgerichtet ist. Die Verwendung eines Helmholtz-Resonators zur Dämpfung von Schall, der durch geschlossene Maschinen, die in der Prozess- oder Verfahrenstechnik eingesetzt werden, erzeugt wird, ist ebenfalls Teil der Erfindung.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schallabsorber für industriell einsetzbare Maschinen. Speziell bezieht sich die Erfindung auf einen Schallabsorber für Siebmaschinen, insbesondere Taumelsiebmaschinen oder Trockner, insbesondere Vibrationstrockner.
Bei Maschinen und Industrieanlagen entstehen im Betrieb aufgrund von großen Motoren und sich bewegender Teile Vibrationen, die sich auf die Blechkonstruktionen der Geräte übertragen und diese in Schwingung versetzen. Diese Schwingungen wandern als „Körperschall“ durch die Maschine und werden im Folgenden wieder an die Umgebung abgegeben, wodurch Lärm entsteht. Durch die Reflexionen an schallharten bzw. schallreflektierenden Wänden und Decken in Industriehallen wird der Lärmpegel noch weiter verstärkt. Da sich häufig mehrere Maschinen und Anlagen in einem Areal befinden, steigt der Lärmpegel schnell an.
Um die Lärmbelastung zu reduzieren, werden laute Maschinen üblicherweise schalldicht eingehaust oder der Maschinenschall wird mit Lautsprechern durch sogenannte Impulskompensation reduziert.
WO 95/25325 A1 beschreibt beispielsweise einen Folienabsorber. Dieser Schallabsorber besteht aus mehreren glatten, ebenen und luftdurchlässigen Folien, welche voneinander beabstandet sind, und einer schallharten Rückwand. Dieser kommt in der Raumakustik, in der Lärmbekämpfung an lauten Maschinen (z.B. bei Kapselungen und Abschirmungen) sowie beim technischen Schallschutz (z.B. durch Schalldämpfer in Strömungskanälen) zum Einsatz.
Jedoch wird die Zugänglichkeit zu der mit einer Schallschutzplane abgeschirmten Maschine stark beeinträchtigt, auch wenn Wartungsöffnungen durch Reißverschlüsse zugänglich bleiben. Zudem wird die Überwachung und Beobachtung des von der Maschine ausgeführten Prozesses durch die Folie erschwert bzw. behindert, auch wenn mit Reißverschlüssen versehene Öffnungen in der Folie vorgesehen sind.
Zusätzlich entsteht beim Öffnen der Reißverschlüsse eine undichte Stelle in der Dämmfolie, welche den Schallschutz beeinträchtigt.
Hinzu kommt, dass nicht alle Lärm erzeugenden Maschinen für die Einhausung mit einer Schallschutzfolie geeignet sind. Beispielsweise ist die Folie für Taumelsiebmaschinen nicht geeignet, da die Folie aufgrund des großen Exzenterwerts die Maschinenbewegung behindern würde.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Schallabsorber für industrielle Maschinen bereitzustellen, welcher die bekannten Mängel und Schwächen existierender Lösungen beseitigt. Insbesondere soll der Schallabsorber auch einfach und kostengünstig sowohl an Neumaschinen ausgeführt sowie auch an bereits installierten Maschinen einfach nachgerüstet werden können und die Zugänglichkeit der mit ihm ausgerüsteten Maschinen nicht beeinträchtigen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch das System des Anspruchs 1 und die Verwendung gemäß Anspruch 9 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2-8, 10 und 11 angegeben.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein System mit einer industriell einsetzbaren Maschine bereitgestellt, die eine Komponente aufweist, die im Betrieb der Maschine derart in Schwingungen versetzt wird, dass dadurch ein Schallspektrum erzeugt wird, das eine stehende Welle umfasst, die in einer bestimmten Richtung ausgebildet ist, und mit einem Schall absorbierenden Element, das ein röhrenförmig ausgebildetes Halsstück und eine Kammer umfasst, wobei das Halsstück mit der Kammer derart verbunden ist, dass ein Durchlass von einem freien Ende des Halsstücks in den Innenraum der Kammer ausgebildet ist, wobei das Schall absorbierende Element derart ausgestaltet ist, dass es eine Resonanzfrequenz aufweist, die auf eine Frequenz f_sw der stehenden Welle abgestimmt ist, und wobei das freie Ende des Halsstücks an die Maschine gekoppelt ist und das Halsstück im Wesentlichen entlang der bestimmten Richtung ausgerichtet ist.
Zweckmäßigerweise wird erfindungsgemäß ein hohler Körper mit beliebiger Querschnittsform bzw. beliebigen Querschnittsformen als ein röhrenförmig ausgebildeter Körper bezeichnet.
Vorzugsweise wird erfindungsgemäß als Schallspektrum der Verlauf einer den Schall charakterisierenden Größe, wie etwa der Schallintensität, als Funktion der Frequenz verstanden.
Zweckmäßigerweise bewirkt das Schall absorbierende Element eine Schalldämpfung durch Resonanzabsorption, d.h. die auftreffende Schallenergie wird absorbiert, indem diese in kinetische und/oder thermische Energie umgewandelt wird.
Das Schall absorbierende Element ist vorteilhafterweise als Helmholtz-Resonator ausgebildet. Im vorliegenden Fall kann dieser auch als Helmholtz-Absorber bezeichnet werden.
Die Komponente der Maschine kann im Betrieb ein breitbandiges Schallspektrum erzeugen, wobei die Frequenz f_sw der stehenden Welle im Wesentlichen dem Maximum des Schallspektrums entspricht. Zweckmäßig ist damit also die Frequenz des Schallspektrums gemeint, bei dem die Amplitude des Schallspektrums ein Maximum aufweist. Insbesondere kann das breitbandige Schallspektrum dann eine Mehrzahl von stehenden Wellen umfassen. Es ist dann zweckmäßig, dass das Schall absorbierende Element eine Resonanzfrequenz aufweist, die auf die Frequenz derjenigen stehenden Welle abgestimmt ist, die im Wesentlichen dem Maximum des Schallspektrums entspricht.
Die schwingende Komponente der industriell einsetzbaren Maschine kann beispielsweise ein Sieb sein, welches gerüttelt wird und/oder mit Objekten zusätzlich in Schwingung versetzt wird, wie z.B. bei Siebmaschinen mit Ballklopfreinigung.
Der durch die Schwingungsbewegungen erzeugte Schall ist in aller Regel ein Geräusch, welches, im Gegensatz zu einem Ton oder Klang, ein breitbandiges Schallspektrum mit einem im Wesentlichen kontinuierlichen Frequenzspektrum aufweist.
Hierbei bestimmt die Richtung, in die die Komponente vor allem schwingt bzw. vibriert, auch die Ausbreitungsrichtung der longitudinalen Schallwellen. Denn durch die Schwingung der Komponente in einer (Haupt-)Richtung werden die Luftmoleküle zum Schwingen in derselben (Haupt-)Richtung angeregt, wodurch Dichteschwankungen in der Luft entstehen, die sich vornehmlich in der (Haupt-)Richtung ausbreiten. Somit ist auch die vorherrschende Ausbreitungsrichtung der longitudinalen Schallwellen im Wesentlichen die Richtung, in die die Komponente vor allem schwingt.
Eine stehende Welle kann sich beispielsweise zwischen zwei annähernd parallelen Wänden im Inneren der Maschine bilden, insbesondere wenn die Wände schallhart bzw. schallreflektierend ausgebildet sind, also kein schalldämpfendes Material an ihrer Innenseite aufweisen. Das Ausbilden der stehenden Welle wird insbesondere dann stark begünstigt, wenn die beiden Wände, zwischen denen sich die schwingende Komponente befindet, annähernd senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der erzeugten longitudinalen Schallwellen ausgerichtet sind. Hier schließt der Begriff „annähernd senkrecht“ nicht aus, dass Wände und Ausbreitungsrichtung exakt senkrecht aufeinander stehen.
Abhängig vom Abstand der beiden Wände wird durch Mehrfachreflexion der Schallwellen an den Wänden die Schallintensität bei einzelnen diskreten, in dem erzeugten Schallspektrum enthaltenen Frequenzen durch das Bilden stehender Wellen verstärkt, wohingegen die Schallintensität bei den übrigen Frequenzen gedämpft wird.
Das von der Komponente im Betrieb erzeugte Schallspektrum hat zumindest ein Maximum bei der Frequenz, die durch Bilden einer stehenden Welle besonders verstärkt wird. Meistens ist die stehende Welle mit der ersten Eigenfrequenz des Raumes zwischen den zwei annähernd parallelen Wänden besonders stark ausgeprägt, wodurch auch ein stark ausgeprägtes Maximum des Schallspektrums zu beobachten ist, welches im Wesentlichen der Frequenz der stehenden Welle entspricht.
Das Schall absorbierende Element, welches vorteilhaft als Helmholtz-Resonator ausgebildet ist, ist derart ausgestaltet, dass es eine Resonanzfrequenz aufweist, die auf die Frequenz der stehenden Welle abgestimmt ist, zweckmäßig also bei oder zumindest nahe der Frequenz der stehenden Welle, die im Wesentlichen dem Maximum des Schallspektrums entspricht und damit das größte Dämpfungsvermögen für die Gesamt-Schallemission aufweist.
Vorteilhafterweise ist die Resonanzfrequenz des Schall absorbierenden Elements derart auf die Frequenz f_sw der stehenden Welle abgestimmt, dass es den Schalldruckpegel der Maschine im Betrieb um mindestens 2 dBA, bevorzugt um mindestens 5 dBA, besonders bevorzugt um mindestens 7 dBA absenkt, den Schall also dämpft. Hierbei ist zu beachten, dass eine Absenkung der Schallemission um 10 dBA (also von z.B. 80 dBA auf 70 dBA) dazu führt, dass der Schalleindruck, den ein Mensch von der Maschine bekommt, um die Hälfte abgesenkt wird. Die Schalldämpfung bzw. die Reduzierung des Schalldruckpegels, insbesondere um die genannten Werte, kann durch den Einsatz ein oder mehrerer Schall absorbierender Elemente an einer Maschine bewirkt werden.
Als Schalldruckpegel wird der dekadische Logarithmus des quadratischen Verhältnisses zwischen dem Effektivwert des gemessenen Schalldrucks und seinem in der Akustik gebräuchlichen Bezugswert von 20 µPa bezeichnet. Der Schalldruckpegel ist ein Maß für die Schallleistung, die dem Quadrat des Schalldruckes proportional ist. Der A-bewertete Schalldruckpegel (Einheit dBA) ist durch ein bewertendes Filter gewichtet, das den Frequenzgang des menschlichen Gehörs berücksichtigt.
Ferner ist das freie Ende des Halsstücks des Schall absorbierenden Elements an die Maschine gekoppelt, wobei das Halsstück im Wesentlichen entlang der bestimmten Richtung, in die die stehende Welle ausgebildet ist, ausgerichtet ist. Als Longitudinalwellen bewirken Schallwellen Dichteschwankungen der Luft entlang ihrer Ausbreitungsrichtung bzw. entlang der Richtung der stehenden Schallwelle. Daher ist bei der Positionierung des Schall absorbierenden Elements darauf zu achten, dass sein Halsstück im Wesentlichen entlang der bestimmten Richtung, in die die stehende Welle ausgebildet ist, ausgerichtet ist, um eine möglichst gute Dämpfungswirkung zu erzielen.
Vorteilhafterweise ist das Halsstück im Wesentlichen entlang der bestimmten Richtung ausgerichtet, wenn der Winkel zwischen der bestimmten Richtung und der Längsachse des Halsstücks weniger als 30°, bevorzugt weniger als 20° und besonders bevorzugt weniger als 10° beträgt.
Vorteilhafterweise sind die Querschnittsfläche, die Länge des Halsstückes und/oder das Volumen des Innenraums der Kammer des Schall absorbierenden Elements so gewählt, dass dessen Resonanzfrequenz im Frequenzbereich von 0,5 · f_sw bis 1,5 · f_sw, zweckmäßigerweise von 0,8 · f_sw bis 1,2 · f_sw, bevorzugt im Frequenzbereich von 0,9 · f_sw bis 1,1 · f_sw und besonders bevorzugt im Frequenzbereich von 0,95 · f_sw bis 1,05 · f_sw liegt.
Vorteilhafterweise ist das Schall absorbierende Element derart ausgestaltet, dass es Schallwellen mit Frequenzen, die zweckmäßig in einem Bereich zwischen 0,5 bis 1,5 der Resonanzfrequenz des Schall absorbierenden Elements liegen, bevorzugt in einem Bereich zwischen 0,75 bis 1,25 der Resonanzfrequenz des Schall absorbierenden Elements liegen oder besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 0,85 bis 1,15 der Resonanzfrequenz des Schall absorbierenden Elements liegen, signifikant gedämpft werden. Signifikant gedämpft heißt dann, dass die Resonanzkurve des Schall absorbierenden Elements im Bereich zwischen 0,5 bis 1,5 der Resonanzfrequenz des Schall absorbierenden Elements bzw. im Bereich zwischen 0,75 bis 1,25 der Resonanzfrequenz des Schall absorbierenden Elements bzw. im Bereich zwischen 0,85 bis 1,15 der Resonanzfrequenz des Schall absorbierenden Elements auf nicht weniger als die Hälfte des Werts der Resonanzkurve bei der Resonanzfrequenz abgesunken ist. Die Breite der Resonanzkurve des Schall absorbierenden Elements wird bevorzugt durch entsprechende Wahl der Querschnittsfläche, der Länge des Halsstückes und/oder des Volumens des Innenraums der Kammer des Schall absorbierenden Elements eingestellt.
Besonders vorteilhaft ist das Schall absorbierende Element derart ausgestaltet, dass es eine Resonanzfrequenz aufweist, die im Wesentlichen gleich der Frequenz der stehenden Welle ist oder der Frequenz der stehenden Welle entspricht.
Wenn sich mehrere stehende Wellen bilden, so kann zweckmäßigerweise die Frequenz der am stärksten ausgeprägten stehenden Welle, d.h. die stehende Welle, deren Frequenz im Wesentlichen dem Maximum des Schallspektrums entspricht, für die Wahl der Resonanzfrequenz des Schall absorbierenden Elements herangezogen werden.
Alternativ kann in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung das Schall absorbierende Element zwei oder mehrere unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen.
Hierfür umfasst das Schall absorbierende Element zweckmäßigerweise mindestens ein weiteres röhrenförmig ausgebildetes Halsstück, dessen Querschnittsfläche sich von der Querschnittsfläche des anderen Halsstücks unterscheidet, wobei das weitere Halsstück mit der Kammer derart verbunden ist, dass ein Durchlass von einem freien Ende des weiteren Halsstücks in den Innenraum der Kammer ausgebildet ist, und wobei das freie Ende des weiteren Halsstücks an die Maschine gekoppelt ist.
So können für den Fall, dass sich mindestens zwei stehende Wellen bilden, zweckmäßigerweise die Frequenzen der am stärksten ausgeprägten stehenden Wellen, deren Frequenzen im Wesentlichen einem ersten lokalen Maximum und weiteren lokalen Maxima des Schallspektrums entsprechen, für die Wahl der Resonanzfrequenz bzw. Resonanzfrequenzen der Schall absorbierenden Elemente herangezogen werden.
Des Weiteren sind jedoch auch Schall absorbierende Elemente mit drei oder mehr Halsstücken unterschiedlichen Querschnitts denkbar, um eine entsprechende Anzahl an verschiedenen Frequenzen bzw. verschiedenen schmalen Frequenzbereichen dämpfen zu können.
Alternativ können für den Fall, dass mehrere diskrete Frequenzen bzw. mehrere schmale Frequenzbereiche gedämpft werden sollen, auch mehrere Schall absorbierende Elemente mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen, d.h. mit unterschiedlichen Querschnitten bzw. Längen der Halsstücke und/oder unterschiedlichen Volumina der Kammern, an die Maschine gekoppelt sein.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Schall absorbierende Element derart ausgestaltet, dass das Volumen des Innenraums der Kammer veränderbar und/oder im Wesentlichen kontinuierlich veränderbar ist. In diesem Ausführungsbeispiel kann durch Verändern des Volumens des Innenraums der Kammer die Resonanzfrequenz verändert oder sogar zumindest annähernd kontinuierlich verändert werden. Diese vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung bietet einerseits die Möglichkeit, verschiedene Frequenzen bzw. schmale Frequenzbereiche dämpfen zu können. Andererseits kann insbesondere durch eine zumindest annähernd kontinuierliche Anpassung der Resonanzfrequenz des Schall absorbierenden Elements die Resonanzfrequenz noch genauer auf die zu dämpfende Frequenz abgestimmt werden. Zudem kann die Resonanzfrequenz des Schall absorbierenden Elements experimentell auf die zu dämpfende Frequenz abgestimmt werden, indem das von der Maschine erzeugte Schallspektrum für verschiedene Resonanzfrequenzen des Schall absorbierenden Elements gemessen wird und die Resonanzfrequenz des Schall absorbierenden Elements ermittelt wird, die die stärkste Schalldämpfung bewirkt.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Schall absorbierende Element zweiteilig ausgebildet, wobei die Kammer mit dem Halsstück lösbar verbunden ist, z.B. mittels einer Klemm-, Flansch- oder Schraubverbindung. Auf diese Weise ist es möglich, die Kammer des Schall absorbierenden Elements auszutauschen und so die Resonanzfrequenz des Schall absorbierende Elements zu verändern, ohne das an die Maschine gekoppelte Halsstück auswechseln zu müssen.
Vorteilhafterweise ist im Innern der Kammer des Schall absorbierenden Elements Dämpfungsmaterial angeordnet, um die Schalldämpfung des Schall absorbierenden Elements noch zusätzlich zu verbessern. Abhängig vom Einsatzbereich der Maschine, an die das Schall absorbierende Element gekoppelt ist, kann als Dämpfungsmaterial beispielsweise Kunststoffwatte, Stahlwolle, Steinwolle, Metallwirrfaser, Metallschäume und/oder anderes poröses Füllmaterial verwendet werden.
Vorteilhafterweise ist die industriell einsetzbare Maschine als Siebmaschine, vorzugsweise als Taumelsiebmaschine, insbesondere als Taumelsiebmaschine mit Ballklopfreinigung, oder als Trockner, vorzugsweise als Vibrationstrockner, ausgebildet. Bei diesen Maschinen ist die Dämpfung einzelner Frequenzen bzw. schmaler Frequenzbereiche besonders vorteilhaft, da diese Maschinen im Betrieb häufig ein breitbandiges Schallspektrum mit mindestens einem ausgeprägten Maximum erzeugen, welche einzeln oder in der Summe einen besonderen Einfluss auf die Gesamt-Schall-Emission ausüben.
Vorteilhafterweise ist das Schall absorbierende Element auf der Haube oder dem Deckel der Siebmaschine positioniert. Diese Anordnung ist bei Siebmaschinen vorteilhaft, da sich stehenden Wellen bevorzugt in annähernd senkrechter Richtung zwischen zwei im Wesentlichen waagrecht angeordneten Wänden innerhalb der Siebmaschine ausbilden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Helmholtz-Resonator zur Dämpfung von Schall verwendet, der durch geschlossene Maschinen, d.h. Maschinen mit einem im Wesentlichen geschlossenen Gehäuse, erzeugt wird, die in der Prozess- oder Verfahrenstechnik eingesetzt werden, wobei der Helmholtz-Resonator zweckmäßigerweise ein röhrenförmig ausgebildetes Halsstück und eine Kammer umfasst, wobei das Halsstück mit der Kammer derart verbunden ist, dass ein Durchlass von einem freien Ende des Halsstücks in den Innenraum der Kammer ausgebildet ist, und das freie Ende des Halsstücks an die Maschine gekoppelt ist.
Vorteilhafterweise ist die geschlossene Maschine als Siebmaschine, bevorzugt als Taumelsiebmaschine, insbesondere als Taumelsiebmaschine mit Ballklopfreinigung, oder als Trockner, bevorzugt als Vibrationstrockner, ausgebildet. Bei diesen Maschinen ist die Dämpfung einzelner Frequenzen bzw. schmaler Frequenzbereiche besonders vorteilhaft, da diese Maschinen im Betrieb häufig ein breitbandiges Schallspektrum mit mindestens einem ausgeprägten Maximum erzeugen.
Da es für eine effektive Schallabsorption einer Lärmquelle wichtig ist, die Ursache und die Art des Lärms bzw. Schalls zu kennen, soll zuerst auf einige wichtige physikalische Grundlagen eingegangen werden.
Als Schall bezeichnet man allgemein mechanische Schwingungen in einem elastischen Medium (Gas, Flüssigkeit, Festkörper). Diese Schwingungen pflanzen sich in Form von Schallwellen fort. In Luft sind Schallwellen Druck- und Dichteschwankungen. In ruhenden Gasen und Flüssigkeiten ist Schall immer eine Longitudinalwelle, also näherungsweise auch in Luft.
Die Wellenlänge λ der Schallwelle kann bei gegebener Frequenz /und Schallgeschwindigkeit c des Mediums über folgende Beziehung berechnet werden: $λ = \frac{c}{ƒ} .$
Schall, der als störender Lärm betrachtet wird, ist in der Regel ein Geräusch, welches, im Gegensatz zu einem Ton oder Klang, ein breitbandiges Schallspektrum mit einem im Wesentlichen kontinuierlichen Frequenzspektrum aufweist.
In geschlossenen Räumen, also auch im Gehäuse einer Lärm bzw. Schall erzeugenden Maschine, können unter bestimmten Bedingungen stehende Schallwellen auftreten. Zwischen zwei schallharten bzw. Schall reflektierenden parallelen Wänden (Reflektoren) können sich beispielsweise nur stehende Schallwellen mit bestimmten Wellenlängen bilden. Hierbei muss der Abstand / der zwei schallharten parallelen Wände ein ganzzahliges Vielfaches n der halben Wellenlänge betragen: $l = n \cdot λ / 2.$
Die Frequenzen zu diesen Wellenlängen werden als Eigenfrequenzen oder Eigenresonanzen bezeichnet. Die n-te Eigenfrequenz f_n des von zwei schallharten parallelen Wänden mit dem Abstand / eingeschlossenen Raumes berechnet sich aus $ƒ_{n} = n \cdot \frac{c}{2 \cdot l} .$
Dabei ist c die Schallgeschwindigkeit des Mediums (in Luft z.B. 343 m/s) und n eine natürliche Zahl.
Somit kann beispielsweise eine stehende Welle entstehen, deren halbe Wellenlänge dem Abstand zwischen den zwei schallharten parallelen Wänden entspricht. Diese entspricht der ersten Eigenfrequenz f₁ des von den zwei schallharten parallelen Wänden eingeschlossenen Raumes.
Schallwellen mit Frequenzen, die von den Eigenfrequenzen des betrachteten Raumes verschieden sind, werden gedämpft, da die an den Wänden immer wieder reflektierten Wellen keine feste Phasenbeziehung untereinander haben und sich somit gegenseitig schwächen.
Wird nun eine bestimmte, Lärm erzeugende Maschine mit einem im Wesentlichen geschlossenen Gehäuse betrachtet, so ist es, zusätzlich zur Messung der verschiedenen Frequenzen des verursachten Schalls, auch zweckmäßig, zu untersuchen, ob sich in dem Gehäuse stehende Wellen ausbilden können. Beispielsweise können sich zwischen zwei im Wesentlichen parallelen Wänden im Inneren des Gehäuses stehende Wellen mit den Eigenfrequenzen des von den zwei Wänden eingeschlossenen Raumes bilden.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der nachfolgenden Figuren beschrieben.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems;
2a zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Schall absorbierenden Elements gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Schall absorbierenden Elements gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt ein Diagramm mit den Ergebnissen von Schallmessungen an einer beispielhaften Taumelsiebmaschine mit drei Schall absorbierenden Elementen und, zu Vergleichszwecken, ohne Schall absorbierende Elemente.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems 10, welches eine industriell einsetzbare Maschine 30, wie z.B. eine Siebmaschine, und ein Schall absorbierendes Element 20 umfasst. Die industriell einsetzbare Maschine 30 weist ein im Wesentlichen geschlossenes Gehäuse 31 auf, in dessen Inneren zwei annähernd parallele horizontale Wände 32 und 33 angeordnet sind. Ferner weist die Maschine 30 eine Komponente 35 auf, wie z.B. ein Sieb, das zwischen den Wänden 32 und 33 angeordnet ist, und im Betrieb der Maschine derart in Schwingungen versetzt wird, dass dadurch ein Schallspektrum mit einem im Wesentlichen kontinuierlichen Frequenzspektrum erzeugt wird. Das Schallspektrum umfasst stehende Wellen 36. Diese zeigen sich im Spektrum als lokale Maxima bei den entsprechenden Eigenfrequenzen der stehenden Wellen 36. Da das Sieb in diesem Beispiel vor allem in senkrecht zu der Ebene, die das Sieb enthält, also primär in vertikaler Richtung, schwingt bzw. vibriert, werden auch die Luftmoleküle vor allem in dieser Richtung zum Schwingen angeregt, wodurch die als Schall wahrnehmbaren Dichteschwankungen in der Luft entstehen. Somit breiten sich in diesem Beispiel auch die longitudinalen Schallwellen in im Wesentlichen vertikaler Richtung oder also senkrecht zu den parallelen horizontalen Wänden 32 und 33 aus. Die stehenden Wellen 36 sind in dem gezeigten Fall in der bestimmten Richtung 42 ausgebildet.
Die in dem kontinuierlichen Frequenzspektrum enthaltenen Eigenfrequenzen des Raumes 34, der in diesem Beispiel von den zwei, im Wesentlichen waagrecht angeordneten Wänden 32 und 33 eingeschlossen wird, werden verstärkt, da sich für diese Frequenzen stehende Wellen 36 zwischen den beiden Wänden 32 und 33 ausbilden können. Alle anderen Frequenzen, die von diesen Eigenfrequenzen verschieden sind, werden gedämpft, da die an den Wänden immer wieder reflektierten Wellen keine feste Phasenbeziehung untereinander haben und sich somit gegenseitig schwächen. Das Schallspektrum des im Betrieb befindlichen Systems wird daher ausgeprägte Maxima bei den Frequenzen der Eigenfrequenzen der stehenden Wellen 36 aufweisen.
Sind nun die zu dämpfenden Frequenzen bekannt, durch Messung und/oder Rechnung, so können diese nun mit einem oder mehreren Schall absorbierenden Elementen 20, wie z.B. sogenannte Helmholtz-Resonatoren, gezielt gedämpft werden. Das Schall absorbierende Element 20, kann ein oder mehrere Halsstücke 23, mit einem oder mehreren gleichen und/oder unterschiedlichen Querschnitten umfassen.
Die in 1 gezeigten beispielhaften Schall absorbierenden Elemente 20 sind jeweils als Helmholtz-Resonator ausgebildet, welcher vorteilhaft zum Dämpfen einer bestimmten Frequenz, und zwar seiner Resonanzfrequenz, verwendet werden kann.
Die Resonanzfrequenz eines Helmholtz-Resonators mit einer Kammer 24 und einem zylinderförmigem Halsstück 23 lässt sich beispielsweise in guter Näherung durch folgende Formel berechnen: $ƒ = \frac{c}{2 π} \sqrt{\frac{π \cdot R^{2}}{V (L + \frac{π}{2} \cdot R)}}$
wobei
c die Schallgeschwindigkeit im betrachteten Medium, wie z.B. in Luft, V das Volumen des Helmholtz-Resonators
L die Länge und R der Radius des zylinderförmigen Halsstücks ist.
Somit lassen sich für eine vorgegebene zu dämpfende Frequenz leicht geeignete Abmessungen für den Helmholtz-Resonator finden.
Das Halsstück 23 ist im Wesentlichen entlang der bestimmten Richtung 42 ausgerichtet, in der die stehende Welle 36 ausgebildet ist. Zweckmäßigerweise ist das Halsstück 23 im Wesentlichen entlang der bestimmten Richtung 42 ausgerichtet, wenn der Winkel zwischen der bestimmten Richtung 42 und der Längsachse 41 des Halsstücks 23 weniger als 30°, bevorzugt weniger als 20° und besonders bevorzugt weniger als 10° beträgt.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das Schall absorbierende Element 20 zweiteilig ausgebildet sein, wobei die Kammer 24 mit dem Halsstück 23 lösbar verbunden ist, z.B. mittels einer Klemm-, Flansch- oder Schraubverbindung. Auf diese Weise ist es möglich, die Kammer 24 des Schall absorbierenden Elements 20 auszutauschen und so die Resonanzfrequenz des Schall absorbierende Elements zu verändern, ohne das an die Maschine gekoppelte Halsstück 23 auswechseln zu müssen. In diesem Fall erhält man durch die Wahl eines geeigneten Volumens 25 der Kammer 24 des Schall absorbierenden Elements 20 die gewünschte Resonanzfrequenz.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Kammer 24 des Schall absorbierenden Elements 20 teilweise (z.B. zu 50 %, zu 75 % oder 90 %) mit Dämpfungsmaterial (nicht abgebildet) gefüllt sein, um die Schalldämpfung des Schall absorbierenden Elements 20 noch zusätzlich zu verbessern. Abhängig vom Einsatzbereich der Maschine, an die das Schall absorbierende Element 20 gekoppelt ist, kann als Dämpfungsmaterial beispielsweise Kunststoffwatte, Stahlwolle, Steinwolle, Metallwirrfaser, Metallschäume und/oder andere poröse Füllmaterialen verwendet werden. Typischerweise weist die Kunststoffwatte eine Dichte von 20 bis 25 g/dm³ auf.
2a zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Schall absorbierenden Elements gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Schall absorbierende Element 21 zwei röhrenförmig ausgebildete Halsstücke 23a und 23b mit unterschiedlicher Querschnittsfläche. Die unterschiedlichen Querschnittsflächen der zwei Halsstücke 23a und 23b bedingen zwei unterschiedliche Resonanzfrequenzen des Schall absorbierenden Elements 21, welches somit in der Lage ist, zwei unterschiedliche Frequenzen bzw. zwei enge Frequenzbereiche eines Schallspektrums zu dämpfen.
2b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Schall absorbierenden Elements gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Das Schall absorbierende Element 22 weist neben einem Halsstück 23 und einer Kammer 24 eine Verstellvorrichtung 26 auf, mit welcher das Innenvolumen 25 der Kammer 24 verändert, d.h. verkleinert oder vergrößert, werden kann, um so die Resonanzfrequenz des Schall absorbierenden Elements entsprechend verändern zu können.
Hierbei kann die Verstellvorrichtung 26 einen Kolben umfassen, der in die Kammer 24 des Schall absorbierenden Elements 22 hineingeschoben und herausgezogen werden kann, um das Innenvolumen 25 der Kammer 24 zu verändern.
Vorteilhaft kann der Kolben an mehreren vorgesehenen Positionen einrasten, um ein Einstellen verschiedener bestimmter Volumina zu erleichtern und leichter reproduzierbar zu gestalten, um verschiedene Frequenzen bzw. schmale Frequenzbereiche dämpfen zu können.
Alternativ kann die Verstellvorrichtung 26 auch eine Schraubvorrichtung umfassen, mit welcher der Kolben annähernd kontinuierlich verstellt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass die Resonanzfrequenz des Schall absorbierenden Elements 22 noch genauer auf die zu dämpfende Frequenz abgestimmt werden kann. Zudem kann die Resonanzfrequenz des Schall absorbierenden Elements 22 experimentell auf die zu dämpfende Frequenz abgestimmt werden, indem das von der Maschine erzeugte Schallspektrum für verschiedene Kammervolumina des Schall absorbierenden Elements 22, d.h. für verschiedene Resonanzfrequenzen des Schall absorbierenden Elements 22, gemessen wird und die Resonanzfrequenz des Schall absorbierenden Elements ermittelt wird, die die stärkste Schalldämpfung bewirkt.
3 zeigt ein Diagramm mit den Ergebnissen von Schallmessungen an einer beispielhaften Taumelsiebmaschine mit drei Schall absorbierenden Elementen und, im Vergleich dazu, ohne Schall absorbierende Elemente.
Die Messungen wurden an einer Taumelsiebmaschine mit Ballklopfreinigung durchgeführt. Das Schallspektrum dieser Maschine weist einen Peak bei ca. 500 Hz auf. Dies deutet auf eine stehende Welle zwischen zwei parallelen Wänden im Abstand von ca. 34 cm hin. Dies ist der ungefähre Abstand zwischen dem Oberzylinder und dem Grundzylinder bei der hier vorliegenden Eindeckersiebmaschine. Da diese zwei im Wesentlichen parallelen Wände annähernd waagerecht in der Siebmaschine ausgerichtet sind, deutet dies auf eine stehende Welle hin, die im Wesentlichen senkrecht zu den parallelen Wänden ausgebildet ist. Daher ist es in diesem Fall zweckmäßig, die Schall absorbierende Elemente auf der Haube bzw. dem Deckel der Siebmaschine zu montieren. In diesem Beispiel wurden beispielsweise drei Schall absorbierende Elemente auf der Haube der Siebmaschine montiert.
Die Schall absorbierenden Elemente können leicht nachgerüstet werden, indem beispielsweise die entsprechende Anzahl an Muffen an der Haube der Siebmaschine angeschweißt und aufgebohrt werden und dann die Schall absorbierenden Elemente druck- und staubdicht eingeschraubt werden.
Die in diesem Beispiel verwendeten Schall absorbierenden Elemente bzw. Helmholtz-Resonatoren weisen eine Kammer mit einem Durchmesser von 75 mm und einer Höhe von 25 mm und ein Halsstück mit einem Durchmesser von 27 mm und einer Höhe von 40 mm auf, woraus sich unter Verwendung von Gleichung (1) eine Resonanzfrequenz bei ca. 500 Hz ergibt. Somit sind die verwendeten Helmholtz-Resonatoren zum Dämpfen eines Maximums bei ca. 500 Hz im abgegebenen Schallspektrum der Taumelsiebmaschine geeignet.
Das Diagramm in 3 zeigt auf der rechten Seite die Ergebnisse der Schallmessung an der der Taumelsiebmaschine mit Ballklopfreinigung mit den oben drei beschriebenen Schall absorbierenden Elementen und zum Vergleich auf der linken Seite die Ergebnisse der Schallmessung an der der Taumelsiebmaschine ohne Schall absorbierende Elemente jeweils bei zwei verschiedenen Maschinendrehzahlen.
Abhängig von der Maschinendrehzahl konnte eine Schallreduzierung von ca. -3 dBA bei einer Maschinendrehzahl von 211 1/min und ca. -6 dBA bei einer Maschinendrehzahl von 232 1/min erzielt werden. Dies entspricht einem deutlich hörbaren Unterschied in der Lärmbelastung. Insbesondere konnte die Lärmbelastung bei der höheren Maschinendrehzahl unter den wichtigen Grenzwert von 80 dBA gesenkt werden. Bei einer dauerhaften Lärmbelastung ab 85 dBA besteht beispielsweise schon die Gefahr eines Gehörschadens. Aus diesem Grund schreibt der Gesetzgeber in verschiedenen Verfügungen eine Absenkung der arbeitsplatzbezogenen Schallemission von Maschinen unter beispielsweise 85 dB(A) vor. Derartige Bestimmungen werden stetig verschärft, woraus sich die Notwendigkeit geeigneter technischer Maßnahmen zur Schallreduzierung ergibt.
Der von der Siebmaschine erzeugte Schall kann auch noch stärker gedämpft werden, indem mehr als drei Schall absorbierende Elemente auf der Haube der Taumelsiebmaschine angebracht werden.
Die vorliegende Erfindung bietet somit eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Schalldämpfung bei industriell einsetzbare Maschinen, insbesondere bei Taumelsiebmaschinen mit Ballklopfreinigung. Das beschriebene Schall absorbierende Element dämpft insbesondere schmale Frequenzbereiche effektiv und ist somit besonders dafür geeignet, ausgeprägte Maxima im Frequenzspektrum des erzeugten Schalls einer Maschine zu dämpfen. Die Frequenz bzw. der Frequenzbereich ist hierbei annähernd frei wählbar, da die Resonanzfrequenz des Schall absorbierenden Elements durch die Wahl geeigneter Abmessungen frei bestimmt werden kann. So sind Schallabsorber für Frequenzen von z.B. 150 Hz, aber auch bis zu 20000 Hz denkbar, da in einigen Fällen neben den Grundschwingungen auch höhere Oberschwingungen im Gehäuse der entsprechenden industriell einsetzbaren Maschine angeregt werden können.
Des Weiteren kann der erfindungsgemäße Schallabsorber an vorhandenen industriell genutzten Maschinen einfach, kostengünstig und mit geringem Aufwand nachgerüstet werden.
Bezugszeichenliste

10: System
20, 21, 22: Schall absorbierendes Element
23, 23a, 23b: Halsstück
24: Kammer
25: Innenvolumen der Kammer
26: Verstellvorrichtung
30: Maschine
31: Gehäuse
32, 33: waagrechte Wände
34: Raum zwischen waagrechten Wänden
35: Komponente
36: stehende Welle
41: Längsachse des Halsstücks
42: bestimmte Richtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 9525325 A1 [0004]

Claims

System (10) umfassend: - eine industriell einsetzbare Maschine (30), die eine Komponente (35) aufweist, die im Betrieb der Maschine (30) derart in Schwingungen versetzt wird, dass dadurch ein Schallspektrum erzeugt wird, das eine stehende Welle (36) umfasst, die in einer bestimmten Richtung (42) ausgebildet ist; und - ein Schall absorbierendes Element (20, 21, 22), das ein röhrenförmig ausgebildetes Halsstück (23) und eine Kammer (24) umfasst, wobei das Halsstück (23) mit der Kammer (24) derart verbunden ist, dass ein Durchlass von einem freien Ende des Halsstücks (23) in den Innenraum der Kammer (24) ausgebildet ist; wobei das Schall absorbierende Element (20, 21, 22) derart ausgestaltet ist, dass es eine Resonanzfrequenz aufweist, die auf eine Frequenz f_sw der stehenden Welle (36) abgestimmt ist; und wobei das freie Ende des Halsstücks (23) an die Maschine (30) gekoppelt ist und das Halsstück (23) im Wesentlichen entlang der bestimmten Richtung (42) ausgerichtet ist.
System (10) nach Anspruch 1, wobei das Schall absorbierende Element (20, 21, 22) als Helmholtz-Resonator ausgebildet ist.
System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Komponente der Maschine (30) im Betrieb ein breitbandiges Schallspektrum erzeugt, wobei die Frequenz f_sw der stehenden Welle (36) im Wesentlichen dem Maximum des Schallspektrums entspricht.
System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Querschnittsfläche, die Länge des Halsstückes (23) und/oder das Volumen (25) des Innenraums der Kammer (24) des Schall absorbierenden Elements (20, 21, 22) so gewählt sind, dass dessen Resonanzfrequenz im Frequenzbereich von 0,8 · f_sw bis 1,2 · f_sw liegt.
System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schall absorbierende Element (20, 21, 22) ein weiteres röhrenförmig ausgebildetes Halsstück (23b) umfasst, dessen Querschnittsfläche sich von der Querschnittsfläche des anderen Halsstücks (23a) unterscheidet, das weitere Halsstück (23b) mit der Kammer (24) derart verbunden ist, dass ein Durchlass von einem freien Ende des weiteren Halsstücks (23b) in den Innenraum der Kammer (24) ausgebildet ist, und das freie Ende des weiteren Halsstücks (23b) an die Maschine (30) gekoppelt ist.
System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Volumen (25) des Innenraums der Kammer (24) veränderbar ist.
System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die industriell einsetzbare Maschine (30) als Siebmaschine, vorzugsweise als Taumelsiebmaschine, oder als Trockner, vorzugsweise als Vibrationstrockner, ausgebildet ist.
System (10) gemäß Anspruch 7, wobei das Schall absorbierende Element (20, 21, 22) auf der Haube der Siebmaschine oder des Trockners positioniert ist.
Verwendung eines Helmholtz-Resonators zur Dämpfung von Schall, der durch geschlossene Maschinen (30), die in der Prozess- oder Verfahrenstechnik eingesetzt werden, erzeugt wird.
Verwendung gemäß Anspruch 9, wobei der Helmholtz-Resonator ein röhrenförmig ausgebildetes Halsstück (23) und eine Kammer (24) umfasst, wobei das Halsstück (23) mit der Kammer (24) derart verbunden ist, dass ein Durchlass von einem freien Ende des Halsstücks (23) in den Innenraum der Kammer (24) ausgebildet ist, und das freie Ende des Halsstücks (23) an die Maschine (30) gekoppelt ist.
Verwendung gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei die geschlossene Maschine (30) als Siebmaschine, bevorzugt als Taumelsiebmaschine, oder als Trockner, bevorzugt als Vibrationstrockner, ausgebildet ist.