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Die Erfindung betrifft eine Struktur zur Schallabsorption mit den Merkmalen gemäß dem Anspruch 1. Die erfindungsgemäße Struktur ist vorgesehen, um das Nachhallverhalten in Räumen für konkrete Frequenzen zu beeinflussen.
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Der Begriff Schallabsorption bezeichnet allgemeinhin einen Vorgang der Verminderung der Schallenergie, beispielsweise durch Umwandlung in Wärme. Bei der Schallabsorption kommen Schallabsorber zum Einsatz, wobei es sich um im Raum befindliche Körper handelt, deren Oberflächen in der Lage sind, den Schall zu absorbieren. Mit anderen Worten, Schallabsorber sind Einrichtungen, welche die Energie des Schalls in eine andere Energieform, wie beispielsweise Wärmeenergie oder Schwingungsenergie umwandeln, um somit den Raumklang zu beeinflussen. Verbreitet sind insbesondere poröse Schallabsorber, wie beispielsweise Schäume, Fasermatten oder Lochplatten, welche eine unterschiedliche Dicke aufweisen können und mit definiertem Wandabstand im Raum platziert werden müssen. Solche Absorberelemente weisen üblicherweise eine recht große Dicke auf, wodurch sie platzraubend und auffällig sind. Zudem absorbieren sie vergleichsweise unspezifisch in einem breiten Frequenzbereich. Einzelne, den Raumklang negativ beeinflussende, störende Frequenzen können also nicht spezifisch absorbiert werden, ohne gleichzeitig auch alle weiteren, nicht störenden Frequenzen, zu absorbieren. Eine Schallabsorption über breite Frequenzbereiche beeinträchtigt den Raumklang insgesamt, wodurch der Raumklang dumpf wird. Es hat sich gezeigt, dass die Anforderungen hinsichtlich des Raumklangs und der Schallabsorption bei unterschiedlichen Raumgeometrien variieren können. Es werden daher Schallabsorber gefordert, welche eine Schallabsorption von konkreten Frequenzen in einem vorgegebenen Frequenzbereich ermöglichen und hinsichtlich der Anbringung ein unauffälliges Erscheinungsbild aufweisen und dabei flexibel erweiterbar sind.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Struktur zur Schallabsorption bereitzustellen, welche ein platzsparendes und dabei unauffälliges äußeres Erscheinungsbild aufweist, modular erweiterbar ist und eine Schallabsorption von konkreten Frequenzen in einem vorgegebenen Frequenzbereich ermöglicht.
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Die Aufgabe wird durch eine Struktur mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Kern der Erfindung ist eine Struktur zur Schallabsorption welche mindestens ein aus drei aufeinanderfolgenden Segmenten gebildetes sechseckiges Strukturelement aufweist, in welchem mehrere zylindrische Hohlräume von dem ersten und dem zweiten Segment begrenzt sind. Die drei Segmente sind aufeinanderfolgend angeordnet. Das dritte Segment weist zylindrische Ausnehmungen auf, welche an einer Rückseite des sechseckigen Strukturelements ausgebildet sind. Das erste Segment weist erste und zweite Durchbrechungen auf, von welchen zumindest ein Teil der ersten Durchbrechungen, welche auch als Poren bezeichnet werden können, von einer Strukturelementvorderseite ausgehend in die zylindrischen Hohlräume münden und von welchen die zweiten Durchbrechungen von der Strukturelementvorderseite ausgehend durch das erste Segment und durch Röhren in den zylindrischen Hohlräumen hindurchführend in jeweils eine der zylindrischen Ausnehmungen des dritten Segments münden. Ein weiterer Teil der ersten Durchbrechungen kann in Öffnungen des zweiten Segments münden oder durch Durchbrechungen im zweiten Segment hindurchführen. Erfindungsgemäß weist das sechseckige Strukturelement dabei eine Dicke von 30 mm auf.
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Aufgrund seiner geringen Dicke von nur 30 mm kann das mindestens eine sechseckige Strukturelement beziehungsweise eine aus mehreren der sechseckigen Strukturelemente gebildete Struktur besonders raumsparend und dadurch unauffällig angeordnet werden. Bei der Anordnung der Struktur beziehungsweise der sechseckigen Strukturelemente muss ferner auch kein Abstand zwischen den Strukturelementrückseiten und einer den Raum begrenzenden Wand eingehalten werden, um die gewünschte Funktion zu gewährleisten. Somit können die sechseckigen Strukturelemente mit ihren Rückseiten unmittelbar an der Wand befestigt werden. In diesem Fall können die zylindrischen Ausnehmungen des dritten Segments an der Strukturelementrückseite offen sein. Denn durch die Wandbefestigung bilden die zylindrischen Ausnehmungen begrenzte und abgeschlossene Hohlräume. Durch die Wandmontage kann somit eine Abdeckung der Strukturelementrückseite entfallen, wodurch der Fertigungsaufwand verringert wird und Material eingespart werden kann.
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Es ist jedoch auch eine freihängende Anordnung von sechseckigen Strukturelementen möglich, wodurch eine Struktur mit einer vorgegebenen Geometrie der Strukturvorderseite realisiert werden kann. Dabei ist jedoch ein rückseitiger Abschluss notwendig, wie er beispielsweise durch eine Abdeckung, realisiert sein kann. Es kann somit vorgesehen sein, dass die zylindrischen Ausnehmungen des dritten Segments an einer Strukturelementrückseite mittels einer Abdeckung geschlossen sind. Diese Abdeckung kann aufgeklebt sein.
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Bevorzugt weisen die zylindrischen Ausnehmungen des dritten Segments einen sechseckigen Querschnitt auf. Es hat sich gezeigt, dass ein sechseckiger Querschnitt der zylindrischen Ausnehmungen mit geringerem fertigungstechnischen Aufwand realisiert werden kann. Die einzelnen Segmente des sechseckigen Strukturelements sind so dimensioniert, dass sie in Kombination bereits die gewünschten vorgegebenen Absorptionseigenschaften aufweisen. Somit ist vorteilhaft bereits ein einziges sechseckiges Strukturelement geeignet, um gleichzeitig mehrere Frequenzen spezifisch zu absorbieren.
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Die Kombination aus den zweiten Durchbrechungen und den zylindrischen Ausnehmungen, in welche jeweils genau eine der zweiten Durchbrechungen mündet, bilden Helmholtz-Resonatoren, welche aufgrund der aufeinanderfolgenden Segmente innerhalb des Strukturelements vorteilhaft platzsparend integriert sind, wodurch die kompakte Ausgestaltung des sechseckigen Strukturelements begünstigt wird. Die ebene Strukturelementvorderseite trägt darüber hinaus zu einem unauffällig wirkenden Design bei. Vorzugsweise sind die Strukturelementvorderseite, in welcher sich die Öffnungen der ersten und zweiten Durchbrechungen befinden, und die Strukturelementrückseite parallel. Das heißt, der Abstand zwischen der Strukturelementvorderseite und der Strukturelementrückseite entspricht der Dicke des sechseckigen Strukturelements.
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Da die Schallabsorption im Wesentlichen durch die Länge der ersten Durchbrechungen (Poren) beeinflusst wird, weisen die ersten Durchbrechungen gleiche Durchmesser auf. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung können die ersten Durchbrechungen einen Durchmesser im Bereich von 1,5 mm bis 2,0 mm aufweisen. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die ersten Durchbrechungen gleiche Durchmesser aufweisen, wobei die zweiten Durchbrechungen unterschiedliche Durchmesser aufweisen können.
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Es kann vorgesehen sein, dass die ersten Durchbrechungen unterschiedliche vorgegebene Längen aufweisen. Auf diese Weise kann eine Schallabsorption für konkrete Frequenzen oder Frequenzbereiche realisiert werden. Für jede konkrete zu absorbierende Frequenz beziehungsweise für jeden zu absorbierenden Frequenzbereich können konkrete Längen der ersten Durchbrechungen vorgesehen sein, wobei stets die maximale Dicke des sechseckigen Strukturelements von maximal 30 mm eingehalten ist. Dabei können die Pfade der ersten Durchbrechungen auch nicht geradlinig oder schräg, das heißt in einem Winkel im Bezug zur Strukturelementvorderseite ausgebildet sein. Somit kann die Länge von ersten Durchbrechungen größer sein als der geometrisch kürzeste Abstand von der Strukturelementvorderseite und der Mündung in die zylindrischen Hohlräume.
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Die Frequenzen von 300 Hz bis 1300 Hz werden durch die Helmholtz-Resonatoren absorbiert. Demzufolge können die Längen der zweiten Durchbrechungen in Kombination mit der Höhe der zylindrischen Ausnehmungen derart dimensioniert sein, dass zumindest eine Frequenz im Bereich von 300 Hz bis 1300 Hz absorbierbar ist. Dabei kann die Länge der ersten Durchbrechungen derart vorgegeben sein, dass zumindest eine Frequenz im Bereich von 1300 Hz bis 6000 Hz absorbierbar ist.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann das mindestens eine sechseckige Strukturelement jeweils genau sieben zylindrische Hohlräume und genau sieben zylindrische Ausnehmungen aufweisen. Dies ermöglicht eine besonders platzsparende Anordnung und optimale Raumausnutzung innerhalb des sechseckigen Strukturelements.
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Die Höhe der zylindrischen Hohlräume ist in Abhängigkeit einer vorgegebenen zu absorbierenden Frequenz vorgebbar. Die Festlegung der Höhe der Hohlräume erfolgt in Abhängigkeit der Länge der ersten Durchbrechungen.
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Die sechseckige Form des Strukturelements ermöglicht eine flächige Anordnung von mehreren der sechseckigen Strukturelementen zu einer größeren geschlossenen Fläche, welche durch Entnahme oder Hinzufügen von Strukturelementen in ihrer Größe variiert werden kann. Die erfindungsgemäße Struktur kann somit mehrere der sechseckigen Strukturelemente aufweisen, welche an ihren Seitenflächen aneinander liegend angeordnet eine geschlossene Fläche ausbilden.
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Die Segmente des mindestens einen sechseckigen Strukturelements sind aus dem gleichen Material, vorzugsweise aus einem recycelten und wiederum recyclebaren Material, beispielsweise einem Kunststoff, hergestellt.
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Das mindestens eine sechseckige Strukturelement kann mit einem generativen Verfahren, insbesondere 3D-Druck hergestellt werden. Aufgrund der generativen oder additiven Fertigung kann das mindestens eine sechseckige Strukturelement mit seinen drei Segmenten aus einem Stück hergestellt werden, wodurch eine aufwendige Fertigung von Hohlräumen und Hinterschneidungen sowie Rastverbindungen entfällt und somit insgesamt Material eingespart werden kann. Die Herstellung mittels 3D-Druck ermöglicht eine hohe Flexibilität und eine Unabhängigkeit von industriellen Fertigungsanlagen und somit die Möglichkeit zur individuellen Fertigung von kleinen Stückzahlen.
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Für eine stückzahlorientierte Massenfertigung kann alternativ eine Herstellung des sechseckigen Strukturelements mittels Heißpressverfahren oder Formguss vorgesehen sein.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die Segmente des mindestens sechseckigen Strukturelements ineinandersteckbar ausgebildet sein. Zu diesem Zweck können die Segmente Rastverbindungen aufweisen, mittels welchen die Segmente miteinander verbunden und fixiert werden können. Vorteilhaft können somit hinsichtlich der ersten und zweiten Durchbrechungen und der zylindrischen Hohlräume unterschiedlich dimensionierte Segmente miteinander kombiniert und unterschiedlich dimensionierte Segmente variiert werden. In diesem Fall erweisen sich lösbare Rastverbindungen als vorteilhaft. Ferner kann eine Verklebung der einzelnen Segmente vorgesehen sein, so dass Rastverbindungen weggelassen werden können.
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Die erfindungsgemäße Struktur ermöglicht eine gezielte Beseitigung von hallenden Frequenzen in der Raumakustik. Über die diskrete Variation von geometrischen Parametern ist eine gezielte Absorption von mehreren unterschiedlichen Frequenzen im Bereich von 300 Hz bis 6000 Hz möglich. Somit können mehrere Frequenzen gleichzeitig gezielt absorbiert werden. Vorteilhaft kann die Nachhallzeit in einem Raum, in welchem die erfindungsgemäße Struktur zum Einsatz kommt, dahingehend angepasst werden, dass ausschließlich die störenden das heißt zu lang nachhallenden Frequenzen absorbiert werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein System zur Schallabsorption in einem Raum unter Verwendung der erfindungsgemäßen Struktur. Zur Schallabsorption von störenden Frequenzen werden zunächst für einen vorgegebenen Frequenzbereich die frequenzspezifischen Nachhallzeiten in dem Raum ermittelt. Anschließend werden für konkrete Frequenzen oder Frequenzbereiche, welche eine vorgegebene Nachhallzeit überschreiten, die Strukturelemente zur Absorption der konkreten Frequenzen oder Frequenzbereiche dimensioniert, wobei die Länge der ersten Durchbrechungen, die Höhe der zylindrischen Hohlräume und/oder die Höhe der zylindrischen Ausnehmungen so gewählt werden, dass nur die konkreten Frequenzen absorbiert werden können.
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Vorteilhaft können die Absorptionseigenschaften der erfindungsgemäßen Struktur vorausgesagt werden, was eine Prognose des Raumklangs nach Anbringung der Struktur beziehungsweise der Strukturelemente ermöglicht.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
- 1: eine schematische Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines sechseckigen Strukturelements der erfindungsgemäßen Struktur zur Schallabsorption und
- 2: eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines sechseckigen Strukturelements der erfindungsgemäßen Struktur zur Schallabsorption.
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Wiederkehrende Merkmale sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die 1 zeigt eine schematische Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines sechseckigen Strukturelements 1 der erfindungsgemäßen Struktur zur Schallabsorption. Das sechseckige Strukturelement 1 ist aus drei aufeinanderfolgenden Segmenten 2, 3, 4, gebildet. Das erste Segment 2 weist eine Strukturelementvorderseite 5 auf, in welcher Öffnungen für erste Durchbrechungen 6 und zweite Durchbrechungen 7 ausgebildet sind. Bei den ersten Durchbrechungen 6 und den zweiten Durchbrechungen 7 handelt es sich um Kanäle, welche einen vorgegebenen Pfad aufweisen. Das zweite Segment 3 weist sieben zylindrische Ausnehmungen auf, welche bei Aneinanderlegen des ersten Segments 2 und des zweiten Segments 3 begrenzte zylindrische Hohlräume 8 ausbilden. Dabei münden zumindest einige der ersten Durchbrechungen 6 in die zylindrischen Hohlräume 8. Jeweils eine der sieben zweiten Durchbrechungen 7 führt jeweils durch eine Röhre mitten durch die zylindrischen Hohlräume 8. Das dritte Segment 4 ist mit außenseitig miteinander verbundenen Kreisringzylindern gebildet. Diese Kreisringzylinder weisen zylindrische Ausnehmungen 9 auf, welche bei aneinanderlegen der drei Segmente 2, 3, 4 zu einer Strukturelementrückseite hin offen sein können, wenn eine Wandmontage des Strukturelements vorgesehen ist. Durch die Wandmontage werden die zylindrischen Ausnehmungen 9 abgedeckt, wodurch abgeschlossene Hohlräume gebildet werden. Dadurch kann der fertigungstechnische Aufwand zur Herstellung oder Anbringung einer Abdeckung entfallen und Material eingespart werden. Jeweils eine der sieben zweiten Durchbrechungen 7 mündet in eine der zylindrischen Ausnehmungen 9. Das zweite Segment 3 weist dritte Durchbrechungen 11 auf, welche mit einem Teil den ersten Durchbrechungen 6 korrespondieren, so dass die Pfade von einem Teil der ersten Durchbrechungen 6 durch das erste Segment 2 und durch das zweite Segment 3 hindurchführen.
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Die 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines sechseckigen Strukturelements 1 der erfindungsgemäßen Struktur zur Schallabsorption. Das Strukturelement 1 ist mit drei aufeinanderfolgenden miteinander verbundenen Segmenten 2, 3, 4, gebildet. Zu erkennen ist die Strukturelementvorderseite 5, in deren Oberfläche Öffnungen von ersten Durchbrechungen 6 und zweiten Durchbrechungen 7 ausgebildet sind. Ein Teil der ersten Durchbrechungen 6 führt in zylindrische Hohlräume 8, welche von dem ersten Segment 2 und dem zweiten Segment 3 begrenzt sind. Jeweils ein Anteil der ersten Durchbrechungen 6 ist einem von sieben Hohlräumen 8 zugeordnet. Die ersten Durchbrechungen 6 weisen identische Durchmesser auf. Die zweiten Durchbrechungen 7 führen von der Strukturelementvorderseite 5 durch das erste Segment 2, anschließend durch korrespondierende Röhren durch die zylindrischen Hohlräume 8 des zweiten Segments 3 hindurch und münden in jeweils eine zylindrische Ausnehmung 9 des dritten Segments 4. Die zweiten Durchbrechungen 7 weisen unterschiedliche Durchmesser auf.
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Die Dicke des sechseckigen Strukturelements 1 von der Strukturelementvorderseite 5 zur Strukturelementrückseite 10 beträgt 30 mm.
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Die zylindrischen Ausnehmungen 9 des dritten Segments 4 bilden mit den zweiten Durchbrechungen 7 sieben Helmholtz-Resonatoren (kurz Resonator), deren jeweilige Absorptionsfrequenz durch die Längen und Durchmesser der Resonatorhälse, welche durch die Pfade beziehungsweise Röhren durch die zweiten Durchbrechungen 7 gebildet werden, eingestellt wird. Weitere geometrische Parameter, welche die Absorptionsfrequenz der Helmholtz-Resonatoren bestimmen, sind die Höhe und der Durchmesser der Resonatorkammer der Helmholtz-Resonatoren, welche durch die jeweilige zylindrische Ausnehmung 9 ausgebildet ist. Die Gesamthöhe des Strukturelements 1 und somit die Summe aus Resonatorkammerhöhe und Resonatorhalslänge bleiben konstant, wobei deren Anteil an der Gesamthöhe in drei Stufen variiert werden kann. Das heißt, die Absorptionsfrequenzen werden durch die Länge der Pfade der ersten Durchbrechungen 6 und die Höhe des daran anschließenden zylindrischen Hohlraumes 8 beziehungsweise durch die Länge und Durchmesser der zweiten Durchbrechungen 7 und die Höhe der daran anschließenden zylindrischen Ausnehmungen 9 beeinflusst.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Strukturelement
- 2
- erstes Segment
- 3
- zweites Segment
- 4
- drittes Segment
- 5
- Strukturelementvorderseite
- 6
- erste Durchbrechungen
- 7
- zweite Durchbrechungen
- 8
- zylindrische Hohlräume
- 9
- zylindrische Ausnehmungen
- 10
- Strukturelementrückseite
- 11
- dritte Durchbrechungen
