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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine akustische Vorrichtung, genauer gesagt auf elektroakustische
Wandler, insbesondere auf Biegewellenwandler.
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In festen Medien bzw. Stoffen breiten
sich Wellen auf verschiedene Arten aus. In dickeren Medien herrschen
Dehn- und Dichtewellen vor. An Grenzflächen zu anderen Stoffen, vorzugsweise
Fluiden, entstehen Oberflächenwellen.
In dünneren
Medien, nachfolgend Paneele genannt, entstehen zusätzlich Schubwellen
und/oder Biegewellen. von allen Wellentypen eignen sich im wesentlichen
nur Biegewellen und Schubwellen zur Nutzung bei elektroakustischen
Wandlern, da sich diese mit ausreichend hohen Amplituden auf Paneelen
ausbreiten.
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Elektroakustische Wandler auf der
Basis von Biegewellen ermöglichen
eine breitbandige Schallabstrahlung. Das Ausbreitungsverhalten der
Biegewelle wird dabei u.a. durch die Biegesteifigkeit und die Massenbelegung
des Paneels bestimmt und ist frequenzabhängig. Dabei erhöht sich
die Phasengeschwindigkeit in dem Paneel bei steigender Frequenz,
was als "Dispersion
der Biegewelle" bezeichnet
wird.
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Die Frequenz, bei der die Phasengeschwindigkeit
einer Welle auf einem Paneel mit der Phasengeschwindigkeit in Luft
identisch ist, wird Koinzidenzfrequenz genannt. Bei der Koinzidenzfrequenz
beginnt sich die welle unter einem Winkel von ungefähr 0° vom Paneel
abzulösen.
Anders ausgedrückt
läuft ab
der Koinzidenzfrequenz die Welle parallel zum Paneel, wodurch ein
sprunghafter Anstieg des Wirkungsgrades auftritt.
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Erhöht sich die Phasengeschwindigkeit
im Paneel bezüglich
der Phasengeschwindigkeit in Luft, so erhöht sich der Ablösewinkel
der Welle vom Paneel von 0° bis
zu einem Wert von kleiner 90°.
Die Koinzidenzfrequenz ist die eigentliche untere Grenzfrequenz
eines Biegewellenwandlers. Unterhalb der Koinzidenzfrequenz arbeitet
der elektroakustische Wandler nach dem Stand der Technik als Kolbenstrahler.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, eine akustische Vorrichtung vorzusehen, die eine niedrige
Koinzidenzfrequenz hat, bei der nach der Anregung durch ein weißes Rauschen
alle Frequenzen in Biegewellen aufbrechen, d.h. Eigenmodi besitzen,
die nach der Erregung schnell abklingen, die in Druck- und Zugrichtung
eines auf dieser befindlichen Exciters möglichst steif ist, die in Richtung
der sich ausbreitenden Biegewellen dämpfende Eigenschaften besitzt,
die eine geringe Masse hat und die in hohem Maße witterungs- und alterungsbeständig ist. Das
Ziel der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist eine möglichst
genaue akustische Widerspiegelung eines der Vorrichtung zugeleiteten,
bevorzugt elektrischen, Signals.
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Diese Aufgabe wird durch Vorrichtungen nach
Anspruch 1 und Anspruch 10 gelöst.
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Erfindungsgemäß weist die akustische Vorrichtung
ein Paneel mit einem Kern aus einem Leichtholz auf, auf dem sich
eine Beschichtung mit einem hohen Elastizitätsmodul (E-Modul) befindet,
d.h. ein Textilmaterial, vorzugsweise ein Gewebe, stärker bevorzugt
umgeben von einem Harz. Auf diese weise wird eine niedrige Koinzidenzfrequenz,
ein hoher Wirkungsgrad und eine gleichmäßige Wiedergabe über einen
großen
Frequenzbereich ermöglicht.
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Durch eine mittlere Rohdichte des
Leichtholzes von 400 kg/m3, vorzugsweise
von 260 kg/m3 und stärker bevorzugt durch die Verwendung
von Balsaholz kann der Wirkungsgrad und eine vorteilhafte Frequenzabstrahlung
weiter verbessert werden. Dabei wird insbesondere die Drucksteifigkeit
in Dickenrichtung des Leichtholzes ausgenutzt. Weitere Faktoren
für eine
vorteilhafte Verwendung von Leichtholze, insbesondere Balsaholz,
als Biegewellenwandler sind das E-Modul des Paneels mit Beschichtung,
seine Dicke, seine Dichte und sein Gewicht.
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Durch eine solche Anordnung kann
ein hohes Elastizitätsmodul
des Paneels, ein niedriges spezifisches Gewicht und eine geringe
Membrandicke bei gleichzeitiger innerer Dämpfung erhalten werden.
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Die Verwendung von Stirnbalsaholz
ermöglicht,
daß der
Schallwandler aufgrund der inneren Dämpfung auch unterhalb der Koinzidenzfrequenz zumindest
teilweise noch als Biegewellenwandler arbeitet. Dieses ist auf das
kontrollierte Abklingen der Biegewellen zurückzuführen.
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Durch eine Imprägnierung des Kerns mit Porenfüller vor
der Beschichtung mit dem Textilmaterial und dem Harz werden ein
Aufsaugen des Harzes und Haftungsprobleme vermieden.
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Die Faserrichtung von 45° des Textilmaterials
zur Längsausdehnung
des vorzugsweise rechteckigen Paneels beugt stehenden Wellen in
dem Paneel vor.
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Durch ein rechteckig ausgebildetes
Paneel mit einem Abmessungsverhältnis
von 1:1,2 bis 1:3 wird die Eigenmodendichte des Paneels positiv
beeinflußt.
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Durch eine Längsabmessung des schallabstrahlenden
Bereichs im Bereich von 25 bis 26 cm und eine Querabmessung von
diesem im Bereich von 18 bis 19 cm erfolgt eine besonders vorteilhafte Nutzung
der dämpfenden
Eigenschaften des Paneels bei gleichzeitig handhabarem Abmessungsverhältnis des
Paneels.
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Durch eine Anordnung des einen Exciter
im Bereich 41 bis 43 % der Querabmessung und 57 bis 59 % der Längsabmessung
und des zweiten Exciter im Bereich von 63,5 bis 65,5 der Querabmessung und
38,5 bis 40,5 % der Längsabmessung
erfolgt eine besonders gleichmäßige Anregung
der Eigenresonanzen über
den gesamten Frequenzbereich des Paneels.
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Durch Auslöschkörper unter den Excitern, wobei
das Massenverhältnis
von Auslöschkörper und durch
diesen abgedecktem Bereich vom Paneel im Bereich von 1:2 bis 1:5
liegt, erfolgt eine Auslöschung störender Biegewellen
unter dem Exciter.
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Bei einem weiteren Gegenstand der
Erfindung wird an einer Seite eines Paneels, das nicht das vorstehend
beschriebene Paneel zu sein braucht, ein konzentrischer Durchbruch
in einem Abdeckmaterial, vorzugsweise aus einer mitteldichter Faserplatte, vorgesehen.
Auf diese Weise wird ein Kammfilter erzeugt, der dem Kammfilter
durch Einrichtungen auf dem Paneel, beispielsweise Exciter und Gewichte,
in Form einer Akustiklinse entgegenwirkt.
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Ein Abstand des Rahmens im Bereich
von 0,2 cm bis 10 cm, vorzugsweise 1 bis 4 cm zum Paneel bewirkt
vorteilhafte Eigenschaften beim Kammfilter.
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Wenn auf der dem Paneel abgewandten
Seite des Rahmens ein faseriges oder offenporiges Dämmaterial
mit einer Schallabsorption vorzugsweise ab 1 kHz eingesetzt wird,
werden Frequenzwelligkeiten, die durch das Paneel erzeugt werden,
in stärkerem
Maße ausgeglichen.
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Durch die Einspannung des vorzugsweise erfindungsgemäßen Paneels über ein
schwingungsdämpfendes
Material, wie z.B. geschlossenzelligen Kunstkautschuk, in einen
Rahmen, vorzugsweise einen Aluminiumrahmen, wird ein schnelles Abklingen der
Eigenresonanz des Rahmens abgesichert. Bereits dadurch, daß das schwingungsdämpfende
Material mit dem Rahmen in Berührung
steht, kann das Abklingen verbessert werden. Durch den Kunstkautschuk
wird ermöglicht,
daß weniger
als 30 dB des Ursprungssignals des Paneels auf den Rahmen übergehen.
Der Tieftonbereich wird durch den Rahmen verstärkt.
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Das Abklingen der Signale wird durch
das Füllen
des Rahmens mit einer Körperschalldämpfungsmasse
unterstützt.
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Durch ein gleichzeitiges Vorsehen
einer hinteren Abdeckung, vorzuagsweise eines MDF-Rahmen mit konzentrischen
Durchbrüchen,
und des Rahmens, vorzugsweise des Aluminiumrahmens mit der beschriebenen
Einfassung wird sowohl das Verhalten im Tieftonbereich als auch
das im Hochtonbereich verbessert.
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Die Schallabstrahlung bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erfolgt bevorzugt nach dem Multiresonanzprinzip, so daß ein Schwerpunkt
der Erfindung im Einsatz bei Biegewellenwandlern liegt.
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Mit der vorliegenden Erfindung wurde
eine Sandwichplatte mit mehreren sich gegenseitig positiv beeinflussenden
Materialien erhalten. Dabei wurde durch die Festlegung der Ausrichtung
der Gewebelagen für
die Biegewellen eine Richtungsgebung vorgenommen. Es wurden mehrere
Eigenmoden angeregt und Kantenreflexionen in starkem Maße verringert.
Durch den Einsatz geeigneter Außenabmessungen
und von alterungsbeständigen
Materialien konnte die erfindungsgemäße Vorrichtung weiter optimiert
werden.
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Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand
der Zeichnung beschrieben, in der
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1 einen
Querschnitt durch das erfindungsgemäße Paneel zeigt,
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2 die
Gewebelage auf einem erfindungsgemäßen Paneel zeigt,
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3 eine
Seitenansicht auf den auf dem Paneel vorgesehenen Exciter zeigt,
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4 die
Aufbringpunkte der Exciter auf dem Paneel zeigt,
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5 einen
Querschnitt durch den Rahmen und die Befestigung des Paneels an
diesem zeigt,
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6 eine
erste Ausführung
für die
Abdeckung des Paneels von hinten zeigt,
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7 eine
zweite Ausführung
für die
Abdeckung des Paneels von hinten unter Verwendung eines Dämmaterials
zeigt, die 8a bis d Varianten für die Abdeckung
des Paneels von hinten zeigen,
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9 den
Amplitudenfrequenzgang für
einen elektoakustischen Wandler nach dem Stand der Technik bezüglich der
Schallabstrahlung nach vorn zeigt,
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10a den
Amplitudenfrequenzgang für den
erfindungsgemäßen elektoakustischen
Wandler bezüglich
der Schallabstrahlung nach vorn mit Abdeckung und Dämmaterial
von hinten zeigt,
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10b den
Amplitudenfrequenzgang für den
erfindungsgemäßen elektoakustischen
Wandler bezüglich
der Schallabstrahlung nach hinten ohne Abdeckung und Dämmaterial
von hinten zeigt,
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10c den
Amplitudenfrequenzgang für den
erfindungsgemäßen elektoakustischen
Wandler bezüglich
der Schallabstrahlung nach hinten mit Abdeckung und Dämmaterial
von hinten zeigt,
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11 den
Impedanzfrequenzgang für
einen elektroakustischen Wandler nach dem Stand der Technik zeigt,
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12 den
Impedanzfrequenzgang für
den erfindungsgemäßen elektoakustischen
Wandler zeigt,
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13 ein
Wasserfalldiagramm für
einen elektroakustischen Wandler nach dem Stand der Technik zeigt,
und
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14 ein
Wasserfalldiagramm für
den erfindungsgemäßen elektroakustischen
Wandler nach dem Stand der Technik zeigt.
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1 zeigt
den Querschnitt eine erfindungsgemäße akustische Vorrichtung mit
einem Paneel, das einen Kern 1 aus einem Holz mit hohem
Ligningehalt, vorzugsweise Leichtholz hat.
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Bei einem hohen Ligningehalt des
Holzes liegt eine hohe Druckfestigkeit vor, die für die vorliegende
Erfindung von Vorteil ist. Der Ligningehalt hängt von der Umgebungswärme des
Baumes in seinem Wachstumsprozeß ab,
so daß tropische
Hölzer einen
höheren
Ligningehalt (30– 41%)
als europäische
Hölzer
(18 – 25%)
besitzen. Die akustische Vorrichtung arbeitet bevorzugt als Multiresonanzplatte.
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Auf diesen Kern 1 ist ein
Porenfüller 2a, 2b aufgebracht,
auf dem sich eine Beschichtung 3a, 3b aus Harz
und einem Textilmaterial, die nachfolgend als Deckschicht bezeichnet
wird, befindet. Der Porenfüller 2a, 2b und
die Beschichtung 3a, 3b ist jeweils an den entgegengesetzten
Seiten des Kerns aufgebracht. Alternativ dazu kann die Beschichtung 3a, 3b direkt
auf den Kern 1 aufgebracht sein oder kann eine Beschichtung 3a lediglich
auf einer Seite des Kerns 1 vorgesehen sein, wobei sich
zwischen dieser einen Beschichtung 3a und dem Kern 1 ein Porenfüller 2a befinden
kann.
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Die erfindungsgemäße akustische Vorrichtung verwendet
bevorzugt Leichtholz, da mit geringerer mittlerer Rohdichte der
Wirkungsgrad eines Biegewellenwandlers steigt. Dabei ist zu beachten,
daß die
Rohdichte innerhalb eines Stammes durch den inhomogenen Aufbau des
Holzes erheblich schwanken kann. Der Erfinder hat herausgefunden,
daß gerade
durch diese Inhomogenität
einzelnen Resonanzen bei Multiresonanzpaneelen entgegengewirkt werden
kann.
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In diesem Zusammenhang wird auf die 9 und 10a verwiesen. 9 zeigt den Amplitudenfrequenzgang eines
Biegewellenwandlers nach dem Stand der Technik in einem Bereich
von ungefähr
250 Hz bis 20 kHz, genauer gesagt den Wandler Imago 80×60 cm von
vorn von Elac, bei dem Rohacell (Polymethacrylimid) als Kern zum
Einsatz gelangt. 10a zeigt
den Amplitudenfrequenzgang der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Abdeckung, wie
sie nachfolgend als bevorzugte Ausführung beschrieben wird, bei
der Messung von vorn im Bereich von ungefähr 350 Hz bis 20 kHz. Beim
Vergleich dieser Amplitudenfrequenzgänge wird deutlich, daß bei der
vorliegenden Erfindung in starkem Maße auch durch den Einsatz von
Leichtholz bedingt, die Welligkeit und der Abstand der Extremwerte
wesentlich verringert werden konnten.
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Die mittlere Rohdichte wird bei 12% – 15% Holzfeuchte
bestimmt und ist bei Leichtholz kleiner, gleich 550 kg / m3. Zu den Leichthölzern, die bei der vorliegenden
Erfindung zum Einsatz kommen können,
zählen
unter anderem Mahagoni mit einer mittleren Rohdichten von 490 kg/m3, Fichte mit einer mittleren Rohdichte von
470 kg /m3, Tanne mit einer mittleren Rohdichte
von 450 kg / m3, Pappel mit einer mittleren
Rohdichte von 450 kg / m3, Weide mit einer mittleren
Rohdichte von 450 kg / m3, Reedwood mit einer
mittleren Rohdichte von 420 kg / m3, Weymouths-Kiefer
mit einer mittleren Rohdichte von 400 kg / m3,
Red Cedar Western mit einer mittleren Rohdichte von 370 kg / m3, Abachi-Holz mit einer mittleren Rohdichte
von 370 kg / m3, Metasequoia-Holz (Chinesischer
Mammutbaum) mit einer mittleren Rohdichte von 330 kg / m3 und Balsaholz mit einer mittleren Rohdichte
von 70 kg / m3 – 260 kg / m3.
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Bei mittleren Rohdichten bis 400
kg/m3 wurden noch gute Ergebnisse erzielt,
in einem Bereich von 100 bis 200 kg/m3 gute
Ergebnisse.
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Das beste Ergebnis wurde mit Balsaholz
150 kg / m3 als Kernmaterial erzielt. Durch
die Verwendung von Stirn-, bzw. Hirnbalsaholz konnte die Druck-
und Zugfestigkeit in Anregungsrichtung von auf das Paneel aufgebrachten
Excitern, die unten erläutert
werden, noch wesentlich erhöht
werden.
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Insbesondere mit dem vorstehenden
genannten Stirnbalsaholz konnten folgende weitere Vorteile erzielt
werden:
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- a) Leichter Kern und damit ein hoher Wirkungsgrad
des Biegewellenwandlers
- b) Durch die sehr hohe Druck- und Zugfestigkeit in Anregungsrichtung
der Exciter/des Exciters werden selbst kleinste Energien im Hochtonbereich nicht
vom Kernmaterial geschluckt.
- c) Durch die Inhomogenität
des Leichtholzes wird ausgeprägten
Resonanzen entgegengewirkt.
- d) Durch die dämpfenden
Eigenschaften in Ausbreitungsrichtung der Biegewelle werden die
positiven und negativen Amplituden der Biegewelle vom Anregungsort
in Richtung des Randes vom erfindungsgemäßen Paneel immer kleiner. Somit erfolgt
ein zügigeres
Abklingen des Paneels, es werden ausgeprägte Resonanzen verringert und ein
Biegewellenwandler mit dem erfindungsgemäßen Paneel arbeitet auch unterhalb
der Koinzidenzfrequenz noch zu einen gewissen Teil als Biegewellenwandler.
Die Ursache dafür,
daß das Paneel
auch unterhalb der Koinzidenzfrequenz noch zu einen gewissen Teil
als Biegewellenwandler arbeitet, wird darin gesehen, daß die negativen
und positiven Amplituden vom Anregungsort in Richtung Rand immer
kleiner werden und somit unterhalb der Koinzidenz frequenz keine
komplette Auslöschung
(akustischer Kurzschluß)
der Amplituden auftritt.
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In diesem Zusammenhang wird auf die
Amplitude beim Impedanzfrequenzgang nach dem Stand der Technik von
ELAC nach 11 und die
Amplitude beim Impedanzfrequenzgang entsprechend der vorliegenden
Erfindung nach 12 verwiesen.
Wie aus diesen Fig. ersichtlich ist, sind bei der Amplitude nach
dem Stand der Technik die Resonanzen, die sich in Extremwerten mit
hohem Anstieg in der Umgebung äußern, z.B.
bei 350 Hz in 11, sehr
ausgeprägt.
Die Amplitude hat in 12 einen
relativ homogenen Verlauf.
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Das Wasserfalldiagramm (von vorn
gemessen) verbessert sich gegenüber
dem Stand der Technik von ELAC (13)
bezüglich
eines schnellen Abklingens insbesondere bei höheren Frequenz bei der vorliegenden
Erfindung wie in 14 gezeigt.
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Die verwendete Stärke des Stirnbalsaholz richtet
sich unter anderem nach der Größe des Paneels,
nach den Eigenschaften einer aufgebrachten Deckschicht, nach der
Stärke
und Art des Exciters zum Anregen der akustischen Vorrichtung und
nach dem bevorzugten Frequenzbereich bei der Wiedergabe. Bei den
weiter unten genannten Rohpaneelabmessungen ist eine bevorzugte
Stärke
des Stirnbalsaholzes 1,5 mm.
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Durch eine Imprägnierung des erfindungsgemäßen Kerns
mit vorzugsweise einem Porenfüller bewirkt,
daß Haftungsprobleme
von Deckschichten aufgrund der porösen Oberfläche des Kerns verhindert werden
und daß das
Aufsaugen von Deckschichten verbunden mit einem Verlust der dämpfenden
Eigenschaften in Laufrichtung der Biegewelle und eine Erhöhung des
Gewichts weitestgehend vermieden wird.
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Das Textilmaterial der Deckschicht
weist unter anderem Textilverbundstoffe, bevorzugte Gewebe oder/und
Vliese auf. Als Vliesmaterial können
beispielsweise Glasmatten eingesetzt werden. Bei den Geweben gelangen
bevorzugt GFK(Glasfaser)-Gewebe, AFK(Aramid)-Gewebe, Diolen(Polyester)-Gewebe,
Dyneema(Polyethylen)-Gewebe, Carbon-Aramid-Misch-Gewebe, Carbon-Glas-Misch-Gewebe und/oder
CFK(Carbon)-Gewebe zum Einsatz. Diese Geweben können beispielsweise mit einer
der folgenden Webarten verarbeitet sein: Leinwand, Körper, Atlas,
Scheindrehen, multiaxial (mehrere Schichten Gewebe mit unterschiedlichen
Winkellagen zueinander). Die Webrichtungen verwendeter Gelege kann
unidirektional oder bidirektional sein. Das Gewicht und die Stärke des
Textilmaterials hängt
von den Eigenschaften der anderen Bestandteile der akustischen Vorrichtung
ab.
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Gute Ergebnisse wurden mit Glasfasergeweben,
der Webart Leinen, bidirektional, d.h. in zwei Richtungen 90° versetzt,
bei ungefähr
58 g/m2 und bei einer Ausrichtung von ungefähr 45° bezüglich des rechteckigen
Kernmaterials, wie es in 2 dargestellt
ist, erzielt.
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Das Textilmaterial befindet sich
vorzugsweise in einem Harzsystem, um eine gute Verbindung zwischen
dem Textilmaterial und dem Kernmaterial herzustellen und um eine
gute Witterungs- und Alterungsbeständigkeit sicherzustellen. Mit
Polyesterharzen kann eine sehr gute chemische und thermische Beständigkeit
sichergestellt werden. Bei Verwendung von Vinylesterharzen konnten
gute Ergebnisse erzielt werden. Die besten Ergebnisse wurden mit
Epoxidharzen aufgrund der hohen Maßgenauigkeit bedingt durch
den geringen Schwund festgestellt. Bei der bevorzugten Ausführungsform
und den Rohabmessungen des Kernmaterials von bevorzugt 28,6 cm × 21,6 cm
wurden bei einer Auftragdicke von 7 bis 20 g pro Seite gute Ergebnisse
und bei ungefähr
9,5 g pro Seite die besten Ergebnisse erzielt.
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Alternativ zur Verwendung des Porenfüllers 2a, 2b kann
das Harz angedickt werden. Mit Mikrozellulosemehl oder Glasmehl
können
zufriedenstellende Resultate erzielt werden. Calziumcarbonat oder
Thixotropie-Mittel in Form eines Pulvers oder einer Paste liefert
gute Ergebnisse.
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Durch die Festlegung der Abmessung
des Paneels wird die Eigenmodendichte der Platte beeinflußt, d.h.
daß festgelegt
wird, wie nahe die Eigenmoden zusammenliegen.
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Zufriedenstellende Ergebnisse werden
bei einem Verhältnis
der Quer- zur Längsabmessung des
schallabstrahlenden Bereiches eines rechteckigen Paneels von 1:1
bis 1:8 erzielt, gute Ergebnisse bei einem Verhältnis von 1:1,2 bis 1:3 und
sehr gute Ergebnisse bei 1:1,378.
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Gute Ergebnisse wurden bei einer
Längsabmessung
des schallabstrahlenden Bereichs im Bereich von 25 bis 26 cm und
bei einer Querabmessung des schallabstrahlende Bereichs im Bereich
von 18 bis 19 cm erhalten. Für
den schallabstrahlenden Bereich des Paneels wurden sehr gute Ergebnisse
bei Abmessungen von 18,5 cm × 25,5
cm erzielt. Die Rohpaneelabmessungen betragen vorzugsweise 28,6 × 21,6 cm,
wodurch eine Masse des Kerns 1 inklusive Porenfüller 2a, 2b von
ungefähr
15 g erreicht wird. Für
derartige Abmessungen werden bevorzugt zwei Exciter mit den nachfolgend
dargestellten Positionen mit ungefähr 58 g Masse, 25 mmm Schwingspule
und die bevorzugten Rahmen und Dämmaterialien
verwendet.
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Auf dem vorstehend beschriebenen
Paneel, das in 3 mit "I" gekennzeichnet ist, ist zumindest ein
Exciter 5 zur Schwingungsanregung angeordnet. Dieses Exciter
ist so bemessen und wird in einer solchen Weise vorgesehen, daß eine gleichmäßige Anregung
der Eigenresonanzen (Eigenmoden) über den gesamten Frequenzbereich
des Paneels erfolgt. Dabei soll das Eigengewicht des Exciters zur
Resonanzdämpfung
verwendet werden.
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Die Anzahl der Exciter hängt von
der Größe des Multiresonanzpaneels,
von den Abmessungen des Paneels, vom Kernmaterial des Paneels, von
der Stärke
des Paneels, von der Art und den Eigenschaften der Deckschichten
des Paneels, von dem Gewicht des Paneels, vom Gewicht der/des Exciter
und von dem Schwingspulendurchmesser der Exciter ab. Exciterpositionen
sollten vorzugsweise nicht symmetrisch sein, da durch unsymmetrische
Anordnung der Exciter mehreren Eigenmoden angeregt werden können.
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Die beste Anregung des Paneels erfolgt
bei der Verwendung von zwei Excitern 5', 5'',
wie es in 4 in der Ansicht
des Paneels von hinten gezeigt ist. Die Positionen dieser Exciter 5', 5'' sind in x- und y-Richtung bezüglich des
Bezugspunktes "o" und bezüglich des
schallabstrahlenden Bereiches des Paneels in 4 wiedergegeben. Der erste Exciter 5' ist auf dem
Paneel von einer Ecke des schallabstrahlenden Bereichs vom Paneel
in einem Abstand von 41 bis 43 %, vorzugsweise im Bereich von 41,5
bis 42,5 %, bezüglich
der Querabmessung (x) des Paneels und von der genannten Ecke in
einem Abstand von 57 bis 59 %, vorzugsweise im Bereich von 57,5
bis 58,5 %, bezüglich
der Längsabmessung
(y) angeordnet. Der zweite Exciter 5'' ist
auf dem Paneel von der genannten Ecke in einem Abstand von 63,5
bis 65,5 % bezüglich
der Querabmessung (x) des Paneels und von der genannten Ecke in
einem Abstand von 38,5 bis 40,5 % bezüglich der Längsabmessung (y) angeordnet.
Die bevorzugten Werte für
den Exciter 5' liegen
bei 41,89 % bezüglich
der Querabmessung (x) und 58,04 % bezüglich der Längsabmessung (y) und für den Exciter 5'' bei 64,32 % für die Querabmessung (x) und
39,41 % bezüglich
der Längsabmessung
(y).
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Vorzugsweise haben die Exciter 5', 5'' eine Schwingspule von 25 mm und
ein Gewicht von ungefähr
58 g.
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In 4 ist
die Ausbreitungsrichtung der Biegewellen mit den Pfeilen A und B
wiedergegeben. Die Richtung der Anregungskraft des Exciters ist
mit Pfeil C wiedergegeben.
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Um zeitgleich abgestrahlte gegenphasige
Signale, insbesondere im Bereich oberhalb von 10 kHz, auszulöschen, wird
ein Gewicht zur Auslöschung
der störenden
Biegewelle unter dem Exciter verwendet. Dieses Gewicht ist in 3 mit dem Bezugszeichen 6 wiedergegeben
und wird nachfolgend als Puck, genauer Hochfrequenzpuck bezeichnet.
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Um ein optimales Ergebnis zu erzielen
muß ein
bestimmtes Verhältnis
der Puckmasse zur Paneelmasse in dem Bereich vom Paneel, der vom Puck
abgedeckt ist, vorliegen.
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Wenn das vorstehend genannte Verhältnis in einem
Bereich von 1:1 bis 1:10 liegt, werden zufriedenstellende Ergebnisse
erzielt; bei einem Bereich von 1:2 bis 1:5 werden gute Ergebnisse
erzielt. Das beste Ergebnis wird bei einem Verhältnis von 1:3,5 erzielt. Anders
ausgedrückt
hat der Hochfrequenzpuck beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
eine Masse von einem Gramm.
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Der Puckdurchmesser ist abhängig vom Schwingspulendurchmesser
des Exciters und von der Laufzeit der Biegewelle, die von den Materialeigenschaften
des Paneels bestimmt werden. Beste Ergebnisse wurden bei dem bevor zugten
Ausführungsbeispiel
des Paneels mit den vorstehend genannten bevorzugten Excitern mit
einem im wesentlichen zylinderförmigen
Hochfrequenzpuck erzielt, der einen Durchmesser von 16 mm und somit
unter Bezugnahme auf das Gewicht eine Höhe von 2 mm hat. Der Hochfrequenzpuck
wird direkt mittig unter den Exciter auf das Paneel geklebt und
ist vorzugsweise aus Gummi.
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Um eine Feinabstimmung der erfindungsgemäßen akustischen
Vorrichtung vorzunehmen, werden Gewichte von hinten auf das Paneel
geklebt. Dabei haben sich im bevorzugten Ausführungsbeispiel 3 Gewichte von
16 mm Durchmesser und 2 g Masse sowie ein Gewicht von 21 mm Durchmesser
und 16,6 g Masse als günstig
erwiesen.
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Obwohl vorstehend für das Paneel,
die Exciter, den Puck und die Gewichte zur Feinabstimmung bestimmte
Werte kumulativ als bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben
wurden, führt
bereits die Anpassung eines der Werte bei einer akustischen Vorrichtung
zu einem hör-
und meßbar
besseren Ergebnis.
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Nachfolgend werden der Rahmen und
die Einspannung des vorstehend beschriebenen Paneels in einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
beschrieben, wobei auf den Querschnitt in 5 Bezug genommen wird.
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Entsprechend 5 ist am Außenumfang des Paneels I und
benachbarten Bereichen an der Vor- und Rückseite des Paneels eine Schicht 7 aus vorzugsweise
geschlossenzelligem Kunstkautschuk (APTK) vorgesehen, über dem
sich vorzugsweise ein hohler Rahmen 9 mit im wesentlichen
kastenförmigen
Hohlprofil befindet, der einen Kautschuküberdeckungsabschnitt 9a zur
Vorderseite des Paneels I hin aufweist. Der Rahmen 9 ist
vorzugsweise ein Aluminiumrahmen, kann aber auch ein Holzrahmen,
ein Metallrahmen oder ein Rahmen aus einem anderen Leichtmetall
als Aluminium sein. Die Länge
des Kautschuküberdeckungsabschnitts 9a ist
vorzugsweise geringer als die Breite des Aluminiumrahmens benachbart
zur Hinterseite des Paneels. Die Dicke der Schicht 7 beträgt vorzugsweise
2 mm. Zur Mitte der Rückseite
des Paneels ist auf dem Paneel in Anlage mit der Kautschukschicht 7 und
dem Aluminiumrahmen 9, d.h. auf der Rahmeninnenseite, ein
Silikonauftrag mit im wesentlichen dreieckigen Querschnitt vorgesehen.
Im Aluminiumrahmen 9 befindet sich eine Körperschalldämpfungsmasse 10,
die vorzugsweise TEROPHON-112B von Henkel, NOISEX von DIETZ, NOISKILLER
von Rockford Fosgate ist und in den Aluminiumrahmen 9 gegossen
wird. Ruf den Aluminiumrahmen 9 ist ein Abdeckrahmen 11,
vorzugsweise eine mitteldichte Faserplatte, aufgebracht. Der Abdeckrahmen 11 kann
aber auch aus einem Kunststoff oder einem Metall sein. Der geschlossenzellige Kunstkautschuk 7 und
das Silikon 8 bilden im wesentlichen die Einfassung des
Paneels I.
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Durch den vorstehend beschriebenen
Aufbau wird ein Rahmen mit nur geringer Eigenresonanz, die schnell
abklingt bereitgestellt. Dieser ist verwindungssteif und besitzt
eine gewisse Trägheit, wodurch
eine Tieftonerweiterung stattfindet. Mit diesem Rahmen wird das
Paneel ungleichmäßig eingefaßt, wenn
die Paneelvorderseite mit der Paneelrückseite verglichen wird, so
daß eine
zu starke Kantenreflektion verhindert werden kann. Mit der Einspannung
wird das Paneel mit dem Rahmen im wesentlichen über das gesamte Frequenzspektrum
mit der gleichen Kraft gekoppelt, wobei die Einspannung witterungs-
und alterungsbeständig
ist.
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Diese Ergebnisse sind dadurch bedingt,
daß der
Rahmen und die Einfassung aus mehreren sich positiv beeinflussenden
Materialien bestehen.
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Vorzugsweise weist der Rahmen ein
bestimmtes Massenverhältnis
zum Paneel einschließlich
den Excitern und den Gewichten auf, um die Schallabstrahlung im
tieffrequenten Bereich zu verbessern. Die Masse des Paneels einschlißelich der aufgebrachten
Gewichte und des Exciters ist dabei die Bezugsgröße. Da die erfindungsgemäße akustische
Vorrichtung unterhalb der Koinzidenzfrequenz zumindest teilweise
als Kolbenstrahler arbeitet, ist eine gewisse Trägheit des Rahmens in Bezug
auf das Paneel notwendig.
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Das vorstehend genannte Massenverhältnis liegt
im Bereich von 1:0,5 bis 1:unendlich, vorzugsweise bis 1:10, wobei
die untere Grenze vorzugsweise 1:2 beträgt. Das beste Ergebnis wurde
erzielt, wenn das Massenverhältnis
1:5 beträgt.
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Zusammenfassend läßt sich aussagen, daß die Anhebung
des Tieftonbereiches unterhalb des Koinzidenzfrequenz durch die
Einspannung des Paneels in einen starren Rahmen mit den vorstehend beschriebenen
Parametern erreicht werden kann.
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Die Anwendung der vorstehend beschriebenen
Gestaltungen von Rahmen und/oder Einfassung ist nicht auf das erfindungsgemäße Paneel
beschränkt,
sondern kann bei einer beliebigen akustischen Vorrichtung zum Erzielen
der genannten Vorteile eingesetzt werden.
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Nachfolgend wird eine besondere Ausgestaltung
bei der hinteren Schallabstrahlung beschrieben. Dabei ist folgendes
zu berücksichtigen:
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Das Paneel strahlt sowohl nach vorn
als auch nach hinten Schall ab. Da die Exciter auf dem Paneel von
hinten fixiert sind, decken Sie einen gewissen Oberflä chenbereich
ab, wodurch ein Kammfilter entsteht. Die Art des Kammfilters hängt vom
Abstand der Exciter zum Paneel, von den Positionen der Exciter auf
dem Paneel und von der Größe der abgedeckten
Flächen
ab. Im Ergebnis wird eine starke Frequenzwelligkeit ab ungefähr 3 kHz
hervorgerufen. Es fallen dabei insbesondere schmalbandige, starke
Frequenzüberhöhungen im
Amplitudenfrequenzgang bei ungefähr
4 kHz und 10 kHz mit einer um ungefähr 10 dB höheren Amplitude auf.
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Zur Abhilfe wird das Paneel von hinten
mit einem bestimmten Abstand zum Paneel mit einem Material mit einer
bestimmten Öffnungsgröße abgedeckt (Prinzip
der Akustiklinse), wodurch wiederum ein Kammfilter erzeugt wird,
der dem durch die Exciter und die Gewichte auf dem Paneel erzeugten
Kammfilter entgegenwirkt.
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6 zeigt
eine Lochgitterplatte, vorzugsweise aus mitteldichten Fasermaterial,
die Öffnungen mit
einem bestimmten Durchmesser und mit vordefinierten Lochabständen aufweist
und die in einem bestimmten Abstand zum Paneel vorgesehen ist.
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Die 8a und 8b zeigen die Abdeckung des
Paneels von hinten durch Rahmen mit konzentrischen rechteckigen
Durchbrüchen
mit vordefinierter Größe und mit
einem bestimmten Abstand zum Paneel.
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Für
die vorstehend genannten bevorzugten Abmessungen des Paneels konnten
zufriedenstellende Ergebnisse mit konzentrischen Durchbrüchen von
16,5 cm auf 9,5 cm bis 4 cm auf 1 cm erzielt werden, konnten gute
Ergebnisse im Bereich von 22,5 cm auf 15,5 cm bis 16,5 cm auf 9,5
cm erreicht werden und konnten sehr gute Ergebnisse bei einem Verhältnis von
22,5 cm auf 15,5 cm erzielt werden. Der Abstand der Durchbrüche vom
Paneel sollte dabei im Bereich von 0,2 bis 10 cm und vorzugsweise im
Bereich von 1 bis 4 cm liegen. Am stärksten bevorzugt wird ein Abstand
von 1,2 cm.
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Die 8c und 8d zeigen kreisförmige Abdeckungen
mit vordefinierten Durchmessern und in einem vorbestimmten Abstand
zum Paneel von hinten über
den Excitern.
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Ferner werden Resonanzen durch ein
Dämmaterial
mit einer bestimmten Dicke und mit einem bestimmten Abstand zum
Paneel gedämpft.
Gute Ergebnisse wurde mit offenporigem Noppenschaum mit einer Dicke
von 3 cm erzeigtl. Es können
aber auch werden mehrere Dämmaterialien
mit vorbestimmten Dicken und Abständen zum Paneel eingesetzt
werden.
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Gute Ergebnisse bei der Dämmung liefern alle
faserigen oder offenporigen Dämmaterialien,
die bereits ab 1 kHz, vorzugsweise ab 2,5 kHz einen hohen Schallabsorptionsgrad
besitzen. Eine Kombination von mehreren Materialien zur Dämmung kann
z.B. folgende Kombination sein: drei Lagen Putzwolle mit einer Stärke von
je 1 mm und ein Lage BONDUM 800 mit einer Stärke von 20 mm.
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Die Verwendung von Dämmaterial
und die Erzeugung einer Akustiklinse werden vorzugsweise kombiniert.
Diese Kombination ist beispielhaft von der Paneelrückseite
aus betrachtet in 7 gezeigt. Dabei
werden mit den vorstehend bemessenen konzentrischen Durchbrüchen mit
dem beschriebenen Abstand zum Paneel bei einem Abstand des Dämmaterials
im Bereich von 0,2 bis 10 cm zufriedenstellende Ergebnisse, im Bereich
von 1 bis 4 cm gute Ergebnisse und bei 2 cm sehr gute Ergebnisse
erhalten.
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Die vorstehend beschriebene hintere
Schallabstrahlung kann auf beliebige akustische Vorrichtungen auch
ohne den vorstehend beschriebenen Rahmen, ohne die vorstehend beschriebene
Einspannung, ohne das vorstehend beschriebene Paneel sowie nur mit
einigen der vorstehend beschriebenen Eigenschaften angewendet werden.
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Mit dem vorstehend beschriebenen
Ausführungsbeispiel
konnten gegenüber
dem in 9 gezeigten Amplitudenfrequenzgang
von vorn nach dem genannten Stand der Technik von Elac bei der Erfindung
bei vorhandener Abdeckung von vorn der in 10a gezeigten Amplitudenfrequenzgang
und von hinten der in 10c gezeigte
Amplitudenfrequenzgang erzielt werden. Dabei fällt auf, daß gegenüber der hinteren Schallabstrahlung
ohne Rahmen und ohne Dämmaterial,
wie es in 10b gezeigt
ist, die Extremwerte bei 4k und 10k aus 10b durch die Abdeckung und das Dämmaterial
in 10c wesentlich verringert
werden können.
Die verringerten Werte in 10c ab
ungefähr
4 kHz um teilweise mehr als 10 dB ist nach hinten gewünscht.
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Bei der vorliegenden Erfindung können in
bekannter Weise Frequenzweichen zum Einsatz gelangen, beispielsweise
ein Hochpaß bei
160 Hz. Vorzugsweise werden die Frequenzen im Bereich der Koinzidenzfrequenz
von 700 Hz bis 1 kHz um bis zu 10 dB gedämpft. Diese Maßnahmen
dienen der Anpassung an das subjektive Schallempfinden.
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Die vorliegende Erfindung sieht somit
eine akustische Vorrichtung vor, die ein Paneel mit einem Kern aus
Leichtholz aufweist, auf den eine Beschichtung aus Harz und einem
Textilmaterial aufgebracht ist. Durch eine entsprechende Bemessung
des Paneels, durch die Anordnung von Excitern an vorbestimmten Orten
durch Verwendung von Hochfrequenzpucks mit einem bestimmten Größe- und
Massenverhältnis
durch Anbringen von Gewichten mit verschiedenen Größen und
Massen zur Feinabstimmung, durch die Einspannung des Paneels in
bestimmte Rahmen und durch das Vorsehen einer hinteren Abdeckung
mit konzentrischen Durchbrüchen sowie
das Aufbringen von Dämmaterial
erfolgt ein gleichmäßiges Aufbrechen über einen
breiten Frequenzbereich in Biegewellen und ein schnelles, gleichmäßiges, breitbandiges
Abklingen der Biegewellen.