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Dünnwandige luft- oder gasgefüllte Kanäle mit rechteckigem Querschnitt
Die Erfindung - - betrifft Luft- oder gasgefüllte Kanäle mit rechteckigem Querschnitt
aus dünnen, urporigen Platten-. Die Kanäle von lüftungs- oder Klimaanlagen und von
Abgasleitungen sowie die Zuleitungs- und Ableitungskanäle von Motorenprüfständen
sollen alle einen möglichst geringen Strömungswiderstand, aber zur Herabsetzung
aller Störgeräusche eine möglichst große Schalldämpfung haben. Die zur Luft- oder
Gasleitung dienenden Rohre mit kreisförmigem Querschnitt aus beliebigem Material
bewirken praktisch keine Dämpfung des sich in Längsrichtung in. ihrem Innern -ausbreitenden
Schalles. Für gemauerte Kanäle mit beliebigem Querschnitt gilt dasselbe. Kanäle
aus dünnen, uriporigen Platten, z. B. aus Stahlblech, haben bei mittleren und' hohen
Frequenzen eine nur geringe Schalldämpfung von einem oder wenigen zehnteln db je
Meter. Die Dämpfung ist um so kleiner, je größer der Kanalquerschnitt und je höher
die Frequenzen sind. Die Angaben in der Fachliteratur über die ebenfalls sehr kleine
Dämpfung bei tiefen Frequenzen in- solchen Kanälen sind falsch. Derartige Platten
verwendet der Gegenstand der Erfindung.
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Wegen der geringen Dämpfung in Lüftungskanälen jeder Art ist es erforderlich,
in die Rohr-bzw. Kanalführung spezielle .Schalldämpfer bzw. Dämpfungskanäle einzufügen.
Alle bekannten filterartigen Schalldämpfer oder mit porösen Materialien ausgekleideten
Absorptionsschalldämpfer haben wegen ihrer beschränkten Bautiefe eine zu tiefen
Frequenzen hin abfallende Dämpfung je Längeneinheit. Bei besonders großen Ansprüchen
an die Herabsetzung der Störlautstärke auch bei sehr tiefen Frequenzen, z. B. bei
Klimaanlagen von Theatern, Konzertsälen und Rundfunkstudios oder bei Kraftwerken
bzw. Heizwerken in der Nähe von Wohnhäusern, sind daher die Abmessungen der absorbierenden
Kulissen in .den Dämpfungskanälen und damit die Gesamtabmessungen dieser Kanäle
und die Kosten beträchtlich. Wenn der für die Dämpfungskanäle zur Verfügung stehende
Platz beschränkt ist, kann man manchmal mit den bisher bekannten Anordnungen die
erforderliche Dämpfung bei tiefen Frequenzen gar nicht erreichen.
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Experimentelle, bisher unveröffentlichte Untersuchungen des Erfinders
haben gezeigt, daß bei sehr tiefen Frequenzen eine Art Filterdämpfung des Schalles
in dünnwandigen Kanälen infolge des geringen Flächengewichtes der Wände vorhanden
ist, die bisher nur theoretisch vorhergesagt, in der Praxis aber kaum festgestellt
und nicht nutzbar gemacht worden war. In einem quadratischen Kanal aus 1 mm dickem
Stahlblech mit dem Querschnitt 1 # 1 m2' beginnt diese Filterdämpfung erst -bei.
der (oberen) Grenzfrequenz von etwa 25 Hz und steigt mit abnehmender Frequenz
schnell zu großen Werten an: Bei viel tieferen Frequenzen nimmt - sie wieder ab
und ist unterhalb der Eigenfrequenz der tiefsten Biegeeigenschwingung der Kanalwände
Null. Im vorliegenden Fall beträgt diese Eigenfrequenz (untere Grenzfrequenz) etwa
- $ Hz. Bei den angenommenen Kanalabmessungen tritt die Filterdämpfung also in einem
Frequenzbereich auf, der in der Praxis kaum von Interesse ist.
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Um die vorstehend beschriebene Filterdämpfung bei tiefen Frequenzen
in einem für die Praxis interessierenden Frequenzbereich nutzbar zu machen, weisen
Luft- oder gasgefüllte Kanäle mit rechteckigem Querschnitt aus dünsten, urporigen
Platten erfindungsgemäß einen Querschnitt mit Abmessungen im Verhältnis von mindestens
1:3 auf oder sind in zwei oder mehrere Teilkanäle mit einem solchen Querschnitt
aufgeteilt, die von eigenen, getrennten Außenwänden umgeben sind.
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Die neuen Kanäle haben den wesentlichen Vorteil, daß die obere Grenzfrequenz
des Bereiches, in dem die Filterdämpfung stark wirksam ist, sehr viel höher liegt,
als wenn die Kanaldimensionen gleich oder nur wenig voneinander verschieden sind.
Außerdem wird- die Größe der maximalen Dämpfung erheblich erhöht, da sie der oberen
Grenzfrequenz proportional ist. Der Vorteil schmaler Kanäle; und zwar eines einzelnen
Kanals oder mehrerer jeweils durch einen Zwischenraum voneinander getrennter Teilkanäle,
besteht darin, daß die tiefste Biegeeigenfrequenz, also die untere Grenzfrequenz
der Filterdämpfung, viel tiefer liegt als bei quadratischem Querschnitt. Der Frequenzbereich
der Filterdämpfung wird also gleichzeitig nach oben und unten erweitert.
Schmale
Kanäle sind zwar von anderen Dämpfungskanälen bzw. akustischen Filtern her bekannt.
Dort haben diese schmalen Kanäle aber eine völlig andere Wirkung als bei der Anordnung
nach der Erfindung. Es ist z. B. ein akustisches Filter bekannt (USA.-Patentschrift
2 299 212), das aus dicken, schweren, nicht schwingungsfähigen Platten besteht,
zwischen denen jeweils ein schmaler, hoher luftdurchströmter Kanal frei bleibt.
Die dicken Platten sind mit Nuten versehen. Die Kanäle sind bei tiefen und hohen
Frequenzen schalldurchlässig. In einem schmalen Frequenzbereich, etwa von 10 000
bis 13 000 Hz, wirken sie jedoch infolge der Nuten als Bandsperrpaß: Die untere
und die obere Grenzfrequenz des Sperrbereichs sind nur durch die Breite der Kanäle
und die Breite und Tiefe der Nuten gegeben. Die andere Abmessung der Teilkanäle
quer zur Strömungsrichtung der Luft, ihre Höhe, hat auf' die Lage der Resonanzfrequenz
und auf die Größe der Resonanzfrequenz und auf die Größe der Dämpfung in dem Sperrbereich
keinen Einfluß. -Wenn man die bekannten Kanäle durch beliebig viele waagerechte
Trennwände in zahlreiche, weniger hohe Einzelkanäle zerlegen würde, deren Höhe schließlich
nicht mehr groß gegen die Breite wäre, sonderngleich dieser oder sogar kleiner als
diese, wäre die akustische Wirkung des Kanals völlig ungeändert, denn die Eigenschaften
der ohnehin starren Platten werden dabei nicht beeinflußt. Bei den erfindungs= gemäß
gestalteten Kanälen wird dagegen die Frequenz der tiefsten Biegeeigenschwingung
der längeren Wand, die ausdünnen, unporigen, schwingungsfähigen Platten besteht;
bei Verdoppelung ihrer Länge auf ein Viertel herabgesetzt, bei einer Verdreifachung
auf ein Neuntel usw.. Da die Biegeeigenfrequenz gleichzeitig die untere Grenzfrequenz
der Filterdämpfung ist, wird der Frequenzbereich, in dem die Filterdämpfung wirksam
ist, außerordentlich vergrößert.
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Die obere Grenzfrequenz und damit die maximale Dämpfung werden erhöht
durch eine Verringerung der Masse der Kanalwand je Flächeneinheit. Die untere Grenzfrequenz
wird erniedrigt durch eine Verringerung der Dicke der Kanalwände und/oder eine Verkleinerung
der Schallgeschwindigkeit des Materials, aus der sie gefertigt sind. Es ist also
vorteilhaft, wie bereits bekannt, die Masse der Wände je Flächeneinheit durch geringe
Dicke und/oder geringe Dichte klein zumachen und/oder die Wände aus einem Material
mit einer geringen Schallgeschwindigkeit herzustellen.
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Die immer vorhandenen Resonanzen der Biegeschwingungen der Kanalwände
innerhalb des Frequenzbereichs, in dem die Filterdämpfung eintritt, setzt diese
bei einigen Frequenzen herab. Zur Vermeidung dieses Nachteils haben erfindungsgemäß
die Kanäle einen Querschnitt mit Abmessungen im Verhältnis von mindestens 1: 3 oder
sind in zwei oder mehrere Teilkanäle mit einem solchen Querschnitt aufgeteilt, die
von eigenen, getrennten Außenwänden umgeben sind. Die schalldämpfende Wirkung kann
gesteigert werden, wenn die Eigendämpfung der Kanalwände in bekannter Weise durch
einen außen oder innen aufgebrachten, ein- oder mehrschichtigen, porösen oder nicht
porösen Dämpfungsbelag erhöht wird.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung der Kanäle und ihre Wirkung wird an
Hand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Die F i g.
1 bis 5 zeigen verschiedene Kanäle mit jeweils gleicher Gesamtquerschnittsfläche.
Die Querschnittsabmessungen a1 und bi des Kanals nach F i g. 1 sollen gleich oder
ungefähr gleich sein. Dann ist die obere Grenzfrequenz bei gegebener Querschnittsfläche
am tiefsten und die untere Grenzfrequenz am höchsten. Diese Ausführung ist also
die akustisch ungünstigste.
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In F i g. 2 ist b erfindungsgemäß viel größer als a. Die obere Grenzfrequenz
und die maximale Dämpfung sind gegenüber F i g. 1 erhöht, die untere Grenzfrequenz
erniedrigt.
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Die Kanalhöhe bi und damit auch die untere Grenzfrequenz sind bei
den Fig. 1, 3 und 4 gleich. Die obere Grenzfrequenz und die maximale Dämpfung sind
aber bei F i g. 3 und besonders bei F i g. 4 höher als bei F i g.. 1.
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Die Unterteilung in mehrere quadratische oder nahezu quadratische
Teilkanäle nach F i g. 5 ist nicht so günstig, weil zwar die obere Grenzfrequenz
im Vergleich zu: Fig. 1 erhöht ist, gleichzeitig aber die untere Grenzfrequenz um
den Faktor 4 erhöht ist. Der Frequenzbereich der Filterdämpfung ist also schmal.
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F i g. 6 zeigt im Längsschnitt drei verschiedene Abschnitte eines
bombierten, d. h. mit einer Prägung versehenen, nicht zusätzlich gedämpften Kanals
aus 1 mm dickem Stahlblech mit jeweils gleicher Höhe und gleichem freiem Gesamtquerschnitt
400 X 400 mm2. Außerdem sind gemessene Werte der Dämpfung über der Frequenz aufgetragen.
Der mittlere Abschnitt des Kanals a enthält zwei Kulissen aus Fasermaterial mit
günstigem Strömungswiderstand. Im doppeltlogarithmischen Maßstab ist die Frequenzkurve
a der Dämpfung eine Gerade. Bei mittleren und hohen Frequenzen hat die Dämpfung
mit 10 db/m und mehr beträchtliche Werte. Bei tiefen Frequenzen ist die Dämpfung
nur sehr gering, z. B. 1 db/m bei 40 Hz. Der obere, quadratische Kanalteil b hat
einen: Verlauf der Dämpfung gemäß Kurve b. Die obere Grenzfrequenz beträgt ungefähr
65 Hz, die untere 20 Hz. Letztere würde ohne Bombierung des Kanals etwa 10 Hz sein,
was aber aus akustischen Gründen nicht erforderlich ist. Die Dämpfung wurde mit
Rauschen in Terzbreite gemessen, da diese Angaben für die Geräuschdämpfung in der
Praxis am wichtigsten sind. Mit reinen Tönen erhält man bei manchen Frequenzen höhere
Werte. Die Dämpfung ist von 25 bis 60 Hz größer als im ausgekleideten eigentlichen
Dämpfungsteil a. Oberhalb der Grenzfrequenz ist sie vernachlässigbar klein. Im unteren
Teil c ist der Kanal in vier Teilkanäle von je 100 mm Breite zerlegt. Die untere
Grenzfrequenz ist ungeändert, die obere fast um eine Oktave erhöht. Damit ist die
Dämpfung, Kurve c, bis zum Faktor 3,5 gegenüber der Kurve b erhöht. Sie würde weiter
um 50% und mehr steigen, also auf maximal .8 bis 9-db/m, wenn. der Kanal durch einen
schalldämpfenden Belag oder durch einen zweiteiligen Mantel gedämpft würde, der
innen aus weichem Fasermaterial und außen aus einer harten Deckschicht besteht.
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Die Kurve a -I- c zeigt, daß der ausgekleidete Dämpfungskanal zusammen
mit dem unterteilten Blechkanal, wenn man für beide Teile jeweils die gleiche Länge
annimmt, eine Dämpfung ergibt, die von 30 bis 300 Hz nur wenig von der Frequenz
abhängt.
Ein schmaler oder möglichst in mehrere schmale Teilkanäle
zerlegter dünnwandiger Kanal stellt also eine günstige Ergänzung des eigentlichen
Dämpfungskanals dar. Man kann so, falls erforderlich, bei tiefen Frequenzen auf
kurzer Strecke Dämpfungen erzielen, die man mit einem eigentlichen Dämpfungskanal
auch bei größter Dicke der absorbierenden Kulissen nicht oder nur mit viel größerem
Platz- und Geldaufwand erreichen kann.
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Die Filterdämpfung in den Kanälen ist dadurch begrenzt, daß der Schall
am lauten Kanalende in den umgebenden Raum austritt und am leisen Kanalende wieder
eintritt. Bei dem praktischen Beispiel gemäß F i g. 6 kann man nach den angestellten
experimentellen Untersuchungen mit einer maximalen Dämpfung im Kanalteil c (Pegelunterschied
von Anfang und Ende) von 20 bis 25 db (je nach der Dämpfung der Kanalwände) bei
Frequenzen bis 100 Hz rechnen, wenn die äquivalente Absorptionsfläche des Außenraums
10 m2 beträgt. Je Verdoppelung der Absorptionsfläche erzielt man 3 db mehr. Bei
höheren Frequenzen steigt die maximale Dämpfung. Genügt die so erreichbare Pegeldifferenz
nicht, muß man den Außenraum durch eine Trennwand teilen, durch welche der Kanal
dicht hindurchgeführt wird. Der Gewinn an erreichbarer Pegeldifferenz ist gleich
der Schalldämmung der Trennwand.