DE19640087A1

DE19640087A1 - Absorberelement

Info

Publication number: DE19640087A1
Application number: DE1996140087
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr Folchert; Thomas Dr Dodt; Dieter Dr Guicking; Fabian Evert
Original assignee: Continental AG
Current assignee: Continental AG
Priority date: 1996-09-28
Filing date: 1996-09-28
Publication date: 1998-04-02
Anticipated expiration: 2016-09-29
Also published as: DE19640087C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Absorberelement, wie es bei der Herstellung von Absorberplatten zur Absorption von Luftschall Verwendung findet, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Wichtige Eigenschaften sind Unempfindlichkeit gegen Feuchtigkeit, Schmutz und mechanische Beschädigung, sowie geringe Schichtdicke.

Absorberplatten spielen nicht nur bei der Motorkapselung und Fahrgeräuschdämpfung eine Rolle. Allgemeiner Hochbau, Konzert- und Studiosäle, Lüftungsschächte, Abschirmungen von Autobahnen sind weitere Anwendungsgebiete.

Breitbandabsorber

Aus porösen Materialien aufgebaute Keil- oder Pyramidenabsorber werden schon seit langem als breitbandige Absorber in der Raumakustik eingesetzt (z. B. DE-PS 8 09 599). Die Absorption beruht auf dem Strömungswiderstand der porösen Materialien, wobei diese Absorption erst durch die keil- bzw. pyramidenartige Formgebung des Absorbers zum Tragen kommt, da hierdurch ein nahezu reflexionsfreies Eindringen des Schalls in das Material gewährleistet ist. Diese Absorber absorbieren breitbandig, sind jedoch aufgrund ihrer porösen Oberfläche empfindlich gegenüber Verschmutzungen und besitzen eine grobe Schichtdicke. Für eine untere Grenzfrequenz von 500 Hz ergibt sich eine Bautiefe von etwa 20 cm.

Einkreisresonanzabsorber (Resonanzabsorber mit zwei Reaktanzelementen)

Resonanzabsorber mit zwei Reaktanzen lassen sich vereinfacht als mechanische Parallelschaltung einer Masse, einer Feder und einer Dämpfung darstellen. Für die Aussagen dieses Abschnitts seien Resonanzabsorber zugrundegelegt, bei welchen die Federung ausschließlich durch die akustische Federung der Luft in einem Hohlraum gegeben ist, wie z. B. beim Helmholtzresonator oder Folienabsorber mit locker eingespannter Folie. Die Absorption beruht im Fall des Helmholtzresonators auf dem Strömungswiderstand in der Querschnittsverengung (viskose Dämpfung) oder z. B. beim Folien- bzw. Plattenabsorber auf der inneren Dämpfung des verwendeten Materials der akustischen Masse oder ihrer elastischen Aufhängung. Reichen diese Dämpfungsmechanismen nicht aus, um den reellen Widerstand in der Resonanz an den Wellenwiderstand der Luft (ρc) anzupassen, kann die Dämpfung durch Anbringen von zusätzlichem Dämpfungsmaterial erhöht werden.

Helmholtzresonatoren werden aufgrund der meist im Bereich des Halses eingebrachten porösen Dämpfungsmaterialien den Anforderungen an Feuchtigkeits- und Schmutzunempfindlichkeit, wie sie für den zu entwickelnden Absorber gefordert werden, nicht gerecht. Dieses Problem ergibt sich bei Folienabsorbern nicht, da hier die Dämpfung zum einen durch die innere Dämpfung des Folienmaterials selbst gegeben ist und zum anderen poröse Zusatzdämpfungen im Bereich des Rückvolumens angebracht werden können, wobei die Folie (akustische Masse) gleichzeitig eine schützende Komponente darstellt.

Bezugnehmend auf das Anforderungsprofil des zu entwickelnden Absorbers sind diese Absorber trotzdem ungeeignet, da sie nur in einem sehr begrenzten Frequenzbereich absorbieren. Die geringe Bandbreite läßt sich zwar durch die Verwendung kleiner Massen und größerer Rückvolumina erhöhen, diesem Vorgehen sind jedoch durch die Festigkeitsanforderungen an die Folie gegenüber mechanischen Belastungen und dem Wunsch nach geringen Schichtdicken enge Grenzen gesetzt. Vielmehr ist die geringe Bandbreite ein prinzipielles Problem dieser Aufbauten, da sie nur eine Resonanz (Nullstelle der Reaktanz) aufweisen.

Zweikreisresonanzabsorber

Zweikreisresonanzabsorber sind für Wasserschall seit langem bekannt. Der Aufbau eines solchen Elements ist z. B. von Brendel et al. beschrieben (Acustica (69) S. 260). "Der Vorteil von Wasserschall-Resonanzabsorbern gegenüber Keilabsorbern liegt, wie schon mehrfach dargestellt wurde, in der geringen Schichtdicke. Während diese bei Keilabsorbern größer als die halbe Wellenlänge oder mit ihr vergleichbar sein muß, genügt bei Resonanzabsorbern eine Schichtdicke, die ein bis zwei Größenordnungen kleiner ist als die halbe Wellenlänge. Der Nachteil von Resonanzabsorbern liegt dagegen in einer kleineren Frequenzbandbreite, jedoch können bei der Verwendung von Zweikreisresonanzsystemen durchaus befriedigende Ergebnisse erzielt werden", (Siebrasse, Acustica (70) S. 251, mit weiteren Nachweisen).

Eine detaillierte Beschreibung von Wasserschallabsorbern erübrigt sich an dieser Stelle, da sich der Aufbau von solchen Wasserschallabsorbern wegen akustischer Anpassungsschwierigkeiten nicht ohne erfinderisches Zutun auf die Erfordernisse für Luftschallabsorber übertragen läßt.

Zur Absorption von Luftschall sind - entsprechend der Patentanmeldung DE 195 33 623.2 - ein akustischer Serien- und ein akustischer Parallelkreis miteinander gekoppelt. Dabei ist der Serienkreis ein Helmholtzresonator, der aus einem Hohlkörper mit einem Luftvolumen und einer Querschnittsverengung als Öffnung besteht. Der Parallelkreis besteht aus einer Parallelschaltung einer akustischen Feder mit einer akustischen Masse. Diesem Parallelkreis ist ein Luftvolumen vorgeschaltet. Der Hals des Serienkreises ist gegenüber dem Außenraum mit einem Dämpfungsmaterial abgedeckt. Für die Wirksamkeit des Serienkreises ist es erforderlich, daß der Hals dieses Serienkreises gegenüber dem Außenraum mit einem Dämpfungsmaterial abgedeckt ist. Das Dämpfungsmaterial ist feuchtigkeits- und schmutzempfindlich.

Schließt man einen Folienabsorber nicht schallhart ab, sondern mit einem zweiten Folienabsorber, so erhält man ein gekoppeltes Resonanzsystem mit vier Reaktanzelementen und drei Resonanzen. Durch optimale Anpassung der Massen, Federungen und Dämpfungen kann man in der Impedanzebene eine Schleife um ρc erzeugen, wodurch die Anpassung an den Wellenwiderstand der Luft und damit eine gute Absorption über einen breiten Frequenzbereich gewährleistet ist (Fuchs/Zha, Bauphysik 16 (3) (1994) 69-80). Nachteilig bei dem kaskadierten Zweifolienabsorber ist, daß die flächenbezogene Masse der Frontfolie sehr klein sein muß, um eine wirksame Schallabsorption zu erzielen. Eine dünne Folie ist aber empfindlich gegen mechanische Beschädigungen, so daß sich solche Absorber nur in geschützten Umgebungen einsetzen lassen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen feuchtigkeits- und schmutzunempfindlichen Zweikreisresonanzabsorber für Luftschall zu beschreiben, der außerdem robust ist gegen mechanische Beschädigungen.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in Patentanspruch 1 genannt. Eine vorteilhafte Weiterbildung ergibt sich aus Anspruch 2.

Erfindungsgemäß ist die vordere Masse eines kaskadierten Zweikreisabsorbers nicht durch eine Folie, sondern wie bei einem Helmholtzresonator durch die Luft in einer Querschnittsverengung zu realisieren. Ähnlich wie bei dem Zweifolienabsorber muß auch bei dem Resonanzabsorber mit vorgeschaltetem Hohlkörper in die Eingangsebene keine zusätzliche Dämpfung eingebracht werden, so daß auch unter diesem Gesichtspunkt eine Folie als Schutz vor Feuchtigkeit und Schmutz nicht notwendig ist.

Insgesamt läßt sich der erfindungsgemäße Zweikreisresonanzabsorber durch die folgenden vorteilhaften Eigenschaften charakterisieren:

- Die Absorption erfolgt in einem relativ breiten Frequenzband;
- die Abmessungen sind kompakt (geringe Schichtdicke);
- die Absorptionseigenschaften werden durch Feuchtigkeit und Verschmutzungen wenig beeinträchtigt;
- eine Verschmutzung der offen zugänglichen Materialien kann die Wirksamkeit des Absorbers nicht beeinträchtigen;
- der Resonanzabsorber mit vorgeschaltetem Hohlkörper ist robust und unempfindlich gegenüber mechanischen Belastungen;
- bei starker Verschmutzung läßt sich die akustische Wirksamkeit des Absorbers leicht wiederherstellen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Abbildungen näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen, geschlossenen Resonanzabsorber mit vorgeschaltetem Helmholtzresonator;

Fig. 2 die Bewertung eines solchen Absorbers (500 Hz-1500 Hz);

Fig. 3 die Impedanz des Gesamtsystems: Messung (-), Simulation (-.-);

Fig. 4 den Betrag des Reflexionsfaktors des Gesamtsysteme: Messung (-), Simulation (-.-);

Fig. 5 den Aufbau eines geschichteten Folienabsorbers; und

Fig. 6 die Bewertung des geschichteten Folienabsorbers (500 Hz-1500 Hz).

Der in der Fig. 5 dargestellte Zweikreisresonanzabsorber 2 ist ein sogenannter geschichteter Folienabsorber. Er besteht aus einem ersten 4 und einem vorgeschalteten zweiten Folien-Resonanzabsorberkreis 14. Der erste Absorberkreis 4 hat einen ersten Hohlraum 6 mit einem ersten Luftvolumen 8. An der Rückseite weist der erste Hohlraum 6 einen schallharten Abschluß 32 auf. Die Vorderseite des Hohlraums 6 hat eine Öffnung 10, die mit einer ersten Folie 12 abgedeckt ist. Diese erste Folie 12 bildet gleichzeitig die "Rückwand" des vorgeschalteten zweiten Folien-Resonanzabsorberkreises 14, der im wesentlichen aus einem mit einem zweiten Luftvolumen 18 gefüllten zweiten Hohlraum 16 besteht, dessen vordere Öffnung 20 mit einer zweiten Folie 22 abgedeckt ist.

Die Impedanz des geschichteten Folienabsorbers läßt sich schrittweise vom schallharten Abschluß bis zum Eingang des Absorbers mittels der Impedanztransformation berechnen.

In Fig. 5 sind in den Aufbau die einzelnen Impedanzebenen für die folgende Berechnung eingezeichnet.

Z₁ ergibt sich als Eingangsimpedanz eines schallhart abgeschlossenen Rohres der Länge l₁;

Z₁ = -iZ₀cot(kl₁) (1).

Z₂ berechnet sich als Parallelschaltung von M₁ und R₁ (Masse und Dämpfung der Folie 12) zu Z₁:

Z₂ = R₁ + iωM₁ + Z₁ (2).

Transformiert man Z₂ über die Strecke l₂, so ergibt sich Z₃:

Z₃ = Z₀[-icot(ωl₂/c) (Z₂/Z₀) + 1]/[-icot(ωl₂/c) + Z₂/Z₀] (3).

Um die normierte Eingangsimpedanz des Absorbers zu erhalten, ist noch die Folie 22 am Eingang zu berücksichtigen:

Z = (R₂ + iω)M₂ + Z₃)/Z₀ (4).

Die sechs freien Parameter dieses Modells lassen sich z. B. mittels numerischer Optimierungsverfahren so anpassen, daß in einem vorgegebenen Frequenzintervall (z. B. von 500 Hz-1500 Hz) der Mittelwert des Betrages des Reflexionsfaktors minimal wird. Für den genannten Frequenzbereich ergibt sich für die äußere akustische Masse (Folie 22 in Fig. 5) ein optimaler Wert von 47 g/m². Diese Flächenmasse ist sehr gering, ein Material mit dieser Flächenmasse weist keine hinreichende mechanische Stabilität auf. Aus diesem Grund empfehlen sich weitere Optimierungen, um die Absorption in Abhängigkeit von einer jeweils fest vorgegebenen Mindestflächenmasse (M₂) der äußeren Folie 22 bewerten zu können. Für die Masse (M₁) der inneren Folie 12 braucht kein Mindestwert vorgegeben zu werden, da sie mechanischen Belastungen nicht ausgesetzt ist. In Fig. 6 ist das Ergebnis dieser Optimierung dargestellt.

Die optimale Masse der vorderen Folie 22 beträgt 47 g/m², wodurch das Ergebnis der Optimierungen bis zu dieser Mindestmasse als Vorgabe nahezu konstant ist. Die Dämpfung des Gesamtsystems wurde bei allen Optimierungsergebnissen ausschließlich durch die hintere Folie 12 realisiert (R₂ = 0).

Man entnimmt Fig. 6, daß sich mit einer robusten Folie von z. B. 200 g/m² ein mittlerer Reflexionsfaktor unter 40% nicht erreichen läßt.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau des erfindungsgemäßen Resonanzabsorbers mit vorgeschaltetem Helmholtzresonator 24.

Diese Ausführungsform stellt ebenfalls einen Zweikreisresonanzabsorber 2 dar, der ebenfalls aus einem (ersten) Folien-Resonanzabsorberkreis 4 besteht, dem aber nicht ein zweiter Folien-Resonanzabsorberkreis 14, sondern ein Helmholtzresonator 24 vorgeschaltet ist. Der Helmholtzresonator 24 weist einen (weiteren) Hohlraum 28 mit einem (weiteren) Luftvolumen 26 auf. Auch hier bildet die (erste) Folie 12 des (ersten) Folien- Resonanzabsorberkreises 4 gleichzeitig die Rückwand des vorgeschalteten Helmholtzresonators 24. An der Vorderseite ist der Helmholtzresonator 24 nicht mit einer (zweiten) Folie sondern mit einer halsförmigen Einschnürung 30 "abgeschlossen".

Im hinteren Hohlraum 6 kann ein zusätzliches Dämpfungsmaterial 34 angebracht werden, vorzugsweise dicht hinter der ersten Folie 12, aber so weit entfernt, daß die Folie 12 auch bei starken Schallschwingungen nicht gegen das Dämpfungsmaterial 34 schlägt.

Für die durchgeführten Experimente wurde ein rotationssymmetrischer Aufbau mit einem Durchmesser von 10 cm gewählt, da die Absorptionseigenschaften in einem Impedanzmeßrohr mit diesem Durchmesser bestimmt werden sollten. Die Wahl der Geometrie hat keinen Einfluß auf das Absorptionsverhalten, muß jedoch bei der Impedanzberechnung durch eine geometriespezifische Berechnung der Massenkorrekturen berücksichtigt werden.

Bis zur eingezeichneten Impedanzebene Z₃ ist die Rechnung analog zur Impedanzberechnung für den geschichteten Folienabsorber:

Z₁ = -iZ₀cot(kl₁) (5)
Z₂ = R + iωM + Z₁ (6)
Z₃ = Z₀[-icot(ωl₂/c) (Z₂/Z₀) + 1] / [ωicot(ωl₂/c) + Z₂/Z₀) (7).

Hierbei bezeichnen M und R die flächenbezogene Masse bzw. Dämpfung der Folie 12, Platte oder Membran. Die Impedanz Z₄ ergibt sich unter Berücksichtigung der Schnelletransformation und der innen mitschwingenden Mediummasse (Massenkorrektur) m_i zu:

Z₄ = Z₃(b₁/b₂)² + iω)m_i (8).

Um die Impedanz am Halseingang 30 zu bestimmen, kann man die Masse des im Hals 30 befindlichen Luftvolumens 36 berechnen und diese Massenimpedanz zusammen mit der äußeren Massenkorrektur zur Impedanz Z₄ addieren. Hierbei setzt man jedoch voraus, daß die eingeschlossene Luft reine Massenwirkung zeigt, (gleichphasige Schwingung über der gesamten Halslänge). Aus diesem Grund wurde statt dessen die Impedanztransformation verwendet. Transformiert man die Impedanz Z₄ über die Leitung der Länge t, ergibt sich für Z₅:

Z₅ = Z₀(-icot(ωt/c)(Z₄/Z₀) + 1]/[-icot(ωt/c) + Z₄/Z₀] (9).

Transformiert man nun unter Berücksichtigung der Mediummasse m_a wieder auf den Meßrohrquerschnitt, so erhält man als normierte Eingangsimpedanz des Systems:

Z = (b₂/b₁)² (Z₅ + iωm_a)/Z₀ (10).

Für eine optimale Einstellung des Absorbers 2 müssen somit sechs freie Parameter (M, R, l₁, l₂, t und b₁/b₂) so angepaßt werden, daß die Absorption im gewünschten Frequenzintervall maximal wird.

In Fig. 2 ist das Ergebnis der schon für den geschichteten Folienabsorber durchgeführten Optimierungen zur Bewertung dieses Systems aufgetragen. Vergleicht man dieses Ergebnis mit Fig. 6, so zeigt sich, daß der Mittelwert vom Betrag des Reflexionsfaktors beim erfindungsgemäßen Absorber mit zunehmender Mindestmasse der Folie wesentlich schwächer ansteigt als beim geschichteten Folienabsorber. Es können somit schwerere und stabilere Materialien verwendet werden als beim geschichteten Folienabsorber, ohne daß sich schlechtere Absorptionseigenschaften ergeben.

Die Theorie läßt für den erfindungsgemäßen Absorber also entscheidende Vorteile erwarten. Um die Gültigkeit dieser Aussagen auch praktisch verifizieren zu können, wurde anhand der aus den Optimierungen gewonnenen Daten ein Modell gefertigt. Hierbei wurde bei den Optimierungen jedoch nicht der Frequenzbereich von 500 Hz bis 1500 Hz fest vorgegeben. Vielmehr wurde der Algorithmus so geändert, daß nach Vorgabe eines maximalen Reflexionsfaktors |r|_max und einer unteren Grenzfrequenz f_min die Bandbreite maximiert wird. Fest vorgegeben wurde hierbei die Masse der Folie 12 (M = 212 g/m²). Die obere Grenze des Reflexionsfaktors war bei dieser Optimierung |r| = 0,3, und als untere Grenzfrequenz wurde f_min = 500 Hz gesetzt. Als Bandbreite ergab sich bei dieser Optimierung 500 Hz-1300 Hz. Die optimale Dämpfung konnte nicht allein durch die Verluste in der verwendeten Folie 12 realisiert werden. Daher wurde zusätzlich Dämpfungsmaterial 34 in das Rückvolumen 8 des Folienabsorbers 4 eingebracht. Ob und in welchem Maße dies notwendig ist, hängt von den Eigenschaften der verwendeten Folie 12, Platte (allg.: des als akustische Masse wirksamen Materials) ab.

In den Fig. 3 und 4 sind die Eingangsimpedanz und der Reflexionsfaktor des Absorbers 2 dargestellt. Die Eingangsimpedanz zeigt die im letzten Abschnitt erwähnte Schleife in der Nähe von ρc, welche zu einer breitbandigen Absorption mit einem Reflexionsfaktor unter 30% in einem Frequenzbereich von 1,4 Oktaven führt. Die gleichzeitig aufgetragenen Simulationsergebnisse (gestrichelt) beinhalten genaue Berechnungen der Massenkorrekturen, wie sie sich für diese Geometrie ergeben. Diese sollen hier nicht dargestellt werden. Die gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Messung zeigt jedoch, daß die bestehende Theorie hinreichend genau ist, um das System zu beschreiben und daher auch für den jeweiligen Einsatzbereich numerisch optimal anpassen zu können. Die Schichtdicke des Modells beträgt nur 8,2 cm bei einer unteren Grenzfrequenz von 500 Hz. Die Meßergebnisse sind natürlich nur als Beispiel zu verstehen. So lassen sich z. B. durch den Einsatz leichterer Folienmaterialien noch bessere Absorptionseigenschaften erreichen. Die genaue Abstimmung der einzelnen Parameter muß im Hinblick auf den geplanten Anwendungsbereich vorgenommen werden.

Bezugszeichenliste

2 Zweikreisresonanzabsorber (Zweikreisabsorberelement)
4 (erster) Folien-Resonanzabsorber(kreis)
6 (erster) Hohlraum
8 (erstes) Luftvolumen
10 Öffnung des (ersten) Hohlraums
12 (erste) Folie
14 (zweiter) Folien-Resonanzabsorber(kreis)
16 (zweiter) Hohlraum
18 (zweites) Luftvolumen
20 Öffnung des (zweiten) Hohlraums
22 (zweite) Folie
24 Helmholtzresonator
26 Luftvolumen des Helmholtzresonators (weiteres Luftvolumen)
28 Hohlraum des Helmholtzresonators (weiterer Hohlraum)
30 halsförmige Einschnürung
32 schallharter Abschluß
34 Dämpfungsmaterial
36 im Hals befindliches Luftvolumen

Claims

1. Element einer aus Zweikreisresonanzabsorbern (2) bestehenden Absorberplatte - zur Absorption von Luftschall -, mit einem (ersten) Folien-Resonanzabsorberkreis (4), der aus der mechanischen Parallelschaltung eines in einem ersten schallharten Hohlraum (6) befindlichen ersten Luftvolumens (8) als eine erste Feder und einer über eine Öffnung (10) des ersten Hohlraums (6) gespannten und als gedämpfte erste Masse dienenden viskoelastischen Folie (12) besteht, und mit einem weiteren (zweiten) Resonanzabsorberkreis, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite (weitere) Resonanzabsorberkreis ein dem (ersten) Folien-Resonanzabsorberkreis (4) vorgeschalteter Helmholtz-Resonator (24) ist,
mit einem weiteren, ein weiteres Luftvolumen (26) umschließenden Hohlraum (28), der mit einer halsförmigen Einschnürung (30) zur Umgebung hin "abgeschlossen" ist,
wobei wiederum die (erste) Folie (12) des (ersten) Folien- Resonanzabsorberkreises (4) als Koppelglied zwischen dem ersten (4) und dem Helmholtz-Resonator (24) wirkt.

2. Zweikreisabsorberelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den ersten Hohlraum (6) des ersten Folien- Resonanzabsorberkreises (4) ein - zur viskoelastischen Folie (12) zusätzliches - Dämpfungsmaterial (34) eingebracht ist.