DE19802359A1 - Elemente mit negativer Federkonstanten zur Schall- und Schwingungsbekämpfung - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung sind Elemente mit negativer Federkonstante, die an Strukturen angebracht, deren Schallabsorption und Schalltransmission erhöhen und auch in der Lage sind, den Körperschall zu reduzieren. Ein bekanntes Mittel mit dem negative Federkonstanten realisiert werden können ist die Tellerfeder.

Bei Bauteilen, Strukturen und Wänden reichen die natürlichen Eigenschaften meist nicht aus ein gefordertes Lärmlimit einzuhalten. Aus diesem Grund sind die sekundären Schallschutz­ mittel notwendig. Beispiel für sekundäre Luftschallabsorption sind die Faserstoffe. Nachtei­ lig ist deren Platzbedarf, deren mechanische Empfindlichkeit, deren ungenügende Reini­ gungsfähigkeit und deren Entsorgung als Sondermüll. Das Standamittel zur sekundären Körperschallbekämpfung ist der Antidröhnbelag, Anbringung, Alterung, Brennbarkeit und Entsorgung sind auch hier problematisch.

Aufgabe der Erfindung ist es, mit Elementen mit negativer Federkonstanten die Schwin­ gungseigenschaften von Maschinen, Wänden, und Bauteilen so zu beeinflussen, daß deren Dämpfung und Transmission ausreicht, in einem gewünschten Frequenz- und Ortsbereich eine Luft- und/oder Körperschallverbesserung zu erreichen.

Zur Vereinfachung der Beschreibung soll zunächst vereinbart werden, daß die erfindungsge­ mäßen "Elemente mit negativer Federkonstanten im Arbeitsbereich" im folgenden mit "Negativfeder" bezeichnet werden sollen. Im Gegensatz zu den konventionellen Federn mit positiver Federkonstanten hat die Negativfeder eine mit dem Federweg abnehmende Rück­ stellkraft und ist in diesem Zustand instabil.

Nach dem funktionalen Hauptmerkmal der Erfindung werden Negativfedern an eine Struktur kraft- und/oder momentschlüssig angebracht. Die Addition der negativen Federkonstanten mit der natürlichen, positiven Federkonstanten der Struktur reduziert die dynamische Steifigkeit und verlagert die Strukturresonanzen in in einen tieferen Bereich. Damit können insbesondere die schwer beherrschbaren tieffrequenten Lärmanteile reduziert werden. Im allgemeinen Fall werden die Negativfedern so bemessen, daß eine stabile Reststeifigkeit besteht.

Im weiteren lassen sich mit Negativfedern folgende Erfindungsmerkmale zur Beeinflussung von Luft-, Hydro- und Körperschall herstellen:
Mit Negativfedern kann der Impedanzsprung an der Kontaktstelle unterschiedlicher Struktu­ ren eingestellt werden. Eine Negativfeder an der impedanzhöheren Struktur baut den Sprung ab und schafft bei Impedanzgleichheit freien Schwingungsabfluß. Umgekehrt erhöht eine Negativfeder an der impedanzschwächeren Struktur den Impedanzsprung und damit die Dämmung.

An Strukturstellen mit lokalen Impedanzminimas angebrachte Negativfedern erhöhen dort die Schwingungsausschläge und wirken wie Schwingungsattraktoren. Mit gleichzeitig dort ange­ brachten Schwingungsabsorbern lassen sich damit Schwingungssenken mit irreversibler Ab­ fuhr von Schwingungsenergie realisieren.

Im weiteren eignen sich Negativfedern zur Herstellung von reflexionsfreien Abschlüssen an Strukturen. Bei einem Balken z. B. werden dazu in Balkenrichtung mehrere Negativfedern mittels einer Dämpfungsschicht angebracht. Eine solche Anordnung wirkt wie ein Impedanz­ transformator der die Schwingungsausschläge vergrößert und die Wellengeschwindigkeit verlangsamt. Zusammen mit der Dämpfungsschicht ergeben beide Effekte eine raschere Ab­ sorption.

Der Erfindungsgegenstand ist anhand von mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt.

Fig. 1 bis 7 Negativfedern

Fig. 8 bis 11 Negativfedern zur Transmission und Absorption von Luft- und Hydroschall

Fig. 12 und 13 Negativfedern zur Fortleitung, Dämpfung und Dämmung von Körperschall

Zur Beschreibung werden folgende Bezeichnungen vereinbart. (X = Nummer der Figur.):
X0 = Negativfeder. X1, X2 = Bestandteile einer Negativfeder. X3 = Justiervorrichtung, X4, X5 = Befestigung. X6 = Struktur. X7 = Schwingungsmode.

Fig. 1a stellt eine Negativfeder 10 in Explosivdarstellung und Fig. 1b im Einbauzustand dar. Diese besteht aus zwei Tellerfedern 11 und 12 mit einer negativen Federkonstanten, die durch die Verbindung 14 zusammengekoppelt sind. An eine Struktur 16, z. B. Karosserie, ange­ bracht, wird im Innenbereich der Negativfeder 10 eine Schwingungsmode 17 fixiert. Über die Federkonstante der Negativfeder 10 kann die Eigenfrequenz der Schwingungsmode 17 einge­ stellt und insb. herabgesetzt werden. Sind die beiden Tellerfedern 11 und 12 gleich und spie­ gelbildlich, so hat die Negativfeder 10 im Nullzustand keine Vorlast.

In Fig. 2 ist der allgemeine Fall einer Negativfeder 20 mit zwei Tellerfedern 21 und 22 ver­ bunden durch einen elastische Keilring 23 dargestellt. Der Keilring 23 kann (durch hier nicht eingezeichnete Schrauben) verformt werden, so daß sich damit sowohl die Federkonstante als auch die Vorlast der Negativfeder 20 eingestellt werden kann. Diese ist wieder an eine Blech­ struktur 26 kraftschlüssig angebracht und fixiert eine Schwingungsmode 27.

In Fig. 3 wird die Negativfeder 30 durch einen Schrumpfring gebildet und ist durch eine Löt- Schweiß- oder Klebeschicht 34 an der Struktur 36 befestigt. Vor der Befestigung hat die Ne­ gativfeder 30 eine Übertemperatur bzw. ist durch eine Radialkraft aufgeweitet. Nach der Ab­ kühlung bzw. nach Aufhebung der Radiallast steht die Modenfläche 37 unter einem zentripe­ dalem Druck der die Eigensteifigkeit und damit auch die Resonanzfrequenz der Modenfläche 37 herabsetzt.

In Fig. 4 ist eine Negativfeder 40 direkt in die Strukturfläche 46 integriert. Dies wird durch Schichten 41 und 42 mit unterschiedlichen Materialspannungen erreicht. Eine solche schich­ tenabhängige Spannungsverteilung läßt sich durch Oberflächenbehandlung wie z. B. Kugel­ strahlen und Jonenimplantation erreichen. Mit einer ringförmigen Spannungsstruktur wie sie in den Negativfedern 10 oder 20 besteht, lassen sich damit Schwingungsmoden 47 fixieren und deren Resonanzen einstellen. Mit flachendeckenden vier- oder sechseckigen Modenflä­ chen 47 läßt sich damit die gesamte Oberfläche der Struktur 46 nutzen.

In Fig. 5 ist die teilweise Integration von Negativfedern 50 in eine Wandfläche 56 dargestellt. Dazu sind in die Wandfläche 56 Wölbungen 51 eingeprägt die über die Verbindungsschicht 54 mit Tellerfedern 52 gekoppelt sind. Dadurch werden Schwingungsmoden 57 fixiert deren Eigenfrequenzen über einen Frequenzbereich verteilt eingestellt werden. Bei Beaufschlagung durch Schall kann damit eine breitbandige Transmission und Absortion durch die Wandfläche 56 erreicht werden. Anstelle von einzelnen Tellerfedern 52 lassen sich diese auch in eine zu­ sammenhängende Blechfläche integrieren. Um mit einem Prägewerkzeug für beide Teile 52 und 56 auszukommen verwendet man dazu identische Wandflächen. Gegenüber dem Zu­ sammenkleben zweier spiegelbildlichen, aber vollflächigen Wandflächen 56 haben hier die Schwingungsmoden 57 nur die halbe mitschwingende Masse und so die doppelte akustische Wirkung.

In Fig. 6 sind zwei konzentrische Negativfedern 60 und 60' an eine Struktur 66 angebracht. Dadurch lassen sich zwei konzentrische Schwingungsmoden 67 und 67' mit unterschiedli­ chen Resonanzen realisieren, was eine Doppelnutzung der Fläche der Struktur 66 ermöglicht. Vorteilig sind Negativfedern nach Fig. 4 erzeugt durch Materialspannungen, um ohne Ge­ wichtserhöhung eine Mehrfachnutzung zuerreichen.

Gegenüber den zentrischen, zweidimensionalen Negativfedern der Fig. 1 bis 6 ist in Fig. 7 eine lineare, eindimensionale Negativfeder 70 dargestellt. Sie besteht aus den Streifen 71 und 72, die kraftschlüssig an deren Enden verbunden sind. Dabei ist der Streifen 71 (oder umge­ kehrt) etwas länger, so daß er im unbelasteten Zustand eine Wölbung aufweist. Wird diese Anordnung an eine Struktur angebracht, so wird der längere Streifen 71 gestaucht und zwi­ schen den Befestigungspunkten 74 und 75 kann so eine negative Federkonstante realisiert werden. Analog dem Vorgehen nach Fig. 2 kann durch eine Schichtung von unterschiedlichen Negativfedern 70 eine statische Vorlast eingestellt und auch auf Null gebracht werden. Zur Einstellung und nachträglichen Justierung sind Bohrungen 73 in den Streifen 71 oder 72 mög­ lich, ebenfalls Materialabtrag und/oder Oberflächenbehandlung nach Fig. 4.

Die Ausführung nach Fig. 8 zeigt ein Absorptionselement für Luft-oder Hydroschall. Dazu sind in zwei Bleche 86 und 86' Wölbungen 81 und 81' eingeprägt. Die Bleche 86 und 86' bilden ein Innenvolumen und sind durch Distanzhalter 84 untereinander und mit den Zwi­ schenstäben 85 verbunden. Zwischen diesen und den Wölbungen 81 und 81' befinden sich Federn 82, z. B. Eulersche Knickstabfedern. Damit kann die Eigenfrequenz der Wölbungen 81 und 81' eingestellt werden. Stufenförmig über einen Frequenzbereich abgestimmt, ist damit auch eine breitbandige Schallabsorption möglich. Anstelle der Federn 82 ist es auch mög­ lich, die Belastung der Wölbungen 81 und 81' durch einen Druckunterschied zwischen Auß­ enseite und Innenseite der Blechflächen 86 und 86' aufzubringen. Dazu bildet der Innenraum eine luftdichtes Volumen. Als Druckunterschied kann beim Einsatz in Strömungen auch die Differenz von statischen und dynamischen Strömungsdruck herangezogen werden. Dies ist beim Einsatz im Strömungskanal nach Fig. 10 vorteilhaft.

Die Fig. 9, 10 und 11 zeigen bevorzugte Anwendungsfälle zur Beeinflussung des Luftschalls durch Negativfedern. Fig. 9 ist ein Querschnitt durch einen Kanal 98. Dazu ist die Kanalwan­ dung 96 mit unterschiedlichen Negativfedern 90 versehen, die Modenfelder 97 mit unter­ schiedlichen, über den Arbeitsbereich gestufte Resonanzen fixiert. Damit besteht eine breit­ bandige Transmission des Schalls aus dem Kanal 98 ins Freie. Eine solche Ausführung kann z. B. bei Lüftungskanälen angewendet werden. Wenn eine Ableitung nach Außen nicht mög­ lich ist, ist im Lüftungskanal 108 nach Fig. 10 ein Absorptionsdämpfer 109 eingebracht. Die­ se bilden einen einen langgestreckten Quaderkörper dessen Oberfläche 106 aus Blech besteht und an die mittels einer dämpfenden Klebeschicht 104 Negativfedern 100 angebracht sind.

Die von den Negativfedern 100 gebildeten Schwingmoden 107 ergeben im Bereich deren Reso­ nanzfrequenz eine Schallabsorption im Kanal 108. In Fig. 11 befindet sich vor einer Wand 118 eine mit Negativfedern 110 besetzte Absorptionswand 116. Die von den Negativfedern 110 fixierten Schwingmoden 117 ergeben bei Schalleinfall in deren Resonanzbereich Schallab­ sorption.

Die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 12 und 13 betreffen die Transmission, Dämmung und Dämpfung von Körperschall. In Fig. 12 ist eine Struktur 126 mit einem Steifigkeitssprung 128 dargestellt. An einer solche Strukturdiskontinuität kommt es zu einer Reflexion von Köper­ schallschwingungen. Eine Negativfeder an dem steiferen Strukturteil angebracht, kann die freie Schwingungsausbreitung und so eine direkte Ableitung der Schwingungsenergie wieder herstellen. In Fällen, wo umgekehrt eine hohen Dämmwirkung erwünscht ist, wird die Nega­ tivfeder 120 dagegen am schwächeren Strukturteil angebracht. In Fig. 13 schließlich ist ein sog. reflexionsfreier Abschluß mit Dämpfung der Schwingungsenergie dargestellt. Dazu sind an einer Struktur 136 mittels einer dämpfenden Klebeschicht 134 Negativfedern 130 befe­ stigt. Die Negativfedern 130 in Schwingungsrichtung auf abnehmende Federsteifigkeit und/oder abnehmenden gegenseitigen Abstand angebracht, ergibt eine abnehmende Struktur­ impedanz mit Vergrößerung und Absorption der Schwingungsamplituden.

Claims (17)

1. Verfahren und Vorrichtung zur Reduktion von Körper-,Hydro- und Luftschall, dadurch gekennzeichnet, daß Negativfedern (= Elemente mit im Arbeitspunkt negativer Federkon­ stanten) an eine Struktur, z. B. an eine Wandung angekoppelt werden, um damit Schwin­ gungsmoden mit im störenden Frequenzbereich liegenden Resonanzen zu erzeugen und um damit die Transmission, Dämmung und/oder Dämpfung der Luft- oder Körperschallschwin­ gung zu aktivieren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß Negativfedern mit einstellbarer negativer Federkonstanten und statischer Vorlast durch eine oder mehrere Tellerfedern reali­ siert werden, die kraft- und/oder momentschlüssig zusammengekoppeit sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß Negativfedern durch Schrumpf­ ringe realisiert werden, die im Zeitpunkt der Befestigung an eine Struktur unter Übertempe­ ratur oder unter Radialspannung stehen.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß Negativfedern dadurch realisiert werden, daß in Bleche, einzeln oder flächendeckend, mittels Oberflächen­ behandlung (z. B. Kugelstrahlen, Jonenimplantation, Wärmebehandlung) Materialspannungen eingeprägt werden, analog zu denen in Tellerfedern mit negativen Federkonstanten.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß Negativfedern durch Wölbun­ gen in Blechflächen an die - einzeln oder zusammenhängend - Tellerfedern angekoppelt sind realisiert werden.

6. Vorrichtung nach nach den Ansprüchen 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Negativfedern konzentrisch an eine Blechfläche zur zwei- oder mehrfachen Nutzung der Blechfläche angebracht werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß eindimensionale Negativfedern durch Materialstreifen realisiert werden, die unter Druckspannung stehen und die an die Struktur angekoppelt sind.

8. Vorrichtung nach dem Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,daß Blechplatten ein geschlos­ senes Volumen bilden und daß in die Blechplatten Wölbungen eingeprägt sind und die Wöl­ bungsmitte durch Federn z. B. Eulersche Knickfedern so belastest sind, daß Schwingungsmo­ den mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen fixiert werden.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß zur Ableitung von Stör­ schall aus Kanälen und Gehäusen an deren Wandungen Negativfedern abgebracht sind, die Schwingungsmoden fixieren und deren Resonanzen im Frequenzbereich des Störschalls lie­ gen.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß zur Schalldämpfung in Kanälen und Gehäusen geschlossene Voluminas eingebracht sind, deren Oberfläche aus Blech besteht an das Negativfedern angekoppelt sind.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß zur Absorption von Schall an Wänden und Decken davor Blechflächen angebracht, sind an die flächendeckend Negativfedern angekoppelt sind.

12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufhebung der Reflexion an Strukturdiskontinuitäten an der impedanzhöheren Strukturseite Negativfedern angekoppelt sind, bzw. umgekehrt, daß zur Erhöhung der Dämmung an der schwächeren Strukturseite Negativfedern angekoppelt sind.

13. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von­ reflexionsfreien Abschlüssen an einer Struktur an diese Negativfedern mittels Dämpfungs­ schichten angekoppelt sind, deren Federkonstante und/oder deren gegenseitiger Abstand in Wellenrichtung abnimmt.

14. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, daß die Negativfedern und damit auch die Resonanzfrequenzen der Schwingungsmoden durch Oberflächenbehandlung (Kugelstrahlen, Jonenimplantation), Materialabtrag, Bohrungen, Verspannungen und/oder Wärmebehandlung vor, bei oder nach dem Einbau einjustiert wer­ den.

15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Dämpfung die Negativfedern durch einen dampfenden Klebestoff an die Struktur ange­ bracht sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß zur Einsparung von Präge­ werkzeugen zwei identische gewölbte und perforierte Blechflächen so zusammengeklebt sind, daß im Bereich von Schwingungsmoden nur die einfache Blechdicke gegeben ist.

17. Vorrichtung nach dem Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung von Fe­ derkonstanten und Vorlast mehrere Negativfedern in Schichtform zusammengekoppelt sind.