DE202017106206U1 - Schall-Dämm-Material - Google Patents

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Abstract

Schall-Dämm-Material (1‘), umfassend zumindest einen Dämmwerkstoff (5) mit einer Materialoberfläche (5‘), einen, in den Dämmwerkstoff (5) eingebrachten Hohlraum (6) und eine erste Membran (4), die den Hohlraum (6) begrenzt und auf der Materialoberfläche (5) aufliegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Schall-Dämm-Material.
  • Dämmmaterialien, d. h. Materialien welche Luftschall transmissionsfrei absorbieren oder die Abstrahlung von Körperschall vermindern, werden heute in verschiedenen Formen und aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt. Oft handelt es sich dabei um Mehrschichtsysteme. Die Werkstoffe, die zum Einsatz kommen, sind Polyurethanharzschäume, PVC-Schäume, Melaminharzschäume, Mikrofasermatten, stark dämpfende, kautschukähnliche Stoffe wie Aluminiumbutyl, bitumenartige Stoffe unterschiedlicher Viskosität und Körnung, Kunststoffschwerfolien, gewellte und perforierte Aluminiumfolien mit einer Akustik-Perforation.
  • Die Struktur eines herkömmlichen Dämmmaterials (DM) zeigt 1 im Querschnitt.
  • Mit (3) ist dabei der Grundwerkstoff kennzeichnet, z. B. einen Polyurethanharzschaum oder eine Mikrofasermatte. Es sind dies Stoffe, die in der Lage sind, Schwingungsenergie in Wärme umzuwandeln, d. h. zu dissipieren. Über dieser Schicht bzw. dem Grundwerkstoff befindet sich eine mehr oder weniger dicke Schwerschichten oder Masseschichten (2), die aus einem Stoff größerer Dichte bestehen, z. B. Mikrofasern dichterer Packung, Pappe, oder einer Imprägnats-Einbringung in den in diesem Fall offenzelligen Grundschaum, welche dessen Dichte und Steifigkeit in der imprägnierten Schicht erhöht. Die abschließende Schicht (1) kann eine geschlossene Kunststoff- oder eine spezielle Akustik-Aluminiumfolie sein, welche Mikroperforationen (9) aufweist.
  • Im Falle der Kunststofffolie kann es sich um eine sehr dünne Oberflächenkaschierung handeln, welche nur eine geringe Masse aufweist und eine offenzellige Oberfläche versiegelt.
  • Es kann sich aber auch um eine mehrere mm dicke Schwerfolie handeln, welche die Masse der zweiten Schicht erhöht oder diese sogar ersetzt. Die perforierten Akustik-Alufolien können an der Oberfläche eine Dissipation von Schallenergie bewirken. Sie stellen jedoch in den meisten Fällen sehr voluminöse und/oder Baustoffe mit enormer Masse dar.
  • Der entscheidende Mechanismus der hier dargestellten konventionellen Materialien ist die Dämpfung der Schwingung der Masseschicht (2) durch die Grundschicht (3). Diese ist akustisch umso effizienter, umso dicker und schwerer Masse- und Grundschicht sind. Damit ergibt sich ein Zielkonflikt zwischen einerseits der Forderung einer effektiven Schalldämpfung und dem im Automobil und Flugzeugbau geforderten Leichtbau andererseits.
  • Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Überwindung der aufgezeigten Nachteile.
  • Diese Aufgabe wird nun mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
  • Vorgeschlagen wird ein Schall-Dämm-Material (1‘), umfassend zumindest einen Dämmwerkstoff (5) mit eine Materialoberfläche (5‘), einen in den Dämmwerkstoff (5) eingebrachten Hohlraum (6) und eine erste Membran (4), die den Hohlraum (6) begrenzt und auf der Materialoberfläche (5) aufliegt.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Schall-Dämm-Material (1‘) zumindest einen Rahmen (7) umfasst, der in dem Hohlraum (6) angeordnet ist und zumindest eine zweite Membran (8) vorgesehen ist, wobei die zweite Membran (8) auf dem Rahmen (7) aufliegt und den Hohlraum (6) unterteilt.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das Schall-Dämm-Material (1‘) zumindest ein weiteres Mittel, durch welches alternativ zu dem Rahmen die zweite Membran (8) mit dem Dämmmaterial (1‘) verbunden ist und den Hohlraum (6) unterteilt.
  • Daneben können auch stoff- und/oder formschlüssige Fügeverfahren, wie beispielsweise Klebe- oder Schweißverfahren zur Anordnung und/oder Befestigung der zweiten Membran (8) an dem Dämmmaterial (1‘) eingesetzt werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste und/oder die zweite Membran (4, 8) Perforationen (9‘) aufweist.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Schall-Dämm-Material handelt es sich um ein strukturiertes Verbundmaterial, welches verschiedene Maßnahmen und Effekte zur Schallreduktion kombiniert. Somit kann es auch im Frequenzbereich unter 1000 Hz als wirksames Dämmmaterial mit einem geringeren Flächengewicht als herkömmliche Dämmmaterialien zum Einsatz kommen.
  • Das Material besteht beispielsweise aus einem Dämmwerkstoff wie z. B. Polyurethanschaum, Melaminharzschaum, Mikrofaserpackungen etc. Es weist, anders, als bisher übliche Dämmmaterialien, in der Mitte einen funktional wichtigen Hohlraum auf, der nach innen gestuft sein kann. Über dem Hohlraum kann beispielsweise eine eventuell vorgespannte Membran gezogen und durch Klebung oder Verschweißung am Rand mit dem Dämmwerkstoff fest verbunden sein.
  • Der Hohlraum kann durch weitere, innenliegende Membranen unterteilt sein, welche auf den Stufen des Hohlraums mit dem Dämmwerkstoff durch Klebung, Schweißung etc. ebenfalls fest verbunden sind, oder auf einem passenden Rahmen in den Hohlraum eingefügt sein können.
  • Der Dämmwerkstoff bewirkt bereits bei Bodendicken zwischen 5 und 10 mm die Absorption von Körperschall im Frequenzbereich über 1000Hz. Die Membran(en) führt bzw. führen, abhängig von Material und Vorspannung, zur Reflexion des Schalls, der am Boden des Hohlraums vom Dämmwerkstoff abgestrahlt wird, und auf diesen zurückgeworfen wird, so dass es zur wiederholten Absorption kommt.
  • Wenn die Membran oder die Membranen kleine Perforierungen aufweisen, tritt an diesen bei der Reflexion breitbandige Dissipation auf. Neben diesen Effekten wird jede Membran durch die auftreffenden Luftschwingungen selbst zu Schwingungen in charakteristischen Formen angeregt, so dass jede Membran selbst zu einem akustischen Strahler wird. Durch Perforationen kann der von der Membran abgestrahlte Schalldruck verringert werden. Es handelt sich dabei um einen akustischen Kurzschluss, der die Druckminima und -maxima abschwächt, indem er sie mit den gegenphasigen Minima und Maxima auf der anderen Seite der Membran koppelt, so wie nachfolgend in 3b dargestellt.
  • Bei den Strömungen durch die Perforationen wird abhängig von Perforationsdurchmesser und Membrandicke ein Teil der Schwingungsenergie in Wärme umgewandelt.
  • Das erfindungsgemäße Produkt erfüllt den Zweck, durch Anwendung leichtbauender Strukturen mit dissipativen Effekten eine Gewichtsersparnis bei gleicher oder besserer akustischer Wirkung, d. h. Absorption von Luftschall, Reduktion des von einer schwingende Oberfläche abgestrahlten Luftschalls, zu bewirken.
  • Zur Anwendung kann das erfindungsgemäße Schall-Dämm-Material an allen schwingenden Maschinen-Oberflächen mit Oberflächentemperaturen unterhalb der Erweichungs-Temperatur des dämmenden Werkstoffes kommen, sofern diese sauber gehalten sind und sich das Material daran befestigen lässt. Anwendungen sind beispielsweise im Bereich Automotive, Bau- und Maschinenakustik, Flugzeugbau möglich.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen und Figuren erläutert, wobei die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist:
  • Es zeigen:
  • 1: Schematisch die Struktur eines herkömmlichen Dämmmaterials im Querschnitt, wie zuvor beschrieben und
  • 2: Schematisch die Struktur des Schall-Dämm-Material (1‘) in verschiedenen Varianten
  • 3a und 3b: schematisch die Schallausbreitung gemäß 3a und die Schalldruckminderung durch akustischen Kurzschluss an perforierter Membran gemäß 3b.
  • In 1 ist schematisch ein herkömmliches Dämmmaterial dargestellt. (3) ist dabei der Grundwerkstoff, der beispielsweise als ein Polyurethanharzschaum oder eine Mikrofasermatte ausgebildet sein kann. Diese Stoffe sind in der Lage, Schwingungsenergie in Wärme umzuwandeln, d. h. zu dissipieren.
  • Über dieser Schicht bzw. dem Grundwerkstoff befindet sich eine mehr oder weniger dicke Schwerschichten oder Masseschichten (2), die aus einem Stoff größerer Dichte bestehen, z. B. Mikrofasern dichterer Packung, Pappe, oder einer Imprägnats-Einbringung in den in diesem Fall offenzelligen Grundschaum, welche dessen Dichte und Steifigkeit in der imprägnierten Schicht erhöht. Die abschließende Schicht (1) kann eine geschlossene Kunststoff- oder eine spezielle Akustik-Aluminiumfolie sein, welche Mikroperforationen (9) aufweist.
  • 2 zeigt schematisch den Aufbau des Schall-Dämm-Material (1‘) in verschiedenen Varianten.
  • Das Schall-Dämm-Material (1‘) umfasst zumindest einen Dämmwerkstoff (5) mit einer Materialoberfläche (5‘), einen, in den Dämmwerkstoff (5) eingebrachten Hohlraum (6) und eine erste Membran (4), die den Hohlraum (6) begrenzt und auf der Materialoberfläche (5) aufliegt. Das Schall-Dämm-Material (1‘) umfasst weiterhin zumindest einen Rahmen (7), der in dem Hohlraum (6) angeordnet ist und zumindest eine zweite Membran (8), wobei die zweite Membran (8) auf dem Rahmen (7) aufliegt und den Hohlraum (6) unterteilt. Die erste und/oder die zweite Membran (4, 8) des Schall-Dämm-Material (1‘) weist Perforationen (9‘) auf.
  • Die Varianten unterschieden sich hinsichtlich der Anzahl der Membranen (8), welche den Hohlraum (6) unterteilen. Die einfachste Variante 1 weist keine Unterteilung des Hohlraums durch eine weitere Membran auf.
  • In Variante 2 befindet sich unterhalb der Membran an der Materialoberfläche (4) eine weitere Membran, die in dieser Darstellung auf einem zur Vertiefung im Material passigen bzw. passfähigen Rahmen, z. B. aus leichtem Kunststoffhartschaum, in diese eingebracht wurde.
  • Die Anzahl der Varianten ist theoretisch n-beliebig groß, die Zahl der den Hohlraum unterteilenden Zwischenmembranen beträgt n – 1. Aus praktischen Gründen werden Strukturen mit mehr als 3 Zwischenmembranen kaum infrage kommen, sind aber durch die Erfindungsanmeldung abgedeckt.
  • Das Material der Membranen können Kunststoffe aber auch Metalle wie z. B. Aluminium sein. Die Gewichtsersparnis kommt durch den Entfall oder die Verringerung der Massenschicht und durch den Hohlraum zustande.
  • Die Erfindung kann für Metamaterialstrukturen, welche sich auf Membranen befestigter Einzelmassen zur Schallauslöschung in bestimmten Frequenzbändern bedienen, verwendet werden.
  • In 3a wird schematisch die Schallausbreitung an Materialien mit einer geschlossenen Oberfläche dargestellt.
  • Schallabschwächung oder Schalldruckminderung durch akustischen Kurzschluss an einer perforierten Membran im Vergleich zur geschlossenen Oberfläche eines einfachen Dämmmaterials gemäß 3a ist in 3b zu erkennen.
  • Der Hohlraum zwischen Membran und Dämmwerkstoff sowie zwischen den Membranen ist mit Luft gefüllt. Durch den hohen Impedanzsprung zwischen Membran und Luft ergibt sich eine stärkere Schallreflexion, als dies bei Aufbringen der Membran auf das Material in den bisherigen, oben beschriebenen Anwendungen der Fall ist. Somit wird ein Teil des Schalls auf das absorbierende Material zurückgeworfen und erneut absorbiert.
  • Darüber hinaus wird die Membran durch den auftreffenden, und durch das Basis(dämm)material (5) in hohen Frequenzbereichen erfahrungsgemäß bereits verringerten Schall zu Schwingungen angeregt, die zu einem Druckgefälle zwischen Membranober- und Unterseite entsprechend der Darstellung in (3b) führen können. Durch dieses Druckgefälle kommt es zu Luftströmungen in den Perforationen, welche bei genügend kleinem Durchmesser zu Verwirbelung und damit zur Schallenergiedissipation führen.
  • Die Erfindung beinhaltet sowohl Ausführungsformen mit nur einer Membran, als auch solche mit beliebig vielen weiteren, innenliegenden Membranen, die den Hohlraum unterteilen. ln 2 sind alle Membranen direkt mit dem Dämmmaterial verbunden.
  • Die innenliegenden zweiten Membranen (8) können aber auch an einem Rahmen (7) in der Größe des Hohlraums (6) befestigt und mit diesem Rahmen (7) in den Hohlraum (6) eingefügt werden. Dabei sollte der Rahmen (7) leicht sein. Die Membranen (8) können, Perforationen aufweisen, jedoch sind Perforationen nicht zwingend erforderlich.
  • Allerdings werden Perforationen als vorteilhaft angesehen. 3b veranschaulicht den positiven akustischen Effekt, den die Perforationen bewirken können. Die Intensität der Graufärbung stellt die Amplitude des Schalldruckes dar.
  • Im klassischen Anwendungsfall, d. h. bei Raumverkleidungen durch mikroperforierte Akustik-Panels wird hinter der Membrane eine Luftsäule, die als Helmholtz-Resonator fungiert, in Schwingungen versetzt, so dass durch Resonanz der dissipative Effekt besonders groß wird. Dies kann im Fall dieser Erfindung nur bei Mehr-Membran-Systemen erreicht werden und aufgrund des geringen möglichen Volumens auch nur für hohe Frequenzen.
  • Es ist aufgrund der Multiplikation des Effektes wahrscheinlich, dass Mehr-Membran-Systeme zwar aufwändiger in der Herstellung, aber auch wirkungsvoller sind.

Claims (3)

  1. Schall-Dämm-Material (1‘), umfassend zumindest einen Dämmwerkstoff (5) mit einer Materialoberfläche (5‘), einen, in den Dämmwerkstoff (5) eingebrachten Hohlraum (6) und eine erste Membran (4), die den Hohlraum (6) begrenzt und auf der Materialoberfläche (5) aufliegt.
  2. Schall-Dämm-Material (1‘) nach Anspruch 1 oder 2, umfassend zumindest einen Rahmen (7), der in dem Hohlraum (6) angeordnet ist und zumindest eine zweite Membran (8), wobei die zweite Membran (8) auf dem Rahmen (7) aufliegt und den Hohlraum (6) unterteilt.
  3. Schall-Dämm-Material (1‘) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste und/oder die zweite Membran (4, 8) Perforationen (9‘) aufweist.
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