DE2020897C3 - - Google Patents

Description

— durch eine möglichst kleine Wärmeleitfähigkeit verringern. Da jedoch gewalzte, sehr dünne Nickeleisenbleche mit der erforderlichen Räche und in sehr ebener Form nicht hergestellt werden können, scheidet auch diese Möglichkeit aus. -,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Nachhallfolie der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welche erstmals eine Nachhallzeit von etwa 0,4 s oder mehr bei 10 kHz erreicht

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die ι» Merkmale des Anspruchs 1 gelöst

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Verwendungsformen der Nachhallfolie nach Anspruch 1 ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 8.

Die bei der erfindungsgemäßen Nachhallfolie vorge- ι ~> sehene große Wärmeleitzahl und die möglichst kleine Schallgeschwindigkeit stehen im Gegensatz zur bisherigen Auffassung der Fachwelt und stellen wesentliche Merkmale der Erfindung dar. Die erfindungsgemäßen Nachhallfolien können eine beliebige Dicke und Fläche haben, genügen im Vakuum und auch in Luft ohne zusätzliche Maßnahmen den Dämpfungsanforderungen und sind jo eben, daß sie mit oder ohne Spannen nur geringe Verzerrungen verursachen.

Die genannten Materialeigenschaften sind eine r> notwendige aber noch keine hinreichende Bedingung, um bei dünnen Folien die angegebene Nachhallzeit von etwa 0,4 s oder mehr bei 10 kHz zu erreichen. Eine hinreichende Bedingung, mit der ungeeignete Metalle ausgeschlossen werden, besteht darin, daß das Quadrat in des thermischen Ausdehnungskoeffizienten <x, multipliziert mit dem Quadrat der Schallausbreitungsgeschwindigkeit in der Folie c=\[EFq, dividier' durch die Wärmeleitzahl λ kleiner sein soll als 1,3· 10 ^r> mV ⁰C s² W. Die Metalle, welche dieser zweiten Bedingung r> genügen, sind Chrom, Gold, Kupfer, Molybdän, Platin, Silber und Wolfram.

Die Foliendicke, bei welcher die Gesamidämpfung ein Medium hat, ist je nach Material verschieden. Sie beträgt größenordnungsmäßig 0,02 mm. Es ist also κι günstig, wenn die Folien etwa 0,008 bis 0,035 mm dick sind.

Die berechenbare Dichte der F.igenfrequenzen von Nachhallfolien, d. h. ihre Anzahl pro 1 Hz Bandbreite, muß eine bestimmte Größe haben, um eine metallische r. Klangverfärbung des Originalschalls zu vermeiden. Diese metallische Klangverfärbung isi am stärksten hörbar bei der Verhallung von Geräuschen mit kontinuierlichem Spektrum weniger bei Sprache, am wenigsten bei Musik. Die zumindest in dieser Hinsicht ->(> akustisch besten Nachhallfolien nach dem Stand der Technik besitzen bei mittleren und hohen Frequenzen eine konstante Eigenfrequenzdichte von 1,3/Hz. Steigert man die Dichte bei mittleren Frequenzen auf etwa 3,0/Hz, so verschwindet in allen Fällen die durch r> Nachhallfolien verursachte Klangverfärbung. Bei tiefen und hohen Frequenzen darf die Dichte erheblich kleiner sein. Die Eigenfrequenzdichte ist proportional dem Verhältnis von Fläche S und Dicke d der Folie und umgekehrt proportional der Schallgeschwindigkeit des eo Folienmaterials. Um eine Dichte von 13/Hz zu erzielen, muß der Quotient S/t/ungefähr gleich 0,7 Ci=0,7 /Ε/ρ sein. Der genaue Wert hängt etwas von der Querkontraktionszahl £"ab und ist daher bei den verschiedenen Metallen etwas unterschiedlich. t>^r>

Wenn die im Vakuum durch drei, in Luft durch vier Einflußgrößen beeinflußte Schwingungsdämpfung der Nachhallfolie immer noch zu groß sein sollte, vergrößert man die bei einer ungespanntrn Folie allein durch die Biegesteifigkeit bestimmte Rückstellkraft durch Anlegen einer mechanischen Spannung, die entschieden über den Wert hinausgeht der zur sicheren Halterung der Folie in einem Rahmen notwendig ist Diese zusätzliche Rückstellkraft ist bei Verwendung weniger gedämpfter Federn praktisch dämpfungsfrei. Dadurch wird die relative Dämpfung der gesamten Rückstellkraft z. B. um 20% oder mehr, kleiner als die infolge der Biegesteifigkeit allein vorhandene Dämpfung. Das Spannen der Folie erfolgt mittels Federn, die zwischen der Folie und dem Rahmen bei rechteckiger Formgebung mindestens an allen vier Ecken angebracht sind. Diese Spannwirkung kann durch weitere Federn an den vier Seiten verstärkt werden. Das Spannen der Folie verringert außerdem die Tiefe ihrer restlichen Unebenheiten und damit die hierdurch bedingten nichtlinearen Verzerrungen bei Biegeschwingungen. Dieser akustisch günstigen Maßnahme steht zwar als Nachteil die Vergrößerung der Biegeschallgeschwindigkeit und eine damit verbundene Verkleinerung der Eigenfrequenzdichte gegenüber, was sich jedoch mit wachsender Frequenz immer weniger auswirkt. Falls die notwendige Eigenfrequenzdichte bei mittleren Frequenzen, bei denen sie ein Maximum haben soll, zu klein ist, kann eine Vergrößerung der Folienfläche vorgenommen werden.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Ansicht einer erfindungsgemäßen, in einem Rahmen eingespannten Nachhallfolie,

Fig. 2 einen Schnitt durch ein Nachhallgerät mit der Nachhallfolie und dem Rahmen nach Fig. 1,

F i g. 3 und 4 Schnitte durch zwei Ausführungsbeispie-Ie für die zwischen Folie und Rahmen gemäß F i g. 1 vorhandene Spannvorrichtung und

Fig. 5 und 6 Draufsichten auf zwei Ausführungsbeispiele einer bei dem Nachhallgerät gemäß I- i g. 2 vorgesehenen Dämpfungsplatte.

Wie aus F i g. 1 hervorgeht, ist die Nachhallfolie I mit einem Metallrahmen 2 über Massen 3, Federn 4/5 (z. B. ineinandergesteckte Stahldrahtfederringe 4 und 5) und angeschraubte Spannteile 6 verbunden. Neben der Halterung der Folie 1 in dem Rahmen 2 dienen die Federn 4/5 zur Dämmung gegen Körperschallstörungen von außen, wie sie z. B. bei Aufstellung der Folie 1 in einem Übertragungswagen auftreten können, der Erschütterungen ausgesetzt ist und Bemühungen der Folie 1 durch darin anwesende Personen während des Betriebs gestattet. Ferner verhindern die Federn 4/5 den Abfluß von Schallenergie von der Folie 1 zum Rahmen 2, was ansonsten die Dämpfung der Folie 1 in unerwünschter Weise vergrößern würde. Die dämmende Wirkung der Federn wird dadurch erhöht, daß die Folie ί an den Spannstellen durch die Massen 3 beschwert ist, die von den Federn 4/5 gehalten werden. Die Massen 3 sind zweiteilig und dienen gleichzeitig zum dämpfungsfreien Einklemmen der Folie 1.

Anstelle von zwei Stahldrahtfederringen 4 und 5 kann man auch nur einen Ring oder eine, an beiden Enden starr mit den übrigen Bauelementen verbundene U- oder S-förmig geformte Drahtfeder verwenden. Die Zahl der Spannstellen hängt davon ab, wie eben die Folie 1 hergestellt ist, wie eben sie zur Vermeidung hörbarer Schwingungsverzerrungen sein muß und wie star!: die Spannung zur Verringerung der Foliendämpfung sein soll. Statt der Spannung in Richtung der Folienränder durch je zwei Federn in der Nähe jeder Ecke kann die Folie 1 an den Ecken auch durch jeweils

nur eine Feder in diagonaler Richtung gespannt werden.

Die Schwingungsanregung und -abtastung erfolgt bei dem Nachhallgerät gemäß Fig.2 elektrodynamisch an je zwei Punkten mit Hilfe von sehr leichten, mit der Folie 1 fest verbundenen Schwingspulen 7. Die zugehörigen Permanentmagnete, in deren Luftspalten sich die Spulen 7 befinden, sind zur Vereinfachung nicht eingezeichnet. Das geringe Gewicht der Schwingspulen 7 gewährleistet, daß die schwingende dünne Folie 1, deren Biegewelienwiderstand sehr klein ist, mit zunehmender Frequenz nicht durch den ansteigenden Massenwiderstand unzulässig abgebremst wird. Als Gewicht für die Schwingspulen 7 und der mit ihnen u. U. verbundenen anderen Bauelemente haben sich einige Millipond erwiesen.

Zum rnonophonen Betrieb würde je eine Schwingspule zur Anregung und zur Abtastung ausreichen. Bein: zweikanaligen stereophonen Betrieb müssen mindestens zwei Abtastschwingspulen vorhanden sein. Zwei Anregungsschwingspulen statt nur einer sind in diesem yi Fall akustisch vorteilhafter. Bei mehr als zwei Stereokanälen erhöht sich die Zahl der Schwingspulen zur Abtastung, möglichst aber auch zur Anregung, entsprechend. Die Spulen sollten weit voneinander und von den Rändern entfernt sein. Ihre Orte sind im übrigen beliebig.

Zur Veränderung der Nachhallzeit der Folie 1 ist eine mit Schlitzen oder Löchern versehene poröse Platte 8 in der Nähe der Folie 1 angebracht, wobei der Abstand zwischen der Platte 8 und der schwingenden Folie 1 von «1 Hand oder mittels Fernbedienung verstellbar ist. Hierdurch kann bei der sehr dünnen Folie 1 eine zu tiefen Frequenzen ansteigende Dämpfung und dadurch abfallende Nachhallzeit vermieden werden. Die poröse Platte 8 kann, wie Fig.5 zeigt, aus einer größeren r> Anzahl von parallelen Streifen 19 aus porösem, offenporigem Material bestehen. Die Breite der Streifen 19 ist ebenso wie die Breite der Zwischenräume 20 im dargestellten Beispieisfall unterschiedlich. Diese Breiten können ggfs. auch gleichförmig bemessen werden. Die poröse Platte 8 kann auch durch zahlreiche Löcher 22, 23 gleicher oder unterschiedlicher Größe in etliche, mechanisch zusammenhängende Teilflächen 23 unterteilt sein (F ig. 6).

Der innere Kasten 9 besteht aus zwei gewölbten Metallschalen, die mit gleichen oder unterschiedlichen Krümmungsradien dreidimensional gekrümmt sind. Die Schalldämmung dieser Schalen hat bei geringer Dicke und damit geringem Gewicht von tiefen bis zu mittleren Frequenzen frequenzunabhängig den erforderlichen -,o großen Wert. Bei der Annäherung der Frequenzen an die Eigenfrequenz der tiefsten Schalenresonanz sinkt die Dämmung praktisch auf Null und steigt darüber wieder steil an. In diesem Frequenzgebiet ist jedoch der Sollwert der Dämmung, wie bereits angegeben, viel geringer und wird mittels eines äußeren geschlossenen Kastens 10 erreicht, der im dargestellten Beispielsfall aus ebenen Platten besteht Anstelle von ebenen Platten kann der äußere Kasten 10 auch aus Schalen bestehen, die weniger als bei dem ersten Kasten 9 gekrümmt sind, eo Es ist lediglich erforderlich, daß die Hauptresonanzfre quenz des äußeren Kastens 10 vic! tiefer als die de: ersten liegt. Der innere und äußere Kasten 9 bzw. K sind zur Verbesserung der Luftschalldämmung in nich dargestellter Weise zu einem Teil ihres Luftvolumen: mit schallabsorbierendem Material mit offenen Poren vorzugsweise mit Mineralfaserplatten, Schaumgumm oder SchauiTiplastik gefüllt. Dieses poröse Material dar im inneren Kasten 9 nicht in der Nähe der Nachhallfolk 1 angebracht werden, um deren Dämpfung nich unnötig zu vergrößern. Teile des porösen Material· kö.i.cn gleichzeitig zur federnden Halterung de: Rahmens 2 und des inneren Kastens 9 dienen.

Der Rahmen 2 ist mit dem inneren Kasten 9 durcr Federn 11 verbunden, während der Kasten 9 mit derr äußeren Kasten !0 durch Federn 12 verbunden ist Zwischen dem äußeren Kasten 10 und dem tragender Untergrund befinden sich Federn 13. Die Federn 11, Ii und 13 unterstützen die schalldärmnende Wirkung dei Federn 4/5 und können ihrerseits zur weiterer Verbesserung der Schalldämmung gedämpft sein.

F i g. 3 und 4 zeigen in der Ansicht zwei Ausführungs beispiele der Massen 3. Diese bestehen aus zwe kreisförmigen Scheiben 14 und 15, die mittels eine Schraube 16 zusammengepreßt werden. Jede Scheibi hat zwei Stifte 17, zwischen denen die Folie : eingeklemmt wird. Eine zusätzliche Verbindung durcl möglichst dämpfungsfreien Kitt kann günstig sein. Dc Federring 4 in F i g. 3 ist um die Stifte 17 und durch dei zweiten Federring 5 geschlungen. Eine zusätzliche punktweise, starre Festlegung der Federringe an aller Berührungspunkten kann auch hier günstig sein. Ii Fi g. 4 ist die U-förmige Drahtfeder 18 starr mit einen der Stifte 17 und dem Spannteil 6 verbunden. Durch ein« Verschiebung des Spannteiis 6, vor dessen Anschraube! wird die gewünschte Spannung eingestellt.

Die große Wärmeleitfähigkeit der Folie 1 bewirk eine u. U. unerwünschte, vor allem bei tiefen Frequen zen wirksame Wirbelstromdämpfung, wenn sich di< Folie 1 in einem magnetischen Feld befindet, desser Kraftlinien zum Teil in der Folienebene verlaufen. Dies« Dämpfung kann dadurch, wenn notwendig, vermiede! werden, daß alle nahen Bauteile (außer den Magnete! der Schwingspulen 7), also z. B. der haltende Rahmei und der Kasten bzw. die Kästen aus einem unmagneti sehen Material oder aus einem entmagnetisierte! magnetischen Material gefertigt werden.

Die Wirbelstromdämpfung kann aber auch in positiven Sinne dazu benutzt werden, um die Nachhall zeit in einem breiten Frequenzgebiet und mit den gewünschten Frequenzgang herabzusetzen. Dazu wire ein Dauermagnet oder ein Elektromagnet oder werdet viele solche Magnete der Folie 1 genähert, die sich au einer oder beiden Folienseiten befinden. Ihr Streuflui muß zu einem wesentlichen Anteil in der Folieneben« verlaufen. Elektromagnete haben den Vorteil, daß mar den erregenden Gleichstrom ein- und ausschalten bzw seine Stromstärke verändern kann, wodurch all« bewegten Bauteile zur Veränderung entfallen.

Hierzu 2 Blatt Zcichnunecn

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Metallische Nachhallfolie, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Folienmaterial eine Wärmeleitzahl λ gleich oder größer 69 - 10-³W/°C, einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten « gleich oder kleiner 19,3 · 10~⁶/°C und eine Schallgeschwindigkeit c gleich oder kleiner 5700 m/s aufweist, wobei das Quadrat des thermischen Ausdehnungskoeffizienten χ multipliziert mit dem Quadrat der Schallausbreitungsgeschwindigkeit c in der Folie (1), dividiert durch die Wärmeleitzahl λ kleiner als U · 10"⁵ m³/^cC S²W ist, daß die Foliendicke d0,008 bis 0,035 mm beträgt und daß das Verhältnis der Folienfläche S [m²] zur Foliendicke d [m] mindestens \,Q [s] - C\\ beträgt,

wobei Ci die SchallgeschwindigKeit in Folienlängsrichtung ist.

2. Nachhallfolie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Foliendicke etwa 0,02 mm beträgt.

3. Nachhallgerät mit einer Nachhallfolie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Nachhallfolie (1) in einem allseitig geschlossenen Kasten (9) befindet, der aus einem Material mit großem Elastizitätsmodul, vorzugsweise aus Metall, gefertigt ist und aus mindestens zwei Teilschalen besteht, die mit gleichen oder unterschiedlichen Krümmungsradien dreidimensional gekrümmt sind.

4. Nachhallgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung der Luftschalldämmung ein zweiter, innen oder außen angebrachter, geschlossener Kasten (10) vorgesehen ist, der aus ebenen Platten besteht oder aus solchen, die weniger als bei dem ersten Kasten (9) gekrümmt sind.

5. Nachhallgerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachhallfolie (1) und/oder der sie haltende Rahmen (2) und/oder der innere Kasten (9) und/oder der äußere Kasten (10) und/oder der Untergrund durch gedämpfte Federn (4 bzw. U bzw. 12 bzw. 13) voneinander schwingungsentkoppelt sind.

6. Nachhaligerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der innere und äußere Kasten (9 bzw. 10) zu einem Teil ihres Volumens mit schallabsorbierendem, offenporigem Material gefüllt sind.

7. Nachhaligerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das schallabsorbierende Material im inneren und äußeren Kasten (9 bzw. 10) oder Teile davon gleichzeitig als federnde Halterung des Rahmens (2) und des inneren Kastens (9) dienen.

8. Nachhallgerät nach den Ansprüchen 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur wahlweisen Herabsetzung der Nachhallzeit der Nachhallfolie (1) eine poröse Platte (8) in der Nähe der Nachhallfolie (1) angebracht ist, die aus etlichen kleinen Teilen in einer Ebene besteht, deren Größe und gegenseitiger Abstand gleich oder unterschiedlich ist, oder die durch zahlreiche größere Löcher (21, 22) gleicher oder unterschiedlicher Größe in etliche mechanisch zusammenhängende Teilflächen (23) unterteilt ist.

ίο

Die Erfindung bezieht sich auf eine metallische -Nachhallfolie sowie auf ein mit dieser Nachhallfolie ausgerüstetes Nachhallgerät

Zur Erzeugung von künstlichem Nachhall ist es bekannt, dünne, völlig ebene Metallplatten, d.h. sogenannte Nachhallplatten zu verwenden, deren Länge bzw. Breite größenordnungsmäßig das lOOOOfache ihrer Dicke beträgt Stellt man solche Nachhallplatten aus gewalzten Blechen mit einer Fläche von z. B. 2 m² oder mehr und einer entsprechenden Dicke her, so besitzen diese Bleche auch bei einer Schwingungsanregung in luftgefüllter Umgebung eine ausreichend kleine Dämpfung. Die mit solchen Nachhallplatten ausgerüsteten Nachhallgeräte besitzen jedoch so große Abmessungen und ein solches Gewicht, daß sie schwierig zu transportieren sind und daher nur in Ausnahmefällen an verschiedenen Einsptzorten benutzt werden können. Man ist daher dazu übergegangen, wesentlich kleinere und damit dünn'ere Platten zu verwenden, die im folgenden als' Nachhallfolien bezeichnet werden. Wenn diese Nachhallfolien zu Biegeschwingungen angeregt werden, klingen die Biegeschwingungen nach Aufhören der Erregung sehr schnell ab, -und zwar insbesondere bei hohen Frequenzen und in luftgefüllter Umgebung. Eine Anbringung der Nachhallfolie in einem evakuierten Gefäß zur Verlängerung der Abklingdauer scheidet aus praktischen und akustischen Gründen aus. Bisher sind alle Versuche gescheitert, ebene Metallbleche oder -folien mit einer Dicke von weniger als etwa 0,3 mm bei einer Fläche von z. B. 2 m² herzustellen, deren Nachhallzeit im Vakuum und auch in Luft bei einer Frequenz von 10 kHz mindestens 0,4 s, möglichst aber 0,8 s und mehr beträgt. Unter der Bezeichnung »Nachhallzeit« versteht man die in Sekunden gemessene Zeit, in welcher die anfängliche Schwingungsamplitude auf den tausendsten Teil abgeklungen ist. Untersucht man die für die Schwingungsdämpfung einer Nachhallfolie verantwortlichen Faktoren, so findet man im wesentlichen drei Einflußgrößen. Die erste Einflußgröße ist die durch die Kristallgitterstruktur des Folienmaterials hervorgerufene kristalline Dämpfung, die in vielen Fällen von der Foliendicke unabhängig ist. Diese kristalline Dämpfung ist z. B. für Stahl, Messing, Bronze und Aluminium klein. Von diesen Metallen lassen sich Stahl, Messing und Bronze nur in der Schmelze herstellen und dann zu Blechen walzen. Bei gewalzten Blechen treten jedoch mit zunehmender Dickenverringerung Oberflächenunebenheiten bzw. Beulen auf, deren relative Tiefe, d. h. bezogen auf die Blechdichte, um so größer ist, je dünner das Blech bzw. die Folie ist. Derartige Folien sind für Nachhallzwecke ungeeignet. Die Verwendung von Aluminiumfolien scheidet wegen der zu hohen Dämpfung ebenfalls aus.

Eine zweite Enflußgröße für die Schwingungsdämpfung ist die Zähigkeit des umgebenden Mediums, die mit abnehmender Foliendicke ansteigt. Diese Einflußgrößc läßt sich nur durch Installation der Nachhallfolie in einem evakuierten Raum ausschalten, was jedoch, wie schon erwähnt, aus praktischen und akustischen Gründen ausscheidet.

Eine dritte Einflußgröße für die Schwingungsdämpfung ist die Wärmediffusion von der gestauchten Folienseite zu der gedehnten Folienseite und umgekehrt. Bei gewalzten, aus der Schmelze gewonnenen Blechen läßt sich diese Einflußgröße durch Verwendung einer echten Legierung mit einem sehr kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (z. B. Nickeleisen mit etwa 36% Nickel) und — bei großer Blechdicke