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Vorrichtung sur Verminderung der Schallausbreitung in flüssigkeitsgefüllten
Rohren und Kanälen Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verminderung
der Schallausbreitung in flüssigkeitsgefüllten Rohren und Kanälen, bestehend aus
nachgiebigem verlustbehaftetem Material und steifem Material.
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Bekannt ist es, in flüssigkeitsgefüllten Rohren eine Verminderung
der Schallausbreitung dadurh zu erreichen, daß eine metallische Rohrleitung aufgetrennt
ist und ein Stück Schlauch eingesetzt ist. Dadurch wird Schallverminderung sowohl
längs der Rohrwand als auch längs der Flüssigkeitssäule bewirkt. Ein derartiges
Schlauchstück birgt jedoch die Gefahr von Leitungswasserschäden durch Alterung des
Schlauches und durch seine Beschädigung in sich. Da Metallrohre mehr als dreißug
Jahre gut ihren Dienst erfüllen, Gummi- oder Kunststoffschläuche jedoch eine niedrigere
Lebensdauer
aufweisen, sind es zuerst die Schlauchstücke, die an einer mit Schlauchstücken verschenen
Leitung defekt werd.
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Es sind auch Versuche unternommen worden, Rohre und Kanäle schallweich
auszukleiden. In sohaliweich ausgekleideten Rohren und Kanälen fällt der Schalldruck
in einem weiten Frequenzbereich entlang der Rohrachse steil ab. Schallweiche Auskleidung
kann z.B. durch luft haltigen Porengummi erreicht werden. Daß diese Einrichtungen
nicht häufiger verwendet werden, dürfte insbesondere folgende Gründe haben: - Undichtigkeiten
in der Auskleidung führen, inabesonderte, bei wechselnder Druckbeanspruchung, zum
Füllen der lufthaltigen Hohlräume mit Flüssigkeit.
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Dies macht die Einrichtung mit der Zeit wirkungslos.
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- losreißen von Stücken der Auskleidung kann zur Verstopfung von
Ventilen usw. führen - Da es sich physikalisch um Dämmung und nicht um Dämpfung
handelt, kann die Einführung solcher Sperrglieder zu erheblicher Pegelerhöhung im
I¢itungsbereich vor den Sperrgliedern führen.
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Es ist hier Schalldämmung und Schalldämpfung unterschieden worden:
Unter Schalldämpfung ist die Umwandlung von schallenergie in eine andere ergieform,insbesondere
in Wärme, zu verstehen. Unter Schalldämmung verst ht man das weitgehende Absperren
eines Schallweges. Die Schallenergie braucht dabei nicht notwendig umgewandelt zu
werden, sie kann z.B.
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reflektiert werden
Insbesondere im Zusammenhang mit
der Abwehr von akustischen U-Boot-Ort ungsvera uhren wurden Einrichtungen zur Vermeidung
von starenden Schallreflexionen in Wasser entwickelt.
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Physikalisch dreht es sich dabei um Schalldämpfer. Wesentlich für
die Wirksamkeit solcher Einrichtungen ist es daß ihr Schallwellenwiderstand ungefähr
an den akustischen Widerstand der Flüssigkeit angepaßt ist. Fehlanpassung würde
dazu führen, daß ein Teil der Schallenergie reflektiert wird und nicht in den Absorber
eindringt, Bekannt sind insbesondere Keilabsorber. Es handelt )ßich dabei.wn keilförmige
miteinander verklebte Gummiplatten, die so mit Hohlräumen oder anderen Einschlüssen
versehen sind, daB in ihnen durch den Wechseldruck der Sohliwellen Reibungsarbit
geleistet wird. Die Anpassung wird wesentlich durch die keilform bewir@t.
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Daß solche Einrichtungen in flüssigkeitsgefüllten Rohren nicht häufiger
an ewendet werden, dürfte insbesondere folgende Gründe haben: - Sie sind verhältnismäßig
kompliziert.
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- Die dauerhafte Verbindung von Gummikeilen und Rohrwand bereitet
Schwierigkeiten, insbesondere bei wechselnder Druckbeanspruchung und großen Strömungsgeschwindigkeiten.
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Losreißen von Stücken des Materials kann zur Verstopfung von Ventilen
usw führen.
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Die vorliegende Erfindung schafft nun eine sehr dauerhafte Vorrichtung
zur Verminderung der Schallausbreitung in flüssigkeitsgefüllten Leitungsrohren und
Kanälen, welche sowohl
Schalldämpfung als auch Schalldämmung erreicht.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß die Verminderung der Schallausbreitung
sehr wirksam dadurch erreicht werden kann, daß die Schallwellen in der flüssigkeitsgefüllten
leitung zunächst an einem Absorber entlanglaufen, wobei Schallenergie teilweise
in Wärmeenergie umgewandelt wird.
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Die ßchallenergie, die dabei nicht absorbiert wird soll reflektiert
werden und dadurch nicht in den akustisch zu isolierenden Teil der Leitung hineinlaufen,
sondern erneut am Absorber entlanglaufen.
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Die Erfindung besteht darin, daß die Vorrichtung aus einer steifen
bzw. festen z.B. metallischen Unterlage besteht, deren Oberfläche mit Vertiefungen
versehen ist, welche mit leicht komprimierbarem Material gefüllt s@nd und daß diese
Oberfläche mit einem nachgiebigen Material überzogen ist, Im einfachsten Falle wird
man als lecht komprimierbares tUterial luft verwenden, in anderen Fällen wird man
Schaumstoffe oder Porengummi anwenden. Der Schallwechseldruck der an die Einrichtung
grenzenden Flüssigkeit führt zu wechselnden Deformationen des nach iebigen Materials
im Bereich der Vertiefungen. Dabei wird ein Teil der Verformungsenergie durch innere
Reibung im nachgiebigen Material in Wärme überführt und somit der Schallwelle Energie
entzogen.
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Die Vertiefungen können Rillen sein, es i zweckmäßig, wenn sie untereinander
verbunden sind. Damit nicht am Anfang der Vorrichtung Reflexion der Schallenergie
auftritt, ist es
zweckmäßig, daß die Dichte der Vertiefungen vom
einen Ende der Vorrichtung zur Mitte hin zunimmt. Die Dichtekann auch bis zum anderen
Ende der Vorrichtung hin zunehmen, wenn Schalleinfall nur aus einer Richtung erwartet
wird.
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Zweckmäßig ist es, wenn die steife, z.B. metallische Unterlage ein
Stab ist. Dann gewinnt die gesamte Vorrichtung stabförmiges Aussehen und kann somit
in das Innere des flüssigkeitsgefüllten Rohres oder Kanales eingebracht werden0
Die steife Unterlage kann aber auch ein Rohr mit an der Innenseite angebrachten
Vertiefunglen sein. Die Vorrichtung wird dann als eil der flüssigkeitsgefüllten
leitung ausgebildet. Die steife Unterlage kann aber neben den Vertiefungen an der
Innenseite auch Vertiefungen an der Außenseite aufweisen und wird dann so in die
Flüssigkeitsleitung eingebaut, daß diese rohrförmige Vorrichtung sowchl von innen
als @on außen durch die Flus' sigkeit umspült wird.
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Das nachgiebige Material hat zweckmäßigerweise die Form eines Schlauches.
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Es kann aber auch vorteilhaft sein* die Nachgiebigkeit des Sohlauches
entlang seiner Achse dadurch zu verändern, daß die Wandstärke des Schlauches entlang
seiner achse verändert wird (bzw. daß über den ersten Schlauch ein oder mehrere
andere von geringerer Länge geschoben werden), oder daß sich die Materialeigenzchaften
entlang der Schlauchachse verändern.
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Die Vertiefungen können in Form von Rillen in der Oberfläche der steifen
Unterlage eingebracht sein. Es kann aber z.B.
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auch Draht auf die Oberfläche der steifen Unterlage aufgebracht sein,
wobei die Zwischenräume «wischen den einzelnen Drahtwindungen die Vertiefungen bilden,
Die Vorrichtung kann in das Innere eines Rohres hereingehängt werden, indem sie
an den Wandung befestigt ist. Das Befestigen an den Wandungen ist aber nicht unbedingt
erforderlich, wenn der Stab gekrümtat ist und in eine Biegung des flüssigkeitsgefüllten
Rohres oder Kanales eingekgt ist.
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Eine andere Ausführungsform der Vorrichtung soll dazu dienen, die
Ausbreitung der Schallwellen sowohl. entlang der Flüssigkeitssäule als auch entlang
der festen Wände (z.B. Rohrwand) zu vermindern. Die feste Unterlage wird @n dem
Fall durch einen fitoll- oder Faltenbalg gebildet. Die vertiefunglen sind dabei
von selbst vorhanden und können zur weiteren Reduzierung der Körperschall-Leitung
mit schwingungsdämpfendem Material ausgeftilit sein (evtl. nur teilweise, falls
das schwingung* dämpfende Material nicht leicht kompressibel ist). Diese Ausführung
dient gleichzeitig zur Kompensation von temperaturbedingten Längenängerungen der
Flüssigkeitsleitungen.
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Das Wesen der vorliegenden Erfindung ist anhand von in der Zeichnung
schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig.
1 einen Schnitt durch die Vorrichtung der Erfindung mit Vertiefungen gleichen Querschnittes
im gleichen Abstand.
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Fig 2 einen Schnitt durch eine andere Vorrichtung der Erfindung, welche
Vertiefungen unterschiedlichen Querschnittes mit unterschiedlichen Abständen aufweist*
Fig.
3 einen Schnitt durch eie Vorrichtung mit mehreren schmalen und einer sehr breiten
Vertiefung.
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Fig, 4 einen Schnitt durch eine an einer Rohrwandung angebrachte Vorrichtung.
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Fig. 5 einen Schnitt durch eine Vorrichtung mit einer Drahtwendel
Fig. E einen Schnitt durch eine Belüftungsvorrichtung für die erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Fig. 7 die Anordnung mehrerer Vorr@chtunglen der vorliegenden Erfindung
in einem Leitungsrohr als Schnittdarstellung durch das Leitungsrohr.
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Fig.8 eine andere Anordnung mehrerer Vorrichtungen der vorliegenden
Erfindung in Aussparungen der Wandungen eines Leitungsrohres als o'ohnittdarst ellung
durch das Leutungsrohr.
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Fig. 9 eine andere gekrümmte Ausführung der Vorrichtung der vorliegenden
Erfindung für die Unterbringung in einer Rohrbiegung.
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Fig.10 eine andere Vorrichtung der vorliegenden Erfindung mit einem
zwischen zwei Rohrstücke eingesetzten Wellbaig Die Vorrichtung der Fig. l@besteht
aus einer oder mehreren Sc@ichten aus nachgiebigem Material 1 (z.B. Gummi) und aus
einer darunterliegenden festen Unterlage 2 (z.B, tIetall," fester steifer Kunststoff
o.dgl.). Bei dem nachgiebigen Material soll es sich nach Möglichkeit um ein solches
handeln, daß möglichst stark verlust behaftet ist (der Realteil der Wandimpedanz
soll mbgiichst groß, sein). Die Oberfläche dieser Unterlage ist mit Vertiefungen
5 versehen, welche z.B.
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mit luft gefüllt sind. Der Schallwechseldruck in der die Vorrichtung
umgebenden Flüssigkeit 4 führt zu wechselnden
Deformationen des
nachgiebigen Materials im Bereich der Vertierungen. Dabei wird ein Teil der Verformungsenergie
durch innere Reibung im nachgiebig@n Material in Wärme überf hrt und somit der Schallwelle
Energie entzogen.
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Die beschriebene Vorrichtung hat wegen der Lufteinschlüsse eine Wandimpedanz,
die sich in der Regel von der charakteristischen akustischen Impedanz der Flüssigkeit
stark unterscheidet0 Die Wandimpedanz der Vorrichtung soll an dem der Schallquelle
z!ewandten ;nde ungefähr die gleiche sein wie die charakteristische akustische Im
edanz der Flüssigkeit (bzw. Die gleiche wie die Wandimpedanz der flüssigkeitsgefällten
Leitung) und soll erst über eine längere strecke hin sich kontinuierlich oder in
kleinen Stufen ändern. Andernfalls würde durch Fehlanpassung Reflexion von Schallenergie
schon an dem der Schallquelle zugewandten Ende erfolgen.
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Die Anpassung wird z.B. dadurch bewirkt, daß die Breite und (oder)
der gegenseitige Abstand der Vertiefungen monoton verändert werden (Fig.2): An der
der Schallquelle S zugewandten Seite der Vorrichtung sind die Vertiefungen schmal
und die Abstande breit, auf der der Schallquelle abgewan@ten Seite dagegen sind
die Abstände schmal und die Vertiefungen breit.
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Die Reflexion von Sohallenergie an der der Schallquelle abgewandten
Seite der Vorrichtung kann Je nach Frequenzbereich durch zwei unterschiedliche Mechanismen
hervorgerufen werden: - Bei hohen Frequenzen tritt eine Dämmung des Schalls auf.
Die obere Grenzfrequenz, bis zu weicher Dämmung auftritt, wird im wesentlichen durch
die geometrische Anordnung der Vorrichtung und der Leitung festg-elegt.
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Die untere Grenzfrequenz, bis zu welcher Dämmung auftritt, wird im
wesentlichen durch die elastischen Eigenschaften
der Vorrichtung
bestimmt0 Je leichter sich deren Oberfläche deformieren läft, umso niedriger ist
die untere Grenzfrequenz.
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Bei Frequenzen, die noch niedriger sind als die genannte untere Grenzfrequenz,
kann Schallenergie bis zu dem der Schallquelle abgewandten Ende der Vorrichtung
gelangen.
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Reflexion des schalls und somit erneutes Entlanglaufen der Schallwellen
an der Vorrichtung wird hier durch bewußte Fehlanpassung der Wandimpedanz am Ende
derVorrichtung erreicht0 Falls die die Vorrichtung umgebende Flüssigkeit unter höherem
statischen Druck steht, als das Innere der Vorrichtung, wird die Druckdifferenz
durch elastische Verformung der nachgiebigen Schicht aufgefangen. Solange diese
dabei nicht vollständig in die Vertiefung gepreßt wird, behält die Vorrichtun im
wesentlichen ihre Wirksamkeit.
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Je größer die auftretenden Druckdifferenzen sind, umso größer muß
also die Steifigkeit des elastischen 1aterials sein, was in der Regel die Wirksamkeit
der Vorrichtung herabsetzen wird. Um optimale Wirksamkeit derVorrichtung zu erzielen,
empfiehlt es sich deshalb, vor dem Einbau der Vorrichtung in dieser den Luftdruck
an die Betriebsbedingungen anzupassen. Noch vorteilhafter ist es wenn die Vorrichtung
flach dem Einbau von außen belüftet und somit der Luftdruck leicht an unterschiedliche
Betriebsbedingungen angepaßt werden kann Falls der in der umgebenden Flüssigkeit
herrschende statische Druck ober größeren Schwankungen unterworfen ist, dürfte
eine
Nachregulierung des Luftdruckes von außen in der Regel zu aufwendig sein Selbsttätige
anpassung des Sultdruckes an den Außendruck erhält man folgendermaßen (Fig.3): Die
Vertiefungen hängen zusammen, so daß innerhalb der Vorrichtung Druckausgleich zwischen
den Vertiefungenmöglich ist.
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Auf der der Schasllquelle abgewandten Seite soll die Vorrichtung so
gestaltet sein, daß durch Änderunglen des Außendrucks relativ große Verformangen
der elast,-ischen Schicht hervorgerufen werden (z.B. durch eine sehr breite Vertiefung
5). Durch die damit erzielte Änderung des Luftvolumens kann der eingeschlossenen
Luft somit innorialb gewisser Grenzen der Außendruck aufgeprägt werden.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind die in den Fig. 4 bis 6 dargestellten.
Bei ihnen sind sowohl die nachgiebige Schiebt als auch die feste Unterlage rotationssymmetrisch,
d.h. die Unterlage besteht aus einem Stab 6, welcher z.B.
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mit (nicht notwendig ringförmigen) Nuten versehen tst.
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Über diesen tsb wird ein Schlauch 7 aus elastischem Material (vorzugsweise
Gummischlauch) geschoben, wobei an den Enden des Schlauches ausreichende Abdichtung
der eingeschlossenen Luft gegenüber der Flüssigkeit gewährleistet sein muß.
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Die Form und der Abstand der in den Stab eingelassenen Nuten soll
sich nach den oben angegebenen Forderungen einer Absorption und Reflexion nehten.
An Stelle von Nuten uterschiedlicher Form kann auch gemäß Fig. 5 um den Stab 6 Draht
12 gewickelt und befestigt werden (z.B. durch L8ten oder Kleben). Die Wicklung erfolgt
in der Weise, daß auf dr einen Seite des Stabes die Daabtwicklungen eng aneinanderliegen.
Die Steigung dieser Drahtwieklung und damit die Größe der Zwischenräume soll nach
dem anderen Ende zu größer
werden. Da@urch wird Anpassung der Wandimpedant
erreicht.
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Die schraubenlinienförmige Wicklung des Drahten bewirkt außerdem die
gewünschts Verbindung der Vertiefungen untereinander Zusäi;zlich können am Stab
noch die vorgesehenen Vertiefungen 5 angebracht werden.
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Zur Abdichtung des Innenraumes der Vorrichtung und zur Fixierung des
(Gummi-)Schlauches können die auf dem Stab angebrachten kegelförmigen Hülsen 13
dienen.
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Eine Belüftbarkeit der Vorrichtung läßt sich einfach, z.B.
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auf die in Fig. 6 skizzierte Weise, erreichen: An dem Ejnde des Stabes
6 wird ein Stab 14 angelötet, Beide Stäbe sind in geeigneter Weise so gefräst oder
gebohrt, daß über den luftgefüllten kanal 15,16 auch nach dem Einbau der Vorrichtung
deren Inneres von außen zugänglich bleibt. Die.
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Bohrung 16 wird nach außen hin auf an sich bekannte Weis mit einem
Ventil 17 abgeschlossen.
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leichte Belüftbarkeit hat. den Vorteil, daß die Vorrichtung auch bei
sehr hoben statischen Flüssigkeitsdrücken betrieben werden kann Erst, wenn die Dichte
des in der Vorrichtung eingeschlossenen Gases in die Größenordnung der Flüssigkeitsdichte
kommt, wird die Vorrichtung wirkungslos. Dies dürfte in der Regel erst bei einem
Druck von einigen 100-bar der Fall sein.
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Zur Befestigung der Vorrichtung ist es günstig, die Enden des festen
Stabes 6 (Fig.4) umzubicgen und an der Rohrwand 6
-oder an anderer
Stelle zu verschrauben. Bei Verschraubung an der Rohrwand muß eine Abdichtung der
Verbindung auf an sich bekannte Weise vorge e'-en sein (z.E. aufgelöteter Ring 9,
Dichtungsring 10, Mutter 11).
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Bei kleinen Leitungsquerschnitten wird es meist genügen, wenn eine
einzige Vorrichtung in der Leitung befestigt wird.
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Bei größeren Leitungsquerschnitten ist es vorteilhaft, mehrere Vorrichtungen
über den Querschnitt zu verteilen. Dadurch kann die Wirkung verstärkt werden. Fig.
7 zeigt ein 3eipiel, in welchem sechs Vorrichtungen 18 gleichmäßig über den Um--fang
der Leitung 19 verteilt sind.
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Insbesondere dort, wo größere Ströungsgeschwindigkeiten der Flüssigkeit
auftreten, kann es zwecknäfig sein, die Vorrichtungen in Vertiefungen der Wand oder
anderer Teile (z.B. Umlenkschaufeln) einzulassen. Dies kanninsbesondere zum Schutz
der Vorrichtung gegen Beschädigung und zur Verminderung von Strömungswiderstand
und Strömungsgeräusch dienen. Es Kann dabei zweckmäßig sein, nur relativ schale
Verbindungsschlitze zum Inneren der Leitung bestehen zu lassen, Ein Beispiel für
eine Anordnung mit vier in die Wand eingelassenen Vorrichtungen zeigt Fig. 8.
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Die Vorrichtung kann leicht gebogen und dadurch dem Verlauf von gekrümmten
Rohrleitungen angepaßt werden. Dies gibt zugleich einfache Möglichkeiten zu@ Befestigung
(Fig.9).
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Für manche Fälle kann es zweckmäßig sein, @ie ganze Vorrichtung z.B.
schraubenlinienförmig aufzuwickeln und so in kürzere Rohrstücke einzubringen.
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Eine Weite e bevorzugte Ausführungsform ist in F g. 10 dargestellt.
Bei ihr wird die Rohrleitung 19 aufgetrennt und ein Well- oder Faltenbalg 20 eingesetzt.
Durch geeignete Wahl.
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des Materials (evtl. Metallblech oder Kunststoff) und durch geeignete
Formgebung soll der Well- oder Faltenbalg großen Flüssigkeitsdruckkräften standhalten
können, entlang der Längsachse aber leicht deformierbar sein. Der Well- oder Faltenbalg
dämmt die Ausbreitung von Körperschall entlang der Rohrleitung. Zusätzlich kann
auch noch Dämpfung des Wörperschalls dadurch bewirkt werden, daß die Vertiefungen
des Well- oder Faltenbalges innen und/oder außen ganz oder nur teilweise mit schwingungsdämpfendem
Material 21 ausgekleidet oder gefüllt sind. Falls das schwingungsdämpfende Mteria1
nicht leicht komprimierbar ißt, müssen die durch den Well-oder Faltenbalg gebildeten
Vertiefungen innen zusätzlich.
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mit leicht komprimierbarem MAterial gefüllt sein. Der Well-oder Faltenbalg
wird zusammen mit den durch ihn: gebildeten Vertiefungen innen von einer oder mehren
Lagen aus nachgiebigem Material 22 bedeckt. Dabei mag es vorteilhaft sein, eine
Variation der Wandimpedanz dadurch zu erreichen, daß die Dicke des nachgiebigen
Materials entlang der Rohr achse verändert wird.
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Auch lt dieser Ausführungsform können die zuvor beschriebenen.
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Maßnahmen zur Anpassung der Wandimpedanz, zur Belüftbarkeit und zum
automatischen Druckausgleich angewandt werden.
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Je nach dem speziellen Anwendungsfall bieten auch andere Ausführungsformen
Vorteile: Die feste Unterlage 2 ist ei.ne ebene Platte mit entsprechenden Vertiefungen.
ie wird auf einer oder beiden Seiten von der elastischen Schicht 1 eingehüllt.
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Je nach der geometrischen Gestaltung der Flüssigkeitsgefü@lten Leitung
können auch beliebig gekrümmte Flächen mit Vertiefunglen versehen und mit einer
elastischen Schicht überdeckt werden, wobei die Wirkungsweise die gleiche wie bei
den bisher beschriebenen Vorrichtungen sein soll.
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Die wesentlichsten mit der F£indung erzielbaren Vorteile gegenüber
dem Stand der Technik sind@ Gute Schallisolierung durch Kombination von Schalldämmung
und Schalldämpfung, Die Vorrichtung ist aus üblichen Materialien leicht herstellbar.
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Die Herstellung ist billig Die Vorrichtung weist eine relative hohe
mechanische Stabilität auf.
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Dadurch, daß weiches Material nur im Inneren voa Leitungen angebracht
ist* besteht keine Gefahr, daß Flüssigkeit nach außen austritt (z.B. Leitungswasserschäden).
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Lange Lebensdauer durch robusten Aufbau.
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Die Vorrichtung ist leicht einzubauen, auch in bereits vor andene
Anlagen.
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Die Verbindung von Vorrichtting und Rohrwand ist problemlos.
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Die Vorr;chtung kann leicht gebogen und somit auch in gekriimnite
Leitungen eingebaut werden.
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Die Vorrichtung stört die Strömung wenig.
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Es können beliebig viele Vorrichtungen über den Quer-Schnitt verteilt
werden.
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Die Yorrichtung kann in die Wand eingebaut werden.
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Die Vorrichtung kann sich wenhselndem statischen Druck automatisch
anpassen.
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Durch Belüftung von außen kann die Vorrichtung auch bei großem statischen
Druck verwendet werden.
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Durch die einf@che Oberflächengestaltung (keine Klebestellen) erfüllt
die Vorrichtung hohe hygienische Anforderungen.