DE2321649A1

DE2321649A1 - Vorrichtung und verfahren zum mindern von geraeuschen

Info

Publication number: DE2321649A1
Application number: DE2321649A
Authority: DE
Inventors: Richard E Van Doeren
Original assignee: Donaldson Co Inc
Current assignee: Donaldson Co Inc
Priority date: 1972-04-28
Filing date: 1973-04-28
Publication date: 1973-11-15
Also published as: SU576972A3; DE2321649C2; AU5459773A; FR2182463A5; CA981130A; AU472372B2; JPS4941738A; GB1431662A; IT998103B; US3776364A

Description

Donaldson Company, Inc., Minneapolis, Minn., 14oo West 94th Street (V.St.A.)

"Vorrichtung und Verfahren zum Mindern von Geräuschen"

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und ein Verfahren zum Mindern von Geräuschen, die von einem bewegten Medium, wie z.B. einem Gas in einem Kanal mitgeführt werden und bezieht sich im besonderen- auf derartige Verfahren und Vorrichtungen, bei denen akustische Richtungskoppler benutzt werden.

Trotz umfangreicher Bemühungen, besonders in den letzten vierzig oder fünfzig Jahren, sieht sich die Industrie immer noch großen Problemen bezüglich der Dämpfung von Geräuschen gegenübergestellt, die von bewegten Medien in Kanälen oder Leitungen mitgeführt werden.

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Es ist seit vielen Jahren kein bedeutsamer Durchbruch in der Technik oder Wissenschaft der Geräuschdämmung erfolgt. Die jüngsten Entwicklungen sind alle Abwandlungen oder Kombinationen des Standes der Technik, die wohl einige Verbesserungen bieten mögen, aber keine Durchbrüche darstellen. Im Gegensatz zu diesen anderen Entwicklungen schafft die vorliegende Erfindung einen größeren Durchbruch in der Technik der Geräuschdämpfung. Die Verwendung akustischer Richtungskoppler zum Abscheiden oder anderweitiger Vernichtung unerwünschter Geräusche in bewegten Strömungsmedieh ist ein vollständig neues Konzept.

Eine Durchsicht der Literatur resultierte in der Auffindung von nur zwei Veröffentlichungen, in denen auf akustische Richtungskoppler Bezug genommen wurde. Ein Artikel unter dem Titel "Kopplung durch eine kleine öffnung in einem Wellenleiter" von J. Van Bladel wurde im Band 47 (197o) des Journal of the Acoustical Society_df America, Seite 2o2, veröffentlicht. Der Artikel erläutert auf theoretischer Grundlage den Betrieb eines zweilochigen Richtungskopplers. Irgendeine praktische Verwendung des Kopplers wird jedoch nicht erwähnt. Der andere Artikel unter dem Titel "Die Verwirklichung eines akustischen Richtungskoppler" von P. Lagasse wurde in J. Sound Vibration (1971) 15 (3), 367-372, veröffentlicht. In diesem Artikel ist die Konstruktion eines akustischen Richtungskopplers dargestellt. Der Artikel offenbart einen Koppler mit einer dicken Mittelwand, durch die die Koppelglieder hindurchgehen, im Gegensatz zu der sehr dünnen Mittelwand der vorliegenden Erfindung. Der Verfasser beschreibt eine Anwendung des Kopplers als eine Vorrichtung für die Direktmessung

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des akustischen Reflektionbeiwerts von Werkstoffen. Über die Nutzung eines akustischen Richtungskopplers in irgendeiner Art von Schalldämpfungssystem ist jedoch nichts erwähnt. Zudem enthält keiner der Artikel irgendeinen Hinweis auf die Abscheidung oder Vernichtung der von einem bewegten Strömungsmittel mitgeführten Schällenergie, wie z.B. das Geräusch, das von den. von einem Motor abgegebenen Auspuffgasen mitgeführt wird.

Abgesehen von diesen beiden Artikeln sollte erkannt werden, daß umfangreiche. Bemühungen.bei der Entwicklung von Richtungskopplern für Mikrowellenkreise seit Beginn des zweiten Weltkrieges aufgewandt worden sind. Richtungskoppler werden seit langem in Wellenleitersystemen benutzt, um elektromagnetische Energie von einem Wellenleiter zum anderen zu koppeln. Wegen der Bedeutung der Radarsysteme und Mikrowellenmeldesysteme, bei denen Wellenleiterübertragungsglieder benutzt werden, sind Richtungskoppler für den Einsatz in solchen Systemen hochentwickelt. Zwei US-Patente, die typische Richtkoppler für den Einsatz mit Wellenleitern offenbaren, sind die Patente 2.82o.2o3 und 2.871.452. Diese Patente werden lediglich als typisch erwähnt, weil viele andere Patente und Veröffentlichungen gefunden werden können, die sich auf Richtungskoppler für Mikrowellensysteme beziehen.

Der ErfindungsVorschlag weist darauf hin, daß die Grundtheorie akustischer Richtungskoppler und elektromagnetischer Koppler im analytischen Sinne die gleiche ist, wenn auch die Kopplungsmechanismen im Hinblick auf die Unterschiede in der Ausbreitung

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von elektromagnetischen Wellen und Schallwellen anders sind. Von einer konstruktiven Betrachtungsweise aus scheint es jedoch, daß die Theorie und die in der elektromagnetischen Kopplertechnik entwickelten Verfahren auch bei der Auslegung von akustischen Richtungskopplern benutzt werden können. Da die Konstruktion und der Betrieb von akustischen Richtungskopplern den gleichen Beschränkungen und mathematischen Betrachtungsweisen wie elektro- ι magnetische Koppler zu entsprechen scheinen, kann der Konstrukteur von akustischen Richtungskopplern sich an die Technik der elektromagnetischen Koppler als Konstruktionshilfe halten. Die Lehren der elektromagnetischen Kopplertechnik werden besonders nützlich bei der Konstruktion solcher akustischer Koppler sein, die über einen relativ breiten Frequenzbereich eine hohe Richtkraft haben. Zum Beispiel offenbart das vorhin erwähnte US-Patent 2.82o.2o3 eine besondere Anordnung von Koppelgliedern, von der gesagt wird, daß sie die Richtkraft eines elektromagnetischen Kopplers verbessert. Dieselbe allgemeine Theorie kann für die Auslegung von Richtglxederanordnungen für akustische Richtungskoppler benutzt werden.

Weitere Veröffentlichungen, in der nützliche Theorien über die Konstruktion von Richtungskopplern enthalten sind, sind die folgenden:

"A Mathematical Theory of Directional Couplers" von Henry J. Riblet, Proceedings of IRE, November 19M7, Seiten 13o7 - 1313; "Directional Coupler Design Nomograms" von Tore N. Anderson, Microwave Journal, Mai 1959, Seiten 34 - 38; und "The Design of Multihole Coupling Arrays" von Edward S. Hensberger, Microwave Journal, August 1959, Seiten 38 - 42.

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Aus begrifflicher Sicht ist die vorliegende Erfindung die Erkenntnis, daß akustische Richtungskoppler zur Beherrschung von Geräuschen in Form von Schallwellen eingesetzt werden können, die durch einen Arbeitsmittelfluß führenden Kanal oder eine derartige Leitung übertragen werden. Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung ist eine Geräuschdämpfung möglich, ohne den Medienfluß durch den Kanal oder die Leitung wesentlich zu beschränken. Dies ist ein enormer Vorteil gegenüber Systemen entsprechend dem Stand der Technik, die zwecks Erzielung einer Geräuschdämpfung eine Beschränkung des Medienflusses verlangen. Bei einer Form der vorliegenden Erfindung wird ein akustischer Koppler benutzt, um Schallenergie von einer Leitung durch Koppelglieder in eine mit schallschluckendem Material versehene getrennte Kammer zu übertragen oder zu koppeln. Die Schallenergie wird bei minimaler Beeinträchtigung des freien Flusses der Gase durch die Leitung in die Kammer gekoppelt. Bei anderen Formen der vorliegenden Erfindung werden die Möglichkeiten von akustischen Richtkopplern genutzt, um Schallwellen ohne Begrenzung des Gasstroms durch den Koppler zur Quelle zurückzureflektieren. Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung wird denjenigen, die sich mit der Konstruktion von Vorrichtungen zur Dämpfung von durch Kanäle oder Leitungen mitgeführten Geräusche befassen, ein ~ vollkommen neues Verfahren für die Erfüllung dieser Aufgabe in die Hand gegeben. Wie an späterer Stelle zu beschreiben sein wird, können die akustischen Richtungskoppler entweder allein oder in Verbindung mit anderen Dämpfern eingesetzt werden.

Fig. 1 ist eine im Schnitt dargestellte schematische Seitenansicht eines symmetrischen zweigliedrigen akustischen Richtungskopplers;

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Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2

in Fig. 1; ■
Fig. 3 zeigt ein System zum Dämpfen von Motorauspuffgeräuschen

unter Verwendung eines Kopplers OdB; Fig. 4 zeigt einen einzelnen Koppler 3dB, der als Geräusch-

reflektionsvorrichtung konstruiert ist, und Fig. 5 zeigt die Verwendung eines Kopplers OdB in einer Ausführung als Geräuschreflektionsvorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine Grundform des akustischen Richtungskopplers Io, die in den hier beschriebenen verschiedenen Systemen benutzt werden wird. Der Koppler io enthält ein erstes rohrförmiges Glied bzw. eine Leitung 11 mit einer Eintrittsöffnung 1 und einer Austrittsöffnung 3, das Seite an Seite im wesentlichen parallel an einem zweiten rohrförmigen Glied bzw. einer Leitung 12 mit offenen Endstücken 2 und 4 befestigt ist. Die Leitungen 11 und 12 könn,en eine beliebige und sich voneinander unterscheidende Querschnittsform haben. Wenn die Leitungen 11 und 12 in Querschnitt und Gestalt gleich sind, wird vom Koppler als ein symmetrischer Koppler gesprochen. Die Leitungen 11 und 12 sind über'eine bestimmte Entfernung durch eine gemeinsame, relativ dünne Wand 13 zusammengefügt, in der mindestens ein Paar Kopplungsglieder 14 und 15 angebracht ist. Wie in Fig. 2 dargestellt, kann die gemeinsame Wand 13 relativ flach sein, damit ein ausreichender gemeinsamer Wandraum für die Kopplungsglieder 14 und 15 geschaffen wird. Ob dies notwendig ist, hängt von der Größe der benötigten Kopplungsglieder ab. Bei einer typischen Anwendung der vorliegenden Erfindung, dem Auspuffdämpfer für einen Motor, können die

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Leitungen 11 und 12,aus dünnwandigen Stahlrohren bestehen, die Seite an Seite anexnandergeschweißt werden, so daß es sich bei der Wand 13 um eine Doppelwand handelt. Falls erwünscht und wenn die Anwendung dies zuläßt, kann es sich bei den Koppelgliedern um öffnungen mit Membranabdeckung handeln. Die Membranen vibrieren unter dem Einfluß von Schallenergie und koppeln dadurch die Energie von einer Leitung zur andern.

Falls Kanal 1 des Kopplers Io an den Auspuffaustrittskanal eines Motors oder einer anderen Vorrichtung mit geräuschvoll austretendem Abgas angeschlossen wird, strömen die Auspuffgase frei durch die Leitung 11. Der größte Teil der Auspuffgase wird durch Kanal 3 abgegeben. Wenn es sich jedoch bei den Koppelgliedern 14 und 15 um öffnungen handelt, tritt ein Teil der Auspuffgase nach oben durch öffnungen 14 und 15 in die Leitung 12, soweit einer der Kanäle 2 und 4 oder beide geöffnet sind und somit die Abgabe des Auspuffgases davon ermöglichen. Im Grunde jedoch sollte die Leitung 11 so ausgelegt sein, daß dadurch ein relativ unbeschränkter Strömungspfad für die Auspuffgase geschaffen wird.

Ein Koppler der in Fig. 1 dargestellten Ausführungs ist in der i

I Lage, Schallenergie von einer Leitung zur anderen zu übertragen, ' ohne den Gasstrom unbillig einzuschränken und ohne mehr als einen ' unbedeutenden Betrag der übertragenen Energie zu absorbieren. Diese ! Übertragung wird durch Einbau der Koppelglieder 14 und 15 entlang des Wellenausbreitungskanals erzielt. Die Kopplungsglieder können so ausgelegt werden, daß sie jede beliebige Menge zwischen NuIlleistung und voller Leistung von einer Leitung zur anderen übertragen.

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In den hier zu beschreibenden Systemen übertragen die Koppler gewöhnlich entweder eine halbe Leistung oder die volle Leistung. Die Koppelbezeichnung in dB gibt den Negativwert der Schalleistung an Kanal M- in bezug auf den Leistungseinfall an Kanal 1 in dB an. Die Bezeichnung OdB zeigt einen vollständigen Leistungsübertrag von einer Leitung zur anderen an. Die Bezeichnung 3dB weist auf die Übertragung einer halben Leistung hin. Deshalb würden,wenn Koppler Io in Fig. 1 als ein OdB Koppler ausgelegt wäre, bei einer besonderen Frequenz oder einem besonderen Frequenzbereich alle Schallenergien innerhalb dieses Frequenzbereiches von Leitung 11 an Leitung 12 übertragen, ohne den freien Durchgang der Auspuffgase durch die Leitung 11 wesentlich zu beeinträchtigen. In einem vollkommenen System würden keine Schallwellen innerhalb des Planfrequenzbereiches den Kanal 3 verlassen.

Der Koppler Io ist insoweit ein Richtungskoppler, als im Idealfall bei einer an Kanal 1 einfallenden Welle eine Energie vom Einfallkanal 1 zum Nebenkanal 2 gekoppelt werden könnte. Die gesamte Schallenergie verläßt Kanäle 3 und 4 in vom Kopplungsverhältnis abhängigen Mengen. Für einen akustischen Richtungskoppler ist es wünschenswert, ein niedriges Energieniveau an Kanal 2 auszukoppeln und einen niedrigen Reflektionsbeiwert in Kanal 1 Einblick zu geben. Das Verhältnis des gekoppelten Niveaus in Kanal 4 zu den in Kanal 2 in dB wird als "Richtkraft" des Kopplers definiert. Für symmetrische Koppler kann nachgewiesen werden, daß eine hohe Richtkraft äquivalent zu einem niedrigen Eingangsreflektionswert ist. Eine hohe Richtkraft innerhalb eines Frequenzbandes wird durch eine der Kopplungsöffnungen um eine Viertel-

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— Q _

wellenlänge von der Mittelfrequenz weg erreicht. Bei der Auslegung von akustischen Kopplern für die hier beschriebenen Systeme ist es wünschenswert, daß der Koppler in der Lage ist, Leistung wirksam über ein breites Frequenzband im Bereich des hörbaren Schalls zu übertragen. Ebenfalls erwünscht ist eine hohe Richtkraft, so daß von der gekoppelten Energie der wirksamste Gebrauch gemacht werden kann. Asymmetrische Richtungskoppler sind auf einige der hier beschriebenen Systeme ebenfalls anwendbar.

Fig. 3 offenbart eine Form von Dämpfer, bei dem der Eingangsteil 1 eines Kanals 17 an den Auspuff eines Motors angeschlossen ist. Die Auspuffgase treten frei durch Kanal 17 und werden bei 3 hinausgedrückt. Geräusche im Rahmen eines vorgegebenen Frequenzbereichs werden in eine Kammer 19 (entsprechend Leitung 12) über eine Mehrzahl von Kopplungsgliedern (Öffnungen 2o) in der gemeinsamen Wand zwischen Kanal 17 und Kammer 19 gekoppelt. Bei dieser Verkörperung sind die Kopplungsöffnungen 2o für die Kopplung der vollen Leistung (OdB) über einen relativ breiten Frequenzbereich ausgelegt.

Bei der Auslegung von akustischen Kopplern im Einsatz in Geräuschminderungssystemen gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Größe und Form der Kanäle und die Mittelfrequenz des zu dämpfenden Frequenzbandes ausgewählt. Auch wird die voraussichtliche Temperatur des Gases bestimmt. Die Teilung der Kopplungsglieder wird dann als ein ungerades Vielfaches der Viertelwellenlänge der Mittelfrequenz gewählt.. Die Zahl der Kopplun^sglieder von zwei an aufwärts kann mit einem Planaus-

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gleich zwischen erhöhter Länge und Aufwand sowie verbesserter Leistung gewählt werden. Dann müssen die Kopplungsbeiwerte und somit die Größen der Kopplungsglieder bestimmt werden. Di^ Gesamtgröße aller Kopplungsglieder bestimmt den Kopplungsgrad, d.h., ob der Koppler ein OdB oder 3-dB-Koppler oder ein anderer sein soll. Bei der Bestimmung der Einzelgrößen der Kopplungs-glieder muß auch die Größenverteilung, nämlich die , relative Größe der Kopplungsglieder in bezug zueinander, sorgfältig ausgewählt werden, damit eine hohe Richtkraft und ein niedriger Eingangsreflektionsbeiwert erreicht werden. Für Koppler mit mehr als zwei Gliedern werden die Größen der Kopplungsglieder von den Enden zur Mitte hin abgestuft, wobei die größten öffnungen in der Mitte liegen, um ein abruptes Koppeln zu verhindern, so daß Impedanzunterbrechungen auf ein Mindestmaß begrenzt werden und die Reflektion reduziert wird. Die tatsächliche Wahl der Koppelgliedgröße und -verteilung erfolgt nach den hier aufgeführten Grundsätzen und unter Bezugnahme auf die an anderer Stelle erwähnte elektromagnetische Kopplungstechnik.

Als Beispiel sei einmal angenommen, daß es erwünscht ist, den OdB-Koppler für vierzöllige Kanäle mit kreisförmigen Querschnitt und eine Planfrequenz von looo Hertz auszulegen. Die örtliche Temperatur wird mit 8oo° F angenommen. Wenn auch der in Fig. 3 dargestellte Koppler acht Koppelöffnungen 2o hat, so könnte jede beliebige Anzahl von Öffnungen von zwei an aufwärts benutzt werden. Aus Gründen der Einfachheit wird eine viergliedrige Auslegung vorgenommen.

Ein OdB-Koppler besagt, daß für das um die Planfrequenz liegende Frequenzband im wesentlichen alle an Kanal 1 einfallende Schall-

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energie in den Nebenkanal gekoppelt wird. Das bedeutet, daß in einer ersten Annäherung die Summe der Kopplungsbeiwerte der Einzelöffnungen eins sein muß:

C₁ = 1.0 (1)

Γ = 1

(für den Fall eines 3dB-Kopplers ist diese Summe 0,5).

Bei dieser viergliedrigen Auslegung wird Gleichung (1) reduziert auf:

C₁ + C₂ + C₃ + C₁₁ = 1,0 (2)

Es ist wünschenswert, durch Abstufung der Kopplungsbeiwerte der Einzelglieder von den Enden zur Mitte hin den Reflektionsbeiwert des Kopplers zu reduzieren und dadurch dessen Richtkraft zu maximieren. Eine übliche Verteilung, die auf dem Gebiet der Mxkrowellenkoppler nach dem auf Seite 3 (des Originaltextes) beschriebenen Vortrag von Hensberger benutzt wird, ist die "Tchebycheff"-Verteilung. Gemäß dieser Verteilung für vier Glieder sind die einzelnen Kopplungsglieder im Maßstab der folgenden Verhältnisse zu wählen:

Ι,οοο; 2,126; 2,126; 1,ooo (3)

Das bedeutet, daß die erste und vierte öffnung gleich sein muß, während die zweite und dritte um das 2,126fache höhere Kopplungsbeiwerte als die erste haben muß. Mit anderen Worten ausgedrückt:

C₂ = 2,126 C₁

C₃ = 2,126 C₁ 309846/0466 (¹O -"-

C₄ = C₁

Unter Bezugnahme auf Gleichung (2) können die erforderlichen Kopplungsbeiwerte errechnet werden:

C₁ + 2,126 C₁ + 2,126 C₁ + C₁ = 1 ,o oder

-- °'¹⁵⁹⁹

und dann:

I₂ = 2,126 C₁ = ο,3314- :₃ = 2,126 C₁ = ο,3314

:„ = α. = ο,1599

Die Kopplungsglieder sind um eine Viertelwellenlänge der Plan frequenz zu teilen. Beim vorliegenden Beispiel ist das

= o,436 ft

4 χ loo = 5,22 in.

(wo 1741 die Schallgeschwindigkeit in Fuß/Sek. bei 8oo° F ist).

Der verbleibende Schritt besteht darin, die Öffnungsgröße vorzuschreiben, die für die verlangten Kopplungsbeiwerte Cl bis C4 erforderlich ist. Diese kann man aus dem auf Seite 1 (des Originaltextes) erwähnten Vortrag von Van Bladel oder durch Experiment erhalten. Nachfolgend werden experimentelle Ergebnisse verwendet, obwohl die von Van Bladel abgeleitete Gleichung funktioniert, wenn auch mit einem kleinen Fehler.

Unsere Experimente für die Bestimmung der Kopplungsbeiwerte der Einzelöffnungen haben gezeigt, daß zur Erreichung der obigen

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theoretischen Werte die folgenden Querschnitte benötigt werden (für vierzöllige Kanäle): ·

A₁ = 1,697 -in.²
A₂ = 6,698 in.²
A₃ = 6,698 in.²
A^ = 1,697 in.²

In Kammer 19 wird ein schallschluckendes Material 21, wie z.B. Fiberglas eingesetzt, um das darin gekoppelte Geräusch zu schlucken. Die Enden der Kammer 19 (entsprechend Kanälen 2 und 4) sind geschlossen. In 'diesem Filter in Absorptxons aus führung wird die Schallenergie an eine Nebenleitung oder Kammer gekoppelt, wo sie ohne Beeinflussung des von den Abgasen gefolgten Strömungspfades durch Kanal 17 absorbiert werden kann. Falls erwünscht, können mehrere Absorptionsfilter wie das in Fig. 3 dargestellte, die jeweils für eine besondere Frequenz ausgelegt sind, in Reihe geschaltet werden, um wirksam einen breiteren Frequenzbereich zu umfassen. Eine Anzahl dieser Absorptionsfilter, von denen jedes sehr wirksam einen ziemlich engen Frequenzbereich umfaßt, können in Reihe geschaltet werden, um auf diese Weise insgesamt einen relativ breiten Frequenzbereich zu decken, ohne dabei eine wesentliche Beschränkung des AuspuffgasStroms durch den Kanal 17 zu verursachen. Falls erwünscht, kann das in Fig. 3 dargestellte Absorptionsfilter auch für den kombinierten Einsatz mit Standarddämpfersystemen geschaltet werden.

Ein Absorptionsfilter mit niedriger Reflektion, für das ein Beispiel in Fig. 3 dargestellt ist j hat den Vorteil, die Absorotionswirkung vom Motor und vom Stiximungspfad des Auspuff-

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gases zu isolieren. Hierdurch wird die Verwirklichung des maximalen Reflektionsbeiwerts von reflektiven (reaktiven) Geräten möglich, wie z.B. herkömmliche Dämpfer, und zwar unabhängig von ihrer Lage im Auspuffsystem, solange das Absorptionsfilter sich zwischen dem reflektiven Gerät und* dem Motor befindet.

Ein praktischer OdB-Koppler entfernt über 9o% der Schallr energie (um lodB reduzierte übertragene Leistung) über einem bestimmten Frequenzband und über 99% der Energie (um 2o dB reduzierte Übertragung) über einem engeren Band. Z.B. hat ein Labormodell eine Verminderung um Io dB über einem 37o-Hertz-Band für eine Planfrequenz von 8oo Hertz (eine 46%ige Bandbreite) und eine Minderung um 2odB über einem loo Hz Band (12,5%ige Bandbreite) ergeben. Der Versuch hat aufgezeigt, daß über dem Frequenzbereich von 7oo - looo Hz der in Kanal 1 einblickende Amplitudenreflektionsbeiwert niedriger als o,o8 war. Auf diese Weise kann ein praktischer OdB-Koppler als ein Gerät mit sehr niedriger Reflektion konstruiert werden.

Unter nochmaliger Bezugnahme auf Fig. 1 besteht eine sehr nützliche, den hier beschriebenen symmetrischen akustischen Kopplern innewohnende Eigenschaft darin, daß die den Kanal 4 verlassende Welle in bezug auf die an Kanal 3 austretende Welle in der Phase um 9o nachläuft. Somit ist'in einem symmetrischen 3dB-Koppler, bei dem eine Hälfte der Energie in Leitung 12 gekoppelt wird, die an Kanal 4· austretende Schallenergie in bezug _auf die ari ^ajial 3 austretende

_ Ί r _
J-O

verbleibende Schallenergie um 9ο phasenverschoben. Auf diese Weise kann ein symmetrischer akustischer Koppler als Phasenschieber eingesetzt werden.

Die Möglichkeiten des akustischen Kopplers als Phasenschieber können eingesetzt werden, um eine Schalldämpfung durch Löschung zu erreichen.

Eine weitere Ausführungsform eines Dämpfersystems mit Verwendung eines akustischen Kopplers ist in Fig. 3 dargestellt. Diese Dämpferausführung ist als "Bandstop-Filter" bezeichnet. Wiederum ist der akustische Koppler Io unter Beibehaltung des gleichen Kanalnumerierungsystems schematisch dargestellt. Wiederum treten die Auspuffgase und das Geräusch in Kanal 1 ein. Bei einem Bandstop-Filter dieser Art sind Kanäle 3 und 4 durch eine gekrümmte Leitung 32 verbunden, die den freien Durchfluß von Gasen und Schallwellen zwischen Kanälen 3 und 4 ermöglicht. Kanal 2 wird offen gelassen und stellt die Auspuffabgabeöffnung dar. Die Auspuffgase erhalten einen gleichmäßigen, unbehinderten Gasströmungspfad von Kanal 1 durch Kanal 3, Leitung 32, Kanal.4 und Kanal 2. In bezug auf die in Kanal 1 eintretenden Schallwellen': jedoch reflektiert das Bandstop-Filter nach Fig. 3 alle Schallwellen zur Quelle zurück. Die beiden Zahlen (l,o) an Kanal

1 stellen Schallwellen mit Einheitsamplitude dar, die sich im " Filter und daraus heraus ausbreiten, womit der Fall einer vollkommenen Reflektion gezeigt ist. Die Zahl (o,o) an Kanal

2 zeigt an, daß keine Schallenergie innerhalb des Planfrequenzbandes den Kanal 2 verläßt.

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Im Bandstop-Filter nach Fig. 3 wird ein 3dB-Koppler verwendet. Ausgangspunkt ist die Erkenntnis, daß zwei mit den Enden verbundene 3dB-Koppler einen zusammengesetzten OdB-Koppler umfassen. Wenn die die beiden 3dB-Koppler verbindenden Leitungen so gekreuzt werden, daß Kanal 3 des ersten an Kanal 2 des zweiten anschließt- und so fort, dann läßt der zusammengesetzte Koppler alle seine Energie an Kanal 3 erscheinen. Wenn dann Kanäle H und 3 des ersten Kopplers miteinander verbunden werden, ergibt sich die gleiche Situation, doch die gesamte Schallenergie breitet sich jetzt auf Kanal 1 aus (das Bild von Kanal 3 des zusammengesetzten kreuzweise angeschlossenen Kopplers). Auf diese Weise ergibt die Verbindung der Kanäle 3 und 4 eines symmetrischen 3dB-Kopplers in der dargestellten Weise eine reflektive Bandstop-Filter-Vorrichtung. Das Nettoergebnis besteht darin, daß die gesamte Energie in Richtung Quelle zurückreflektiert wird, wo sie allmählich in Form von Wärme vernichtet wird. Ein Vorteil dieser Bandstop-Ausbildung ist der, daß der Fluß der Auspuffgase vom Motor einem direkten Pfad folgen kann, ohne durch eine Kopplungskonstruktion hindurchgehen zu müssen. Diese Konstruktion begrenzt den durch einen unerwünschten Druckabfall verursachten Kraftverlust des Motors auf ein Mindestmaß. Falls erwünscht, kann eine Anzahl dieser Bandstop-Filter, die jeweils für einen be^ sonderen Frequenzbereich ausgelegt sind, zur Deckung eines breiten Geräuschfrequenzbandes in Reihe geschaltet werden.

Fig. 5 veranschaulicht, wie ein OdB-Koppler als Bandstop-Filter eingesetzt wird. In diesem Fall sind alle

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Kanäle geöffnet, ausgenommen Kanal 4, der blockiert ist. Die Energie wird vom blockierten Kanal 5 reflektiert und auf dem Rückweg vollkommen an Kanal 1 zurückgekoppelt. Wiederum wird die Schallenergie vollständig in Richtung Quelle zurückgekoppelt oder zurückreflektiert. Diese Bandstop-Ausführung gestattet einen gerade durchgehenden, biegungsfreien (Kanal 1 - Kanal 3) Pfad für die Auspuffgase und hat selbst im Vergleich mit der früheren 3dB-Bandstop-Ausführung fast keinen Gegendruck. In Kauf zu nehmen ist, daß gewöhnlich für eine OdB-Kopplerausführung eine größere Länge erforderlich ist.

Wenn auch die obige Offenbarung im Sinne der Erzielung von Richtbarkeit durch Teilung der Kopplungsglieder voneinander um eine Viertelwellenlänge niedergeschrieben worden ist, so ist doch zu beachten, daß auch jeder andere Koppler mit ungerader Viertelwellenlänge eine hohe Richtkraft hat. Die Teilung der Kopplungsglieder kann um eine Viertelwellenlänge oder jedes beliebige ungerade Mehrfache davon erfolgen. Eine Teilung um drei Viertelwellenlängen mag erforderlich sein, wenn der Versuch zum gerichteten Koppeln von Hochfrequenzschallenergie unternommen wird. Bei hohen Frequenzen sind um eine Viertelwellenlänge voneinander geteilte Koppelglieder für eine wirksame Richtungskopplung zu nahe beieinander. Soweit in dieser Schrift der Ausdruck "ungerades Mehrfaches" benutzt wird, schließt dieser sowohl eine Viertelwellenlänge als auch Mehrfache von 3,5 7 etc. ein.

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Wenn auch viele der oben beschriebenen Verkörperungen im Sinne ihrer Verwendung in Motorauspuffsystemen beschrieben worden sind, so ist doch anzumerken, daß ihr Einsatz auf dieses Anwendungsgebiet nicht begrenzt ist. Es können gleiche oder ähnliche Vorrichtungen und Systeme beispielsweise als Geräuschdämpfer für Luftkanäle oder als Ansauggeräuschdämpfer bei Motoren¹verwendet werden.

Patentansprüche:

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Claims

P atentansprüche:

1.) Vorrichtung zum Abscheiden von Schallenergie in Form von Wellen von einem bewegten Strömungsmittel, gekennzeichnet durch:

a) einen Kanal zur Führung des genannten Strömungsmittels und der genannten Schallenergie,

b) Mittel in Form einer Kammer neben dem genannten Kanal, die von diesem durch eine Viand getrennt ist, und mindestens.

c) ein Paar Koppelglieder in der genannten Wand,

die entlang des Pfades der genannten Schallenergie um einen Abstand von ca. einem ungeraden Mehrfachen einer Viertelwellenlänge der Frequenz der abzuscheidenden Welle voneinander geteilt und in ihrer Größe so bemessen sind, daß sie einen vorgegebenen wesentlichen Teil der genannten Schallenergie vom genannten Kanal in die genannte Kammer koppeln, wobei die Koppelglieder weiterhin in Beziehung zueinander so bemessen sind, daß die gekoppelte Energie mit einem hohen Grad an Richtbarkeit gekoppelt wird.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Vorrichtung ein Apparat zum Dämpfen von Schallenergie in Form von Schallwellen bekannter

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Frequenz In einem System mit Schallwellen- und Strömungsmitteldurchgang ist und wobei der genannten Kammer Mittel zum Vernichten der darin gekoppelten Schallenergie zugeordnet sind.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eintritt des genannten Kanals an den Auspuffaustritt eines Motors angeschlossen ist.

K. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Absorptionsmittel in der genannten Kammer zum Absorbieren der darin gekoppelten Schallenergie befestigt sind.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Kammer durch einen zweiten Kanal gebildet wird, der eine Austrittsöffnung für die genannte darin gekoppelte Schallenergie hat und bei der Mittel an die genannte Austrittsöffnung des genannten zweiten Kanals zur Vernichtung der genannten, darin gekoppelten Schallenergie angekoppelt sind. '

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,daß der Kanal und die Kammer durch ein erstes und ein zweites Rohr in im wesentlichen paralleler Anordnung gebildet werden, die die genannten Koppelglieder in aneinander angrenzenden Wänden haben, wobei das genannte erste Rohr offene Enden für den freien Durchfluß eines Strömungs-

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mittels und das genannte zweite Rohr geschlossene Enden hat und ein schallenergxeschluckendes Material enthält.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal und Kammer gebildet werden durch ein erstes und ein zweites rohrförmiges Teil in im wesentlichen paralleler Anordnung, die beide gegenüberliegende offene Enden zum Ermöglichen eines freien Mediendurchflusses haben und in denen im wesentlichen die gesamte Schallenergie, die vorn ersten Rohrteil ins zweite Rohrteil gekoppelt wird, weiterhin im zweiten Rohrteil in die gleiche Richtung wandert, jedoch eine Phasenverschiebung um 9o° während des Kopplungsprozesses erfährt, wobei die genannten Koppelglieder so bemessen sind, daß sie ca. die Hälfte der Schallenergie vom genannten ersten Rohrteil zum genannten zweiten Rohrteil koppeln. Weiterhin sind Mittel sum Fördern von Strömungsmitteln vom Strömungsmittelaustritt des genannten ersten Rohrteils im angrenzenden Ende des zweiten Rohrteils enthalten, um den freien Durchgang von Strömungsmitteln durch den genannten ersten Rohrteil in einer Richtung und durch das genannte zweite Rohrteil in entgegengesetzter Richtung zu ermöglichen, wobei die genannte'Schallenergie als Ergebnis einer Reihe von Koppelaktionen und Phasenverschiebungen zwischen den genannten Rohrteilen in beiden Richtungen zu ihrer Quelle zurückreflektiert wird.

8. Motorauspuffdämpfer, gekennzeichnet durch

a) eine erste Leitung mit einem Eintritt zum Anschluß an den Auspuffaustrittkanal eines Motors und mit

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. einem Austritt;

b) eine zweite Leitung, die Seite an Seite an der
genannten ersten Leitung in im wesentlichen paralleler Anordnung befestigt ist und einen Eintritt sowie einen Austritt in umgekehrten Stellungen in ^v bezug auf die genannte erste Leitung hat;

c) Leitungsteile zur Verbindung des genannten Austritts der genannten ersten Leitung mit dem genannten Eintritt der genannten zweiten Leitung
zur Schaffung eines AuspuffStrömungspfades in
einer Richtung durch die genannte erste Leitung und in entgegengesetzter Richtung durch die genannte zweite Leitung;

d) die genannte erste Leitung und die genannte
zweite' Leitung sind durch einzelne Wandteile
voneinander getrennt, in denen sich mindestens
ein Paar Koppelglieder befinden, die axial voneinander um eine Entfernung von ca. einem ungeraden Mehrfachen eines Viertels, der Wellenlänge einer bestimmten Frequenz von aus dem Motor kommenden Schallwellen geteilt sind;

e)die genannten Koppelglieder sind so bemessen, daß sie von der Schallenergie, die von einer der genannten Leitungen in die andere Leitung geführt wird, über ein Frequenzband, dessen Mittelfrequenz von der genannten bestimmten Frequenz dargestellt wird, ca. eine Hälfte gerichtet koppelt, wobei

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die gekoppelten Wellen um 9o° verschoben werden, um dadurch innerhalb des genannten Frequenzbandes im wesentlichen die gesamte aus dem genannten Motor kommende Schallenergie an den Motor zurückzureflektieren.

9. Motorauspuffdämpfer, gekennzeichnet durch

a) eine erste Leitung mit einem an den Auspuffaustrittskanal des Motors anzuschließenden Eintritt sowie einem Austritt;

b) eine zweite Leitung, die Seite an Seite in im wesentlichen paralleler Anordnung an der genannten ersten Leitung befestigt ist und ein geschlossenes Ende aufweist, wobei dieses geschlossene Ende neben dem Austritt der genannten ersten Leitung liegt;

c) die genannten Leitungen, sind voneinander getrennt durch Wandteile, in denen mindestens ein Paar Koppelglieder angebracht ist, dis axial voneinander um eine Entfernung von ca. einem ungeraden Mehrfachen eines Viertels der Wellenlänge einer bestimmten Frequenz von aus dem Motor kommenden Schallwellen geteilt sind;

d)die genannten Koppelöffnungen sind so bemessen, daß sie im wesentlichen die gesamte Schallenergie, die von einer der genannten Leitungen in die andere geführt wird, gerichtet koppeln, um dadurch im wesentlichen die gesamte Schallenergie, die bei der genannten

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bestimmten Frequenz aus dem Motor kommt, an diesen zurückzureflektieren.

Io. Verfahren zum-Abscheiden von Schallenergie in Form von Wellen von einem bewegten Strömungsmittel, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a) Übertragung der genannten Schallenergie und des genannten Strömungsmittels durch einen Kanal mit einer danebenliegenden Kammer, die vom Kanal getrennt ist durch eine Wand mit darin angebrachten Koppelgliedern, die entlang des Pfades der genannten Schallenergie um eine Entfernung von ca. einem ungeraden Mehrfachen einer Viertelwellenlänge der Frequenz der abzuscheidenden Welle voneinander geteilt sind;

b) gerichtetes Koppein mindestens eines Teils der genannten Schallenergie von genanntem Kanal in die genannte Kammer.

-11. Verfahren zur Entfernung von Schallenergie in Form von Schallwellen innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereichs aus einem Gasstrom, dadurch gekennzeichnet,daß das genannte Geräusch und das Gas durch mindestens eine Leitung eines akustischen Richtungskopplers geführt werden, der ein Paar Seite an Seite angeordneter Leitungen mit dazwischen angebrachten akustischen Koppelgliedern aufweist.

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