DE2353298A1 - Laermbarriere - Google Patents

Description

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1081-A-1 24. Oktober 1973

ENGINEERING- CORPORATION OF AMERICA, . . ■

•Phoenix, Arizona, U.S.A.

Priorität: 24. Oktober 1972, U.S.A., Nr. 300 108

Lärmbarriere

Die Erfindung betrifft eine Lärmbarriere zur Dämpfung von Verkehrslärm zwischen einer Verkehrs zone und einer "benachbarten Zone.

Die Zunahme von Straßen und Autobahnen sowie die Zunahme der Zahl der Automobile wächst ständig, wodurch die Lärmbelästi—. gung erheblich ansteigt. Aus Studien der Lärmbelästigungen ergibt sich, daß eine Dämpfung des Verkehrslärm unbedingt erforderlich ist. Das Beste ist natürlich eine Verringerung des Lärmpegels durch Verringerung der Lärmerzeugung (durch Automobilkonstruktion oderdgl.). Das derzeit bestehende Problem der Lärmbelästigung kann Jedoch nur durch eine Dämpfung des schon gebildeten Lärms gelöst werden.

Es ist somit Aufgäbe der vorliegenden Erfindung, eine Lärmbarriere der genannten Art zu schaffen, welche den Verkehrslärm wirkungsvoll dämpft und die Sicht des Verkehrsteilnehmers hinter die Lärmbarrieren nicht wesentlich beein- . trächtigt. ..'■■'

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch, eine Lärmbarriere gelöst, welche durch, eine Vielzahl von sich vertikal erstreckender geschlossener Kammern gekennzeichnet ist, deren jede eine Öffnung aufweist, so daß sie als Resonanzkanmer wirkt, sowie durch eine Einrichtung zur Fokussierung der Schallenergie auf diese Öffnungen, wobei die Kammern in horizontaler Richtung voneinander durch Zwischenräume getrennt sind, welche eine Betrachtung der hinter der Schairbarriere gelegenen Gegenstände erlauben.

Die Kammer hat im wesentlichen einen dreieckigen Querschnitt, wobei eine Kante des Dreiecks der Verkehrszone zugewandt ist. Die Öffnungen sind an der Seite der dreieckigen Kammern vorgesehen. Die Öffnungen wirken ferner als Abzweigfilter zur Unterstützung der Lärmdämpfung.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen: - .

Fig. 1 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung der akustischen Effekte einer einfachen Schallbarriere;

Fig. 2a und 2b schematische Darstellungen eines einfachen theoretischen Helmholtz—Resonators;

Pig. 3 eine perspektivische Ansicht, teilweise im Schnitt, einer Helmholtz-Kammer als Bauelement der erfin— dungsgemäßen Schallbarriere;

Pig. 4 eine bildliche Darstellung einer erfindungsgemäßen Schallbarriere an einem typischen Verkehrsweg;

Fig. 5 einen Schnitt durch eine Vielzahl von Kammern der erfindungsgemäßen Schallbarriere;

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Fig. 6 ein schematisches Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise einer akustischen Abzweigung und

Pig. 7 ein sehematisehes Diagramm zur Erläuterung der optisehen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Schall-* barriere. . .

Eine Möglichkeit einen Verkehrsweg von benachbarten Bereichen schallmäßig abzuschirmen, besteht in einem einfachen Wall oder in einer Platte oder in einer Mauer. Barrieren, bestehend aus einer Platte mit elastischen Eigenschaften und bekannter Dicke beeinflussen das Schallfeld in zweierlei Weise:

(1) Beugung der Schallwellen um die Barriere herum;

(2) Reflexion und Transmission der Schallwellen.

Fig. 1 zeigt die Wirkung dieser Einflüsse auf eine typische Schallwelle, welche gegen eine Barriere trifft. Ein wesentliches Ziel der Konstruktion von Schallbarrieren besteht darin, die Summe von Lp und L^ so klein wie möglich in Bezug auf L-. zu halten. Dieses Ziel kann nur mit begrenztem Erfolg erreicht werden, wenn man einen herkömmlichen Erdwall vorsieht oder eine aufrechtstehende feste Barriere.

Das gebeugte Schallfeld im Bereich der Schattenzone der Barriere relativ zum Sehallfeld in Abwesenheit der Barriere bestimmt die effektive Dämpfung durch die Barriere. Fresnel hat Integralgleichungen entwickelt, mit denen die Dämpfung theoretisch bestimmt werden kann. Die meisten Behandlungen der Dämpfungseffekte von Schallbarrieren, welche in letzter Zeit durchgefiihrrwurden, stützen sich jedoch auf empirische Ergebnisse, " , welche durch haekawa veröffentlicht worden sind ("Noise Reduction by Screen""-, Applied Acoustics. , I, (1968), Seiten 157 ff) Bei öieser Abhandlung wird die auf die Barrierenfläche auftrezfende Schallenergie strahlenmäfäig behandelt. Das Maekawa-Moae_l findet weiter Anwendung bei der Konstruktion und Aus-

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SAD ORIGINAL

wertung von Verkehrslärmbarrieren, da es auf den folgenden grundlegenden Annahmen basiert:

(1) Es geht entweder von linearen Quellen oder von Punktquellen aus; ■ . . ■

(2) die effektive Wellenlänge des Verkehrslärms beträgt, etwa 60 bis 90 cm (300 - 500 Hz); und

(3) Automobilgeräuschquellen sind auf oder in der Fähe der Straßenoberfläche lokalisiert, während Lastwagengeräuschquellen effektiv zwischen der Straßenoberfläche und dem Auspuff lokalisiert sind.

Es ist vorgeschlagen worden, daß Barrieren eine maximale Dämpfung von 15 dB aufgrund des Einflusses der Streueffekte über die Barriere hinaus haben. Bei einfachen Barrieren erscheint eine maximale Lärmpegelverringerung nur bei extrem großen Wandhöhen (mehr als 3,60 m) und bei höheren Frequenzen (mehr als 1000 Hz) erreichbar zu sein.

Die hauptsächlichen Nachteile der herkömmlichen Barrieren" " zur Dämpfung des Verkehrslärms sollen "im folgenden aufgezählt werden:

(1) Die effektive Lärmverringerung hängt von der Höhe der Barriere ab;

(2) Barrierenhöhen von 7,50 m und mehr (z. B. erforderlich für eine angestrebte Dämpfung von 20 dB oder mehr) passen sich nicht ästhetisch in das Bild der Umgebung ein;

(3) Konstruktionskosten für hohe Lärmbarrieren (z. B. für Erdaufwürfe, versenkte Straßen und Betonwände) liegen in der Größenordnung von $ 50 - 500 pro laufende 30 cm; und

(4) der Verkehrsteilnehmer hat den Eindruck innerhalb eines Tunnels eingeschlossen zu sein und er verliert somit das Gefühl für Abstand und Geschwindigkeit.

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Was die Wirksamkeit einer erhöhten Wandhöhe anbelangt, so muß "bemerkt werden, daß der reflektierte Schall zu einer Erhöhung der Amplitude der Schallwellen", welche die gegenüberliegende ¥and überqueren, beiträgt. Dies gilt für den Fall, daß an beiden Seiten der Straße je eine Barriere vorgesehen ist. Die tatsächlichen Lärmpegel, welche zu den Barrierflächen gelangen, übersteigen.zweifellos diejenigen Werte, welche aus den empirischen Modellen für eine bestimmte ■Verkehrsflußstruktur abgeleitet werden. Man stellt dies leicht anhand der scheinbaren Zunahme des Straßenlärms fest, wenn man mit fern Fahrzeug im Bereich einer versenkten Straße fährt. Der von den Wänden reflektierte Schall verstärkt den zu einem bestimmten Zeitpunkt erzeugten Schall. Die reflektierte Komponente des Lärms wird teilweise im Verkehrsbereich zwischen den beiden Barrieren aufgezehrt, was zu einer stärken Belästigung der Verkehrsteilnehmer führt und teilweise "verstärkt diese · Komponente den über die Barriere hinweg gebeugten Schall.

Die erfindungsgemäße Lärmbarriere eliminiert die Nachteile herkömmlicher Autobahn-Lärmbarrieren. Diese Verbesserung der Lärmdämpfung beruht auf der Wechselwirkung verschiedener Phänomene. In der Barriere sind Helmholtz'sehe Resonanz-

- kammern yorgesehen. Durch Änderung der Länge der Öffnung derselben ist es möglich, den Resonator auf die jeweilige Fr e-' quenz abzustimmen. Umgekehrt wirkende Schalltrichter fokussieren die Schallenergie zu den Öffnungen der Helmhd>ltz-Resonatoren hin und somit wird die Wirksamkeit derselben stark

.erhöht. Die Hohlraumöffnungen der Helmholtz-Kammern wirken als Abzweigfilter für die einfallenden Schallwellen, wodurch der Dämpfeffekt auf die durchgelassene Komponente der Schallwelle erhöht wird. ; .

Die zugrundeliegende Hypothese für das Schallgitter besteht darin, daß die iTettoleistung für die Schalldämpfung 25 dB übersteigt, was effektiv um 10 dB günstiger ist als die

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Streukomponente des Schalls bei herkömmlichen. Lärmbarriereri. Obgleich durch die erfindungsgemäße Lärmbarriere eine meßbare Schallkomponente hindurchgelassen wird, so ist doch die Wirkung dieses durchgelassenen Anteils auf den Gesamtlärm— pegel im wesentlichen vernachlässigbar. In den meisten Fällen zeigt die erfindungsgemäße Lärmbarriere eine wesentlich bessere Wirksamkeit als herkömmliche Barrieren und in einigen Fällen ist die Wirksamkeit mindestens genauso gut, wobei jedoch eine Vielzahl anderer Vorteile erzielt werden.

Im folgenden soll ein 'einfacher Helmholtz-Resonator im Hinblick auf das analoge mechanische Gegenstück, einen gedämpften Federoszillator, erläutert werden. Zu diesem Zweck soll der einfache Helmholtz-Resonator gemäß Fig. 2a betrachtet werden, welcher aus einem starren Gehäuse mit dem Volumen V besteht, wobei der Innenraum mit der äußeren Luftmasse durch eine kleine Öffnung vom Radius "a" und der Länge L verbunden ist. Das Gas in dieser kleinen Öffnung entspricht der Feder im mechanischen System und man kann davon ausgehen, daß diese Gasmenge als Einheit unter dem fluktuierenden Druck der Außenluft sich einwärts und auswärts bewegt. Der Druck d er Luft innerhalb des Hohlraums ändert sich, alternierend durch Kompression und Expansion aufgrund der Bewegung der Luftmenge in der Öffnung. Dies entspricht dem Steifheitselement des mechanischen Analogons. Die Abstrahlung der Schallenergie in die umgebende Luft im Öffnungsbereich führt zu einer Aufzehrung von akustischer Energie und somit entspricht dies dem Widerstand im mechanischen System. Ferner kommt ein Dämpfungseffekt aufgrund der viskosen Strömung der Luft bei der Hin- und Herbewegung durch die Öffnung zustande.

Zunächst soll die Länge der Öffnung mit L bezeichnet werden. Die Wirkung dieser Länge auf die Arbeitsweise des Resonators soll untersucht werden. Da ein Teil der Luft jenseits der Enden der Öffnung als Einheit zusammen mit der Luft in der, Öffnung eine Bewegung ausführt, ist es erforderlich, die wahre

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Länge der Qffnung mit L¹ = E + 2 Δ L ^: zu bezeichnen, wo "bei AL. die zusätzliche länge an jeder-Seite der öffnung bedeutet. Das -Gas innerhalb dieser öffnung hat eine effektive Gesamtmasse von ^O AL¹., wobei Q O die Dichte der Luft ist und :. wobei A die Querschnittsflache.-. der öffnung und L" die effektive -Länge bedeuten. Unter Heranziehung des analogen Schwingenden Kolbens in einem Zylinder mit der Querschnittsfläche A kann man zeigen, daß "bei niedrigen Frequenzen Belastungen im umgebenden Medium eine Schwingung eines Kolbens von

&L = 8a/3'It bewirken. Somit gilt für das akustische Modell: L^T = L + 2 AL = L + i6a/3#. Für den Fall a » L ist die Lange der Öffnung yernachlässigbar,Ein Resonator gemäß Fig. 2b hat jedoch ebenfalls eine definierte effektive Länge und ein Volumen.. . _ _; ,. ■■_.-.

Die Resonanzfrequenz der Helmholtz-Kammer hat den Wert WO, wenn die akustische Reaktanz den Wert Null,hat. Dies heißt, daß die auf den Resonator auftreffende Energie in das äußere Medium zurückgestrahlt wird, und zwar genau in Phase, außer einem gewissen Energieverlust aufgrund der Viskosität der Luft im Öffnungsbereich, da unter diesen Bedingungen eine, starke Erhöhung" der Amplitudenkomponente zustande kommt.

Die Resonanzfrequenz einer gegebenen Helmholtz-Kammer kann durch die folgende Formel ausgedrückt werden:

=^Ό

wobei M die akustische Trägheit des Resonators =

bedeutet und wobei 6 den aJoistischen Federungswiderstand des Resonators = " ...

V/^ Oö²

' bedeutet, wobei c. die Geschwindigkeit des Schalls in Luft bei Standard temperatur und Standarddruck bedeutet und wobei

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L die Länge der Öffnung im Resonator bedeutet. . Somit gilt

~ γ MO " ^c V LH

ωο =

Es muß bemerkt werden, daß die Gestalt der Resonatorkammer sich nicht auf die Resonanzfrequenz der Helmholtz-Kammer auswirkt» Bei einer gegebenen Öffnung ist das Volumen des Hohlraums entscheidend und nicht die Gestalt desselben. Solange die linearen Dimensionen des Hohlraums wesentlich kleiner sind als ein Viertel der Wellenlänge und die Öffnung nicht ζμ groß ist, sind die Resonanzfrequenzen von Hohlräumen mit der gleichen Öffnung, jedoch mit sehr verschiedener Gestalt identisch.

Es ist im vorliegenden Pail von Interesse, daß Helmholtz-Resonatoren zusätzliche Resonanzfrequenzen aufweisen, welche höher sind als die Grundfrequenz <tJo. Diese Frequenzen resultieren aus Anordnungen von stehenden Wellen in dem Hohlraum und weniger bzw. nicht aus der schwingenden Luftmasse in der Öffnung. Demgemäß hängen die Obertonschwingungen von der Ge-'stalt des Hohlraums ab und nicht vom Volumen. Dieser Beitrag der Oberschwingungen wird bei den späteren Betrachtungen wichtig, bei denen der Versuch gemacht wird, das Frequenzband, über welches eine Dämpfung bewirkt werden soll, zu verbreitern.

Die Erhöhung der Amplitude der Resonanzfrequenz kann durch den Gütefaktor bezeichnet werden

Q =

wobei R den akutischen Widerstand des Systems = <joC K²/2'£\ bezeichnet und wobei

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K die effektive Steifigkeit des Systems, = ύ)ο '' $OC²A ²/v "bezeichnet. Daher gilt
Q = 2#L'³V/A⁵.

Dieser Ausdruck gilt falls außer den Verlusten durch Strahlung der Schallenergie zurück zum äußeren Luftraum keine weiteren Verluste auftreten. '-. In diesem Fall würde jedoch der Resonator das Frequenzband nur in enger Nachbarschaft zur Resonanzfrequenz dämpfen und bei den übrigen Frequenzen würde nur eine geringe Dämpfung beobachtet. Falls jedoch in dieses System eine zusätzliche Dämpfung eingeführt würde, so würde der. Widerstand aufgrund innerer Energieverluste steigen und die Resonatorleistung würde verringert werden. Dies würde jedoch zu einer Dämpfung des Geräuschpegels über ein breiteres Frequenzspektrum, verglichen zum Fall ohne Einführung einer Dämpfung, führen.

Die mathematische Grundlage für das Verhalten von HelmhoItz-Resonatoren beruht auf der Annahme, daß der Innenraum mit der äußeren Luftmasse durch nur eine Öffnung verbunden ist. Bei dem in der erfindungsgemäßen Lärmbarriere verwendeten Resonator isir jedoch eine Vielzahl von Öffnungen zu beiden Seiten vorgesehen. Es kann gezeigt werden, daß bei der Vielzahl von symmetrisch angeordneten Öffnungen Resonanz, bei der gleichen Wellenlänge der einfallenden Schallwellen besteht.

Im folgenden soll auf die Figuren 3 und 4 Bezug genommen werden. In diesen Figuren ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfihdungsgemäßen Schallbarriere gezeigt. Die allgemein durch 10 bezeichnete Lärmbarriere umfaßt eine Vielzahl von HelmhoItz-Kammern 12, deren jede einen konstanten Querschnitt mit einer im wesentlichen.dreieckigen Form hat«Die Kammern weisen Öffnungen 15 auf, deren Zähl und.Abmessungen je nach dem Frequenzbereich, dem die größte Bedeutung zukommt, festgelegt werden. Die Frequenzen im Bereich von 500 Hz werden als die wichtigsten für den Verkehr auf Autombahnen angesehen.

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Die Kammern 12 können in jeder herkömmlichen Weise "befestigt sein, wie z. B. durch Kanal elemente 16 und 17 am oberen und unteren Ende der jeweiligen Kammer. Diese Kanalelemente können/jeder herkömmlichen Weise mit den Kammern verbunden sein, so daß eine einstiickige oder zusammenhängende Struktur einer Barriere gebildet wird. Die Kammern 12 sind Helmholtz-Kammern mit je einer Kante 20, welche durch den Scheitelpunkt eines :im wesentlichen dreieckigen äußeren Querschnitts definiert ist. Die Kante 20 weist in Richtung der Verkehrszone, d. h. in diejenige Richtung, aus der der Lärm kommt. Die Barriere 10 ist derart angeordnet, daß sie den Verkehrsbereich, welcher allgemein mit 25 bezeichnet ist,, begrenzt und somit diesen Verkehrsbereich 25 von dem benachbarten Bereich 26 trennt.

Die Seiten 29, 30 und 31 der Kammer erstrecken sich vertikal zwischen den Kanälen oder Aussparungen 16 und 17, wobei die Öffnungen 15 sich durch die Seiten 29 und 30 erstrecken und das Innere der Kammer mit dem Äußeren derselben verbinden. Die Seite 31 ist dem dem Verkehrsweg benachbarten Bereich zugewandt. Benachbarte Kammern sind in einem Abstand voneinander angeordnet, wodurch sich gewisse optische Vorteile ergeben, welche nachstehend weiter erläutert werden sollen. Die Seiten 29 und 30 der jeweiligen Helmholtz-Kammern' bilden umgekehrt wirkende akustische Schalltrichter bestehend aus jeweils benachbarten Seiten zweiter benachbarter Kammern. Diese Seitenflächen 29 und 30 können eine Breite von etwa 6,5 cm haben (vorzugsweise im Bereich von 2 cm bis 20 cm und insbesondere im Bereich von 4 cm bis 10 cm). Somit wird im Querschnitt eine Dreieckskonfiguration gebildet, welche als umgekehrt wirkender Schalltrichter mit weitem Winkel wirkt. Die Öffnungen 15 wirken als seitliche Abzweigfilter für die auffallenden Schallwellen, welche von der Verkehrszone 25 ausgehen. Die Abmessungen der Helmholtz-Kammern 12 können variieren und die verwendeten Materialien können aus einer Vielzahl von zur Verfügung stehenden Materialien ausgewählt werden. Die Charakteristlka dieser Materialien

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können.zur Wirksamkeit der Kammern beitragen,. Bei. einer Ausfilhrnngsform sind ζ. B. extrudierte Aluminiumkammern 12 vorgesehen, welche eine Höhe von 90 cm haben. Vier solche Kammern können aber einander angeordnet sein, so daß die G-esamthöhe der Lärmbarriere zwischen den Kanälen oder Ausnehmungen 16 und 17 etwa 3,6 m beträgt (die Höhe einer jeden Kammer liegt vorzugsweise im Bereich von 20 cm bis 2 m und insbesondere im Bereich von 40 cm bis 1,50 m). Die Seitenflächen 31 der Kammer haben etwa eine Breite von 7,5 cm (vorzugsweise eine Breite im Bereich von 3 cm bis 25 cm und insbesondere im Bereich von-5 iCm bis 15 cm). Tor zugsweise ist die Seite 31 breiter als "die Seiten 29 und 30. Kammern dieser Abmessungen werden vorzugsweise in einem Abstand von etwa 4 cm Clichte Weite zwischen den Kammern) angeordnet (vorzugsweise liegt der Wert innerhalb eines.Bereichs von 1 cm bis 20 cm und insbesondere von 2 cm bis 15 cm). . ■

Die Öffnungen 15 sind im Hinblick auf das Frequenzband für die Dämpfung ausgewählt. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform haben die Öffnungen eine Länge von etwa 1,5 cm (vorzugsweise im Bereich von 3 cm bis 30 cm und insbesondere im Bereich von 5 cm bis 20 cm) sowie eine Breite von etwa 3,8 mm (innerhalb eines Bereiches von 1 mm bis 10 mm und insbesondere von 2 mm bis. 6 mm). Zwölf derartiger Öffnungen sind an jeder der Seiten 29 und 30 vorgesehen.

Bei der erfindungsgemäßen Schallbarriere werden die Außen— wandungen der keilförmigen Helmholtz-Kammern als mehrfache umgekehrt wirkende Schalltrichter ausgenützt.- Der akustische Trichter ist im wesentlichen ein Transformator, bei dessen Vorhandensein eine bessere Wirksamkeit erzielt wird, als mit der oszillierenden Masse alleine. Durch den Trichter wird nämlich eine bessere Impedanzanpassung zwischen dem oszillierenden Element und dem äußeren Luftkörper bewirkt. Im Lichte der vorliegenden Erfindung bedeutet dies, daß im Schlundbereich des Trichters hohe Drucke erzeugt werden, welche die

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schwingende Luftmasse im Bereich der Öffnungen der Helmholtz-Kaimnern veranlassen, maximale Resonanzamplituden im Frequenzband nahe der Resonanzfrequenz der Kammer anzunehmen. Das wesentliche Ergebnis dieser "Luftkopplung" besteht in äner Maximierung der Ene.rgieverlusbe aufgrund Viskosität der Schallwellen, w3_che in die Helmholtz-Kammern eintreten.

Zu einer Analyse der DruckverstMrkungsfunktion des akustischen Trichters in der erfindungsgemäßen Lärmbarriere soll im folgenden auf JFig* 5 Bezug gaßmmen werden, wobei eine ebene Wellenfront 40 auf die.Luftsäule an der Öffnung des Trichters auf trifft.- Es tritt eine gewisse Streuung der Energie der Welle ein, sobald diese in den sich verengenden Bereich 40 knapp hinter der Öffnung des Trichters sich bewegt* Wenn nun eine weitere Wellenfront in den Trichtermund eintritt, bevor diese erste Wellenfront Gelegenheit gehabt hat, zu dissipieren, so wird die erste Wellenfront in einen Bereich erhöhten Drucks gezwungen, bis sie die Öffnung 43 der Helmhöltz-Kammer 44 erreicht. Palis die Frequenz der einfallenden Welle in der Fähe der Resonanzfrequenz der Kammer liegt, so setzen große Amplituden-schwingungen der Luftmasse am Eingang 46 der Kammer eintnd das System strahlt Schallenergie in die umgebende Luft zurück, falls diese nicht durch Reibungsverluste, erhöhte Tr.agh.eit oder Viskositätsverlust gedämpft wird. Die Trägheit kann erhöht werden, wenn man Schallabsorptionsmaterialien, wie Glasfasertafeln, an der Wandung der Kammer vorsieht. Da der akustische Trichter unter bestimmten Bedingungen zu einer Erhöhung des abgestrahlten Bereichs der einfallenden Schallwelle führt, ist es erforderlich, die Trichterkonfiguration derart auszuwählen, daß die abgestrahlte Schallenergie bei den interessierenden Frequenzen nur schwach durchgelassen wird. Die akustische Wirkung eines Schalltrichters bei einer gegebenen Frequenz hängt von der Gestalt desselben ab. Schalltrichter mit langen Luftsäulen und nur langsam und allmählich auseinanderlaufenden Wandungen

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übertragen niedrige Frequenzen am "besten, während hohe Frequenzen am "besten durch Fall trichter mit kürzeren Luftsäulen ausgesendet werden, "bei denen die Seitenflächen stark auseinanderlaufen. Der in der erfindungsgemäßen Lärmbarriere zum tragen kommende Schalltrichter hat eine Öffnung 50, welche genügend "breit ist, um die interessierenden Schallwellen niedrigerer Frequenz einzufangen, sowie eine Luftsäul.enlänge 51, welche das Vorhandensein von zwei oder mehr Schalldruckfronten gleichzeitig im Trichterbereich ermöglicht. Das Verhältnis von Öffnung zu Luftsäule soll möglichst ineffektiv sein, so daß die von der Helmholtz-Kammer abgestrahlte Schallenergie mit geringstmöglicher Verstärkung an die umgebende Luft abgegeben wird.

Bei der erfindungsgemäßen Schallbarriere dienen die Öffnungen 15 (Fig. 3) als akustische Seitenabzweigungen'.zur Absorbierung von Schallenergie aus den einfallenden Schallwellen. Eine einfache Seitenabzweigurig (akustisch) ist in Fig. 6 dargestellt*

Z, = akustische Eingangsimpedanz-der Abzweigung P, = Druckverluste der Abzweigleitungen P>, P, und-P_ = charakteristische Drucke der

einfallenden durchgelassenen bzw. reflektier- >·

ten Sehallwellen.

Die sich durch die erfindungsgemäße Lärmbarriere fortpflan-. . zende Schallenergie kann als Schallenergie betrachtet werden, welche sich durch ein kurzes Rohr von veränderlichem Querschnitt fortsetzt, wobei die Helmholtz-Resonatoren als . Abzweigungen der Rohrleitung gelten. Lord Rayleigh hat in seiner' "Theory of Sound", Band II (Dover Publications, Few York (1945)) festgestellt, daß Resonanzabsorber, die sich wie Abzweigungen einer Rohrleitung verhalten, eine' stark selektive Absorption der Schallenergie bewirken.

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Wenn der Helmholtz-Resonator als Abzweigung betrachtet wird, wobei Schallenergie sich von der Öffnung des akustischen. Trichters am Einlass des Resonators vorbei und dann durch die Öffnung in der Barriere fortpflanzt, so erkennt man die Analogie zu vorliegender Anmeldung. Bei der folgenden Betrachtung bezeichnet A die Fläche der Öffnung des Resonatorhohlraums, R, den charakteristischen akustischen Widerstand des Resona-

tors und X, die akutische Reaktanz des Resonators. Somit b

ergibt sich das Verhältnis der in der Kammer aufgezehrten Energie zu derjenigen der Auftreffenden Welle (oc, ) durch folgende Formel:

- ^ar -

oc , ρ \ , γ 2

^{+ R + X}b

wobei α . das Verhältnis der in der reflektierten Schallwelle aufgezehrten Energie zu derjenigen der einfallenden Schallwelle bedeutet und wo>bei

oc, das Verhältnis der in der durchgelassenen Schallwelle aufgezehrten Energie zu derjenigen in der einfallenden Schallwelle bedeutet und wobei die folgende B.eZiehung gilt: "

Daher kann eine maximale Aufzehrung der Energie im Helmholtz-Resonator erzielt werden, wenn man B., und X, derart wählt,

DD

daß α-, ein Maximum hat. Man sieht somit, daß eine Vielzahl b

von Variablen die Größe von α, beeinflussen und demgemäß ist die Zahl der möglichen Varianten groß.

Die Verwendung eines Helmholtz-Resonators als Seitenabzweigung in der erfindungsgemäßen Schallbarriere erhöht somit außerordentlich die mögliche Schallenergieabsorption gegenüber einer einfachen Schallbarriere.

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Die erfindungsgemäße Lärmbarriere kann als eine Reihe von keilförmigen- Elementen angesehen werden, -welche durch schmale Öffnungen getrennt sind. Wie Fig. 7 zeigt, vermagt der Betrachter ^lediglich einen schmalen Winkeltereich .der hinter der Lärmbarriere "befindlichen Landschaft durch die Öffnung hindurch zu- erblicken. Dieser Winkel wird mit φ bezeichnet, Der Winkel ist eine Punktion der Breite a der Öffnung und

-ei.

des Abstand es -D der Öffnung vom Beobachter. Man erkennt ferner, daß bei einem Verschiebungsinkrement des Beobachters entlang .der Richtung des Verkehrsflusses um Δ x(x - χ =Äx) einen entsprechenden Einfluss auf die Verschiebung des Sichtwinkels hinter der Öffnung hat. Diese Verschiebung wird mit &Θ bezeichnet. Wenn man nun den momentanen FaIl betrachtet, so ergibt sich Ax= dx und Δ θ = dQ. Somit können die Änderungen der Positionen mit der Zeit folgendermaßen ausgedruckt werden -

dx _ _γ dQ '

.dt " dt .

wobei K eine Proportionalistätskonstante ist und mit dem Abstand D in Beziehung steht. Der Ausdruck dx/dt bezeichnet den Geschwindigkeitsvektor entlang der Bewegungsrichtung des Beobachters. Im folgenden Fall soll angenommen werden, daß es sich um die Durchschnittsgeschwindigkeit eines vorbeifahrenden Fahrzeugs handelt.

Es ist nun interessant, den Bereich festzustellen, innerhalb dessen der vorbeifahrende Beobachter (normale Autobehängeschwindigkeiten) ein sich Überlappendes, Bild der Landschaft hinter der Lärmbarriere sieht, und■zwar innerhalb einer Zeit, während welcher die Retina des Auges eine Abbildung speichert (etwa 1/10 see)..Es macht sich hier ein linearer Stroboskopeffekt bemerkbar und der Beobachter"sieht'¹ eine Reihe von Ausschnitten der Landschaft hinter der Schallbarriere, bestehend aus einer Anzahl von Sichtwinkeln 'der Weite (r + D) Sinus φ, wobei φ mit der Geschwindigkeit dÖ/dt verschoben wird. Der Abstand zwischen den Öffnungen soll mit b angenom-

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men werden. Man erkennt sodann, daß θ über eine Winkelverschiebung von mindestens b - & in einer Entfernung von

-Λ. -Λ.

r von der Lärmbarriere innerhalb 1/10 see bewegt wa?den muß. Palls D 7,5 m beträgt und dx/dt etwa 110 km/h und falls ax = 3,2 mm und b = 7,5 cm bedeuten, so ergibt sich die Entfernung r, in welcher der Beobachter scheinbar die Landschaft ohne Störung "sieht", näherungsweise aus folgender Gleichung:

r^6 = b - a = r sin (θ + φ)

oder r = ————£■ . -

sin θ + φ .

Palls in diesem Pall der Winkel φ als vernachlässigbar angesehen wird, so ergibt sich für r ein Wert von 18 cm. Dies bedeutet, daß der Verkehrsteilnehmer Gegenstände hinter der Lärmbarriere "sieht", welche mehr als 15 cm-von den Öffnungen entfernt sind.

Es sollen einige Bemerkungen im Hinblick auf das reflektierte Licht gemacht werden, um zu erläutern, mit welcher Klarheit der Verkehrsteilnehmer Gegenstände hinter der Lärmbarriere erkennt. Die gesamte aus der Richtung des betrachteten Objekts hinter der Lärmbarriere zum Auge des Beobachters gelangende Lichtenergie besteht aus folgenden Komponenten«

^ET - ^ED ^{+ 11}SS ^{+ T}L ^O " R^;

wobei Ejj. die direkte Lichtkomponente von einer Lichtquelle

bedeutet (z.B. Sonnenlicht) Ε_οσ die Komponente des direkt von der Vorderseite der Lärmbarriere reflektierten Lichtes bedeutet und wobei

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E₀ das vom "betrachteten Gegenstand in Richtung des Betrachters ref Diktierte Licht bedeutet und wobei

E„ diejenige Komponente des vom betrachteten Gegenstand reflektierten lichtes bedeutet, welche an der Rückseite der Lärmbarriere wiederum reflektiert wird und wobei

'!-τ den optischen Durchlässigkeitsfaktor der -gitterförmigen Lärmbarriere bedeutet.

Aus dieser Analyse erkennt man, daß nur hell reflektierende Objekte hinter der· Lärmbarriere klar erkennbar sind. Dieses Problem kann in gewisser Weise beseitigt werden, wenn man die Yorderfläche der Lärmbarriere mit einer schlecht reflektierenden Oberfläche versieht und somit die scheinbare Intensität des vom betrachteten Gegenstand kommenden Lichtes erhöht. Dies ist ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lärmbarriere und die Sicht ist am besten parallel zum Gitter (d. h. bei einer die Straße hinab gerichteten Betrachtungsweise). Es ist möglich, Gegenstände durch die gitterförmige Lärmbarriere hindurch zu erkennen, diese erscheinen jedoch etwas dunkel.

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Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE

1.) Lärmbarriere zum Dämpfen von Verkehrslärm zwischen einer Verkehrszone und einer benachbarten Zone, gekennzeichnet durch eine Vielzahl sich vertikal erstreckender geschlossener Kammern (12), deren jede Öffnungen (15) aufweist und als Resonanzkammer wirkt sowie .durch Einrichtungen (29,30) zum Fokussieren der Schallenergie zu den Öffnungen (15) hin, wobei die Kammern (12) in horizontaler Richtung mit Abstand voneinander angeordnet sind, wobei die Öffnungen eine vollständige Sicht der Gegenstände hinter der Lärmbarriere freigeben.

2. Lärmbarriere nach. Anspruch. 1, dadurch, gekennzeichnet, daß die Kammern (12) mindestens eine Öffnung (15) aufweisen, welche in Bezug auf die benachbarte Kammer (12) derart angeordnet ist, daß ein Schalltrichter zur Fokussierung der Schallenergie zu der Öffnung (15) Mn vorgesehen ist.

3. Lärmbarriere nach einem der Anspräche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzkammern als Helmholtz-Kammern ausgebildet sind.

4. ' Lärmbarriere nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Helmholtz-Kammern (12) einen konstanten Querschnitt aufweist, wobei jede der Kammern (12) zwei Gruppen von mindestens je einer Öffnung (15) aufweisen, wobei die Öffnungen (15) derart angeordnet sind, daß sie Schallenergie empfangen, welche zwischen zwei benachbarten Kammern (12) fokussiert wurde und wobei die Kammern (12) im Abstand voneinander angeordnet sind, so daß die von der Verkehrszone ausgehenden Schallwellen aufgefangen und gedämpft werden.

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