DE2402877C2

DE2402877C2 - Schallabsorbierende Platte

Info

Publication number: DE2402877C2
Application number: DE2402877A
Authority: DE
Inventors: Leslie Spencer Newhall Calif. Wirt
Original assignee: Lockheed Aircraft Corp Burbank Calif; Lockheed Aircraft Corp
Current assignee: Lockheed Martin Corp
Priority date: 1973-01-24
Filing date: 1974-01-18
Publication date: 1984-08-23
Also published as: FR2214932A1; IT1008730B; SE389150B; JPS49110112A; FR2214932B1; AU6416074A; CA991998A; DE2402877A1; GB1451649A; JPS6038717B2; US3831710A; CH582798A5

Description

Die Erfindung betrifft eine schallabsorbierende Platte mit einer Anordnung wandungsbildender Mittel, die eine Anzahl nebeneinanderlicgender akustischer Hohlraum-Resonatoren bilden, deren benachbarte offene Enden die SchalleintrittsöHnungcn der Anordnung darstellen, wobei der Abstand zwischen den benachbarten Hohlraum-Resonatoren maximal eine Wellenlänge der höchsten Freauenz des von der Platte zu absorbierenden Schalls beträgt, und die unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen, mit einer slrömungsrcsistcntcn, durchlässigen und die schallaufnehmenden Enden der Hohlraum-Resonatoren überdeckenden Vorderwand, und mit einer s gemeinsamen undurchlässigen Rückwand, die die zu den Schalleintrittsöffnungen entgegengesetzten Enden der Hohlraum-Resonatoren abdeckt.

Bei einer derartigen bekannten schallabsorbierenden Platte mit einer Anordnung wandungsbildender Mittel

in (DE-GM 1823527), die einen schalldämpfenden Mehrfachresonator darstellt, bilden die nebeneinanderliegenden akustischen Hohlraum-Resonatoren Helmholtz-Resonatoren, die jeweils nur ein einziges Ansprechmaximum aufweisen. Jeder Helmholtz-Resonator wirkt als

υ Massc-Federsyslem mit einem einzigen Freiheitsgrad. Der Grund dafür, daß beim Helmholtz-Resonator nur ein signifikanter Spitzenwert der Resonanz vorliegt, basiert auf der in der ScballeintrittsölTnung befindlichen Luftmenge, die die Masse des Masse-Federsystems ver-

:ii körpert. Bei höheren Frequenzen bremst die Trägheit der Luftmenge die Bewegung der Luft und unterbindet eine stärkere Bewegung der Luftmenge. Es sind zwar Resonanzen höherer Ordnung möglich, die jedoch praktisch unbedeutend sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sehallabsorbicrendc Platte gemäß der eingangs erwähnten Art so zu gestalten, daß auf einfache, preiswerte Weise eine effektivere Schallabsorption im Wege einer Breitbandabsorplion erreicht wird.

3d Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die wandungsbildcndcn Mittel aus einer Anzahl rechtwinklig angeordneter und paralleler Wände bestehen, die eine Anzahl rechteckiger Zellen mit demselben Querschnitt bilden, und daß in jeder Zelle mindestens eine zusätzliche Trennwand vorgesehen ist. die die Zelle in Resonatorablcile mit unterschiedlicher Resonanzfrequenz aufteilt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen schallabsorbierenden Platte ergeben sich aus den Untcr-

■4» ansprüchen.

Insbesondere tritt das Absorptionsmaximum eines Resonatorabteils im 'vescntlichen ungefähr bei der Frequenz auf, bei der das Absorptionsminimum des anderen Resonatorabteils der Zelle liegt.

4i Von Wichtigkeil ist, daß jede Zelle in Resonatorablcile mit unterschiedlicher Resonanzfrequenz durch das Vorsehen mindestens einer Trennwand in jeder Zelle aulgeteilt wird. Die Resonatorableilc weisen Mehrlachresonanzen auf, die so abgestimmt sind, daß ihre Resonanz-

5Ii maxima und -minima unter Bildung eines kontinuierlichen Absorptionsspektrums zueinander angeordnet sind. Dieser Effekt wird durch das enge Beieinanderiiegcn der Resonatorabteile jeder Zelle derart, daß sic in paralleler Anordnung wirken, beträchtlich vergrößert.

Die erfindungsgemäße schallabsorbiercnde Platte ist in ihrem Aufbau einfach und preiswert gestaltet und ermöglicht durch ihre Breitbandabsorption gegenüber dem Stand der Technik eine effektivere Schallabsorption.

A.usluhrungsbcispielc der crfindungsgeniäßen schall-

mi absorbierenden Platte werden nun anhand der Zeichnungen erläutert. In letzteren sind:

Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung eines Teils einer ersten Ausführungsform der crfindungsgcmälfcn β' schallabsorbiercnden Platte,

Fig. 2 eine schaubildliche Darstellung einer zweiten Ausführungsform der crfindunysgemuBcn sch.iilabsorbierenden Platte,

Fig. 3 eine schaubildliche Darstellung eines Teiles einer dritten Ausführungsform der erllndungsgemäßen schallabsorbierenden Platte,

Fig. 4 eine schaubildliche Darstellung einer vierten , Ausführungslbrin der erllndungsgemäßen schallabsorbierenden Platte und

Fig. 5 eine graphische Darstellung der in Prozenten ; ausgedrückten Absorptionsleistung der schallabsorbierenden Platte bezogen auf die Frequenz.

Zunächst wird die Arbeitswiese einer herkömmlichen schallabsorbierenden Platte erläutert:

Geht man davon aus. daß eine strömungsresistente, durchlässige Vorderwand mit einem akustischen Widerstand R und einer akustischen Impedanz Z die schallaul-Γ nehmenden F.ndcn einer Anzahl nebeneinanderliegender akustischer Hohlraum-Resonatoren überdeckt, die in einer Tiefe L von einer undurchlässigen Rückwand abgedeckt sind, so gilt für die durchlässige Vorderwand fol- ; gendes:

ZR. „ , R . X

'-= -jcolKL= — +j —

lic lic Qc l>c

Z I

= {R+jX) und R = Z-JX

'JC QC

wobei

InI

Λ = akustischer Widerstand

/ = Frequenz

Z = akustische Impedanz

c = Schallgeschwindigkeit

.V = akustische Reaktanz

i> = Dichte des Mediums (Gas)

sind.

Steigt die Frequenz an, so verläuft der Kotangens (Reaktanz) periodisch von - / zu 0 zu + /.. Jedesmal, wenn die akustische Reaktanz den Wert 0 aufweist, tritt Resonanz auf, und die Schallabsorption ist groß.

Fs gilt zudem

AR'

(J ■ C

wobei a der Schallubsorptionskoeffizient ist. Bei großen Reaktanzwerten wird die Absorption klein und verschwindcl bei A'= + i. . M.a. W., der mit Luft gefüllte, von der durchlässigen Vorderwand abgedeckte Hohlraum-Resonator wird bei jeder Frequenz in Resonanz versetzt, für die die Tiefe L des Hohlraum-Resonators gleich einem ungeraden Vielfachen einer viertel Wellenlänge ist. während die Absorption bei diesen Frequenzen gmU ist. Bei jeder Frequenz, für die die Tiefe des Hohlraum-Resonators eine gerade Anzahl von viertel Wellenlängen ist. Irin eine Aniiresonanz auf. und hei diesen l-'roqiienzen wird kein Schall absorbiert.

I·' ι μ. I zeigt eine schaubildliche Darstellung eines Teils einer ersten Ausführungslbrm der schallabsorhicrcndcn Platte mit einer slrömungsrcsistenten. verhältnismäßig schalldurchlässigen Vorderwand I. die aus Metall.

Kunststoff, aus einem keramischen oder einem anderen geeigneten Material hergestellt sein kann, und mit einem zellenartigen Aufbau, der auf einer gemeinsamen undurchlässigen Rückwand 2 getragen ist. Die Rückwand 2 kann ebenfalls aus Metall, Kunststoff, Keramik oder aus einem anderen geeigneten Material hergestellt sein. Der Zellenaufbau der Ausführungsform nach Fig. 1 wird von einer Vielzahl rechtwinklig angeordneter und paralleler Wände 3 und 4 gebildet. In Fig. 1 ist die am weitern sten außen gelegene senkrechte Seitenwand weggelassen, um den inneren Aufbau zu zeigen. Die Wand 3 und 4 bilden jeweils eine rechteckige Zelle, jede rechteckige Zelle weist eine Trennwand 5 auf, die die Zelle in zwei Resonatorabteile mit unterschiedlicher Resonanzfrequenzaufteilt. Die Resonatorabteileweisen unterschiedliche Größe und/oder Form auf.

Obwohl üblicherweise die Resonatorabteile aufgrund ungleicher Volumina verschiedene Resonanzfrequenzen aufweisen, können auch konvergierende oder divergierende Hornelemente mit gleichen Volumina, jedoch unterschiedlichen Resonanzfrequenzen aufgrund verschiedener Ausgestaltung verwendet werden. Auch die Schalleintrittsquerschnitte können ungleich sein.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, sind die Volumina der Resonatorabteile einer Zelle mit den Wunden 2, 3, 4 unterschiedlich groß, so daß die Impedanzen und damit die Resonanzfrequenzen benachbarter Resonatorabteile ungleich groß sind. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform weist das kleinere Resonatorabteil eine κι konvergierende Form auf, d.h., der Querschnitt wird in Richtung zur Rückwand 2 kleiner. Umgekehrt vergrößert sich der Querschnitt des angrenzenden Resonatorabteils in Richtung zur Rückwand 2.

Weiterhin sind die Resonanzfrequenezn der beiden .15 Resonatorabteile nicht mehr einfach ganzen Zahlen proportional, sondern in etwas komplizierterer Weise spektral verteilt.

Bei der konvergierenden Form des Resonatorabteils steigt die erste Resonanzfrequenz an, während bei der Ή) divergierenden Form des Resonatorabteils die Frequenzen der ersten und der folgenden Resonanzen absinken. Obwohl in beiden Resonatorabteilen die Tiefe L des Luftraumes gleich ist, kann durch Ändern der Form oder der Divergenz ein Resonatorabteil auf eine höhere oder eine tiefere Frequenz abgestimmt werden.

Werden ein konvergierendes und ein divergierendes Resonatorabteil nebeneinander angeordnet, so können ihre akustischen Impedanzen als parallelgeschaltct angesehen werden. Die akustische Nettoimpedanz der Paral-5(i lelschaltung berechnet sich dann als Parallelschaltung der beiden Einzelimpedanzen:

Benachbarte Resonatorabteile können auch durch die Summierung ihrer Scheinleitwerte in Beziehung zueinander gesetzt werden. Sind die Impedanzen bekannt, so kann die Summe ihrer Reziprokwerte in derselben Weise

«ι wie für elektrische Parallelschaltungen ermittelt werden. Es ergibt sich eine weitgehend abgestimmte schallabsorbierende Platte mit Breitbandabsorption, bei der kein Absinken der Absorption wie bei herkömmlichen einfachen Platten erfolgt. Die verteilte Impedanz der paralle-

(.< len Resonatorabteile der Zellen bewirkt, daß Absorptionsspitzen des einen Resonatorabteils dem Minimum der Absorption in dem anderen Resonatorabteil entspricht.

Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der schallabsorbierenden Platte, bei der benachbarte Resonatorabteile der Zellen den gleichen Querschnitt, jedoch unterschiedliche Tiefen aufweisen. Beispielsweise wird das Resonatorabteil 6 von der Trennwand 7 an seinem zur Schalleintrittsöffnung entgegengesetzten Ende in einem Abstand 8 zur Rückwand 9 abgedeckt. D;is Resonatorabteil 11 weist eine Tiefe 12 auf. die gleich dem Abstand der durchlässigen Vorderwand 13 von der undurchlässigen Rückwand 9 ist. Die aus den Resonalorabteilcn 6 und 11 bestehende Zelle 14 ist rechteckig und wiederholt sich in dem dargestellten Aufbau.

Die Ausführungslbrm gemäß Fig. 2 weist jedoch den Nachteil auf, daß der Hohlraum zwischen der Trennwand 7 und der Rückwand 9, der von den senkrechten Wänden 16 und 17 abgeßrenzt ist, keine Funktion ausübt und somit verschwendet ist. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 wird dieser Nachteil behoben, indem das die niedrigere Resonanzfrequenz aufweisende Resonatorabteil 29 L-förmig ausgestaltet ist, während das die höhere Resonanzfrequenz aufweisende Resonatorabteil 31 rechteckig ausgestaltet ist. Bei dieser Ausführungsform ist im wesentlichen das gesamte Volumen der Zelle absorptionsmäßig aktiv, da kein vergeudeter Raum un-. terhalb des Resonatorabteils geringeren Volumens besteht. Die übrigen Teile des Aufbaus wie die durchlässige Vorderwand 32 und die undurchlässige Rückwand 33 entsprechen der Ausführungsform gemäß Fig. 2. Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 wirkt wegen des unausgenutzten Volumens bei einer etwas höheren Frequenz als die Ausführungsformen nach den Fig. 1 oder 3.

Fig. 4 zeigt einen Aulbau aus einer Kombination rechteckiger und hornförmiger Resonatorabteile, dessen Herstellung verhältnismäßig wirtschaftlich ist. Zwischen einer undurchlässigen Rückwand 51 und einer durchlässigen Vorderwand 52 sind senkrechte Wände angeordnet, die eine Anordnung quadratischer Zellen aus rechtwinklig angeordneten Wänden 53 und 54 bilden. Eine einstückige Tafel 55 ist im Vakuum oder unter Anwendung entsprechender Verfahren mit einer Anzahl kegelförmiger oder parabolischer Homelemente 56 versehen, die in die von den Wänden 53 und 54 gebildeten quadratischen Zellen der Anordnung hineintragen. Jedes Hornelement 56 stellt einen abgeschnittenen Kegel dar. dessen runde Form am oberen offenen Ende zu einer quadratischen Form am unteren Ende an der undurchlässigen Rückwand 51 übergeht. Das quadratische Ende eines jeden Hornelementes 56 stößt mit gleichen Teilen benachbarter Homelemente 56 zusammen. Jedes hornartige Element 56 ist so bemessen, daß es in eine betreffende quadratische Zelle der wabenförmigen Anordnung der Zellen eindringen kann. Das Hornelement 56 divergiert vom offenen Ende aus und bildet ein Resonalorabteil 57. Das Volumen zwischen der Außenseite der konischen Mantelfläche des Hornelementes 56 und der Innenseite der Wände 53 und 54 der quadratischen Zelle konvergiert. Auf diese Weise werden zwei parallel angeordnete akustische Resonatorabteile mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen geschaffen.

Die Anzahl der nebeneinanderliegenden rechteckigen Zellen ist nicht begrenzt. Auch können in jeder Zelle mehrere Trennwqpde vorgesehen werden.

Die physikalischen Gesamtabmessungen oder die Geometrie der Zellen ist von den zu absorbierenden Frequenzen abhängig.

Fig. 5 zeigt in graphischer Darstellung einen Vergleich zwischen den Absorptions-Leistungen der Ausführungsform gemäß Fi g. 2 und den Absorptions-Leistungen einer herkömmlichen, einschichtigen und wabenförmigen, schallabsorbierenden Platte, bei der der nicht unterteilte Luftraum angrenzender Zellen gleichmäßig eine Tiefe von 30cm aufweist. Im Vergleich hier/u ist die berechnete Absorplions-Leistung der Auslulmingsfnrm nach I·'ig. 2 gesetzt, bei der das kleinere Rcsonaloiabieil der Zelle jeweils eine Tiefe von 19.5 cm und das größere Resonalorabteil jeweils eine Tiefe von 30 cm aiii weisen. Die talsächlich gemessene Absorplions-LeisUmg μϋι für

in einen Aufbau gemäß Ι-'ίμ. 2 mil einer Tiefe von I¹'.95 cm für die kleineren Resonatorabieile und mit einer Tiefe von 30 cm für die parallelen größeren Resonalorabteile jeder Zelle. Wie aus der Kurve 59 zu ersehen ist. unifaßi die berechnete Absorption eines herkömmlichen AuI-haus mit einfachen Zellen mehrere Frequenzbänder (/. B. 55OHz, 1100 Hz und 1600Hz). bei denen nur eine geringe oder gar keine Absorption erfolgt. Die tatsächlich gemessenen Punkte 60 bestätigen diese Eigenschaft. Andererseits weist die berechnete Absorption der Ausführungs-

:o form gemäß Fig. 2 eine verhältnismäßig gleichmüßige Absorption innerhalb des Frequenzbandes von 100Hz bis gut über 1250 Hz auf, wie aus der Kurve 61 zu ersehen ist. Diese berechnete Leistung wird durch die Messung an den Punkten 62 bestätigt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schallabsorbierende Platte mit einer Anordnung wandlungsbildender Mittel, die eine Anzahl nebeneinanderliegender akustischer Hohlraum-Resonatoren bilden, deren benachbarte offene Enden die Schalleintrittsöffhungen dor Anordnung darstellen, wobei der Abstand zwischen den benachbarten Hohlraum-Resonatoren maximal eine Wellenlänge der höchsten Frequenz des von der Platte zu absorbierenden Schalls beträgt, und die unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen, mit einer strömungsresistenten, durchlässigen und die schallaufnehmenden Enden der Hohlraum-Resonatoren überdeckenden Vorderwand, und mit einer gemeinsamen undurchlässigen Rückwand, die die zu den SchHlleintrittsöffnungen entgegengesetzten Enden der Hohlraum-Resonatoren abdeckt, dadurch gekennzeichnet, daß die wandungsbildenden Mittel aus einer Anzahl rechtwinklig angeordneter und paralleler Wände (3, 4; 16,17; 53,54) bestehen, die eine Anzahl rechteckiger Zeller (14) mit demselben Querschnitt bilden, und daß in jeder Zelle (14) mindestens eine zusätzliche Trennwand (5; 7; 56) vorgesehen ist, die die Zelle (14) in Resonatorabteile (6, 11; 29, 31; 57) mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen aufteilt.

2. Schallabsorbierende Platte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Resonanzabteile (6,11; 57,58) unterschiedliche Schalleintrittsöffnungen aufweisen.

3. Schallabsorbierende Platte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionsmaximum eines Resona'orabteils (6; 29; 57) im wesentlichen bei der Frequenz auftritt, bei der das Absorptionsminimum des anderen Resonatorabteils (11; 31; 58) der Zelle (14) liegt.

4. Schallabsorbiercnde Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Anzahl Trennwände, von denen mindestens eine Wand (7) im Abstand von der Rückwand (9) parallel zu dieser verläuft.

5. Schallabsorbierende Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Resonatorabteil (57) in jeder Zelle (14) konvergierend derart ausgestaltet ist. daß die Querschnittsfläche in Richtung von der Vorderwand (1) weg kleiner wird.

6. Schallabsorbierende Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Resonatorabteil (29) in jeder Zelle (14) L-förmig ausgestaltet ist, wobei die größte Abmessung senkrecht zur Vorderwand (32) und zur Rückwand (33) verläuft.

7. Schallabsorbierende Platte nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß ein Resonatorabteil (57) in jeder Zelle (14) kegelstumpfförmig ausgestaltet ist.