DE2515127A1

DE2515127A1 - Schallabsorbierende zellkonstruktion

Info

Publication number: DE2515127A1
Application number: DE19752515127
Authority: DE
Inventors: Duane Lloyd Morrow; Leslie Spencer Wirt
Original assignee: Lockheed Aircraft Corp
Current assignee: Lockheed Martin Corp
Priority date: 1974-04-08
Filing date: 1975-04-07
Publication date: 1975-10-16
Also published as: FR2266929B1; FR2266929A1; SE7503813L; DE2515127C2; JPS6014359B2; IL47021A; GB1502314A; JPS50138615A; CA1051351A; IL47021A0; BE827666A; SE405134B; IT1035218B; AU7988375A

Description

Schailabsorbierende Zellkonstruktion

Die vorliegende Erfindung betrifft eine schallabsorbierende Konstruktion und insbesondere eine schallabsorbierende Platte.

Pur den Einsatz in Schalldämpfern für die Abgasleitungen von

Gasturbinen und ähnlicnen Umgebungen hat man verschiedene Arten von resonanten Schallabsorbern vorgeschlagen, unter ihnen die sogenannten "Panflöten"-Konstruktion als schallabsorbierende rfandelemente für Kanäle, in denen Gase mit hoher Geschwindigkeit strömen. Bei der Panflötenkonstruktion handelt es sich um eine Vielzahl von Resonatoren abnehmender Größe, die linear angeordnet sind und auf unterschiedlichen Frequenzen resonieren. ,/ährend man diese Vorrichtungen.nach dem Stand der Technik in die gleiche allgemeine Klasse von ADsorbern wie den Gegenstand der vorliegenden Erfindung einteilen kann, ist ihre Leistungsfähigkeit aus Gründen, die unten ausführlich dargelegt werden sollen, der der vorliegenden Erfindung unterlegen.

weiterhin ist eine wabenartig aufgebaute schallabsorbierende Konstruktion vorgeschlagen, in der jede tfabenzelle mit einer schrägliegenden resistiven Trennwand versehen war. Bei der Ent-

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wicklung dieser Konstruktion wurde gefunden, 'daß die "berechneten Impedanzkurven eine sehr enge Korrelation zu den empirisch gefundenen Werten aufwiesen, solange der widerstand der schrägliegenden Trennwand nahe oder unter dem Optimum lag. 'Von einem akustischen widerstand ab, der etwas höher als der Optimalwert liegt, ließen sich mit dem analytischen Modell die experimentellen Daten nicht mehr voraussagen. In diesem Bereich hohen akustischen Widerstands wiesen computerberechnete Voraussagen auf eine potentiell nützliche Eigenschaft hin, nämlich einen akustischen widerstand, der mit der Frequenz zunimmt, und eine akustische Reaktanz, die schnell fast auf Mull fällt und dort verbleibt. i>as einfache analytische Modell, auf dem das Rechnerprogramm zur Berechnung der erwähnten Impedanzkurven beruhte, ging von der Voraussetzung aus, daß der grundlegende Hohlleiter in eine große Anzahl (d.h. 100) paralleler kleiner Hohlleiter aufgeteilt wurde, die voneinander unabhängig arbeiteten. Die Gesamtadmittanz ist dann die Summe der einzelnen Admittanzen der kleinen Hohlleiter, die sich jeweils aus der Geometrie der Anordnung mit klassischen Mitteln berechnen lassen. Es gilt also:

A = nA_n und A_n = 1/Z_n und Z = l/A

mit A = akustische Admittanz

η = laufender Index (= o, 1, 2, 3 usw.) Z = akustische Impedanz

Es hat sich entsprechend der vorliegenden Erfindung herausgestellt, daß die experimentellen Daten die oben erwähnten erwünschten Eigenschaften ergeben, wenn man die Zelle körperlich in 100 (bzw. eine angemessen große Anzahl von ) kleinen Hohlleitern unterteilt.

Me vorliegende Erfindung offenbart eine schallabsorbierende Konstruktion aus einer zweidimensionalen (im G-egensatz zu einer eindimensionalen bzw. linearen ) Gruppenanordnung aneinandergrenzender kleiner Hohlleiter, die an einem Ende offen sind, um

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dort zu absorbierende Schallwellen einzulassen, und ungleiche jjängen haben. Die Verhältnisse der Längen der verschiedenen xiohlleiter entsprechen bestimmten Parametern und ergeben innerhalb jeder Gruppe bzw. jedem Bündel von Hohlleitern, die bzw. aas hiernach als "Zelle" bezeichnet werden soll, einen breiten ljängenbereich.. Auch der Strömungswiderstand der Zelle ist für optimale Leistungsfähigkeit innerhalb vorbestimmter Grenzen zu halten; dieser Parameter wird von der Geometrie der Hohlleiter bestimmt und in einigen Fällen mittels eines Prallbiecns, aas einen Strömungswiderstand einbringt, erhöht. Die xiohlleiter sind jeweils mit einem reflektierenden Abschluß versenen. Jedes Element einer Schallwellenfront, die auf die Gruppenanordnung zukommt, findet innerhalb einer umgebenden Fläche Jl /~\T , d.h. der "Absorptionsfläche", mindestens einen Hohlleiter vor, der auf der Frequenz der einfallenden »/eile resonant ist. Diese örtliche Resonanz dient dazu, auf dieser Frequenz die akustische Energie innerhalb der gesamten Absorptionsfläche von etwa/L /"JT zu absorbieren. Dies ist das grundlegende Arbeitsprinzip sämtlicher Resonatorgruppenanordnungen des Standes der Technik; der gleiche Effekt tritt natürlich auch beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung auf.

Es hat sich nunmehr herausgestellt, daß der Wirkungsgrad der Schallabsorption und die Absorptionsbandbreite sich erheblich verbessern lassen, wenn man bestimmte weitere geometrische Bedingungen einhält, die einen zusätzlichen Absarptionamechanismus bewirken, Hat man einen Hohlleiter der Länge L₁, der folglich auf einer Frequenz F-, resoniert, und einen zweiten Hohlleiter der Länge L₂ » ^L₁ ^{der al30 auf} ^er Frequenz j?₂ * ^2i>i resoniert, dann tritt beim Durchlaufen des Frequenzbereichs von Ji¹-, nacn F₂ eine resonanz zunächst im längeren Hohlleiter der Länge L-, und dann eine Resonanz im kürzeren Hohlleiter der xiänge L₂ auf, und zwar bei Frequenzen, die zwischen F-, und F„ liegen, so daß bei einer mittleren Resonanzfrequenz F = (i¹-, + $r₎')/2 beide Hohlleiter verhältnismäßig inaktiv sind, sollte bemerkt werden, daß die beiden Hohlleiter auf die

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Zwischenfrequenz F im Verhältnis zum Momentanschalldruck gegenphasig ansprechen, i'rifft die Schallwelle auf die beiden Hohlleiter im gleichen Augenblick: auf, strömt die Luft - quasi im "Gegentakt" - in den einen Hohlleiter hinein und aus dem anderen Hohlleiter heraus. Dies entspricht der mathematischen feststellung, daß Z₁ und Z₂ entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen.

Dann und nur dann, wenn die beiden Hohlleiter ausreichend nahe beieinander liegen, daß ihre Absorptionsflächen sich erheblich überlappen, treten sie miteinander in Wechselwirkung, anstatt auf die Schallmittenfrequenz nur leicht und unabhängig voneinander zu reagieren, wenn ihre Absorptionsflächen einander überlappen, bewirkt die G-egenphasigkeit der respektiven Luftströmungen eine kräftige örtliche (d.h. Mahfeld)-Verwirbelung, die eine erhebliche Energieabsorption auf der Mittenfrequenz zum Ergebnis hat.

Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist also, diejenige Geometrie vorzusehen, die gewährleistet, daß für praktisch jede gegebenen Hohlleiter ein zweiter Hohlleiter innerhalb einer Entfernung vorliegt, die eine Überlappung der beiderseitigen Absorptionsflächen und damit einen erheblich verbesserten Wirkungsgrad der Schallabsorption gewährleistet.

Eine auf die Gruppenanordnung treffende Schallwelle findet mindestens einen Hohlleiter innerhalb der Absorptionsfläche /L /~|f, der auf der Frequenz der einfallenden Welle resoniert. Die übrigen Hohlleiter innerhalb der Fläche resonieren auf dieser Frequenz nioht. Diese örtliche Resonanz dient dazu, die. akustische Energie dieser Frequenz innerhalb der gesamten Absorptionsfläche bis zu einer Größe von etwa /L /]Γ ^zu absorbieren. Der resonierende Hohlleiter wirkt also für die gesamte Absorptionsfläche. Während es erwünscht ist, daß die Hohlleiter so nahe beieinander liegen wie möglich, erfordern praktische Gesichtspunkte einen gewissen Minimalabstand zwischen ihnen. Mitzunehmendem Abstand zwischen miteinander in Wechselwirkung stehenden

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Hohlleitern nimmt die Schallabsorption insgesamt zunehmend ab. Ein praktischer, wenn auch ziemlich willkürlicher Grenzwert für den maximalen Abstand zwischen den zwei in Wechselwirkung stehenden Hohlleitern ist die Länge des längeren Hohlleiters des Paares. Jm die erforderliche innere Geometrie zu erreichen, wird das Gesamtmuster der Gruppenanordnung häufig wiederholt, was zu einem streifigen oder gewürfelten Aussehen führt und ein wesentliches Unterschiedsmerkmal zwischen dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung und den oben beschriebenen Anordnungen nach dem Stand der Technik ist, bei dem eine Vielzahl verschieden abgestimmter Resonatoren verwendet wird, die auf irgendeine willkürliche «veise verteilt sind.

Die vorliegende Erfindung schafft eine schallabsorbierende Platte mit einer ersten und einer zweiten, von der ersten auf Abstand liegenden Gruppe von Hohlleitern, die jeweils eine Vielzahl nebeneinander angeordneter akustischer Hohlleiter ungleichförmiger Länge mit aneinanderliegenden offenen Enden aufweisen, die das Schalleintrittsende der Gruppenanordnung bilden, wobei die Schalleintrittsenden gleicher Hohlleiter in den Gruppen untereinander einen Abstand haben, der nicht größer als etwa das Quadrat der ,/ellenlange des Schalls, geteilt durch den faktor ~]T ist, sowie weiterhin mit einer Vielzahl von die Hohlleiter abschließenden Einrichtungen, die jeweils hinsichtlich eines zugeordneten der Hohlleiter an demjenigen Ende desselben angeordnet sind, das dem offenen Ende entgegengesetzt ist, so daß dieser Hohlleiter eine Resonanzfrequenz hat, die sich von den Resonanzfrequenzen der anderen Hohlleiter unterschiedlicher Länge, die die Gruppenanordnung darstellen, unterscheidet.

Weiterhin schafft die vorliegende Erfindung eine schallabsorbie-* rende Konstruktion mit einer Vielzahl aKustiscner Hohlleiter ungleicher Länge dergestalt, daßJ^ » (1 - η £ ) /_Q ist, wobei ' £^ die Länge des längsten der Hohlleiter, /_n die Länge des η-ten Hohlleiters, η ein ganzzahliger Index (0, 1, 2, ...) und A das Längendekrement ist und die Schalleintrittsöfnungen der

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Hohlleiter in gegenseitiger Käiie angeordnet -sind, sowie mit einer Vielzahl von Abschlußanordnungen, deren Anzahl der der Hohlleiter entspricht und die jeweils einen zugeordneten der Hohlleiter an dessen dem Schalleintrittfende entgegengesetzten Ende akustisch abschließen, wobei die Vielzahl von Hohlleitern zueinander so angeordnet sind, daß für jeden Hohlleiter einer ersten vorgegebenen Länge - mit Ausnahme des kürzesten der Hohlleiter - ein weiterer Hohlleiter mit etwa der Hälfte der vorgegebenen Länge vorliegt, dessen Schalleintrittsende zum Schalleintrittsende des einen Hohlleiters einen Mittenabstand von nicht mehr als der ersten vorgegebenen Länge hat.

uie Merkmale und Ziele der vorliegenden Erfindung sollen nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen im Detail erläutert werden.

Pig. 1 ist eine teilweise aufgebrochene Perspektivdarstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ist ein Seitenriß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einer inneren Tragkonstruktion%

Pig. 3 ist ein Seitenriß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung als schallabsorbierende Platte, die von beiden Seiten her wirkt;

Pig. 4 zeigt eine Modifikation der Anordnung nach Pig. I, bei der die Zellen in getrennten Abteilen versenkt untergebracht sind und eine gemeinsame Deckplatte aufweisen;

Pig. 5 ist ein Ersatzschaltbild für die Anordnung nach Pig. 4; und

Pig. 6 ist ein weiteres Ersatzschaltbild für die Anordnung nach Pig. I.

Die vorliegende Erfindung schafft einen Resonanzabsorber, der einen ungewöhnlich breiten Absorptionsfrequenzbereich aufweist, rf/ie in der Pig. 1 gezeigt, weist eine typische Ausführungsform einen »/abenkern 1 mit nebeneinander liegenden Bündeln von Hohlleitern auf, die jeweils an den geschlossenen Enden mittels einer schräg verlaufenden Trennwand 2 abgeschlossen sind. Jede

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funictionelle Einheit ist in eine Gruppe eingeschlossen, die von den wandelementen 3 bis 6 umgeben ist und aus einem Bündel einer großen Anzahl paralleler akustischer Öffnungen und Hohlleiter besteht. Das Hohlleiterbündel (1) ist schräg geschnitten, so daß die wirksame hänge der Hohlleiter sich entlang der Schnittebene ändert. Der Vorzugsanschnittwinkel für den schrä-" gen Abschluß wird weiter unten im Detail erörtert. In der Schnittebene ist eine poröse oder nichtporöse Platte oder Trennwand 2 angeordnet. Es ist lediglich erforderlich, daß das schräge Element (2) infolge eines hohen Strömungswiderstandes, seiner Festigkeit oder infolge einer erheblichen akustischen Impedanz schallreflektierend wirkt. In einem praktischen Aufbau kann die Konstruktion eine undurchlässige Unterlage 7 aufweisen.

Zur Herstellung der Hohlleiter läßt sich «/abenkernmaterial hericomml ionen und bekannten Aufbaus einsetzen. Der Kern kann aus sechseckigen Wabenplatten bestehen, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind; der Querschnitt kann aber auch rund, rechteckig, dreieckig oder sonstwie gestaltet sein. In einem typischen Aufbau enthält jede Gruppe insgesamt 100 Hohlleiter mit einer Querschnittabmessung von 3»175 mm (1/8 in.). Da in jeder Gruppe mehr als ein Hohlleiter für jede Länge vorliegt, kann in dieser Ausführungsform die Gruppe funktionell mehr als eine der oben erläuterten "Zellen" enthalten. In der Fig. 1 ist das Wandelement 6 weggebrochen dargestellt, um den Aufbau der inneren Elemente zu zeigen. Die Tiefe des tiefsten Wabenkernelements (d.h. des Elements 8) kann bspw. 25,4 mm (1 in.) betragen. Eine volle Tiefenperiode (d.h. Abstand der Gruppen untereinander) sollte sich innerhalb etwa des gleichen Abstandes befinden. _(Iegen der "Sägezahn"-Topographie der die Gruppen abschließenden Trennwände kann die Anordnung, wenn sie als Auskleidung für eine Leitung angewandt werden soll, eine Vorzugsausrichtung zur xiichtung des auftreffenden Schalls bzw. der auftretenden Luftströmung haben, weiterhin kann man die Anordnung aus Grün- ] den der baulichen Festigkeit, des Aussehens oder dergl. mit einer schalldurchlässigen Auflage 9 versehen.

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Der Kern bzw. die wabenplatte 1, aus der das Hohlleiterbündel besteht, kann aus Kunststoff, Papier, Metall, Keramik oder einem anderen geeigneten Material hergestellt sein, das im wesentlichen von der Umgebung, in der die Platte betrieben werden soll, und/oder wirtscnaftlichen Umständen bestimmt wird. Auch die die Gruppe einschließenden //andelemente (d.h. 3 bis 6) und die Unterlage 7 können aus Metall oder nichtmetallischen Materialien bestehen, wie es im Einzelfall sinnvoll ist. Der gesamte Aufbau kann durch Schweißen, Kleben, mechanische Verriegelung oder auf andere geeignete /Veise zusammengebaut und -gehalten werden, Es sind die Geometrie und die Konfiguration der Elemente, die hauptsächlich die Betriebsparameter bestimmen, nicht die Eigenschaften der Materialien, aus denen die Anordnung aufgebaut ist. Der Konstrukteur hat also bei der Auswahl der Materialien für die Herstellung einen breiten .Bereich von Alternativen zur Verfügung.

Eine Schallwelle, die auf die Gruppenanordnung aus unterschiedlich abgestimmten Hohlleitern (1) zukommt, trifft auf mindestens einen Hohlleiter, der auf ihrer Frequenz genau oder fast resoniert, d.h. dort eine hohe Admittanz aufweist. Die übrigen Hohlleiter der Zelle (3 bis 6) resonieren auf dieser frequenz nicht, haben dort also eine geringe Admittanz. Durch die örtliche Resonanz wird ein Teil der akustischen Energie der entsprechenden frequenz absorbiert, und zwar innerhalb

eines Bereiches einer Größe bis zu A. /ff · Aus diesem Grund wiederholt sich das Zellmuster, um aneinandergrenzende ^_/"|f-flächen abzudecken. Bei den unteren frequenzen kann ein bestimmter Hohlleiter für die gesamte Zelle resonieren, da die Zelle unter Beachtung der oben angegebenen Bedingung dimensioniert ist. Bei etwa dem Doppelten der tiefsten Resonanzfrequenz wird die Absorptionsfläche /\V"f]~ kl einer als die Zellfläche und nimmt der Wirkungsgrad des Resonanzmechanismus allmählich ab. für die in den fig. 1 bis 4 gezeigte Geometrie ist der Längensprung zwiscnen irgendzwei Hohlleitern so abrupt, daß die Überlappung ihrer Absorptionsflächen innerhalb der Zellenfläche liegt. Die

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Reaktion eines derartigen Zellpaares auf eine Frequenz, die zwischen den beiden Resonanzfrequenzen liegt, ist "gegentakt"-artig, da der kürzere Hohlleiter unter Resonanz (Z >0) und der längere über Resonanz (Z<lO) arbeiten.

Das resultierende kräftige Nahfeld bewirkt viskose Verluste, die den Leistungsumsatz aufbringen, der zur Schalldämpfung erforderlich ist. Auf diese Weise und mit diesem Mechanismus bleibt die Schallabsorption auch bei sehr hohen Frequenzen hoch, für die die Absorptionsfläche sehr gering geworden ist.

vle kräftige SchallaKtivität im Mahfeld, die innerhalb der Wellenleiter auftritt, bietet die erforderliche Dämpfung für eine wirkungsvolle Schallabsorption, obgleich der Abschluß (Trennwand 2) nicht scnalldurchlässig ausgeführt ist. Die Dämpfung infolge der Reibung an den ,Vänden kleiner Röhrchen (1) ist frequenzproportional; dieser Umstand ist eine Erklärung für den zunehmenden akustischen widerstand, der in praktisch ausgeführten Aufbauten beobachxet worden ist.

,<ie bereits erwähnt, sollte das die Hohlleiter abschließende Clement, d.h. die [trennwand 2, im wesentlichen reflektierend wirken; aus diesem Grund ist im bevorzugten Aufbau eine durchgehende feste !Trennwand vorgesehen. Dieses Element kann jedoch auch reflektierend wirken vermöge eines hohen Strömungswiderstandes oder einer hohen akustischen Inertanz ("inertance"). Bspw. kann ein als Element hoher Inertanz wirkender schräger Abschluß in Form einer Lochplatte mit geringem Anteil an offener Fläche vorliegen. Diese Vorrichtung würde den erforderlichen Reflexionsgrad ("reflectance"), aber auch - wie in einigen Anwendungsfällen erforderlich - einen Flüssigkeitsablasa aus jedem Hohlleiter ergeben.

in

In der/Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist die von den Wandelementen 3 bia 6 umschlossene Gruppe als mit quadratischem Querschnitt ausgeführt dargestellt. Diese Gestalt ist willkürlich. Falls erwünscht, kann die Umfassung einer Zelle oder

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Zellgruppe - wie im Fall der Hohlleiter selbst - jede gewünschte Querschnittsform aufweisen und bspw. rund, drei- oder rechteckig oder dergl. sein. Der wesentlichste Betriebsparameter hinsichtlich der Zellkonfiguration ist, daß die Absorptionsflächen sich so weit wie möglich und zwischen sovielen Hohlleiterpaaren als möglich überlappen. Auch verwendet der in Jig. 1 gezeigte Aufbau eine schräge ebenflächige Trennwand 2 zum Abschließen der Hohlleiter der entsprechenden Zelle, v/ie einzusehen, braucht die Trennwand 2 nicht ebenflächig zu sein, da auch andere Gestaltungen - bspw.. leonische oder exponentielleeinsetzbar wären und doch die erforderlichen Tiefendifferenzen zwischen den verschiedenen nebeneinanderliegenden Hohlleitern ergeben wurden. Der wesentliche Gesichtspunkt ist der, daß das Hohlleiterbündel so abgeschlossen werden muß, daß die Hohlleiter in ihrer Tiefe über einen ausreichend breiten Bereich variieren, um das interessierende Schallspektrum, aufnehmen zu können. Um die gewünschte Überlappung der Absorptionsflächen der beieinanderliegenden Hohlleiter zu erhalten, ist es erforderlich, daß mindestens ein Hohlleiter in jeder Zelle bei der Frequenz der einfallenden //eile unter und ein weiterer über Resonanz liegt. Um diese Bedingung zu erfüllen, sollte das Verhältnis der Länge des längsten Hohlleiters zu der des kürzesten Hohlleiters so groß wie möglich sein. D.h., daß die Änderungsrate der Hohlleiterlänge, d.h. die Neigung der scnrägen Trennwand 2) ein wesentlicher Parameter ist. Eine ausreichende Neigung verbessert die Leistung und erlaubt die Verwendung gröberer, größerer Zellformate. Da jeder Hohlleiter eine wirksame schallabsorbierende Fläche hat, die größer ist als die tatsächliche Querschnittsfläche, sollten die jede Zelle darstellenden Hohlleiter so dicht gepackt sein, daß die wirksame Fläche jedes einzelnen Hohlleiters bei Resonanz die wirksamen Flächen jedes anderen Hohlleiters bei Antiresonanz überlappt. Dies läßt sich erreichen, indem man die Längen der Hohlleiter innerhalb der Zelle sich abrupt ändern läßt, und dieses wiederum., wenn der-Neigungswinkel der Trennwand 2 mindestens 45

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beträgt. Unter 45 beginnen die Resonatoren zunehmend, -unabhängig voneinander (d.h. nichtparallel) zu arbeiten, und ihre -üeistungafähigkeit nimmt ab. Bei mehr als 45° steigt die Leistungsfähigkeit bei tiefen Frequenzen kaum noch an; eine Verbesserung ist jedoch bei sehr hohen Frequenzen zu bemerken.

iüie Erfindung funktioniert, weil die unterschiedlichen Hohl- ■ leiter nicht nur auf unterschiedliche Resonanzfrequenzen abgestimmt sind, sondern auch mit vorbestimmten Phasenbeziehungen arbeiten. Insbesondere sind sie dicht genug beieinander angeordnet, daß eine phasenmäßige Wechselwirkung - im Gegensatz zu einer anabhängigen Funktion - auftreten kann.

Jeder Resonator erfährt beim Durchlauf der Frequenz von unterhalb nach oberhalb der Resonanz einen Phasensprung der schwingenden Strömung relativ zur Druckwelle. Ist die Dämpfung verhältnismäßig leicht, beträgt dieser Phasensprung fast 180°. j3ei zwei weit entfernt voneinander liegenden resonanten Röhren, von denen eine doppelt so lang wie die andere ist, tritt in einem vorgegebenen Zeitpunkt bei einer vorgegebenen Frequenz zwischen den beiden Resonanzfrequenzen die Strömung in die erste Röhre ein und aus der zweiten Röhre hinaus, Wenn die beiden Rönren nahe genug beieinander liegen, überlappen ihre Wirkflächen sich. Um dies zu gewährleisten, muß der Mittenabstand zwiscnen den Rönren auf etwa ein Viertel der Wellenlänge bei der Resonanzfrequenz der kürzeren Röhre reduziert werden. Da eine Röhre halb so lang wie die andere ist, beträgt der Winkel zwischen der gemeinsamen Einfallsebene des Röhrenpaars und der, in der die geschlossenen Rohrenden sich befinden, etwa 45 · Ist dieser winkel wesentlich kleiner als 45°, erfordert die

e einen größeren gegenseitigen Abstand der Rönren, was zu einer zunehmenden gegenseitigen Unabhängigkeit ihres Arbeicens führt.

wenn andererseits die s/irkflächen der beiden Resonatoren einander überlappen, tritt eine Kräftige Wech.se!wirkung auf. Sie

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arbeiten nicht mehr unabnängig voneinander, sondern sind parallel miteinander verkoppelt. Bei der Frequenz F-, resoniert die erste Röhre und liegt die zweite Röhre still, und umgekehrt. Bei der Frequenz F = (F-, f Fp)/2 liegt ein resonanzartiger Zustand vor, bei dem eine starke örtliche Zirkuxation zwischen den beiden Röhren auftritt; diese wird als "Nahfeld" bezeichnet. Diese kräftige örtliche iiaiifeldzirkulation in die Röhren hinein und aus ihnen heraus bewirkt eine erheblich stärkere Absorption akustischer Energie als die zusammengefaßte ./irkung der Resonatoren bei voneinander unabhängigem Arbeiten bei der Frequenz F, da keiner von ihnen bei der Frequenz F selDst resonant ist.

Um die gewünschte Parallelverkopplung bei in der Praxis realisierbarer Geometrie, aber gleichzeitig einen geringen Zellabstand zu erhalten, muß das Verhältnis der Tiefe des kürzesten Hohlleiters zu der des längsten Hohlleiters in jeder gegebenen Zelle sehr groß, d.h. gleich oder größer als 1 : 2, sein. Dies entspricht einer starken Diagonalneigung (d.h. mehr als 30°) der Ebene durch die geschlossenen Hohlleiterenden.

Andere bauliche Änderungen können vorgenommen werden, um die Last- oder anderen Eigenschaften darzustellen, die der beabsichtigte Einsatz erfordert. Bspw. zeigt die Fig. 2 eine geschnittene Seitenansicht einer resonanten Absorberplatte nach der vorliegenden Erfindung mit potentiell höherer Festigkeit als der in der Fig. 1 dargestellten Konfiguration. In dieser Ausführungsform sind eine nichtporöse Unterlage 11 und eine im wesentlichen schalldurchlässige Auflage 12 vorgesehen. Die die Zelle einschließenden v/ände 13 und 14 sind rechtwinklig zwiscnen der unterlage Il und der Auflage 12 angeordnet. Das Hohlleiterbündel innerhalb jeder Zelle ist aus einem einteiligen wabenkernelement hergestellt. Bei der Herstellung der Platte wird das «abenkernelement für jede Zelle zunächst schräg zerschnitten, um das Element in einen oberen und einen unteren Abschnitt 15 bzw. 16 zu teilen. Sodann fügt man die reflektie-

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rende Trennwand 17 zwiscnen den oberen und den unteren Abschnitt 15 bzw. 16 ein. Die einfallende Schallwelle trifft durch die schalldurchlässige Auflage 12 auf den schallabsorbierenden Abschnitt 15 auf. Der untere Abschnitt 16 dient im wesentlicnen als Abstützung der Trennwand 17 und erteilt der Anordnung in ihrer Gesamtheit die erforderliche strukturelle Steife, (feiterhin reduziert diese Konstruktion die Forderungen, die das Befestigen der Trennwände und der Hohlleiterabschnitte an den angrenzenden Zellwandelementen aufwirft. Auch ist es nicht nötig, die Trennwand 17 ebenflächig schräg auszuführen; die Kann nach rfunsch gekrümmt, winklig oder sonstwie gestaltet sein, um die wirksame Tiefe der rohrförmigen schallaufnehmenden Teile der .Kabenelemente 15 zu variieren.

Hie I'ig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die durch zwei schallaufnehmende Flächen gekennzeichnet ist. .Diese Ausführungsform entspricht allgemein der der Fig. 2 und weist die gruppenbildenden v/andelemente 18 und 19 sowie einen unteren und einen oberen ,/abenkernab schnitt 21 bzw. 22 auf. Die Kernabschnitte 21 und 22 sind durch eine dazwischenliegende reflektierende Trennwand 23 getrennt. Im Gegensatz zu der Konstruktion nach Fig. 2, die eine nichtporöse Unterlage 11 aufweist, hat die Ausfünrungsform nach Fig. 3 auf beiden Seiten der Platte schalldurchlässige Auflagen. D.h., daß eine schalldurchlässige Auflage 24 das den oberen Abschnitt 21 darstellende hohlleiterbündel und die schalldurchlässige Auflage 25 das den unteren Abscnnitt 22 darstellende Hohlleiterbündel bedecken. Da die Platxenkonstruktion um die Mittenachse 26 herum symmetrisch ist, wird Schall absorbiert, der von einer der beiden leiten ner auf die Platte auftrifft, .ae im Fall der zuvor beschriebenen Ausführungsformen Kann die die Hohlleiter reflektierend abschließende Trennwand nach Wunsch ebenflächig oder gekrümmt sein.

Die Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Konstruktion weist eine Vielzahl von ι

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Zellgruppen auf, die jeweils auf vier Seiten umschlossen sind. i'ypische »vandelemente, die die Seiten der Zellgruppen umschließen, sind bei 32 und 33 gezeigt. Bs ist einzusehen, daß die beiden übrigen (Vandelemente, die in Pig. 4 nicht gezeigt sind, rechtwinklig zu den elementen 32 und 33 zu einer vierseitigen Zellgruppe mit rechteckigem Querschnitt angefügt sind. Diese üechtwinkligkeit ist jedoch willkürlich und nur beispielsweise angegeben. Innerhalb jeder Zellgruppe befindet sich ein.Honlleiterbündel. Die offenen schallaufnehmenden Enden der Hohlleiter (31) befinden sich in der Ansicht der Pig. 4 oben an der Zellgruppe. Ein durchgehendes wandelement 34 schließt das untere Ende der Zellgruppen ab, eine schräge ebenflächige Trennwand - vergl. 35 - die Vielzahl von Hohlleitern innerhalb jeder Zelle. Die offenen Enden sämtlicher Zellgruppen sind gemeinsam mit einer durchlässigen Auflage 36 abgedeckt.

»iie ersichtlich, ist die Tiefe der Zellgruppen größer als die Tiefe des längsten darin befindlichen Hohlleiters, was einen offenen Bereich bzw. Hohlraum 37 zwischen den schallaufnehmenden Enden der Hohlleiter und der durchlässigen Auflage 36 schafft. D.h., das .Bündel der Hohlleiter 31 ist im Zellenraum versenkt und in einem Abstand zur Auflage 36 angeordnet. Punktioneil ist die Auflage 36 allen Zellen, aus denen die Gruppenanordnung besteht, gemeinsam; sie arbeitet als akustischer Reihenwiderstand für die gesamte Gruppenanordnung. Diese Konstruktion bewirkt ein etwas anderes Absorptionsspektrum als ohne den üohlraum 37. Die in Pig. 4 gezeigte Konfiguration wird bevorzugt angewandt, wenn erwünscht ist, ein grobes Perforat mit Löchern einzusetzen, deren Durchmesser der Größe der Hohlleitereintritte entspricht. Um einen Vergleich zwiscnen diesen beiden Ausführungsformen der Erfindung zu erleichtern, zeigen die Pig. 5 und 6 elektrische Ersatzschaltbilder, die den akustischen Anordnungen der Pig. 4 bzw. der Pig. I entsprechen. Es sei zunächst auf die Pig. 4 und 5 verwiesen; das elektrische Ersatzschaltbild entspricht der Anordnung der Pig. 4, wobei der

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Anschluß 3Ö der ülingangsanschluß der Anordnung und der Reihenwiderstand 39 dem akustischen widerstand der Auflage 36 entsprecnen. Die kapazitive Reaktanz und der Reibungswiderstand der strömung an der Hohlleiterwand, d.h. der (/and des jeweils aktiven Hohlleiters der Zelle, sind als Reihenkondensator und -widerstand dargestellt. Bspw. entspricht der aktive Hohlleiter der ersten Zelle dem Kondensator 41 und dem Widerstand 45» der nächste Hohlleiter dem Kondensator 42 und dem Widerstand 46, und so weiter über die gesamte Parallelschaltung aus den Kondensatoren 41 bis 44 und den Reihenwiderständen 45 bis 48. ±>le gesamte ersatzschaltung ist mit dem Anschluß 46 an Masse gelegt.

„ie ersichtlich, liegt der widerstand 39 - und damit der Strömungswiderstand der Auflage 36 - in Reihe mit der Parallelschaltung aller .kondensatoren 41 bis 44 und Widerstände 45 bis 4ö, die die ΰ-ruppenanordnung .insgesamt ausmachen.

Das netzwerk der Fig. 6 entspricht der Anordnung der Pig. I und weist einen Eingangsanschluß 51 auf. Die Widerstände 52 bis 55 entsprecnen den widerständen der einzelnen Flächen der Auflage 9 über den öffnungen der einzelnen Hohlleiter der Zelle, die xomdens^toren 56 bis 59 den akustischen kapazitiven Reaktanzen der entsprechenden Hohlleiter und die Widerstände 61 bis 64 dem Strömungswiderstand in den jeweiligen Hohlleitern. Das netzwerk liegt bei 65 an Masse.

üs müssen bestimmte .Voraussetzungen gemacht werden, wenn man aus dem obigen Ersatzschaltbild gültige Schlüsse ziehen will. Die parallelen Hohlleiter lassen sich nur dann durch ihre parallelen Schaltungselemente darstellen, wenn sie so dicht gepackt sind, daß sie parallel zueinander arbeiten, d.h. wenn ihre Absorptionsflächen sich soweit überlappen, daß sie parallel zueinander, nicht unabhängig voneinander arbeiten. Außerdem massen die akustischen Widerstände und Reaktanzen in akustischen Widerstandseinneiten ausgedrückt sein, um den elektriscnen ünmwerten analog zu sein.

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L'ie akustiscne üeaKtanz eines iiohlieiters hat in Wirklichkeit die Form X = - j cot (£ h/o) und läßt sich nur bei tiefen Frequenzen durch eine kapazität annähern.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daiS die vorliegende Erfindung in allen ihren Ausfünrungsformen wegen der durch den Zellabstand auferlegten Einschränkungen und des breiten l'iefenbereiches für die Hohlleiter ein parallelgekoppeltes System darstellt, wobei die .virkf lachen der Hohlleiter bei Resonanz sich immer mit den «irkflächen anderer Hohlleiter bei iintiresonanz überlappen.

Andere Abänderungen lassen sich vornehmen, um bestimmten Anwendungsfällen gerecht zu werden. Bspw. kann man die Konstruktion insgesamt gekrümmt (im Gegensatz zu ebenflächigen Auf- oder Unterlagen) ausführen, wie es für die Auskleidung eines kreisförmigen canals oder einer anderen gekrümmten Grenzkontur erforderlich sein ma°g. ,weiterhin kann man die Auflagen weglassen, ohne die schallabsorbierenden Eigenschaften der Anordnung zu Deeinträchtigen. Andere Abänderungen lassen sich vom Fachmann vornehmen, ohne die Erfindung, wie sie oben erläutert ist, zu verlassen.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1. ochallabsorbierende Platte mit ersten und zweiten, voneinander auf Abstand liegenden riohlleitergruppen mit jeweils einer Vielzahl nebeneinanderliegender akustischer Hohlleiter ungleicher .uänge, deren nebeneinanderliegende offene Enden das acnallaufnehmende Ende der G-ruppenanordnung bilden, wobei die scnaliaufnehmenden ^nden gleicher Hohlleiter in den G-ruppenanorcinungen eine Entfernung von nicht mehr als etwa dem quadrat üer «ellenlange des zu aosorbierenden Jchalls, geteilt durch den -b'aictor ~]Γ, haoen, wooei weiterhin eine Vielzahl von die iionllei^er abscnlieioenüen ^inricatun-.en vorgeseaen ist, die jeweils hinsxcntlich einer zugeordneten der Hohlleiter an dessen dem offenen entgegengesetztem Ende angeordnet ist, wodurch dieser Hohlleiter eine Resonanzfrequenz erhält, die sich von den Resonanzfrequenzen der eine andere Länge habenden Hohlleiter, die die G-ruppenanordnung bilden, unterscheidet.

2. Schallabsorbierende Platte nach Anspruch 1 mit einer undurcnlässigen Unterlage an den den offenen entgegengesetzten Enden der Hohlleiter.

^. Schallabsorbierende Platte nach Anspruch 1 oder 2 mit

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einer verhältnismäßig scnalldurchlässigen Auflage über den schallaufneiimenden Enden der G-rupoenanordnungen.

4· Schallabsorbierende Platte nach Anspruch 1 oder 2 mit einer durchlässigen, einen Strömungswiderstand bewirkenden Auflage,'die auf "Abstand zu den schallaufnehmenden Enden der Gruppenanordnungen sich üoer diese erstreckt.

5· Scnallabsorbierende Platte nach Anspruch 1, 2, 5, oder 4» bei der Jeder der Hohlleiter im Querschnitt sechseckig ist.

6. Schallabsorbierende Platte nach Anspruch 1, 2, 3, oder 4, bei der jede der G-ruppenanordnungen einen rechteckigen Querschnitt aufweist.

7« ochallabsorbierende Platte nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei der die Abschlußeinrichtung aus einer ebenflächigen undurchlässigen Platte besteht, die die gleicnen Enden der jede G-ruppenanordnung darstellenden Hohlleiter verschließt.

Ö. Schallabsorbierende Platte nach Anspruch 7> bei der die undurchlässige Platte unter einem v/inkel von 30 oder mehr zu dem schallaufnehmenden Ende der G-ruppenanordnung angeordnet ist.

9. Schallabsorbierende Konstruktion mit einer Vielzahl akustischer Hohlleiter mit ungleichen Längen dergestalt, daß / « (1 - η ^ ) ^, wobei £ die Länge des längsten der Hohlleiter, jL· die Länge des η-ten Hohlleiters, η ein Laufindex (a 0, 1, 2, 3, ...) und J\ das Längendekrement ist, die schallaufnehmenden Enden der Hohlleiter nahe beieinander angeordnet sind und eine Vielzahl von Abschlußeinrichtungen, deren Anzahl gleich der der Hohlleiter ist, vorgesenen ist, die jeweils einen zugeordneten der Hohlleiter an dem dem schallaufnehmenden entgegengesetzten Ende verschließen, wobei.weiterhin die Viel-

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zanl von Hohlleitern so zueinander angeordnet sind, daß für jeden Hohlleiter einer ersten vorgegebenen Länge - mit Ausnahme ües Kürzesten Hohlleiters - ein weiterer Hohlleiter mit etwa der halben vorgegebenen Länge vorliegt, dessen schallaufneh- ;iiendes j^nde zinn, scnallaufnehiiienden iiinde des ersteren Hohlleiters einen ...attenabstand von nicht mehr als der ersten vorgegebenen hänge hat.

10. Dchaliabsorbierende Konstruktion nach Anspruch 9 mit einer verhältnismäßig schalldurchlässigen, einen Strömungswiderstand oewirkenden Auflage über den schallaufnehiaenden linden der Vielzahl von Hohlleitern.

11. ijchallabsorbierende Konstruktion nach Anspruch 9 oder 10, bei der die Hohlleiter aneinandergrenzende «/abenzeilen sind.

ic.. Dcnallaüsorbierende Konstruktion nach Anspruch 11 mit einer undurchlässigen Unterlage und einer die tfabenzellen abstutzenden einrichtung, die zwischen der Vielzahl von die Hohlleiter verschließenden Einrichtungen und die Unterlage eingefügt ist und an diesen anliegt.

±t>. Schallabsorbierende Platte, die im wesentlichen wie hier unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, aufgebaut ist und arbeitet.

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