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Schalldämpfer für Kolbenmaschinen Kolbenmaschinen erzeugen bekanntlich
im Betrieb infolge stoßweisen Ansaugens und Auspuffens Gasschwingungen, die teils
im Gebiet tiefer Frequenzen liegen (verursacht durch den Arbeitstakt) teils im höherfrequenten
Gebiet (verursacht durch Strömungen, Hiebtöne bei Aufladen usw.), wobei die Verteilung
der einzelnen Komponenten und deren Energieinhalt von dem jeweiligen Arbeitsverfahren
abhängt. Wird die Aufgabe gestellt, diese Geräusche zu dämpfen, so stehen hierfür
die Dämpfungsmechanismen der Reflexion und Absorption zur Verfügung, deren Verwirklichung
bekanntlich verschiedenartiger konstruktiver Mittel bedarf.
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Je nach dem Verlauf des Geräuschspektrums wird man die eine oder andere
oder beide Formen anwenden. Die Ausbildung der Dämpfungselemente wird dabexnicht
nur von der Frequenzverteilung, sondern auch von der geforderten Dämpfung - z.B.
Einhalten eines Schallpegels in einer bestimmten Entfernung - abhängig sein.
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Unterg'Dämpfung'l versteht man dabei im allgemeinen die Pegelabsenkung
des Schalldruckes, welche vor und nach einem Dämpfer, isoliert betrachtet, gemessen
wird. Es ist üblich, diese Geräuschminderung im logarithmischen Maß - dB - anzugeben.
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Man könnte sie "Eigendampfung" nennen.
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Der Einbau eines Dämpfers in eine Leitung bringt es aber mit sich,
daß er an seinem Ein- bzw. Austritt mit schwingungsv fähigen Gebilden, z.B. einer
Rohrleitung, gekoppelt ist, die seine Funktion u.U. erheblich beeinflussen können.
Man hat daher den Begriff der "Einfügungsdämpfung" eingeführt und versteht
darunter
die Pegelabsenkung, welche sich an einer definierten Stelle ergibt; wenn man eine
Messung unter gleichen Bedingungen, aber einmal mit Dämpfer und ein zweites Mal
mit glatter Rohr leitung statt des Dämpfers ausführt. Erst die Einfügungsdämpfung
zeigt die eigentliche Wirkung des eingebauten Dämpfers. Man beobachtet, daß dieser
Wert oft erheblich unter der Eigendämpfung liegt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung soll es sein, durch Berücksichtigung
der genannten Umstände und durch eine sinngemäße Zusammenschaltung z.T. an sich
bekannter Elemente eine optimale Lösung für die Bauart und den Einbau des Dämpfers,
d.h. eine möglichst große Einfügungsdämpfung zu erreichen.
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Hierzu werden die Maßnahmen nach Anspruch 1 benutzt.
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Die von der Schallquelle, nämlich der Kolbenmaschine, herkommenden
Schallwellen treten durch die Wanddurchbrüche in den umgebenden Hohlraum ein und
bewirken zwei Erscheinungen: 1. Der Raum wird je nach der erregenden Frequenz zu
mehr oder weniger starken Volumenschwingungen angeregt.
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2. Die einfließenden Schallwellen breiten sich von den Durchbrüchen
in Achsenrichtung aus, werden an den Stirnflächen reflektiert und gelangen nach
einer definierten Laufzeit wieder an den Ort der Durchbrüche.
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Durch diese Vorgänge wird sich die Ausbreitungsimpedanz im Rohr plötzlich
und phasenabhängig ändern und eine mehr oder weniger starke Reflexion der ankommenden
Wellen bewirken, wobei die größte Wirkung zu erwarten ist, wenn Phasenverschiebungen
entsprechend einer halben Wellenlänge auftreten. Die reflektierte Energie verwandelt
sich dabei in Blindleistung; sie staut sich gewissermaßen vor dem Dämpfer auf.
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Um diesen schädlichen Einfluß auf die Dämpfung zu vermeiden, wird
der Einbau eines Störgliedes am Eingang des Dämpfers vorgeschlagen, welches 1. das
Auftreten von stehenden Wellen bzw. Resonanzerscheinungen verhindert, 2. durch das
eingebrachte Absorptionsmittel Schwingungsenergie in Wärme verwandelt und so ein
Aufstauen verhindert. Das Hindernis wirkt gleichzeitig reflektierend für Schallwellen
hoher Frequenz und, in einer AuspuffleitungJals Funkenfänger, der glühende Koksteile
seitlich ausschleudert.
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Schließlich werden gemäß Anspruch 1 stehende Wellen in dem ins Freie
führenden Abschnitt der Rohrleitung für die am stärksten auftretende Frequenz und
ihre Nachbarfrequenzen dadurch vermieden, daß die Rohrlänge entsprechend bemessen
ist.
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Gemäß Anspruch 1 ist für die Hauptabmessung des Hohlraumes wesentlich,
daß eine in ihn eintretende, an seinem Ende reflektierte und wieder austretende
Welle eine solche Laufzeit hat, daß sie gegenüber den von der Kolbenmaschine kommenden
Wellen mit einer Phasenverschiebung von einer halben Wellenlänge wieder austritt.
Ein mit Gas gefüllter Hohlraum hat aber unabhängig davon für einlaufende Druckstöße
noch eine Federwirkung, nach Art eines Feder-Masse-Systems. Zu einer Verbesserung
der Dämpfungswirkung wird hiervon gemäß Anspruch 2, insbesondere in Kombination
mit den Maßnahmen nach Anspruch 1, Gebrauch gemacht; Bei der Raumgestaltung hat
man nämlich noch einige Parameter frei, um neben der erwünschten Wellenlaufzeit
erreichen zu können, daß auch ein einlaufender Druckstoß infolge der Kompression
und Federwirkung des Gases genau im richtigen Zeitpunkt wieder zu einem auslaufenden
Druckstoß führt, nämlich
ebenfalls bei einer Phasenverschiebung
einer halben Wellenlänge.
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Durch eine Weiterbildung gemäß Anspruch 5 wird das Hindernis so gestaltet,
daß es einerseits seinen Zweck der Umlenkung bzw. Reflexion der Schallwellen erfüllt,
andererseits aber dafür sorgt, daß Funken, die z.B. von einer Verbrennungsmaschine
herkommen, nicht durch den Auspuff ins Freie gelangen können. Derartige Funken werden
nämlich an der Kegelwand gegen die Außenwand der Rohrleitung reflektiert.
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Durch eine Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 4 wird für eine
Absorption von Schallwellen anderer Frequenzbereiche gesorgt, insbesondere von Wellen
höherer Frequenz. Eine derartige Anordnung ist besonders bei Kolbenmaschinen mit
einer größeren Anzahl von Zylindern zweckmäßig, die nicht so sehr eine bevorzugte
Schallfrequenz als vielmehr starke Schallwellen innerhalb eines Frequenzbandes einiger
Breite erzeugen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der
Zeichnungen beschrieben.
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Figur 1 zeigt in zwei Kurven die von verschiedenartigen Motoren bei
verschiedenen Frequenzen erzeugten Schalldrücke.
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Figur 2 zeigt im Längsschnitt einen Schalldämpfer nach der Erfindung.
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In der Kurvendarstellung nach Figur 1 sind Schalldrücke p aufgetragen
gegen die Frequenzen f. Die Kurve I zeigt die Auspuffgeräusche eines langsam laufenden
Dieselmotors. Es ergibt sich eine besonders starke Schallentwicklung im Bereich
der Zündfrequenz fz.8Die Kurve II stellt die Schallentwicklung eines
Schnelläufers-
mit einer größeren Anzahl von Zylindern, z.B. mit zwölf Zylindern, dar. Die maximale
Schallentwicklung erstreckt sich hier über einen Bereich einer wesentlich größeren
Frequenzbandbreite.
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Der Scnalldäpfer nach Figur 2 ist mit Hilfe eines Rohres 1 mit der
Auspuffseite des Motors verbunden. An das Rohr 1 schließt sich mit einer abrupten
Erweiterung ein Rohrmantel 3 an, der einen erheblichen größeren QuerschnItt hat
als das Rohr 1. In den Rohrmantel ragt vom rechten Ende her ein Auspufrohr 5 hinein,
das unterbrochen dargestellt ist und mit seinem rechten Ende ins Freie führt. Das
Rohr 5 ist mit Hilfe von ringscheibenförmigen Blechen 7 und 8 innerhalb des Rohrmantels
3 gehaltert. Die äußeren und inneren Ränder der Bleche 7 und 8 sind mit Rohr und
Rohrmantel verschweißt, so daß sich ein Hohlraum 10 nach Art einer Ringkammer bildet.
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Dieser Hohlraum steht über Wanddurchbrüche 11 mit dem Innern des Ronrs
5 in Verbindung, ist aber sonst allseitig geschlossen.
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Anstelle der Durchbrechungen 11 könnte auch ein Ringschlitz angewendet
werden.
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Unmittelbar nach der abrupten Erweiterung des Rohrs 1 zum Rohrmantel
3 ist das Hindernis 12 mit Hilfe von Blechstegen 14 fest angebracht. Es hat einen
zylindrischen Abschnitt 16 mit kräftigem Boden 19 und einen kegelfömigen Abschnitt
18.
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Die Außenhaut des Hindernisses ist aus einem Lochblech, Drahtgeflecht
od. dgl. hergestellt. Im Innern der Außenhaut befindet sich das Absorptionsmaterial.
Bei Motoren, die nur gelegentlich laufen müssen, z. B. für Notstromaggregate, genügt
für diesen Zweck Mineralwolle. Bei Motoren, die im Dauergebrauch verwendet werden,
muß ein beständigeres Absorptionsmaterial verwendet werden, z. B. Wolle oder Späne
aus VA-Stahl.
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Durch das Rohr 1 treten gelegentlich Funken vom Motor her in den Dämpfer
ein. DIese werden an der Kegelwand des Abschnittes '8 gegen die Außenwand des Rohrmantels
3 reflektiert; gelangen also nicht in das Auspuffrohr 5.
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Die Länge a im Hohlraum 10 und seine Abmessung b zwischen dem Rohr
5 und dem Rohrmantel 5 werden so bemessen, daß eine eintretende Welle der Frequenz
fz(Figur 1) bis zu ihrem Wiederaustritt gegenüber den von links vom Motor herkommenden
Wellen gerade eine Phasenverschiebung einer halben Wellenlänge haben. Außerdem werden
die Abmessungen so gewählt, daß ein durch ale Durchbrechungen 11 in den Hohlraum
10 eintretender Druckimpuls durch die Federwirkung des im Hohlraum 10 eingeschlossenen
Gases zu einem austretenden Druckimpuls führt, der ebenfalls mit einer Phasenverschiebung
einer halben Wellenlänge auf von links ankommende Druckimpulse trifft. Die Abstimmung
der Frequenzen kann auch anders vorgenommen werden, z.B. so, daß die Volumenfrequenz
auf fz, die Längenfrequenz auf die erste Oberwelle (2 fz) eingestellt werden.
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Die Länge c des Auspuffrohrs 5, d.h. der Abstand von den Durchörechungen
il bis zum freien Ende des Rohres 5, wird so bemessen, daß sich im Rohr 5 keine
stehenden Wellen bilden können.
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Die Länge darf demgemäß kein gerades Vielfaches der halben Wellenlänge
der Hauptfrequenz (fz) sein.
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Zur Dämpfung höherer Frequenzen kann der Schalldämpfer zusätzlich
eine zylindrische Absorptionsschicht 20 haben, die das Rohr 5 umgibt. Die Absorptionsschicht
ist nach außen hin begrenzt durch ein Rohrstück 22, das Blech 7 und ein weiteres
ringförmiges Blech 24, das zwischen das Rohrstück 22 und das Rohr 5 eingeschweißt
ist. Das Rohr 5 hat im Bereich der Absorptionsschicht Durchbrechungen, die in der
Zeichnung nicht dargestellt sind. Diese Absorptionsschicht dient zum Dämpfen von
Schall
höherer Frequenzen und soll insbesondere die energiereichen Wellen im Maximalbereich
der Kurve II nach Figur 1 dämpfen. Als Absorptionsmaterial dienen die gleichen Stoffe
wie für das Hindernis 12.
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in dem vorangehenden Auspührunssbeispiel wurde dle Erfindung in inrer
Anwendung auf einen Auspuffschalldämpfer beschrieben.
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Die Erfindung lasst sich jedoch auch auf die Schalldämpfung in Rohrleitungen
von Luftkompressoren anwenden, da dort ähnliche Verhältnisse vorliegen.
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Durch Schalldämpfer nach der vorliegenden Erfindung lassen sich ausgezeichnete
Einfügungsdämpfungen erzielen.