DE2539087A1

DE2539087A1 - Schallabsorber

Info

Publication number: DE2539087A1
Application number: DE19752539087
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl Phys Borchard; Fridolin Prof Dipl Phys Mechel
Original assignee: Gruenzweig und Hartmann und Glasfaser AG
Current assignee: Gruenzweig und Hartmann und Glasfaser AG
Priority date: 1975-09-03
Filing date: 1975-09-03
Publication date: 1977-03-10
Also published as: IT1065349B; DK314176A; NO763015L; CH612237A5; FR2322983A1; SE7609612L; SE413919B; NL7607322A; BE845657A; FR2322983B3; DE2539087B2

Description

Grünzweig + Hartmann ? 595 D und GM und Glasfaser AG

67 Ludwigshafen/Rhein ²¹· ^AuS^{ust 1975}

Bgm. Grünzweig- tr. 1-47 ^TE"^{ND2 f}"^h°

Anmelderin: GRÜNZWEIG + HARTMANN UND GLASFASER AG 6700 Ludwigshafen am Rhein

Schallabsorber

Die Erfindung betrifft einen Schallabsorber zur Verwendung insbesondere in schalltoten Räumen, bestehend aus mehreren Schallschluckelementen.

Sogenannte schalltote Räume werden benötigt für akustische Messungen, für Tonaufnahmen, aber auch als Versuchsräume für zoologische Untersuchungen» Ihre Aufgabe ist die Schaffung einer, akustisch störungsfreien Umgebung oder die Nachbildung des akustisch unbegrenzten Raumes (sogenanntes Freifeld)» Das wird dadurch erreicht, dass Schallwellen, welche auf die Raumwände auftreffen, dort möglichst vollständig absorbiert werden durch die Anbringung geeigneter Schallabsorber. Als gebräuchliche Anforderung an solche Schallabsorber gilt eine Absorption von mindestens 99 % der auftreffenden Schallenergie in einem möglichst breiten Frequenzbereich und über alle Einfallswinkel.

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Diese hohen Anforderungen können nur erreicht werden durch die gleichzeitige Erfüllung folgender Teilforderungen:

Geringe Reflexion beim Eintritt der Schallwellen in den Absorber, ausreichende Ausbreitungsdämpfung der Schallwellen innerhalb des Absorbers, um ein Wiederaustreten der an der Rückwand reflektierten Schallanteile zu verhindern und Vermeidung einer ebenen, glatten Absorptionsfläche auf der Raumseite, um gebündelte Reflexion bei streifendem Schalleinfall zu vermeiden. Die Lösung der beiden ersten Teilaufgaben wird besonders schwierig an der unteren Frequenzgrenze des Anwendungsbereiches und zwar einmal weil sich bei tiefen Frequenzen die charakteristischen akustischen Daten aller bekannten Absorptionsmaterialien besonders stark von den charakteristisch akustischen Daten der Luft unterscheiden und so leicht zu starken Reflexionen an der Vorderseite des Absorbers Anlass geben, und zum andern, weil ausreichende Ausbreitungsdämpfungen im Innern des Absorbers bei tiefen Frequenzen leicht zu unwirtschaftlichen Bautiefen des Absorbers führen. Deshalb lässt sich die Qualität eines Schallabsorbers für die Anwendung in schalltoten Räumen durch die Kombination der Merkmale: tiefe untere Grenzfrequenz bei geringer Bautiefe charakterisieren. Dabei ist es üblich, als untere Grenzfrequenz diejenige Frequenz zu definieren, bei welcher der Schallschluckgrad den Wert von 99 % überschreitet, d.h. der Reflexionsfaktor den Wert von 0,1 unterschreitet.

Zur Lösung der gestellten Aufgaben sind Schallabsorber bekannt, die aus keilförmigen Elementen, deren Material schallabsorbierend ist, bestehen und die an der Raumwand dicht nebeneinander mit den Keilspitzen zum Rauminnern ' "' gerichtet, angeordnet sind. Die stetige Anpassung des Absorbers an die akustischen Kenndaten der Luft erfolgt

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hler durch einen allmählichen Zuwachs des durch das Absorbermateriel belegten Flächenanteils mit fortschreitendem Eindringen in den Absorber. Die Nachteile dieser bekannten Lösung liegen in den hohen Herstellungskosten der Keilabsorber, in der mechanischen Empfindlichkeit ihrer dem Raum zugewandten Keilspitzen und in dem relativ hohen Aufwand an Schallabsorptionsmaterial.

Eine andere bekannte Ausführung sieht eine Schallschluckeinrichtung vor, bestehend aus hochporösen, engporigen Schallschluckkörpern, die an der Raumwandung derart angeordnet sind, dass ihre Querschnitttsflächen in Richtung zur Raumwandung zunehmen, wobei die Schallschluckkörper unterschiedliche Grossen aufweisen, die so verteilt sind, dass jeweils die grosseren Körper der Raumwandung naher sind als die kleineren. Die bei diesem Lösungsvorschlag bekanntgemachten Schallschluckkörper bestehen aus auf Drähten aufgereihten kompakten Körpern aus Schallschluckmaterial, die im wesentlichen die Form von Würfeln oder von Stufenpyramiden besitzen.

Die Nachteile dieses Lösungsvorschlages sind: Hohe Konfektionierungskosten der benötigten grossen Zahl von Schallschluckkörpern, hohe Montagekosten der auf Drähten aufgereihten Schallschluckkörpe rn , Empfindlichkeit der Anordnung gegen Berührung, da miteinander verschlungene Drähte ohne Störung des Schallschluckkörpers praktisch nicht mehr zu entwirren sind, hoher Schnittflächenanteil des Schallabsorptionsmaterials mit entsprechend hohem Staubaustrag des in der Schnittfläche zerstörten Absorptionsmaterials und schliesslich wieder hoher Materialaufwand. Weiterhin ist die zulässige Materialdichte der Schallschluckkörper so niedrig, dass auch die einzelnen Schallschluckkörper empfindliche Gebilde darstellen.

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Schliesslich wurde wiederholt vorgeschlagen, die Raumwände mit wandparallelen Schichten von Schallschluckmaterial derart zu belegen, dass die Materialdichte der einzelnen Schichten miz zunehmendem Abstand von der Wand immer geringer wird und so eine zunehmende Anpassung an die akustischen Daten der Luft erfolgt. Dieser Vorschlag konnte sich nicht durchsetzen, da sich unwirtschaftlich hohe Bautiefen für die Absorber ergeben und ausserdem starke Reflexionen bei kleinen Glanzwinkeln auftreten.

Die genannten Nachteile werden erfindungsgemäss dadurch beseitigt, dass die Schallschluckelemente vor der Raumwand angeordnete Rohrschalen aus an sich bekanntem Schallschluckmaterial sind. Der besondere Vorteil gegenüber dem bekannten Keilabsorber liegt in der Vermeidung ebenflächiger Flanken der Absorberelemente, wodurch gerichtete Reflexionen ausgeschlossen werden. Untersuchungen über das Streuverhalten von Rohrschalen aus Schallabsorptionsmaterial gegenüber einfallenden Schallwellen haben gezeigt, dass der Rückstreuquerschnitt solcher Schalen, der ein Mass des reflektierten Energieanteils darstellt, zu tiefen Frequenzen hin stark abnimmt, wenn die akustische Oberflächenimpedanz der Schalen grosser ist als der Wellenwiderstand der Luft, was eine Eigenschaft aller bekannten Absorptionsmaterialien ist. Bei hohen Frequenzen nimmt der Rückstreuquerschnitt ebenfalls stark ab, wenn sich die Eingangsimpedanz der Rohrschalen dem Wellenwiderstand der Luft nähert. Das ist ebenfalls eine bekannte Eigenschaft vieler Absorptionsmaterialien. Durch die Wahl der Schalengoemetrie in dem erfindungsgemässen Absorber wird somit das bekannte Frequenzverhalten der charakteristischen Impedanz von Schallabsorptionsmaterialien besser genutzt.

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Ferner können die Rohrschalen des Schallabsorbers in mehreren Lagen derart angeordnet sein, dass der durch die Rohrschale belegte Föächenanteil der einzelnen Lagen zum Rauminnern hin abnimmt. Das kann erreicht werden, durch Verringerung der Anzahl der Rohrschalen und/oder durch Verkleinerung der Schalendurchmesser und/oder durch Verringerung der Wanddicke der Schalen. Während die Anpassung der vordersten Lage an die akustischen Eigenschaften der Luft bei den bekannten Schallabsorbern nur über die Auswahl sehr lockerer Materialien oder über dünne Keilspitzen erfolgt, was zu deren bekannter mechanischer Empfindlichkeit führt, kann die Anpassung durch die Anzahl der Lagen, die Durchmesserauswahl und die Wahl der Wanddicken der Rohrschale für die Erzielung guter Anpassung zur Verfügung stehen. Damit lassen sich auch dichtere Absorptionsmaterialien verwenden, da der durch eine dünne Schalenwand ins Schallinnere eingedrungene Schall für eine Impedanzanpassung sorgt.

Die Rohrschalen des Schallabsorbers sollen vorzugsweise auf wenigstens einer Schicht aus an sich bekanntem Schallschluckmaterial befestigt sein. Durch die genannte Schicht können die Rohrschalen der einzelnen Reihen bereits bei der Vorfertigung miteinander verbunden werden.

Der Querschnitt der Rohrschalen kann rund, elliptisch oder polygonal sein, je nach Erfordernis auch kombiniert, z.B. raumseitig rund und zur besseren Auflage an der Wandseite eben gestaltet sein*

Um eine gerichtete Reflexion auzuschliessen sind ferner vorzugsweise folgende Massnahmen vorgesehen:

Die Rohrschalen können keilförmig gestapelt sein,

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die Achsen der Rohrschalen können parallel zueinander stehen,

die Achsen der aufeinanderfolgenden Lagen der Rohrschalen können einen Winkel miteinander einschliessen,

die Rohrschalen können in den einzelnen Lagen unregelmässig zueinander angeordnet sein.

Ein anderer Vorteil der erfindungsgemässen Anordnung liegt darin, dass sich durch die Verengung zwischen den Rohrschalen, insbesondere in den leteten Lagen vor der Wand und dem Hohlraum zwischen den Schalen bzw. zwischen den Schalen und der Wand, auf einfache Weise ein Helmholtz-Resonator ergibt, welcher bekanntlich das tieffrequente Absorptionsverhalten vorteilhaft beeinflusst. Es ist deshalb vorgesehen, dass die Verengungen zwischen jeweils benachbarten Rohrschalen zusammen mit den Zwischenräumen zwischen den Rohrschalen und/oder dem Zwischenraum zwischen den Rohrschalen und der Rückwand zu Helmholtz-Resonatoren abgestimmt sind»

In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, dass sich Schichten aus Schallschluckmaterial zwischen den einzelnen Lagen eines mehrlagigen Absorbers und insbesondere zwischen der letzten Lage und der Wand befinden. Diese Schichten aus Absorptionsmaterial, die mit den erfindungsgemässen Rohrschalen kombiniert werden können, ergeben einerseits den Vorteil, dass sich der zwischen der Wand und der letzten Lage von Rohrschalen gebildete Helmholtz-Resonator bedämpft und damit breitbandiger wird. Zum andern ergibt sich durch eine solche Kombination die Möglichkeit einer Materialeinsparung. Die Anordnung von Absorptionsschichten jeweils zwischen den Rohrschalenlagen habe den Vorteil, dass auch sehr tiefe Grenzfrequenzen absorbiert werden können. In diesem F_nIl entstehen zwischen den

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Absorberschichten zusätzliche Resonanzkreise, mit deren Abstimmung die Grenzfrequenz nach unten verschoben werden kann. Die zwischen je zwei Absorberschichten liegenden Rohrschalen übernehmen dann die Funktion von Abstandshaltern und einer Resonanzkreisdämpfung.

In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass sich in den Wandungen wenigstens eines Teiles der Rohrschalen öffnungen, insbesondere in Form von Schlitzen, befinden, welche den Innenraum der Rohrschale mit der Aussenschale verbinden» Die Öffnungen sollen derart sein, dass die Schwingmassen der Luft im Innenraum der Rohrschalen Helmholtz-Resonatoren bilden. Damit kann ebenfalls auf sehr einfache Weise insbesondere der tieffrequente Verlauf der Frequenzkurve des Reflexionsfaktors in gewünschtem Sinne beeinflusst werden.

In einer weiteren Variation soll die Materialdichte innerhalb der Wandung der Rohrschalen, vorzugsweise von aussen nach innen zunehmen. Damit wird erreicht, dass die Anpassung der akustischen Absorberdaten an die Kenndaten von Luft und die Brechung der Schallwellen in den Innenraum der Rohrschalen hinein günstig beeinflusst wird. Diese erwünschte Eigenschaft der Rohrschalen lässt sich mit bekannten Fertigungsverfahren für Rohrschalen ohne jede Schwierigkeit erreichen. Damit ist auch eine Anpassung innerhalb der einzelnen Strukturelemente möglich, die beim Stand der Technik, d.h. bei dem Keilabsorber und bei dem Würfelabsorber nur mit hohem Aufwand und mit hohen Kosten durchführbar ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind aus den Zeichnungen und der folgenden Beschreibung zu entnehmen.

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Es zeigen

Figur 1 bis 4 Perspektiven des erfindungs-

gemässen Schallabsorbers;

Figur 5 ein Diagramm, das den Reflexions

faktor R in Abhängigkeit von der Frequenz eines geprüften Absorbers widergibt.

Der erfindungsgemässe Schallabsorber besteht im wesentlichen aus rohrförmigen Schallschluckelementen 3, die zueinander

- wie aus Figur 1, 2 und 4 zu entnehmen ist - parallel oder

- wie aus Figur 3 ersichtlich - auch im Winkel zueinander angeordnet sein können. Hierbei können die in der Wärmetechnik seit langem bekannten Rohrschalen in den einzelnen Reihen ebenfalls im Winkel zueinander stehen. Es kann eine Reihe, es können gfs. aber auch mehrere Reihen 3a, 3b, 3c, je nach Erfordernis, vorgesehen sein. Zwischen den einzelnen Lagen der Rohrschalen können Schichten 2 aus an sich bekanntem Schallschluckmaterial, die u.a. auch zur Befestigung der Rohrschalen 3 der einzelnen Reihen dienen können, vorgesehen werden. Die Schicht 2 soll jedoch mindestens zwischen der Grundlage 3a der Rohr schal en und der Raumwand vorgesehen sein. Die Rohrschalen können unterschiedliche Durchmesser D und Wanddicken s Aufweisen. Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, können die Rohre der einzelnen Lagen so gestapelt sein, dass sie ein keilförmiges Gebilde ergeben. •Sie können an Verengungen 5 sich unmittelbar berühren, aber auch unregelmässige Abstände A voneinander aufweisen. An der Wandung der Rohre können insbesondere raumseitig Öffnungen 6 vorgsehen sein, wobei die Rohrwandungen perforiert oder - wie in Figur 4 dargestellt - geschlitzt sein können. Alle diese Massnahmen haben den Vorteil, dass sie gegenüber den bekannten Absorbern gerichtete Reflexionen vermeiden und insbesondere tieffrequente Schallwellen besser

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und breitbandig absorbieren. Als Beispiel für die Wirksamkeit des erfindungsgemässen Absorbers dient das Diagramm in Figur 5. Es zeigt den gemessenen Reflexionsfaktor R in Abhängigkeit von der Frequenz im unteren kritischen Frequenzbereich für einen Absorber, bestehend aus drei Lagen Rohrschalen in keilförmiger Anordnung, kombiniert mit einer 12 cm dicken Absorptionsschicht unmittelbar vor der Wand. Die verwendeten Rohrschalen bestanden aus Glasfasern mit Wanddicken von ca. 3 cm. Die Bautiefe des Schalenaufbaus betrug rd. 55 cm. Die untere Grenzfrequenz wurde mit 100 Hertz festgestellt. Abschliessend sei noch darauf hingewiesen, dass ausser den rein technischen Vorteilen,durch die Verwendung von Rohrschalen, die in der Wärmetechnik Verwendung finden, auch wirtschaftliche Vorteile gegeben sind.

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Claims

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Pat entansprüche

Schallabsorber zur Verwendung insbesondere in schalltoten Räumen, bestehend aus mehreren Schallschluckelementen dadurch gekennzeichnet, dass die Schallschluckelemente vor der Raumwand (1) angeordnete Rohrschalen (3) sind.
2. Schallabsorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrschalen (3) in mehreren Lagen (3a, 3b, 3c *..)» vorzugsweise derart angeordnet sind, dass der durch die Rohrschalen (3) belegte Flächenanteil der einzelnen Lagen zum Rauminnern hin abnimmt.
3. Schallabsorber nach Anspruch 1 gfs. 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrschalen (3) auf wenigstens einer ebenen Schicht (2) aus an sich bekanntem Schallschluckmaterial befestigt sind.
4. Schallabsorber nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Rohrschalen (3) rund, elliptisch oder polygonal ist.
5. Schallabsorber nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrschalen (3) keilförmig gestapelt sind.
6. · Schallabsorber nach Anspruch 1 bis 5, dadurch

gekennzeichnet, dass die Achsen der Rohrschalen zueinander parallel stehen,
7. Schallabsorber wenigstens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen der aufeinanderfolgenden Lagen (3a, 3b, gfs. 3c ...) der Rohrschalen (3) im Winkel zueinander stehen.

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8. Schallabsorber wenigstens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrschalen (3) in den einzelnen Lagen (3a, 3b,. 3c ...) unregelmässig zueinander angeordnet sind.
9. Schallabsorber wenigstens nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verengungen zwischen jeweils benachbarten Rohrschalen (3) zusammen mit den Zwischenräumen (A) zwischen den Rohrschalen und/oder dem Zwischenraum zwischen den Rohrschalen und der Rückwand zu Helmholtz-Resonatoren abgestimmt sind.
10. Schallabsorber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (2) aus Schallschluckmaterial zwischen den einzelnen Lagen (3a, 3b, 3c ...) eines mehrlagigen Absorbers und insbesondere zwischen der letzten Lage (3a) und der Wand angeordnet sind.
11. Schallabsorber nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich in den Wandungen wenigstens eines Teiles der Rohrschalen (3) Öffnungen, insbesondere in Form von Schlitzen (6) befinden, welche den Innenraum der Rohrschalen (3) mit dem Aussenraum verbinden.
12. Schallabsorber nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialdichte innerhalb der Wandung der Rohrschalen (3) von aussen nach innen zunimmt.

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