DE2703865A1

DE2703865A1 - Einrichtung zum absorbieren akustischer energie

Info

Publication number: DE2703865A1
Application number: DE19772703865
Authority: DE
Inventors: Carl Matthews
Original assignee: Matthews International Corp
Current assignee: Matthews International Corp
Priority date: 1976-02-03
Filing date: 1977-01-31
Publication date: 1977-08-04
Also published as: GB1568686A; FR2340499A1; JPS5296002A; IT1076861B; BE851006A; AU2183577A; NL7701023A; CA1108061A; DE2703865C2; AU512114B2; SE7701125L; FR2340499B1

Description

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Herr C. Matthews, 102,Gloucester Road, London, S.W. 7/England und Elizabeth de Recourt Martyn, 37»Stanhope Gardens, London, S.W. 1 /England

Einrichtung zum Absorbieren akustischer Energie

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Absorbieren akustischer Energie aus einer fließenden Strömung mit einer Oberfläche, an der die Strömung entlangfließt.

Der vorliegende Gegenstand bezieht sich auf die selektive Absorption akustischer Energie aus kinetischer Energie unter den Bedingungen relativer Bewegung zwischen einer Oberfläche und einer fließenden Strömung.

Bisher sind lediglich herkömmliche Abgassysteme bekannt, die mit Schalldämpfer arbeiten und den entscheidenden Nachteil aufweisen, daß diese Systeme den Geräuschpegel nicht zufriedenstellend senken können.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Einrichtung zum Absorbieren akustischer Energie zu schaffen, bei der die Geräuschentwicklung ohne merklichen Verlust an kinetischer Energie auf ein Minimum abgesenkt werden kann.

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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einrichtung zum Absorbieren akustischer Energie aus einer fließenden Strömung wie zum Beispiel einem Gas mit einer Oberfläche, an der die Strömung entlangfließt, so gelöst, daß eine Vielzahl von Fasern oder .Fäden kleinen Durchmessers Jeweils mit einem Ende direkt oder indirekt an der Innenwand eines Rohres befestigt ist und sich das andere Ende frei in die fließende Strömung hineinerstreckt und daß die Oberfläche keinen nennenswerten Oberflächenwiderstand aufweist.

Aufgrund des vernachlässigbar kleinen Oberflächenwiderstandes kann die Strömung vorzugsweise mit einem minimalen oder ohne Verlust an kinetischer Energie in dem System fließen.

Der Gegenstand der Erfindung ist zum Beispiel besonders vorteilhaft in einem Abgassystem oder Teilen davon bei einem Verbrennungsmotor für Eigenantriebe wie zum Beispiel ein Fahrzeug, ein Schiff oder ein Flugzeug einzusetzen.

Die Einrichtung kann darüber hinaus als eine Hülle verwendet werden, die an einer äußeren oder inneren Wandfläche angewendet wird, um die akustische Strahlung von einem festen Körper zu absorbieren.

Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung sind die Fasern vorzugsweise elastisch ausgebildet,und gemäß einem weiteren Merkmal erstrecken sich die freien Enden der Fasern vorzugsweise parallel zu und ablaufend in der Richtung der fließenden Strömung oder der Bewegung an der Oberfläche.

Die Fasern können dabei aus einem anorganischen, metallorganischen oder organischen Werkstoff hergestellt sein,

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sie sollten jedoch physikalische und chemische Eigenschaften aufweisen, die ihre Haltbarkeit/eine: angemessene Dauer in ihrer Umgebung sicherstellt.

So können zum Beispiel die Fasern, die für die Dauer der Haltbarkeit eines Abgassystems bei einer Schiffsmaschine bestimmt sind, bei der die Abgase zum Beispiel durch Wassereinleitung gekühlt werden, aus einem organischen Werkstoff hergestellt werden, während dagegen unter den trockenen und ungekühlten Bedingungen des Abgassystems für ein Fahrzeug oder ein Flugzeug od. dgl. die Fasern vorzugsweise aus einem anorganischen Werkstoff mit einer geeigneten Hitzebeständigkeit und Unlöslichkeit hergestellt sein sollten. In diesem Falle könnte ein Kiesel-, Keramik-, Kohle- oder ähnlicher Werkstoff verwendet werden. Andererseits können sie auch aus einem metallischen Werkstoff oder aus einem Gemisch irgendeiner Anzahl metallischer Werkstoffe hergestellt sein.

Gemäß einem zusätzlichen Merkmal der Erfindung sind die Fasern ausreichend dicht beieinander angeordnet, daß an ihren freien Enden eine angemessen begrenzte Ebene ausgebildet ist, entlang der keine oder nur eine relativ kleine Behinderung gegenüber dem Durchfluß der fließenden Strömung auftritt.

Die Fasern können anfänglich senkrecht von der Innenwand des Rohres aus verlaufend angeordnet sein.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind nachstehend anhand eines in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

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Die einzige Zeichnung zeigt einen axialen Querschnitt durch ein mit einer Auskleidung aus Fasern erfindungsgemäß ausgestaltetes Rohr.

Die innere Wand des Rohres 10 ist mit einer Auskleidung aus elastischen, in einer Richtung verlaufenden und dichtbeieinanderliegenden Fasern 11 versehen, entsprechend gewissen Arten von Naturfellen. Dabei nimmt die Mehrzahl der Fasern, nachdem sie aus der inneren Wand, an der sie verwurzelt sind, senkrecht hervortreten, einen parallelen oder im wesentlichen ! parallelen Verlauf zur Richtung der Strömung an.

Dort, wo die erfindungsgemäße Anordnung verwendet wurde, um für Eigenantriebe ein Abgassystem oder Teile davon zu schaffen, hat sich herausgestellt, daß die im Abgas vorliegende akustische Energie in einem sehr hohen Grade absorbiert werden kann, ohne irgendeine wesentliche Abnahme an kinetischer Energie des Gases hervorzurufen.

Daher kann ein völlig geräuschloses Abgassystem erzielt werden, das keinen meßbaren Staudruck oder bei hohen Geschwindigkeiten einen Druck von so geringem Wert hervorruft, daß der Motor einen höheren Wirkungsgrad beibehält, als das normalerweise der Fall ist.

Die abwechselnden Verdichtungs-Unterdruck-Wellen akustischer Energie sowohl longitudinaler als auch transversaler Ausbreitung werden absorbiert aufgrund der Vielzahl vonPhasenänderungen und der Umwandlung in Wärme und auch der Umwandlung in die hohe Viskosität, die mittels der sehr großen Anzahl von Luftsäulen sehr kleinen Durchmessers gewonnen wird, die zwischen den Fäden vorhanden sind.

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Um den Abgasen einen Durchfluß ohne Widerstand zu ermöglichen, wird die normalerweise erforderliche minimale Querschnittsfläche als ein Leerraum 12 in der Mitte des Faserfeldes beibehalten, Dabei wird der ringförmige Raum zwischen dem Leerräum 12 und der Innenwand des Rohres 10 von den Fasern 11 eingenommen, wie bereits weiter oben beschrieben wurde.

Die Fasern können mechanisch oder adhäsiv an der Innenwand des Rohres 10 an ihren Wurzeln befestigt sein, oder die Fasern können auch auf einer Unterlagenschicht gesichert sein, die an der Innenwand des Rohres angebracht ist. Entsprechend ihrer Zusammensetzung können die Fasern zum Beispiel elektrochemisch, kataphorisch oder durch Präzipitation aufgebracht sein. Darüber hinaus können die Fasern durch einen stabilen Halter, der einen Gegendruck auf die Auskleidung von der Strömungsfläche ausübt, in Abständen abgestützt oder zusätzlich abgestützt werden, wobei der Halter eine kleine Querschnittsfläche aufweist. Ein Beispiel für einen solchen Halter ist eine Anordnung aus Ruten kleinen Durchmessers oder eine Spirale aus Rundeisen oder Draht, die so eingeführt ist, daß das Rundeisen oder der Draht im wesentlichen in der Auskleidung vollständig verschwindet.

Der Halter kann zum Beispiel auch aus einem feinen Drahtgeflecht oder Maschengeflecht mit einem sehr hohen Prozentanteil an umschlossener freier Luftfläche bestehen. Selbstverständlich ist die Wirksamkeit der akustischen Absorption der Auskleidung umso geringer, je größer die Gesamtfläche eines solchen stabilen und festen Halterwerkstoffes ist, die nicht ausreichend von der Auskleidung aus Fasern innerhalb des Rohres umschlossen ist.

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Für den Fall, da^ durch die Auskleidung nicht umschlossene Stellen unvermeidlich den in der Strömung vorhandenen Schallwellen ausgesetzt sind, sollte vorbeugend eine Anordnung getroffen werden, daß im Falle zum Beispiel des spiralförmigen Drahte.«? die .Tonhöhe oder Wellenlänge ein ungerades Vielfaches der Gesamtlänge des nicht unterbrochenen

ι Rohrabschnitts ist. Ein gerades Vielfachfcskönnte dagegen begreiflicherweise Harmonische bei gewissen Frequenzen hervorrufen.

Es ist auch vorstellbar, daß die Fasern sich von der inneren Wand des Rohres aus senkrecht erstrecken können und diese senkrechte Richtung über ihre gesamte Länge beibehalten. Bei Verwendung dieser Anordnung können die Fasern aufgrund der fließenden Strömung in einigem Abstand von ihren Wurzeln umgebogen werden. Um eine optimale oder ökonomisch günstigste Auskleidung zu schaffen, ist selbstverständlich ein Verhältnis gegeben, das den Betrag auftreffender Energie und die statistischen Daten einschließt, die sich auf die Fasern, die Anzahl der Fasern pro Flächeneinheit, Dichte und spezifische Gravität der Fasern, Youngscher Modul, Durchmesser und Länge der Fasern, insbesondere auf jenen Teil der Faserauskleidung, der parallel zur Richtung der fließenden Strömung verläuft, auf die effektive Dicke oder Tiefe von den Wurzeln bei dieser Anordnung, die Umgebungsfeuchtigkeit und die Länge der so ausgekleideten axialen Strecke beziehen.

Zwei erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele wurden getestet, wobei die relativen Merkmale von angenäherten Geräuschpegeln, von Temperaturen und Staudruckwerten auf einer genau vergleichbaren Basis festgehalten wurden, so daß absolute Werte nicht erforderlich waren. Das eine Ausführungsbeispiel

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war für den Einsatz unter feuchten Abgasen vorgesehen, während das andere Ausführungsbeispiel für den Einsatz unter trockenen Abgasen vorgesehen war.

Ein zufällig verfügbarer Motor von 1100 cm wurde gewählt, der herkömmlich für Straßenfahrzeuge und auch für kleine Schiffsmotoren verwendet wird.

Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß eine herkömmliche Praxis bei Schiffsmaschinen darin besteht, die Abgase zu kühlen,wie zum Beispiel durch Wassereinleitung.

Die trockenen Abgastemperatüren des oben erwähnten Motors, die aus den Krümmer austraten, betrugen 500 bis 720⁰C entsprechend der Geschwindigkeit der Abgase. Einige Zentimeter stromabwärts vom Einleitungspunkt, der sich gewöhnlich vorteilhafterweise dicht am Motor befindet, ist die Temperatur bereits auf 40 bis 60⁰C bei einer Einleitung von 9 bis 11 Litern Wasser/Minute abgefallen.

Die Werte von 40 bis 60⁰C liegen vorteilhafterweise innerhalb der Temperaturtoleranz einiger organischer Fäden. Bei den durchgeführten Versuchen wurde ein mit einem Einzelfadendurchmesser im Bereich von 8 mu aus Polyvinylchlorid abgeleiteter und mit einem Acrylnitril gemischter 80 %iger chlorfaseriger Werkstoff für die Rohrauskleidung verwendet, die ähnlich der im Zusammenhang mit der Zeichnung beschriebenen Auskleidung ausgeführt war. Die Auskleidung wies eine Polyesterunterlage mit einer harzigen Verstärkung aus PoIyacrylat auf, wobei alle Werkstoffe in kochendem Seewasser unlöslich waren.

Für den Testversuch mit der Einleitung von Wasser zur Kühlung

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der Abgase wies das ausgekleidete Rohr eine Länge von 330 cm auf. Die Fäden hatten eine unbeanspruchte oder in ihrem senkrechten Teil gemessene

Länge von 20 mm.

Die Ausführung des ausgekleideten Abgassystems wurde mit einem normalen handelsüblichen System gleicher Rohröffnung verglichen, das wie üblich mit einem Schalldämpfer des Reaktionstyps in der Rohrleitung ausgeführt war. Dieses gängige System wird auch bei Schiffsmotoren standardmäßig installiert. Bevor das Abgassystem mit der ausgekleideten Rohrleitung getestet wurde, war Vorsorge dafür getroffen worden, daß nach Einleitung des Wassers das Wasser wieder von den Abgasen getrennt wurde, so daß die nunmehr gekühlten Abgase trocken oder relativ trocken waren. Dabei ist darauf hinzuweisen, daß die akustische Absorption umso besser ist, je trockener die Fäden sind.

Es gibt viele vorteilhafte Methoden für den Trennungsprozeß, von denen eine oder eine Kombination dieser Methoden angewendet werden kann, wie zum Beispiel die zentrifugale Wirkung eines Rohrkrümmers, um das übliche Steigrohr an Bord zu verwenden, oder einen kurzen,transvers gewinkelte Schlitze enthaltenden Abschnitt oder, falls eine ausreichende Länge zur Verfügung steht, Trennung durch Schwerkraft in einen Sammeltrog oder ein Rohr.

Während des Testversuches wurde der Motor jeweils mit 2300, 3500 und 5500 Upm gefahren. Das herkömmliche Abgassystem rief Geräuschpegel bis ungefähr 65 dBA und Staudruckwerte von 75, 250 und 460 mm/WS hervor. Bei weiterer Beschleunigung stieg der Pegel steil auf 760 mm/WS an.

Dann wurde die ausgekleidete einfache Rohrleitung ohne

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Schalldämpfer getestet und mit dem herkömmlichen Abgassystem verglichen. Bei 5500 Upm und darüber hinaus war das ausströmende Abgas geräuschlos, und daraufhin mußte die Rohrleitung auf 270 cm gekürzt werden, bevor der vergleichbare Schwellwert des Geräuschpegels erreicht wurde. Bei den angegebenen Umdrehungsperioden betrugen die Staudruckwerte 0, 12, 25 und 50 mm/WS.

Nullanzeigen spiegelten die geringe Trägheit des Manometers wider, so daß die oben angegebenen Werte korrigierte Anzeigen sind, d.h. Werte nach Abzug des durch die heruntergebogene Rohrleitungsanordnung hinter dem Krümmer eingeführten Staudrucks , der ein gemeinsamer Faktor während aller Versuche war.

Das ausgekleidete Abgassystem rief daher nur ungefähr ein Achtel des Staudruckes des herkömmlichen Abgassystems hervor, und zwar als Mittelwert über den sich ergebenden Kurvenverlauf genommen. Dabei zeigt sich, daß, je höher die Geschwin-

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digkeit ist4esy größer die Differenz zwischen den Kurvenverläufen ist.

Dann wurden die Testversuche bei trockenen Abgasen durchgeführt. Zuerst war an dem Motor das herkömmliche Abgasrohrleitungssystem mit herstellerseitigem Schalldämpfer angeschlossen.

Die Versuche erbrachten korrigierte Anzeigen von 50 bis 75 mm/WS bei 2000 bis 2500 Upm, 75 bis 100 mm/WS bei 3300 bis 4000 Upm und 250 mm/WS bei 5500 Upm. Dabei stieg der Geräuschpegel wieder auf einen meistens in den Städten festzustellenden unerträglichen Geräuschpegel an.

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Dann wurde die ausgekleidete Rohrleitung von 300 cm Länge ohne Schalldämpfer verwendet, die selbst bei einer Entfernung von 30 cm vom Abgasauslaß keinen hörbaren Ton erzeugte. Hierbei zeigten die Staudruckanzeigen Werte von 25, 37 und 63 mm/WS.'

Die verwendete ausgekleidete Rohrleitung wurde dann laufend bis auf 60 cm Länge gekürzt und erzeugte dann am Auslaß einen annähernd ähnlichen Geräuschpegel wie die herkömmliche Rohrleitung mit Schalldämpfer mit der Ausnahme, daß die höheren Frequenzen herausgefiltert wurden, so daß der sich ergebende Geräuschpegel für die Ohren erträglicher war. Bei der stark abgekürzten Länge der ausgekleideten Rohrleitung ergaben sich Staudruckwerte von 1, 12 bis 25 und 50 mm/WS.

Das sich bei dem durchgeführten Versuch ergebende Kennzeichen ist darin zu sehen, daß in einem trockenen Abgassystem die ausgekleidete Abgasleitung nur ungefähr ein Sechstel des durch eine herkömmliche Rohrleitung mit Schalldämpfer verursachten Staudrucks hervorruft.

Bei den durchgeführten Versuchen wurde festgestellt, daß ein Gas auch bei hoher Geschwindigkeit geräuschlos aus dem Auslaß eines Rohres, wie zum Beispiel einer Druckluftleitung, ausströmen kann. Dabei wird ein Orgelpfeifen ohne Vermindrung der Theologischen Wirksamkeit aus damit zusammenhängenden physikalischen Gründen eliminiert.

Weiterhin kann die angegebene Technik auf jenen Gebieten in der Akustik vorteilhaft eingesetzt werden, wo in Pulswellen hohe Geräuschpegel hervorgerufen werden, weil die absorbierende Wirkung der erfindungsgemäßen Auskleidung einzigartig ist, um den anfänglichen Ausschlag eines

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Oszilloskops abzusenken.

Bisher war^ Gegenstand der Ausführungen, der Darstellung und der Ausführungsbeispiele die in einer Richtung verlaufenden Fäden und die sich konsequenterweise ergebende minimale Abnahme an kinetischer Energie. Paradoxerweise kann in gewissen Fällen auch das Umgekehrte zutreffen.

Ein Beispiel für diesen Fall ist dadurch gegeben, daß es bei einigen Abgassystemen für Schiffsmotoren nicht nur vorzuziehen, sondern äußerst wichtig ist, Seewasser überhaupt daran zu hindern, unter der Gewalt einer hohen Welle zurück zum Motor vorzudringen.

Die erfindungsgemäße Auskleidung ruft gegenüber einem solchen Rückfluß selbstverständlich einen deutlichen Widerstand hervor.

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Herr C. Matthews, 102, Gloucester Road, London, S.W. 7 (England) und Elizabeth de Recourt Martyn, 37, Stanhope Gardens, London, S.W. 1 (England)

Einrichtung zum Absorbieren akustischer Energie Patentansprüche:

M Λ Einrichtung zum Absorbieren akustischer Energie aus einer fließenden Strömung mit einer Oberfläche, an der die Strömung entlangfließt, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl von Fasern oder Fäden (11) kleinen Durchmessers jeweils mit einem Ende direkt oder indirekt an der Innenwand eines Rohre (10) befestigt ist und sich das andere Ende frei in die fließende Strömung hineinerstreckt und daß die Oberfläche keinen nennenswerten Oberflächenwiderstand aufweist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (11) elastisch ausgebildet sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden der Fasern (11) sich parallel zu und ablaufend in der Richtung der fließenden Strömung oder der Bewegung an der Oberfläche erstrecken.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3_f dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (11) ausreichend dicht beieinander angeordnet sind und daß an ihren freien Enden eine angemessen begrenzte Ebene ausgebildet ist

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und daß entlang der Ebene keine oder nur eine relativ kleine Behinderung gegenüber dem Durchlauf der fließenden Strömung auftritt.
5. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (11) anfänglich senkrecht von der Innenwand des Rohres (10) aus verlaufend angeordnet sind.
6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche ring förmig ausgebildet ist.

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