DE2834823C2

DE2834823C2 - Volumenändernde Resonatoren nach dem Tellerfeder-Prinzip

Info

Publication number: DE2834823C2
Application number: DE2834823A
Authority: DE
Inventors: Oskar Dr.Rer.Nat. 8000 Muenchen Bschorr
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1978-08-09
Filing date: 1978-08-09
Publication date: 1980-07-17
Also published as: FR2433217A2; FR2433217B2; DE2834823B1; IT7924674A0; GB2028049B; IT1162762B; GB2028049A

Description

2. Volumenändernde Resonatoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der mitschwingenden Masse die Innenpartien der Wandungselemente (11) eine verringerte Dicke aufweisen.

3. Volumenändernde Resonatoren iiach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der mitschwingenden Oberfläche der Innenbereich der Wandungselemente (21) durch biegesteife Streben (25) versteift ist.

4. Volumenändernde Resonatoren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der mitschwingenden Masse und zur Vergrößeiung der mitschwingenden Oberfläche die Wandungselemcnte (Z-'.) mit speichenförmigen Streben (35) verrehen sind.

5. Volumenändernde Resor-.toren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei flächenhafter Anordnung zur Erhöhung der Flächenausnutzung die Wandungselemente (41) einen sechs-, vier-, dreieckigen oder streifenförmigen Grundriß aufweisen.

6. Volumenändernde Resonatoren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der inneren Dämpfung der Innenraum mit Strömungshindernissen wie mit einem Restgas höherer Viskosität, einem Drahtgeflecht (56), mit einem Flüssigkeitstropfen (66), mit im Boden (74) eingelassenen Permanentmagneten (76) und/oder mit Dämpfungsstoffen (86) an den Auflagestellen (83) versehen sind.

7. Volumenändernde Resonatoren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation von äußeren Luftdruckänderungen an den Auflageflüchen (93) Ringfedern (97) in einem Flüssigkeitsschlauch (98) angebracht sind oder daß der von den Wandungselementen (101) gebildete Innenraum ein Restgas enthält und daß das Wandungselement (101) auf abnehmende, negative Federkonstante eingestellt ist oder daß die einzelnen von den Tellerfederclcmentcn gebildeten Innenriiume durch Kanäle untereinander in Verbindung stehen, und damit der Innendruck entsprechend eingestellt wird oder daß die in Flächcnelemcnten integrierten Wandungsclcmcntc verwunden, verwölbt oder verdrillt werden, wodurch sich die Vorspannung ändert und so die Federkonstante und damit die Eigenfrequenz kompensiert werden kann.

Die Erfindung bezieht sich auf volumenändernde Resonatoren, bestehend aus einem Volumen mit Unterdruck, welches durch Wandungselemente nach dem Tellerfederprinzip gebildet wird, die bei Unterdruckbelastung eine kleine Federkonstante aufweisen gemäß DE-AS 2632290. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, folgende Wirkungsmerkmale zu optimieren: Material- und Herstellungsersparnis; Verringerung der mitschwingenden Massen, Vf.rgrößerung der mitschwingenden Flächen; Beeinflussung der Dämpfung, Kompensation von Luftdruckschwankungen, Integration von Lärmjalousien und Ausbildung von schallabsorbierenden Wänden. Gelöst ist diese Aufgabe durch die in den Patentansprüchen ent-'⁵ haltenen Maßnahmen.

An Hand von verschiedenen Ausbildungsbeispielen sind die verwendeten Konstruktionsmerkmale näher spezifiziert. Es zeigt

Fig. 1 ein Resonatorelement mit gekröpfter Randausbildung,

Fig. 2ein Resonatorelement mit mittiger Materialverjüngung,

Fig. 3 ein Resonatorelement mit Mittenversteifung,

Fig. 4 ein Resonatorelement mit Speichenversteifung,

Fig. 5 Resonatorelemente mit Sechseck-Grundriß,

Fig. 6 ein Resonatorelement mit Gasdämpfung,

Fig. 7 ein Resonatorelement mit Tropfendämpfung,

Fig. 8 ein Resonatorelement mit Wirbelstromdämpfung,

Fig. 9 ein Resonatorelement mit Einspanndämpfung,

Fig. 10 ein Resonatorelement mit Druckkompensation,

Fig. 11 ein weiteres Resonatorelement mit Druckkompensation,

Fig. 12 eine Lärmjalousie,

Fig. 13 bis 15 Diverse absorbierende Wände.

Die Endziffern der in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen einschließlich der Basisziffern 1-9 haben dabei folgende Bedeutung:

1 = Wandungsclement

2 = Kröpfung

3 = Abstützstelle

4 = Wandungsfläche

5 = Versteifungen

6 = Dämpfungsmittel

7 = Druckkompensationfedern

8 = Ringschlauch

9 = Durchgangsöffnungen

Das Ausfiihrungsbcispiel nach Fig. 1 bezieht sich auf eine einfachere Herstellung sowie auf eine bessere Materialausnützung. Es besteht aus zwei gewölbten Wandungselcmcnten 1, die an den Abstützstellen 3 miteinander vakuumdicht verbunden sind. Das sich bildende Innenvolumen ist evakuiert. An den Rändern befinden sich Kröpfungen 2. Infolge der Untcrdruckhelastung sind die Wandungselemente 1 im interessierenden Bclastungsbercich mit geringer Federkonstante praktisch plan. Ohne die Kröpfungen 2 wäre kein ungehindertes Mitschwingen der Wandungselemcntc !gewährleistet. In diesem Falle wären Distanzstückc an den Abstiit/stellen 3 notwendig. Die Wandungselemcnte 1 seihst sind vorteilhaft rotationssymmetrisch ausgebildet. Der Verlauf der WnI-

bung ist weitgehend beliebig. Neben der Kegelstumpfform der ursprünglichen Tellerfeder sind auch Kugelflächen und Flächen höherer Ordnung möglich. Als Fläche n-ter Ordnung soll hier ein Wölbungsverlauf entsprechend einer Potenzfunktion /i-ter Ordnung verstanden werden. Bei Flächen höherer Ordnung schwingen die Randpartien intensiver mit, so daß sich ein besserer Ausnutzungsgrad ergibt. Bei Verwendung von Stahl als Malerial der Wandungselemente 1 beträgt die Wölbungshöhe h das 0,5- bis 5fache (vorzugsweise 1,5) und der Durchmesser d das 30- bis 300fache der Wandstärke s. Materialien mit geringerem Elastizitätsmodul ergeben aus dem Wurzelverhältnis geringere Durchmesser der Wa'ndungselemente 1. Vorteilhaft sind gasdichte Materialien geringer Dichte, hohem Elastizitätsmodul hoher Fließgrenze und hoher Schwingbelastung, z. B. Leichtmetalle wie Beryllium, Aluminium, Magnesium sowie Glas und Faserstoffe.

Die Ausführungsformen der Fig. 2 bis 5 beziehen sich auf eine Verringerung der mitschwingenden Masse und eine Erhöhung der mitschwingenden Fläche. Kleinere mitschwingende Massen erh'.hen die Admittanz. Größere mitschwingende Flächen vergrößern den Volumenhub. Hierzu ist gemäß Fig. 2 die Dicke des Wandungselements 11 zur Mitte hin im Bereich des größten Schwingungsausschlages zunehmendverjüngt ausgebildet. In Fig. 3 sind demgegenüber mittig Versteifungen 25 angebracht. Bei diesen handelt es sich um senkrecht auf dem Wandungselement 21 stehende und mit diesem verbundene Streben mit hohem Flächenträgheitsmoment. Diese bewirken, daß sich der Innenteil des Wandungselementes 21 in Form einer Kolbenbewegung verhält, was einen vergrößerten Volumenhub ergibt. In Fig. 4 in einer Draufsicht auf ein Wandungselement 31 mit Kröpfungsbereich 32 und Abstützbereich 33 sind Speichenstreben vorgesehen. Das dazwischenliegende Material weist verringerte Wandstärke zur Herabsetzung der mitschwingenden Masse auf. In Fig. 5 sind die Gundflächen der Wandungselemente 41 sechseckig ausgebildet. Durch Verringerung der Auflagefläche 43 ergibt sich eine Erhöhung der mitschwingenden Fläche. Neben sechseckigen sind auch viereckige, dreieckige, streifenförmige und auch asymmetrische Grundrisse möglich.

In den Ausführungsbeispielen nach Fig. 6 bis 9 sind Möglichkeiten zur Einstellung einer inneren Dämpfung dargestellt. Damit gelingt es, den auftretenden Schall zu absorbieren. Bei Anpassungen den Wellenwiderstand des umgebenden Mediums sind damit reflc.xionsfreie Wände zu realisieren. In Fig. 6 ist der von den Wi.ndungsclemeriten 51 gebildete Innenraum nicht voll evakuiert. Im weiteren sind Strömungshindernisse, z. B. ein Drahtgeflecht 56, angebracht. Da die Mittelpartien der Wandungselemente 51 größere Schwingungsausschläge aufweisen als die Ränder, wird eine Querbewegung des Restgases verursacht. Diese Bewegung wird durch Reibung und zusätzlich an den Strömungshindernissen 56 gedämpft. Bekanntlich ist die Viskosität eines Gases weitgehend druckunabhüngig, so daß auch bei geringen Innendrücken eine ausreichende Dämpfung gewährleistet ist. Bei Gasen mit kleinem Moleküldurchmesser ist der Viskositätskoeffizient höher. In Fig. 7 ist im Innern der Wanclungselemente 61 ein Flüssigkeitstropfen 66 eingebracht. Infolge der Schwingbewegung wird dieser ständig vcifjrmt und ergibt so ebenfalls eine Dämpfung. In Fig. 8 ist eine magnetische Wirbelstromdämpfung angewandt. Dazu sind in der Bodenfläche 74 kleinskalare Magnete 76 eingeprägt. Besteht das schwingende Wandungselement 71 aus elektrisch leitendem Material, so werden dort Ströme induziert. In Fig. 9 sind an den Auflagestellen 83 dämpfende Materialien 86, z. B. Klebstoffe, Kunststoffe angebracht. Bei Schwingungen des Wandungselements 81 kommt es zu einer Relativbewe-

iü gung zwischen den Wänden 84 und 81, die gedämpft wird. Eine weitere Möglichkeit zur Dämpfung besteht in der Materialwahl der Wandungselemente; z. B. ergeben glas- oder kohlefaserverstärkte Kunststoffe eine höhere Materialdämpfung.

i^ri IndenFig. 10und 11 sind Konstruktionsmerkmale zur Kompensation von wetter- bzw. höhenbedingten Druckunterschieden dargestellt. Durch die Änderung des äußeren Druckes verändert sich auch der Arbeitspunkt des mitschwingenden Resonators. Wegen der nicht-linearen Federcharakteristik der Wandungselemente ergibt sich eine andere Federkonstante und damit eine andere Resonanzfrequenz. Bei Breitbandlärm mit Verwendung mehrerer, auf verschiedene Eigenfrequenzen abgestuften Resonanzfrequenzen ist eine Druckänderung im allgemeinen unerheblich, da sich alle Frequenzen kollektiv verschieben und so die Breitbaudwirkung erhalten bleibt. Bei schmalbandigen Lärmereignissen, bei großen Druckunterschieden und bei Wandungselementen mit geringem Flächen-

K) gewicht sind jedoch Druckkompensatoren zweckmäßig.

In Fig. 10 wird ein Resonator durch zwei Wandungselemente 91 gebildet. Zwischen den Auflagestellen 93 befindet sich eine Zwischenfeder 97. Diese

j5 ist in einem flüssigkeitsgefüllten Ringschlauch 98 untergebracht. Die Zwischenfeder 97 teilt gleichzeitig die Flüssigkeitsmenge in zwei getrennte Ringe und enthält kleine Durchgangsbohrungen 99. Bei einer (langsamen) Erhöhung des Außendruckes wird die

4(i Zwischenfeder 97 zusammengedrückt. Dadurch wird der Ringschlauch 98 verbreitert und ergibt so einen kleineren wirksamen Durchmesser der Wandungselemente 91. Der Arbeitspunkt und damit die Resonanzfrequenz verbleiben dadurch an derselben Stelle. Die

4-, schnellen Schalldruckänderungen dagegen /ermögen wegen der kleinen Zeitkonstanten der Flüssigkeitsausgleichsströmung den Arbeitspunkt nicht zu verändern.

In Fig. 11 ist eine weitere Möglichkeit zur Druck-

•vi kompensation dargestellt. Dabei wird das Wandungselement 101 durch eine im Verhältnis schwerere Ringfeder 107 gehalten. Der von Tellerfederelement 101 und Deckfläche 104 gebildete Innenraum ist dabei nicht vollständig evakuiert. Auch zur Kompensa-

,-, tion oer Federung des eingeschlossenen Gasvolumens ist das Wandungselement 101 auf negative Federi.onstante eingestellt. Bei einer Erhöhung des Umgebungsdruckes wird durch das Nachgeben einer auch hier vorhandenen, jedoch nicht gezeigten Ringfeder

μ ι 97 das Inncnvolunen verkleinert und dadurch die Federkonstantc des eingeschlossenen Gases erhöht. Weiter abnehmende negative Federung der Telleffederelemcnte 101 und zunehmende Gasfederung kompensieren sich gegenseitig, so daß die Resonanz-

i,-, frequenz konstant bleibt. Dasselbe Prinzip läßt sich auch ohne /usät/.li .hc Ringfeder 107 allein mit der statischen Durchfederung der Wandungsclcmente 101 erreichten.

Eine weitere Kompensationsmöglichkeit besteht darin, daß die Innenvolumina der Resonatorelemente untereinander durch Gaskanäle verbunden sind. Entsprechend der Änderung des Außendruckes wird dadurch der Unterdruck eingestellt. Zum Beispiel geschieht dies mittels eines Dampf/Flüssigkeitssystems: Wird die Temperatur der Flüssigkeit erhöht, so steigt dadurch der Dampfdruck und damit der Unterdruck am geschlossenen Resonatorelement. Eine automatische Druckkompensation kann durch eine Druckkammer, die an das Kanalsystem angeschlossen ist. erreicht werden. Die Druckkammer ist dabei analog einem Tellerfederelcment aufgebaut. Bei einer äußeren Luftdruckänderung ändert sich über die statische Druckbewegung das Innenvolumen und dadurch der Druck. Dieser Druck wird über das Kanalsystem weitergcleitet und damit die Resonatorelemente nachjustiert. Dabei ist es /.weckmäßig, jeweils für abgeschlossene Teilbereiche der Kesonatoreiemente eine eigene Druckkammer vorzusehen, so daß bei einem Leck der Schaden auf diesen Teilbereich beschränkt bleibt.

Eine weitere Möglichkeit zur Druckkompensation besteht darin, die in Streifen oder Flächen integrierten Resonatorelemente insgesamt zu verwinden, verwölben oder zu verdrillen. Eine solche Maßnahme ändert über die Vorspannung die Eigenfrequenz der Resonatorelemente. Die Verformung der Streifen oder Flächen kann dabei automatisch von der Luftdruckänderung selbst bewerkstelligt werden. Dazu wird z. B. eine Barometerfeder vorgesehen, die sich abhängig vom äußeren Druck verformt. Das analoge Prinzip kann auch zur Kompensation von Temperatureinflüssen angewendet werden. Hierbei dient bin Bimetallelement an Stelle der Barometerfeder als Verstellglied.

in den Fig. 12 bis 15 schließlich sind Ausführungsbeispiele von zu Wandflächen integrierten Resonatorelementen zusammengestellt. Fig. 12 stellt eine Ja lousieanordnung zur Abdämmung des Schalls bei

ίο freiem Luftdurchtritt dar. Solche Anwendungssituationcn bestehen bei Fenstern, Lüftungsschächten, Ansaug- und Ablaßöffnungen Dabei werden in Blechstreifen Wölbungen in der Art von Tellcrfedcrelementcn wie zu Fig. 1 detaillierter beschrieben ein-

ii geprägt. Je zwei Blechstreifen werden unter Vakuum bzw. Unterdruck gasdicht zusammengefügt. Die Streifenoberfläche ist dabei parallel zur Strömungsrichtung orientiert. Die Ausführungen nach den Fig. Ϊ3 bis \5 beziehen sich auf swiuiiaiiMjftiicTCMUt

>o Wände, insbesondere mit zusätzlicher Vergrößerung der Oberfläche. In Fig. 13 sind die Wandungselemente 121 auf eine profilierte Wandfläche 123 aufgebracht. Die Tellerfederelemente sind entsprechem den Fig. 6 bis 9 bedämpft. In Fig. 14 sind beidseitig

2i mit eingeprägten Wandungselementen 131 versehene Blechplatten zusammengefügt. Dabei sind in der Auflageflächen Luftöffnungen 139 vorgesehen, s< daß auth die rückwärtigen Tellerfederelementc be aufschlagt und wirksam werden. In Fig. 15 schlicßlicl

in sind die Tellerfederelementc 141 schuppenartig an du Wand angebracht.

Hier/u 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Volumenändernde Resonatoren, bestehend aus einem Volumen mit Unterdruck, welches durch Wandungselemente nach dem Tellerfederprinzip gebildet wird, die bei Unterdruckbelastung eine kleine Federkonstante aufweisen gemäß DE-AS 2632290, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungselemente (1,11,21,31, 41, 51, 61,71,81, 91,101,111,121,131,141) am Rand eine Kröpfung (2,12,22,32,52,62,72) aufweisen daß sie kegelförmig, kugelförmig oder gemäß einer Fläche höherer Ordnung gewölbt sind und eine Wölbungshöhe (Λ) von 0,5- bis Sfacher Dicke (s) der Wandungselemente sowie einen Durchmesser (d) von 30- bis 300facher Dicke der Wandungselemente aufweisen.