DE3044865C2 - - Google Patents

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DE3044865C2
DE3044865C2 DE3044865A DE3044865A DE3044865C2 DE 3044865 C2 DE3044865 C2 DE 3044865C2 DE 3044865 A DE3044865 A DE 3044865A DE 3044865 A DE3044865 A DE 3044865A DE 3044865 C2 DE3044865 C2 DE 3044865C2
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Description

Die Erfindung betrifft eine schallabsorbierende Platte nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bekannte schallabsorbierende Platten für Decken und Wände hatten bisher eine Membran, die auf einer schalldämpfenden porösen Schicht von Glasfasern, Steinwolle (Schlackenwolle) oder Wabenstrukturen befestigt ist. Bei dieser Art der bekannten schallabsorbierenden Platten dieses Typs, gemäß der DE-OS 26 50 886, ist eine Membran, die die Wabenstruktur bedeckt, porös, so daß die Schallwellen durch die Membran hindurchtreten können und wirksam in den Wabenzellen eingefangen werden. Diese sind über einen relativ weiten Bereich von Schallfrequenzen einschließlich der höheren Frequenzen wirksam. Andere Typen bekannter Platten verwenden nicht-poröse Membranen in Kombination mit Glasfasern- oder Schlackenwolle-Verstärkung, aber diese sind in ihrer Wirksamkeit bei hohen Frequenzen stark begrenzt.
So ist in der gattungsbildenden älteren Patentanmeldung nach der DE-OS 29 46 392 eine schallisolierende Platte gezeigt, die eine wabenförmige Innenschicht, eine unmittelbar mit dieser verbundene, nicht-poröse Außenschicht auf der dem Schalleinfall abgewandten Seite und eine Außenschicht auf der dem Schalleinfall zugewandten Seite aufweist, die auch eine flexible Membran sein kann. Diese flexible Membran ist jedoch nicht unmittelbar mit der wabenförmigen Innenschicht verbunden.
Obgleich sie bei hohen Frequenzen wirksam sind, ist eine Schwierigkeit bei den Platten, die poröse Membranen verwenden, diejenige, daß sie nicht zur Geräuschverminderung in Räumen verwendet werden können, die einen hohen Grad an Hygiene benötigen. Poröse Schallabsorber können leicht mit unerwünschten Verschmutzungen, wie z. B. Wasser, Öl, Schmutz und dgl. kontaminiert werden. Insbesondere können die porösen Schallabsorber eine Brutstätte für Pilze (fungus), Schimmel, Bakterien und andere unerwünschte lebende Organismen bilden. Solche Bedingungen können in Umgebungen mit hohen hygienischen Ansprüchen, wie z. B. lebensmittelverarbeitende Betriebe, Brauereien, Fabriken für alkoholfreie Getränke und dgl. nicht geduldet werden.
Es sind bereits verschiedene Vorschläge gemacht worden, um poröse Materialien für die Verwendung als Schallabsorber unter hygienischen Bedingungen geeignet zu machen. Im allgemeinen schließt dies das Überziehen des porösen Materials mit dünnen, nicht-porösen polymeren Membranen, wie z. B. Mylar, eine zähe, durchsichtige, kältebeständige Polyesterfolie auf Basis Äthylenglykol und Terephthalsäure, Tedlar, eine witterungs- und chemikalienbeständige, metallisierbare, verschleißbare Folie aus Polyvinylfluorid oder Polyäthylen, ein. Diese Membranen bieten zwar einen gewissen Schutz für das poröse Material, sie vermindern jedoch die akustische Wirkung, insbesondere bei höheren Frequenzen. Auch müssen diese Schutzmaterialien relativ dünn sein, um die Schallabsorptionscharakteristiken des porösen Materials nicht wesentlich zu beeinflussen. Dieses Erfordernis macht die Materialien anfällig für Verletzungen und Durchbohrungen und Unterwerfen des porösen Materials unter die Umweltbedingungen. Infolgedessen sind deren Anwendung in Umgebungen unter hygienischen Bedingungen unerwünscht.
Eine weitere Klasse von Schallabsorbern, die für hygienische Bedingungen vorgeschlagen worden ist, verwendet Zellen oder Schlitze, in einer spezifischen geometrischen Anordnung um eine Geräuschverringerung zu erreichen, so beispielsweise in der DE-OS 27 24 172. Während diese Zellen oder Schlitze mit einer porösen Schicht bedeckt werden können, werden ihre schallreduzierenden Eigenschaften wesentlich verschlechtert, wenn sie mit einer nichtporösen Schicht bedeckt werden. Ein weiterer Nachteil dieser zellularen oder geschlitzten Absorber ist, daß die Zellen oder Schlitze Bereiche für organisches Wachstum bieten und nicht leicht zu reinigen sind. Weiterhin sind zellulare und geschlitzte Absorber relativ kostspielig und schwer, was für die Verwendung als Decken-Platten unerwünscht ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer neuen schallabsorbierenden Vorrichtung für hygienische Bedingungen, die die Nachteile des oben ausgeführten Standes der Technik überwinden oder wesentlich vermindern. Das erfindungsgemäß schallabsorbierende Element ist einfach, wenig kostspielig, und ist charakterisiert durch eine hohe Breitband-Absorption verbunden mit einer nicht-porösen leicht zu reinigenden Oberfläche.
Die Aufgabe wird gelöst, indem eine flexible Membran entlang der Kanten der wabenartigen Hohlräume unmittelbar mit einer Innenschicht verbunden ist und die Eigenfrequenz der die Hohlräume der Innenschicht bedeckenden Membranabschnitte im wesentlichen die gleiche wie diejenige der Membranabschnitte mit den zugehörigen Hohlräumen in Kombination als auch die gleiche wie diejenige der stehenden Wellen in den Hohlräumen selbst ist.
Die erfindungsgemäße schallabsorbierende Platte enthält die Innenschicht mit einer wabenartigen Struktur, in der Hohlräume gebildet werden und an deren gegenüberliegenden Seiten nicht-poröse, leicht zu reinigende Platten befestigt sind. Wenigstens eine der Platten, die akustischen Schwingungen ausgesetzt wird, muß aus einer flexiblen Membran gebildet werden. Im Gegensatz zu den Vorrichtungen aus dem Stand der Technik, bei denen faserartige Materialien Schall absorbieren, durch die die Luftmoleküle sich relativ zu den Fasern bewegen und die akustische Energie durch Reibung in Wärme überführt wird, leitet die vorliegende Erfindung ihre akustische Absorption her aus der hysteretischen Dämpfung, die mit der Auslenkung der Membran selbst verbunden ist. Somit ist die Membran das primäre schallabsorbierende Element und durch geeignete Auswahl der Membraneigenschaften und der Geometrie der Wabenstruktur kann die Amplitude der Membranschwingung verbessert werden, wodurch sich eine hohe Breitband-Absorption ergibt.
Das Obige und weitere Gegenstände und Maßnahmen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden näheren Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen, die Bestandteile der Beschreibung sind.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines hygienischen schallabsorbierenden Elementes, das eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 2 ist die Ansicht eines Querschnitts des Elementes von Fig. 1 entlang der Linie II-II der Fig. 1;
Fig. 3 ist eine Draufsicht auf die Wabenstruktur, die bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform nach Fig. 1 verwendet wird;
Fig. 4 ist das Kurvenbild der Auftragung der Frequenz gegen den Absorptionskoeffizienten, die die durch die erfindungsgemäßen schallabsorbierenden Elemente erreichte hohe Schallabsorption über einen breiten Frequenzbereich zeigt;
Fig. 5 ist eine Draufsicht auf das hygienische schallabsorbierende Element, das einen Rahmen enthält; und
Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine flexible Membran auf einer Seite der Innenschicht mit Wabenstruktur enthält, die den einfallenden Schallwellen zugekehrt ist, und eine steife Verstärkung auf der anderen Seite, die von den einfallenden Schallwellen weggekehrt ist.
In den Zeichnungen, und insbesondere in den Fig. 1 bis 3, umfaßt die schallabsorbierende Platte eine Innenschicht 10 mit Wabenstruktur, deren Details in Fig. 3 gezeigt sind. Sie umfaßt im wesentlichen parallele Streifen 14 eines phenolisch imprägnierten Papiers, z. B. durch Phenolharz imprägniert, die durch geschlängelt gewundene Streifen 16 des gleichen Papiertyps aneinander geheftet und untereinander verbunden sind. In einem typischen Beispiel weisen die Streifen 14 und 16 eine Dicke (Breite) von etwa 38 mm (1,5 inches) auf, während der Hohlraum 18, der durch die geschlängelt gewundenen Streifen 16 gebildet wird, typischerweise eine Querschnittsfläche aufweist, die einer Kreisfläche mit einem Durchmesser von etwa 12,7 mm (0,5 inch) äquivalent ist.
An die oberen und unteren Seiten der Innenschicht mit Wabenstruktur sind zwei flexible Membranen 20 und 22 durch einen Klebstoff an den oberen und unteren Kanten der Streifen 14 und 16 befestigt. Der Klebstoff kann irgendeiner der handelsüblichen Klebstoffe sein, wie z. B. ein Klebstoff auf Neopren-Kautschuk-Basis. Es ist jedoch wichtig, daß der Klebstoff zunächst auf die Kanten des Streifens 14 und 16 aufgetragen wird und daß die flexiblen Membranen 20 und 22 danach an Ort und Stelle gepreßt werden. Wenn andererseits der Klebstoff die innere Oberfläche der Membran bedeckt, könnte er die akustischen Eigenschaften des Absorbers wesentlich verändern und/oder herabsetzen.
Es können verschiedene Typen zellularer Strukturen als Innenschicht 10 mit Wabenstruktur verwendet werden, wobei die wesentliche Bedingung eine zellulare Struktur ist, die im Vergleich zu der daran befestigten flexiblen Membran relativ starr ist. Die Hohlräume in der zellularen Struktur bilden strukturelle Grenzen für individuelle schallabsorbierende Segmente der Membran. Diese individuellen Membransegmente wirken in Kombination mit den ihnen entsprechend zugeordneten Hohlräumen so zusammen, daß der Schall in der im folgenden beschriebenen Weise absorbiert wird.
Es ist allgemein bekannt, daß beim Absorbieren von Schall durch faserartige Materialien die Luftmoleküle durch die Schallwellen relativ zu den Fasern bewegt werden, wodurch die akustische Energie durch Reibung in Wärme überführt wird. Im Gegensatz hierzu wird entsprechend der vorliegenden Erfindung die akustische Absorption durch die hysteretische Dämpfung bewirkt, die mit der Auslenkung der flexiblen Membran 20 oder 22 selbst verbunden ist. Der Betrag der stattfindenden Dämpfung hängt ab von der Amplitude der Membranauslenkung über jeder der Zellen 18, wenn sie durch Schallwellen erregt wird. Im Gegensatz zu den bekannten Absorbern ist daher die flexible Membran 20 oder 22, die der einfallenden Schallenergie zugekehrt ist, das primäre schallabsorbierende Element. Um jedoch den Schall wirksam zu dämpfen, sollten die Eigenresonanzfrequenz der flexiblen Membran 20 oder 22, die Eigenresonanzfrequenz der Membran in Kombination mit dem Hohlraum 18 und die Eigenresonanzfrequenz der stehenden Welle in den Hohlräumen 18 sehr nahe beieinander liegen bzw. eng übereinstimmen. Auf diese Weise kann eine hohe Breitband-Absorption erreicht werden. Die Eigenfrequenz der Membran wird gegeben durch
Die Eigenfrequenz der Kombination Membran/Hohlraum ist gegeben durch
f c = 60/ Hz
Die Eigenfrequenz der stehenden Welle des Hohlraumes ist gegeben durch:
f s ≈ 340/3d
worin bedeuten:
f m = Membran-Eigenfrequenz in Hz; t = Membrandicke in Meter; a = Membranradius in Meter (d. h., der Radius des Kreises mit einer Fläche gleich der Querschnittsfläche der Zelle 18); E = Elastizitätsmodul der Membran in Newtons/m²; ρ = Membrandichte in Kilogramm/m³; σ = Poisson-Verhältnis der Membran; f c = Eigenfrequenz der Membran/Hohlraum in Hz; M = Äquivalent-Oberflächenmasse der Membran in Kilogramm/m<;
M₁, M₂= Jeweilige Oberflächenmassen der zwei Membranen in Kilogramm/m²; d= Wabendicke in Meter; und f s = Frequenz der Resonanz der stehenden Welle in Hz zwischen der ersten Viertelwelle und der ersten Halbwelle.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt das Material für die flexiblen Membranen 20 und 22 einen Polyurethanfilm mit einer Dicke von 0,038 mm (1,5 mils) und den folgenden Eigenschaften:
t= 3,8×10⁵ Meter; E= 10⁹ Newtons/m²; ρ= 1,24×10³ Kilogramm/m³; und σ= 0,4
Wie oben ausgeführt ist, ist die wabenartige Struktur der Innenschicht 10 vorzugweise etwa 3,8 cm dick und einem Hohlraum-"Durchmesser" von 1,27 cm (½ inch) äquivalent. Anstelle von Polyurethan kann jedoch eine beliebige Plastikmembran verwendet werden, die eine Dichte von 0,78 bis 1,71 g/cm³ (49 bis 107 lb/ft³), einen Elastizitätsmodul von 70 bis 1,75×10⁵ kg/cm² (1000 bis 25×10⁵ psi) und einen Verlustfaktor (Verlust-Tangente) von 0,01 bis 1,0 aufweist.
Der Verlustfaktor ist definiert als
worin
d= die von der flexiblen Membran während eines Zyklus harmonischer Belastung verzehrte Energie und u= die von der flexiblen Membran während eines Zyklus harmonischer Belastung aufgenommene Belastungsenergie
bedeutet, d. h. der Verlustfaktor ist das Verhältnis von aufgesetzter Energie zur Belastungsenergie.
Fig. 5 zeigt das hygienische schallabsorbierende Element der vorliegenden Erfindung, an das ein Rahmen 24 befestigt ist, wodurch die Wabenstruktur völlig eingehüllt wird und wodurch das gesamte Element nicht-porös und wasserfest gemacht wird. In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, die ähnlich der nach den Fig. 1 und 2 ist, worin jedoch eine Membran 22 durch eine starre Rückwand 26 zur Verstärkung ersetzt ist, die beispielsweise ein nicht-poröses Material wie z. B. Stahl oder Plastik, sein kann. Die Schallwellen müssen natürlich auf die flexible Membran 20 gerichtet werden, die flexibel ist, so daß sie die Schallenergie absorbieren kann.
In Fig. 4 sind die akustischen Ergebnisse für die Ausführungsform der Fig. 6 gezeigt. Es ist festzustellen, daß die maximale Absorption bei einer Frequenz von etwa 1000 Hertz stattfindet; jedoch wird eine recht gute Absorption zwischen etwa 200 Hertz und 4000 Hertz erreicht. Die in Fig. 4 gezeigten Ergebnisse wurden durch eine schallabsorbierende Platte mit einer wabenartigen Struktur einer Dicke von 3,8 cm (one and one-half inches) erreicht, die an ihrer Oberseite an einem Polyurethanfilm einer Dicke von 0,038 cm (1,5 mil) mit den oben angegebenen Eigenschaften befestigt war.
Die Erfindung betrifft somit eine nicht-poröse, schallabsorbierende Platte, die leicht gesäubert werden kann und die für die Verwendung unter stark feuchten, hygienischen Bedingungen gedacht ist. Die Platte umfaßt zwei nicht-poröse Membranen 20, 22 oder Rückwände 26, die an gegenüberliegenden Seiten einer wabenartigen Struktur befestigt sind. Wenigstens eine der Membranen 20 bzw. 22 ist aus einem schallabsorbierenden Material geformt, bei der die Eigenfrequenz der Membran, die Eigenfrequenz von Membran/Wabenstruktur und die Eigenfrequenz der stehenden Welle der Hohlräume 18 sehr eng zusammenfallen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Membran 20 bzw. 22 eine Polyurethanplatte, während die wabenartige Struktur aus einem phenolisch imprägnierten Papier, z. B. mit Phenolharz imprägniert, besteht.
Obgleich die Erfindung in Verbindung mit speziellen Ausführungsformen näher erläutert ist, ist es dem Fachmann offensichtlich, daß verschiedene Abänderungen in der Form und der Anordnung der Teile gemacht werden können, wobei die erfindungsgemäßen Bedingungen eingehalten werden. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß eine Anzahl verschiedener Wabenmaterialien und Membranmaterialien verwendet werden kann. Beispielsweise kann eine Aluminiumwabenstruktur mit hexagonalen Zellen oder eine Plastik-Wabenstruktur mit quadratischen, rechteckigen oder runden Zellen ebenso gut verwendet werden.

Claims (6)

1. Schallabsorbierende Platte mit einer mit Hohlräumen in Art einer Wabenstruktur versehenen Innenschicht und zwei nicht porösen Außenschichten, von denen die dem Schwingungseinfall abgewandte Außenschicht unmittelbar mit der Innenschicht verbunden ist, und von denen zumindest die dem Schwingungseinfall ausgesetzte Außenschicht als flexible Membran ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Membran (20) entlang der Kanten der wabenartigen Hohlräume (18) unmittelbar mit der Innenschicht (10) verbunden ist, und daß die Eigenfrequenz der die Hohlräume (18) der Innenschicht (10) bedeckenden Membranabschnitte im wesentlichen die gleiche ist wie diejenige der Membranabschnitte mit den zugehörigen Hohlräumen (18) in Kombination als auch die gleiche wie diejenige der stehenden Wellen in den Hohlräumen selbst.
2. Schallabsorbierende Platte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Membran (20) aus einem Plastik-Material mit einer Dichte von 0,78×10³ kg/m³ bis 1,71×10³ kg/m³ und einem Elastizitätsmodul von 70 bis 1,75×10⁹ N/m² gebildet wird.
3. Schallabsorbierende Platte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Membran (20; 22) einen Film aus Polyurethan umfaßt mit einer Dicke von etwa 3,8×10-5, einem Elastizitätsmodul von etwa 10⁹ N/m², einer Membrandichte von etwa 1,24×10³ kg/m³ und einem Poisson-Verhältnis von etwa 0,4.
4. Schallabsorbierende Platte nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Plastik-Material einen Verlustfaktor (Verlust-Tangente) von 0,01 bis 1,0 hat.
5. Schallabsorbierende Platte nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Außenschichten als steife Rückwand (26) ausgebildet ist.
6. Schallabsorbierende Platte nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rahmen (24) den Umfang der Platte umgibt und mit ihr verbunden ist und die Innenschicht (10) mit Wabenstruktur völlig eingekapselt ist.
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