DE3217784C2

DE3217784C2 - Schalldämpfendes Element mit Resonatoren

Info

Publication number: DE3217784C2
Application number: DE3217784A
Authority: DE
Inventors: Oskar Dipl.-Ing. Dr. 8000 München Bschorr
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1982-05-12
Filing date: 1982-05-12
Publication date: 1985-12-19
Also published as: DE3217784A1; IT8321006A0; FR2526985B1; IT1163329B; IT8321006A1; GB2121911B; GB2121911A; FR2526985A1; GB8312538D0

Abstract

Das schalldämmende Element besteht aus einer durchgehenden dünnen Platte, welche mit einem gitterförmigen Rahmen kraftschlüssig verbunden und/oder mit netzförmigen Versteifungen oder Steifigkeitsverringerungen versehen ist, derart, daß eine Vielzahl von unabhängig schwingungsfähiger Resonatoren entsteht. Der Rahmen und/oder die Versteifungen oder Steifigkeitsverringerungen weisen in einer oder mehreren jeweils übergeordneten Gitter- bzw. Netzstruk tur(en) unterschiedliche Steifigkeiten auf, wodurch Resonatorkollektive mit gegenüber einem einzelnen Resonator geringerer Resonanzfrequenz entstehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein schalldämpfendes Element mit Resonatoren aus einer durchgehenden dünnen Platte, welche mit einem gitterförmigen Rahmen kraftschlüssig verbunden und/oder mit netzförmigen Versteifungen oder Steifigkeitsverringerungen versehen ist, derart, daß eine Vielzahl von unabhängig schwingungsfähigen Resonatoren entsteht.

Ein Schallabsorber mit Plattenresonatoren im allgemeinen sowie ein entsprechender Absorber aus Kunststoffolie im besonderen wird von F. Mechel und N. Kiesewetter in »ACUSTICA« Vol. 47 (1981), S. 83-88. beschrieben. Bei derartigen Schallabsorbem regt das Schallfeld eine Platte zu Biegeschwingungen an, welche durch innere Reibung gedämpft werden und damit eine Schallabsorption bewirken. In den obenerwähnten, in »ACUSTICA« beschriebenen Versuchen wurde eine Kunststoffolie so verformt, daß rechteckige Flächenstücke von einigen cm Länge und Breite entstehen, die am Rand durch einen Knick begrenzt sind. Der Knick am Rande dieser Platten wirkt als Befestigung und hindert die Folie an dieser Stelle in ihrer freien Bewegung. Durch Schallwellen wird daher die Platte zu Eigenschwingungen angeregt. Die Wellenlängen dieser Eigenschwingungsformen sind im Frequenzbereich bis zu 5000 Hz wesentlich kleiner als die Spurwelleniänge der auftreffenden Luftschallwelle. Die Schwingungsamplitude der Platte und damit deren schallabsorbierende Wirkung wird besonders groß bei den Eigenfrequenzen. Damit eine derartige Platte durch Luftschall zu Eigenschwingungen angeregt wird, ist eine inkohärente Druckbeaufschlagung der Platte von beiden Seiten erforderlich. Dazu wird die Platte am Rand in einen Rahmen fest eingespannt Der Rahmen ist mit einer starren Abschlußwand versehen, so daß ein mit Luft gefüllter Hohlraum zwischen der Platte und dieser Abschlußwand entsteht. Die eingeschlossene Luft wirkt dann wie eine einfache Feder auf die Rückseite der Platte.

Da die einzelnen Resonatoren, wie erwähnt, nur in einem relativ schmalen Frequenzbereich (Resonanzfrequenz) schallabsorbierend wirken, wären zur Dämpfung von Schallwellen in einem breiten Frequenzbereich eine Vielzahl unterschiedlicher Platten erforderlich. Da dann Platten mit gleicher Resonanzfrequenz relativ weit auseinander wären, wäre die Wirkung über die Gesamtfläche und den gesamten Frequenzbereich relativ gering.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein schalldampfendes Element der obengenannten Art zu schaffen, welches wirkungsvoller als bisher feoer einen breiten ■Frequenzbereich wirkt Diese Aufgabe wird durch ein nach Patentanspruch 1 ausgebildetes schalldämpfendes Element gelöst.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Durch die vorgesehenen übergeordneten Gitterbzw. Netzstrukturen wird erreicht, daß nicht nur die einzelnen Platten in ihrer Resonanzfrequenz schwingen, sondern auch mehre^re Platten zusammen als Kollektiv bei einer entsprechend geringeren Resonanzfrequenz. Die einzelnen Platten werden daher in mehreren Frequenzen hinsichtlich ihrer schallabsorbierenden Wirkung ausgenutzt, so daß die Gesamtzahl der Platten zur Bedämpfung eines vorgegebenen Frequenzbereiches um ein Mehrfaches kleiner sein kann als bisher. Da die Resonanzfrequenz eines Resonatorkollektivs kleiner als die eines einzelnen Resonators ist, wird zudem eine wirksame Entkopplung beider Schwingungsysteme erreich ι.

Bei einer einfachen übergeordneten Gitter- bzw. Netzstruktur wird die wirksame Fläche des gesamten Elementes doppelt genutzt; bei einer weiteren übergeordneten Gitter- bzw. Netzstruktur ergibt sich eine dreifache Flächenausnutzung. Die Abmessungen eines Resonatorkollektivs sollen kleiner als die Hälfte der kleinsten zu dämpfenden Wellenlänge X_mm des Luftschalls sein und weiterhin sollten die einzelnen Resonatoren eines Resonatorkollektivs unterschiedliche Reso-

nanzfrequenz aufweisen. Daraus ergibt sich, daß der Abstand von Resonatoren mit gleicher Resonanzfrequenz kleiner als A_minl2 ist. Unterhalb dieser Abstandsgrenze wirken die frequenzgleichen Resonatoren im Verbund und bilden einen Flächenabsorber. Bei größerem Abstand dagegen wurden die Resonatoren als einzelne Punktabsorber arbeiten. Analog wie ein Flächenstrahler gegenüber einem Punktstrahler einen sehr viel höheren Absti ahlungswirkungsgrad aufweist, ist auch ein Flächenabsorber um eine Größenordnung effektiver als ein Punktabsorber. Um praktisch kleine Kollektivabmessungen zu vermeiden, können im oberen Frequenzbereich die doppelte oder eine mehrfache Anzahl Resonatoren gleicher Frequenz vorgesehen sein.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einzelner teilweise schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein aus jeweils vier Resonatoren gebildetes Resonatorkollektiv,

F i g. 2 jeweils ein aus vier Resonatorkollektiven mit je vier Resonatoren gebildetes Resonalorüberkoilektiv,

F i g. 3 einen Querschnitt durch eine dünne Platte mit durch Sandstrahlung erzeugten Resonatoren,

Fig.4 einen Querschnitt durch eine dünne Platte mit durch Steifigkeitsverringerungen voneinander getrennten Resonatoren,

F i g. 5 einen Querschnitt durch eine dünne Platte mit netzförmigen Versteifungen,

F i g. 6a und 6b eine aus zwei Teilplatten mit kalottenförmigen Vertiefungen zusammengesetzte Platte,

Fig.7—9 verschiedene Anordnungen von Platten in einem Luftstrom zur Erzeugung einer inkohärenten Druckbeaufschlagung,

Fig. 10 eine Anordnung der Platten nach Art eines Plattenwärmetauschers,

F i g. 1 ί die Anwendung von schalldämpfenden Elementen an Tragflächen.

F i g. 1 zeigt in einer Aufsicht einen Ausschnitt aus einer Platte 10 mit Resonatoren 11, 12,13 und 14, welche ein Resonatorkollektiv 17 bilden. Dazu sind die Resonatoren 11 bis 14 untereinander durch Versteifungen 16 akustisch voneinander getrennt und von Versteifungen 15 umrahmt. Die gitterförmigen Rahmenteile 16 weisen eine geringere Steifigkeit auf als die übergeordneten Rahmenteile 15. Die Eigenfrequenzen der Resonatoren 11 bis 14 sind daher auf den oberen Frequenzbereich der zu dämpfenden Schallwellen abgestimmt, so daß die Eigenfrequenz des Resonatorkollektivs 17 vergleichsweise tief liegt. Durch diese Abstimmung sind die Resonatoren und das Resonatorkollektiv voneinander entkoppelt und können unabhängig voneinander schwingen. Durch die zweistufige Hierarchie der Rahmen 15 und 16 wird die Oberfläche der gesamten Platte zur Schalldämpfung doppelt ausgenutzt.

In Fig. 2 wird ebenfalls in einer Aufsicht ein Ausschnitt aus einer schalldämpfenden Platte 20 gezeigt, bei der ein Resonatorkollektiv 21 dreifach hierarchisch unterteilt ist. Dazu ist das von den übergeordneten Rahmenteilen 22 umrahmte Resonatorkollektiv 21 durch eine erste untergeordnete Rahmenstruktur 23 in untergeordnete Resonatorkollektive 24 unterteilt. Jedes untergeordnete Resonatorkollektiv 24 ist durch eine weitere untergeordnete Rahmenstruktur 25 in einzelne Resonatoren 26 unterteilt. Die Eigenfrequenz des Resonatorkollektivs 21 soil kleiner sein als die der Resonatorkollektive 24 und diese wiederum kleiner als die der einzelnen Resonatoren i<i. Diese Bedingung kann durch eine entsprechende Wahl der Steifigkeit der einzelnen Rahmenteile sowie durch Unterbrechungen in den jeweiligen Rahmen erreicht werden.

Die in den F i g. 1 und 2 gezeigten rechteckigen Rahmenstrukturen können selbstverständlich durch andere Strukturen, z. B. durch hexagonale Strukturen, ersetzt werden.

F i g. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine Platte, bei der kreisförmige Resonatoren 31 durch beidseitiges Sandstrahlen der Platte 30 erzeugt werden. Durch das Sandstrahlen werden die bearbeiteten Flächenteile weicher und damit tieffrequenter. Die nichtbearbeiteten Plattenteile 32 bilden daher die steiferen Rahmenteile analog zu denen in den F i g. 1 und 2. Durch entsprechende Dimensionierung der bearbeiteten und der unbearbeiteten Plattenteile können wiederum die vorher beschriebenen übergeordneten gitterförmigen Rahmenstrukturen erzeugt werden. Die dadurch entstehenden Resonatoren und Resonatorkollektive sind frequenzrnäßig über den zu dämpfenden Lärmbereich verteilt.

F i g. 4 zeigt den Querschnitt durch eine Platte 40, bei dem einzelne Resonatoren 41 durch Weifungen 42 voneinander getrennt sind. Bei ausreichender Steifigkeit der Resonatoren können diese konphas schwingen und haben so eine höhere Flächenausnutzung.

Bei dem in F i g. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Platte 50 aus zwei Teilplatten 50.1 und 50.2, zwischen denen ein Gitter bildende Stege 52 eingeklemmt sind. Die Teilplatten 50.1 und 50.2 sind zusammengepreßt und miteinander verklebt, so daß die Bereiche zwischen den Stegen 52 schwingungsfähige Einzelresonatoren 51 bilden können. Durch die Bemessung der Stege 52 können wiederum die in den F i g. 1 und 2 gezeigten übergeordneten Rahmenstrukturen erzeugt werden.

Die F i g. 6b zeigt ein besonders wirkungsvolles Ausführungsbeispiel einer schalldämpfenden Platte 60, welche aus zwei Teilplatten 60.1 und 60.2 hergestellt ist. Jede Teilplatte 60.1 und 60.2 weist in regelmäßigen Abständen kalottenförmige Einprägungen 61 auf. Bei einer Wciidstärke d der Teilpiatten 60.1 und 60.2 beträgt die Höhe Λ einer kartenförmigen Einprägung 61 etwa das 0,5- bis 5fache der Wandstärke d, während der Durchmesser D einer Vertiefung weitgehend beliebig ist. Die Teilplatten 60.1 und 60.2 werden so zusammengeklebt, daß sich die Vertiefungen 61 entweder mit den konkaven oder, wie in Fig.6a, mit den konvexen Seiten gegenüberliegen. Die Teilplatten 60.1 und 60.2 werden unter Druck zusammengeklebt, so daß sie eine ebene Platte 60 bilden. Die Klebeschicht 62 hat dabei gleichzeitig Dämpfungseigenschaften. Die ursprünglichen Vertiefungen 61 weisen bei Belastung der Platte 60 eine nichtlinear: Federcharakteristik auf. vergleichbar mit einer Tellerfeder. Bei einer Wölbungshöhe h = d ■ fi. haben diese im Minimum die Federkonstante 0. Für Λ > σ · j/2 ergibt sich ein instabiler Bereich mit negativer Charakteristik; entsprechend kann bei Λ < d ■ ]/2 jede positive Federcharakteristik eingestellt werden. Mit der Masse des Materials zweier zusammengeklebter ursprünglieher Vertiefungen 61 ergibt sich eine charakteristische Eigenfrequenz. Liegt auf einer Seite S\ der Platte 60 ein Schalldruck Pi an. der unterschiedlich zu dem Druck P₂ auf der anderen Seite 52 ist, so schwingen die Bereiche D der ursprünglichen Vertiefungen 61 in ihrer jeweiligen Eigenfrequenz mit und entnehmen dem Schaltfeld Energie. Durch die Bemessung der zwischen den Einwölbungcn 61 verbleibenden Plattenbereiche 63 können wiederum, ähnlich wie in den F i g. 1 und 2, überge-

ordnete Rihmenstrukturen erzeugt werden, so daß einzelne Resonatoren zu Resonatorkollcktiven zusammengefaßt werden.

Die F i g. 7 —9 zeigen verschiedene Anordnungen von Platten der vorbeschriebenen Art in Lüftungskanälen. i Bei derartigen Anordnungen besteht die Aufgabe, den Eingang bzw. den Ausgang des Lüftungskanals so zu gestalten, daß an beiden Seiten jeder Platte ein unterschiedlicher Schalldruck anliegt (inkohärente Druckbeaufschlagung). Bei kohärenter Druckbeaufschlagung würden nämlich die einzelnen Resonatoren und Resonatorkollektive nicht angeregt.

In F i g. 7 sind die einzelnen Platten 71, 72, 73 parallel zueinander angeordnet und verschieden lang. Bei dem durch die gezeigten Pfeile angedeuteten Lufteintritt in die jeweils gebildeten Kanäle 70 haben die durch die einzelnen Platten gebildeten Teilkanäle 70.1, 70.2 und 7OJ unterschiedliche Impedanz, so daß auch die eindringenden Schallfelder verschieden sind.

In Fig. 8 wird der Lufteintritt 80 zwischen den Platten 81 dadurch gebildet, daß je zwei Resonatoreinheiten mit unterschiedlicher Resonatorenbelegung einen Kulissenschalldämpfer 82 bilden. Diese Kulissenschalldämpfer wirken auf Schallwellen so. daß nach einem bestimmten Strömungsweg einlagige Platten mit Resonatoren und Resonatorkollektiven ein unterschiedliches Schallfeld vorfinden.

In Fig.9 wird der Lufteintritt 90 durch verschieden angestellte Platten 91 und 92 gebildet. Dadurch ergeben sich unterschiedliche lokale Drücke P\ und fj an den jo einzelnen Resonatoren und Resonatorkollektiven.

In Fig. 10 sind die mit Resonatoren und Resonatorkollektiven besetzten Platten 101 und 102 eines Luftkanalschalldämpfers nach Art eines Piattenwärmetauschers übereinander angeordnet. Die unterschiedliche Druckbeaufschlagung der einzelnen Platten 101 und 102

WII U UUIUII LII tilt. Il V CI 3ClZ. IC UIIU UUI CII Γ ICIlC UUI gC3lCI|-

te Lufteinlauföffnungen erreicht. Dazu befinden sich jeweils versetzt angeordnete Verschlußblenden 103 und 104 zwischen je zwei Platten 101 und 102.

In Fig. 11 ist ein Anwendungsbeispiel für die erfindungsgemäßen schalldämpfenden Elemente aus Resonatoren und Resonatorkollektiven dargestellt. Hierbei ist die Oberseite einer Tragfläche 110 zumindest im Bereich der Flügelhinterkante aus einer Platte mit Resonatoren und Resonatorkollektiven hergestellt. Im Innern des Flügels herrscht ein konstanter bzw. ein sich nur langsam ändernder Druck P. Die hohe Admittanz der Resonatoren 111 dämpft äußere Druckinstabilitäten AP bei der Umströmung. Dadurch kann die Strömung langer stabil gehalten werden, so daß ein geringerer Widerstand und ein höherer Auftrieb erreicht werden können.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

so

63

Claims

Patentansprüche:

1. Schalldämpfendes Element mit Resonatoren aus einer durchgehenden dünnen Platte, welche mit einem gitterförmigen Rahmen kraftschlüssig verbunden und/oder mit netzförmigen Versteifungen oder Steifigkeitsverringerungen versehen ist, derart, daß eine Vielzahl von unabhängig schwingungsfähigen Resonatoren entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (15, 16; 22, 23, 25) und/oder die Versteifungen (32; 63) oder Steifigkeitsverringerungen (42) in einer oder mehreren jeweils übergeordneten Gitter- bzw. Netzstruktur(en) unterschiedliche Steifigkeiten aufweisen, wodurch Resonatorkollektive (!7; 21, 24) mit gegenüber einem einzelnen Resonator (11; 26) geringerer Resonanzfrequenz entstehen, wobei entweder die Resonatoren von einer Seite mit Schallwellen beaufschlagt werden und mit der anderen Seite auf ein abgeschlossenes Gasvolumen einwirken (Fig.6b und 11) oder die Resonatoren beidseitig von Schallwellen mit unterschiedlicher Phasenlage beaufschlagt werden (F i g. 7,8,9 und 10).

2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser eines Resonatorkollektivs (17,21,24) kleiner als die- Hälfte der kleinsten zu dämpfenden Wellenlänge des Luftschalls ist

3. Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Resonatoren (11 — 14) eines Resonatorkollektivs (17) unterschiedliche Resonaitzfrequenzen aufweisen.

4. Element nach eine,^i der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dpß die die Resonatoren bildende Platte (60) aus zwei Tei'-jlatten (60.1, 60.2) besteht, welche jeweils kartenförmige Einprägungen (6i) aufweisen, wobei die Einprägungen einer Teilplatte deckungsgleich auf denen der anderen Platte mit jeweils den konvexen oder konkaven Seiten gegeneinander gerichtet liegen und unter Druck im Bereich der elastischen Verformbarkeit zu einer Platte ohne verbleibende Zwischenräume zusammengeklebt sind.

5. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoren (11; 26) durch eine entsprechende Materialwahl oder durch Verbindung mit einer Dämpfungsmasse eine hohe innere Eigendämpfung aufweisen.

6. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (101, 102) nach Art eines Plattenwärmetauschers mit um 90° versetzten Lufteinläufen angeordnet sind (F i g. 10).

7. Verwendung eines schalldämpfenden Elementes nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (111) an der Außenseite einer Tragfläche (110) angeordnet sind (F i g. 11).