DE3335210C2

DE3335210C2 -

Info

Publication number: DE3335210C2
Application number: DE19833335210
Authority: DE
Inventors: Oskar Dr.Rer.Nat. 8000 Muenchen De Bschorr; Eckehard 8150 Holzkirchen De Laudien
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1983-09-29
Filing date: 1983-09-29
Publication date: 1988-04-07
Also published as: DE3335210A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Dämpfung von Schall in Kanälen, Kapseln und Räumen in Form von mit Öffnungen versehenen Absorptionswänden nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Einrichtung ist aus der DE-OS 29 20 278 bekannt.

Das gebräuchlichste Mittel zur Luftschalldämpfung sind Faserstoffe, z. B. Steinwolle, Kunststoffschäume und textile Stoffe. Bei diesen Materialien resultiert die Dämpfung aus der Relativbewegung der Schallschnelle. Im unteren Frequenzbereich ist das notwendige, große Bauvolumen von Nachteil. Für eine optimale Wirkung müssen diese Absorptionsstoffe einen Mindestabstand von λ/4 (λ= Schallwellenlänge) von einer festen Wand haben. Nachteilig ist ferner die geringe, mechanische Festigkeit und die Gefahr von Staubzusetzung und Wasseraufnahme.

Im weiteren sind zur Luftschalldämpfung auch mitschwingende, mechanische Resonatoren im Einsatz. In der Bauakustik werden Holzpaneele als Plattenresonatoren, besonders für den tiefen Frequenzbereich, benützt. Daneben gibt es auch geschlossene, linsenförmige Resonatorelemente (Silatoren), die evakuiert sind und ebenfalls durch ihr Mitschwingen wirken. Diese Elemente wirken jedoch nur in ihrer Eigenfrequenz, so daß bei Breitbandlärm verschieden abgestimmte Resonatoren notwendig sind. Außerdem ist deren Admittanz wegen der zu bewegenden Wandungsmassen geringer.

Aufgabe der Erfindung sind mechanisch stabile Flächenelemente mit glatter, strömungsgünstiger Oberfläche zu konzipieren, die bei einseitiger Schallbeaufschlagung oder beidseitiger Beaufschlagung mit inkohärentem bzw. ungleichem Lärm eine hohe Schallabsorption über das gesamte Lärmspektrum ergeben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Öffnungen sind so klein bemessen, daß in ihnen eine resistive Strömung herrscht. Dies ist dann der Fall, wenn die Reynolds-Zahl der Öffnung kleiner als 1 ist, d. h. wenn die Reibungskräfte der Strömung gegenüber den Trägheitskräften dominant sind. Bei der Strömung in einem Röhrchenkanal mit dem Radius R und der Länge L z. B. ist nach dem Hagen- Poiseuille'schen Gesetz der Volumenfluß V ^· bei einer Druckdifferenz Δ P

Akustisch gesehen stellt das Verhältnis Δ P/V ^· eine Flußimpedanz R dar.

Läßt man die Luftmasse des Rohrinhaltes außer Betracht, so ist diese Flußimpedanz frequenzunabhängig, ist rein reel und stellt also eine Flußresistanz dar. Kommen "n"-Öffnungen mit je einer Flußresistanz R auf eine Fläche S, so kann man der Dämpfungswand eine spezifische Resistanz r zuordnen.

r = RS/n + r _s

Dabei ist angenommen, daß der gegenseitige Abstand der Öffnungen kleiner als ½ Schallwellenlänge ist. Der Term r _s stellt die Strahlungsresistanz der rückwandigen Seite dar. Bei senkrechtem Schalleinfall und die Rückseite als halbunendliches Kontinuum z. B. ist r _s = ρ c (p c = Kennwiderstand des rückseitigen Mediums. Der Kennwiderstand von Luft ist 400 kg/m²s). Trifft Luftschall auf eine Dämpfungswand mit der spezifischen Resistanz r, so weist diese einen Absorptionsgrad α auf

Der "absorbierte" Schallanteil wird einmal durch Reibung in der Öffnung in Wärme umgesetzt, während der andere Teil in den rückwärtigen Halbraum abgestrahlt wird. Diese beiden Anteile verhalten sich wie die Resistanzen RS/nr _s. Bei einem Verhältnis r/ρ c=4 z. B. ist α=64%, wobei ¾ der Schallenergie in der Öffnung absorbiert wird und ¼ durchstrahlt.

Nach einer weiteren Ausgestaltung befinden sich die Öffnungen vorzugsweise an Kanten und Ecken. In einer Kante z. B. kommt es zu einer Druckvervielfachung, so daß hier bei einer Wandresistanz r eine Kantenabsorption

auftritt, die gegenüber der einfachen Wand viermal größer ist. Andererseits ist der Abstrahlwiderstand r _s an einer Außenkante sehr viel kleiner. Damit ist die nach außen abgestrahlte Lärmleistung entsprechend kleiner. Noch günstiger liegen die Verhältnisse in Ecken. Öffnungen in den Ecken einer Lärmschutzkapsel z. B. ergeben hohe Innendämpfung bei minimaler Außenstrahlung.

Vorzugsweise wird die mit Öffnungen versehene Absorptionswand mit der spezifischen Resistanz r nicht nur von einer Seite, sondern beidseitig mit Schall beaufschlagt. Beide Seiten haben eine voneinander unabhängige Absorption α, wenn die Schallfelder inkohärent oder zumindest phasen- oder laufzeitverschoben sind. Eine solche Anordnung ist insbesondere in Strömungskanälen vorteilhaft. Dabei wird der Strömungskanal durch die Dämpfungswände in zwei oder mehrere Teilkanäle abgetrennt. Werden die jeweils benachbarten Teilkanäle durch unterschiedliche Strömungen mit inkohärentem Lärmanteil beaufschlagt, so tritt keine gegenseitige Beeinflussung auf und jede Seite hat eine seiner spezifischen Resistanz entsprechende Absorption. Bei einem Kanal mit nur einer Strömungsart, z. B. einem Ansauggebläse jedoch liegt im wesentlichen ein kohärentes Schallfeld vor. Dadurch, daß die Absorptionswände im Kanal nicht planparallel angebracht sind, können die Schallfelder in den Teilkanälen phasenverschoben und druckungleich gemacht werden. Eine sehr effektive Druckverschiedenheit ergibt sich, wenn der Strömungsquerschnitt der Teilkanäle nicht konstant ist, sondern alterniert. Eine in gleicher Weise wirksame Maßnahme sind unterschiedliche Laufwege in den einzelnen Teilkanälen.

Nach einer weiteren Ausgestaltung wird die Inkohärenz in Teilkanälen dadurch erhöht, daß die Öffnungen nicht gleichmäßig über die Dämpfungswände verteilt sind. Vorzugsweise sind abwechselnd Felder mit und ohne Öffnungen vorgesehen.

Der Erfindung ist anhand mehrerer Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 Ausführungsbeispiele für Öffnungen

a) Kanal
b) Blende
c) Spalt
d) Vliesabdecken
e) Schlitze
f) mit Folie abgedeckte Blende;

Fig. 2 Ausführungsbeispiele für Öffnungen mit überlagerter Gleichströmung

a) Wölbung verursacht bei Strömung Differenzdruck
b) mechanischer Resonator wird von Differenzdruck zum (hochfrequenten) Schwingen angeregt
c) akustischer Resonator, angeregt durch Differenzdruck;

Fig. 3 Absorptionswand;

Fig. 4 Strömungskanal mit Trennflächen, die mit Dämpfungselementen versehen sind;

Fig. 5 Kanal mit gewinkelten Trennflächen, die mit Dämpfungselementen versehen sind;

Fig. 6 Kanal mit Innenvolumen;

Fig. 7 Kanal mit Dämpfungselementen in den Außenwandungen;

Fig. 8 mäanderförmiger Kanal;

Fig. 9 Dämpfungseinsatz mit asymetrischer Zwischenwand.

In Fig. 1 sind verschiedene Ausführungsformen der Öffnungen 12 dargestellt. In der Grundform nach Fig. 1a) wird die Öffnung 12 durch einen Kanal mit z. B. rundem Querschnitt gebildet. Bei einem Kanaldurchmesser D und einer Kanallänge L und der Viskosität η hat eine solche Öffnung bei Hagen-Poiseuille'scher Durchströmung eine Flußimpedanz, die (bei engen Querschnitten, wobei die Reibungskräfte gegenüber den Massenträgheitskräften dominant sind) rein reell ist, also eine Flußresistanz R darstellt

Auch mit einer Blende (Fig. 1b), mit einem Spalt (Fig. 1c) oder mit einem Schlitz (Fig. 1e) lassen sich ähnliche, resistive Strömungswiderstände realisieren. In Fig. 1d) wird der Strömungswiderstand durch die Abdeckung mit einem Vlies 13, einem Sieb oder dergleichen, gebildet. Die Flußresistanz bleibt auch erhalten, wenn - wie in Fig. 1f) - die Öffnung 12 durch eine massenarme Folie 14 abgedeckt ist. Die Störwirkung dieser Folie 14 ist um so geringer, je masseärmer, je flexibler und je größer diese ist. Was die Herstellung und Montage der Öffnungen 12 anbelangt , ist es zweckmäßig, vorgefertigte Elemente zu verwenden, die dann vor Ort angebracht werden können.

In Fig. 2 sind Modifikationen der Absorptionswand 21 mit den Öffnungen 22 dargestellt. In Fig. 2a) befindet sich die Öffnung 22 auf einer Ausbeulung 23. Diese Absorptionswand 21 in einem durchströmten Kanal ergibt unterschiedlichen Gleichdruck, der einen Gleichstrom in der Öffnung 22 induziert. Ein solcher Gleichstrom sorgt für Selbstreinigung und verhindert ein Zusetzen der Öffnung 22. Die Gleichströmung verschlechtert die Flußresistanz der Öffnung 22 grundsätzlich nicht. Bei Fig. 2b) mit der Absorptionswand 21′ befindet sich in der Öffnung 22′ ein mechanischer, hochfrequenter Zungenresonator 24′ als mechanischer Schwinger. Durch die Ausbeulung 23′ wird im durchströmten Kanal wieder ein Gleichstrom induziert, der den Zungenresonator 24′ zum Schwingen bringt. Die Schwingung zerhackt den Luftstrom und transportiert den tieffrequenten Lärmanteil in den leichter zu dämpfenden, hohen Frequenzbereich. Eine vergleichbare Wirkung wird auch in Fig. 2c) erreicht. In der Absorptionswand 21′′ befindet sich auf einer Ausbeulung 23′′ eine Öffnung 22′′. Dieser ist ein Volumenraum 24′′ als mechanischer Schwinger vorgeschaltet. Auch hier können hochfrequente Zerhacker und auch Filterpässe realisiert werden.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer Absorptionswand 31 dargestellt. Diese ist in einem Abstand von einer Raumdecke 34 angebracht und soll zur Deckenabsorption dienen. In der Absorptionswand 31 mit der Fläche S befinden sich "n"-Öffnungen 32 mit je der Flußresistanz R. Die Öffnungen 32 sind gleichmäßig und mit einem gegenseitigen Abstand kleiner als die noch zu dämpfenden Wellenlängen. Zum Schutz vor Verstaubung sind die Öffnungen 32 durch eine dünne, aufliegende Folie 33 geschützt. Vernachlässigt man den Einfluß der Folie 33 und nimmt den abgeteilten Zwischenraum zur Decke 34 hin als genügend groß an, so hat die Absorptionswand 31 eine spezifische Resistanz r

r = RS/n + ρ c

Der Anteil ρ c enthält den Strahlungswiderstand für die Durchstrahlung. Damit erreicht die Wand einen Absorptionsgrad α

Dieser verringert sich zwar noch um den Schallanteil, der von der Decke 34 reflektiert und von der Rückseite her wieder durch die Absorptionswand 31 geht. Dieser Anteil ist jedoch um so kleiner, je größer das Verhältnis RS/n ρ c ist, also das Verhältnis von spezifischer Impedanz r und der Kennimpedanz in dem zu dämpfenden Medium.

In Fig. 4 ist ein Kanal, z. B. Lüftungskanal, durch Absorptionswände 41 in mehrere Teilkanäle abgeteilt. Dabei ist zu beachten, daß zwischen den Kanälen keine freie Durchgangsfläche besteht. In den Absorptionswänden befinden sich Öffnungen 42. Sind die einzelnen Kanäle durch inkohärenten Schall beaufschlagt, dann liegt an den Öffnungen 42 unterschiedlicher Schalldruck an und es kommt zu der oben beschriebenen Absorptionswirkung. In diesem Fall können die Absorptionswände 41 planparallel angeordnet sein. Bei kohärentem Schall ist es notwendig, durch in Kanalrichtung verlaufenden, unterschiedlichen Querschnitt und Gestalt der Teilkanäle durch eine Phasen- bzw. Laufzeitverschiebung inkohärente Bedingungen herzustellen.

In Fig. 5 befindet sich eine weitere Kanalausführung. Hierbei sind gewinkelte Absorptionswände 51 mit Öffnungen 52 vorgesehen. Die einzelnen Winkelstöße zusammengefügt und den sich bildenden Schlitz ebenfalls als Öffnung 52 dimensioniert bewirkt, daß ein Teilkanal mit sechs anderen Kanälen Austauschmöglichkeiten hat. Dadurch kann die Inkohärenzbedingung besser aufrechterhalten werden.

In Fig. 6 ist in einem Kanal 60 ein geschlossenes, langgestrecktes Volumenteil 65 eingeschoben. Dieses wird aus einer Absorptionswand 61 mit Öffnungen 62 gebildet. Um inkohärenten Schalldruck an der Absorptionswand aufrechtzuerhalten, befinden sich im Innern des Volumenteils 65 z. B. mäanderförmige Umwegleitungen.

In Fig. 7 ist ein zu dämpfender Strömungskanal 70 dargestellt, dessen Mantelflächen aus Absorptionswänden 71 gebildet sind. Diese weisen Öffnungen 72 auf. An sich wird hierbei ein Teil des Kanallärms von den Öffnungen nach außen abgestrahlt. Dieser Anteil ist um so geringer, je größer die spezifische Resistanz der Öffnungen im Verhältnis zum Strahlungswiderstand im Außenraum ist. Dazu ist es zweckmäßig, die Öffnungen 72 bevorzugt an den Kanten bzw. in Ecken anzubringen, da an diesen Stellen gegenüber einer planen Fläche ein sehr viel kleinerer Strahlungswiderstand wirkt. Zudem kommt es an der Innenseite der Kante zu einer Druckverdoppelung, was dort eine höhere Absorption ergibt.

In Fig. 8 ist ein Kanal 80 mäanderförmig ausgeführt. Die Mäanderform wird durch Absorptionswände 81 mit Öffnungen 82 gebildet und gewährleistet inkohärente Schalldruckverhältnisse an den Öffnungen 82, so daß diese als Flußresistanz wirken können und Schallenergie absorbieren.

In Fig. 9 ist ein Dämpfungseinsatz 90 für einen Kanal, z. B. Klimaanlage dargestellt. Er besteht aus Absorptionswänden 91 mit Perforationen 92 und bildet ein geschlossenes Volumen. Im Innern befindet sich eine asymmetrisch angeordnete Zwischenwand 93, die ebenfalls Perforationen 92 aufweist. Durch die asymmetrische Zwischenwand 93 wird eine ursprünglich gleiche Druckbeaufschlagung aufgehoben, so daß eine beidseitige Dämpfung gegeben ist.

Claims

1. Einrichtung zur Dämpfung von Schall in Kanälen, Kapseln und Räumen in Form von mit Öffnungen versehenen Absorptionswänden, die zwei oder mehrere Teilräume bzw. Teilkanäle gegeneinander abtrennen und bei einseitiger Schallbeaufschlagung eine ein Überströmen des Ausbreitungsmediums P erlaubende reelle Flußimpedanz R (=Flußresistanz) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionswände (11, 21, 31, . . . ) aus selbsttragenden Blechen oder Platten bestehen, wobei "n"-Öffnungen so über die Absorptionswand mit der Fläche S verteilt sind, daß deren gegenseitiger Abstand kleiner ist als die noch zu dämpfende Schallwellenlänge und daß die spezifische Impedanz r der Absorptionsfläche (r = RS/n) größer oder gleich der Kennimpedanz ρ c in dem zu dämpfenden Medium ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (12, 22, 32, . . .) in Form von Kanälen, Blenden, Schlitzen, Spalten mit möglichst kleiner Reynolds-Zahl ausgeführt sind bzw. durch Siebe, Vliese oder andere Strömungswiderstand erzeugende Mittel (13) abgedeckt sind, und daß die Öffnungen in montierbaren Baueinheiten angebracht sind.

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (12, 22, 32, . . .) in der Absorptionswand in Form von Kanälen ausgeführt sind, die dem Hagen-Poiseuille'schen Durchströmungsgesetz gehorchen.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der Öffnungen (12, 22, 32, . . .) in der Absorptionswand durch eine massenarme Folie (14) mit möglichst großer Folienfläche abgedeckt ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in durchströmten Kanälen die Öffnungen (22) in der Absorptionswand an einer Ausbuchtung (23) angebracht sind, so daß der unterschiedliche, stationäre Druck eine Gleichströmung in der Öffnung (22) erzeugt.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Absorptionswand mittels eines mechanischen Schwingers (2′, 24′′) der Öffnung (22) bzw. mit einem der Öffnung zugeordneten Resonanzvolumen eine hochfrequente Zerhackung der Strömung in der Öffnung (22, 22′, 22′′) erreicht wird.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (12, 22, 32 . . .) in der Absorptionswand bevorzugt an Kanten, Ecken, d. h. an Stellen mit möglichst großer Schalldruckerhöhung angebracht sind.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionswand (11, 21, 31 . . .) beidseitig von inkohärentem, phasen- oder laufzeitverschobenen Schall beaufschlagt wird.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Kanälen mit ursprünglich kohärentem Schall durch nicht planparallele Teilkanäle (43, 53) mit wechselnder Form und wechselndem Querschnitt abgetrennt werden.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in einem zu dämpfenden Kanal ein abgeschlossenes, langgestrecktes Volumenteil, das aus Absorptionswänden (81) gebildet ist, eingebracht wird, wobei der Innenraum bedämpft ist und z. B. mäanderförmige Umwegleitungen zur Erreichung von Inkohärenz aufweist.