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BESCHREIBUNG
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Die Erfindung betrifft ein schallabsorbierendes Bauelement aus einzelnen
doppelbecherförmigen Schallabsorptionselementen, die zwei ineinandergefügte Becherelemente
aufweisen, wobei die Becheröffnung des inneren Becherelements durch eine, vorzugsweise
ebene, Folie abgedeckt, insbesondere im wesentlichen schalldicht abgeschlossen ist.
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In der Lüftungstechnik kommen bisher überwiegend Schallabsorber zum
Einsatz, die aus porösem oder faserigem Material hinter schalldurchlässigen Abdeckungen
bestehen.
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Bei staubhaltiger, anderweitig verschmutzter oder feuchter Luftströmung
weisen derartige Absorber, in die das Fluid ebenso wie der Schall ungehindert eintreten
kann, offensichtliche Nachteile auf. Bei bestimmten Lüftungsanlagen, in denen z.
B. hohe Luftfeuchte und Temperatur auftreten, können konventionelle poröse Schallabsorber
wegen der Gefahr bakterieller Verseuchung der belüfteten Räume oder der Umwelt gar
nicht eingesetzt werden. Neben Verschmutzung und Verseuchung spielt bei gewissen
Anwendungen auch die Brandgefahr eine große Rolle. Bei den mechanisch nicht sehr
widerstandsfähigen porösen Schalldämpfern besteht bei Erschütterung durch die an
den Schalldämpferkulissen anliegende Strömung oder durch die über die Befestigungselemente
übertragenen Gebäude- oder Anlagen-Schwingungen die Gefahr des Zerbröselns, wodurch
1. die akustische Wirkung verschwindet; 2. Faserteilchen in ddr Strömung fortgetragen
werden; und 3. eine Verunreinigung der Anlage oder der Umwelt bewirkt wird.
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Es ist daher wünschenswert, ein schallabsorbierendes Bauelement zur
Verfügung zu haben, das gegenüber der Luftströmung hermetisch abgeschlossen, praktisch
nicht entflammbar, und wie herkömmliche Absorber in Form von glatten Kulissen und
Wandverkleidungen verwendbar ist.
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Die erste dieser Forderungen, dem Fluid den Eintritt in die Absorber-Elemente
zu verwehren, erfüllen bereits schallabsorbierende Bauelemente aus becherförmiq
tiefe zogenen Folien, wie sie beispielsweise in der DE-OS
Folien-Absorber
eignen sich wegen ihrer breitbandigen Wirksamkeit und der ansprechenden Oberflächen-Struktur
besonders zur Verbesserung der Hörsamkeit und zur Senkung des Schallpegels in geschlossenem
Räumen, also zur Verbesserung der Raumakustik.
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Wegen der für diesen Absorber typischen Erhebungen und Vertiefungen
in der dem Schallfeld zugekehrten Oberfläche erfüllt er die dritte der obigen Forderung
nach einer möglichst strömungsgünstigen glatten Bauweise nur sehr schlecht. Eine
schalldurchlässige Verkleidung der Becherstrukturen zur Verminderung der Reibungsverluste
würde wiederum die Gefahr der Verschmutzung und Verseuchung erhöhen.
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Um die drei obengenannten Forderungen konsequent zu erfüllen, soll
mit der Erfindung ein schallabsorbierendes Bauelement zur Verfügung gestellt werden,
das mindestens auf der der Strömung zugewandten Seite eine ebene, glatte Abdeckung,
insbesondere Metall-Schale aufweist die der anliegenden Strömung keine Angriffsfläche
liefert, die von dieser Seite einfallenden Schallwellen in den Absorber eintreten
läßt, aber den Eintritt von Fluid aus der Strömung in das Innere des schallabsorbierenden
Bauelements verhindert.
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Im Gegensatz zum Folien-Absorber nach der DE-OS 2 758 041 und der
US-PS 4 425 981, der im Hinblick auf die häufigsten Anforderungen der Raumakustik
besonders für mittlere und hohe Frequenzen ausgelegt und optimiert wurde, soll das
schallabsorbierende Bauelement nach der Erfindung im Hinblick auf die häufigsten
Anforderungen im Bereich der Lüftungstechnik auf einen relativ schmalen Frequenzbereich
zwischen ca. 100 und 1000 Hz abstimmbar sein (siehe dazu den Aufsatz von H. Schmidt
"Schalldämpfer für Lüftungs- und Klimaanlagen" in der Zeitschrift
"Die
Kälte- und Klimatechnik"11 (1979), Seiten 633 -635). Ein aus den erfindungsgemäßen
schallabsorbierenden Bauelementen aufgebauter Schalldämpfer soll das Maximum seiner
Wirksamkeit z. B. beim sogenannten "Schaufelton" mit der Frequenz fo = n.z/60 eines
Gebläses mit der Drehzahl n in Umdrehungen pro Minute und der Schaufelzahl z erreichen.
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Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere, ein schallabsorbierendes
Bauelement der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, das über das gesamte
Frequenzspektrum des Hörfrequenzbereichs eine verhältnismäßig gleichmäßige Grundabsorption
hat und zusätzlich bei einer oder mehreren bestimmten Frequenzen, insbesondere beim
sogenannten Schaufelton eines Gebläses, einer Turbine o. dgl. eine selektiv besonders
hohe Schallabsorption besitzt und das im übrigen die eingangs genannten Forderungen
erfüllt, gegenüber äußeren Luftströmungen hermetisch abgeschlossen, praktisch nicht
entflammbar und in Form von glatten Kulissen und Wandverkleidungen ausführbar zu
sein.
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Diese Aufgabe wird mit einem schallabsorbierenden Bauelement der eingangs
genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß (a) zwischen den Seitenwänden
der beiden ineinandergefügten Becherelemente ein Spalt ausgebildet ist, der eine
schallabsorbierende Luft- oder Gas schicht für die im Hörfrequenzbereich liegenden
Biegeschwingungen der Seitenwände des äußeren und/oder inneren Becherelements bildet;
und/oder (b) das innere Becherelement eine kleinere Becherhöhe als das äußere Becherelement
besitzt und im Becherboden des inneren Becherelements eine halsförmige Durchgangsöffnung
vorgesehen ist, deren Querschnittsfläche
und Länge derart bemessen
ist, daß die Resonanzfrequenz des von der halsförmigen Durchgangsöffnung, dem Volumen
des inneren Becherelements sowie dem vom äußeren Becherelement und dem Boden des
inneren Becherelements begrenzten Volumen gebildeten HelmholtaResonators im Hörfrequenzbereich
liegt.
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Ein solches schallabsorbierendes Bauelement, bei dem zwischen den
Seitenwänden der beiden ineinandergefügten Becherelemente ein Spalt ausgebildet
ist, der eine schallabsorbierende Luft- oder Gas schicht für die im Hörfrequenzbereich
liegenden Biegeschwingungen der Seitenwände des äußeren und/oder inneren Becherelements
bildet, ermöglicht es, bei relativ kleinen Abmessungen die tiefen Frequenzen relativ
stark zu absorbieren und insgesamt eine relativ breitbandige Absorption in dem infragestehenden
Frequenzbereich zu erzielen, wobei dieses schallabsorbierende Bauelement auch aus
Metall hergestellt werden kann, dessen innere Dämpfung sehr gering ist, da die dünne
Luft-oder Gas schicht den Schall dämpft und daher nicht unbedingt ein Folienmaterial
mit hoher innerer Dämpfung, wie z. B. Kunststoff, erforderlich ist. Diese Möglichkeit,
das erfindungsgemäße schallabsorbierende Bauelement aus Metall herzustellen, ist
für die Feuersicherheit (Erfüllung von Feuerschutzbestimmungen) sehr wichtig.
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Die Ausbildung eines solchen schallabsorbierenden Bauelements derart,
daß das innere Becherelement eine kleinere Becherhöhe als das äußere Becherelement
besitzt und im Becherboden des inneren Becherelements eine halsförmige Durchgangsöffnung
vorgesehen ist, deren Querschnittsfläche und Länge derart bemessen ist,daß die Resonanzfrequenz
des von der halsförmigen Durchgangsöffnung, dem Volumen des inneren Becherelements
sowie dem vom äußeren Becherelement und dem Boden des inneren Becherelements be-
grenzten
Volumen gebildeten Helmholtz-Resonators im Hörfrequenzbereich liegt, hat vor allem
den Vorteil, daß er bei einer oder mehreren Frequenzen, insbesondere bei dem eingangs
erwähnten Schaufelton, eine selektiv besonders hohe Schallabsorption hat.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des schallabsorbierenden
Bauelements zeichnet sich dadurch aus, daß der Spalt eine Dicke im Bereich zwischen
0,1 mm und 1 mm, vorzugsweise von etwa 0,5 mm besitzt.
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Die Seitenwände der beiden Becherelemente können parallel oder etwa
parallel zueinander sein,und die Becheröffnungen sind bevorzugt in der gleichen
oder nahezu gleichen Ebene angeordnet.
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Weiter können die Becherelemente, wie bereits erwähnt, aus Metall,
insbesondere Metallfolie, bestehen. Es ist aber auch möglich, daß die Becherelemente
aus Kunststofffolie bestehen.
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Die Becherhöhe des inneren Becherelements beträgt vorzugsweise 25
96 bis 75 96 der Becherhöhe des äußeren Becherelements.
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Die einzelnen schallabsorbierenden Bauelemente sind zur Ausbildung
von großflächigen Schallabsorbern bevorzugt so kombiniert, daß mehrere konische,
insbesondere quadratisch-konische, doppelbecherförmige Schallabsorptionselemente
zu einem plattenförmigen Schallabsorber zusammengefügt sind, wobei die Becherböden
und die Becheröffnungen jeweils in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Hierbei
können die doppelbecherförmigen Schallabsorptionselementen so angeordnet sein, daß
bei benachbarten Schallabsorptionselementen der äußere Becherboden
des
einen Schallabsorptionselements ungefähr in der gleichen Ebene wie die Becheröffnung
des anderen Schallabsorptionselements liegt.
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Bei einem solchen Aufbau kann eine weitere Erhöhung der Schallabsorption
dadurch erzielt werden, daß benachbarte doppelbecherförmige Schallabsorptionselemente
zwischen ihren parallel zueinander verlaufenden äußeren Seitenwänden jeweils einen
weiteren Spalt begrenzen, der eine weitere schallabsorbierende Luft- oder Gasschicht
bildet.
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Auch läßt sich dadurch eine noch mehr verbesserte Schallabsorption
erreichen, daß die Außenseiten der Becherböden mit einer Abdeckung, insbesondere
einer ebenen Folie, versehen sind, die vorzugsweise mit den Becherböden einen Spalt
begrenzt, der eine schallabsorbierende Luft- oder Gas schicht für die im Hörfrequenzbereich
liegenden Biegeschwingungen der Becherböden bildet.
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Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung und ihre Wirkungsweise seien nachstehend anhand der
Figuren 1 bis 8 der Zeichnung näher erläutert; es zeigen: Fig. 1 eine besonders
bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen schallabsorbierenden Bauelements
in Schnittdarstellung; Fig. 2 eine threitere,besonders bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen schallabsorbierenden Bauelements, ebenfalls in Schnittdarstellung;
Fig.
3 verschiedene Ausführungsformen von Rahmen, in bis 5 welche einzelne doppelbecherförmige
Schallabsorptionselemente zu einer im wesentlichen plattenförmigen Gesamtanordnung
einfügbar sind, wobei die Rahmen jeweils im unteren Teil der Fig. 3 bis 5 in Aufsicht
und im oberen Teil in Seitenansicht veranschaulicht sind; Fig. 6 eine Darstellung
zur Erläuterung der Schallabsorption mittels eines Feder/Masse-Systems, das im wesentlichen
aus wenigstens zwei Platten und einem von diesen eingeschlossenen Luft- oder Gasvolumen
besteht.
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Fig. 7 eine Darstellung zur Erläuterung der Schallabsorption durch
einen Helmholtz-Resonator, der im wesentlichen aus einem praktisch abgeschlossenen
Luft- oder Gasvolumen besteht, das durch eine Trennwand in zwei Teilvolumina aufgeteilt
ist, wobei in'der Trennwand eine halsförmige Durchgangsöffnung vorgesehen ist, welche
die beiden Teilvolumina miteinander verbindet; und Fig. 8 eine Darstellung zur Erläuterung
der Schallabsorption durch dünne Luft- oder Gasschichten, die von zwei Platten begrenzt
sind, von denen wenigstens eine durch Schall angeregte Eigenschwingungen ausführt,
welche durch die jeweilige dünne Luft- oder Gasschicht, die an diese Platte angrenzt,
gedämpft werden.
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Es sei zunächst anhand der Fig. 1 bis 5 der Aufbau von bevorzugten
Ausführungsformen eines schallabsorbierenden Bauelements erläutert, das aus einzelnen
doppelbecherförmigen Schallabsorptionselementen besteht, bevor die kombi-
nierte
Wirkungsweise dieses schallabsorbierenden Bauelements anhand der Fig. 6, 7 und 8
im einzelnen erläutert wird.
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In der Fig. 1 ist zwar aus Darstellungsgründen nur ein einziges doppelbecherförmiges
Schallabsorptionselement 1 im Schnitt dargestellt, damit dessen Einzelheiten besser
erkennbar sind, jedoch umfaßt das gesamte schallabsorbierende Bauelement, wie in
den unteren seitlichen Bereichen der Fig. 1 angedeutet ist, einen Rahmen 2, der
eine Vielzahl von öffnungen 3 hat, deren Durchmesser dl etwa gleich dem Innendurchmesser
des doppelbecherförmigen Schallabsorptionselements 1 ist und deren Ränder Auflageflächen
für die flanschartigen Ränder 4 der doppelbecherförmigen Schallabsorptionselemente
1 bilden.
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Jedes dieser doppelbecherförmigen Schallabsorptionselemente 1 besteht
aus zwei ineinandergefügten Becherelementen 5 und 6. Hierbei ist das innere Becherelement
6 so ausgebildet und angeordnet, daß es im wesentlichen konzentrisch im äußeren
Becherelement 5 sitzt und die beiden flanschartigen Ränder 7 und 8 des äußeren und
inneren Becherelements 5 bzw. 6 aneinander anliegen, so daß sie den gemeinsamen
flanschartigen Rand 4 des gesamten doppelbecherförmigen Schallabsorptionselements
1 bilden und damit die Becheröffnung 9 des äußeren Becherelements 5 mit der Becheröffnung
10 des inneren Becherelements 6 zusammenfällt.
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Die Becheröffnung 10 des inneren Becherelements 6 ist durch eine ebene
Folie 11 abgedeckt, die einen im wesentlichen schalidichten Abschluß des doppelbecherförmigen
Schallabsorptionselements 1 auf der einen Seite desselben bildet.
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Das innere Becherelement 6, dessen Seitenwände 12 nach der Becheröffnung
10 hin leicht konisch auseinandergehen, hat an seinem Becherboden 13 einen Durchmesser
d2 und an seiner Becheröffnung 10 den bereits erwähnten Durchmesser d1. Der Durchmesser
des Becherbodens 14 des äußeren Becherelements 5 beträgt d3, und auch dieses äußere
Becherelement besitzt sich leicht konisch nach der Becheröffnung 9 zu erweiternde
Seitenwände 15, wobei der Durchmesser der Becheröffnung 9 ein wenig grösser als
d1 ist.
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Die Dicke der ebenen Folie 11 beträgt sl, t die Dicke des Becherbodens
13 des inneren Becherelements 6 beträgt s2, und die Dicke des Becherbodens 14 des
äußeren Becherelements 5 beträgt s3; die Seitenwände 12 und 15 haben vorzugsweise
ebenfalls die gleiche Dicke wie der zugehörige Becherboden, nämlich die Dicke s2
bzw. s3.
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Das innere Becherelement 6 hat eine kleinere Becherhöhe h1 als das
äußere Becherelement 5, welches die Becherhöhe h2 besitzt. Im Becherboden 13 des
inneren Becherelements 6 ist eine halsförmige Durchgangsöffnung 16 mit dem Durchmesser
d4 und der Länge 1 vorgesehen. Durch den Becherboden 13 des inneren Becherelements
6 wird infolgedessen das innere Gesamtvolumen des doppelbecherförmigen Schallabsorptionselements
1 in zwei Teilvolumina V1 und V2 unterteilt, welche durch die halsförmige Durchgangsöffnung
16 miteinander verbunden sind.
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Die Querschnittsfläche und die Länge der halsförmigen Durchgangsöffnung
16 sind derart bemessen, daß die Resonanzfrequenz des von der halsförmigen Durchgangsöffnung
16, dem Teilvolumen V1 und dem Teilvolumen V2 in Verbindung mit der ebenen Abdeckungsfolie
11 und dem Becherboden 14 des äußeren Becherelements 6 gebildeten Helmholtz-Resonators
im Hörfrequenzbereich liegt. Insbesondere
läßt sich diese Resonanzfrequenz
so abstimmen, daß sie gleich der Frequenz des weiter oben bereits erwähnten Schaufeltons
eines Gebläses, einer Turbine o.
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dgl. ist.
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Zwischen den Seitenwänden 12 und 15 der beiden ineinandergefügten
Becherelemente 5 und 6 ist über die gesamte Becherhöhe h1 des inneren Becherelements
6 hinweg ein Spalt 17 ausgebildet, der eine schallabsorbierende Luft-oder Gasschicht
bildet. Der Spalt 17 hat eine Dicke, die bevorzugt im Bereich zwischen 0,1 mm und
1 mm, vorzugsweise von etwa 0,5 mm, liegt.
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Da das äußere Becherelement 5 sowie vorzugsweise auch das innere Becherelement
6 durch seine Bemessung so abgestimmt sind, daß der Becherboden 14 bzw. 13 sowie
die Seitenwände 15 bzw. 12 durch Schall zu Eigenschwingungen im Hörfrequenzbereich
angeregt werden und der Spalt 17 an die Seitenwände 15 bzw. 12 angrenzt, erfolgt
durch die von dem Spalt 17 gebildete Luft- oder Gasschicht eine wirksame Schallabsorption
im Hörfrequenzbereich, indem diese Luft-oder Gasschicht die Eigenschwingungen der
Seitenwände 15 bzw. 12 dämpft.
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Die Seitenwände 12 und 15 des inneren Becherelements 6 und des äußeren
Becherelements 5 sind, wie die Zeichnung zeigt, parallel zueinander, so daß sich
eine im wesentlichen gleichbleibende Dicke des Spalts 17 ergibt. Hierbei dürfen
sich die einander benachbarten Seitenwände 12 und 15 ohne weiteres stellenweise
berühren, ohne daß damit der bezweckte Effekt der Dämpfung der Platteneigenschwingungen
in dem engen Luft- oder Gas-Zwischenraum, also in der Luft- oder Gasschicht des
Spalts 17 zunichtegemacht oder wesentlich vermindert wird. So können beispielsweise
im Bereich des Spalts 17 in die Seitenwand 12 und/oder in die Seitenwand 15 punktuelle
Vorsprünge ein-
geprägt sein, welche eine Zentrierung der beiden
Becherelemente sowie eine punktuelle Abstützung im Bereich des Spalts 17 gewährleisten.
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Die Becherelemente 5 und 6 können aus Metall, insbesondere Metallfolie
bestehen, sie können aber auch aus Kunststoffolie hergestellt sein, und vorzugsweise
kann, wie weiter unten erwähnt ist, das doppelbecherförmige Schallabsorptionselement
1 aus einem äußeren Becherelement 5 zusammengesetzt sein, welches aus Metall besteht,
und aus einem inneren Becherelement 6, welches aus Kunststoffolie, beispielsweise
durch Tiefziehen, hergestellt ist.
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Der Querschnitt des äußeren Becherelements 5 und des inneren Becherelements
6 kann insbesondere kreisförmig oder quadratisch sein, er kann jedoch auch oval
oder rechteckig sein oder die Form eines regelmäßigen Vielecks, wie beispielsweise
eines Sechs- oder Achtecks haben.
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In den bevorzugten Ausführungsformen des doppelbecherförmigen Schallabsorptionselements
1 beträgt die Becherhöhe h1 des inneren Becherelements 6 etwa 25 z bis 75 % der
Becherhöhe h2 des äußeren Becherelements 5.
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Der in Fig. 1 durch Einzeichnung von öffnungen 3 für benachbarte doppelbecherförmige
Schallabsorptionselemente 1 und flanschartige Ränder 4 sowie ebenen Folien 11 von
benachbarten doppelbecherförmigen Schallabsorptionselementen 1 (siehe rechts und
links unten in Fig. 1) angedeutete Aufbau eines plattenförmigen Schallabsorbers,
welcher aus einer Vielzahl von doppelbecherförmigen Schallabsorptionselementen 1
besteht, ist vorzugsweise derart, daß die Becherböden 13 und 14 und die Becheröffnungen
9 und 10 der einzelnen doppelbecherförmigen Schall-
absorptionselemente
1 in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind. Es ist allerdings auch zum Zwecke
einer breitbandigeren und/oder mehrere ausgeprägte Schallabsorptionsmaxima bei bestimmten
Hörfrequenzen aufweisenden Schallabsorbers möglich, diesen Schallabsorber aus mehreren
Arten von doppelbecherförmigen Schallabsorptionselementen 1 aufzubauen, welche auf
unterschiedliche Hörfrequenzen bzw. Hörfrequenzbereiche in ihrer Absorptionsfähigkeit
abgestimmt sind. In einem solchen Fall liegen dann in der allgemeinsten Ausführungsform,
in welcher die Höhen h1 und h2 der verschiedenen Arten von doppelbecherförmigen
Schallabsorptionselementen 1 unterschiedlich sein können, jeweils nur die Becheröffnungen
9 und 10 bzw. die diese Becheröffnungen abdeckenden ebenen Folien 11 in der gleichen
Ebene, nämlich in der Ebene des Rahmens 2.
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Es sei nun auf die Fig. 2 Bezug genommen, in der ein Teilschnitt durch
einen plattenförmigen Schallabsorber dargestellt ist, welcher aus einer Vielzahl
von doppelbecherförmigen Schallabsorptionselementen 1 der in Fig.
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1 gezeigten Art besteht, wobei jedoch die einzelnen doppelbecherförmigen
Schallabsorptionselemente 1 so angeordnet sind, daß bei benachbarten Schallabsorptionselementen
der äußere Becherboden 14' des einen Schallabsorptionselements 1' ungefähr in der
gleichen Ebene wie die Becheröffnungen 10' und 10"' bzw. die diese Becheröffnungen
abdeckenden ebenen Folien 11' und 11"' der benachbarten doppelbecherförmigen Schallabsorptionselemente
1" und 1"' liegen. Dieser plattenförmige Schallabsorber besitzt zwei Rahmen 2' und
2", die vorzugsweise durch Abstandsteile bzw. -wände, welche in Fig. 2 nicht dargestellt
sind, miteinander verbunden sind.
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Der Schallabsorber nach Fig. 2 kann gewissermaßen als aus zwei Schallabsorbern
der in Fig. 1 gezeigten Art bestehend aufgefaßt werden, wobei die Zwischenräume
zwischen den doppelbecherförmigen Schallabsorptionselementen des einen Schallabsorbers
so groß sind, daß sie die doppelbecherförmigen Schallabsorptionselemente des anderen
Schallabsorbers gerade aufnehmen können.
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Ein wesentlicher Vorteil des plattenförmigen Schallabsorbers nach
Fig. 2 gegenüber dem Schallabsorber nach Fig.
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1 besteht nicht nur darin, daß der plattenförmige Schallabsorber nach
Fig. 2 eine optimale Raumausnutzung und praktisch auf beiden Seiten glatte Abschlußflächen
aufweist, sondern dieser Aufbau ermöglicht es auch, zusätzliche schallabsorbierende
Luft- oder Gasschichten gegenüber dem Schallabsorber nach Fig. 1 vorzusehen: (a)
Die eine Möglichkeit, zusätzliche Luft oder Gasschichten für die im Hörfrequenzbereich
liegenden Biegeschwingungen der Becherelemente vorzusehen, besteht bei dem plattenförmigen
Schallabsorber nach Fig. 2 darin, daß benachbarte doppelbecherförmige Schallabsorptionselemente
1' und 1" bzw. 1' und 1"' zwischen ihren parallel zueinander verlaufenden äußeren
Seitenwänden 15' und 15" bzw. 15' und 15"' jeweils einen weiteren Spalt 18 begrenzen,
der eine schallabsorbierende Luft- oder Gasschicht bildet.
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(b) Die andere Möglichkeit, die in dem plattenförmigen Schallabsorber
nach Fig. 2 zusammen mit der ersteren Möglichkeit ebenfalls verwirklicht ist, besteht
darin, daß die Außenseiten der Becherböden 14', 14" und 14"' der äußeren Becherelemente
5', 5" und 5"' mit einer Abdeckung 19, vorliegend in Form einer ebenen Folie, versehen
sind. Diese Abdeckung 19 begrenzt
zusammen mit den Becherböden
14', 14" und 14"' einen Spalt 20, der eine schallabsorbierende Luft-oder Gasschicht
für die im Hörfrequenzbereich liegenden Biegeschwingungen der Becherböden 14', 14"
und 14"' und der Abdeckung 19 selbst bildet.
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Es sei hier darauf hingewiesen, daß für die gegenüber der Ausführungsform
nach Fig. 1 zusätzlichen Spalte hinsichtlich ihrer Bemessung und hinsichtlich der
Möglichkeit, daß sich die Spaltbegrenzungen teilweise bzw. punktuell berühren dürfen,
das gleiche gilt, wie oben bezüglich des Spalts 17 ausgeführt worden ist.
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Es sei nun auf die Fig. 3, 4 und 5 eingegangen, die einige mögliche
Ausführungsformen für die Rahmen 2, 2' bzw.
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2"' veranschaulichen: Diese äußeren Rahmen 2, 2' und 2" für die doppelbecherförmigen
Schallabsorptionselemente 1, 1', 1" und 1"' können einen ähnlichen Aufbau haben,
wie ihn die Einfassungen bei konventionellen Schalldämpfer-Kulissen haben, bei denen
Mineralwolle-Material durch ein an den Schmalseiten dieser Schalldämpfer-Kulissen
umlaufendes gefalztes Stahlblech eingefaßt ist. Die vorzugsweise in Form von perforierten
Platten ausgeführten Rahmen 2, 2' und 2" können über die ganze Querabmessung eines
gesamten Rahmens reichen und bilden, wie bereits erwähnt, die Träger für die einzelnen
doppelbecherförmigen Schallabsorptionselemente. Eine solche Bauweise kann eine Kassettierung
des Innenraums einer Umrandung 21 bzw. einer gesamten Kulisse beinhalten, wodurch
geeignete Teil-Volumina für die Verwirklichung der Helmholtz-Resonatoren bzw. den
Einbau der doppelbecherförmigen Schallabsorptionselemente geschaffen werden. Hierdurch
erhält der Aufbau insgesamt auch eine sehr gute Stabilität.
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Um bei der Wahl des Materials und der Stärke von Abdeck-Platten bzw.
der Boden- und Wanddicke der Becherelemente unabhängig von der Größe der Kulisse
und von den Anforderungen hinsichtlich ihrer Standfestigkeit zu sein, empfiehlt
sich eine deutliche Trennung vom Kulissenaufbau, der von der jeweiligen Umrandung
21 und dem Rahmen 2 (Fig. 5) oder den Rahmen 2' und 2" (Fig. 3 und 4) gebildet ist,
und der Absorber-Auslegung, d. h. es ist zu bevorzugen, wie bereits dargelegt, einzelne
doppelbecherförmige Schallabsorptionselemente in die Kulissen einzubauen anstatt
die Kulissen integral mit doppelbecherförmigen Schallabsorptionselementen herzustellen.
Auf diese Weise können insbesondere auch die wechselnden statischen und akustischen
Anforderungen unabhängig voneinander erfüllt werden.
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Bei dieser Art des Aufbaus werden die doppelbecherförmigen Schallabsorptionselemente
1 bzw. 1', 1" und 1"' nach Art eines Baukasten-Systems in die sich selbst tragenden
Kulissen 2, 21 bzw. 2', 2", 21 eingebaut. Hierbei können die Rahmen 2, 2' und 2"
sowohl aus perforierten Platten als auch aus einzelnen Träger-Bändern bestehen,
die sich auf den Seiten, an denen eine äußere Strömung und das Schallfeld vorhanden
sind, befinden und die die Kulisse versteifen und zur Befestigung von quaderförmigen,
langgestreckten Absorberelementen, wie beispielsweise in Fig. 4 dargestellt, dienen.
Diese langgestreckten Absorber-Elemente bestehen vorzugsweise aus einer linearen
Reihe von doppelbecherförmigen Schallabsorptionselementen, welche insbesondere in
der in Fig. 1 oder in Fig. 2 dargestellten Art aneinandergefügt sein können. Die
Fig.
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5 zeigt die Ausbildung des Rahmens 2 in Form einer perforierten Platte,
deren Perforationen von den oben anhand der Fig. 1 beschriebenen oeffnungen 3 gebildet
werden, an oder in welche die einzelnen doppelbecherförmigen Schallabsorptionselemente
1, die beispielsweise aus
tiefgezogenen Folien hergestellt sind,
an- oder eingefügt werden.
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Es sei in diesem Zusammenhang noch erwähnt, daß die äußerst kompakte
Bauart nach Fig. 2, in der Schallabsorptionselement an Schallabsorptionselement
aneinandergefügt ist, zur statischen Festigkeit der gesamten Kulisse in günstiger
Weise mit beiträgt.
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Bevor anhand der Fig. 6, 7 und 8 auf die einzelnen Komponenten der
Gesamtwirkungweise des vorstehend beschriebenen schallabsorbierenden Bauelements
näher eingegangen wird, sei kurz die kombinierte Wirkungsweise dieser schallabsorbierenden
Bauelemente nachstehend zusammenfassend angegeben: (1) Die äußeren und inneren Becherelemente
5 bzw. 6 sind durch ihre Bemessung so abgestimmt, daß sie mit ihren Becherböden
13 bzw. 14 und den Seitenwänden 12 bzw. 15 sowie der ihre Becheröffnungen 9 bzw.
10 abdeckenden Folie 11 und mit der Abdeckung 19, sofern diese vorgesehen ist, zu
Eigenschwingungen im Hörfrequenzbereich angeregt werden, so daß diese vorerwähnten
Teile Plattenschwingungsresonatoren für den Hörschall bilden. Diese Teile entsprechen
den Platten P1 bis P7 der Fig. 6, 7 und 8.
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(2) Die Dicke s2 und s3 der Becherböden 13 und 14 sowie die Dicke
51 der abdeckenden Folie 11 und die Abstände zwischen den Becherböden 13, 14 untereinander
und zwischen den Becherböden 13, 14 und der abdeckenden Folie 11 sind so bemessen,
daß sich Feder/Masse-Schwinger ergeben, deren Resonanzfrequenzen im Hörfrequenzbereich
liegen. Diese Becherböden entsprechen den Platten P1 und P3 der Fig. 6 und 7, während
die abdeckende Folie der Platte P2 in diesen Figuren entspricht.
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(3) Die durch die beiden Becherelemente 5 und 6 begrenzten Volumina
V1 und V2 und die Durchgangsöffnung 16 zwischen diesen Volumina V1 und V2 sind so
bemessen, daß sich ein Helmholtz-Resonator ergibt, der auf eine selektiv zu absorbierende
Frequenz, z. B. den Schaufelton eines Gebläses, einer Turbine o. dgl.
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abgestimmt ist. Den beiden Becherböden 13 und 14 entsprechen in Fig.
7 die beiden Platten P1 und P3, der abdeckenden Folie 11 entspricht in Fig. 7 die
Platte P2, und schließlich ist in Fig. 7 die halsförmige Durchgangsöffnung 16 mit
Q bzw. deren Hals mit R bezeichnet.
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(4) Die durch die beiden ineinandergefügten Becherelementen 5, 6 bzw.
5', 6' und ggf. durch benachbarte Becherelemente 5", 6" sowie 5"', 6"' und außerdem
durch den Boden des äußeren Becherelements 5, 5', 5", 5"' und die außen darüber
vorgesehene zusätzliche Abdeckung 19 gebildeten Spalte 17, 18 und 20 sind so bemessen,
daß sie eine schallabsorbierende Luft- oder Gasschicht für die Biege- bzw. Plattenschwingungen
der Seitenwände der zusammengehörigen inneren und äußeren Becherelemente, der benachbarten
äußeren Becherelemente sowie des Becherbodens des äußeren Becherelementes und der
zusätzlichen Abdeckung für diesen Becherboden bilden. Denjenigen der vorerwähnten
Teile, welche die Spalte 17, 18 und 20 begrenzen, entsprechen in Fig. 8 die Platten
P4 bis P7, die dort die Spalte s begrenzen.
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Es sei nun anhand der Fig. 6 zunächst die prinzipielle Wirkungsweise
eines schallabsorbierenden Feder/Masse-Systems erläutert:
Die Forderung
nach einem hermetisch gegenüber der Strömung abgeschlossenen Absorber in Verbindung
mit der Forderung nach einem auf tiefe und mittlere Frequenzen abstimmbaren Schalldämpfer
wird durch eine Ausbildung von z.B.
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metallischen Abdeck-Platten P1 und P2 als Masse-Elemente in einem
Feder/Masse-System, bei dem die zwischen zwei sich parallel gegenüberstehenden äußeren
Abdeck-Platten P1 und P2 eingeschlossene Luft L als Feder-Element ausgenutzt wird,
besonders gut erfüllt.
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Die Resonanz-Frequenz fR dieses Feder-Masse-Systems läßt sich aus
der Dichte PM des jeweiligen Platten-Materials, der Dicke 11 der Platten P1 und
P2 sowie dem Abstand 12 der sich gegenüberstehenden Platten P1 und P2 abschätzen
zu:
worin c L und pL die Schallgeschwindigkeit und Dichte der Luft bedeuten.
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Das Prinzip dieses Feder/Masse-Schwingers ist für den Fall einer völlig
symmetrisch anliegenden Strömung und eines auf beiden Seiten des "Platten-Resonators"
angreifenden Schallfeldes in Fig. 6 dargestellt.
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Der Innenraum des Schall-Absorbers ist nicht notwendig mit porösem
Material zur Dämpfung der Teilchenbewegung der eintretenden Luftschall-Wellen ausgefüllt;
er ermöglicht aber die Realisierung eines zweiten Resonators.
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Das Prinzip dieses zweiten Resonators sei nun anhand der Fig. 7 erläutert:
Wie
in Fig. 7 angedeutet ist, wird das zwischen den beiden Abdeck-Platten P1 und P2
eingeschlossene Volumen durch eine ebenfalls parallel zu den beiden anderen angeordnete
innere Platte P3 z. B. in zwei gleiche Teil-Volumina V unterteilt. In dieser Trenn-Platte
P3 wird ein Röhrchen mit der Querschnitts-Fläche Q und der Länge 13 etwa in ihrer
Mitte so angeordnet, daß die in dem so entstandenen Hals R befindliche Luft-Masse
nach Art eines sogenannten Helmholtz-Resonators zusammen mit der Feder, die jetzt
durch beide Teil-Volumina V gebildet wird, wiederum ein abstimmbares Schwing-System
ergibt. Seine Resonanz-Frequenz fEl H berechnet sich nach
Das innere (Helmholtz-) und das äußere (Platten-) Resonanz-System lassen sich bei
Abmessungen, wie sie bei herkömmlichen Schalldämpfer-Kulissen üblich sind, mit dünnen
Metall-Platten leicht auf beliebige Frequenzen im hier vor allem interessierenden
Bereich zwischen 100 und 1000 Hz abstimmen.
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Beide Resonanz-Systeme lassen sich unabhängig voneinander variieren,
z. B. indem man die Abdeck-Platten P1 und P2 unterschiedlich dick bzw. schwer, die
beiden Teil-Volumina V verschieden groß macht und die geometrischen Parameter in
weiten Grenzen verändert. Man kann darüberhinaus die beiden Resonanz-Systeme sinnvoll
so miteinander kombinieren, daß sie eine für das jeweilige Geräusch-Spektrum optimale
Wirkung haben. Beide können aber auch so ausgelegt werden, daß sie zusammen ein
möglichst breites Frequenzband abdecken.
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Schließlich sei anhand der Fig. 8 das Prinzip der Schallabsorption
durch dünne Luftschichten erläutert:
Durch Schaffung enger Luftschichten
zwischen parallel verlaufenden Platten, die sich stellenweise auch berühren dürfen,
lassen sich die angeregten Biegeschwingungen sehr wirkungsvoll dämpfen (siehe den
Aufsatz von A. Trochidis Körperschalldämpfung mittels Gas- oder Flüssigkeitsschichten
in der Zeitschrift '§Acustica" 51 (1982), Seiten 201 - 212). Das in Fig. 8 nur angedeutete
Prinzip läßt sich in einem Absorber-Element sehr vielseitig verwirklichen. Es ist
dann besonders effektiv, wenn die parallel geführten Platten P4, P6 und P5, P7 unterschiedliche
Wandstärke haben und/oder aus verschiedenen Materialien bestehen. Nach der genannten
Literaturstelle hängt z. B. der Verlustfaktor der der so bedämpften Schwingung bei
der Kreisfrequenz weine Platte der flächenbezogenen Masse m" im Abstand s vor einer
starren Wand in folgender Weise von der Dichte PL und der kinematischen Zähigkeit
VL der Luft sowie der Ausbreitungsgeschwindigkeit cB und Wellenlänge 28 B der Biegewelle
auf der Platte ab:
Die Möglichkeiten nach Fig. 6 und Fig. 7 führen bei Anregung von Resonanz-Schwingungen
in den Absorber-Elementen unter Einsatz schwach gedämpfter Metall-Platten als alleiniges
Baumaterial jedoch nur zu einer relativ beschränkten Schallabsorption. Selbst wenn
auch noch Biegeschwingungen in den dünnen Metall-Platten angeregt werden, so reicht
die innere Dämpfung des metallischen Materials noch nicht aus, um hohe Dämpfungswerte
von in dieser Weise konstruierten Schalldämpfern zu erzielen.
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Deshalb wird hier vorgeschlagen, den Vorteil des höheren Verlustfaktors
von Kunststoff-Folien zu nutzen, ohne deren
oben erwähnte Nachteile
zu übernehmen, indem man nur die im Innern des Absorbers angebrachten Zwischenwände
aus diesem Material (z.B. PVC) erstellt und außerdem gleichzeitig die Möglichkeit
nach Fig. 8 realisiert.
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Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Anordnung aus schallabsorbierenden
Bauelementen vereinigt die Anwendung der Prinzipien nach den Figuren 6, 7 und 8
in einer baulich und wirkungsmäßig besonders vorteilhaften Weise.
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Es sei hier darauf hingewiesen, daß in der US-PS 4 425 981 u. a. auch
ein schallabsorbierendes Bauelement beschrieben und dargestellt ist, das aus doppelbecherförmigen
Schallabsorptionselementen besteht, wobei im Becherboden des inneren Becherelements
jeweils mehrere Durchgangsöffnungen vorgesehen sind. Diese öffnungen dienen lediglich
zum Durckausgleich zur Verhinderung des Aufbaus eines Uber- oder Unterdrucks durch
äußere Temperatur- und Luftdruckschwankungen, es ist jedoch kein auf eine Hörschallfrequenz
abgestimmter Helmholtzresonator gebildet, und die Becherwände sind formschlüssig
aneinandergefügt.
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Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die dargestellten und
beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern läßt sich in vielfältiger Weise
abwandeln. So können beispielsweise zwischen die flanschartigen Ränder 7, 8 Abstandsteile
eingefügt sein, welche den Spalt 17 festlegen oder einstellen. Weiter kann die Höhe
h2, obwohl sie bevorzugt im Bereich zwischen 5 und 15 cm liegt, insbesondere bei
der Verwendung der schallabsorbierenden Bauelemente in Kühltürmen etwa 10 cm beträgt,
je nach dem Anwendungsfall auch kleiner oder größer sein.