DE3503270C2

DE3503270C2 -

Info

Publication number: DE3503270C2
Application number: DE3503270A
Authority: DE
Inventors: Tibor Dipl.-Ing. Dr. Budapest Hu Kolya; Bela Dipl.-Ing. Szoeke; Karoly Dipl.-Ing. Dr. Miskolc Hu Kadar; Gyoergy Dipl.-Ing. Budapest Hu Foti; Zoltan Dipl.-Tech. Miskolc Hu Gecsei
Original assignee: AUTOIPARI KUTATO ES FEJLESZTOE VALLALAT BUDAPEST HU; ESZAKMAGYARORSZAGI VEGYIMUEVEK SAJOBABONY HU
Current assignee: AUTOIPARI KUTATO ES FEJLESZTOE VALLALAT BUDAPEST HU; ESZAKMAGYARORSZAGI VEGYIMUEVEK SAJOBABONY HU
Priority date: 1984-05-22
Filing date: 1985-01-31
Publication date: 1989-01-12
Also published as: HUT41511A; US4655317A; HU196649B; SE8502194L; GB8512063D0; FR2589950A1; DE3503270A1; SE8502194D0; SE461806B; GB2159210A; GB2159210B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schalldämpfer zur Geräuschverminderung an gasartige Strömungsmittel abblasenden Einrichtungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Regelung von mit gasartigen Medien, in erster Linie mit Druckluft betätigten Maschinen, Einrichtungen und Behältern erfolgt durch Sicherheits- bzw. Abblasventile. Die Regelung wird derart durchgeführt, daß in Überdruckfällen Luft entsprechender Menge kurzzeitig aus der Druckleitung oder aus dem Behälter der Maschineneinrichtung ins Freie abgeblasen wird. Die durch das Ventil hindurchströmende bzw. sich beschleunigende Luft erregt auf Wirkung der infolge ihrer Berührung mit Feststoffen entstehenden instationären Kräfte ein bestimmtes Geräusch, welches so lange andauert, bis der Behälter- oder Leitungsdruck auf den gewünschten Wert abgenommen hat und sich das Abblasventil schließt. Das Geräusch ist auch die Folge der in ziemlich kurzer Zeit erfolgenden Änderung der Druckenergie und weist ein breites Frequenzband und einen hohen Pegel auf. Das Geräusch wird in erster Linie durch Turbulenzbildung verursacht und auch das Geräuschspektrum ist von der Turbulenz beherrscht. Das Turbulenzgeräusch beginnt bei 500 Hz wirksam zu werden und erhöht sich stürmisch mit der Erhöhung der Frequenz. Gleichzeitig erscheint auch ein Geräuschspektrum von niedrigerer Frequenz, welches auch in der akustischen Umgebung des Abblasortes enthalten ist. Der Gipfel dieses Geräuschspektrums bildet sich in der Regel bei der Grundresonanzfrequenz des geschlossenen Raumes, wo das Abblasen erfolgt, und vermindert sich mit der Erhöhung der Frequenz. Beide grundsätzlichen Spektren treffen sich im Mittelfrequenzfeld, wo das Geräusch des Abblasens das kleinste ist.

Das Geräusch der Abblasventile soll zwecks Verminderung des Umweltschadens vermindert werden; so sind z. B. Abblasventile der Luftbremssysteme von Fahrzeugen und Abblasventile in pneumatischen Systemen in Werkstätten mit einem Schalldämpfer versehen.

Es ist bekannt, bei Abblasventilen pneumatischer Systeme Schalldämpfer aus gesinterter Bronze zu verwenden, wobei ein Teil der Geräuschenergie der hindurchströmenden Abblasluft durch Reibung in Wärme gewandelt wird. Diese Schalldämpfer dämpfen die Geräusche hoher Frequenz, sind aber gegenüber Geräuschen tiefer Frequenz kaum wirksam. Ihre Abmessungen und dazu proportional ihr Gewicht und ihre Kosten hängen von der in der Zeiteinheit abzublasenden Luftmenge ab. Im allgemeinen haben diese Schalldämpfer die Form eines zylindrischen Stabes mit großem Raumbedarf, was - zusammen mit ihrer Montierbarkeit - bei der Planung von pneumatischen Systemen in Betracht gezogen werden muß.

Aus der DD-68 638 ist ein Dämpfungsfilter für expandierende Luft an preßluftbetriebenen Maschinen bekannt, dessen aus Blech bestehendes Filtergehäuse als doppelwandiger, mit Bohrungen versehener Hohlzylinder ausgebildet ist, zwischen dessen Innen- und Außenwand sowie dessen innerem und äußerem Boden und Deckel ein von der Preßluft durchströmter Körper aus porösem Schaumstoff, z. B. Polyurethan, angeordnet ist.

Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst, einen Schalldämpfer zur Geräuschverminderung an gasartige Medien abblasenden Einrichtungen bereitzustellen, der leicht ist und Geräusche sowohl hoher, als auch niedriger Frequenz gut dämpft.

Dies wird gemäß der Erfindung bei dem gattungsgemäßen Schalldämpfer durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 erreicht.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind aus den Unteransprüchen ersichtlich.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 den Längsschnitt des erfindungsgemäßen Schalldämpfers,

Fig. 2 ein das Strömungsmittel einführendes Paßstück, in der Richtung von dessen Längsachse gesehen,

Fig. 3 eine Kennkurve eines von einem Abblasventil erregten Geräusches ohne und mit dem erfindungsgemäßen Schalldämpfer und

Fig. 4 die einzelnen Komponenten des mit dem erfindungsgemäßen Schalldämpfer gedämpften Geräusches aus Fig. 3.

Das Paßstück 2 des erfindungsgemäßen Schalldämpfers 1 ist mit einem Außengewindestück 3 versehen, mit welchem das Paßstück 2 an ein nicht dargestelltes pneumatisches Abblasventil angeschlossen werden kann. Ein Strömungsmittel-Einführkanal 4 im Paßstück 2 ist bis zu einer Austrittsstrecke 5 mit zylindrischer glatter Wandung schalldämmend ausgebildet. Das Paßstück 2 ist aus Danamid mit schalldämmender Eigenschaft gefertigt und sein Young-Modul überschreitet den als untere Grenze betrachteten Wert von E=5,6 · 10⁹ N/m². Der Innendurchmesser des Strömungsmittel-Einführkanals 4 beträgt 10 mm und ist kleiner als die Hälfte der Wellenlänge der sich im Frequenzbereich von 31-10 000 Hz im Gasstrom ausbreitenden Schallwellen. Die Austrittsstrecke 5 des Paßstückes 2 mit den Austrittsöffnungen ist in Fig. 2 in der Achseneinrichtung gesehen dargestellt.

Eine zentrale Strömungsmittel-Austrittsöffnung 6 und ihr kurzer Kanal 7 sind zu dem Strömungsmittel-Einführkanal 4 gleichachsig angeordnet, wobei die Querschnittsfläche des kurzen Kanals 7 kleiner ist als die des Strömungsmittel-Einführkanals 4. Die Achsen von anderen vier Strömungsmittel-Austrittsöffnungen 8 und Kanälen 9 schließen mit der Achse des Strömungsmittel-Einführkanals 4 einen Außenwinkel von 50° ein, wobei die Austrittsöffnungen 8 an flacheren Ebenen 10 angeordnet sind. Die gesamte Querschnittsfläche der zentralen Strömungsmittel-Austrittsöffnung 6 und der Austrittsöffnungen 8 überschreitet die Querschnittsfläche des Strömungsmittel-Einführkanals 4 nicht.

An dem Außenumfang 11 des rohrförmigen Paßstückes 2 sind nach außen vorstehende, im Querschnitt dreieckige Ringschultern 12 ausgebildet, damit das Paßstück 2 in einem Sitz 13 eines aus Polyurethanschaum 14 mit offenzelliger Konstruktion ausgebildeten Kugelkörpers, welcher den porösen Körper bildet, sicher verankert ist. Im Ausführungsbeispiel ist die Verbindung eine Klebverbindung. Das zur Herstellung des Polyurethanschaumes verwendete Polyol hat ein Molgewicht von 6000. Es ist wichtig, daß das Molgewicht das Polyols über 3000 liegt und dessen primärer OH-Gehalt über 20% beträgt und das Gemisch von verwendetem isotioniertem MDI und TDI ist, es kann aber sowohl der eine als auch der andere verwendet werden. Die Dichte des Polyurethanschaumes beträgt 75-85 g/dm³ - es ist wichtig, daß die Dichte über 40 g/dm³ beträgt - und seine Flexibilität liegt über 25%. Die Luftdurchlässigkeit des den Polyurethanschaum-Kugelkörper 14 bildenden Polyurethanschaumstoffes ist bei einem geschnittenen Muster von 50 × 50 × 25 mm in Richtung der Dicke von 25 mm wie folgt:

bei einer Druckdifferenz von 0,2 mm W. S. 2,0-3,0 l/min
bei einer Druckdifferenz von 0,3 mm W. S. 3,0-5,0 l/min
bei einer Druckdifferenz von 0,5 mm W. S. 5,0-7,0 l/min.

In unserem Ausführungsbeispiel hat der mit dem Paßstück 2 zusammengeklebte Polyurethanschaum-Kugelkörper 14 einen Durchmesser von 70 mm und weist bei einem Blasen durch den Strömungsmittel-Einführkanal 4 den folgenden Luftdurchlaßwert auf:

bei einer Druckdifferenz von 0,2 mm W. S. 6,0-8,0 l/min
bei einer Druckdifferenz von 0,3 mm W. S. 8,5-11,0 l/min
bei einer Druckdifferenz von 0,5 mm W. S. 12,0-15,0 l/min.

Bei den obigen Messungen war der Polyurethanschaum-Kugelkörper 14 mit einer luftdurchlässigen, schalldämmenden Außenschicht 15 noch nicht versehen. Bei Eintauchen des Polyurethanschaum-Kugelkörpers 14 in Polyurethan-Präpolymer-Lösung bildet sich ein zusammenhängender Überzug an der geschnittenen Kugelfläche, welcher nach dem Aushärten eine dünne Außenschicht 15 bildet, welche luftdurchlässige, aber schalldämmende Eigenschaften aufweist. Der mit der Außenschicht 15 versehene fertige Schalldämpfer 1 zeigt beim Blasen durch den Strömungsmittel-Einführkanal 4 folgende Luftdurchlässigkeit:

bei einer Druckdifferenz von 0,2 mm W. S. 1,6 l/min
bei einer Druckdifferenz von 0,3 mm W. S. 2,5 l/min
bei einer Druckdifferenz von 0,5 mm W. S. 3,6 l/min.

Die Luftdurchlässigkeit des mit der Außenschicht 15 versehenen Polyurethanschaum-Kugelkörpers 14 ist kleiner als die Hälfte, in unserem Ausführungsbeispiel durchschnittlich ein Viertel, der Luftdurchlässigkeit des ohne die Außenschicht 15 gefertigten Polyurethanschaum-Kugelkörpers 14.

Die Luftdurchlässigkeit des Schalldämpfers 1 beträgt 1 l/min bei oder oberhalb der kritischen Druckverhältnisse.

Zur Erzielung der günstigen schalldämmenden Eigenschaften weist der Schalldämpfer 1 folgende Abmessungsverhältnisse auf:

wobei die Bezeichnungen bedeuten:

D _k - den Außendurchmesser des Polyurethanschaum-Kugelkörpers 14, D _e - den Durchmesser des Strömungsmittel-Einführkanals 4, V _e - das Volumen des Strömungsmittel-Einführkanals 4, V _k - das Volumen des Polyurethanschaum-Kugelkörpers 14, L _p - die Länge des Paßstückes 2 innerhalb des Sitzes 13 des Polyurethanschaum-Kugelkörpers 14, d. h. den Abstand zwischen der Stirnfläche 18 und der Schulter 16, L _e - die Länge des Strömungsmittel-Einführkanals 4 des Paßstückes 2, d. h. in unserem Ausführungsbeispiel mit zugelassener Toleranz den Abstand zwischen der Stirnfläche 18 und der Eintrittsöffnung 17.

In Fig. 3 sind eine Kurve I des gemessenen Geräusches des Abblasventils beim Abblasen über dem kritischen Druckverhältnis und eine Kurve II des mit dem Schalldämpfer 1 verminderten gemessenen Geräusches dargestellt und es ist ersichtlich, daß das Ausmaß der Geräuschverminderung insbesondere in den Bereichen unterhalb 250 Hz und oberhalb 2 kHz sehr bedeutend ist.

In Fig. 4 sind ebenfalls die Kurve II des mit dem Schalldämpfer 1 verminderten gemessenen Geräusches und weiterhin deren kalkulierten Komponenten III-V dargestellt. Die Komponente III zeigt die kalkulierte Wirkung des Paßstückes 2, die Komponente IV die kalkulierte Wirkung des Polyurethanschaum-Kugelkörpers 14, und die Komponente V zeigt das kalkulierte gedämpfte resultierende Geräusch. Das zu dämpfende kalkulierte Stoßgeräusch des Abblasventils zeigt eine Komponente VI, und dessen kalkuliertes Turbulenzgeräusch eine Komponente VII.

Der Schalldämpfer 1 als akustisches System arbeitet wie folgt:

Hinsichtlich des zu dämpfenden, beim Abblasen entstehenden Geräusches ist das Druckverhältnis des Luftdruckes vor und hinter dem Abblasventil ein grundsätzlicher Faktor; die Luft strömt nämlich bereits bei einem Druckverhältnis von 1,89 mit Schallgeschwindigkeit aus dem Ventil. Derart entsteht eine gedämpfte Strömung durch das Abblasventil und dies bedeutet, daß die Massenströmung einen maximalen Wert erreicht. Bei diesem Wert entstehen zwei geräuscherregende Mechanismen. Der eine derselben besteht in der turbulenten Vermischung des Gases mit der stehenden Luft hinter dem Abblasventil, wodurch ein Turbulenzgeräusch erregt wird (Fig. 4, Komponente VII). Der andere ist das Stoßgeräusch, welches infolge der Wechselwirkung der Turbulenz und des Strömungsfeldes entsteht (Fig. 4, Komponente VI). Solange das Druckverhältnis einen Wert von 3 nicht überschreitet, ist es genügend, nur das Turbulenzgeräusch in Betracht zu ziehen. Wenn aber der erwähnte Wert größer ist, ist auch das Stoßgeräusch für die Geräuscherregung von Bedeutung. Damit der Schalldämpfer 1 im breiten Druckverhältnisbereich gut funktioniert, soll dieser die Wirkung beider geräuscherregender Mechanismen dämpfen. Im letzteren Fall ist der Schalldämpfer 1 auch für die Schalldämpfung von Abblasventilen für Drücke kleiner als 3 · 10⁵ Pa geeignet.

In Fig. 3 zeigt die Kurve I den Verlauf eines typischen Abblasgeräusches von Abblasventilen und in Anbetracht der Entwicklung der aus der Kurve I errechneten zu erwartenden Spektren des Stoßgeräusches (Fig. 4, Komponente VII) ist es klar ersichtlich, daß das Stoßgeräusch keine Rolle bei der Bildung der grundsätzlichen Spektren der Abblasgeräusche spielt, was sich aus dem Druckverhältnis ergibt. Diese bedeutet, daß das Geräuschspektrum des Abblasverlaufs grundsätzlich von dem Turbulenzgeräusch bestimmt ist, was einerseits die Folge der instationären Kräfte, andererseits die Folge der Vermischung mit der stehenden Luft ist. Zur erfolgreichen Schalldämpfung ist an die freie Öffnung des Abblasventils ein ein derartiges geschlossenes System bildender Schalldämpfer 1 angeschlossen, daß an dessen Ende keine Art von Polwirkung austritt bzw. zur Geltung kommen kann. Das aus dem Abblasventil ausströmende Gas und das dort entstehende Geräusch wird in den Strömungsmittel-Einführkanal 4 des Paßstückes 2 geführt. Dieser Kanal ist aus akustischem Gesichtspunkt eindimensional: das bedeutet, daß er eine akustische Wirkung innerhalb des Hörbarkeitsbereiches hat. In diesem Kanal erfolgt die Vermischungsturbulenz in vollständig geschlossenem Raum und berührt sich deshalb mit der stehenden Luft des äußeren Raumes nicht. Darüber wird durch die schalldämmende Ausbildung der Austrittsstrecke 5 des Paßstückes 2 erreicht, daß die in den Polyurethanschaum-Kugelkörper 14 gelangende Schallenergie frei von jedwelchem zusätzlichen Rohrgeräusch ist. Dadurch, daß die Austrittsstrecke 5 des Paßstückes 2 aufgrund der Ausbildung der Austrittsöffnungen 6, 8 und der Kanäle 7 und 9 eine andere Impedanz als die Eintrittsöffnung 17 aufweist, werden die Schallwellen im Strömungsmittel-Einführkanal 4 reflektiert, wodurch aus den Austrittsöffnungen 6, 8 weniger Schallenergie weitergeführt wird. Die nächste Reflexionsstelle der akustischen Anpassung ist das die Austrittsöffnungen 6, 8 abschließende poröse Material, also die durch Vorhandensein des Polyurethanschaum-Kugelkörpers 14 entstehende sogenannte Bohrungsreflexion.

Im niedrigen Frequenzbereich nimmt das poröse Material an der Dämpfung der Schalldruckschwankungen massenmäßig teil, d. h. es dämpft den Schall. Im hohen Frequenzbereich wird die Dämpfung von der Massenträgheit des porösen Materials verursacht, weil die Luftteilchen in die Poren gelangen und dort den großen Teil ihrer Bewegungsenergie verlieren. Der äußere Überzug ist aufgrund der Konsistenz der Außenschicht 15 mit dem Polyurethanschaum-Kugelkörper 14 vereinigt, ist also mit dem porösen Material organisch verbunden, wobei der äußere Überzug die sich aus den Schallschlucken ergebende Energiedissipation des porösen Materials mit Schalldämmung erhöht, ohne daß dies das Entfernen des abgeblasenen Gases nachteilig beeinflussen würde. Die Außenschicht 15 schützt den Polyurethanschaum-Kugelkörper 14 gegen äußere Verschmutzungen und Benetzungen, die seine akustischen Eigenschaften beeinflussen könnten.

Claims

1. Schalldämpfer zur Geräuschverminderung an gasartige Strömungsmittel abblasenden Einrichtungen, insbesondere von Abblasventilen, mit einem von dem Medium durchströmten kreissymmetrischen Körper aus elastisch verformbarem porösen Material, mit einem in diesen gleichachsig hineinragenden, das Strömungsmittel einführenden Paßstück, das mit einem Strömungsmittel-Einführkanal versehen ist, der über Austrittsöffnungen in den von einer luftdurchlässigen Außenschicht umgebenen porösen Körper mündet, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Körper (14) die Form einer Kugel aufweist, in welche das Paßstück (2) radial hineinragt, daß die den porösen Körper (14) umgebende luftdurchlässige verformbare Außenschicht (15) mit diesem stoffschlüssig verbunden ist, und daß der Quotient (D _k/D _e) aus dem Außendurchmesser (D _k) des porösen Körpers (14) zum Durchmesser (D _e) des Einführkanals (4) mindestens 10, der Quotient (V _e/V _k) aus dem Volumen (V _e) des Einführkanals (4) zum Volumen (V _k) des porösen Körpers (14) höchstens 0,15, der Quotient (D _k/L _p) aus dem Außendurchmesser (D _k) des porösen Körpers (14) zur Länge (Lp) des Paßstückes (2) im Inneren des porösen Körpers (14) mindestens 3,5, der Quotient (D _k/L _e) aus dem Außendurchmesser (D _k) des porösen Körpers (14) und der Länge (L _e) des Einführkanals (4) mindestens 2 und der Quotient (F _a/F _e) aus dem Gesamtquerschnitt (F _a) der Austrittsöffnungen (6, 8) des Paßstückes (2) zum Querschnitt (F _e) des Einführkanals (4) höchstens 1 betragen.

2. Schalldämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Körper (14) aus Polyurethan-Schaum hergestellt ist, dessen Raumgewicht oberhalb 40 g/dm³ liegt, vorteilhaft 75-85 g/dm³ beträgt und dessen elastische Verformbarkeit mindestens 25% beträgt.

3. Schalldämpfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht (15) aus Polyurethan-Präpolymer oder Polyester oder Epoxidharz-Lack hergestellt ist.

4. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftdurchlässigkeit des mit der Außenschicht (15) vereinigten porösen Körpers (14) höchstens die Hälfte der Luftdurchlässigkeit des porösen Körpers (14) beträgt.

5. Schalldämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Paßstück (2) aus Kunststoffmaterial besteht und in einen Sitz (13) in dem porösen Körper (14) eingeklebt ist und eine zu dem Einführkanal (4) des Paßstückes (2) gleichachsig ausgebildete zentrale Austrittsöffnung (6) sowie weitere, mit der erwähnten Achse einen Winkel von annähernd 50° einschließende Austrittsöffnungen (8) aufweist, deren Querschnitt vorzugsweise gleich dem Querschnitt der zentralen Austrittsöffnung (6) oder kleiner als derselbe ist.