DE3820491C2 - Körperschalldämpfendes Verbundsystem für Wasserfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein körperschalldämpfendes Verbundsystem für Wasserfahrzeuge der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

In Wandungen von Wasserfahrzeugen treten Biegeschwingungen auf, die durch Vibrationen von dort befindlichen Antriebsaggregaten (Motoren) und/oder Geräten verursacht werden. Die Biegeschwingungen werden von der Wandung als Störschall abgestrahlt. Besonders nachteilig machen sich Biegeschwingungen beispielsweise auf U-Booten bemerkbar, da sie als Störschall oder Körperschall von der eigenen Sonaranlage empfangen werden und somit Ortungsmöglichkeiten von Zielen herabsetzen.

Es ist bereits aus dem Handbuch von Brühl & Kjaer "Messungen von mechanischen Schwingungen und Stößen", Sept. 1970, bekannt, daß Biegeschwingungen in einem Konstruktionsteil dadurch gedämpft werden, daß die Oberfläche mit einem Material mit hohem inneren Verlustfaktor beschichtet wird. Ein solches Dämpfungsverfahren wird beispielsweise in der Kraftfahrzeugindustrie angewendet. Die Dämpfung ist um so wirkungsvoller, je dicker die Beschichtung mit beispielsweise viskoelastischem Material als Dämpfungsmaterial vorgenommen wird, wobei die Dämpfung mit dem Quadrat des Verhältnisses der Schichtdicken des viskoelastischen Materials und der Wandung steigt. Dabei werden in der Praxis Schichtdicken erzielt, die ein Mehrfaches der Dicke der Wandung betragen.

Die Dicke der Dämpfungsschicht ist durch sog. Verbundsysteme reduzierbar, die aus einer beispielsweise viskoelastischen Zwischenschicht und einer meist relativ dünnen, festen, dehnsteifen Abdeckschicht bestehen, wobei die viskoelastische Zwischenschicht die Dämpfungseigenschaft des Verbundsystems maßgebend bestimmt. Die Zwischenschicht wird auf Schub beansprucht, da die in die Wandung eingeleiteten Biegeschwingungen die feste Abdeckung weniger stark dehnen als die Randfaser der Wandung an der Grenze zur Zwischenschicht. Besonders vorteilhaft ist es, ein Verbundsystem symmetrisch aufzubauen, bei dem Wandung und Abdeckschicht gleiche Schichtdicke aufweisen, zwischen denen sich die viskoelastische Zwischenschicht befindet, wobei der Elastizitätsmodul der Zwischenschicht abhängig von dem zu dämpfenden Frequenzbereich der Biegewellen wählbar ist. Über Aufbau und Wirkungsweise von Verbundsystemen gibt es im Rahmen der VDI-Richtlinien einen Bericht "Schallschutz durch Körperschalldämpfung" VDI 3727, der 1984 veröffentlicht wurde.

Der Nachteil eines solchen symmetrischen Verbundsystems besteht darin, daß die Abdeckschicht aus gleichem Material und genauso dick wie die Biegewellen führende Wandung sein muß. Dadurch ergeben sich enorme Gewichtserhöhungen für das gesamte Wasserfahrzeug, die insbesondere bei Nachrüstungen nicht vermeidbar sind.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein körperschalldämpfendes Verbundsystem der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, bei dem die Eigenschaften eines symmetrischen Verbundsystems ohne Erhöhung des Gesamtgewichts in Wasser erzielt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Die Abdeckschicht des Verbundsystems besteht aus einer schubsteifen Kunststoffmischung, die durch Beimengung von leichten Substanzen ein geringes spezifisches Gewicht erhält, und einer Abschlußschicht. Die Eigenschaften eines symmetrischen Verbundsystems werden dadurch erzielt, daß die Schichtdicke der Abdeckschicht und ihr Elastizitätsmodul so dimensioniert sind, daß die Biegesteifigkeit der Abdeckschicht gleich der Biegesteifigkeit der Wandung ist. Zwischen Abdeckschicht und Wandung befindet sich die Biegewellen verzehrende Zwischenschicht, die beispielsweise ein Klebstoff ist, mit dem die Abdeckschicht auf der Wandung befestigt wird. Es besteht auch die Möglichkeit, die Abdeckschicht beidseitig mit einer steifen Abschlußschicht gleichen Materials und gleicher Stärke zu versehen, zwischen denen sich die schubsteife Kunststoffmischung befindet. Eine solche Abdeckschicht ist besonders einfach auf der Wandung zu befestigen.

Durch Beimengung von beispielsweise Vermiculite oder druckfesten Hohlkörpern ist das Gewicht der Abdeckschicht so einstellbar, daß das Wasserfahrzeug seine gewünschten Fahreigenschaften behält. Durch diese Maßnahme ist insbesondere für U-Boote der Vorteil gegeben, daß der Druckkörper des U-Boots komplett verkleidet werden kann, ohne daß Stabilitäts- und Gewichtsprobleme auftreten.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verbundsystems besteht darin, daß die Abschlußschicht zur neutralen Faser des Verbundsystems einen großen Abstand aufweist, der maßgeblich ist für die dämpfende Wirkung des gesamten Verbundsystems. Dieser Abstand wird durch die Schichtdicke und damit durch die Dimensionierung der Biegesteifigkeit der Abdeckschicht bestimmt, da die Biegesteifigkeit gleich dem Produkt aus Flächenträgheitsmoment der Abschlußschicht und ihrem Elastizitätsmodul ist. Das Flächenträgheitsmoment steigt mit der dritten Potenz der Schichtdicke. Der Elastizitätsmodul der Kunststoffmischung ist wesentlich kleiner als der Elastizitätsmodul der Wandung, so daß die Schichtdicke der Abdeckschicht wesentlich größer als die Stärke der Wandung ist.

Der Vorteil der erfindungsmäßen Weiterbildung des Verbundsystems nach Anspruch 2 besteht darin, daß die Abdeckschicht aus in der Wasserschalltechnik gängigen Materialien aufgebaut werden kann, wobei durch die Verwendung von Mikroglashohlkugeln ihr spezifisches Gewicht fein dosierbar ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß Mikroglashohlkugeln im Handel erhältlich sind, insbesondere auch in den im Anspruch 3 angegebenen Größenordnungen. Die Mikroglashohlkugeln sind druckfest und behalten somit ihre Eigenschaften auch im getauchten Zustand eines U-Boots.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Weiterbildung nach Anspruch 4 besteht darin, daß Metall als Abschlußschicht die gewünschten steifen Eigenschaften aufweist, wobei zur Reduzierung des Gewichts Aluminium besonders geeignet ist. Es sind aber auch glasfaserverstärkte oder kohlenstoffaserverstärkte Kunststoffe als Abschlußschicht gemäß Anspruch 5 vorteilhaft verwendbar, da auch diese Materialien bei geringem Gewicht die nötige Schubfestigkeit aufweisen.

Aus fertigungstechnischen Gründen ist es besonders vorteilhaft, die Abdeckschicht durch eine der Abschlußschicht entsprechende Zwischenabschlußschicht gemäß Anspruch 6 symmetrisch aufzubauen.

Durch die Weiterbildung des Verbundsystems nach Anspruch 7 ist der Vorteil gegeben, daß besondere Dämpfungseigenschaften der Zwischenschicht bezüglich ihres Temperatur- und Frequenzverhaltens bei geringer Schichtdicke einstellbar sind, indem dem elastischen oder viskoelastischen Dämpfungsmaterial Mineralien beigemengt sind. Gemäß Anspruch 8 hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, Glimmer, Kaolin, Schwerspat, Vermiculite oder Graphit zu verwenden.

Zur Reduzierung des Gewichts des gesamten Verbundsystems dient die Maßnahme nach Anspruch 9, wobei die Mikroglashohlkugeln die Dämpfungseigenschaften der Zwischenschicht nur gering beeinflussen. Die in Anspruch 10 angegebenen Maßnahmen sind für die Dimensionierung eines Biegewellen dämpfenden Verbundsystems üblich und auch hier mit gleicher Wirkung einsetzbar.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel für ein körperschalldämpfendes Verbundsystem dargestellt. Auf einer Wandung 10, beispielsweise auf dem Druckkörper eines U-Bootes, ist über eine Zwischenschicht 11 eine Abdeckschicht 12 angeordnet, die das Verbundsystem bilden. Die Wandung 10 wird durch Antriebsaggregate zu Biegeschwingungen angeregt. Die Zwischenschicht 11 ist aus einem Dämpfungsmaterial, das die durch Biegeschwingungen hervorgerufene Schubkräfte in Wärme umwandelt. Die Abdeckschicht 12 besteht aus einer Abschlußschicht 13 und einer schubsteifen Schicht 14, die eine Kunststoffmischung aus Epoxydharz mit Glaskugeln im Verhältnis 3 : 1 enthält. Die Abschlußschicht 13 der Abdeckschicht 12 besteht aus Aluminium. Zwischen Abdeckschicht 12 und Wandung 10 befindet sich die Zwischenschicht 11 aus Polyurethan, dem Glimmer und Mikroglaskugeln beigemischt sind. Das Verhältnis Polyurethan zu Glimmer zu Glaskugeln ist gleich 13 : 6:2,3. Ebenfalls ist es möglich, anstelle einer Beimengung von Glimmer und Mikroglaskugeln Vermiculite im Verhältnis 13 : 3,3 zu verwenden, um gleiche Eigenschaften der Zwischenschicht 11 zu erzielen.

In dem hier dargestellten Verbundsystem weist die Abdeckschicht 12 eine zusätzliche Zwischenabschlußschicht 15 auf, die wie die Abschlußschicht 13 aus Aluminium hergestellt ist. Die Höhe der Abdeckschicht 12 ist so dimensioniert, daß bei Verwendung von Epoxydharz und Aluminium die Biegesteifigkeit gerade gleich der Biegesteifigkeit der Wandung 10 aus Stahl ist. Es ergibt sich dann eine Gesamthöhe des Verbundsystems von 80 mm, wenn die Wandung 10 eine Schichtdicke von 20 mm aufweist. Die Schichtdicke der Zwischenschicht 11 beträgt 10 mm, um bei niedrigen Frequenzen Körperschallabstrahlung zu verhindern.

Das Verbundsystem weist hingegen eine Gesamthöhe von 74 mm auf bei Verwendung einer Dämpfungsfolie von 0,15 mm als Zwischenschicht 11. Die Abdeckschicht 12 besteht dann aus einer 52 mm starken schubsteifen Schicht 14 aus Epoxydharz mit Glaskugeln im Verhältnis 3 : 1 und die Abschlußschicht 13 sowie die Zwischenabschlußschicht 15 aus 1 mm starkem Stahlblech.

Die sich dann einstellende Dämpfung pro Meter in einem für U-Boote interessanten ortungsfrequenz- und Temperaturbereich beträgt 1 bis 1,5 dB entsprechend einer Schallpegelminderung von 8 bis 10 dB und einem Verlustfaktor von d = 0,1, der frequenzabhängige Verlauf ist für beide Ausführungen unterschiedlich.

Claims (10)

1. Körperschalldämpfendes Verbundsystem für Wasserfahrzeuge bestehend aus einer Körperschall, insbesondere Biegewellen führenden Wandung und einer damit innig verbundenen, den Körperschall über Schubkräfte verzehrenden Zwischenschicht und einer steifen Abdeckschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckschicht (12) eine schubsteife Kunststoffmischung und eine abschließende, dagegen relativ dünne, steife Abschlußschicht (13) enthält, daß die Biegesteifigkeit der Abdeckschicht (12) und der Wandung gleich sind und das spezifische Gewicht der Abdeckschicht (12) durch Beimengung von leichten Substanzen gleich oder kleiner als Wasser einstellbar ist.

2. Körperschalldampfendes Verbundsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffmischung der Abdeckschicht (12) als Grundsubstanz Epoxydharz, Polyurethan oder ungesättigte Polyesterharze aufweist und die Beimengung Mikroglashohlkugeln enthält.

3. Körperschalldämpfendes Verbundsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Mikroglashohlkugeln zwischen 0,2 und 0,005 mm liegt.

4. Körperschalldämpfendes Verbundsystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußschicht (13) aus Metall ist.

5. Körperschalldämpfendes Verbundsystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußschicht (13) aus glasfaserverstärktem oder kohlenfaserverstärktem Kunststoff besteht.

6. Körperschalldämpfendes Verbundsystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckschicht (12) außen eine Abschlußschicht (13) und innen eine Zwischenabschlußschicht (15) gleichen Aufbaus wie die Abschlußschicht (13) aufweist.

7. Körperschalldämpfendes Verbundsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (11) aus viskoelastischem Kunststoff ohne oder mit Mineralbeimengungen gebildet ist.

8. Körperschalldämpfendes Verbundsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (11) Beimengungen von Glimmer, Kaolin, Schwerspat, Vermiculite oder Graphit enthält.

9. Körperschalldämpfendes Verbundsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (11) Beimengungen von Mikroglashohlkugeln enthält.

10. Körperschalldämpfendes Verbundsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Härte der Kunststoffmischung abhängig von dem Umgebungstemperatur- und/oder Körperschallfrequenzbereich einstellbar ist.