DE3922139C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reduzieren von Geräuschen durch Interferenz.

Zum Reduzieren des Geräuschpegels von Schall ist es bisher weithin üblich, die Schallquelle mit einer Abschirmung zu umgeben, die mit einem schallisolierendem Material belegt ist, um Schall durch akustische Absorption zu reduzieren.

Weithin bekannt ist auch das Verfahren, die Fortpflanzung von Schallwellen dadurch zu verhindern, daß eine hochwirksame Abschirmwand vorgesehen wird, um den Geräuschpegel zu reduzieren.

Solche bekannten Abschirmverfahren können aber insbesondere nicht bei Motorräumen von Fahrzeugen angewandt werden, welche eine Abfuhr von Strahlungswärme erfordern.

Wird eine Schallabschirmungswand für den Antrieb eines Flugzeuges eingesetzt, welcher Schall über einen ausströmenden Strahl abgibt, so wird die Luftströmung turbulent und erzeugt Hindernisse für die angesaugte und abgestoßene Luft. Dementsprechend kann dort der Schall nicht abgeschirmt werden.

Aus der US 41 56 476 ist eine Geräuschdämpfungsvorrichtung bekannt mit einem Hohlkörper, wobei Interferenzen erzeugt werden.

Die Erfindung setzt sich das Ziel, eine Vorrichtung zur Geräuschreduzierung bereitzustellen, die mit einfachen Mitteln einen hohen Wirkungsgrad erzielt.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet.

Der abhängige Anspruch 2 beschreibt eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Allgemein erzeugen von zwei Schallquellen erzeugte Schallwellen, deren Phasen sich um eine halbe Wellenlänge unterscheiden, einen extrem geräuschreduzierten Bereich durch Interferenz auf einer Symmetrielinie, die senkrecht auf der Verbindungslinie der beiden Schallquellen steht.

Es werden also von einer Schallquelle abgegebene Geräusche dadurch reduziert, daß eine Vielzahl von Durchgängen bereitgestellt wird, deren Länge so bemessen ist, daß mittels Interferenz ein Bereich mit reduziertem Geräuschpegel in ähnlicher Weise wie vorstehend bei zwei Schallquellen beschrieben, entsteht.

Beim Aufbau der Vorrichtung wird eine Abweichung von 60° in bezug auf eine Phasendifferenz von 240° zugelassen und jede innerhalb dieser Abweichung liegende Phasendifferenz wird als zulässig angesehen, weil eine Geräuschreduzierung dann kaum auftritt, wenn die Phasendifferenz diesen Bereich verläßt, wie in Fig. 8 dargestellt ist.

Insbesondere wenn Reflexionen an einer Oberfläche, wie der Erdoberfläche oder dergleichen, auftreten, ist es erforderlich, den nach unten gerichteten Schallreduzierungsbereich zu steuern und es ist erforderlich, die Phase der die oben angeordneten Durchlässe passierenden Wellen um eine Phasendifferenz von 240° ±60° in bezug auf die Phase der die unteren Durchlässe passierenden Wellen vorlaufen zu lassen. Die Wellenfronten A, B stehen dabei senkrecht zu einer "akustischen Achse" des Systems, d. h. der Verbindungslinie zwischen der Schallquelle (23, 32) und der Längserstreckung der Geräuschreduzierungsvorrichtung.

Dies ist in Fig. 9 dargestellt und bedeutet, daß dann, wenn der Phasenvorlauf außerhalb des Bereichs von 240°±60° liegt, eine wirksame Geräuschreduzierung durch Interferenz nicht mehr erhalten werden kann aufgrund von Einflüssen der Reflexion an einer Oberfläche wie der Erdoberfläche.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch den Motorraum eines Fahrzeugs, welches mit einer Vorrichtung zum Reduzieren von Geräuschen gemäß der Erfindung ausgerüstet ist,

Fig. 2 einen Schnitt in Längsrichtung durch eine Vorrichtung zum Reduzieren von Geräuschen gemäß Fig. 1,

Fig. 3 schematisch die Überlagerungen von Schallwellen mittels einer Geräuschreduzierungsvorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 4 eine Darstellung des Schalldruckspektrums, aus dem sich die schallreduzierende Wirkung der Vorrichtung gemäß Fig. 2 im Vergleich mit dem Stand der Technik ergibt,

Fig. 5 eine schematische Draufsicht auf ein Flugzeug, bei dem eine erfindungsgemäße Geräuschreduzierung durchgeführt wird,

Fig. 6 einen Schnitt in Längsrichtung durch eine beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 verwendete Geräuschreduzierungsvorrichtung,

Fig. 7 eine graphische Darstellung des Schalldruckspektrums bei einer Geräuschreduzierungsvorrichtung gemäß Fig. 6,

Fig. 8 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen den Phasendifferenzen von Schallwellen in den Gruppen von Durchgängen und der Schallreduzierung und

Fig. 9 ebenfalls den Zusammenhang zwischen Phasendifferenzen von Schallwellen und der schallreduzierenden Wirkung.

Zunächst wird die Erfindung anhand der Fig. 1 bis 7 erläutert.

Fig. 7 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Geräuschreduzierung, die am Motorraum eines Automobils verwendet wird.

Gemäß Fig. 1 ist ein Motorraum 13 als Teil eines Fahrzeugkörpers 12 (Karosserie) ausgebildet. Am Rahmen aufgehängt sind Räder 11, bestehend aus den Vorderrädern (Steuerräder) und den Hinterrädern (Antriebsräder). Ein Motor 14 ist im Motorraum 13 angeordnet.

In der Außenwand des Motorraums 13 ist eine Entlüftung 15 vorgesehen, die mit einer Geräuschreduzierungsvorrichtung 16 gemäß der Erfindung versehen ist.

Der Motor 14 ist quer angeordnet und ein Ventilator 17 sowie ein Kühler 18 sind seitlich des Auslasses 15 des Motors 14 angeordnet.

Der Motor 14 ist gedämpft auf dem Boden des Motorraumes 13 abgestützt.

In Fig. 1 ist die Erdoberfläche mit dem Bezugszeichen 19 angedeutet.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt in Längsrichtung der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung 16 zum Reduzieren von Geräuschen.

Die Vorrichtung 16 ist als Hohlkörper ausgebildet mit einer ersten Gruppe 21 von oben angeordneten Durchlässen und einer zweiten Gruppe 22 mit unterhalb der ersten Gruppe angeordneten Durchlässen.

Die erste Gruppe 21 besteht aus einer Vielzahl von ersten Durchlässen 21-1, 21-2, . . ., 21-n, die zueinander parallel angeordnet sind. Die Gruppe ist so ausgebildet, daß sie eine erste ebene Schallwelle A erzeugt aus Schallwellen, die eine erste, gleiche Phase aufweisen und die ersten Durchgänge 21-1, 21-2, . . ., 21-n passiert haben, nachdem sie von einer Schallquelle 23 emittiert worden sind (entsprechend dem Motor 14 in Fig. 1).

Die zweite Gruppe 22 besteht ebenfalls aus einer Vielzahl von zweiten Durchlässen 22-1, 22-2, . . ., 22-m, die ebenfalls parallel zueinander ausgerichtet sind. Die zweite Gruppe ist so aufgebaut, daß sie eine zweite ebene Schallwelle B erzeugt aus Schallwellen, die die gleiche Phase aufweisen und die Durchlässe 22-1, 22-2, . . ., 22-m passiert haben, nachdem sie von der Schallquelle 23 emittiert sind.

Jeder Durchlaß 21-1, 21-2, . . ., 21-n, 22-1, 22-2, . . ., 22-m ist mit einem vorgegebenen Neigungswinkel R, wie dargestellt, ausgebildet. Die Durchlässe können unterschiedliche Formen aufweisen, so kann jeder Durchgang schlitzförmig mit einer bestimmten Breite ausgebildet sein, so daß sich die Schlitze gemäß Fig. 2 zu einem Hohlkörper 16 zusammenfügen. Die Durchlässe können auch im Schnitt als konzentrische Kreise oder konzentrische Ovalformen ausgebildet sein, in Abhängigkeit von der Form und der Größe der Schallquelle 23.

Die Vorrichtung 16 dient dazu, von der Schallquelle 23 (Motor 14) erzeugte Geräusche mittels Interferenz zu reduzieren.

Zu diesem Zweck wird die Länge jedes Durchlasses 22-i, (i = 1, 2, . . ., n) der ersten Gruppe 21 von Durchlässen so festgelegt, daß die Summe aus dem Abstand von der Schallquelle 23 zum Einlaß des Durchlasses, der Länge des Durchlasses und des Abstands vom Ausgang des Durchlasses zu einer auswärts (in Ausbreitungsrichtung der Schallwellen gesehen) der Durchlässe angeordneten imaginären Ebene eine konstante Länge LA aufweist, um eine ebene Welle A durch Zusammenfügen von Wellen zu bilden, die eine erste, gleiche Phase nach Durchgang durch die Durchlässe 22-i aufweisen.

Die Länge jedes Durchlasses 22-i, (i = 1, 2, . . ., m) der zweiten Gruppe 22 von Durchlässen wird ebenfalls so bestimmt, daß die Summe aus dem Abstand von der Schallquelle 23 zum Einlaß des Durchlasses, der Länge des Durchlasses und dem Abstand vom Ausgang des Durchlasses zu einer auswärts gelegenen imaginären Ebene einen konstanten Wert LB aufweist, um eine ebene Welle B aus Schallwellen zu bilden, die eine gleiche zweite Phase nach Durchgang durch die Durchlässe 22-i aufweisen. Die imaginären Ebenen sind parallel zur Längserstreckung der Vorrichtung und senkrecht zum Lot von der Schallquelle auf diese Längsrichtung.

Die erste Phase der ersten ebenen Wellenfront A, die aus den die oberen Durchlässe (erste Gruppe 21) passierenden Wellen gebildet wird, wird so gesetzt, daß diese Wellenfront um eine Phasendifferenz von 240°±60° bei einer sogenannten Zielfrequenz (wie zum Beispiel 1250 Hz) in bezug auf die zweite Phase der zweiten ebenen Wellenfront B versetzt ist, welche mittels derjenigen Schallwellen gebildet wird, welche die untere Gruppe 22 von Durchlässen passiert haben.

Bei Motoren 14 von Fahrzeugen wird der Geräuschpegel häufig im Frequenzbereich von 1250 Hz am größten.

Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die Ausbildung der ersten Gruppe 21 und der zweiten Gruppe 22 von Durchlässen mittels zehn flacher Platten, die so angeordnet sind, daß die Phase der ersten ebenen Wellenfront A um eine Phasendifferenz 240° in bezug auf die Phase der zweiten ebenen Wellenfront B versetzt ist, so daß bei einer Frequenz von 1250 Hz eine wirkungsvolle Geräuschreduzierung durch Interferenz auftritt. Wie dargestellt, ist die Phase der ersten Wellenfront A um die Phasendifferenz vorgeschoben.

Die Längen der flachen Platten S 1, S 2, . . ., S 10 (gezählt von oben) zur Bildung der Durchlässe 21-i, 22-i sind in Längsrichtung der Durchlässe wie folgt bemessen: 64 mm, 64 mm, 56 mm, 20 mm, 140 mm, 140 mm, 116 mm, 87 mm, 56 mm und 35 mm. Der Neigungswinkel R der flachen Platten beträgt jeweils 30°. Der Abstand zwischen benachbarten flachen Platten beträgt jeweils 25 mm. Die Neigung (R) wird beim dargestellten Ausführungsbeispiel gemessen in bezug auf eine sogenannte akustische Achse des Systems, d. h. dem Lot von der Schallquelle auf die Längserstreckung der Vorrichtung.

Fig. 3 zeigt schematisch die Interferenz der Schallwellen, welche die Geräuschreduzierungsvorrichtung 16 gemäß Fig. 2 passiert haben.

Die erste ebene Wellenfront A aus Wellen, welche, ausgehend von der Schallquelle 23, die erste Gruppe 21 von Durchlässen passiert haben, bewegt sich mit einer Phasendifferenz von 240° in bezug auf die Phase der zweiten ebenen Wellenfront B, die aus Schallwellen gebildet ist, welche, ausgehend von der Schallquelle 23, die zweite Gruppe 22 von Durchlässen passiert haben. Eine schallreduzierende Wirkung wird durch Interferenz der ersten ebenen Welle A und der zweiten ebenen Welle B in einer Zone X erzielt, wobei der schallreduzierte Bereich sich bei Weiterbewegung der Wellen nach unten erweitert, wie es durch den Bereich X in der Figur gezeigt ist.

Der geräuschreduzierte Bereich Y, der nach unten aufgeweitet ist, wird von der Oberfläche 19 definiert und pflanzt sich danach weiter fort in Richtung auf einen oberen schallreduzierten Bereich Z.

In diesem Fall wird ein Raum R gebildet, in dem eine Schallwelle vor der Reflexion und eine Schallwelle nach der Reflexion einander schneiden, und zwar oberhalb eines Bereichs P, in dem der Bereich Y reduzierten Geräuschpegels die Oberfläche 19 berührt.

Da in diesem "zusammengesetzten" Raum R verschiedene ebene Wellen mit unterschiedlichen Wellenlängen und Phasen einander überlagern, ist es möglich, eine Zone mit weiter reduziertem Geräuschpegel zu erhalten. Falls also Instrumente verwendet werden, die eine Umgebung mit niedrigerem Geräuschpegel erfordern, ist es vorteilhaft, diese Instrumente in dem "zusammengesetzen" Raum R anzuordnen.

In Fig. 4 sind Schalldruckspektren im Vergleich aufgetragen und zwar einmal von einem Fahrzeug, das mit einer Geräuschreduzierungsvorrichtung 16 gemäß der Erfindung (Fig. 1 und 2) ausgerüstet ist (durchgezogene Linie) und einmal ohne eine solche Ausrüstung (gestrichelte Linie).

Die Darstellung gemäß Fig. 4 zeigt den Schalldruckpegel in Abhängigkeit von der Frequenz für einen Kleinbus, der mit einer Geschwindigkeit von 40 km/h einen Meßort passiert, der 7,5 m vom Schwerpunkt des Fahrzeuges entfernt ist.

Das Meßergebnis gemäß Fig. 4 zeigt, daß ein schallreduzierender Effekt von 4 dB bei einer sogenannten Zielfrequenz von 1250 Hz durch Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielt werden kann.

Die Erfindung erfordert keinerlei schallabsorbierendes Material.

Fig. 5 zeigt den Einsatz einer Geräuschreduzierungsvorrichtung gemäß der Erfindung zum Reduzieren von Geräuschen, die vom Antrieb eines Flugzeugs erzeugt werden.

Gemäß Fig. 5 werden auf Interferenz beruhende Schallreduzierungsvorrichtungen 33, 33 auf dem Boden hinter beiden Antrieben 32, 32 angeordnet. Die Antriebe sind in bekannter Weise an den Tragflächen des Flugzeuges 31 befestigt.

Der Abstand vom Antrieb 32 zur Geräuschreduzierungsvorrichtung 33 beträgt 10 m.

Fig. 6 zeigt einen Schnitt in Längsrichtung durch die Geräuschreduzierungsvorrichtung 33 gemäß Fig. 5 (eine der beiden Vorrichtungen).

Die Vorrichtung 33 zum Geräuschreduzieren ist etwa 6 m hoch und 10 m breit. Sie weist einen Hohlkörper mit einer ersten Gruppe 41 von oberen Durchlässen und einer zweiten Gruppe 42 von unteren Durchlässen auf.

Die erste Gruppe 41 weist eine Vielzahl von ersten Durchlässen 41-1, 41-2, . . ., 41-n auf, die zueinander parallel ausgerichtet sind und deren Längen so gewählt sind, daß eine erste ebene Wellenfront A aus Schallwellen gebildet wird, die eine erste, gleiche Phase nach Durchgang durch die Durchlässe aufweisen.

Die Gruppe 42 weist eine Vielzahl von zweiten Durchlässen 42-1, 41-2, . . ., 42-m auf, die zueinander parallel ausgerichtet sind und deren Längen so bestimmt sind, daß eine zweite ebene Welle B aus Schallwellen gebildet wird, die eine zweite, gleiche Phase nach Durchgang durch die zweiten Durchlässe 42-1, 41-2, . . ., 42-m aufweisen.

Die Konstruktionsprinzipien für den Aufbau der Vorrichtung 33 entsprechen denen der Vorrichtung gemäß Fig. 2. Aus der Zeichnung ergibt sich, daß die Anzahl der Durchlässe in den oberen und unteren Durchlaßgruppen 41 und 42 wesentlich erhöht ist.

In diesem Falle wird auch die Phase der ersten ebenen Wellenfront A aus Schallwellen, welche die obere Gruppe 41 von Durchlässen passiert haben, so gesetzt, daß eine Phasendifferenz von 240°±60° in bezug auf die Phase der zweiten ebenen Wellenfront B vorliegt, welche durch Schallwellen gebildet ist, die die untere Gruppe 42 von Durchlässen passiert haben, wobei eine Zielfrequenz vorgegeben ist, beispielsweise 2000 Hz.

Bevorzugt wird die sogenannte Zielfrequenz (wie z. B. 2000 Hz) so festgesetzt, daß sie dem höchsten Geräuschpegel der Schallquelle 32 entspricht.

Beim Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Reduzieren von Geräuschen gemäß Fig. 6 werden die einzelnen Durchlässe 41-1, 41-2, . . ., 41-n, 42-1, 42-2, . . ., 42-m der ersten bzw. der zweiten Gruppe von Geräusch jeweils aus 40 flachen Platten S 1, S 2, . . ., S 40 gebildet.

Der Neigungswinkel R jeder flachen Platte S_i beträgt 30°. Der Abstand zwischen benachbarten Platten beträgt 75 mm.

Tabelle 1 zeigt die Längen der genannten 40 flachen Platten S 1, S 2, . . ., S 40 (gezählt von oben) in Längsrichtung der Durchlässe. Die Längen sind im mm angegeben.

Tabelle 1

Einheit: mm

Beim Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 5 und 6 können die gleichen Interferenzeffekte von sich einander überlagernden Wellen erreicht werden, wie bei Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 2 und 3, welches oben erläutert wurde. Es ist ebenfalls möglich, eine weitere Geräuschreduzierungszone zu erhalten, in der eine gleichbleibende Reduzierung des Geräuschpegels gegeben ist, indem ein "zusammengesetzter" Raum R gebildet wird, in dem eine einfallende Welle sich mit einer reflektierten Welle kreuzt.

Fig. 7 zeigt spektrale Verteilungen von Schalldruck-Pegeln, einmal bei Verwendung einer Vorrichtung 33 zum Geräuschreduzieren (untere Kurve) und zum anderen den Fall, bei dem eine solche Vorrichtung nicht verwendet wurde (obere Kurve).

Die Werte gemäß Fig. 7 wurden in einem Abstand von 150 m hinter dem Antrieb 32 (Fig. 5) gewonnen.

Wie sich aus den spektralen Verteilungen gemäß Fig. 7 ergibt, beträgt die Geräuschreduzierung 12 dB bei einer Zielfrequenz von 2000 Hz. Die Geräuschreduzierung hinter dem Flugzeug 31 wurde also extrem reduziert.

Die Geräuschreduzierung ist möglich, ohne daß die Luftströmung in bezug auf den Antrieb 32 des Flugzeugs 31 in irgendeiner Weise beeinflußt wird, insbesondere bleiben die Ansaug- und die Abstoßbedingungen der Luft in bezug auf den Antrieb unberührt.

Claims (2)

1. Vorrichtung zum Reduzieren von Geräuschen durch Interferenz mit

• - einer ersten Gruppe (21; 41) von ersten Durchlässen (21-1, . . ., 21-4; 41-1, . . ., 41-n), die zueinander parallel ausgerichtet sind, um eine erste, ebene Welle (A) aus Schallwellen zu bilden, die, von einer Schallquelle (23; 32) kommend, eine erste, gleiche Phase nach Durchgang durch die ersten Durchlässe aufweisen, und
• - eine zweite Gruppe (22; 42) von zweiten Durchlässen (22-1, . . ., 22-5; 42-1, . . ., 42-m), die zueinander parallel ausgerichtet sind, um eine zweite ebene Welle (B) aus Schallwellen zu bilden, die, ausgehend von der Schallquelle, eine zweite, gleiche Phase nach Durchgang durch die zweiten Durchlässe aufweisen, wobei
• - die erste Gruppe (21; 41) von Durchlässen oberhalb der zweiten Gruppe (22; 42) von Durchlässen derart angeordnet ist, daß die erste Phase der ersten ebenen Welle (A) eine Phasenverschiebung von 240°±60° in bezug auf die zweite Phase der genannten zweiten ebenen Welle (B) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge jedes Durchlasses der ersten Gruppe (21; 41) so festgelegt ist, daß die Summe aus dem Abstand von der Schallquelle (23; 32) zum Eingang des Durchlasses, der Länge des Durchlasses und dem Abstand vom Ausgang des Durchlasses zu einer außerhalb der Vorrichtung gelegenen imaginären Ebene einen konstanten Wert (LA) hat und daß die Länge jedes Durchlasses der zweiten Gruppe (22; 42) so festgelegt ist, daß die Summe aus dem Abstand von der Schallquelle (23; 32) zum Eingang des Durchlasses, der Länge des Durchlasses und dem Abstand seines Ausgangs zu einer außerhalb der Vorrichtung gelegenen imaginären Ebene einem konstanten Wert (LB) entspricht, so daß die erste Phase der ersten ebenen Welle (A) eine Phasendifferenz von 240°±60° in bezug auf die zweite ebene Welle (B) aufweist.