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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf akustische Auskleidungssysteme
und Verfahren zum Abschwächen
von Lärm,
beispielsweise im Strömungskanal
eines Gasturbinentriebwerks, und insbesondere betrifft die Erfindung
Maßnahmen,
durch die eine Lärmabschwächung durch
akustische Modenstreuung und darauffolgende Absorption von abgewandelten
Moden oder Druckmustern erreicht wird.
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Akustische
Auskleidungen innerhalb eines Einlasses oder der Auslassdüse eines
Flugtriebwerks spielen eine wichtige Rolle bei der Verminderung
von Lärm,
der in die Umgebung abgestrahlt wird.
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Das
Lärmfeld
innerhalb eines Einlasses eines Flugtriebwerks kann als Summation
von sich drehenden modalen Druckmustern charakterisiert werden,
die im Wesentlichen durch den Niederdruck-Vortriebsfan erzeugt werden.
Da dieses Lärmmuster
oder die Lärmmoden
durch den Einlass und aus diesem heraus fortschreiten, bewirken
akustische Auskleidungen innerhalb des Einlasses nur eine Abschwächung eines
Teils des Lärms.
Die passiven akustischen Auskleidungen bestehen im typischen Fall
aus einer Schicht von Honigwabenzellen, die von einem undurchlässigen Blech
unterstützt werden
und ein poröses
Deckblatt aufweisen. Da das akustische Druckmuster an den Auskleidungen
vorbeistreicht, wird Luft durch die poröse Schicht und in die Honigwabenzellen
gedrückt,
wodurch die akustische Energie als Wärme verteilt wird. Die Dicke
der Honigwabenschicht bestimmt die Spitzenabsorptionsfrequenz. Die
Gesamtimpedanz einer akustischen Auskleidung ist eine komplexe Zahl,
die in einen Realteil, die Resistanz, und einen Imaginärteil, die
Reaktanz, aufgeteilt ist. Für
derartige Auskleidungstypen wird die Resistanz in erster Linie durch die
Porosität
des Deckblattes bestimmt, und die Dicke der Honigwabenschicht bestimmt
die Reaktanz, die eine Funktion der Frequenz ist.
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Gegenwärtig werden
passive akustische Auskleidungen häufig bevorzugt unter der Annahme, dass
die akustischen Moden gleichförmig über die Länge des
Einlasses fortschreiten. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die akustische
Energie zwischen den sich ausbreitenden Moden mit unterschiedlichen
Abschwächungscharakteristiken
umverteilt und gestreut werden kann. Wenn die Energie von Moden, die
durch die akustische stromabwärtige
Auskleidung weniger geschwächt
ist, auf Moden neu verteilt werden kann, die leichter abgeschwächt werden
können, dann
kann der Gesamtwirkungsgrad des Einlassauskleidungssystems beträchtlich
verbessert werden.
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Die
US-A-5782082 beschreibt ein Mehrfachsegment-Auskleidungssystem eines
Flugtriebwerks, bei dem die Umverteilung der akustischen Energie durch
einen Abschnitt einer Streuauskleidung verursacht wird, die eine
niedrige Resistanz (0 bis 0,5 ρc) und
eine Reaktanz nahe Null besitzt, wobei diesem Abschnitt eine Schicht
einer absorbierenden Auskleidung folgt, die eine eher typische hohe
Resistanz, aber eine gleiche Reaktanz nahe Null hat. Bei einer bestimmten
abzuschwächenden
Frequenz liegt die Zellentiefe zwischen 19 mm und 76 mm. Dies entspricht
etwa ¼-Wellenlängen. Die
US-A-5782082 lehrt die Benutzung eines Deckblattes, das ein Verhältnis von
niedriger "Resistanz"/hoher Porosität hat, so
dass der Schall durch die jeweilige Zellentiefe abgeschwächt wird.
Die "Resistanz" bezieht sich auf den
Druckabfall des Schallfeldes über
dem Deckblatt. Dieses System hat den Nachteil, dass das Streusegment
mit niedriger Resistanz keine Streuung von einigen der vorherrschend
einfallenden Druckmustern bewirkt, die bei hohen Fan-Betriebsdrehzahlen
auftreten. Weiter wird die Dicke der akustischen Auskleidung durch
die Länge
der Zellen bestimmt, die eine Größe von ¼ Wellenlänge haben müssen, und
so führt
dies zu einer übermäßig dicken und
schweren Auskleidung.
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Die
US-A-5979593 beschreibt ein Mehrfachsegment-Hybrid-Auskleidungssystem,
bei welchem die Neuverteilung der akustischen Energie durch einen
Abschnitt aktiver Steuerkomponenten veranlasst wird. Die aktiven
Steuerkomponenten überführen oder
streuen den Lärm
in Moden höherer
Ordnung, so dass ein weiteres Schallabsorptionssegment leichter
den neu verteilten Lärm
absorbieren kann. Dieses System hat jedoch den Nachteil eines zusätzlichen
komplexen Aufbaus, eines zusätzlichen
Gewichts, und es bestehen Probleme hinsichtlich der Zuverlässigkeit,
die solchen aktiven Steuersystemen zugeordnet sind.
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Die
GB-A-2038410 beschreibt eine akustische Auskleidung mit Helmholtz-Resonatoren und rohrförmigen Resonatoren,
die zwischen dem Stützblech
und dem Deckblech in Sandwich-Bauweise angeordnet sind. Die Enden
der rohrförmigen
Resonatoren stoßen
an den Helmholtz-Resonatoren an, aber sie sind akustisch hiervon
durch eine Scheidewand getrennt, so dass die rohrförmigen Resonatoren
voneinander in ihrer Resonanzfrequenz unterschieden sind, und zwar
gemäß jenem
Abschnitt der Scheidewand, der sie akustisch von den Helmholtz-Resonatoren
teilt. Die Scheidewand ist entweder stufenartig oder geneigt zwischen
dem Stützblech
und dem Deckblech angeordnet. Bei der stufenartigen Konfiguration
ist die akustische Auskleidung in der Lage, drei getrennte, schmale
Hochfrequenzbänder
statt ein breites Hochfrequenzband zu absorbieren. Diese Ausbildung
ist jedoch beschränkt auf
die Abschwächung
spezieller akustischer Frequenzen unter Benutzung speziell abgestimmter Auskleidungssegmente.
Außerdem
benutzt diese Konstruktion keine Modenstreuung, um die Abschwächung des
Schallfeldes zu verbessern.
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Daher
liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein akustisches
Auskleidungssystem zu schaffen, das in der Lage ist, breitbandig akustische
Frequenzen in einem passiven Auskleidungssystem abzuschwächen und
das mit geringen Kosten und niedrigem Gewicht verfügbar ist
und leicht gewartet werden kann und eine hohe Betriebssicherheit
aufweist.
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Demgemäß betrifft
die Erfindung ein passives akustisches Auskleidungssystem zur Abschwächung eines
Schallfeldes, welches in akustischer Folge ein Modenstreusegment
und ein Schallabsorptionssegment aufweist, wobei das Modenstreusegment
eine Reaktanz zwischen –12
und –2 ρc schafft und
das Schallabsorptionssegment eine Reaktanz zwischen –1 und 0 ρc schafft,
wodurch sich eine Reaktanz-Diskontinuität derart ergibt, dass die Modenstreuung
des Schallfeldes das Schallabsorptionssegment in die Lage versetzt,
weiter den gestreuten Schall zu absorbieren.
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Vorzugsweise
wird der Unterschied in der Reaktanz zwischen dem Schallabsorptionssegment und
dem Modenstreusegment durch eine Differenz in der Dicke der Segmente
erreicht.
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Stattdessen
kann die Differenz in der Reaktanz zwischen dem Schallabsorptionssegment
und dem Modenstreusegment erreicht werden, indem das Modenstreusegment
ein poröses
Material umfasst.
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Nachstehend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 ist
eine schematische Schnittansicht eines Fan-Mantelstrom-Gasturbinentriebs
mit einem passiven akustischen Auskleidungssystem gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
in größerem Maßstab gezeichnet eine
Ansicht des in 1 mit A bezeichneten Teils, das
eine Auskleidungskonfiguration nach dem Stand der Technik zeigt;
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3 ist
in größerem Maßstab gezeichnet ein
Schnitt des ersten Ausführungsbeispiels
des passiven akustischen Auskleidungssystems;
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4 ist
ein größerem Maßstab gezeichnet ein
Schnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels
des passiven akustischen Auskleidungssystems.
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1 zeigt
ein Fan-Mantelstrom-Gasturbinentriebwerk 10, das in axialer
Strömungsrichtung
einen Lufteinlass 12, einen Vortriebsfan 14, ein
Kerntriebwerk 18 und einen Kernschubdüsenaufbau 20 aufweist,
die sämtlich
um eine zentrale Triebwerksachse 22 herum angeordnet sind
und durch eine äußere im
Wesentlichen kreisringförmige
Mantelstromwand 17 umschlossen sind.
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Das
Kerntriebwerk 18 weist in axialer Strömungsrichtung hintereinander
mehrere Kompressoren 24, eine Verbrennungseinrichtung 26 und
eine Reihe von Turbinen 28 auf. Die Turbinen 28 sind
antriebsmäßig mit
den Kompressoren 24 und dem Vortriebsfan 14 verbunden.
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Die
Richtung der Luftströmung
durch das Triebwerk 10 im Betrieb ist durch den Pfeil A
gekennzeichnet. Die Luft wird durch den Lufteinlass 12 angesaugt
und durch den Fan 14 komprimiert und beschleunigt. Die
Luft, die vom Fan 14 ausgeht, wird zwischen einer Kerntriebwerksströmung und
einer Nebenschlussströmung
aufgeteilt. Die Kerntriebwerksströmung verläuft durch einen ringförmigen Aufbau
von Statorschaufeln 30 und tritt in das Kerntriebwerk 18 ein
und strömt
dann durch die Kompressoren 24 des Kerntriebwerks, wo die
Strömung
weiter komprimiert wird und gelangt in die Verbrennungseinrichtung 26,
wo die Luft mit Brennstoff vermischt wird, der dieser Luft zugesetzt
wird, und die Verbrennung erfolgt innerhalb der Verbrennungseinrichtung 26.
Durch Verbrennung des Brennstoffs, der mit der komprimierten Luft
von den Kompressoren 24 vermischt wurde, wird ein Gasstrom
hoher Energie und Geschwindigkeit erzeugt, der aus der Verbrennungseinrichtung 26 austritt
und stromab durch die Turbinen 28 strömt. Wenn Gasstrom hoher Energie
durch die Turbinen 28 strömt, dreht er die Turbinenrotoren und
diese ziehen Energie aus dem Gasstrom ab, die benutzt wird, um den
Fan 14 und die Kompressoren 24 über Triebwerkswellen 32 anzutreiben,
die antriebsmäßig die
Rotoren der Turbinen 28 mit den Kompressoren 24 und
dem Fan 14 verbinden. Nachdem der Gasstrom hoher Energie
aus der Verbrennungseinrichtung 26 durch die Turbinen 28 geströmt ist,
hat er noch eine beträchtliche
Energie und Geschwindigkeit und wird als Kernabgasstrom über den Kerntriebwerks- Schubdüsenaufbau 20 ausgeblasen, um
einen Vorwärtsschub
zu erzeugen. Der Rest der Luft aus dem Fan 14, die von
diesem beschleunigt wurde, strömt
innerhalb des Nebenstromkanals 34 rings um das Kerntriebwerk 18 herum
ab. Diese Nebenstromluftströmung,
die durch den Fan 14 beschleunigt wurde, fließt nach
einem Austritts-Nebenstromdüsenaufbau 16 ab
und wird als Nebenstromschubströmung
ausgeblasen, um einen weiteren Antriebsschub zu erzeugen, der in
der Praxis den Hauptteil des Vorwärtsschubes erzeugt. Der Fan 14 besteht
aus einem ringförmigen
Aufbau von Fanschaufeln 36, die von einer Fanscheibe 38 getragen werden.
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Der
Vortriebsfan 14 erzeugt ein Schallfeld, das durch den Einlasskanal 12 hindurch
und schließlich
aus diesem heraus wandert. Das Schallfeld kann als eine Summierung
von modalen sich drehenden Druckmustern charakterisiert werden,
die aus dem Fan 14 austreten. Wenn diese Lärmmuster
oder Lärmmoden
durch den Einlass 12 fortschreiten, dann bewirken die akustischen
Auskleidungen 40, die im Wesentlichen rings um den Umfang
der radial inneren Wand des Einlasses 12 angeordnet sind,
eine gewisse Abschwächung
des Schallfeldes.
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Herkömmliche
akustische Auskleidungen 40, wie diese in 2 dargestellt
sind, bestehen aus Sandwichplatten, die im typischen Fall aus einer Schicht
von Zellen 42 bestehen, die durch ein undurchlässiges Blech 44 abgestützt sind
und ein poröses
Deckblech 46 aufweisen, das dem Schallfeld ausgesetzt wird.
Es ist üblich,
dass die Zellen 42 eine Honigwabenbauart aufweisen, wobei
die Zellen offen sind und normal zur Hauptebene des Deckbleches 46 stehen.
Jedoch können
auch anders geformte Zellen, beispielsweise im Querschnitt kreisförmige oder quadratische
Zellen, benutzt werden, die eine ähnliche Wirkung haben. Weiter
können
die Zellen relativ zur Ebene des Deckbleches im Winkel angestellt sein,
wodurch ihre Länge
relativ zur Gesamtdicke der Auskleidung 40 vergrößert wird.
Es ist auch bei passiven akustischen Auskleidungen 40 bekannt,
zwei oder mehrere Schichten aus Honigwabenzellen 42 vorzusehen,
wobei jede Schicht von der nächsten durch
ein weiteres undurchlässiges
Blech oder Blatt 44 getrennt ist.
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Wenn
die Lärmdruckmuster
an den akustischen Auskleidungen 40 vorbeistreichen, dann
wird die Luft durch das poröse
Deckblech 46 in die Zellen 42 gedrückt, wodurch
die akustische Energie als Wärme
verteilt wird. Die radiale Dicke der Schicht aus Honigwabenzellen 42 bestimmt
die Spitzenabsorptionsfrequenz. Die Gesamtimpedanz einer akustischen
Auskleidung 40 ist eine komplexe Zahl, die in einen Realteil,
die Resistanz, und einen Imaginärteil, die
Reaktanz, aufgeteilt ist. Für
diese Art einer akustischen Auskleidung 40 wird die Resistanz
primär durch
die Porosität
des Deckbleches 46 bestimmt, und die Dicke der Honigwabenzellen 42 bestimmt
im Wesentlichen die Reaktanz, die eine Funktion der erzeugten Lärmfrequenz
ist.
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Das
passive akustische Auskleidungssystem 50 gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst in akustischer Folge stromab ein Modenstreusegment 48 und
ein Schallabsorptionssegment 40. Für diese spezielle Anwendung
der vorliegenden Erfindung ist das Modenstreusegment 48 so
ausgebildet, dass die Abschwächung
des Schalls bei Frequenzen erfolgt, die in der Nähe der Fanschaufel-Durchtrittsfrequenz liegen
(BPF), die bei einer hohen Triebwerksleistungs-Betriebsbedingung erzeugt werden und
die bei diesem speziellen Ausführungsbeispiel
im Bereich von 1500 Hz liegen. Das Modenstreusegment 48 ist in
spezieller Weise so ausgebildet, dass der Lärm im Bereich von 1500 Hz gestreut
oder neu verteilt wird, jedoch ist es auch möglich, den Lärm im Bereich
zwischen 750 Hz und 3000 Hz zu streuen.
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Die
vorliegende Erfindung, die in größerem Maßstab in 3 dargestellt
ist, wird durch die spezielle Anordnung des akustischen Auskleidungssystems
realisiert, wodurch eine Diskontinuität einer Reaktanz zwischen dem
Modenstreusegment 48 und dem Schallabsorptionssegment 40 derart
geschaffen wird, dass eine Modenstreuung des Schallfeldes die Möglichkeit
schafft, dass das Schallabsorptionssegment weiter den gestreuten
Schall absorbiert. Allgemein umfasst das passive akustische Auskleidungssystem
zur Abschwächung
des Schallfeldes das Modenstreusegment, das eine Reaktanz zwischen –12 und –2 ρc aufweist,
und das Schallabsorptionssegment besitzt eine Reaktanz zwischen –1 und 0 ρc. Bei diesem
speziellen Ausführungsbeispiel
umfasst das Modenstreusegment 48 eine niedrige negative Reaktanz
von etwa –5 ρc und das
Schallabsorptionssegment 40 besitzt eine Reaktanz von etwa
0,5 ρc.
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Die
Impedanz eines jeden Auskleidungssegmentes 40, 48 bestimmt
die Verteilung der akustischen Energie in hohen und niedrigen Modenordnungen,
die in jedem Segment fortschreiten. Durch Einführen einer großen Diskontinuität in der
Reaktanz an der Zwischenfläche
zwischen der streuenden und der absorbierenden Auskleidung werden
die Modenformen auf verschiedenen Seiten der Diskontinuität fehlangepasst,
was bewirkt, dass die Energie in den Moden niedriger Ordnung auf
die höheren
Moden umverteilt wird, die dann stärker in dem Schallabsorptionssegment 40 abgeschwächt werden.
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Für den Fachmann
ist es klar, dass die Reaktanz X wie folgt definiert ist:
dabei ist f die Frequenz
des Schallfeldes; t ist die Dicke oder Tiefe der Zellschicht; c
ist die Schallgeschwindigkeit und ρ ist die Luftdichte. Die Gleichung ist
nur eine Näherungsgleichung,
da sie nicht die Wirkungen der Trägheit des Deckblattes berücksichtigt.
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Es
ist ersichtlich, dass es zwei Parameter gibt, die proportional zur
Reaktanz eines passiven Auskleidungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung
sind. Erstens wird der Unterschied in der Reaktanz zwischen dem
Schallabsorptionssegment und dem Modenstreusegment durch unterschiedliche
Dicke (t) der Segmente erreicht. Zweitens wird die Differenz in
der Reaktanz durch das Modenstreusegment erreicht, das wirksam die
Geschwindigkeit des Schalls (M) ändert,
wenn die akustische Energie auf das Modenstreusegment auftrifft
und durch dieses hindurchgeleitet wird.
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Bei
einem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung beträgt
die radiale Dicke des Modenstreusegmentes 48 etwa 7 mm
für diese
einlagige Konfiguration. Das Schallabsorptionssegment 40 ist
so ausgebildet, dass Breitbandlärm
abgeschwächt
wird (der durch verschiedene Triebwerks-Betriebsbedingungen erzeugt wurde und
einen entsprechend breiten Bereich von Lärmmoden aufweist), der im Bereich
von 500 Hz bis 5000 Hz liegt. Die radiale Dicke des Schallabsorptionssegments 40 beträgt etwa
28 mm. Bei diesem Ausführungsbeispiel
entspricht die Dicke ¼ Wellenlänge bei einer
Frequenz von etwa 3000 Hz. Das Modenstreusegment 48 und
das Schallabsorptionssegment 40 weisen jeweils gleiche
Sandwichplatten-Konstruktionen auf, wie dies im Folgenden beschrieben
wird.
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Das
Modenstreusegment 48, das dem Fan am Nächsten liegt, ist so ausgebildet,
dass es eine negative Reaktanz von etwa –5 ρc hat. Das akustisch stromabwärtige Schallabsorptionssegment 40 besitzt eine
Reaktanz von etwa –0,5 ρc, und dies
ist typisch für
gegenwärtig
gebräuchliche
Absorptions-Auskleidungsausbildungen. Die Resistanz der beiden Segmente
beträgt
2,5 ρc,
aber im typischen Fall kann das passive akustische Auskleidungssystem
eine Resistanz zwischen 1 und 4 ρc
aufweisen.
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Die
(axiale) Länge 56 des
Modenstreusegments 48 beträgt 313 mm und die (axiale)
Länge des Schallabsorptionssegmentes 40 beträgt 1020
mm. Es ist zweckmäßig, dass
das Modenstreusegment 48 etwa 30% der Gesamtlänge des
Auskleidungssystems 50 einnimmt. Bei anderen Anwendungen
jedoch kann das Modenstreusegment 48 eine Länge zwischen
10 und 40% der Gesamtlänge
des Auskleidungssystems 50 haben. Die relativen Längen der Segmente
werden, basierend auf einer Optimierung des erforderlichen Streubetrages
und der folgenden Absorption, bestimmt, wobei auch andere Betriebsgeschwindigkeiten
des Triebwerks berücksichtigt werden,
die andere Moden erzeugten.
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Bei
den unter Bezugnahme auf ein Flugtriebwerk beschriebenen Frequenzen
hat das poröse Deckblech 46 eine
Porosität
von 9%, aber es kann auch in einem Bereich zwischen 6 und 12% Porosität liegen.
Stattdessen könnte
die gewünschte
Deckblechresistanz erreicht werden durch Benutzung eines Metallgewebes
oder einer Siebplatte, die an einem Trägerblech festgelegt ist.
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Bei
Anwendungen für
Flugtriebwerke oder dergleichen hat, um die Vorteile der vorliegenden
Erfindung zu verwirklichen, das Schallabsorptionssegment 40 eine
(radiale) Dicke, die wenigstens doppelt so groß ist wie die Dicke des Modenstreusegmentes 48.
Außerdem
weist das Modenstreusegment 48 eine Dicke zwischen 10%
und 50% der Dicke des Schallabsorptionssegmentes 40 auf.
Bei derartigen Anwendungen, wo der Raum begrenzt ist und ein Kompromiss
geschlossen werden muss, wird eine gute Lärmabschwächung erreicht, wenn das Schallabsorptionssegment
eine Dicke zwischen 20 mm und 50 mm hat, während das Modenstreusegment
eine Dicke zwischen 5 mm und 10 mm aufweist. Das akustische Auskleidungssystem
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Schallabsorptionssegment
eine Länge
zwischen der zweifachen Länge
und der zehnfachen Länge des
Modenstreusegmentes hat.
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In 4 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung dargestellt. Hier wird der Unterschied in
den Reaktanzen durch das Modenstreusegment 48 erreicht,
das wirksam die Geschwindigkeit des Schalls (M) ändert, wenn die akustische
Energie auf das Modenstreusegment 48 auftrifft und durch
dieses hindurchläuft.
Dieses Ausführungsbeispiel
enthält
ein Faserstoffmaterial 60 anstelle der Zellenstruktur 42 des
ersten Ausführungsbeispiels.
Obgleich das Faserstoffmaterial die Reaktanz ändert, steigt die Geschwindigkeit
des Schalls auch an, und dieses bedeutet wiederum, dass die Dicke
der Auskleidung erhöht
wird. Dies ist insbesondere vorteilhaft insofern, als die Dicke
des Modenstreusegmentes 48 und des Schallabsorptionssegmentes 40 so
ausgebildet werden können,
dass beispielsweise eine Anpassung bei einem nachträglichen
Einbau erfolgen kann.
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Dieses
zweite Ausführungsbeispiel
kann auch durch Benutzung von zahlreichen anderen für Schall
porösen
Materialien durchgeführt
werden, beispielsweise in Verbindung mit Schäumen und leichten Sintermaterialien.
