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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Schalldämpfer für ein Lufteinlaßsystem
oder ein Auspuffsystem.
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Die
vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf ihre Verwendung bei einem
Lufteinlaßsystem
oder einem Auspuffsystem eines Verbrennungsmotors in einem Automobil
beschrieben werden. Allerdings sollte der erfindungsgemäße Schalldämpfer nicht
als auf eine solche Verwendung beschränkt betrachtet werden, und
es sollte verstanden werden, daß die
Erfindung zur Schalldämpfung
in vielen Gasflußsystemen (z.B.
Klimaanlagensystemen, Fahrzeugheizsystemen, Lüftungssystemen oder häuslichen
Anwendungen), in vielen Lufteinlaßsystemen oder in vielen Auspuffsystemen
verwendet werden könnte.
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Es
ist momentan die allgemein akzeptierte Praxis bei der Schalldämpfung in
Lufteinlaßsystemen von
Verbrennungsmotoren in Automobilen, an die Lufteinlaßleitung
an verschiedenen Stellen entlang der Leitung Helmholtz-Resonatoren und Viertelwellenrohrresonatoren
anzubringen, wobei jeder Resonator eine getrennte Einheit ist und
eine Anzahl verschiedener Einheiten an die Lufteinlaßleitung
entlang deren Länge
angeschlossen sind. Eine Summierung der Volumina der getrennten
Resonatoren ergibt typischerweise ein Gesamtvolumen von 12 Litern.
Die verschiedenen Resonatoren sind typischerweise um den Motorraum
herum verteilt.
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In
US-Patent Nr. 5014816 ist ein Schalldämpfer für ein Lufteinlaßsystem
oder ein Auspuffsystem eines Verbrennungsmotors beschrieben, welcher
eine Anzahl von Viertelwellenresonatorrohren umfaßt, die
durch mehrere in einem einzigen Gehäuse angeordnete Kanäle bereitgestellt
sind. Das System weist gegenüber
bestimmten Systemen des Stands der Technik den Vorteil auf, daß es einen kompakteren
Aufbau aufweist als die früheren
Systeme des Stands der Technik. Allerdings weist die Anordnung der
US-A-5014816 den Nachteil auf, daß zur Dämpfung niedriger Frequenzen
sehr lange Viertelwellenrohre verwendet werden müssen. Daher muß der Entwerfende
entweder ein ziemlich großes
Gehäuse
entwerfen, um ein langes Viertelwellenrohr aufzunehmen, oder alternativ
muß der
Entwerfende akzeptieren, daß das
Einlaßsystem
die niedrigeren Frequenzen nicht dämpfen wird.
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Die
vorliegende Erfindung stellt nach einem ersten Aspekt einen Schalldämpfer für ein Lufteinlaßsystem
oder ein Auspuffsystem bereit, umfassend ein Gehäuse mit:
einem Gaseinlaß,
einem
Gasauslaß,
einem
ersten Gasflußdurchgang
innerhalb des Gehäuses,
welcher den Gaseinlaß mit
dem Gasauslaß verbindet,
und einem Viertelwellenresonatorrohr innerhalb des Gehäuses, welches
zum ersten Gasflußdurchgang
hin offen ist, worin: das Gehäuse
ein Formteil mit einer Basis und offene Kanäle aufweist, welche auf der
Basis durch von der Basis sich senkrecht erstreckende Seitenwände gebildet
sind; und das Gehäuse
eine Mehrzahl von Trennwänden
aufweist, welche die Seitenwände
des Formteils umfassen und den ersten Gasflußdurchgang und das Viertelwellenresonatonohr
teilweise definieren,
dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb
des Gehäuses
zusätzlich
ein durch die Trennwände
des Gehäuses
teilweise definierter Helmholtz-Resonator
vorgesehen ist, wobei der Helmholtz-Resonator zum ersten Gasflußdurchgang
hin offen ist, wobei der Helmholtz-Resonator und das Viertelwellenresonatorrohr gemeinsam
in einer einzigen Einheit integriert sind und die einzige Einheit
an das Einlaßsystem
oder das Auspuffsystem anschließbar
und von ihm trennbar ist.
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Das
Gehäuse
des Schalldämpfers
weist einen Helmholtz-Resonator auf, der Schall niedriger Frequenz
dämpfen
kann. Die vorliegende Erfindung besitzt somit den Vorteil, daß sie in
einem Gehäuse in
einer kompakten Weise alle Elemente bereitstellt, die zur Dämpfung von
Schall des Lufteinlaßsystems oder
des Auspuffsystems erforderlich sind. Daher wird das Gehäuse kein
sehr langes Viertelwellenrohr zur Dämpfung von Schall niedriger
Frequenz benötigen.
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Ein
Helmholtz-Resonator weist gegenüber einem
Viertelwellenrohrresonator bei der Dämpfung von Schall niedriger
Frequenz beträchtliche
Vorteile auf. Während
das Volumen eines Helmholtz-Resonators zur Dämpfung beispielsweise von Schall
der Frequenz 100 Hz 2,4 Liter betragen wird, und das Volumen eines
Viertelwellenrohrs zur Dämpfung
von Schall der gleichen Frequenz weniger sein wird, wird das Viertelwellenrohr
somit schwieriger unterbringen zu sein als der Helmhotz-Resonator.
Ferner wird der Helmholtz-Resonator eine besser definierte Schalldämpfungs-Frequenzbandbreite
bereitstellen als ein Viertelwellenresonatorrohr.
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Die
JP-A-6264838 beschreibt einen Schalldämpfer für ein Einlaßsystem, welcher aus zwei Formteilen
gebildet ist. Der Dämpfer
bildet in Form und Aufbau eine gewöhnliche Anordnung eines Gasflußdurchgangs
mit einem Seitenzulauf-Helmholtz-Resonator und einem Seitenzulauf-Viertelwellenresonatorrohr
nach. Der Helmholtz-Resonator und das Viertelwellenresonatorrohr
sind voneinander beabstandet und durch einen flexiblen Rohrabschnitt getrennt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen Schalldämpfer als eine vollständig integrierte
Einheit bereit, die mehrere Vorteile aufweist. Zunächst tritt
entlang des integrierten Dämpfers
ein geringerer Druckverlust auf, als entlang eines Systems des Stands
der Technik auftreten würde,
welches ähnliche
Dämpfung
mit getrennten Resonatoren bereitstellt, die entlang des gesamten
Lufteinlaßsystems
verteilt sind. Dies führt
zu einer erhöhten
Effizienz des stromabwärtigen
Verbrennungsmotors. Zweitens hat der Anmelder festgestellt, daß ein System
des Stands der Technik mit einem Gesamtresonatorvolumen von 12 Litern,
das aus getrennten Resonatoren gebildet ist, die entlang des gesamten
Lufteinlaßsystems
verteilt sind, durch einen erfindungsgemäßen Schalldämpfer ersetzt werden kann,
der ein Volumen im Bereich von 6 bis 10 Litern und vorzugsweise
ungefähr
7 Liter aufweist, während
tatsächlich
die Dämpfungseigenschaften
verbessert sind, mit einer Abnahme von 74 dB auf 71 dB bei Vorbeifahrlärm (ein
Lärm, der
durch einen durch die Gesetzgebung vorgeschriebenen Standardtest
gemessen ist, umfassend die Messung des Lärms in 7,5 Metern Abstand von
einem Fahrzeug). Um die geforderte 3 dB-Verringerung des Vorbeifahrlärms zu erzielen,
ist eine Verringerung des Einlaßbeitrags
zu diesem Lärm
um 8 dB erforderlich. Da die dB-Messung eine Messung auf einer logarithmischen
Skala ist, stellt die 3 dB-Abnahme grob eine Halbierung des Lärms dar.
Das verringerte Gesamtvolumen des Schalldämpfungssystems weist ferner den
Vorteil eines verringerten Gewichts des Systems und verringerter
Kosten des Systems auf. Der erfindungsgemäße Schalldämpfer kann die gleiche (und üblicherweise
bessere) Schalldämpfung
erzielen als das verteilte System des Stands der Technik mit einem
verringerten Gesamtvolumen; dies beruht auf einem synergistischen
Schallauslöschungseffekt beim
gemeinsamen Einschließen
eines Helmholtz-Resonators
zusammen mit Viertelwellenrohrresonatoren in einem Gehäuse.
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Die
Bereitstellung eines vollständigen Schalldämpfersystems
als eine einzige Einheit erlaubt die Gestaltung des Schalldämpfers derart,
daß er
den Unterbringungsbedingungen einer speziellen Anwendung am besten
entspricht. Beispielsweise könnte
der Schalldämpfer
im Hinblick auf eine doppelte Verwendung gestaltet werden, wobei
die Einheit beispielsweise sowohl als Schalldämpfer als auch als Radlaufverkleidung,
sowohl als Schalldämpfer
als auch als Motorhaubenverkleidung oder sowohl als Schalldämpfer als
auch als Teil einer Automobil-Stoßstange dient.
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Die
Bereitstellung eines vollständigen Schalldämpfungssystems
in einer Einheit ermöglicht ferner
eine Verringerung des Lärms
durch erleichterten Anschluß der
Einheit an den Rest eines Fahrzeugs mittels Isolatoren, beispielsweise
Gummiisolatoren. In der Vergangenheit konnte jede der getrennten
Komponenten des Schalldämpfersystems üblicherweise
klappern, und es war sehr schwierig und teuer, jede getrennte Komponente
an den Rest beispielsweise eines Automobils anzuschließen, um Schallerzeugung
zu vermeiden. Die Mehrzahl der Wände
im erfindungsgemäßen Schalldämpfer erlaubt
auch seine steife Gestaltung, was dazu beiträgt, Vibrationslärm gering
zu halten.
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Die
Positionierung der Mehrzahl verteilter Resonatoren der Systeme des
Stands der Technik war durch Unterbringungserfordernisse beschränkt und
derart gewählt,
daß die
Positionierung eines Viertelwellenrohrs oder eines Helmholtz-Resonators im Lufteinlaßsystem
die Auslöschung
einer bestimmten Frequenz durch den Resonator optimierte. Allerdings
wurde entgegen der anerkannten Praxis gefunden, daß der Nachteil
einer Anbringung aller Resonatoren gemeinsam an einem Punkt im Lufteinlaßsystem
nicht wesentlich ist und durch die Vorteile der vorliegenden Erfindung
kompensiert wird.
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Es
wurde fesgestellt, daß die
Bereitstellung eines Helmholtz-Resonators mit einem Einlaßdurchgang
mit nicht-kreisförmigem
(und vorzugsweise rechteckigem) Axialquerschnitt, insbesondere in
Verbindung mit Resonatorrohren mit nicht-kreisförmigem (und vorzugsweise rechteckigem)
Axialquerschnitt besonders vorteilhaft ist. Bei Verwendung kreisförmiger Querschnitte
sind die Schalldämpfungseigenschaften
gut, allerdings neigt eine stehende Welle dazu, sich im Gasflußrohr durch
den Schalldämpfer
hindurch auszubilden. Vorteilhafterweise haben die Anmelder entdeckt,
daß die
Wellenform der stehenden Welle durch Verwendung nicht-kreisförmiger Axialquerschnitte
variiert werden kann.
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Gemäß einem
Aspekt weist die vorliegende Erfindung zwei oder mehr Gasflußdurchgänge durch das
Gehäuse
auf, die vorteilhaft sein können,
da unterschiedliche Schlankheitsverhältnisse (d.h. die Verhältnisse
zwischen den Querschnittsflächen
der Gasflußdurchgänge und
der Querschnittsflächen
der Resonatoren) für
jeden Gasflußdurchgang
gewählt
werden können,
was eine bessere Abstimmung des Schalldämpfers erlaubt.
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Zur
Verstärkung
der Schallauslöschung
kann schalltötendes
Material in die Gehäusewände eingebaut
sein.
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Wenn
genaue Toleranzen erforderlich sind, ist Spritzgußfertigung
von Resonatorteilen bevorzugt, da Spritzguß ein genaues Formverfahren
ist (beispielsweise genauer als Blasformen). Im Formverfahren könnte Polypropylen
verwendet werden.
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In
Abhängigkeit
von der Anwendung und der erforderlichen Qualität der Schallauslöschung kann die
Zahl der Resonatoren in einem Gehäuse von einem Minimum aus einem
Helmholtzresonator und einem Viertelwellenrohrresonator aufwärts bis
zu jeder beliebigen Zahl beider Resonatoren variieren. Die Gestaltung
der Resonatoren kann ebenso in Abhängigkeit von Unterbringungserfordernissen
und Schalloptimierung variieren.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben werden, in denen:
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1 eine
Seitenansicht einer ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Schalldämpfers ist;
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2 ein
Querschnitt durch den Schalldämpfer
aus 1 entlang der Linie A-A' in Richtung der Pfeile ist;
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3 eine
schematische dreidimensionale Ansicht einer zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Schalldämpfers ist;
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4 eine
schematische dreidimensionale Ansicht einer dritten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Schalldämpfers ist;
und
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5 eine
schematische Ansicht einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schalldämpfers ist.
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In 1 ist
ersichtlich, daß der
erfindungsgemäße Schalldämpfer eine
einzige Einheit ist, die ein Gehäuse 10 umfaßt, welches
ein geformtes Kunststoffgehäuse
ist. Das Gehäuse 10 besitzt
eine maximale Tiefe von 100 mm. Man sieht, daß das Gehäuse 10 eine Einlaßöffnung 13 aufweist.
Diese Öffnung 13 könnte ein
Einlaß für Luft in
einem Lufteinlaßsystem
eines Verbrennungsmotors sein. Alternativ könnte die Öffnung ein Einlaß für Abgase
sein, wenn der Schalldämpfer
in einem Auspuffsystem eines Automobils angeschlossen ist, in welchem
Fall das Gehäuse 10 aus
Metall oder einem anderen hitzebeständigen Material gefertigt wäre.
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In 2 zeigt
die Querschnittsansicht des Gehäuses,
daß das
Gehäuse
einen ersten Gasflußdurchgang 12 aufweist,
der durch das Gehäuse 10 hindurch
von der Einlaßöffnung 13 zu
einer Auslaßöffnung 11 verläuft. Im
Betrieb kann das Gehäuse 10 derart
angeschlossen sein, daß die
Einlaßöffnung 13 an
einen Luftfilter und die Auslaßöffnung 11 an
einen Einlaßkrümmer für einen
Verbrennungsmotor angeschlossen ist, beispielsweise in einem Automobil.
Alternativ kann das Gehäuse 10 im
Betrieb in einem Auspuffsystem eines Automobils angeschlossen sein,
so daß die
Einlaßöffnung 13 an
ein Rohr angeschlossen ist, das zum Auspuffkrümmer des Verbrennungsmotors
führt,
und die Auslaßöffnung 11 an
ein Rohr angeschlossen ist, welches Verbrennungsgase an die Umgebung
abläßt.
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Das
Gehäuse 10 wird
aus zwei Teilen 10A und 10B gebildet sein (siehe 1).
Die Teile sind jeweils durch einfache Spritzgußarbeiten gefertigt. Spritzguß weist
den Vorteil auf, daß er
Teile mit feineren Toleranzen erzeugt, als sie in einigen anderen Formtechniken
(beispielsweise Blasformen) erzielbar sind. Die Teile 10A und 10B könnten aus
Polypropylen oder aus einem Material auf Nylonbasis geformt sein,
welches (während
es teurer ist) zu einem steiferen, weniger vibrationsanfälligen Aufbau
führen
würde.
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Das
Teil 10A ist mit einer Anzahl von Abteilungen gebildet,
so daß beim
Zusammenfügen
der beiden Teile 10A und 10B des Gehäuses 10 die
beiden Teile zusammen Rohre und Hohlräume definieren, wie nun beschrieben
werden wird. Die größte Abmessung
des Gehäuses 10 beträgt 540 mm.
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In 2 ist
ersichtlich, daß das
Gehäuse 10 ein
erstes Viertelwellenresonatorrohr 14 umfaßt, welches
das längste
Viertelwellenresonatorrohr im Gehäuse 10 ist. Das Viertelwellenresonatorrohr 14 ist
an seinem Ende 15 zum ersten Gasflußdurchgang 12 hin
offen. Das Viertelwellenresonatorrohr 14 ist L-förmig und
erstreckt sich entlang zwei Seiten des Gehäuses 10.
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Ebenso
ist im Gehäuse 10 ein
kürzeres
Viertelwellenresonatorrohr 16 vorgesehen, und dieses Rohr
weist ein zum ersten Durchgang 12 hin offenes Ende 17 auf.
Wenn Luft oder Abgas durch den ersten Durchgang 12 hindurch
von der Einlaßöffnung 13 zu der
Auslaßöffnung 11 fließt, fließt das Gas
nacheinander zuerst an der Öffnung 15 des
Viertelwellenrohrs 14 und dann am Ende 17 des
Viertelwellenrohrs 16 vorbei.
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Das
Gas, welches am Ende 17 des Viertelwellenresonatorrohrs 16 vorbeigeflossen
ist, fließt
als nächstes
am Ende 22 eines Helmholtz-Resonators 18 vorbei.
Der Helmholtz-Resonator 18 umfaßt einen Einlaßdurchgang 20,
der sich in einen Hohlraum 21 hinein erstreckt. Sowohl
der Einlaßdurchgang 20 als auch
der Hohlraum 21 sind durch die Gestalt der beiden Teile 10A und 10B des
Gehäuses 10 beim
Zusammenbringen der beiden Teile 10A und 10B definiert.
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Nachdem
das Gas am offenen Ende 22 des Rohrs 20 vorbeigeflossen
ist, fließt
das Gas an einem offenen Ende 24 eines Viertelwellenresonatorrohrs 23 vorbei.
Wie in 2 ersichtlich, ist das Viertelwellenrohr 23 L-förmig und
erstreckt sich zuerst rechtwinklig zum ersten Durchgang 22 und
ist dann um 90° gebogen,
so daß es
parallel zum Endabschnitt des Viertelwellenresonatorrohrs 14 liegt.
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Nachdem
das Gas am offenen Ende 24 des Viertelwellenresonatorrohrs 23 vorbeigeflossen
ist, fließt
das Gas als nächstes
an einem offenen Ende 28 eines Helmholtz-Resonators 25 vorbei.
Der Helmholtz-Resonator 25 umfaßt einen Einlaßdurchgang 26,
der sich in einen Hohlraum 27 hinein öffnet, wobei der Einlaßdurchgang 26 und
der Hohlraum 27 beide durch die Gestalt der beiden Teile
des Gehäuses 10 definiert
sind.
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Das
entlang dem ersten Durchgang 12 fließende Gas fließt, nachdem
es am offenen Ende 28 des Helmholtz-Resonators 25 vorbeigeflossen
ist, als nächstes
am offenen Ende des kürzesten
Viertelwellenresonatorrohrs 29 vorbei. Das Viertelwellenresonatorrohr 29 ist
definiert, wenn die zwei Teile 10A und 10B des
Gehäuses 10 zusammengefügt werden.
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Bevor
das entlang dem ersten Durchgang 12 fließende Gas
den Auslaß 11 erreicht,
fließt
es zuletzt an einem offenen Ende 32 eines Viertelwellenresonatorrohrs 31 vorbei.
Während
die Viertelwellenresonatorrohre 14, 16, 23 und 29 an
einer Seite des Gasflußdurchgangs 12 liegen,
liegt das Viertelwellenresonatorrohr 31 an der entgegengesetzten
Seite des Gasflußdurchgangs 12,
jedoch in der gleichen Ebene.
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In 2 ist
ebenfalls eine im Gehäuse 10 definierte
entfernbare Platte 33 gezeigt. Das Gehäuse 10 ist dazu ausgelegt,
im Betrieb oben auf einem Verbrennungsmotor positioniert zu sein,
und die entfernbare Platte 33 kann entfernt werden, um
Zugriff auf einen unter dem Gehäuse 10 liegenden Öleinfülldeckel
zu erlauben.
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Es
wird gewürdigt
werden, daß der
erfindungsgemäße Schalldämpfer wirtschaftlich
hergestellt werden kann, da nur zwei verschiedene Formteile hergestellt
werden müssen,
wobei diese dann zusammengefügt
werden, um das Gehäuse
mit den Viertelwellenresonatorrohren und den Helmholtz-Resonatoren zu bilden,
welche im Gehäuse
durch eine Reihe von Abteilungen definiert sind, die während des
Formverfahrens eines Teils 10A des Gehäuses 10 gebildet sind,
welche mit dem anderen Teil 10B des Gehäuses 10 zusammenwirken,
um die Resonatoren zu bilden. Die Teile 10A und 10B besitzen
nicht die gleiche Größe, und
man kann in 1 sehen, daß das Teil 10A vier
Fünftel
der Gesamttiefe des Gehäuses 10 besetzt,
und das Teil 10B das andere Fünftel.
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Die
Figuren zeigen nicht vollständig
die Tatsache, daß die
Tiefe der Helmholtz-Resonatoren
größer ist
als die Tiefe der Viertelwellenresonatorrohre. Die entgegengesetzten
Oberflächen
der beiden Teile 10A und 10B des Gehäuses 10 werden
jeweils eine komplizierte dreidimensionale Gestalt aufweisen, die derart
ausgelegt ist, daß die
Viertelwellenresonatorrohre und die Helmholtz-Resonatoren die erforderlichen dreidimensionalen
Gestalten aufweisen, wenn die beiden Teile 10A und 10B des
Gehäuses 10 zusammengebracht
und miteinander verbunden werden. Der Boden jedes der Helmholtz-Resonatoren 18 und 25 (wie
in 2 zu sehen) wird flach sein.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
weisen die Viertelwellenresonatorrohre jeweils einen annähernd rechteckigen
Axialquerschnitt auf, wobei die Ecken des rechteckigen Axialquerschnitts
abgerundet sind. Ebenso weisen die Einlaßdurchgänge 20 und 26 der
Helmholtz-Resonatoren 21 und 27 ungefähr rechteckige
Axialquerschnitte auf, wobei die Ecken der Axialquerschnitte abgerundet
sind.
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Es
ist festgestellt worden, daß es
erstaunlich wichtig ist, nicht-kreisförmige Axialquerschnitte zu haben.
Während
kreisförmige
Axialquerschnitte vernünftige
Schalldämpfung
erzielen, kann sich im Gasflußdurchgang 12 eine
stehende Welle bilden, welche beträchtlich zu Lärmpegeln
beitragen kann. Die Wellenform der stehenden Welle im Gasflußdurchgang 12 kann
durch Auswahl nicht-kreisförmiger (und
vorzugsweise rechteckiger) Axialquerschnitte mit einer resultierenden
Lärmverringerung
verändert werden.
Die Axialquerschnitte könnten
eine ovale, sechseckige oder jede andere nicht kreisförmige Gestalt
aufweisen, aber es ist bevorzugt, daß die kleinste Abmessung des
Querschnitts parallel zur Achse des Gasflußdurchgangs 12 liegt.
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Die
genauen Abmessungen der Viertelwellenresonatorrohre und der Helmholtz-Resonatoren sowie
die Gestaltung der Resonatoren wird für eine bestimmte Anwendung
gewählt
werden, wobei man das zu dämpfende
Frequenzspektrum des Gasflusses berücksichtigt.
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Für ein für ein Lufteinlaßsystem
verwendetes Viertelwellenrohr kann die Grundgleichung f = C/4L verwendet
werden (eine sehr vereinfachte Gleichung, die beispielsweise Temperatur-
und Endeffekte vernachlässigt),
um ausgewählte
Längen
zu berechnen (obwohl kompliziertere mathematische Modelle bevorzugt
werden), wobei f die eingestellte Frequenz ist, C die ungefähre Schallgeschwindigkeit
in Luft bei 20°C
ist und L die Länge
der Mittellinie des Kanals ist. Bei einer Mittellänge von
0,6 Metern ist beispielsweise f = 340/2,4 und f = 141 Hertz. Bei
einer Mittellänge
von 0,45 Metern ist f = 340/1,8, in anderen Worten f = 189 Hertz.
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Bei
einem Helmholtz-Resonator werden die Abmessungen des Rohrs und des
Hohlraums, die den Helmholtz-Resonator bilden, derart eingestellt, daß bestimmte
Frequenzen gedämpft
werden. Für ein
Lufteinlaßsystem
erfolgt dies unter Verwendung der Grundgleichung f = C/2π√ (A/LV)
(eine sehr vereinfachte Gleichung, die beispielsweise Temperatur- und
Endeffekte vernachlässigt),
wobei f die eingestellte Frequenz ist, C die Schallgeschwindigkeit
in Luft ist, A die Querschnittsfläche des zum Hohlraum führenden
Rohrs ist, L die Länge
des zum Hohlraum führenden
Rohrs ist und V das Volumen des Hohlraums ist. In der Praxis wäre ein komplizierteres
mathematisches Modell bevorzugt.
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Beispielsweise
könnte
das Rohr 20 eines Helmholtz-Resonators 18 mit
einer Länge
von 100 mm und einer Querschnittsfläche von 1256 mm2 gewählt werden.
Der Hohlraum 21 könnte
mit einem Volumen von 1,47 Litern gewählt werden. In diesem Fall wäre die eingestellte
Frequenz 141 Hertz. Das Rohr 26 des Helmholtz-Resonators 25 könnte mit
einer Länge
von 45 mm und einer Querschnittsfläche von 1256 mm2 gewählt werden.
Das Volumen des Hohlraums 27 des Helmholtz-Resonators 25 könnte bei 1,40
Litern gewählt
werden. In diesem Fall wäre
die eingestellte Frequenz 191 Hertz.
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Bei
sorgfältiger
Betrachtung der zwei Gleichungen zur Berechnung der Frequenz f kann
man sehen, daß während zur
Dämpfung
niedriger Frequenzen für
einen Viertelwellenresonator eine lange Länge erforderlich ist, die Länge des
Rohrs des äquivalenten
Helmholtz-Resonators ziemlich kurz gemacht werden kann, da die Frequenz
stark von der Fläche
und Länge
des Rohrs und dem Volumen des Helmholtz-Resonators abhängt. Ein
Rohr mit einer kleinen Fläche
und ein Hohlraum mit einem großen Volumen
können
zur Dämpfung
niedriger Frequenzen gewählt
werden ohne das Problem, ein sehr langes Viertelwellenresonatorrohr
im Gehäuse
des Schalldämpfers
unterbringen zu müssen.
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Die
oben gegebenen Gleichungen sind nur die Grundgleichungen für die Resonatoren,
die ausschließlich
gegeben sind, um die verschiedenen Eigenschaften von Helmholtz-
und Viertelwellenresonatoren zu zeigen. Die genauen Einstellfrequenzen hängen von
vielen Faktoren, wie z.B. den Abmessungen der Öffnungen der Resonatoren, ab.
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In 2 sind
die Viertelwellenresonatorrohre jeweils mit einem geschlossenen
Ende gezeigt. Tatsächlich
kann in der Praxis jedes Viertelwellenresonatorrohr ein kleines
Loch in seinem Ende aufweisen, um ein Abfließen von Feuchtigkeit aus dem
Viertelwellenresonatorrohr zu ermöglichen. Obwohl Lufteinlaßsysteme
idealerweise wasserdicht sind, tritt dennoch eine bestimmte Feuchtigkeit
ein, und es muß ein
Mittel zum Entweichen gegeben sein. Das Loch wird hinreichend klein
gewählt
werden, um einen minimalen Effekt auf die akustischen Eigenschaften
des Viertelwellenrohrs zu haben. In ähnlicher Weise können die
Helmholtz-Resonatoren jeweils ein kleines Loch aufweisen, um ein
Abfließen von
Feuchtigkeit von innerhalb des Gehäuses 10 zu ermöglichen.
Wiederum werden die Löcher
in den Helmholtz-Resonatoren hinreichend klein gewählt werden,
um einen minimalen Effekt auf die akustischen Eigenschaften der
Helmholtz-Resonatoren zu haben.
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Obwohl
oben erwähnt
ist, daß das
Gehäuse mittels
Spritzgießen
aus Kunststoffmaterial gefertigt ist, könnte das Gehäuse auch
durch Pressen von zwei Metallabschnitten und Zusammenfügen der zwei
Metallabschnitte hergestellt werden. Tatsächlich könnte das Gehäuse mit
vielen verschiedenen Herstellungstechniken gefertigt werden, beispielsweise Drehtisch-Formen,
oder aus vielen verschiedenen Materialien, beispielsweise Fiberglas
oder jedem Fibermaterial. Die zwei Teile des Gehäuses könnten zusammen geformt oder
unter Verwendung einer mechanischen Befestigung oder auf eine andere
geeignete Weise aneinander befestigt werden. Alternativ könnte das
Gehäuse
als ein einziges Element gefertigt werden.
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Während in
der oben genannten Ausführungsform
fünf Viertelwellenresonatorrohre
und zwei Helmholtz-Resonatoren vorkommen, ist dies nicht kritisch,
und die Zahl der Viertelwellenresonatorrohre und Helmholtz-Resonatoren kann
für verschiedene Anwendungen
variiert werden. Wichtig ist bei jeder Anwendung, das Frequenzspektrum
des zu dämpfenden
akustischen Schalls zu analysieren und dann die beste Kombination
von Viertelwellenresonatorrohren und Helmholtz-Resonatoren zu wählen, um den
akustischen Schall zu dämpfen.
Im allgemeinen werden die Helmholtz-Resonatoren gewählt, um Niederfrequenzbereiche
des Frequenzspektrums zu dämpfen,
und die Viertelwellenresonatorrohre werden derart ausgelegt, daß sie Hochfrequenzkomponenten
des akustischen Frequenzschallspektrums dämpfen, obwohl für Frequenzen
im mittleren Bereich eine Überschneidung
auftreten wird. Die Viertelwellenresonatorrohre und die Helmholtz-Resonatoren
können
entsprechend den Unterbringungserfordernissen in vielen verschiedenen
Formen gefertigt sein, und die Viertelwellenresonatorrohre können beispielsweise
gerade Rohre sein oder gekrümmt sein.
Tatsächlich
können
einige Vierteiwellenresonatorrohre um jeden Winkel (beispielsweise
90°) gebogen
sein. Ebenso könnten
die Viertelwellenresonatorrohre mit einer dreidimensional variierenden
Form gefertigt sein, beispielsweise könnte eines als eine Helix gebildet
sein. Vorzugsweise ist die Querschnittsfläche jedes Viertelwellenresonatorrohrs
im wesentlichen über
seine gesamte Länge
einheitlich.
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Es
ist zu bemerken, daß das
Gehäuse 10 eine
Dickenabmessung (110 mm) aufweist, die viel kleiner als die anderen
Abmessungen des Gehäuses ist.
Dies erlaubt beispielsweise die Anordnung des Gehäuses über einem
Motor zwischen dem Motor und einer Motorhaube, wo der Platz beschränkt ist. Tatsächlich kann
das Gehäuse
leicht irgendwo im Motorraum angeordnet werden, beispielsweise an eine
Seitenwand des Motorraums angebracht werden. Tatsächlich kann
der Schalldämpfer überall in
einem Fahrzeug bereitgestellt werden, nicht notwendigerweise im
Motorraum. Ebenso könnte
das Gehäuse
im Fahrzeug einem anderen Zweck dienen (beispielsweise könnte das
Gehäuse
Teil einer Stoßstange
des Fahrzeugs sein).
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Während oben
das Gehäuse 10 aus
zwei getrennten Teilen 10A und 10B gebildet ist,
ist vorgesehen, daß das
Gehäuse
ebenso aus irgendeiner Zahl von verschiedenen Teilen gebildet sein
könnte,
und tatsächlich
könnte
das Gehäuse
als ein Aufbau als ein einziges Teil gebildet sein.
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Das
Gehäuse 10 kann
aus Gußharz
oder einem Fibermaterial gefertigt sein. Beispielsweise kann leichtgewichtiges
Polymermaterial, wie z.B. thermoplastische oder in Wärme aushärtbare Harze verwendet
werden. Ebenso können
Verbundmaterialien verwendet werden.
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Der
oben beschriebene Schalldämpfer
ist beschrieben worden zur Verwendung zur Schalldämpfung in
einem Lufteinlaßsystem
oder einem Auspuffsystem eines Verbrennungsmotors, aber der Schalldämpfer könnte ebenso
mit einem Kompressor, einer Turbine oder einer Pumpe verwendet werden.
Tatsächlich
könnte
der Schalldämpfer
in jedem System (beispielsweise einem Klimaanlagensystem) verwendet
werden, welches eine Mehrzahl von Leitungskomponenten sowie eine
Komponente umfaßt, welche
Schall erzeugt, oder in jedem System, in dem Gas durch eine Vielzahl
von Kammern verschiedener Abmessungen fließen muß.
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In
der oben beschriebenen Ausführungsform liegt
eines der Viertelwellenresonatorrohre an einer Seite des Luftgaseinlaßdurchgangs,
welche den anderen Viertelwellenrohren entgegengesetzt ist. Dies ist
ein bevorzugtes Merkmal, da es die Unterbringungseigenschaften verbessert.
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In
der oben beschriebenen Ausführungsform der
Erfindung muß der
Gasfluß durch
den ersten Durchgang 12 im Gehäuse, nachdem er am offenen Ende
eines Helmholtz-Resonators vorbeigeflossen ist, dann am offenen
Ende eines Viertelwellenrohrs vorbeifließen, bevor er am offenen Ende
des zweiten Helmholtz-Resonators vorbeifließt. Beim Entwerfen des Aufbaus
des Schalldämpfers
wird der Entwerfende die Tatsache berücksichtigen, daß der Hauptflußweg (d.h.
der Gasflußweg 12)
selbst bei einer bestimmten Frequenz in Resonanz geraten wird, und wird
daher im Schalldämpfer
ein Viertelwellenresonatorrohr oder einen Helmholtz-Resonator einschließen, der
derart gestaltet ist, daß er
durch die Resonanz des Hauptflußwegs
erzeugten Schall dämpft. Die
Positionierung dieses Viertelwellen- oder Helmholtz-Resonators wird derart
gewählt
werden, daß der
Nutzen des Schalldämpfers
maximiert ist. Wenn diese Position festgelegt ist, wird das Verhältnis der anderen
Resonatoren zueinander vorzugsweise so gewählt werden, daß die Resonatoren,
die sich nacheinander (in der Richtung des Gasflusses) zum Hauptflußweg hin öffnen, voneinander
getrennte Resonanzfrequenzen aufweisen, um einen durch die Schalldämpfung jedes
einzelnen von ihnen erzielten maximalen Nutzen zu bewirken. Anders
ausgedrückt ist
es vorteilhaft, Resonatoren mit ähnlichen
Resonanzfrequenzen zu trennen. Allerdings müssen die Resonatoren nicht
auf diese Weise positioniert werden, und sie könnten in jeder Weise untergebracht werden,
die einen guten Kompromiß zwischen
Unterbringung und akustischem Verhalten liefert.
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Während die
oben beschriebenen, die Resonatoren trennenden Trennwände feste
Wände sind, könnten sie
ebenso Hohlraumwände
mit zwei durch einen Luftspalt getrennten Häuten sein.
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Getrennte
beabstandete Trennwände
könnten
für jeden
Resonator vorgesehen sein, wobei die nach außen zeigenden Flächen der
Trennwände voneinander
beispielsweise durch einen Luftspalt getrennt sind. Dies könnte erfolgen,
um das Gehäuse zu
verstärken,
da die Trennwände
Verstärkungsprofile
für das
Gehäuse
bilden könnten.
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Während das
oben beschriebene Gehäuse wie
eine Rechteckbox geformt ist und dies für die Herstellungspraxis und
für Unterbringungsüberlegungen
vorteilhaft ist, könnte
das Gehäuse
irgendeine Form aufweisen, beispielsweise könnte es zylindrische oder Kugelgestalt
besitzen (obwohl diese beiden Formen in situ mehr Platz erfordern
als eine Rechteckbox eines ähnlichen
Volumens).
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Wenn
der Schalldämpfer
in einem Lufteinlaßsystem
verwendet wird, kann er auf der "schmutzigen" oder der "sauberen" Seite des Luftfilters
angeordnet sein (d.h. entweder vor oder hinter dem Luftfilter in
der Richtung des Gasflusses). Es kann bevorzugt sein, die Schalldämpfungsleistung
des Schalldämpfers
zu erhöhen,
indem man die nach innen zeigenden Flächen der Resonatoren mit einem
schalltötenden
(beispielsweise Fiber-) Sekundärmaterial
beschichtet. In diesem Fall würde
der Schalldämpfer auf
der "schmutzigen" Seite des Luftfilters
angeordnet werden, so daß vom
schalltötenden
Material losgeratende Partikel nicht in den Motor gelangen werden.
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Während in
der oben beschriebenen Ausführungsform
die nach innen zeigenden Flächen
des Gasflußwegs
glatte Kunststoffflächen
sind, könnte diese
Fläche
absichtlich mit einer Rauhigkeit versehen werden, um die Dämpfungseigenschaften
zu verbessern, und sie könnte
mit einer Reihe von geneigten Reflexionsflächen wie in einem schalltoten Raum
versehen sein.
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Eine
zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf 3 beschrieben
werden, in der ein ein Gehäuse 40 umfassender
Resonator gezeigt ist. Das Gehäuse 40 besitzt
einen Einlaß 41,
der im Betrieb an einen Luftfilter eines Verbrennungsmotors angeschlossen
ist. Die Luft fließt
durch einen Gasflußdurchgang 42 im
Gehäuse 40 vom
Lufteinlaß 41 zu
einem Luftauslaß 43, der
im Betrieb an den Einlaßkrümmer eines
Motors angeschlossen sein wird. Wenn die Luft vom Lufteinlaß 41 über den
Luftflußdurchgang 42 zum
Luftauslaß 43 fließt, wird
sie nacheinander vorbeifließen
an:
einem L-förmigen
Viertelwellenresonatorrohr 43,
einem Helmholtz-Resonator 44,
der einen L-förmigen Einlaßdurchgang 45 aufweist,
der zum Gasflußdurchgang 42 hin
offen ist;
einem Viertelwellenresonator 46;
einem
Viertelwellenresonator 47; und
einem Viertelwellenresonator 48.
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Daher
wird man sehen, daß der
Schalldämpfer
der 3 vier Viertelwellenresonatoren und einen Helmholtz-Resonator
umfaßt.
In der Figur sind ebenfalls drei Gummiisolatoren 49A, 49B und 49C gezeigt,
die den Anschluß des
Gehäuses 40 an
eine Fahrzeugkarosserie erlauben. Die Isolatoren 49A, 49B und 49C dämpfen die Übertragung
von Schwingungen vom Gehäuse 40 zur
Fahrzeugkarosserie und senken somit den vom Fahrer bemerkten Lärm.
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Eine
dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 4 gezeigt,
in der der Schalldämpfer
ein Gehäuse 50 mit
einem Lufteinlaß 51 aufweist,
der im Betrieb an einen Luftfilter eines Verbrennungsmotors angeschlossen
sein wird. Das Gehäuse 50 besitzt
ebenfalls einen Luftauslaß 52,
der im Betrieb an einen Lufteinlaßkrümmer eines Verbrennungsmotors
angeschlossen sein wird. Der Lufteinlaß 51 ist mit dem Luftauslaß 52 mittels
eines Gasflußdurchgangs 53 verbunden,
der zwei getrennte Flußwege 53A und 53B durch
das Gehäuse 50 hindurch
umfaßt.
Durch den Flußweg 53 fließende Luft wird
zunächst
durch den Lufteinlaß 51 fließen und sich
dann in einen ersten Luftstrom durch den Weg 53A und einen
zweiten Luftstrom durch den Weg 53B aufteilen. Die Luftströme durch
die Wege 53A und 53B werden sich wieder vereinigen,
bevor sie durch den Luftauslaß 52 fließen. In
der gezeigten Ausführungsform
wird die Querschnittsfläche
des Luftflußwegs 53A von
der Querschnittsfläche
des Luftflußwegs 53B verschieden
sein. Zum Luftflußweg 53A hin öffnen sich
ein Viertelwellenrohrresonator 54, ein Helmholtz-Resonator 55 und
ein Viertelwellenrohrresonator 56. Zum Luftflußweg 53B hin öffnen sich
ein Helmholtz-Resonator 57, der einen L-förmigen Einlaßdurchgang 58 umfaßt, und
ein L-förmiger
Viertelwellenrohrresonator 59.
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Indem
man die Luft durch getrennte Flußwege 53A und 53B leitet,
kann der erläuterte
Resonator eine bessere Möglichkeit
zum Abstimmen des Resonators bieten, um Lärm wirksam auszulöschen. Indem
man die Querschnittsfläche
des Luftflußwegs 53A von
der des Luftflußwegs 53B verschieden wählt, können verschiedene
Schlankheitsverhältnisse
erzielbar gemacht werden (d.h. die Verhältnisse zwischen den Querschnittsflächen der
Gasflußwege und
den Querschnittsflächen
der Resonatoren).
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5 zeigt
eine vierte Ausführungsform
der Erfindung, in der der Schalldämpfer ein Gehäuse 60 umfaßt, das
derart gestaltet ist, daß es
eine Radlaufverkleidung für
ein Automobil bereitstellt. Es wird somit geschätzt werden, daß das Gehäuse 60 eine Doppelfunktion
erfüllt,
da es sowohl als ein Gehäuse für den Schalldämpfer als
auch als eine strukturelle Komponente eines Fahrzeugs wirkt, nämlich als Radlaufverkleidung.
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Das
Gehäuse 60 umfaßt einen
Lufteinlaß 61 und
einen Luftauslaß 62,
wobei ein Luftflußweg 63 den
Lufteinlaß 61 und
den Luftauslaß 62 verbindet. Durch
den Luftflußweg 63 (welcher
wegen der gekrümmten
Gestalt der Radlaufverkleidung ein gekrümmter Weg ist) fließende Luft
fließt
nacheinander vorbei an:
einem Helmholtz-Resonator 64 mit
einem L-förmigen Einlaßdurchgang 65;
einem
U-förmigen
Viertelwellenrohrresonator 66;
einem L-förmigen Viertelwellenrohrresonator 67;
einem
Helmholtz-Resonator 68 mit einem L-förmigen Einlaßdurchgang 69;
einem
Viertelwellenrohrresonator 70;
einem L-förmigen Viertelwellenrohrresonator 71;
und
einem Helmholtz-Resonator 73 mit einem L-förmigen Einlaßdurchgang 72.
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Die
Verwendung des Gehäuses 60 zur
Bereitstellung einer Radlaufverkleidung wird einen Gesamtkosten-
und Gewichtsersparnisvorteil für
das Automobil bieten, welches keine getrennten Komponenten für einen
Schalldämpfer
und eine Radlaufverkleidung benötigen
wird. Ferner bedeutet die Verwendung des Gehäuses 60 als Radlaufverkleidung eine
gute Ausnutzung toten Raums im Fahrzeug, so daß der Motorraum ungestört bleiben
kann.
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Es
wird geschätzt
werden, daß die
vorliegende Erfindung in all ihren Ausführungsformen zahlreiche Vorteile
hat. Während
ein herkömmliches
verteiltes Resonatorsystem in einem Automobil ungefähr 12 Liter
Resonatorvolumen umfaßt,
kann dies auf ungefähr
7 Liter bei einer Abnahme des Vorbeifahrlärms von 77 dB auf 74 dB reduziert
werden. Ferner weist die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellte
integrierte Einheit verringertes Gewicht im Vergleich mit dem verteilten
Resonatorsystem und ferner verringerte Kosten auf. Ferner ist der
Druckabfall entlang der integrierten Einheit geringer als die Kombination
der Druckabfälle
entlang verteilter Einheiten, und dies kann zu einer Leistungsabgabeverbesserung
des Motors führen.
Die integrierte Einheit kann als strukturelle Komponente des Fahrzeugs
verwendet werden, beispielsweise als Radlaufverkleidung oder als
Motorhaubenverkleidung. Die integrierte Einheit kann steifer gemacht
werden als die getrennten Komponenten, die momentan verwendet werden, und
ferner ist es einfach, die integrierte Einheit über Isolatoren an eine Fahrzeugkarosserie
anzuschließen;
diese beiden Faktoren verringern die vom Schalldämpfer auf die Fahrzeugkarosserie übertragenen
Schwingungen.
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Es
ist festgestellt worden, daß die
Zusammenwirkung von Helmholtz- und Viertelwellenresonatoren innerhalb
einer integrierten Einheit einen vorteilhaften Effekt bei der Erzielung
größerer Schallsenkungsgrade
mit verringertem Volumen hat. Das Anordnen des Viertelwellen- und
des Helmholtzresonators gemeinsam in einer integrierten Einheit
führt zu
einem Synergieeffekt bei der Schalldämpfung. Dies liegt daran, daß früher angenommen
wurde, es wäre
am besten, die getrennten Schalldämpfer an verschiedenen Teilen
im Luftflußweg
eines Lufteinlaßsystems
eines Fahrzeugs anzuordnen, um die Wellenform des Druckprofils der
durch den Lufteinlaßweg
fließenden
Luft zu berücksichtigen.
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Der
Helmholtz-Resonator in der integrierten Einheit wird eine besser
definierte Schalldämpfungsbandbreite
liefern als die durch die Viertelwellenrohrresonatoren gelieferte
Bandbreite. Das Zusammenwirken des Helmholtz- und des Viertelwellenrohrresonators
in der integrierten Einheit führt
zur Optimierung, und dies bedeutet, daß das Gesamtresonatorvolumen
der integrierten Einheit verringert werden kann im Vergleich zu
dem Volumen, das durch Summieren der Resonatoren erhalten würde, wenn
sie als getrennte Komponenten anzuschließen wären.
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Die
vorliegende Erfindung kann zu Kostenersparnis führen, da die durch die vorliegende
Erfindung bereitgestellten integrierten Einheiten mittels eines
Formverfahrens in zwei Teilen hergestellt werden können. Ein
Spritzgußverfahren
unter Verwendung eines Materials auf Nylonbasis wäre besonders
vorteilhaft, um einen Resonator mit hohen Toleranzen, jedoch einem
guten Steifheitsgrad bereitzustellen.