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Schalldämpfer für pulsierende Strömungen extrem großer Schallschnelle
Es sind Absorptions-Schalldämpfer bekannt, bei 'denen ein durchgehendes, perforiertes
Abgasrohr mit Absorptionsstoff völlig umkleidet und außen ummantelt ist. Dabei ist
der gesamte Schalldämpferraum mit Schallschluckstoff, der im wesentlichen aus Spänen
oder Glaswolle besteht, angefüllt. Derartige Dämpfer besitzen den Nachteil, daß
der eigentliche Schalldämpferraum seine Fähigkeit, auch durch reine Reflexion, insbesondere
das mittlere Frequenzgebiet, zu dämpfen, teilweise verloren hat, weil er voll Schallschluckstoff
gefüllt ist. Außerdem weisen derartige Dämpfer auf Grund ihrer totalen Füllung naturgemäß
ein sehr großes Gewicht auf. Ein weiterer Nachteil ist der, daß die Eigenfrequenz
des Dämpfers, oberhalb der die Dämpfung beginnt, durch das durch den Schallschluckstoff
stark verdrängte freie Volumen stark erhöht wird, was dämpfungsverschlechternd wirkt.
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Es sind weitere Schalldämpfer bekannt, bei denen ein durchgehendes
Abgasrohr mehrmals durch breitere Schlitze unterbrochen und mit senkrecht zur Abgasströmung
stehenden Kammerräumen umgeben ist, deren innere Wand mit Schallschluckstoff belegt
ist, wobei auch für den inneren Mantel zum Teil noch Schallschluckstoffverkleidung
vorgesehen ist. Derartige Dämpfer haben den Nachteil, daß bei pulsierender Strömung
sehr großer Schallschnelle ein viel zu geringer Teil der lästigen hohen Frequenzen
in die Schalldämpferkammer eintreten kann und damit mit dem Schallschluckstoff in
Berührung kommt, weil die Strömung besonders die hohen Frequenzen, die ja gerade
gedämpft werden sollen, durch Schallbeugung mit sich zieht. Dabei wird somit der
weitaus größte Teil der hohen Frequenzen von der eigentlichen Abgasströmung wieder
in stark abgerichteter Form, d. h. durch das Abgasrohr, unabhängig von den dazwischenliegenden
Unterbrechungen hindurchgetragen. Dies ist vor allem bei Schalldämpferanlagen mit
längeren dazwischenliegenden Rohrleitungen gefährlich, weil
sich
in den längeren Rohrleitungen immer Resonanzen großer Schwingungsweite bilden, die
ein knatterndes Geräusch erzeugen, das nun seinerseits auf Grund der Richtwirkung
nicht genügend in die Dämpferkammern eintritt.
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Alle diese Nachteile werden nun erfindungsgemäß durch folgende Maßnahmen
vermieden.
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Zunächst wird aus Herstellungsgründen bevorzugt die innere ebene Schalldämpferwand
mit einer starken Schicht von Schallschluckstoff belegt, der seinerseits an seiner
inneren Oberfläche von einem perforierten Blech abgedeckt ist. Die Perforation ist
dabei so gewählt, daß ihr akustischer Leitwert auch für die höchsten Frequenzen
noch groß bleibi. Die Einströmung in die Kammer erfolgt nun nicht senkrecht auf
die Schallschluckstoffebene, sondern so, daß die Einströmrichtung schräg oder nahezu
parallel zu dem von den Schallschluckstoffwänden gebildeten Kanal oder Ringraum
liegt. Dadurch werden zwei Vorteile erzielt: Erstens ist die Möglichkeit ausgeschlossen,
daß die Strömung die hohen lästigen Frequenzen wieder mit in das Auslaufrohr der
Kammer durch Beugung hineinzieht, ohne daß die Frequenzen großer Schallschnelle
im Schallschluckstoff selbst eine entsprechende Dämpfung erfahren.
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Zweitens wird durch den schrägen Schalleinfall eine wesentlich größere
Dämpfung im Absorptionsmittel erzielt als bei senkrechtem Schalleinfall. Bei Verwendung
von nur einer Schallschluckstoffschicht wird man diese in erfindungsgemäßer Weise
an diejenige Schalldämpferwand legen, an der sich die Durchbruchsstelle für die
Einströmstelle selbst befindet, so daß die eintretende Strömung auf die nicht schallschluckstoffbelegte
gegenüberliegende Wand auftrifft, dort in kreisender Bewegung umkehrt, um nach Entlangströmen
an der vorderen Schallschluckstoffwand schließlich in das Austrittsrohr einzutreten.
Damit wird man gleichzeitig erreichen, daß rein reflexionsmäßig gleichzeitig das
volle innere Schallecho in der Kammer durch die Schallschluckwand gedämpft wird.
Eine besonders starke Dämpfung wird weiter dann erzielt, wenn die ungedämpfte Strömung
in ihrem vollen Strahl schräg oder senkrecht auf eine auf dem. Schallschluckstoff
selbst befindliche Metallplatte trifft, so daß die gesamte Strömung gezwungen wird,
an dem Schallschluckstoff entlangzufließen. Der Durchmesser der Platte braucht dabei
nur wenig größer als der Strahldurchmesser zu sein.
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Je größer nun die Strömungsgeschwindigkeit in der Kammer selbst ist,
um so kleiner ist wieder die Dämpfung des Schallschluckstoffes, weil für sehr hohe
Frequenzen die akustischen Wellen von der Strömung gebeugt, d. h. von der Strömung
fortgetragen werden.
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Es wird deshalb erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Durchströmgeschwindigkeit
in der Kammer möglichst nicht gleich der Eintrittsgeschwindigkeit in die Kammer,
sondern kleiner ist.
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Da nun weiter der Schallschluckstoff die Fähigkeit besitzt, durch
Schallbeugung den Schall unmittelbar in sich hineinzuziehen, wobei an der Peripherie
des Schallschluckstoffes Schallgeschwindigkeitserniedrigung auftritt, so wird man
den Effekt, daß unmittelbar an der Schallschluckstoffperipherie ein Lautstärkeminimum
auftritt, insofern benutzen, als die Austrittsstelle aus der Kammer sich in großer
Nähe von dem Schallschluckstoff befindet, wobei aus strömungstechnischen Gründen
die Einströmstellen der Rohre kontraktionsfreie Eintrittshuzen besitzen. Hierdurch
wird gleichzeitig der Gegendruck gesenkt und die Leistung gesteigert.
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Die Anordnung des Schallschluckstoffes wird aus Gründen der Reinigung
und des Ersatzes vorteilhafterweise so vorgenommen, daß der Schallschluckstoff nach
Art einer auswechselbaren Schallschluckstoffpatrone ausgebildet wird, wobei weiter
vorgeschlagen wird, für den Schallschluckstoff langfaserige, geschmeidige und hochtemperaturfeste
(möglichst bis iooo°) Mineralwolle zu verwenden, beispielsweise Basaltwolle, da
diese gegenüber den bisher bekannten Schallschluckstoffen, wie Silan, Asbest und
Glaswolle, die besten Eigenschaften sowohl schallschluckmäßig als auch festigkeitsmäßig
zeigt. Man kann aber auch oberflächenbehandelte, korrosionsgeschützte Metallwolle
benutzen, also beispielsweise brünierte oder gebonderte Metallwolle oder ähnliches.
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Vorliegende Erfindung gestattet aber noch weitgehendere akustische
Maßnahmen. Ganz allgemein stehen für Schalldämpfer bekanntlich zwei bekannte Verfahren
zur Verfügung: das erstere ist die Reflexion, das zweite die Absorption. Bei der
Reflexion wird der Schalldämpfer in mehrere Kammern unterteilt, die mit Gaskanälen
bestimmter Länge in Verbindung stehen, wobei die Längen der Kammern und die Längen
der Gaskanäle für bestimmte Frequenzgruppen die entsprechenden Dämpfungsbereiche
liefern. Zur Erzielung eines gleichmäßigen Dämpfungsganges wird die Unterteilung
des Dämpfers dabei zweckmäßigerweise gestaffelt. Diese Ausführungsformen haben jedoch
den Nachteil, daß ein an und für sich großes und ausreichendes Dämpfervolumen in
viele kleine Einzelresonatoren unterteilt ist, von denen jeder Resonator eine viel
höhere Eigenfrequenz hat, als wenn das gesamte Dämpfervolumen ohne Unterteilung
als einzelner Raum verwendet werden könnte. Dies ist aber nicht möglich, weil in
dem Raum auf Grund seiner Länge stehende Wellen entstehen, die jede Dämpfung in
diesen Frequenzgebieten unmöglich machen.
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Zur Behebung dieser genannten Nachteile wird nun erfindungsgemäß der
Schalldämpfer nach Art der. Reflexionsfilter so gebaut, daß die Trennwände im Dämpfer
als dickwandige Schalldämpferpatrone selbst für die tiefsten Frequenzen schalldurchlässig
sind, also keine total schallreflektierende Wand darstellen; für die hohen Frequenzen
auf Grund ihrer Dicke jedoch stark dämpfend wirken. Damit wird ein Absorptionsresonator
sehr tiefer Eigenfrequenz erhalten, d. h. im Grenzfall ein Einraum-Absorptionsresonator.
Durch diese Maßnahme wird also erreicht, daß für die Eigenfrequenz des Dämpfers,
oberhalb
der die Dämpft::;,g beginnt, das gesamte Volumen, also die Sumi;ie von mindestens
zwei Kammern, wirksam ist. Weiterhin werden alle stehenden Wellen in den zwei Räumen
durch die absorbierende Schallschluckstoffpatrone gedämpft. Durch die Maßnahme,
daß die Trennflächen bzw. die Zwischenböden selbst keine festen Wände sind, kann
auch keine schädliche Reflexion am Boden erfolgen, da an den Zwischenböden kein
Schalldruckbauch liegt, in dem bekanntlich die Absorptionsdämpfung Null wäre. Es
wird nun weiterhin zweckmäßigerweise vorgeschlagen, die Breite des Absorptionsbodens
in bezug auf ihre Lage im Schalldämpfer seitlich von der Mitte so zu legen, daß
hierbei etwa der Schnittpunkt aller stehenden Wellen in bezug auf ihre größten Geschwindigkeitsamplituden
erfaßt wird. Dies ist in einem Bereich von etwa 1/o bis 1/io der Gesamtlänge nach
beiden Seiten von der Mitte der Fall.
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Es wird weiterhin durch diese Schallschluckpatrone erreicht, daß jeglicher
Körperschall, der erfahrungsgemäß bei abgasdurchfluteten Wandrohrsicken entsteht,
die an den Schalldämpfermänteln befestigt, beispielsweise angepunktet sind, restlos
beseitigt wird, so daß in bezug auf den Körperschall derartige Konstruktionen durch
diese erfindungsgemäße Maßnahme in einfachster Weise weitgehend verbessert werden.
Die Gaskanäle selbst können dabei auch als perforierte Rohre ausgebildet sein.
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Durch die erfindungsgemäße Ausführung wird weiterhin eine dämpfungsverbessernde
Interferenzerscheinung ausgenutzt, die dadurch zustande kommt, daß die Schallwellen,
die beispielsweise von der ersten in die zweite Kammer übertreten, zwei Wege verschiedenen
akustischen Widerstandes beschreiten, und zwar einmal durch den Gaskanal selbst,
das andere -\-Zaldurch dieAbsorptionspatrone. Dadurch entstehen zwangsläufig Interferenzen,
die zur Dämpfungserhöhung beitragen. Schließlich kann die Schallschluckstoffpatrone
erfindungsgemäß noch für folgende Zwecke innerhalb des Dämpfers vorteilhaft verwendet
werden: Die allseitig mit perforiertem Blech abgedeckte Schallschhickstoffpatrone
wird nur in einem geringen Abstand von der Schalldämpferwand angebracht, so daß
zwischen Schalldämpferwand und Patrone sich ein geringes Luftpolster befindet. Hierbei
treten folgende zwei Effekte auf: die größte GasteilchenNvechselbewegung liegt für
die hohen Frequenzen unmittelbar iin Schallschluckstoff selbst (Summe aller Strömungsbäuche).
Diese werden dadurch am meisten ausgedämpft, während unmittelbar an der festen Wand,
wo die Teilchenbewegung Null ist, nur eine starke, nicht zur Dämpfung beitragende
Druckerhöhung für sämtliche Frequenzen vorhanden ist. Die gesamte akustische Wirkung
ist somit stärker, wenn die Schallschluckstoffpatrone sich in einem gewissen Abstand
von der festen Schalldämpferwand befindet. Der zweite Effekt, der hierbei erzielt
wird, beruht auf folgendem: Die akustische Masse, gebildet von der Summe aller Öffnungen
im perforierten Abdeckblech, bildet mit dein Luftpolster zwischen fester Schalldämpferwand
und perforierter Wand ein Schwingungssystem, das als Schluckresonator ein bestimmtes
Frequenzbereich im Gebiet seiner Eigenresonanz absaugt. Durch das Vorhandensein
des zusätzlichen Schallschluckstoffes wird nun die Anpassung des Widerstandes dieses
Schluckresonators an den Widerstand des strömenden Gases vor dem Resonator erreicht.
Sind aber beide Widerstände nahezu gleich, dann ist die Schallschluckung dieses
Absorptionsresonators ein Maximum. Es wird durch diese Maßnahme somit eine optimale
Dämpfung auf einfachste Weise erzielt.
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Vorliegende Bauart gestattet schließlich weiterhin, die hohen Eigenfrequenzen
der Verbindungskanäle zwischen den Kammern dadurch unwirksam zu machen, daß man
das Stück des Verbindungskanals innerhalb des Schallschluckstoffbereichs perforiert
ausbildet. Mit dieser Ausführung wird ein doppelter Dämpfungseffekt insofern erzielt
und ausgenutzt, als der Schall außerhalb des Kanals und innerhalb des Kanals mit
dem Schallschluckstoff in Berührung kommt. Da durch derartige Perforationen in den
Gaskanälen unter Umständen die Gesamtabstimmung des Dämpfers in ein unerwünschtes
höheres Frequenzbereich verlegt wird, wird erfindungsgemäß die perforierte Kanalstelle
für sich durch eine mit Schallschluckstoff gefüllte Hülse abgedeckt oder in einen
allseitig dichten, mit Schallschluckstoff gefüllten Raum gelegt.
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Die Erfindung ist in den Fig. i bis 9 dargestellt, und zwar zeigt
Fig. i ein Ausführungsbeispiel für die am Schallschluckstoff entlangfließende Abgasströmung.
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Hierbei tritt bei i die ungedämpfte Abgasströmung in den Dämpfer ein
und erfährt durch einen traufenartigen Ausfluß 2 innerhalb der Kammer 3 eine Richtungsänderung,
die bewirkt, daß ein großer Teil der Strömung, wie eingezeichnet, entlang dein mit
perforierten Blechen d. und 5 abgedeckten Schallschluckstoff 6 und 7 fließt und
nach völliger Dämpfung der hohen Frequenz an demselben durch das Verbindungsrohr
8 in die folgende Kammer 9 weiterströmt.
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Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die ungedämpfte Abgasströmung
zunächst senkrecht auf eine nicht mit Schallschluckstoff belegte Wand und später
schräg zu einer schallschluckstoffbelegten Wand auftrifft.
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Hierbei tritt, wie gesagt, die ungedämpfte Abgasströmung durch das
Rohr to ein und trifft auf die nicht schallschluckstoftbelegte Wand ii, kehrt, wie
eingezeichnet, um und tritt nach Entlangfließen an der perforierten Wand 12, die
den SchallschluckstOff 13 abdeckt, nach Ausdämpfung durch denselben in das Rohr
14 ein. Hier tritt die Strömung durch ein Abweisblech 15 schräg zur perforierten
Wand 16 und damit schräg zur Schallschluckstoffebene des Schluckstoffes 17 in die
Kammer 18 ein. Nach Entlangströmen an den perforierten Wänden 16 und i9 und Ausdämpfung
der hohen Frequenzen durch den Schallschluckstoff 17 und 20 tritt die Strömung schließlich
durch das Rohr 21 aus.
Eine ähnliche Bauart, die dieselben Kennzeichen
auf #%-eist, zeigt Fig. 3. Hier ist die Wand ii der Fig.2 durch eine auf dem den
Schallschluckstoff abdeckenden perforierten Abdeckblech sitzende Prallplatte 1 ja
und das Rohr 14 der Fig. 2 durch den Wandsickenkanal 14a ersetzt. Auch hier wird
die Strömung durch Auftreffen auf eine nicht schallschluckstoffbelegte Wand umgelenkt,
wobei 6a und 7` in Fig. 3 den wie in Fig. i ausgebildeten Schallschluckstoff
6 und 7 darstellen.
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In Fig. i ist weiter deutlich erkennbar, daß der Querschnitt der Kammer
3 größer ist als der Querschnitt des Einlaufrohres i, und damit ist, wie gefordert,
auch die Durchströmgeschwindigkeit in ersterer kleiner als im Rohr. Weiter zeigt
Fig. i, daß die Eintrittsstelle von Rohr 8 in unmittelbarer Nähe von der perforierten
Schallschluckstoffebene 5 sich befindet. Das gleiche gilt für die Fig.2, wo die
Eintrittsstelle von Rohr 14 sich in unmittelbarer Nähe von der Schallschluckstoffebene
12 und die Eintrittsstelle von Rohr 21 sich in Nähe von der Ebene i9, also im Schallminimum
befindet. Außerdem besitzen Rohr 14 und Rohr 21 die besagten kontraktionsfreien
Eintrittshuzen 22 und 23.
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Ein besonderes Kennzeichen dieser Bauart nach Fig. 3 ist der Umstand,
daß der bei ioa eintretende ungedämpfte gesamte Abgasstrom noch vor Eintritt in
den Kanal i4a unmittelbar an dem Schallschluckstoffpolster i i° entlangströmen muß
und damit gedämpft wird, was eine verstärkte Dämpfung gegenüber den anderen Bauarten
zur Folge hat, wo immer ein kleiner Teil auf direktem Wege, also ungedämpft, in
den Verbindungskanal, also in die nächstfolgende Kammer treten kann.
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Fig.4 zeigt weiter ein Beispiel für auswechselbare Schallschluckstoffpatronen
24 und 25.
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In Fig. 5 ist zu erkennen, daß, wie bereits erwähnt, die im Inneren
des Dämpfers liegend Schallschluckstoffpatrone 26 keine total schallreflektierende
Wand, sondern auf beiden Seiten perforierte Abdeckungen 27, 28 besitzt, wodurch
für die tiefen Frequenzen die zwei Kammern 29 und 30 wie eine einzige wirken, wobei
außerdem die Mitte der Schallschluckpatrone A-A sich seitlich von der Mitte B-13
der Gesamtlänge der zwei zugeordneten Kammern befindet.
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Schließlich zeigt Fig.6 eine Schalldämpferbauart, bei der die für
tiefe Frequenzen durchlässigen Absorptionspatronen 31 und 32 sich in einem bestimmten
Abstand von den Dämpferwänden 33 und 34 befinden, wodurch die Luftpolster 35 und
36 gebildet werden, die mit den perforierten, abgedeckten Schallschluckpatronen
31 und 32 je einen Absorptionsresonator bilden.
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Weiter zeigt Fig. 7 die zwecks Resonanzbeseitigung zusätzliche Maßnahme
von perforierten Kanälen 37 und 38 innerhalb des Schallschluckstoffes 39 und 4o,
und die Fig. 8 verdeutlicht schließlich die gleiche, Kanalresonanz beseitigende
Maßnahme eines durch eine Hülse 41 abgedeckten perforierten Rohrstückes 42, wobei
jedoch der zwischen Rohr und Hülse liegende Raum völlig unabhängig von der Schallschluckstoffpatrone
43 ebenfalls mit Schallschluckstoff gefüllt ist. Dadurch wird die akustische Masse
des Kanals 44 kaum verkleinert, wie dies dagegen in Fig. 7 noch der Fall ist.
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Schließlich zeigt Fig. 9 eine Maßnahme, die ebenfalls akustisch nicht
masseverkleinernd wirkt. Hier ist die perforierte Rohrstelle 45 völlig von der eigentlichen
Schallschluckpatrone 46 durch Querwände 47 und 48 abgetrennt. Die gesamte Patrone
besitzt somit drei Wände, die perforierte Wand 49 und zwei dichte Wände 47 und 48.