EP1673521A1 - Schallabsorber - Google Patents

Schallabsorber

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Publication number
EP1673521A1
EP1673521A1 EP04789973A EP04789973A EP1673521A1 EP 1673521 A1 EP1673521 A1 EP 1673521A1 EP 04789973 A EP04789973 A EP 04789973A EP 04789973 A EP04789973 A EP 04789973A EP 1673521 A1 EP1673521 A1 EP 1673521A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sound absorber
sound
absorber according
regions
different
Prior art date
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Granted
Application number
EP04789973A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1673521B1 (de
Inventor
Jörn HÜBELT
Cris Kostmann
Ulf Waag
Günter Stephani
Gerd Lotze
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP1673521A1 publication Critical patent/EP1673521A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1673521B1 publication Critical patent/EP1673521B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N1/00—Silencing apparatus characterised by method of silencing
    • F01N1/24—Silencing apparatus characterised by method of silencing by using sound-absorbing materials
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/16—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/161—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general in systems with fluid flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N2310/00—Selection of sound absorbing or insulating material
    • F01N2310/06—Porous ceramics
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N2310/00—Selection of sound absorbing or insulating material
    • F01N2310/12—Granular material

Definitions

  • this object is achieved with a sound absorber which has the features of claim 1.
  • Advantageous configurations and further training fertilize the invention can be achieved with the features indicated in the subordinate claims.
  • the sound absorber according to the invention is essentially formed from hollow spheres, the actual shells of which are formed from an inorganic material, such as a metal, a metal alloy or also a ceramic. There are areas in which such hollow spheres are integrally connected.
  • the connections can have been formed by means of an adhesion promoter, by soldering or combined.
  • the cohesive connections can preferably be formed punctually between adjacent hollow spheres, so that free spaces then remain between adjacent hollow spheres.
  • hollow spheres can also be present as a loose bed on a sound absorber according to the invention.
  • Such a sound absorber is characterized in that, with regard to the achievable sound absorption, different areas are arranged laterally one after the other in relation to the flow direction of a fluid. Such areas can also be arranged next to one another, in which case the sound waves can strike the surfaces of these differently designed areas. Angles of incidence between 0 and 90 ° are possible
  • Sound waves should hit the surfaces of at least several areas at the same time. The latter is especially true for stationary media.
  • the respective width of these areas should be smaller than the smallest sound wavelength, preferably smaller than ⁇ / 4.
  • a surface of the sound absorber may have surface contouring as a result of the different thicknesses of regions.
  • Such a surface can be wave-shaped, sawtooth-shaped, meandering. Irregular elevations and corresponding depressions, with different heights and depths, can preferably be present on such a surface contour.
  • the surface of a sound absorber opposite a contoured surface can also be contoured, but can also be designed as a flat surface.
  • a flat surface is also to be understood as a surface whose surface properties, the respective hollow spheres are taken into account, that is to say a certain degree of roughness is permissible.
  • the areas of a sound absorber can also be formed laterally one after the other from different hollow spheres. This applies to the outside diameter, shell thickness, porosity, materials and / or the respective material connection.
  • a layer area can also be formed from a loose bed of hollow spheres.
  • the hollow spheres which are not connected to one another should then be covered at least from one side by means of a layer region which is formed from hollow spheres which are integrally connected to one another for stabilization.
  • a sound absorber can also consist of several their sound absorption effect different individual elements arranged one after the other are formed, which can be connected to each other but need not.
  • annular, truncated cone-shaped and / or with an inner cone through which the respective gas can flow in the longitudinal direction of the sound absorber.
  • Such internally hollow elements can, however, also have an inner convex or concave surface, which the respective gas can flow past.
  • Such elements can have different wall thicknesses, cone or cone angles, different widths. But they can also have different widths.
  • sound absorbers can be assembled modularly and adapted for different applications.
  • a sound absorber tuned to a certain frequency spectrum can be made available in a modular manner, which is certainly advantageous for individual use or small series or retrofitting.
  • Openings can also be formed on a sound absorber or a plurality of areas of a sound absorber, through which sound waves pass and where appropriate can strike a correspondingly arranged reflecting element.
  • a reflecting element can also be formed and can be arranged discretely to one another at this “gaps” or openings.
  • the dimensioning, shape and arrangement of such cavities (“gaps") or openings can be optimized taking into account selected sound wavelengths.
  • At least one sound reflecting element can also be present on a sound absorber according to the invention.
  • Such an element can be integrated in the sound absorber, so that it is enclosed on both sides by hollow spheres.
  • a reflecting element can have a flat surface and the hollow spheres can be layered in different thicknesses in regions.
  • a reflective element designed in a different form in this form For example, a stepped, corrugated, sawtooth-shaped or meandering element can be used, so that locally different thicknesses / spacings from hollow spheres to outer surfaces that are in contact with the respective gas flow result.
  • a reflective element can, however, also be arranged at a distance from the actual sound absorber on one side, which is preferably not in contact with the gas flow.
  • a gap can be formed between the sound absorber and the reflecting element.
  • the respective gap distance does not have to be constant, rather it is often favorable to provide for a changing gap distance between the reflecting element and the sound absorber. This can be achieved by a corresponding shape of a reflecting element and / or the surface of the sound absorber opposite the reflecting element, the shapes already mentioned elsewhere also being suitable here.
  • reflecting elements can also be a plurality of individual parts arranged discretely to one another.
  • a reflection effect can also be achieved by means of interfaces within a sound absorber.
  • Such interfaces separate layer areas of the sound absorber with higher from layer areas with significantly lower sound velocity.
  • Such interfaces can have different distances from the outer surfaces of the sound absorber, in particular from surfaces that are in contact with the fluid in the lateral direction.
  • Interferences can also be used advantageously in the case of deliberately caused reflections of sound waves by means as explained in advance.
  • one or more areas can also have been mechanically compressed.
  • a compressive force can be exerted locally and a compression of hollow spheres can be achieved.
  • surfaces of areas can also be machined, as a result of which surface contours are deliberately formed and / or shells of hollow spheres are partially removed.
  • different sound velocities and characteristic impedances can be set in specific areas by the respective hollow sphere structures.
  • the completely spherical spherical shape can also be replaced by a rounded cylindrical or elliptical shape, at least within areas of a sound absorber.
  • Another parameter is the specific surface within areas, which in addition to the cavity volume, the wall thickness of the shells, the porosity, the formation of the surface of the balls in a more or less roughened form can also play a role.
  • Figure 1 shows an example of a sound absorber
  • Figure 2 shows an example with an integrated reflective element
  • Figure 3a shows an example with differently designed areas
  • Figure 3b an example with differently designed areas with a different orientation
  • Figure 4 shows an example with a contoured surface.
  • a plurality of regions 1.1 to 1N were used on a sound absorber and arranged one after the other in the direction of flow of the gas.
  • the individual areas 1.1 to IN are each shown in part in white and in the other part in black.
  • the two differently colored parts each form layer areas of one of the areas 1.1 to 1N, each with a different speed of sound and characteristic impedance.
  • the thicknesses of the layer areas are in the Ranges 1.1 to lN different. So that in each area 1.1 to 1N the path covers the sound waves through the layer areas shown in white until it strikes the interface with the respective black layer area is of different sizes.
  • the interface has a sound-reflecting effect.
  • the layer regions shown in black can also be compact, that is, they cannot be formed from hollow spheres, so that they can also represent a reflective element.
  • the widths of the individual areas 1.1 to 1N seen in the direction of flow can also be of different sizes, which cannot be readily derived from the illustration in FIG. 1.
  • a reflecting element 2 has been integrated into this.
  • a fluid can flow along two opposing surfaces and sound waves can fall on the surfaces again, as indicated by the arrows, at an obliquely inclined angle.
  • the reflective element 2 is shaped here in such a way that in the different areas 1.1 to IN there are different distances between the outer surfaces, which the sound waves directly hit, and the reflective element 2. Accordingly, the sound travels a different long path within the areas 1.1 to 1N until it is reflected, so that, assuming a constant speed of sound in all areas 1.1 to 1N, a differently long time for the sound waves to travel through an entire layer area or to reflect back Sound waves reach the surface again.
  • FIGS. 3a and 3b show examples with areas 1.1 to 1N, each of which also have more than two layer areas. The number, the arrangement and the thickness of the layer areas in the areas 1.1 to 1N are different.
  • the areas 1.1 to 1N have layer areas with different sound velocities. These layer areas can be formed from mutually different hollow spheres or hollow sphere composites. The size and arrangement of the actual cavities in the layer areas can be of different sizes.
  • the hollow spheres are firmly bonded to one another in regions 1.1 to 1N or hollow spheres are present as a loose bed in layer regions.
  • the arrangement of the regions 1.1 to IN with the respective layer regions has been chosen to be the same. Only the alignment of the areas 1.1 to 1N at an obliquely inclined angle against the direction of incidence of sound waves represents a difference that leads to an extension of the possible path for sound waves through such an area leads to the opposite surface. In addition, at interfaces suitable for sound wave reflection at adjacent regions 1.1 to 1N, such reflections can be used for increased absorption.
  • FIG. 4 uses areas 1.1 to 1N, which are arranged on a flat, flat carrier, which represents a reflecting element 2.
  • the regions 1.1 to 1N formed from hollow spheres each have different thicknesses, so that there is a contoured surface on which the sound waves strike. The sound waves must then cover different distances in the areas 1.1 to 1N until they reach the reflecting surface of the reflecting element 2.
  • reflective element 2 and regions 1.1 to 1N can be directly connected to one another or be in touching contact.
  • FIG. 4 also indicates a possibility for an advantageous design of sound absorbers in the areas 1.6 and 1.8.
  • the surfaces hit the sound waves are oriented at an obliquely inclined angle. This means that the surface hits the sound waves and the angle of incidence is increased. The refraction and reflection of the sound waves incident there change in particular through an enlarged angle of incidence.
  • Such inclined surfaces can be present in all areas 1.1 to 1N or only in a few selected areas.

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Description

Schallabsorber
Die Erfindung betrifft Schallabsorber, die für die Absorption von Schallwellen, die mit Fluiden übertra- gen werden, geeignet sind. Sie kann für die verschiedensten Anwendungen eingesetzt werden, wobei eine Anpassung an unterschiedliche Frequenzspektren möglich ist . Sie kann beispielsweise an Verdichtern von Gasen eingesetzt werden. Es ist aber auch ein Einsatz an Behältern oder Teilen von Behältern in denen Flüssigkeiten enthalten sind (z.B. Ölwannen von Verbrennungskraftmaschinen) möglich.
Neben Mineralfasern, die für die Absorption von Schallwellen bisher überwiegend eingesetzt worden sind, ist in DE 199 49 271 AI auf Möglichkeiten für den Einsatz von metallischen Hohlraumstrukturen unter Verwendung von metallischen Hohlkugeln hingewiesen worden. Für eine breitbandigere Absorptionswirkung bei Schalldämpfern mit solchen Strukturen wird darin darauf hingewiesen, dass bei einer solchen Struktur unterschiedlich dimensionierte Hohlräume geschichtet sein können. So sollen größere Hohlräume dichter an einem Abgasstrom, als Träger der Schallwellen angeordnet sein, als kleinere Hohlräume. Alternativ wird aber auch darauf hingewiesen, dass innerhalb der Hohlraumstruktur auch unterschiedlich dimensionierte Hohlräume homogen durchmischt vorhanden sein können.
Es hat sich aber gezeigt, dass in dieser Form die Breitbandwirkung dieser Schalldämpfer zwar erhöht werden kann, diese Erhöhung jedoch Grenzen hat. So dass eine Reduzierung des Schallpegels in einem immer noch begrenzten Maß und eingeschränkten Frequenzband erreicht werden kann.
Des Weiteren können solche Strukturen nur mit hohem Aufwand und Kosten hergestellt werden. Außerdem sind gestalterisch Grenzen gesetzt, so dass viele Bauformen nicht oder nur sehr schwer realisiert werden können. Ein modularer Aufbau solcher Schalldämpfer, zur Anpassung an unterschiedliche Bedingungen (Erreger- frequenzspektren) ist nicht möglich. >
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Möglichkeit zur Absorption von Schallwellen vorzuschlagen, bei dem eine hohe maximale Absorption bei einzelnen Fre- quenzen mit hohen Amplituden, bei gleichzeitiger Absorption von Schallwellen in einem verbreiterten Frequenzspektrum auf einfache Weise erreichbar ist .
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Schall- absorber, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil- düngen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werde .
Der erfindungsgemäße Schallabsorber wird in wesentlichen Teilen aus Hohlkugeln gebildet, deren eigentliche Schalen aus einem anorganischen Werkstoff, wie einem Metall, einer Metalllegierung oder auch einer Keramik gebildet sind. Es sind Bereiche vorhanden, in denen solche Hohlkugeln Stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Die Verbindungen können mittels eines Haftvermittlers, durch Löten oder vereintem ausgebildet worden sein. Die stoffschlüssigen Verbindungen können bevorzugt punktuell zwischen benachbarten Hohlkugeln ausgebildet sein, so dass dann zwischen benachbarten Hohlkugeln Freiräume verbleiben.
Allein oder zusätzlich können aber auch Hohlkugeln als lose Schüttung an einem erfindungsgemäßen Schall- absorber vorhanden sein.
Ein solcher Schallabsorber zeichnet sich dadurch aus, dass bezüglich der erreichbaren Schallabsorption unterschiedliche Bereiche lateral nach einander in Be- zug zur Strömungsrichtung eines Fluides angeordnet sind. Solche Bereiche können aber auch nebeneinander angeordnet sein, wobei dann die Schallwellen auf die Oberflächen von diesen unterschiedlich ausgebildeten Bereichen einfallen können. Es sind dabei Einfalls- winkel zwischen nahe 0 und 90 ° möglich, wobei dann
Schallwellen auf die Oberflächen zumindest mehrerer Bereiche gleichzeitig auftreffen sollten. Letzteres trifft insbesondere für ruhende Umgebungsmedien zu.
Diese Bereiche können sich durch voneinander abweichende Schallgeschwindigkeiten, Dicken und/oder cha- rakteristischen Impedanz unterscheiden.
Die jeweilige Breite dieser Bereiche sollte kleiner, als die jeweils kleinste Schallwellenlänge, bevorzugt kleiner als λ/4 sein.
Vorteilhaft ist es dabei aus Hohlkugeln gebildete Bereiche vorzusehen, die bei bevorzugt gleichen oder aber auch unterschiedlichen Hohlkugeln (Durchmesser, Schalendicke, Porosität, Werkstoff) unterschiedliche Dicken in Ausbreitungsrichtung von Schallwellen innerhalb des Schallabsorbers aufweisen. Dies kann eine regel-, bevorzugt aber unregelmäßig wechselnde Anordnung solcher Bereiche sein.
So kann beispielsweise eine Oberfläche des Schallabsorbers ' infolge der unterschiedlichen Dicken von Bereichen ausgebildete Oberflächenkonturierung aufweisen. Eine solche Oberfläche kann wellenförmig, säge- zahnförmig, mäanderförmig gestaltet sein. Dabei können bevorzugt unregelmäßige Erhebungen und entsprechende Vertiefungen, mit unterschiedlichen Höhen und Tiefen an einer solchen Oberflächenkonturierung vorhanden sein.
Die einer konturierten Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche eines Schallabsorbers kann ebenfalls kon- turiert, aber auch als ebene Fläche ausgebildet sein. Dabei soll unter ebener Fläche auch eine solche Ober- fläche verstanden sein, deren Oberflächenbeschaffenheit, die jeweiligen Hohlkugeln berücksichtigt, also ein gewisses Maß an Rauheit zulässig ist.
Werden zwei sich gegenüberliegend angeordnete Ober- flächen mit einer Oberflächenkonturierung, wie sie oben näher erläutert worden ist, an einem Schallab- sorber vorgesehen, kann er an diesen beiden Oberflächen vom jeweiligen Fluid angeströmt oder ein Fluid an diesen entlang strömen bzw. auf diese Oberflächen Schallwellen auf den Schallabsorber einfallen. In diesem Fall kann eine zweiseitige Schallabsorptionswirkung erreicht werden.
Mit einer solchen Oberflächenkontur kann auch erreicht werden, dass die Schallwellen mit unter- schiedlichen Einfallswinkeln auf die jeweiligen Oberflächen auftreffen.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Oberfläche so auszubilden, dass Bereiche jeweils in einem glei- chen oder von einander abweichenden Winkel schräg geneigt in Bezug zur Strömungsrichtung eines Fluides , dem Einfallswinkel von Schallwellen oder in Bezug zu einer Ebene ausgerichtet sind. So kann der Schall direkter mit einem größeren Einfallswinkel auch auf ei- ne größere Fläche auftreffen und gleichzeitig können sich so lokal unterschiedliche Dicken in lateraler Richtung eines Schallabsorbers in einem solchen Bereich ausbilden lassen.
Neben den Neigungswinkeln solcher geneigten Flächenbereiche kann auch ihre jeweilige Fläche variiert sein, in dem solche Bereiche unterschiedlich breit sind.
Die Bereiche eines Schallabsorbers können lateral nacheinander auch aus unterschiedlichen Hohlkugeln gebildet sein. Dies betrifft die Außendurchmesser, Schalendicken, Porosität, Werkstoffe und/oder die jeweilige stoffschlüssige Verbindung.
Dieser Sachverhalt kann auch auf die jeweiligen ein- zelnen Bereiche zu treffen, so dass in einem Bereich schichtweise auch unterschiedliche Komposite von Hohlkugeln vorhanden sein können. In diesem Fall kann auch ein Schichtbereich aus einer losen Schüttung von Hohlkugeln gebildet sein. Die miteinander nicht verbundenen Hohlkugeln sollten dann zumindest von einer Seite mittels eines Schichtbereiches, der aus stoff- schlüssig miteinander verbundenen Hohlkugeln gebildet ist, zur Stabilisierung überdeckt sein.
Ein Schallabsorber kann aber auch aus mehreren bzgl . ihrer Schallabsorptionswirkung unterschiedlichen nacheinander angeordneten einzelnen Elementen gebildet sein, die miteinander verbunden sein können aber nicht müssen.
In diesem Fall können vorteilhaft ring-, kegel- stumpfförmige und/oder mit einem Innenkonus versehene Elemente eingesetzt werden, die vom jeweiligen Gas innen in Längsrichtung des Schallabsorbers durchströmt werden können. Solche innen hohle Elemente können aber auch eine innere konvex oder konkav gewölbte Oberfläche aufweisen, an der das jeweilige Gas vorbeiströmen kann.
Solche Elemente können unterschiedliche Wandstärken, Kegel- oder Konuswinkel, unterschiedliche Breiten aufweisen. Sie können aber auch verschiedene Breiten aufweisen.
Mit solchen einzelnen Elementen können Schallabsorber modular zusammengesetzt und für unterschiedliche Applikationen angepasst werden.
So besteht z.B. die Möglichkeit kreisringförmige Elemente mit vorgegebenen Innen- und Außendurchmessern und jeweils unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten und charakteristischen Impedanzen miteinander zu kombinieren, in dem für die Ausbildung eines Bereiches eines Schallabsorbers mindestens zwei solcher Ringe ineinander gesteckt werden, so dass einer einen Innenring und der andere einen Außenring bildet. Die Ringe weisen eine unterschiedliche HohlkugelStruktur auf, bilden so eine Grenzfläche mit beidseitig unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten.
Durch eine Aneinanderreihung solcher unterschiedlich zusammengesetzten Bereichen aus verschiedenen einzelnen Elementen kann ein auf ein bestimmtes Frequenzspektrum abgestimmter Schallabsorber modulartig zur Verfügung gestellt werden, was für Einzelfallanwendungen oder auch Kleinserien bzw. eine Nachrüstung sicher vorteilhaft ist.
Es besteht aber auch die Möglichkeit einzelne Ele- mente in einem Abstand zueinander anzuordnen, so dass Hohlräume vorhanden sind, die quasi „Lücken" bilden, die wiederum so dimensioniert werden können, dass Schallwellen mit geeigneten Wellenlängen auch teilweise in eine solche „Lücke" eintreten können und erst im „Lückenbereich" auf eine wirksam Oberfläche des Schallabsorbers auftreffen.
An einem Schallabsorber oder auch mehreren Bereichen eines Schallabsorbers können auch Durchbrechungen ausgebildet sein, durch die Schallwellen hindurch treten und ggf. dort auf ein entsprechend angeordnetes reflektierendes Element auftreffen können.
In analoger Form kann aber auch ein reflektierendes Element ausgebildet sein und an diesem „Lücken" oder Durchbrechungen diskret zu einander angeordnet sein. Die Dimensionierung, Formgebung und Anordnung solcher Hohlräume („Lücken") oder Durchbrechungen kann unter Berücksichtigung ausgewählter Schallwellenlängen op- timiert werden.
Eine solche Optimierung ist aber auch für den Schall- absorber in Gänze möglich, so dass eine maximale zumindest erhöhte Schallabsorption für mehrere bestimm- te Schallwellenlängen erreichbar wird, die besonders kritisch im jeweiligen Frequenzspektrum der Gasströmung sind.
Hierfür lassen sich gezielt entsprechende Interfe- renzen ausnutzen. So dass sich für ausgewählte Wellenlängen unter Berücksichtigung der jeweiligen Schallgeschwindigkeit in einem Bereich des Schallabsorbers oder einem Spalt zwischen Schallabsorber und einem im Abstand zu diesem angeordneten reflektie- renden Element, der Weg der Schallwellen durch einen solchen Bereich, einen Schichtbereich eines solchen Bereiches oder der Spalt zwischen Schallabsorber und reflektierendem Element auf ein ganzzahliges Vielfaches von λ/4 solcher ausgewählter Schallwellenlängen berücksichtigt.
An einem erfindungsgemäßen Schallabsorber kann aber auch, wie bereits angedeutet mindestens ein Schall reflektierendes Element vorhanden sein.
Ein solches Element kann in den Schallabsorber integriert sein, so dass es von Hohlkugeln zweiseitig umschlossen ist. In diesem Fall kann ein reflektierendes Element eine ebene Flächen aufweisen und die Hohlkugeln bereichsweise in unterschiedlicher Dicke geschichtet sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, ein in anderer Form gestaltetes reflektierendes Element in dieser Form einzusetzen. So kann ein abgestuftes, gewelltes, sägezahnförmiges oder mäanderförmiges Element eingesetzt werden, so dass sich lokal unterschiedliche Dicken/Abstände von Hohlkugeln bis hin zu äußeren Oberflächen, die in Kontakt mit der jeweiligen Gasströmung stehen ergeben.
Ein reflektierendes Element kann aber auch in einem Abstand zum eigentlichen Schallabsorber an einer Seite angeordnet sein, die bevorzugt nicht mit der Gas- strömung in Kontakt steht. In diesem Fall kann zwi- sehen Schallabsorber und reflektierendem Element ein Spalt ausgebildet sein. Der jeweilige Spaltabstand muss nicht konstant sein, vielmehr ist es häufig günstig einen sich ändernden Spaltabstand zwischen reflektierendem Element und Schallabsorber vorzuse- hen. Dies kann durch entsprechende Form eines reflektierenden Elementes und/oder der dem reflektierenden Element gegenüber liegenden Oberfläche des Schallabsorbers erreicht werden, wobei die bereits anderweitig erwähnten Formen auch hier geeignet sind.
Reflektierende Elemente können aber auch mehrere diskret zueinander angeordnete einzelne Teile sein.
Eine Reflexionswirkung kann aber auch mittels Grenz- flächen innerhalb eines Schallabsorbers erreicht werden. Solche Grenzflächen trennen Schichtbereiche des Schallabsorbers mit höherer von Schichtbereichen mit deutlich niedrigerer Schallgeschwindigkeit. Dabei können solche Grenzflächen differenzierte Abstände zu äußeren Oberflächen des Schallabsorbers, insbesondere zu Oberflächen, die mit dem Fluid in Kontakt stehen in lateraler Richtung, aufweisen.
Auch bei gezielt hervorgerufenen Reflexionen von Schallwellen, mit Mitteln, wie vorab erläutert, kön- nen Interferenzen vorteilhaft genutzt werden.
An einem erfindungsgemäßen Schallabsorber kann/können aber auch ein oder mehrere Bereich (e) mechanisch nachverdichtet worden sein. Hierfür kann entsprechend lokal begrenzt eine Druckkraft ausgeübt und ein Ver- pressen von Hohlkugeln erreicht werden.
Allein dazu oder zusätzlich können Oberflächen von Bereichen auch spanend bearbeitet werden, wodurch O- berflächenkonturen gezielt ausgebildet und/oder Schalen von Hohlkugeln teilweise entfernt werden.
Bei den erfindungsgemäßen Schallabsorbern können verschiedene Schallgeschwindigkeiten und charakte- ristische Impedanzen durch die jeweiligen Hohlkugel- Strukturen in Bereichen gezielt eingestellt werden. So kann neben den bereits erwähnten Variationsmöglichkeiten auch die vollständig spährische Kugelform zumindest innerhalb von Bereichen eines Schallabsor- bers durch eine abgerundete zylindrische oder elliptische Form ersetzt werden. Einen weiteren Parameter stellt die spezifische Oberfläche innerhalb von Bereichen dar, die neben der Hohlraumvolumina, der Wandstärke der Schalen, der Porosität auch die Aus- bildung der Oberfläche der Kugeln in mehr oder weniger aufgerauhter Form einen Rolle spielen kann.
Nachfolgend soll die Erfindung an Hand von Beispielen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
Figur 1 ein Beispiel eines Schallabsorbers;
Figur 2 ein Beispiel mit einem integrierten reflektierenden Element;
Figur 3a ein Beispiel mit unterschiedlich ausgebildeten Bereichen;
Figur 3b ein Bespiel mit unterschiedlich ausgebildeten Bereichen mit anderer Ausrichtung und
Figur 4 ein Beispiel mit einer konturierten Ober- fläche.
Für die nachfolgende Erläuterung der Figuren soll vorangestellt werden, dass diese stark schematisiert dargestellt worden sind.
Bei dem in Figur 1 gezeigten Beispiel wurden an einem Schallabsorber eine Mehrzahl von Bereichen 1.1 bis l.N eingesetzt und in Strömungsrichtung des Gases nacheinander angeordnet .
Er hat hier eine ebene relativ glatte Oberfläche, auf die Schallwellen in einem schräg geneigten Winkel auftreffen.
Die einzelnen Bereiche 1.1 bis l.N sind in der Darstellung jeweils in einem Teil weiß und im anderen Teil schwarz gezeichnet. Die beiden unterschiedlich farbigen Teile bilden jeweils Schichtbereiche eines der Bereiche 1.1 bis l.N, mit jeweils unterschiedli- eher Schallgeschwindigkeit und charakteristische Impedanz. Die Dicken der Schichtbereiche sind in den Bereichen 1.1 bis l.N unterschiedlich. So dass in jedem Bereich 1.1 bis l.N der Weg den Schallwellen durch die weiß dargestellten Schichtbereiche zurücklegt, bis er auf die Grenzfläche zum jeweiligen schwarz gezeichneten Schichtbereich auftrifft, unterschiedlich groß ist.
Sind die „schwarzen" Schichtbereiche so konfiguriert, dass die charakteristische Impedanz gegenüber den „weißen" Schichtbereichen größer ist, wirkt die Grenzfläche schallreflektierend.
Die schwarz dargestellten Schichtbereiche können aber auch kompakt, also nicht aus Hohlkugeln ausgebildet sein, so dass sie auch ein reflektierendes Element darstellen können.
Die Breiten der einzelnen Bereiche 1.1 bis l.N in Strömungsrichtung gesehen kann ebenfalls unter- schiedlich groß sein, was der Darstellung von Figur 1 nicht ohne weiteres entnommen werden kann.
Bei dem in Figur 2 gezeigten Beispiel eines Schallabsorbers, ist in diesen ein reflektierendes Element 2 integriert worden.
Ein Fluid kann an zwei sich gegenüberliegenden Oberflächen entlang strömen und Schallwellen wieder auf die Oberflächen, wie mit den Pfeilen angedeutet, in schräg geneigtem Winkel einfallen.
Das reflektierende Element 2 ist hier so geformt, dass sich in den verschiedenen Bereichen 1.1 bis l.N jeweils unterschiedliche Abstände zwischen den äuße- ren Oberflächen, auf die die Schallwellen unmittelbar auftreffen und dem reflektierenden Element 2 ergeben. Dementsprechend legt der Schall einen unterschiedlichen langen Weg innerhalb der Bereiche 1.1 bis l.N zurück, bis er reflektiert wird, so dass bei ange- nommen konstanter Schallgeschwindigkeit in allen Bereichen 1.1 bis l.N auch eine unterschiedlich große Zeit mit der Schallwellen durch einen gesamten Schichtbereich gelangen oder rückreflektierte Schallwellen wieder die Oberfläche erreichen zu verzeichnen ist.
In den Figuren 3a und 3b sind Beispiele mit Bereichen 1.1 bis l.N dargestellt, die jeweils auch mehr als zwei Schichtbereiche aufweisen. Dabei ist die Anzahl, die Anordnung sowie die Dicke der Schichtbereiche in den Bereichen 1.1 bis l.N jeweils unterschiedlich.
So weisen die Bereiche 1.1 bis l.N Schichtbereiche mit unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten auf. Diese Schichtbereiche können aus sich voneinander unterscheidenden Hohlkugeln oder Hohlkugelkompositen gebildet sein. So können die Größe und Anordnung der eigentlichen Hohlräume in den Schichtbereichen unterschiedlich groß sein. Die Hohlkugeln in Bereichen 1.1 bis l.N miteinander stoffschlüssig verbunden oder in Schichtbereichen Hohlkugeln als lose Schüttung vorhanden sein.
Bei den in den Figuren 3a und 3b gezeigten Beispielen ist die Anordnung der Bereiche 1.1 bis l.N mit den jeweiligen Schichtbereichen gleich gewählt worden. Lediglich die Ausrichtung der Bereiche 1.1 bis l.N in einem schräg geneigten Winkel gegen die Einfallsrichtung von Schallwellen stellt einen Unter- schied dar, der zu einer Verlängerung des möglichen Weges für Schallwellen durch einen solchen Bereich bis zu gegenüberliegenden Oberfläche führt. Außerdem können bei für eine Schallwellenreflexion geeigneten Grenzflächen an jeweils benachbarten Bereichen 1.1 bis l.N können solche Reflexionen für eine erhöhte Absorption ausgenutzt werden.
Das in Figur 4 gezeigte Beispiel verwendet Bereiche 1.1 bis l.N, die auf einem flächigen ebenen Träger angeordnet sind, der ein reflektierendes Element 2 darstellt. Die aus Hohlkugeln gebildeten Bereiche 1.1 bis l.N weisen jeweils unterschiedliche Dicken auf, so dass eine konturierte Oberfläche vorhanden ist, auf die die Schallwellen auftreffen. Die Schallwellen müssen dann wieder in den Bereichen 1.1 bis l.N unterschiedlich lange Wege zurücklegen, bis sie die re- flektierende Oberfläche des reflektierenden Elementes 2 erreichen.
Wie hier gezeigt können reflektierendes Element 2 und die Bereiche 1.1 bis l.N unmittelbar miteinander ver- bunden sein bzw. in berührendem Kontakt stehen.
In nicht dargestellter Form kann aber auch zwischen reflektierendem Element 2 und der entsprechenden O- berflache der Bereiche 1.1 bis l.N ein Spalt vor- handen sein, der einen konstanten Abstand darstellt. Es besteht aber auch die Möglichkeit, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung bereits angesprochen, das reflektierende Element 2 oder die diesem zugewandten Oberflächen der Bereiche 1.1 bis l.N, so aus- gebildet, dass die Abstände lokal differenziert sind.
In Figur 4 ist weiter eine Möglichkeit für eine vorteilhafte Gestaltung von Schallabsorbern bei den Bereichen 1.6 und 1.8 angedeutet. Dort sind die Oberflächen auf die Schallwellen auftreffen in einem schräg geneigten Winkel ausgerichtet . Dadurch sind die Fläche auf die Schallwellen auftreffen und der Einfallswinkel vergrößert . Durch einen vergrößerten Einfallswinkel verändert sich insbesondere die Brechung und Reflexion der dort einfallenden Schallwellen.
Solche schräg geneigten Oberflächen können an allen Bereichen 1.1 bis l.N oder auch nur an einigen ausgewählten Bereichen vorhanden sein.

Claims

Patentansprüche
1. Schallabsorber, der zumindest bereichsweise aus stoffschlüssig miteinander verbundenen Hohlkugeln und/oder einer losen Schüttung von Hohlkugeln gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass am Schallabsorber Bereiche (1.1 bis l.N) mit von einander abwei- chender Schallgeschwindigkeit, charakteristischer Impedanz und/oder Dicke in Strömungungs- richtung eines Fluides, lateral nacheinander o- der in Bezug zu Schallwelleneinfallswinkeln nebeneinander angeordnet sind.
2. Schallabsorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus Hohlkugeln gebildete Bereiche (1.1 bis l.N) eine ebene Oberfläche aufweisen, auf die Schallwellen auftreffen und die Dicke von aus Hohlkugeln gebildeten Bereichen (1.1 bis l.N) in Ausbreitungsrichtung der Schallwellen innerhalb des Schallabsorbers regel- oder unregelmäßig wechselt.
3. Schallabsorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schallwellen reflektierendes Element (2) vorhanden ist.
4. Schallabsorber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das reflektierende Element (2) innerhalb des Schallabsorbers angeordnet und so geformt ist, dass die Abstände zu(r) Oberflä- ehe (n) auf die Schallwellen einfallen variieren.
5. Schallabsorber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das reflektierende Element (2) in einem einen Spalt bildenden Abstand zum Schall- absorber angeordnet ist.
6. Schallabsorber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das reflektierende Element (2) und/oder die jeweilige Oberfläche des Schallabsorbers so geformt ist, dass die Abstände in lateraler Richtung variiert sind.
7. Schallabsorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ober- flächen von Bereichen (1.1 bis l.N) in Bezug zu Schallwelleneinfallswinkeln in einem schräg geneigten Winkel ausgerichtet sind.
8. Schallabsorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berei- ehe (1.1 bis l.N) jeweils aus Hohlkugeln mit unterschiedlichen Durchmesserfraktionen gebildet sind.
9. Schallabsorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berei- ehe (1.1 bis l.N) als nacheinander angeordnete ringförmige Elemente ausgebildet sind.
10. Schallabsorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen und/oder an Bereichen (1.1 bis l.N) Hohlräume vorhanden sind.
11. Schallabsorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein reflektierendes Element (2) aus mehreren einzelnen Elementen gebildet ist und/oder im reflektieren- den Element (2) Durchbrechungen ausgebildet sind.
12. Schallabsorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass die Bereiche (1.1 bis l.N) als von einer Gasströmung in Längsrichtung durchströmbare kegelstumpf-, ringförmige Elemente, Elementen die mit einem Innenkonus versehen und/oder die in Richtung auf die Gasströmung konkav oder konvex gewölbt sind, ausgebildet sind.
13. Schallabsorber nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche (1.1 bis l.N) aus mindestens zwei unterschiedlichen Elementen gebildet sind.
14. Schallabsorber nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einer Mehrzahl von einzelnen Elementen, die modular zusammengesetzt sind, gebildet ist.
15. Schallabsorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicken und/oder Breiten von Bereichen (1.1 bis l.N) unter Berücksichtigung ausgewählter Wellenlängen eines Schallwellenspektrums eingestellt worden sind.
16. Schallabsorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Abstände eines reflektierenden Elementes (2) unter Berücksichtigung ausgewählter Wellenlängen eines Schallwellenspektrums eingestellt worden sind.
17. Schallabsorber nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicken, Breiten und/oder Abstände für ausgewählte Wellenlängen Interferenzen bewirken.
18. Schallabsorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche (1.1 bis l.N) aus mindestens zwei unterschiedlichen Schichtbereichen in Ausbreitungsrichtung von Schallwellen innerhalb des Schallabsorbers gebildet sind.
19. Schallabsorber nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Schichtbereich als lose Schüttung von Hohlkugeln ausgebildet ist.
20. Schallabsorber nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Schichtbereiche eines Bereiches (1.1 bis l.N) unterschiedliche Dicken aufweisen.
21. Schallabsorber nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dass die einzelnen Schichtbereiche aus unterschiedlichen Hohlkugeln gebildet sind.
22. Schallabsorber nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass in den einzelnen Schichtbereichen Hohlkugeln mit unterschiedlichem Außendurchmes- ser, unterschiedlicher Schalendicke, Porosität der Schalen und/oder unterschiedliche Hohlkugel - komposite enthalten sind.
23. Schallabsorber nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass an Schichtbe- reichen schallreflektierende Grenzflächen vorhanden sind.
24. Schallabsorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Bereich (1.1 bis l.N) mechanisch nachver- dichtet und/oder durch spanende Bearbeitung eine Oberflächenkontur ausgebildet ist.
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