EP2394033B1

EP2394033B1 - Schalldämpfer mit helikalen einbauten

Info

Publication number: EP2394033B1
Application number: EP10704784.7A
Authority: EP
Inventors: Jörg MELCHER; Daniel Fingerhut; Christian Melcher
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2009-02-05
Filing date: 2010-02-02
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2030-02-02
Also published as: DE102009000645B3; DK2394033T3; US20110308884A1; EP2394033A1; WO2010089283A1; US8312962B2

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schalldämpfer mit mindestens einem von einem Gas durchgeströmten Gaskanal und den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1.
Durch einen erfindungsgemäßen Schalldämpfer soll das strömende Gas möglichst ungehindert hindurch treten können. Sich in dem strömenden Gas ausbreitende Schallwellen, unter denen hier auch jedwede schnelle Druckschwankungen des strömenden Gases zu verstehen sind, sollen jedoch möglichst gedämpft werden.

STAND DER TECHNIK

Neben Schalldämpfern, in denen Schallwellen Energie durch Gasreibung in porösem Material entzogen und in Wärme umgesetzt wird, sind auch Schalldämpfer bekannt, die Schall dynamisch absorbieren. Im Ingenieurwesen werden sie als akustische Tilger, in der Physik als dynamische Absorber bezeichnet. Es handelt sich um Resonanzsysteme, die bei ihrer Eigenfrequenz auftretenden Schall sehr gut absorbieren und in der Folge dissipieren können. Beispiele hierfür sind sogenannte Loch- oder Helmholtz-Resonatoren. Zu den auf dem Gebiet der dynamischen Schallabsorber bekannten Maßnahmen gehört es auch, mit Hilfe eines oder mehrerer Querschnittssprünge, d. h. Durchmesserveränderung des einen Gaskanal begrenzenden Rohrs, akustische Resonatoren aufzubauen. Hierdurch wird jedoch der Strömungswiderstand für das durch den Schalldämpfer strömende Gas drastisch erhöht.
Aus der DE 196 44 089 A1 ist ein Schalldämpfer für Verbrennungsmotoren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 bekannt. Hier ist in einem von einem Gas durchströmten Gaskanal ein helikaler Einbau vorgesehen, der einem Innenbereich des Gaskanals einen schraubenförmigen Verlauf verleiht. Der Schall soll an den helikälen Flächen des helikalen Einbaus durch Reflexion und Streuung sowie anschließende Absorption in der Kanalwand des Gaskanals reduziert und außerdem aufgrund des sogenannten Cut-Off-Effekts an seiner Ausbreitung gehindert werden. Zur Absorption in der Kanalwand des Gaskanals ist der Gaskanal von einem Ringkanal umgeben, der über Perforationen mit dem Gaskanal kommuniziert und in dem Schallabsorptionsmaterial, wie beispielsweise Keramikwolle, angeordnet ist. Eine Abstimmung auf eine oder mehrere Hauptschallfrequenzen, d. h. ein besonders hoher Wirkungsgrad bei diesen Hauptschallfrequenzen ist bei dem bekannten Schalldämpfer nicht möglich.
Aus der DE 199 32 714 A1 ist es bekannt, eine helikale Membran, die mit Antischall erzeugenden Elementen ausgerüstet ist, in einer rohrförmigen und luftdurchströmten Vorrichtung anzuordnen, um Schall in der rohrförmigen Vorrichtung aktiv zu dämpfen. Aktive Schalldämpfung mit Antischall erzeugenden Elementen verlangt nach einer aktiven Ansteuerung dieser Elemente und ist entsprechend aufwändig.
Aus der DE 10 2004 006 031 A1 ist eine Vorrichtung zur Reduzierung von Druckpulsationen in Flüssigkeiten führenden Leitungssystemen bekannt. Dabei wird ein Drosselkörper in einer Leitung des Leitungssystems angeordnet, der eine Schraubenwendel aufweist, deren Schraubenachse in der Ausbreitungsrichtung der Druckpulsationen in der Leitung ausgerichtet ist. Die Druckpulsationen wechselwirken mit der Schraubenwendel. Dabei kann es sich um eine passive Wechselwirkung unter elastischer Formung der Schraubenwendel handeln. Alternativ kann die Schraubenwendel aktiv angesteuert werden. Es können auch mehrere Drosselkörper in Form von Schraubenwendeln in einem festen Abstand zwischen den Drosselkörpern hintereinander in der jeweiligen Leitung angeordnet werden. Die Lehre der DE 10 2004 006 031 A1 bezieht sich ausdrücklich anders als diejenige der DE 199 32 714 A1 nicht auf gasdurchströmte, sondern nur auf Flüssigkeiten führende Leitungssysteme.
Aus der DE 195 33 623 B4 ist ein Absorber zur Absorption von Luftschall bekannt, bei dem ein akustischer Serienkreis und ein akustischer Parallelkreis miteinander gekoppelt sind, wobei der akustische Serienkreis ein Helmholtz-Resonator ist. Dieser Helmholtz-Resonator besteht aus einem Hohlkörper mit einem Luftvolumen und einer Querschnittsverengung als Öffnung. Der Parallelkreis ist ebenfalls eine Resonator, der aus einer Parallelschaltung einer akustischen Federung - realisiert durch ein Luftvolumen - mit einer akustischen Masse, die durch die in einem Hals schwingende Luft gegeben wird, realisiert ist. Der akustische Serienkreis und der akustische Parallelkreis sind auf die gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt. Der bekannte Absorber wird als solcher nicht von einem Gas durchströmt, sondern ist zur Ausbildung einer grundsätzlich gasdichten Wandung in schallabsorbierender Weise vorgesehen. Das vorübergehende Eintreten von Gas in die Hohlkörper bzw. Luftvolumina des bekannten Absorbers führt anders als bei einem gasdurchströmten Schalldämpfer zu keinem hierdurch verlaufenden Nettogasstrom.
Die GB 460,148 A offenbart einen weiteren Schalldämpfer für Verbrennungsmotoren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1. Dabei werden Ausführungsformen des bekannten Schalldämpfers beschrieben, die mehrere Gaskanäle aufweisen, auf die sich das strömende Gas aufteilt. Im Inneren der Gaskanäle können helikale Einbauten vorgesehen sein. Die helikalen Einbauten können an ihren Enden Einlauf- und Auslaufbereiche aufweisen, in denen sich ihr Durchmesser in der Strömungsrichtung des Gases stetig von innen an die Wandung des Gaskanals annähert bzw. von dieser entfernt. Die Steigung der helikalen Einbauten des bekannten Schalldämpfers kann variabel sein. Die Gaskanäle können auch Verjüngungen und Erweiterungen ihres freien Querschnitts längs ihrer Haupterstreckungsrichtung aufweisen. Die mehreren Gaskanäle werden z. B. zur auslöschenden Überlagerung von Schallwellen genutzt werden, welche sich in dem strömenden Gas ausbreiten.
Ein Schalldämpfer mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 ist auch aus der US 3 746 126 A bekannt. Hier wird vorgeschlagen, einen helikalen Einbau vor oder hinter einem Knick in einem Abgasrohr eines Verbrennungsmotors vorzusehen.
Ein Schalldämpfer mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1, der mehrere helikale Einbauten, unter anderem sowohl in untereinander dicht beabstandeten Innnenrohrabschnitten als auch in Ringräumen zwischen den Innenrohrabschnitten und einem Außenrohr aufweist, ist aus der FR 804 593 A bekannt.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schalldämpfer mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, der mit passiven Mitteln eine hohe Schalldämpfung verglichen mit dem Strömungswiderstand des Gases durch den Schalldämpfer aufweist.

LÖSUNG

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Schalldämpfer mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele des neuen Schalldämpfers sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 12 beschrieben. Der abhängige Patentanspruch 13 betrifft bevorzugte Verwendungen des neuen Schalldämpfers.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Bei einem erfindungsgemäßen Schalldämpfer wird mittels mindestens eines helikalen Einbaus in einem von einem Gas durchströmten Gaskanal, wobei der Einbau einem Innenbereich des Gaskanals einen schraubenförmigen Verlauf verleiht, ein Helmholtz-Resonator in dem Gaskanal ausgebildet, der von Schallwellen angeregt wird, welche sich in dem durch den Gaskanal strömenden Gas ausbreiten. Mit Hilfe eines oder mehrerer helikaler Einbauten in den Gaskanal ist es möglich, darin einen Helmholtz-Resonator auszubilden, der zwar von Gas mit relativ niedrigem Strömungswiderstand durchströmbar ist, der aber dennoch in der Lage ist, in erheblichem Umfang Energie aus sich in dem strömenden Gas ausbreitenden Schallwellen zu entziehen. Hierdurch werden diese Schallwellen stark gedämpft, ohne die Gasströmung stark zu drosseln. Dies beruht darauf, dass es mittels des einen oder mehrerer helikaler Einbauten möglich ist, Impedanzsprünge für die Schallwellen auszubilden, ohne die Gasströmung in dem Maße zu beeinträchtigen wie durch einen Impedanzsprung, der (allein) durch eine Durchmesserveränderung des Gaskanals erreicht wird.
Konkret wird bei dem neuen Schalldämpfer zur Ausbildung eines Helmholtz-Resonators eine Kavität in der Strömungsrichtung des Gases durch gegenläufige Impedanzsprünge für die sich in dem Gas ausbreitenden Schallwellen begrenzt. In jeder solchen Kavität wird Energie von einer durchlaufenden Schallwelle gefangen, deren Wellenlänge zu der Länge der Kavität passt, d. h. auf die der Helmholtz-Resonator abgestimmt ist.
In der Kavität des Helmholtz-Resonators kann der Gaskanal frei sein, d. h. keinen helikalen Einbau aufweisen. In der Kavität kann der Schalldämpfer aber auch einen anderen helikalen Einbau als daran angrenzend oder andere Kennwerte des helikalen Einbaus als daran angrenzend aufweisen. So können die gegenläufigen Impedanzsprünge zur Begrenzung der Kavität des Helmholtz-Resonators nicht nur durch das Enden und Wiederbeginnen eines helikalen Einbaus auf beiden Seiten der Kavität gesetzt werden, sondern auch durch gegenläufige Änderungen der Steigung und/oder des Durchmessers des mindestens einen helikalen Einbaus.
Konkret kann der mindestens eine helikale Einbau einschließlich einer ihn umschließenden Wandung des Gaskanals mindestens zwei lokale Einschnürungen oder mindestens eine lokale Aufweitung aufweisen. Eine Einschnürung besitzt - akustisch betrachtet - die Wirkung einer trägen Masse, deren Impedanz für hohe Frequenzen sehr groß wird. Es werden also insbesondere die hohen Frequenzen von einer solchen Einschnürung nicht durchgelassen. Zwischen zwei solcher Einschnürungen wird erfindungsgemäß ein Helmholtz-Resonator ausgebildet. Gegenüber einem herkömmlichen Helmholtz-Resonator bewirkt der helikale Einbau eine verringerte Verlustleistung des durch die Einschnürungen strömenden Gases, indem er das Gas durch die Einschnürung führt und damit insbesondere turbulente Verwirbelungen des Gases hinter der Einschnürung verhindert. Eine Aufweitung wirkt hingegen wie eine Feder, ist also bei tiefen Frequenzen sehr hochohmig. Hier verhindert der helikale Einbau eine verlustleistungsbehaftete Verwirbelung des in die Aufweitung einströmenden Gases. Ein Helmholtz-Resonator kann bereits innerhalb einer solchen Aufweitung zwischen deren Flanken ausgebildet werden.
Der Gaskanal des neuen Schalldämpfers kann eine kreisförmige Querschnittsfläche aufweisen, die von dem mindestens einen helikalen Einbau mit einer zweigängigen Helix überspannt wird. Bei einer kreisförmigen Querschnittsfläche des Gaskanals ist eine Einfachhelix zur Ausbildung des helikalen Einbaus in aller Regel unzureichend, da diese nahe Ihrer Achse einen von ihr nahezu unbeeinflussten Durchtrittsbereich für Schallwellen belässt.
Wenn jedoch der Gaskanal eine ringförmige Querschnittsfläche aufweist, reicht es aus, wenn diese von dem helikalen Einbau mit mindestens einer Schraubenwendel überspannt wird.
Bei dem neuen Schalldämpfer können auch mehrere Gaskanäle vorgesehen sein, auf die sich das strömende Gas aufteilt. Dabei kann einer dieser Gaskanäle eine kreisförmige Querschnittsfläche und ein anderer dieser Gaskanäle eine darum liegende ringförmige Querschnittsfläche aufweisen.
In allen dieser Gaskanäle des neuen Schalldämpfers sind dabei typischerweise Helmholtz-Resonatoren mittels helikaler Einbauten ausgebildet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des neuen Schalldämpfers ist dieser als Zweikreisresonanzabsorber ausgelegt, in dem in zwei Gaskanälen, auf die sich das strömende
Gas aufteilt, auf gleiche Frequenzen der anregenden Schallwellen abgestimmte Helmholtz-Resonatoren vorgesehen sind, von denen der oder die Helmholtz-Resonatoren in dem einen Gaskanal als akustischer Parallelkreis und der oder die Helmholtz-Resonatoren in dem anderen Gaskanal als akustischer Serienkreis ausgelegt sind. Damit findet ein Zweikreisresonanzabsorber, wie er grundsätzlich bereits aus der DE 195 33 623 B4 bekannt ist, erstmals bei einem gasdurchströmten System Anwendung, bei dem das Gas durch die Helmholtz-Resonatoren selbst strömt.
Grundsätzlich können auch in einem Gaskanal mehrere Helmholtz-Resonatoren hintereinander ausgebildet sein. Dies ist zum Beispiel bevorzugt, um Schallwellen mit einer besonders störenden Hauptschallfrequenz möglichst vollständig zu dämpfen. In diesem Fall sind dann alle oder zumindest mehrere der hintereinander angeordneten Helmholtz-Resonatoren auf eben diese Hauptschallfrequenz abzustimmen. Grundsätzlich können hintereinander geschaltete Helmholtz- Resonatoren auch auf unterschiedliche Frequenzen abgestimmt sein, wobei für jede Frequenz dann wiederum mehrere Helmholtz-Resonatoren vorgesehen sein können.
Darüber hinaus ist es grundsätzlich möglich, dass der mindestens eine helikale Einbau des neuen Schalldämpfers aktiv verformbar ist. Diese aktive Verformbarkeit kann einerseits genutzt werden, um einen mit Hilfe des helikalen Einbaus ausgebildeten Helmholtz-Resonators zu verstimmen. Daneben besteht im quasistatischen Bereich die Möglichkeit, die an dem helikalen Einbau auftretenden Impedanzsprünge zu variieren. Es ist aber auch eine aktive Erzeugung von Antischall durch aktive dynamische Verformung des helikalen Einbaus möglich, um zusätzlich zu der passiv absorbierenden Funktion der Helmholtz-Resonatoren einen aktiv schalldämpfenden Effekt bereitzustellen.
Während es zur Begrenzung der Kavität eines Helmholtz-Resonators in dem neuen Schalldämpfer sinnvoll ist, die Impedanz für die sich in dem durchströmenden Gas ausbreitenden Schallwellen möglichst sprungartig zu ändern, sollten die Schallwellen an den Enden, vor allem am Eingang des neuen Schalldämpfers nicht unnötig reflektiert werden. Ein reflexionsarmer, weicher Impedanzübergang wird bei dem erfindungsgemäßen Schalldämpfer dadurch erreicht, dass der helikale Einbau an mindestens einem Ende des Schalldämpfers einen Einlauf- oder Auslaufbereich aufweist, indem sich sein Durchmesser in der Strömungsrichtung des Gases stetig von innen an die Wandung des Gaskanals annähert bzw. von dieser entfernt. Die Schallwellen gelangen so nahezu vollständig in den neuen Schalldämpfer und werden dann dort gezielt absorbiert.
Anwendungsmöglichkeiten für den neuen Schalldämpfer gibt es bei allen gasdurchströmten Rohren, bei denen das Gas instationäre Druckschwankungen und insbesondere Schallwellen führt. Solche Rohre gibt es bei Brennkraftmaschinen, Heizungen, wie beispielsweise für die Abluft eines Brenners, Belüftungsanlagen und dergleichen. Insbesondere ist der neue Schalldämpfer dann vorteilhaft einsetzbar, wenn die Schallwellen bzw. instationären Druckschwankungen eine feste Frequenz aufweisen, auf die der Helmholtz-Resonator abstimmbar ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert und beschrieben. In allen Figuren ist dabei jeweils ein Schalldämpfer in einer perspektivischen Seitenansicht mit aufgeschnittener Wandung eines Gaskanals wiedergegeben.

Fig. 1: zeigt einen ersten erfindungsgemäßen Schalldämpfer, bei dem zwei Helmholtz-Resonatoren, die auf gleiche Frequenzen abgestimmt sind, in einem durchströmten Gaskanal ausgebildet sind und dessen Enden für Schallwellen reflexionsarm gestaltet sind.
Fig. 2: zeigt einen erfindungsgemäßen Schalldämpfer, bei dem nur ein Helmholtz-Resonator in einem durchströmten Gaskanal ausgebildet ist. Auch hier sind die Enden des Schalldämpfers für Schallwellen reflexionsarm gestaltet.
Fig. 3: zeigt eine Abwandlung des erfindungsgemäßen Schalldämpfers gemäß Fig. 1, bei der die beiden endseitigen helikalen Einbauten größere Windungszahlen aufweisen als bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1.
Fig.4: zeigt eine Abwandlung des erfindungsgemäßen Schalldämpfers gemäß den Fig. 1 und 3, bei der die endseitigen helikalen Einbauten und der zentrale helikale Einbau in den Gaskanal stark unterschiedliche Steigungen aufweisen.
Fig. 5: zeigt eine Abwandlung des erfindungsgemäßen Schalldämpfers gemäß den Fig. 1 und 3, bei der drei Helmholtz-Resonatoren, die auf gleiche Frequenzen abgestimmt sind, hintereinander in dem Gaskanal ausgebildet sind.
Fig. 6: zeigt eine Abwandlung des erfindungsgemäßen Schalldämpfers gemäß den Fig. 1 und 3, bei dem vier Helmholtz- Resonatoren, die auf gleiche Frequenzen abgestimmt sind, hintereinander in dem Gaskanal ausgebildet sind.
Fig. 7: zeigt eineen Schalldämpfer, bei dem insgesamt sechs Helmholtz- Resonatoren hintereinander in dem Gaskanal ausgebildet sind. Anders als bei den erfindungsgemäßen Schalldämpfern weisen die endseitigen helikalen Einbauten bei dieser Ausführungsform keine Einlauf- bzw. Auslaufbereiche mit geringer Schallreflexion auf.
Fig. 8: zeigt einen erfindungsgemäßen Schalldämpfer, bei dem zwei Helmholtz-Resonatoren durch drei Einschnürungen eines helikalen Einbaus in den Gaskanal samt der Wandung des Gaskanals ausgebildet ist.
Fig. 9: zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schalldämpfers, bei dem ein Helmholtz-Resonator durch eine Ausweitung des Querschnitts des Gaskanals samt des darin vorgesehenen helikalen Einbaus ausgebildet ist.
Fig. 10: zeigt einen erfindungsgemäßen Schalldämpfer mit einer Reihenschaltung eines Helmholtz-Resonators gemäß Fig. 8, eines Helmholtz-Resonators gemäß Fig. 9 und eines weiteren Helmholtz-Resonators gemäß Fig. 8, wobei die Einschnürungen und die Aufweitung weniger stark ausgeprägt sind als in den vorangehenden Fig. 8 und 9.
Fig. 11: zeigt einen Schalldämpfer, bei dem das strömende Gas auf zwei Gaskanäle aufgeteilt wird, in denen jeweils ein Helmholtz-Resonator ausgebildet ist, die auf gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt sind, von denen aber der eine als akustischer Parallelkreis und der andere als akustischer Serienkreis ausgebildet ist.
Fig. 12: zeigt einen Schalldämpfer, bei der in Abwandlung gegenüber Fig. 11 in dem einen Gaskanal mehrere, aber ebenfalls auf dieselbe Resonanzfrequenz abgestimmte Helmholtz-Resonatoren hintereinander vorgesehen sind.

FIGURENBESCHREIBUNG

Ein in Fig. 1 skizzierter Schalldämpfer 1 weist in einem Rohr 2 mit einer Wandung 3 drei helikale Einbauten 4, 5 und 6 auf. Dabei liegt der helikale Einbau 5 zwischen den endseitigen helikalen Einbauten 4 und 6 und weist zu jedem von diesen einen gleichen freien Abstand 7 in Richtung der Rohrachse 8 des Rohrs 2 auf. Jeder der helikalen Einbauten 4-6 besteht aus einer um die Rohrachse 8 verdrillten zweigängigen Helix 9. An den Enden des Schalldämpfers wächst der Durchmesser der zweigängigen Helix 9 der endseitigen helikalen Einbauten 4 und 6 stetig von null auf den Durchmesser des Rohrs 2 an. Überall dort, wo die zweigängige Helix 9 den Durchmesser des Rohrs 2 aufweist, ist sie fest an der Wandung 3 gelagert. Hierdurch sind auch die Abstände 7 fest. Die zweigängigen Helices 9 verleihen einem Innenbereich 10 eines durch das Rohr 2 führenden und durch dessen Wandung 3 begrenzten Gaskanals 11 einen schraubenförmigen Verlauf. Dabei grenzt jede der zweigängigen Helices 9 zwei schraubenförmig verlaufende Teilinnenbereichen 12 des Gaskanals 8 gegeneinander ab. Für eine Gasströmung längs der Rohrachse 8 durch den Gaskanal 11 bedeuten die helikalen Einbauten 4-6 zwar eine Erhöhung des Strömungswiderstands. Diese Erhöhung des Strömungswiderstands fällt jedoch vergleichsweise klein aus. Für sich in dem strömenden Gas ausbreitende Schallwellen bedeuten die helikalen Einbauten 4-6 hingegen eine starke Variation der Impedanz. Diese Variation ist an den Enden des Schalldämpfers 1 durch die sich dort stetig ändernden Durchmesser der zweigängigen Helices stetig. Dort, wo die helikalen Einbauten 4-6 jedoch abrupt enden, d. h. auf beiden Seiten beider Abstände 7, treten Impedanzsprünge auf. Auf diese Weise werden bei dem Schalldämpfer 1 zwei Helmholtz-Resonatoren 13 ausgebildet, deren Hohlräume oder Kavitäten 14 dem freien Rohrquerschnitt längs der Abstände 7 entsprechen. Beide Helmholtz-Resonatoren 13 sind durch die gleichen Abstände 7 auf gleiche Frequenzen abgestimmt, wobei es sich um eine Hauptschallfrequenz handelt, die in dem durch den Gaskanal 11 strömenden Gas auftritt. Schallwellen mit dieser Hauptschallfrequenz wird von den Helmholtz-Resonatoren 13 Energie entzogen, die letztlich in Wärme umgesetzt wird. Dies geschieht unter im Vergleich zu dem Wirkungsgrad der Schalldämpfung nur minimaler Beeinträchtigung der Gasströmung, d. h. mit minimalem Strömungswiderstand für das strömende Gas.
Die Ausführungsform des Schalldämpfers 1 gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. 1 dadurch, dass nur ein Helmholtz-Resonator 13 ausgebildet ist, in dem kein zusätzlicher helikaler Einbau zwischen den helikalen Einbauten 4 und 6 vorgesehen ist. Zudem sind die geometrischen Verhältnisse bei den helikalen Einbauten 4 und 6 anders als in Fig. 1, indem deren Windungszahlen größer und die endseitigen Einlauf- bzw. Auslaufbereiche, in denen sich der Durchmesser der zweigängigen Helices 9 stetig von null bis auf den Durchmesser des Rohrs 2 erweitert, länger gestreckt sind. Die Frequenz, auf die der jeweilige Schalldämpfer 1 abgestimmt ist, hängt im Wesentlichen von der Länge der Kavität 14 seiner Helmholtz-Resonatoren 13 ab, d. h. von dem Abstand 7. Diese Länge muss so abgestimmt sein, dass sich hier stehende Wellen mit der Wellenlänge der interessierenden Hauptschalffrequenz ausbilden können. D. h., es kommt nicht allein auf den geometrischen Abstand 7 sondern auch auf die Schallausbreitungsgeschwindigkeit innerhalb des Gaskanals 10 und damit auf das davon geführte Gas sowie dessen Zustand an.
Der Schalldämpfer 1 gemäß Fig. 3 entspricht wieder im Wesentlichen Fig. 1, d. h. es ist wieder ein zusätzlicher helikaler Einbau 5 vorhanden. Die geometrischen Daten des Schalldämpfers 1 sind jedoch gegenüber Fig. 1 variiert.
Der Schalldämpfer 1 gemäß Fig. 4 unterscheidet sich von denjenigen gemäß den Fig. 1 und 3 wieder durch seine geometrischen Abmessungen. Während jedoch bislang alle zweigängigen Helices 9 bei den helikalen Einbauten 4 bis 6 die gleiche Steigung aufwiesen, ist hier bei dem helikalen Einbau 5 eine stark nach oben abweichende Steigung vorgesehen. Auf diese Weise kann ein weiterer Helmholtz-Resonator 15 ausgebildet werden, dessen Kavität sich längs der schraubenförmigen Teilinnenbereiche 12 im Bereich des helikalen Einbaus 5 erstreckt. Grundsätzlich ist die Ausbildung eines solchen weiteren Helmholtz-Resonators 15 bei allen helikalen Einbauten 4-6 denkbar. Allerdings ist die Dämpfung innerhalb der helikalen Einbauten 4-6 bei kleinerer Steigung der zweigängigen Helices 9 für die Ausbildung eines wirksamen Resonators schnell zu groß. Bei den bisher gezeigten endseitigen helikalen Einbauten 4 und 6 wird die Funktion als Helmholtz-Resonator zudem durch den auslaufenden Durchmesser der zweigängigen Helices 9 behindert, weil dieser einen fließenden Impedanzübergang und keinen Impedanzsprung bedeutet. Ein fließender Impedanz-Übergang reflektiert Schallwellen in dem Gas innerhalb des Gaskanals 11 nicht und ist daher zur Begrenzung der Kavität eines Helmholtz-Resonators ungeeignet. Bei dem Schalldämpfer 1 dient dieser fließende Übergang gezielt dazu, die Schallwellen zunächst ungehindert in den Schalldämpfer 1 eintreten zu lassen, um sie dann dort zu absorbieren.
Der Schalldämpfer 1 gemäß Fig. 5 weist wieder bei allen helikalen Einbauten 4-6 gleiche Steigungen der zweigängigen Helices 9 auf. Jetzt sind jedoch zwei helikale Einbauten 5 zwischen den endseitigen helikalen Einbauten 4 und 6 vorgesehen. Auch zwischen diesen helikalen Einbauten 5 liegt derselbe Abstand 7 wie zu den helikalen Einbauten 4 und 6 vor. Entsprechend sind hier drei Helmholtz-Resonatoren 13 ausgebildet. Je nach Ausgestaltung der helikalen Einbauten 5 können auch in deren Bereichen grundsätzlich zusätzliche Helmholtz-Resonatoren 15 (hier nicht eingezeichnet) ausgebildet sein.
Der Schalldämpfer 1 gemäß Fig. 6 weist noch einen weiteren mittleren helikalen Einbau 5 auf, so dass hier insgesamt vier Helmholtz-Resonatoren 13 zwischen den helikalen Einbauten 4-6 ausgebildet sind. Zudem ist hier die Steigung der zweigängigen Helices 9 der helikalen Einbauten 5 deutlich kleiner als bei den zweigängigen Helices 9 der endseitigen helikalen Einbauten 4 und 6.
Fig. 7 zeigt einen Schalldämpfer 1, bei dem zum einen mit Hilfe von insgesamt fünf mittleren helikalen Einbauten 5 zwischen den endseitigen helikalen Einbauten 4 und 6 sechs Helmholtz-Resonatoren über die freien Abstände 7 ausgebildet sind, und bei dem zum anderen die endseitigen helikalen Einbauten 4 und 6 abrupt, d. h. mit vollem Durchmesser ihrer zweigängigen Helices 9 enden. Auf diese Weise wird auch an den Enden des Schalldämpfers 1 ein Impedanzsprung ausgebildet. Entsprechend kann auch hier innerhalb jedes helikalen Einbaus 4-6 ein zusätzlicher Helmholtz-Resonator 15 ausgebildet sein.
Fig. 8 skizziert einen Schalldämpfer 1, in dessen Rohr 2 nur ein einziger helikaler Einbau 4 vorgesehen ist. Dieser helikale Einbau 4 läuft an beiden Enden des Schalldämpfers 1 mit zu der Rohrachse 8 stetig abnehmenden Durchmesser seiner zweigängigen Helix 9 aus, um dort reflexionsarme Übergange auszubilden. Zur Ausbildung von zwei Helmholtz-Resonatoren 16 weisen der helikale Einbau 4 und das Rohr 2 drei gemeinsame Einschnürungen 17 auf. Die Einschnürungen wirken akustisch betrachtet wie träge Massen, deren Impedanz für hohe Frequenzen sehr groß wird, so das hochfrequente Schallwellen zwischen ihnen reflektiert werden.
Bei dem Schalldämpfer 1 gemäß Fig. 9 weisen das Rohr 2 und der helikale Einbau 4 statt der Einschnürungen 17 gemäß Fig. 8 eine Aufweitung 19 zur Ausbildung eines Helmholtz-Resonators 18 zwischen deren Flanken 20 auf. Die ganze Aufweitung 19 wirkt zudem wie eine Feder.
Bei der Ausführungsform des Schalldämpfers 1 gemäß Fig. 10 sind Einschnürungen 17 gemäß Fig. 8 und die Aufweitung 19 gemäß Fig. 9 kombiniert, um verschiedene Helmholtz-Resonatoren 16 und 18 auszubilden.
Mit den Schalldämpfern 1 gemäß den Fig. 11 und 12 wird das grundsätzlich aus der DE 195 33 623 B4 bekannte Prinzip eines Zweikreisresonanzabsorbers mit einem akustischen Serienkreis und einem akustischen Parallelkreis auf einen Schalldämpfer für ein strömendes Gas angewandt. Hierzu wird das Gas auf zwei Gaskanäle 21 und 22 aufgeteilt, wobei der Gaskanal 21 ein Ringkanal ist, der zwischen dem Rohr 2 und einem Innenrohr 23 verläuft, während der Gaskanal 22 durch das Innenrohr 23 verläuft. Die Innenbereiche 24 und 25 der Gaskanäle 21 und 22 werden hier jeweils durch helikale Einbauten 26 und 27 zu Schraubengängen geformt. Hierbei sind nur die helikalen Einbauten 27 in dem Innenrohr 23 zwingend zweigängige Helices9. Die helikalen Einbauten 6 in dem ringförmigen Gaskanal 21 können auch Einfachhelices sein, wie dies hier dargestellt ist. Mit den helikalen Einbauten 26 und 27 werden in beiden Gaskanälen 21 und 22 Helmholtz-Resonatoren 28 und 29 ausgebildet, wobei hier jedoch die Reihenfolge von helikalen Einbauten 26 bzw. 27 und deren freien Abständen zwischen den Gaskanälen 21 und 22 vertauscht ist. D. h., an den Enden des Gaskanals 21 liegen helikale Einbauten und an den Enden des Gaskanals 22 liegen Freiräume. Den akustischen Parallelkreis bildet dabei der Gaskanal 22, der die endseitigen Freiräume aufweist. Diese bilden akustische Federn aus, während die helikalen Einbauten 26 und 27 akustischen Massen entsprechen. Bei den skizzierten Zweikreisresonanzabsorbern wird eine besonders hohe Absorptionsleistung bei der Hauptschallfrequenz erreicht, auf die die einzelnen Helmholtz-Resonatoren 28 und 29 abgestimmt sind. Die beiden Ausführungsformen des Schalldämpfers gemäß den Fig. 11 und 12 unterscheiden sich durch den geometrischen Aufbau der helikalen Einbauten 26 und 27.

BEZUGSZEICHENLISTE

1: Schalldämpfer
2: Rohr
3: Wandung
4: helikaler Einbau
5: helikaler Einbau
6: helikaler Einbau
7: Abstand
8: Rohrachse
9: zweigängige Helix
10: Innenbereich des Gaskanals 11
11: Gaskanal
12: Teilungen
13: Helmholtz-Resonator
14: Kavität
15: Helmholtz-Resonator
16: Helmholtz-Resonator
17: Einschnürung
18: Helmholtz-Resonator
19: Aufweitung
20: Flanke
21: Gaskanal
22: Gaskanal
23: Innenrohr
24: Innenbereich des Gaskanals 11 ohne den Innenbereich des Innenrohrs 23
25: Innenbereich des Innenrohrs 23
26: helikaler Einbau
27: helikaler Einbau
28: Helmholtz-Resonator
29: Helmholtz-Resonator

Claims

Schalldämpfer (1) für sich in einem strömenden Gas ausbreitende Schallwellen, mit mindestens einem von einem Gas durchströmten Gaskanal (11, 21, 22), in dem mindestens ein helikaler Einbau (4-6, 26, 27) vorgesehen ist, der einem Innenbereich (10, 24, 25) des Gaskanals (11) einen schraubenförmigen Verlauf verleiht, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des mindestens einen helikalen Einbaus (4-6, 26, 27) ein Helmholtz-Resonator (13, 15, 16, 18, 28, 29) in dem Gaskanal (11) ausgebildet ist, der eine Kavität (14) aufweist, die in der Strömungsrichtung des Gases durch gegenläufige Impedanzsprünge für die sich in dem Gas ausbreitenden Schallwellen begrenzt ist, und der von den sich in dem strömenden Gas ausbreitenden Schallwellen angeregt wird, so dass Energie von einer durchlaufenden Schallwelle gefangen wird, deren Wellenlänge zu der Länge der Kavität passt, und dass der helikale Einbau (4) an mindestens einem Ende des Schalldämpfers (1) einen Einlauf- oder Auslaufbereich aufweist, in dem sich sein Durchmesser in der Strömungsrichtung des Gases stetig von innen an die Wandung (3) des Gaskanals (11) annähert bzw. von dieser entfernt.
Schalldämpfer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenläufigen Impedanzsprünge durch gegenläufige Änderungen der Steigung und/oder des Durchmessers des mindestens einen helikalen Einbaus (4-6, 26, 27) bereitgestellt werden.
Schalldämpfer (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine helikale Einbau (4) einschließlich einer ihn umschließenden Wandung (3) des Gaskanals (11) mindestens eine lokale Einschnürung (17) oder Aufweitung (19) aufweist.
Schalldämpfer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kavität (14) kein helikaler Einbau angeordnet ist.
Schalldämpfer (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskanal (11, 22) eine kreisförmige Querschnittsfläche aufweist, die von dem mindestens einen helikalen Einbau (4-6, 27) mit einer zweigängigen Helix (9) überspannt wird.
Schalldämpfer (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskanal (21) eine ringförmige Querschnittsfläche aufweist, die von dem helikalen Einbau (27) mit mindestens einer Schraubenwendel überspannt wird.
Schalldämpfer (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Gaskanäle (21, 22) vorgesehen sind, auf die sich das strömende Gas aufteilt.
Schalldämpfer (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in allen Gaskanälen (21, 22) Helmholtz-Resonatoren (28, 29) mittels helikaler Einbauten (26, 27) ausgebildet sind.
Schalldämpfer (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in allen Gaskanälen (21, 22) auf gleiche Frequenzen der anregenden Schallwellen abgestimmte Helmholtz-Resonatoren (28, 29) vorgesehen sind, von denen mindestens einer als akustischer Parallelkreis und einer als akustischer Serienkreis ausgelegt ist.
Schalldämpfer (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gaskanal (11, 21, 22) mehrere Helmholtz-Resonatoren (13, 15, 16, 18, 28, 29) hintereinander vorgesehen sind.
Schalldämpfer (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Helmholtz-Resonatoren (13, 15, 16, 18, 28, 29) alle auf eine einzige Hauptschallfrequenz oder wenige diskrete Hauptschallfrequenzen abgestimmt sind.
Schalldämpfer (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine helikale Einbau (4-6, 26, 27), insbesondere durch Integration von Funktionswerkstoffen, aktiv verformbar ist.
Gasdurchströmtes Rohr (2), insbesondere bei einer Brennkraftmaschine, einer Heizung oder einer Belüftungsanlage, mit einem Schalldämpfer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.