WO2000036240A1 - Strukturierte formkörper zur schallabsorption - Google Patents

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broadband sound
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Gerhard Babuke
Philip Leistner
Helmut Fuchs
Xueqin Zha
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    • E04B—GENERAL BUILDING CONSTRUCTIONS; WALLS, e.g. PARTITIONS; ROOFS; FLOORS; CEILINGS; INSULATION OR OTHER PROTECTION OF BUILDINGS
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    • E04B1/62—Insulation or other protection; Elements or use of specified material therefor
    • E04B1/74—Heat, sound or noise insulation, absorption, or reflection; Other building methods affording favourable thermal or acoustical conditions, e.g. accumulating of heat within walls
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    • E04B2001/8414—Sound-absorbing elements with non-planar face, e.g. curved, egg-crate shaped
    • E04B2001/8419—Acoustical cones or the like, e.g. for anechoic chambers

Definitions

  • the invention relates to moldings according to the preamble of claim 1 made of open-cell foam with a comparatively firm skeleton which resonates at low frequencies as a broadband sound-absorbing wall lining.
  • Structured sound-absorbing wall linings are known for use in acoustic free-field spaces, which consist of porous material and essentially have a wedge-shaped or pyramid-shaped geometry [1, 2, 3, 4]. This external geometry is realized both by compact shaped bodies [1, 2, 3] and by layers or other elements [4].
  • the acoustic classification [I] of these wall linings is mainly based on a frequency-independent high degree of absorption with perpendicular sound. The lower limit frequency from which this high level of absorption is reached is of particular importance, since it determines the total thickness of the wall lining.
  • the relation applies that the lining thickness corresponds to approximately a quarter of the wavelength of the lower limit frequency if an absorption level of 99% is required. This results in a lining thickness of approx. 0.85 m for a lower limit frequency of 100 Hz. In view of this size, it becomes clear that shortening the lining by approx. 40% while maintaining the same high absorption saves on the one hand construction volume or on the other hand increases the measuring radius in the room [5].
  • the object of the invention is to design the moldings according to the prior art with constant acoustic properties so that the overall depth can be less. This object is achieved by claim 1. Advantageous refinements are characterized in the subclaims.
  • the moldings consist of a wall-side, level base layer of a certain thickness as well as a column structure positioned directly in front of it with a certain height and cross-section distribution in the manner of broadband damper gaps, whereby advantageously the maximum column height corresponds approximately to the base thickness and the pillars on the room side and the damper column on the base side one-sided have an oblique cut.
  • the moldings according to the invention consist of open-cell foam with a comparatively firm skeleton which resonates at low frequencies, such as the melamine resin foam Basotect®.
  • the sound absorption of this material is determined on the one hand by its porosity, ie by the friction-related conversion of sound into thermal energy.
  • the comparatively rigid skeleton surrounding the open pores acts like an acoustic mass, the movement or deformation of which represents a further, resonance-like absorption mechanism. This resonance significantly increases the absorption at low frequencies, whereby the resonance frequency shifts to low frequencies with increasing layer thickness.
  • the starting point of the moldings according to the invention is therefore a flat base layer (1) of thickness H1 (between 200 and 500 mm, preferably 250 mm) made of such foam, as shown in FIG. 1, which, in contrast to foam layers with negligible skeletal vibrations, has a degree of absorption at low frequencies of almost 1.
  • An example is a 250 mm thick Basotect® plate that already absorbs 99% of the vertically incident sound energy at approx. 125 Hz (Fig. 9).
  • the sound absorption is due to the flow resistance in connection with the thickness of the foam.
  • a range with up to 15% reduced sound absorption occurs between these two highly absorbing frequency ranges.
  • a coordinated arrangement of foam columns (2) follows in front of the base layer (1) in the molded articles according to the invention.
  • H2 in the order of H1 and rectangular cross-sectional areas (D1, D2, B1, B2 according to FIG. 1 between 50 and 200 mm, so that D1 + D2 and B1 + B2 preferably result in 250 mm
  • these columns delimit rectangular hollow chambers in the manner of damper columns (FIG. 2), which end on one side at the base layer (1) and on the other Open side into the room.
  • the dimensioning of this damper column depends on the frequency range in which the base layer (1) alone has too little sound absorption.
  • the main design parameters for damper gaps are their length and the thickness of the side damping layer.
  • a suitable column geometry results in a column height of approx. 250 mm and a column cross section of approx. 125 mm x 125 mm.
  • the further optimization of the shaped bodies according to the invention expressly includes different or changing column cross sections and thus an asymmetrical design of the damper column.
  • the foam columns are cut on one side (3) to avoid an abrupt impedance transition on the lining surface.
  • the cutting angle (w) according to FIG. 3 is approximately 35 ', based on the wall plane.
  • An advantageous embodiment of the moldings according to the invention is their combination with a composite plate resonator (4) [6], which is also used in flat sound-absorbing wall linings [7] in order to expand the frequency range with high sound absorption at low frequencies.
  • the base layer (1) is connected on the back, for example by means of an adhesive, to the oscillating plate of the composite plate resonator (FIG. 4).
  • Further practical configurations of the shaped bodies according to the invention are acoustically permeable covers (6) made of fleece, fabric or perforated sheet for mechanical protection of the lining (FIG. 5).
  • the moldings according to the invention manage with a significantly (approx. 40%) lower overall depth.
  • the moldings according to the invention are inherently stable or self-supporting and do not require any supporting structure.
  • a rear adhesive connection on the room wall is sufficient.
  • the shaped articles according to the invention are cut from the typical blanks (foam blocks with a size of 1.25 mx 1 mx 2.5 m or panels with a size of 1.25 mx 1 m) in such a way that there is no waste or waste, as shown in FIG. 10 .
  • FIG. 7 An example of a comparison of the shaped bodies according to the invention (FIG. 7) with conventional structured wall absorbers (FIG. 8) illustrates the savings in overall depth with a simultaneously increased measured sound absorption (FIG. 9), especially at low frequencies. 6. Description of the pictures
  • Fig. 1 Structure of the molded body according to the invention, consisting of the base layer (1) and the column arrangement (2) with an oblique cut on the room side (3)
  • Fig. 8 Exemplary conventional wall covering made of mineral wool panels (total thickness 650 mm)
  • FIG. 9 Comparison of the measured degrees of absorption with vertical sound incidence of the shaped bodies according to the invention according to FIG. 7 with a conventional wall lining according to FIG. 8
  • N.N Low-reflection sound measuring rooms for industry and research. (Company material), G + H Montage GmbH, 1992.

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Abstract

Die Erfindung betrifft strukturierte Formkörper als Wandauskleidung zur breitbandigen Schallabsorption, bestehend aus offenzelligem Schaumstoff mit festem und bei tiefen Frequenzen resonanzartig mitschwingendem Skelett und zeichnet sich dadurch aus, daß vor bzw. auf einer wandseitigen, ebenen Sockelschicht (1) mit einer in Abhängigkeit von den Parametern der Schicht einstellbaren Skelettresonanz eine Säulenstruktur (2) mit unsymmetrischer Höhen- und Querschnittverteilung nach Art breitbandig abgestimmter Dämpferspalte vorgesehen ist, wobei die Säulenhöhe etwa der Sockeldichte entspricht.

Description

Strukturierte Formkörper zur Schallabsorption
1. Gegenstand der Erfindung
Die Erfindung betrifft Formkörper gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus offenzelligem Schaumstoff mit vergleichsweise festem und bei tiefen Frequenzen resonanzartig mitschwingendem Skelett als breitbandig schallabsorbierende Wandauskleidung.
2. Stand der Technik
Für den Einsatz in akustischen Freifeldräumen sind strukturierte schallabsorbierende Wandauskleidungen bekannt, die aus porösem Material bestehen und im wesentlichen eine keil- oder pyramidenförmige Geometrie [1 , 2, 3, 4] aufweisen. Diese äußere Geometrie wird dabei sowohl durch kompakte Formkörper [1 , 2, 3] als auch durch Schichten oder andere Elementierung [4] realisiert. Die akustische Klassifizierung [I] dieser Wandauskleidungen orientiert sich hauptsächlich an einem frequenzunabhängig hohen Absorptionsgrad bei senkrechtem Schalleinfall. Die untere Grenzfrequenz, ab der dieses hohe Absorptionsniveau erreicht wird, ist dabei von besonderer Bedeutung, da sie die Gesamtdicke der Wandauskleidung bestimmt. Bei konventionell strukturierten Auskleidungen gilt die Relation, daß die Auskleidungsdicke ca. einem Viertel der Wellenlänge der unteren Grenzfrequenz entspricht, wenn ein Absorptionsgrad von 99% gefordert ist. Daraus ergibt sich für eine untere Grenzfrequenz von 100 Hz eine Auskleidungsdicke von ca. 0,85 m. Angesichts dieser Größe wird deutlich, daß eine Verkürzung der Auskleidung um ca. 40% bei unverändert hoher Absorption einerseits Bauvolumen spart oder andererseits den Meßradius im Raum vergrößert [5].
Aufgabe der Erfindung ist es die Formkörper nach dem Stand der Technik bei gleichbleibenden akustischen Eigenschaften so zu gestalten, daß die Bautiefe geringer sein kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Formkörper bestehen aus einer wandseitigen, ebenen Sockelschicht bestimmter Dicke sowie aus einer unmittelbar davor positionierten Säulenstruktur mit einer bestimmten Höhen- und Querschnittverteilung nach Art breitbandig abgestimmter Dämpferspalte, wobei vorteilhafterweise die maximale Säulenhöhe etwa der Sockeldicke entspricht und die Säulen raumseitig sowie die Dämpferspalte sockelseitig einen einseitig schrägen Zuschnitt aufweisen.
3. Beschreibung
Die erfindungsgemäßen Formkörper bestehen aus offenzelligem Schaumstoff mit vergleichsweise festem und bei tiefen Frequenzen resonanzartig mitschwingendem Skelett, wie z.B. der Melaminharzschaum Basotect®. Die Schallabsorption dieses Materials wird einerseits durch seine Porosität, d.h. durch die reibungsbedingte Umwandlung von Schallin Wärmeenergie bestimmt. Andererseits wirkt das vergleichsweise starre, die offenen Poren umgebende Skelett wie eine akustische Masse, deren Bewegung bzw. Verformung einen weiteren, resonanzartigen Absorptionsmechanismus repräsentiert. Diese Resonanz erhöht deutlich die Absorption bei tiefen Frequenzen, wobei sich die Resonanzfrequenz mit ansteigender Schichtdicke zu tiefen Frequenzen verschiebt. Ausgangspunkt der erfindungsgemäßen Formkörper ist deshalb eine ebene Sockelschicht (1 ) der Dicke H1 (zwischen 200 und 500 mm, vorzugsweise 250 mm) aus derartigem Schaumstoff, wie in Fig. 1 dargestellt, die im Gegensatz zu Schaumstoffschichten mit vernachlässigbaren Skelettschwingungen bei tiefen Frequenzen einen Absorptionsgrad von nahezu 1 aufweist. Als Beispiel sei eine 250 mm dicke Basotect®-Platte genannt, die bei ca. 125 Hz bereits 99% der senkrecht einfallenden Schallenergie absorbiert (Fig.9). Im Bereich mittlerer und hoher Frequenzen geht die Schallabsorption auf den Strömungswiderstand in Verbindung mit der Dicke des Schaumstoffs zurück. Je nach Schichtdicke tritt jedoch zwischen diesen beiden hochabsorbierenden Frequenzbereichen ein Bereich mit um bis zu 15% verringerter Schallabsorption auf. Um diese Verringerung auszugleichen, schließt sich bei den erfindungsgemäßen Formkörpern eine abgestimmte Anordnung von Schaumstoffsäulen (2) vor der Sockelschicht (1 ) an. Mit bestimmter Länge H2 (in der Größenordnung von H1 und rechteckigen Querschnittsflächen (D1 , D2, B1 , B2 nach Fig. 1 zwischen 50 und 200 mm, so daß D1 +D2 und B1+B2 vorzugsweise 250 mm ergeben) begrenzen diese Säulen rechteckige Hohlkammern nach Art von Dämpferspalten (Fig. 2), die auf einer Seite an der Sockelschicht (1 ) enden und auf der anderen Seite offen in den Raum münden. Die Dimensionierung dieser Dämpferspalte richtet sich nach dem Frequenzbereich, in dem die Sockelschicht (1 ) allein zu geringe Schallabsorption aufweist. Wesentliche Auslegungsparameter für Dämpferspalte sind deren Länge und die Dicke der seitlichen Dämpfungsschicht. Bei der beispielhaften 250 mm dicken Basotect®-Platte ergibt sich als geeignete Säulengeometrie eine Säulenhöhe von ca. 250 mm und ein Säulenquerschnitt von ca. 125 mm x 125 mm. Die weitere Optimierung der erfindungsgemäßen Formkörper schließt ausdrücklich unterschiedliche bzw. wechselnde Säulenquerschnitte und damit eine asymmetrische Gestaltung der Dämpferspalte ein. Am raumseitigen Ende besitzen die Schaumstoffsäulen einen einseitig schrägen Zuschnitt (3), um einen abrupten Impedanzübergang an der Auskleidungsoberfläche zu vermeiden. Der Zuschnittwinkel (w) entsprechend Fig. 3 beträgt ca. 35', bezogen auf die Wandebene. Mit derselben Begründung enden die Dämpferspalte sockelseitig nicht eben, sondern ebenfalls mit dem oben beschriebenen Zuschnitt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Formkörper stellt ihre Kombination mit einem Verbund-Platten-Resonator (4) [6] dar, der auch in ebenen schallabsorbierenden Wandauskleidungen [7] zum Einsatz kommt, um den Frequenzbereich mit hoher Schallabsorption zu tiefen Frequenzen zu erweitern. Im Fall der Kombination mit den erfindungsgemäßen Formkörpern ist die Sockelschicht (1 ) rückseitig, z.B. mittels einer Verklebung mit dem Schwingblech des Verbund-Platten-Resonators verbunden (Fig. 4). Weitere praktische Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Formkörper sind akustisch durchlässige Abdeckungen (6) aus Vlies, Gewebe oder Lochblech zum mechanischen Schutz der Auskleidung (Fig. 5). Diesem Zweck dient die in Fig. 6 gezeigte, akustisch nahezu unwirksame Abflachung (5) der raumseitigen schrägen Zuschnitte (3) um bis zu 30 mm, wodurch eine teilflächige Auflage großer Lochblechkäfige gewährleistet ist. 3. Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Formkörper gegenüber bestehenden strukturierten Wandauskleidungen zur Schallabsorption beziehen sich auf folgende Merkmale:
- Für eine geforderte untere Grenzfrequenz, ab der ein möglichst hoher Schallabsorptionsgrad einzuhalten ist, kommen die erfindungsgemäßen Formkörper mit einer deutlich (ca. 40%) geringeren Bautiefe aus.
- Infolge des starren Schaumstoffskeletts, des gleichzeitig geringen Raumgewichtes (10 kg/m2) und der geringen Bautiefe (von ca. 500 mm) sind die erfindungsgemäßen Formkörper in sich stabil bzw. selbsttragend und bedürfen keinerlei Haltekonstruktion. Zur Befestigung genügt z.B. eine rückseitige Klebeverbindung an der Raumwand.
- Die akustisch nahezu unwirksame Abflachung (5) der raumseitigen schrägen Zuschnitte unterstützt die Verwendung von Abdeckungen (6), wie z.B. Lochbleche, so daß eine raumseitig geschützte, ebene Auskleidungsfläche entsteht.
- Ein Rieseischutz, wie etwa bei Wandauskleidungen aus faserigem Material ist nicht erforderlich.
- Es bestehen zahlreiche Möglichkeiten, die Herstellung der erfindungsgemäßen Formkörper zu optimieren, da sich das faserfreie Material einerseits in beliebigen Maßen vorfertigen und andererseits einfach installieren läßt.
- Der Zuschnitt der erfindungsgemäßen Formkörper aus den typischen Rohlingen (Schaumstoffblöcke mit 1 ,25 m x 1 m x 2,5 m bzw. Platten mir 1 ,25 m x 1 m Grundfläche) erfolgt so, daß kein Verschnitt oder Abfall entsteht, wie Fig. 10 zeigt.
Ein beispielhafter Vergleich der erfindungsgemäßen Formkörper (Fig. 7) mit konventionellen strukturierten Wandabsorbern (Fig. 8) verdeutlicht die Einsparung an Bautiefe bei gleichzeitig erhöhter gemessener Schallabsorption (Fig. 9) insbesondere bei tiefen Frequenzen. 6. Beschreibung der Bilder
Fig. 1 : Aufbau der erfindungsgemäßen Formkörper, bestehend aus der Sockelschicht (1 ) und der Säulenanordnung (2) mit raumseitig schrägem Zuschnitt (3)
Fig. 2: Beispielhafte Zusammenfassung der erfindungsgemäßen Formkörper zu einer großflächigen Wandauskleidung
Fig. 3: Aufbau der erfindungsgemäßen Formkörper mit dem Winkel w des einseitig schrägen Zuschnitts (3)
Fig. 4: Kombination der erfindungsgemäßen Formkörper mit einem Verbund-Platten- Resonator (4)
Fig. 5: Aufbau der erfindungsgemäßen Formkörper mit der raumseitigen Abflachung (5) der einseitig schräg zugeschnittenen Säulenanordnung (2)
Fig. 6: Aufbau der erfindungsgemäßen Formkörper mit der raumseitigen Schutzabdeckung (6)
Fig. 7: Beispielhafte erfindungsgemäße Formkörper (Gesamtdicke 520 mm)
Fig. 8: Beispielhafte konventionelle Wandauskleidung aus Mineralwolleplatten (Gesamtdicke 650 mm)
Fig. 9: Gegenüberstellung der gemessenen Absorptionsgrade bei senkrechtem Schalleinfall der erfindungsgemäßen Formkörper nach Fig. 7 mit einer konventionellen Wandauskleidung nach Fig. 8
Fig. 10: Darstellung des verschnittfreien Zuschnitts der erfindungsgemäßen Formkörper 7. Literatur
[1 ] DIN 45635, Teil 1 , Anhang B 1 .2
[2] N.N.: Refiexionsarme Schallmeßraume für Industrie und Forschung. (Firmenmaterial), G+H Montage GmbH, 1992.
[3] US 5780785, Acoustic absorption device and an assembly of such device
[4] Rother, P.; Nutsch, J.: Prinzip und Anwendung einer neuartigen Wandverkleidung für reflexionsarme Räume. 4th Intern. Congress on Acoustics (ICA), Kopenhagen 1962, S. M44.
[5] Babuke, G.; Fuchs, H. V.; Teige, K.; Pfeiffer, G.: Kompakte reflexionsarme Auskleidung für kleine Meßräume. Bauphysik 20 (1998), H. 5, S. 157-165.
[6] DE 1950651 1 , Verbund-Platten-Resonator
[7] DE 19738757, Reflexionsarme Raumsauskleidung für den gesamten Hörbereich

Claims

Patentansprüche
1. Strukturierte Formkörper als Wandauskleidung zur breitbandigen Schallabsorption, bestehend aus offenzelligem Schaumstoff mit festem und bei tiefen Frequenzen resonanzartig mitschwingenden Skelett, dadurch gekennzeichnet, daß vor bzw. auf einer wandseitigen, ebenen Sockelschicht (1 ) mit einer in Abhängigkeit von den Parametern der Schicht einstellbaren Skelettresonanz eine Säulenstruktur (2) mit unsymmetrischer Höhen- und Querschnittverteilung nach Art breitbandig abgeschirmter Dämpferspalte vorgesehen ist, wobei die Säulenhöhe etwa der Sockeldichte entspricht.
2. Strukturierte Formkörper als Wandauskleidung zur breitbandigen Schallabsorption nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper aus einem Melanimharzschaum, oder zu einem Teil aus Melanimharzschaum bestehen.
3. Strukturierte Formkörper als Wandauskleidung zur breitbandigen Schallabsorption nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, die Säulen (2) raumseitig sowie die Dämpferspalte sockelseitig einen einseitig schrägen Zuschnitt (3) aufweist.
4. Strukturierte Formkörper als Wandauskleidung zur breitbandigen Schallabsorption nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der schrägen Zuschnitte (3) vertikal und/oder horizontal abwechselt.
5. Strukturierte Formkörper als Wandauskieidung zur breitbandigen Schallabsorption nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die raumseitigen schrägen Zuschnitte (3), z. B. um bis zu 30 mm, gekürzt und abgeflacht sind.
6. Strukturierte Formkörper als Wandauskleidung zur breitbandigen Schallabsorption nach einem der Ansprüche 1 -5, dadurch gekennzeichnet, daß der schräge Zuschnitt (3) in einem Winkel von etwa 35°, bezogen auf die Wandebene vorgesehen ist.
7. Strukturierte Formkörper als Wandauskleidung zur breitbandigen Schallabsorption nach einem der Ansprüche 1 -6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuschnitte (3) eine teilflächige Auflage von akustisch durchlässigen, ebenen Abdeckungen (6) aus Vlies, Gewebe oder weichem Schaumstoff aufweisen.
8. Strukturierte Formkörper als Wandauskleidung zur breitbandigen Schallabsorption nach einem der Ansprüche 1 -7, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Auskleidung Lochbleche zum mechanischen Schutz der Auskleidung vorgesehen sind, die mittels Distanzhalter an de Raumwand befestigt sind.
9. Strukturierte Formkörper als Wandauskleidung zur breitbandigen Schallabsorption nach einem der Ansprüche 1 -8, dadurch gekennzeichnet, daß die Formkörper durch die Wahl des Materials und/oder der Form selbsttragend ausgebildet sind.
10. Strukturierte Formkörper als Wandauskleidung zur breitbandigen Schallabsorption nach einem der Ansprüche 1 -9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sockelschicht (1 ) rückseitig mittels einer Verklebung auf den Schwingblechen von Verbund-Platten-Resonatoren (4) befestigt ist, wobei zwischen den Schwingblechen ein seitlicher Abstand von ca. 200 mmm vorgesehen ist.
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