WO2005083676A1

WO2005083676A1 - Akustischer absorber

Info

Publication number: WO2005083676A1
Application number: PCT/DE2005/000240
Authority: WO
Inventors: Peter Borne
Original assignee: Wilhelm Karmann Gmbh
Priority date: 2004-02-25
Filing date: 2005-02-11
Publication date: 2005-09-09
Also published as: DE102004009080B4; DE102004009080A1; EP1721310A1

Abstract

Es wird ein akustischer Absorber (10) mit einem Kern (11) aus einem Hohlräume (12) aufweisenden Material, wobei der Kern (11) zumindest eine Deckschicht (15, 16) aufweist, angegeben, dessen die Deckschicht (15, 16) Bohrungen (17) aufweist, die bis in den Kern (11) reichen.

Description

Akustischer Absorber

Die Erfindung betrifft eine als akustischer Absorber verwendbare Vorrichtung zur Dämpfung von Schallwellen, insbesondere zum Einsatz in Kraftfahrzeugen.

Als akustische Absorber werden derzeit Vlies- oder Schaumstoffe verwendet, die auf einem akustisch nicht absorbierenden Träger, also z.B. einem aus Blech oder Kunststoff gefertigten Träger, befestigt sind.

Nachteilig bei diesen bekannten akustischen Absorbern ist jedoch, dass sich ein relativ hoher Fertigungsauf- wand ergibt, weil stets die Kombination mit einem Träger erforderlich ist.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen akustischen Absorber anzugeben, bei dem der o.g. Nachteil reduziert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dazu ist bei einer Vorrichtung zur Dämpfung von Schallwellen, also dem akustischen Ab- sorber, mit einem Kern aus einem Hohlräume aufweisenden Material, wobei der Kern zumindest eine Deckschicht aufweist, vorgesehen, dass die Deckschicht Bohrungen oder Löcher beliebiger Kontur aufweist, die bis in den Kern reichen. Ein solcher akustischer Absorber ist be- vorzugt - aber nicht ausschließlich - für die Verwendung im Kraftfahrzeugbereich zur Verminderung der dort zahlreich auftretenden unerwünschten Störgeräusche, z.B. ausgehend vom Fahrwerk oder vom Antrieb, vorgesehen.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass eine schwingende Luftmasse vor einem Luftvolumen die ursächliche Luftbewegung reaktiv bedämpft und sich so durch auftretende Überlagerungen der Schallwellen Auslöschungen ergeben, die ein Beobachter als Absorption des Schalls wahrnimmt. Gemäß der Erfindung wird ein bekanntes Trägermaterial, das aus Gewichtsgründen einen Kern aus Pappe mit einer Wabenstruktur aufweist, mit Löchern oder Bohrungen versehen, die in diesen Kern, also bis in den Bereich der Waben hineinreichen. Damit werden die Waben zur Schallabsorption wirksam. Mit einer Vielzahl solcher Bohrungen in der Oberfläche des Trägermaterials lässt sich eine Schallabsorption erreichen, die die Absorptionseigenschaften der bisherigen, zumindest zweiteiligen Absorber, übertrifft. Jeder Hohlraum im Kern des Absorbers bildet zusammen mit der sie zum Volumen der Umgebungsluft öffnenden Bohrung einen akustischen Resonator, in dem dem aufgrund eindringender Schallwellen schwingenden Luftvolumen Energie entzogen wird. Dieser Energieentzug macht sich als Schallabsorption bemerkbar.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der akustische Absorber einstückig ist und in seiner einstük- kigen Ausführung die Funktion sowohl des akustischen Absorbers als auch des früher zusätzlich erforderlichen Trägers vereinigt. Daraus ergeben sich Fertigungsver- einfachungen, denn bei der Montage eines solchen akustischen Absorbers ist nur ein Teil im Kraftfahrzeug anzubringen, das noch dazu aufgrund seiner starren Struktur und augrund seines geringen Gewichts leicht zu handhaben ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Aufgrund der leichten Herstellbarkeit und der günstigen Stabilitätseigenschaften ist ein Kern vorgesehen, der eine Wabenstruktur aufweist, so dass die Hohlräume des Kerns durch die einzelnen Waben gebildet werden.

Ein solcher Kern lässt sich besonders einfach fertigen, wenn als Kern eine aus Pappe in einer Wabenstruktur bestehende Sandwichstruktur, also gewissermaßen eine Wabenstruktur die sich aufgrund einer Vielzahl von Well- pappschichten oder dergleichen ergibt, verwendet wird.

Zur Gewährleistung der gewünschten statischen und mechanischen Eigenschaften, speziell im Hinblick auf die gewünschte Stabilität des akustischen Absorbers weist dieser eine Deckschicht auf, die Glasfaser und ein PU- Material umfasst, welches die Deckschicht Stoffschlüssig mit dem Kern verbindet. Die Kombination aus Kern und Deckschicht, speziell die Stoffschlüssige Verbindung, ist im Hinblick auf Gewicht einerseits und Stabilität andererseits ein optimales Werkstück. Der akusti- sehe Absorber kann in nahezu jeder gewünschten Form, ggf. unter Berücksichtigung spezieller Konturen, gefer- tigt werden. Aufgrund besonderer Oberflächenkonturen ist es möglich, dass ein solcher Absorber passgenau in bestimmte Ausnehmungen und Hohlräume einer Kraftfahrzeugkarosserie, z.B. im Innern einer Kraftfahrzeugtür, unterhalb der Motorhaube, eingepasst wird. Aufgrund der Stabilität kann der akustische Absorber an solchen Stellen die Stabilität der Karosserie unterstützen oder als Aggregateträger für z.B. Fensterheber incl .Antrieb dienen . Aufgrund seiner Stabilität, speziell aufgrund der Tatsache, dass der Absorber ein selbsttragendes Bauteil bildet, kann er aber auch anstelle bisher im Kraftfahrzeug verwendeter Träger wie z.B. Hutablage, Türverkleidung, Reserveradmulde, Laderaumabdeckung, Verdeckkastendeckel oder anstelle vieler zur Trennung einzelner Abschnitte des Fahrzeugs, wie Fahrgastraum und Kofferraum, verwendeter Elemente verwendet werden.

Als konkretes Einsatzbeispiel wird der Absorber in einem Cabriolet als horizontale Trennung zwischen einem Raum für das zurückgelegte Verdeck und dem Kofferraum eingesetzt. Die Absorberfläche wird zur Dämpfung des Rollgeräusches verwendet.

Schließlich eröffnet sich ein Einsatzfeld für solche akustischen Absorber bei der Verwendung als Basis für Fahrzeugdächer, insbesondere bewegliche Fahrzeugdächer. Bei beweglichen Fahrzeugdächern sind sog. retractable Hardtops bekannt, die aus einzelnen Segmenten bestehen, die beim Entfernen des Dachs zusammengelegt oder zusa - men geschoben werden. Bei Verwendung des akustischen Absorbers gemäß der Erfindung als Basis für solche Dachsegmente ergibt sich ein besonders leichtes und gleichzeitig stabiles Dach, so dass die Anforderungen an die Mechanik zu dessen Bewegung sinken, das gleichzeitig zur Reduktion störender Umgebungsgeräusche im Fahrgastraum beträgt, wenn die im Absorber vorgesehenen Bohrungen zur Fahrzeuginnenseite offen sind.

Zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Schallabsorption ist bevorzugt vorgesehen, dass die Bohrungen über die Oberfläche der Deckschicht regelmäßig oder stochastisch gleichmäßig verteilt sind.

Zur Absorption von Störgeräuschen in einem breiten Frequenzband oder zur selektiven Absorption von Störgeräu- sehen bestimmter Frequenz sind in der Oberfläche des akustischen Absorbers Bohrungen mit unterschiedlichen Durchmessern oder Löchern mit unterschiedlichen Flächen vorgesehen. Insbesondere sind dabei die Bohrungen mit untereinander jeweils gleichem Durchmesser regelmäßig oder stochastisch über die Oberfläche der Deckschicht verteilt. Die Gesamtheit der Bohrungen mit jeweils gleichem Durchmesser trägt zur Absorption von Störgeräuschen mit Frequenzen in der Umgebung einer von der jeweiligen Bohrung und dem darunter liegenden Hohlraum maximal absorbierten Frequenz bei. Durch geeignete Wahl des Bohrungsdurchmessers ist damit eine selektive Absorption bestimmter Frequenzbereiche des Störgeräusches möglich.

Der Einsatz des akustischen Absorbers ist nicht nur auf den Kraftfahrzeugbereich beschränkt. Ein Einsatz in an- deren Fahrzeugen, z.B. Schienenfahrzeugen oder Flugzeugen ist genauso möglich. Denkbar ist darüber hinaus auch ein Einsatz im Bereich der Bauakustik, etwa als Decken- oder Wandabsorber oder als Basismaterial für variable Trennwände in Büroräumen, akustischen Veranstaltungsräumen und dergleichen. Schließlich kann auch ein Einsatz z.B. bei Möbeln sinnvoll sein, wenn es z.B. darum geht, in Wohnräumen bestimmte Störgeräusche, etwa von Klima- oder Lüftungsanlagen, gezielt zu bedampfen.

Je nach Anwendungsfall ist vorgesehen, dass die Oberfläche des Absorbers mit den Bohrungen ein akustisch transparentes Abdeckvlies aufweist, so dass die optische Anmutung des Fahrzeugteils, das auf Basis eines solchen Absorbers hergestellt ist, nicht durch die sichtbaren Öffnungen beeinträchtigt wird. Dies kommt für alle sichtbaren Fahrzeugteile, z.B. die beschriebenen Segmente des Fahrzeugdachs in Betracht . Abhängig vom Strömungswiderstand des Abdeckvlieses kann die Ab- sorberwirkung zusätzlich verstärkt werden.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Darin zeigen

Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines akustischen Absorbers mit einem Hohlräume aufweisenden Kern, Fig. 2 ein sich aus einer Gesamtheit von in eine Oberfläche des Absorbers eingebrachten Bohrungen ergebendes Lochbild und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Hohlraums im Absorber mit einer Bohrung, die den Hohlraum über die Bohrung mit der Umgebungsluft verbindet.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ab- Schnitts eines akustischen Absorbers 10 gemäß der Erfindung. Der akustische Absorber 10, im Folgenden kurz nur als Absorber 10 bezeichnet, umfasst einen Kern 11 aus einem Hohlräume 12 aufweisenden Material. In der dargestellten Ausführungsform ist der Kern 11 ein Wa- benmaterial 13, z.B. Pappe mit einer Wabenstruktur. Die Hohlräume 12 sind in der Darstellung nur in Form einzelner jeweils angeschnittener Waben 14 erkennbar.

Der Kern 11 weist jeweils eine unten und oben liegende Deckschicht 15, 16 auf. Bei der oder jeder Deckschicht 15, 16 handelt es sich um eine Glasfaserschicht oder dergleichen, die zusammen mit einem PU-Material in an sich bekannter Weise einerseits selbst zu einer starren Schicht und anderseits mit dem Kern 11 verbunden wird. Insgesamt ergibt sich ein Bauteil, das aufgrund seiner geschichteten Struktur (untere Deckschicht 15, Kern 11, obere Deckschicht 16) auch als Sandwichbauteil oder als Sandwichplatte bezeichnet wird. Durch die Deckschichten 15, 16 und deren stoffschlüssige Verbindung mit dem Kern 11 ergibt sich ein leichtes und zudem im Hinblick auf Biegesteifigkeit, Bruchfestigkeit und Durchstoßfe- stigkeit extrem belastbares Bauteil. Zur Verwendung im Automobilbereich ist es üblich, dass die Deckschichten 15, 16 den Kern 11 allseitig, also auch im Bereich etwaiger Seitenflächen, umschließen (nicht dargestellt) .

Das Bauteil (die Sandwichplatte) wird zu einem akustischen Absorber 10 aufgrund von Bohrungen 17, die in mindestens eine der Deckschichten 15, 16 eingebracht sind. Damit der akustische Absorber 10 wirksam zur Schallabsorption verwendbar ist, weist die Oberfläche der jeweiligen Deckschicht 16 eine Vielzahl solcher Bohrungen 17 auf, die über die jeweilige Fläche z.B. gleichmäßig oder stochastisch verteilt sind.

Fig. 2 zeigt die Oberfläche eines Abschnitts einer mit Bohrungen 17 versehenen Deckschicht 16 des akustischen Absorbers 10 gemäß der Erfindung. Man erkennt, dass die Oberfläche der Deckschicht 16 die Bohrungen 17 in regelmäßiger Verteilung aufweist. Aufgrund der im Kern 11 enthaltenen Hohlräume 12 (der Waben 14) ergibt sich, wenn eine Bohrung einen solchen Hohlraum 12 trifft, ein aufgrund der jeweiligen Bohrung 17 von aussen zugängliches Volumen, dessen durch die auftreffenden Schallwellen angeregte schwingende Luftsäule die auftreffenden Schallwellen erheblich bedämpft.

Die Oberfläche der Deckschicht 16 weist, wie in Fig. 2 eindeutig erkennbar, Bohrungen 17 mit unterschiedlichen Durchmessern auf. Beispielhaft dargestellt sind Bohrun- gen 17 mit vier unterschiedlichen Durchmessern. Der

Durchmesser der Bohrungen 17 (nachfolgend mit dem For- elzeichen r bezeichnet) ist auf die Wellenlänge der zu absorbierenden Schallwellen nach dem folgenden mathematischen Zusammenhang abgestellt,

wobei V für das Volumen des durch die jeweilige Bohrung 17 geöffneten Hohlraums 12, / für die Stärke der Deckschicht 16, also für die "Tiefe" der Bohrung 17, c für die Schallgeschwindigkeit und / bzw. (ϋ für die von dem Hohlraum 12 mit der durch die Parameter V, l und r fest- gelegten Geometrie maximal absorbierten Schallwellenfrequenz steht.

Die Absorptionswirkung für diese Frequenz hängt dabei maßgeblich vom Volumen V des Hohlraums 12 ab, wie an- hand des zugehörigen formelmäßigen Zusammenhangs ersichtlich ist,

wobei Q die Resonanzgüte bezeichnet. Je höher die Güte Q, umso besser wird die Frequenz ω selektiv bedämpft.

Fig. 3 zeigt dazu in einer Schnittdarstellung des Absorbers 10 einen einzelnen Hohlraum 12, also z.B. eine einzelne Wabe 14, die durch eine Bohrung 17 durch die obere Deckschicht 16 Verbindung mit dem Volumen der Um- gebungsluft hat. Durch die Bohrung 17 regen die Schallwellen das Luftvolumen im Hohlraum 12 zu Schwingungen an und werden durch die Wechselwirkung mit dieser Schwingung ganz oder teilweise ausgelöscht, so dass ei- ne Absorption der Schallwellen stattfindet, speziell von solchen Schallwellen, bei denen der jeweilige Hohlraum 12 aufgrund des Volumens V und des Durchmessers r der Bohrung 17 für eine maximale Absorption sorgt.

In praktischen Versuchen mit einem erfindungsgemäßen akustischen Absorber 10 haben sich dessen hervorragende Absorptionseigenschaften für Schallwellen gezeigt. Beim Einsatz im Kraftfahrzeugbereich kommt es zu unerwünsch- ten Geräuschen im Wesentlichen durch das Fahrwerk, den Antrieb und durch Strömungs- und Windgeräusche. Solche Geräusche und das zugehörige Frequenzspektrum können erfasst werden. Anhand dieser Informationen kann der akustische Absorber 10 optimal ausgelegt werden. Bei feststehender Stärke des Absorbers 10, also im Wesentlichen bei feststehender Dicke des Kerns 11, können die Durchmesser der einzelnen Bohrungen 17 auf die zu absorbierenden Wellenlängen der Störgeräusche abgestimmt werden. Die Dicke des Kerns 11 steht häufig aufgrund vorgegebener Belastungseigenschaften des Absorbers 10 aufgrund seiner selbsttragenden Eigenschaft fest, so dass eine Anpassung der Durchmesser der Bohrungen 17 der bevorzugte Parameter zur Abstimmung des Absorbers 10 auf die Störgeräusche ist. Eine Anpassung des Volu- mens V der Hohlräume durch eine veränderte Wabenstruktur oder durch Veränderung der Dicke des Kerns 11 kommt z.B. für Optimierungen in Betracht oder wenn sich ohne Veränderung der Dicke des Kerns 11 ein Lochbild (Gesamtheit der Bohrungen 17) ergibt, das nur unter un- wirtschaftlichen Bedingungen herstellbar ist. Aus den Daten der Störgeräusche ergibt sich auch die Anzahl unterschiedlicher Durchmesser der einzelnen Bohrungen 17. In praktischen Versuchen hat sich herausgestellt, dass ein Lochbild mit Bohrungen 17 mit vier unterschiedlichen Durchmessern, konkret mit Durchmessern von 1,5mm, 2,0mm, 2,5mm und 3,0mm, zu einer Absorption der Störgeräusche führt, die über der Absorption bisher verwendeter akustischer Absorber in Form von Vliesoder Schaumstoff auf einem Trägermaterial liegt.

Damit lässt sich die Erfindung kurz wie folgt darstellen:

Es wird ein akustischer Absorber 10 angegeben, der auf einer selbsttragenden Sandwichplatte mit einem Hohlräu- me 12 aufweisenden Kern 11 basiert, wobei der Kern allseitig von einer Deckschicht 15, 16, die aus einem Glasfasermaterial besteht, die mit dem Kern stoff- schlüssig durch ein PU-Material verbunden wird, umgeben ist, so dass sich eine äußerst stabile Platte ergibt, die auf einer Oberfläche, also in einer der Deckschichten 15, 16, eine Vielzahl von Bohrungen 17 aufweist, die jeweils zumindest einzelne Hohlräume 12 im Kern 11 mit dem Volumen der Umgebungsluft verbinden, so dass Schallwellen von Störgeräuschen in diese Eindringen können und dort absorbiert werden. Der Durchmesser der Bohrungen 17 kann auf die Frequenzen der zu absorbierenden Schallwellen abgestimmt werden, so dass eine gezielte Dämpfung des Störgeräusches, nämlich in einem durch den Durchmesser der Bohrungen 17 auswählbaren Frequenzbereich des Störgeräusches, möglich ist. Der Absorber ist also für eine frequenzselektive Dämpfung des Schalldruckpegels des Störgeräusches geeignet. Je nach Charakteristik des Störgeräusches kann der Absorber auch Bohrungen 17 mit jeweils unterschiedlichem Durchmesser aufweisen, wobei jede Gruppe von Bohrungen 17 mit gleichem Durchmesser einen Frequenzbereich des Störgeräusches dämpft. Der Absorber kann aufgrund seiner Stabilität die bisher verwendeten Absorber sowie deren jeweilige Träger ersetzen. Dies führt neben ei- ner Fertigungs ereinfachung zu einer Kosten- und Gewichtsersparnis .

Bezugszeichenliste

10 akustischer Absorber

11 Kern

12 Hohlraum

13 Wabenmaterial

14 Wabe

15 (untere) Deckschicht

16 (obere) Deckschicht

17 Bohrung

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Dämpfung von Schallwellen, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, - akustischer Absorber (10) - mit einem Kern (11) aus einem Hohl- räume (12) aufweisenden Material, wobei der Kern (11) zumindest eine Deckschicht (15, 16) aufweist und wobei die Deckschicht (15, 16) Bohrungen (17) oder Löcher beliebiger Kontur aufweist, die bis in den Kern (11) reichen.

2. Akustischer Absorber nach Anspruch 1, wobei der Kern (11) eine Wabenstruktur aufweist, so dass die Hohlräume (12) des Kerns (11) durch die einzelnen Waben (14) gebildet werden.

3. Akustischer Absorber nach Anspruch 2, wobei sich die Wabenstruktur aufgrund einer Vielzahl von Wellpappschichten ergibt.

4. Akustischer Absorber nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3 , wobei die oder jede Deckschicht (15, 16) Glasfaser und ein PU-Material umfasst, das die Deckschicht (15, 16) stoffschlüssig mit dem Kern (11) verbindet.

5. Akustischer Absorber nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, wobei die Bohrungen (17) über die Oberfläche der Deckschicht (15, 16) regelmäßig oder stochastisch verteilt sind.

6. Akustischer Absorber nach Anspruch 5, wobei Bohrungen (17) mit unterschiedlichen Durchmessern vorgesehen sind und wobei Bohrungen (17) mit untereinander gleichem Durchmesser regelmäßig oder stochastisch über die Oberfläche der Deckschicht (15, 16) verteilt sind.

7. Verwendung eines akustischen Absorbers (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Reduktion von Störgeräuschen in einem Kraftfahrzeug.

8. Verwendung eines akustischen Absorbers gemäß Anspruch 7 zur Abtrennung von Kofferraum und Fahrga- straum eines Kraftfahrzeugs oder zur Abtrennung von Kofferraum und Ablageraum für ein Verdeck oder Hardtop eines Kraftfahrzeuges.

9. Verwendung eines akustischen Absorbers gemäß Anspruch 7 als Segment in einem beweglichen Fahrzeugdach.