CH618037A5 - Arrangement for sound absorption with resonators of changeable volume - Google Patents

Description

  
 

**WARNUNG** Anfang DESC Feld konnte Ende CLMS uberlappen **.

 



   PATENTANSPRÜCHE
1. Einrichtung zur Schallabsorption mit Resonatoren verän derlichen Volumens, dadurch gekennzeichnet, dass die Resona toren evakuierte Kammern (2; 12; 22; 32) aufweisen, die von deformierbaren Wandungselementen (3,4; 13, 13'; 23; 33) begrenzt sind, welche in Richtung der zugeordneten Kammer eine flache, in den negativen Bereich verlaufende Federkennli nie aufweisen.



   2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandungselemente Tellerfedern (3;   13,13'      23)    aufwei sen.



   3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei   Tellerfedern (13, 13')    koaxial zueinander angeordnet und durch eine Trennfuge (16) voneinander    getrennt sind.   



   4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandungselemente mindestens zwei Knickstreifen  (33) aufweisen.



   5. Einrichtung zur breitbandigen Schallabsorption nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, auf unterschiedliche Frequenzen abgestimmte
Resonatoren (21) zu einer Gruppe zusammengefasst und auf einer gemeinsamen Rückwand angeordnet sind.



   6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren (21) reihen- oder rasterförmig angeord net sind.



   7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren von einem schallabsor bierenden Material umgeben sind.



   8. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils auf die gleiche Frequenz abgestimmte Resonatoren in einem Abstand voneinander angeordnet sind, welcher der dieser Frequenz zugeordneten
Wellenlänge des Schalls entspricht.



   Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Schall absorption mit Resonatoren veränderlichen Volumens.



   Die Lärmbekämpfung ist im Rahmen des Umweltschutzes und des Arbeitsstättenschutzes zu einem vorrangigen Problem geworden. Zwar gibt es ein breites Spektrum von Möglichkeiten zur Lärmreduzierung, doch sind diese aus wirtschaftlichen und technischen Gründen nicht immer anwendbar.



   Czarnecki hat in Journal of Sound and Vibration   (19702),    Seiten 223-233 auf die Möglichkeiten hingewiesen, mittels destruktiver Interferenz eine Lärmreduzierung vorzunehmen.



  Er verwendet dabei   Helmholtz-Resonatoen,    die in der Nähe einer Lärmequelle von dieser zu gegenphasiger Schwingung angeregt werden und so zu einer Interferenzauslöschung beitragen. Diesen Effekt kann man auch so interpretieren, dass es infolge der Resonatoren zu einer Fehlanpassung des Abstrahlungswiderstandes kommt Aus der Sicht der Multipolanalysis schliesslich handelt es sich darum, dass die ursprünglich als Monopol arbeitende Lärmquelle in einen weniger effektiven Pol höherer Ordnung umgewandelt wird.



   Vor allem bei Schalldämpfern werden Helmholtz-Resonatoren häufig eingesetzt Dabei sind Schaltungen im Neben- und Hauptschluss möglich. Damit lassen sich Dämmungen und Dämpfungen von Schallwellen bewerkstelligen.



   An sich ist der Helmholtz-Resonator ein einfaches, unkompliziertes und sehr wirkungsvolles Bauelement Sein Nachteil besteht aber darin, dass er im unteren Frequenzbereich ein grosses Bauvolumen erfordert Da andererseits ein Helmholtz Resonator nur einen schmalbandigen Wirkungsbereich hat, ist es aus Gründen des Volumens nicht möglich, mehrere verschieden abgestimmte Resonatoren dieser Art einzusetzen.



   Die bekannten mechanischen Resonatoren, zum Beispiel mitschwingende Platten, haben eine zu hohe Eingangsimpedanz, d. h. eine zu geringe Admittanz, so dass diese nur bei grossflächiger Schallbeaufschlagung wirksam werden.



   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Schallabsorption mit Resonatoren mit kleinem Bauvolumen und hoher Admittanz herzustellen bzw. zu realisieren.



   Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst Die Kraftdifferenz von Aussen- und Innendruck wird gerade durch die Wandungselemente aufgebracht. Dank der geringen Federkonstanten lassen sich so bei kleinen Kammervolumina auch tieffrequente Renonatoren realisieren. Ausserdem können bei kleiner Federkonstante auch die Wandungsmassen entsprechend reduziert werden, so dass die Admittanz erhöht ist Bevorzugte Wandungselemente für die erfindungsgemässe Aufgabenstellung sind im besonderen Tellerfedern. Bekanntlich nimmt deren Federsteifigkeit mit zunehmender Belastung ab und kann auch negativ werden. Dieselben Eigenschaften haben aber auch Ausbuchtungen bzw. sogenannte  Beulen  in einem Blech z. B. in Form einer Kugelkalotte. Dabei sind beliebige, auch nichtrotationssymmetrische Formen möglich.



   Das andere Extrem sind nur einachsig gekrümmte, streifenförmige  Tellerfedern . Im folgenden werden diese Formen unter dem Sammelbegriff  Tellerfedern  zusammengefasst.



   Die Gesamtfederung der Schwingsysteme ergibt sich aus der Addition der Federkonstanten der Wandungselemente und der des eingeschlossenen Unterdruckvolumens. Mit einer negativen Federung der Wandungselemente kann so die des Unterdruckvolumens kompensiert werden. Eine bevorzugte Ausführungsform sind Schwingkammern mit Innenvakuum und Tellerfedern als Wandungselemente, deren Verlauf der Federkonstante bei Vakuumbelastung eine waagrechte Tangente aufweist und den Wert Null hat.



   In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung werden Unterdruckkammern durch Eulersche Knickstreifen begrenzt.



  Bekanntlich haben diese Eulerschen Knickelemente nach der sogenannten Knicklast eine sehr geringe Federkonstante.



   Die volumenändernden Resonatoren können an sich in derselben Weise eingesetzt werden wie die Helmholtz-Resonatoren. Wegen der kleinen Bauvolumina ergeben sich darüber hinaus zusätzliche Einsatzmöglichkeiten. Einmal können Bausätze mit in der Frequenz verschiedenen abgestimmter Resonatoren für die Absorption breitbandiger Lärmereignisse zusammengestellt werden. Bei Anbringung eines solchen Resonatorensatzes an der Lärmquelle wird die Emission infolge Fehlanpassung herabgesetzt Bei Anbringung am Immissionsort kommt es aus vorgenannten Grunde ebenfalls zu einer Lärmreduktion.



   Weiterhin ist es möglich, die Resonatoren in Streifenform anzuordnen, so dass bei offenen Fenstern beispielsweise eine Lärmabschirmung durch einen sogenannten Streifenvorhang möglich ist Nicht zuletzt können die Resonatoren in Flächenformen integriert sein.

 

   An sich kommt es bei Schwankungen des äusseren Luftdruckes zu einer Änderung der statischen Belastung und damit zu einer Änderung des Arbeitspunktes und zu einer Verschiebung der Eigenfrequenz der einzelnen Resonatoren. Diese Verschiebung betrifft aber alle Resonatoren gleichartig, so dass trotzdem eine breitbandige Wirkung des Resonatorensatzes gegeben ist
Als Material für die Wandungselemente kommen metallische Stoffe wie Stahl, Duraluminium, Magnesium, Titan, aber auch keramische Stoffe, insbesondere Glas für die Fertigung von durchsichtigen Resonatoren bei Anwendung an Fenstern, ferner Verbundstoffe und Kunststoffe in Frage. Um die vorgeschlagenen Resonatoren nicht nur zur Schalldämmung, son  



     dem    auch zur Schalldämpfung einsetzen zu können, ist es möglich, diese Wandungselemente mit Dämpfungsstoffen zu belegen.



   Die Erfindung ist nachfolgend in Ausführungsbeispielen beschrieben und in der Zeichnung schematisch dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine Resonator mit Unterdruckvolumen und Tellerfederwandung in schematischer Darstellung,
Fig. 2 einen zweistufigen Resonator mit Unterdruckvolumen und zwei Tellerfederwandungen in schematischer Darstellung,
Fig. 3a und 3b Ausführungsbeispiele von flächen- bzw. streifenförmigen Resonatorsätzen mit Unterdruck und Tellerfederwandung.



   Fig. 4 einen Resonator mit Unterdruckvolumen und Eulerscher Knickstreifenwandung.



   Fig. 1 stellt in schematischer Weise ein Ausführungsbeispiel eines volumenändernden Resonators 1 dar. Hierbei wird aus Tellerfedern 3 und Dichtscheiben 4, die miteinander fest verbunden sind, ein Volumen 2 gebildet. In diesem so geschaffenen Hohlraum herrscht Unterdruck, der dabei so auf die Tellerfedern 3 abgestimmt ist, dass diese in dem Bereich flacher oder negativer Federkennlinie belastet sind. Dadurch ist nun eine geringe Gesamtfederung und damit auch bei kleinem Volumen eine niedrige Resonanzfrequenz realisiert.



   Der Resonator gemäss Fig. 2 ist vergleichbar zu demjenigen nach Fig. 1 aufgebaut. Er besteht aus zwei miteinander zusammengebauten Tellerfedern   13, 13',    die durch eine Dehnfuge 16 schwingungsmässig entkoppelt sind. Damit lassen sich zwei Eigenfrequenzen realisieren. Die rückwärtige bzw. rückseitige Begrenzung des Unterdruckvolumens ist durch eine Wand abgeschlossen, 15. Eine Möglichkeit zur zusätzlichen Dämpfung des Resonators besteht darin, dass zwischen Tellerfeder 13 und Rückwand 15 ein plastischer Dämpfungsbelag 17 angeordnet ist. Anstelle einer zweiteiligen Tellerfeder 13 können in analoger Weise auch mehrstufige Tellerfedern mit entsprechend mehr Eigenfrequenzen verwendet werden.



   In den Fig. 3a und 3b sind Draufsicht und Schnitt durch eine flächenförmige Anordnung von Resonatoren 21 nach den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und 2 dargestellt. Die Unterdruckvolumina bzw. Schwingkammern 22 werden dabei durch Tellerfedern 23 und Rückwand 24 gebildet. Bei breitbandigen Lärmsignalen sind dabei die einzelnen Resonatoren auf verschiedene Frequenzen abgestimmt. Dies ist in einfacher Weise über die Einflussparameter der Tellerfedern - wie Material, Dicke, Innen- und Aussendurchmesser sowie durch die Grösse des Unterdruckes - zu realisieren.



   Die Fig. 4 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Resonators dar. Dieser besteht aus vier streifenförmigen Wandungselementen 33, die zu einer Schwingkammer mit einem Unterdruck ausgebildet sind und ein prismenförmiges abgeschlossenes Volumen, das evakuiert wird, bilden. Infolge des Unterdruckes sind die streifenförmigen Wandungselemente nach innen eingeknickt. Nach Überschreitung der sogenannten Eulerschen Knickbelastung haben die Wandungselemente 33 eine sehr geringe Federkonstante. Zusammen mit der infolge des Unterdruckes geringen Volumensteifigkeit der Schwingkammer 32 ergibt dies Resonatoren mit sehr geringen Abmessungen, jedoch erhöhter Wirkung.



   Durch eine flächenhafte Anordnung der Resonatoren lassen sich beispielsweise sogenannte Absorberwände geringer Bautiefe verwirklichen. Hierzu wird unmittelbar vor der Resonatorfläche ein Schallschluckstoff angebracht. Da an der Resonatorfläche eine Reflexion am freien Ende, also hoher Schallschnelle, auftritt, liegt der Schallschluckstoff gerade im optimalen Schnellebereich. Bei fester Wand dagegen, mit schallharter Reflexion, ist die Normalkomponente der Schallschnelle  Null , so dass jeweils ein vergrösserter Abstand von Schallschluckstoff und Wand notwendig ist.

 

   Bei flächen- oder linienförmigen Anordnungen der Resonatoren kann es vorteilhaft sein, die einzelnen gleich abgestimmten Resonatoren im Abstand einer Schallwellenlänge anzuordnen. Da es im Bereich der Resonatoren zu einer Reflexion am freien Ende mit 1800 Phasensprung und in dem dazwischenliegenden Bereich zu einer Reflexion ohne Phasensprung kommt, bilden sich lokale Dipolsysteme. Dadurch kommt es zu einer Umverteilung der Schallrichtungen. Bei Vorsatz von Schallschluckmaterial ergeben sich hohe Dämpfungen wegen der grossen Schnellefelder der Dipole.



   Bei zwei- und mehrschaligen Trennwänden ist es vorteilhaft, in dem Zwischenraum Resonatoren anzubringen, die vorzugsweise auf die Eigenfrequenzen der jeweiligen Trennwand abgestimmt sind. Dadurch lässt sich der Resonatordurchgang aufheben bzw. in den tieferen Frequenzbereich verschieben. 

Claims (8)

1. PATENTANSPRÜCHE 1. Einrichtung zur Schallabsorption mit Resonatoren verän derlichen Volumens, dadurch gekennzeichnet, dass die Resona toren evakuierte Kammern (2; 12; 22; 32) aufweisen, die von deformierbaren Wandungselementen (3,4; 13, 13'; 23; 33) begrenzt sind, welche in Richtung der zugeordneten Kammer eine flache, in den negativen Bereich verlaufende Federkennli nie aufweisen.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandungselemente Tellerfedern (3; 13,13' 23) aufwei sen.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Tellerfedern (13, 13') koaxial zueinander angeordnet und durch eine Trennfuge (16) voneinander getrennt sind.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandungselemente mindestens zwei Knickstreifen (33) aufweisen.
5. 5. Einrichtung zur breitbandigen Schallabsorption nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, auf unterschiedliche Frequenzen abgestimmte Resonatoren (21) zu einer Gruppe zusammengefasst und auf einer gemeinsamen Rückwand angeordnet sind.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren (21) reihen- oder rasterförmig angeord net sind.
7. 7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren von einem schallabsor bierenden Material umgeben sind.
8. 8. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils auf die gleiche Frequenz abgestimmte Resonatoren in einem Abstand voneinander angeordnet sind, welcher der dieser Frequenz zugeordneten Wellenlänge des Schalls entspricht.

   Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Schall absorption mit Resonatoren veränderlichen Volumens.

   Die Lärmbekämpfung ist im Rahmen des Umweltschutzes und des Arbeitsstättenschutzes zu einem vorrangigen Problem geworden. Zwar gibt es ein breites Spektrum von Möglichkeiten zur Lärmreduzierung, doch sind diese aus wirtschaftlichen und technischen Gründen nicht immer anwendbar.

   Czarnecki hat in Journal of Sound and Vibration (19702), Seiten 223-233 auf die Möglichkeiten hingewiesen, mittels destruktiver Interferenz eine Lärmreduzierung vorzunehmen.

   Er verwendet dabei Helmholtz-Resonatoen, die in der Nähe einer Lärmequelle von dieser zu gegenphasiger Schwingung angeregt werden und so zu einer Interferenzauslöschung beitragen. Diesen Effekt kann man auch so interpretieren, dass es infolge der Resonatoren zu einer Fehlanpassung des Abstrahlungswiderstandes kommt Aus der Sicht der Multipolanalysis schliesslich handelt es sich darum, dass die ursprünglich als Monopol arbeitende Lärmquelle in einen weniger effektiven Pol höherer Ordnung umgewandelt wird.

   Vor allem bei Schalldämpfern werden Helmholtz-Resonatoren häufig eingesetzt Dabei sind Schaltungen im Neben- und Hauptschluss möglich. Damit lassen sich Dämmungen und Dämpfungen von Schallwellen bewerkstelligen.

   An sich ist der Helmholtz-Resonator ein einfaches, unkompliziertes und sehr wirkungsvolles Bauelement Sein Nachteil besteht aber darin, dass er im unteren Frequenzbereich ein grosses Bauvolumen erfordert Da andererseits ein Helmholtz Resonator nur einen schmalbandigen Wirkungsbereich hat, ist es aus Gründen des Volumens nicht möglich, mehrere verschieden abgestimmte Resonatoren dieser Art einzusetzen.

   Die bekannten mechanischen Resonatoren, zum Beispiel mitschwingende Platten, haben eine zu hohe Eingangsimpedanz, d. h. eine zu geringe Admittanz, so dass diese nur bei grossflächiger Schallbeaufschlagung wirksam werden.

   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Schallabsorption mit Resonatoren mit kleinem Bauvolumen und hoher Admittanz herzustellen bzw. zu realisieren.

   Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst Die Kraftdifferenz von Aussen- und Innendruck wird gerade durch die Wandungselemente aufgebracht. Dank der geringen Federkonstanten lassen sich so bei kleinen Kammervolumina auch tieffrequente Renonatoren realisieren. Ausserdem können bei kleiner Federkonstante auch die Wandungsmassen entsprechend reduziert werden, so dass die Admittanz erhöht ist Bevorzugte Wandungselemente für die erfindungsgemässe Aufgabenstellung sind im besonderen Tellerfedern. Bekanntlich nimmt deren Federsteifigkeit mit zunehmender Belastung ab und kann auch negativ werden. Dieselben Eigenschaften haben aber auch Ausbuchtungen bzw. sogenannte Beulen in einem Blech z. B. in Form einer Kugelkalotte. Dabei sind beliebige, auch nichtrotationssymmetrische Formen möglich.

   Das andere Extrem sind nur einachsig gekrümmte, streifenförmige Tellerfedern . Im folgenden werden diese Formen unter dem Sammelbegriff Tellerfedern zusammengefasst.

   Die Gesamtfederung der Schwingsysteme ergibt sich aus der Addition der Federkonstanten der Wandungselemente und der des eingeschlossenen Unterdruckvolumens. Mit einer negativen Federung der Wandungselemente kann so die des Unterdruckvolumens kompensiert werden. Eine bevorzugte Ausführungsform sind Schwingkammern mit Innenvakuum und Tellerfedern als Wandungselemente, deren Verlauf der Federkonstante bei Vakuumbelastung eine waagrechte Tangente aufweist und den Wert Null hat.

   In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung werden Unterdruckkammern durch Eulersche Knickstreifen begrenzt.

   Bekanntlich haben diese Eulerschen Knickelemente nach der sogenannten Knicklast eine sehr geringe Federkonstante.

   Die volumenändernden Resonatoren können an sich in derselben Weise eingesetzt werden wie die Helmholtz-Resonatoren. Wegen der kleinen Bauvolumina ergeben sich darüber hinaus zusätzliche Einsatzmöglichkeiten. Einmal können Bausätze mit in der Frequenz verschiedenen abgestimmter Resonatoren für die Absorption breitbandiger Lärmereignisse zusammengestellt werden. Bei Anbringung eines solchen Resonatorensatzes an der Lärmquelle wird die Emission infolge Fehlanpassung herabgesetzt Bei Anbringung am Immissionsort kommt es aus vorgenannten Grunde ebenfalls zu einer Lärmreduktion.

   Weiterhin ist es möglich, die Resonatoren in Streifenform anzuordnen, so dass bei offenen Fenstern beispielsweise eine Lärmabschirmung durch einen sogenannten Streifenvorhang möglich ist Nicht zuletzt können die Resonatoren in Flächenformen integriert sein.

   An sich kommt es bei Schwankungen des äusseren Luftdruckes zu einer Änderung der statischen Belastung und damit zu einer Änderung des Arbeitspunktes und zu einer Verschiebung der Eigenfrequenz der einzelnen Resonatoren. Diese Verschiebung betrifft aber alle Resonatoren gleichartig, so dass trotzdem eine breitbandige Wirkung des Resonatorensatzes gegeben ist Als Material für die Wandungselemente kommen metallische Stoffe wie Stahl, Duraluminium, Magnesium, Titan, aber auch keramische Stoffe, insbesondere Glas für die Fertigung von durchsichtigen Resonatoren bei Anwendung an Fenstern, ferner Verbundstoffe und Kunststoffe in Frage. Um die vorgeschlagenen Resonatoren nicht nur zur Schalldämmung, son **WARNUNG** Ende CLMS Feld konnte Anfang DESC uberlappen**.