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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.
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PATENT CLAIMS
1. Device for sound absorption with resonators changeable volume, characterized in that the resonators have evacuated chambers (2; 12; 22; 32) which are delimited by deformable wall elements (3,4; 13, 13 '; 23; 33) are, which in the direction of the associated chamber never have a flat spring characteristic extending into the negative region.
2. Device according to claim 1, characterized in that the wall elements disc springs (3; 13,13 '23) aufwei sen.
3. Device according to claim 2, characterized in that at least two disc springs (13, 13 ') are arranged coaxially to one another and are separated from one another by a parting line (16).
4. Device according to claim 1, characterized in that the wall elements have at least two fold strips (33).
5. Device for broadband sound absorption according to one of the preceding claims, characterized in that several, tuned to different frequencies
Resonators (21) are combined into a group and arranged on a common rear wall.
6. Device according to claim 5, characterized in that the resonators (21) are arranged in a row or grid pattern.
7. Device according to one of claims 5 or 6, characterized in that the resonators are surrounded by a sound-absorbing material.
8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that in each case resonators tuned to the same frequency are arranged at a distance from one another which is assigned to this frequency
Corresponds to the wavelength of the sound.
The invention relates to a device for sound absorption with resonators of variable volume.
Noise control has become a priority problem in the context of environmental protection and workplace protection. Although there is a wide range of options for reducing noise, these are not always applicable for economic and technical reasons.
In Journal of Sound and Vibration (19702), pages 223-233, Czarnecki pointed out the possibilities of reducing noise by means of destructive interference.
In doing so, he uses Helmholtz resonatoen, which are excited by a noise source in the vicinity of a noise source and thus contribute to the cancellation of interference. This effect can also be interpreted as a result of the resonators resulting in a mismatch in the radiation resistance. From the point of view of multipole analysis, it is ultimately a matter of converting the noise source originally working as a monopole into a less effective pole of a higher order.
Helmholtz resonators are often used especially for silencers. Circuits in the shunt and main circuit are possible. This enables insulation and damping of sound waves to be achieved.
In itself, the Helmholtz resonator is a simple, uncomplicated and very effective component. However, its disadvantage is that it requires a large construction volume in the lower frequency range. On the other hand, since a Helmholtz resonator has only a narrow-band effective range, it is not possible due to the volume, to use several differently tuned resonators of this type.
The known mechanical resonators, for example resonating plates, have an input impedance that is too high, i. H. Admittance too low, so that they only become effective when the sound is applied over a large area.
The invention has for its object to manufacture or implement a device for sound absorption with resonators with a small volume and high admittance.
According to the invention, this object is achieved by the features in the characterizing part of claim 1. The force difference between external and internal pressure is applied precisely by the wall elements. Thanks to the low spring constants, low-frequency renonators can also be realized with small chamber volumes. In addition, with a small spring constant, the wall masses can also be reduced accordingly, so that the admittance is increased. Preferred wall elements for the task according to the invention are, in particular, disc springs. As is known, their spring stiffness decreases with increasing load and can also become negative. The same properties but also bulges or so-called dents in a sheet such. B. in the form of a spherical cap. Any shapes, including non-rotationally symmetrical ones, are possible.
The other extreme is only uniaxially curved, strip-shaped disc springs. In the following, these forms are summarized under the collective term disc springs.
The total suspension of the vibration systems results from the addition of the spring constants of the wall elements and that of the enclosed vacuum volume. Negative suspension of the wall elements can compensate for the negative pressure volume. A preferred embodiment are oscillating chambers with an internal vacuum and disc springs as wall elements, the course of the spring constant having a horizontal tangent under vacuum loading and having the value zero.
In a special embodiment of the invention, vacuum chambers are delimited by Euler's folding strips.
As is known, these Euler buckling elements have a very low spring constant after the so-called buckling load.
The volume-changing resonators can be used in the same way as the Helmholtz resonators. Because of the small construction volume, there are additional possible uses. On the one hand, kits can be put together with resonators with different frequencies for the absorption of broadband noise events. If such a set of resonators is attached to the noise source, the emission is reduced as a result of mismatching. If attached to the place of immission, noise is also reduced for the aforementioned reasons.
Furthermore, it is possible to arrange the resonators in strip form, so that, for example, noise shielding by a so-called strip curtain is possible in the case of open windows. Last but not least, the resonators can be integrated in flat forms.
As such, fluctuations in the external air pressure lead to a change in the static load and thus to a change in the operating point and a shift in the natural frequency of the individual resonators. However, this shift affects all resonators in the same way, so that the resonator set still has a broadband effect
Metallic materials such as steel, duralumin, magnesium, titanium, but also ceramic materials, in particular glass, for the production of transparent resonators when used on windows, as well as composite materials and plastics, are suitable as materials for the wall elements. To the proposed resonators not only for sound insulation, son
To be able to use this also for sound insulation, it is possible to cover these wall elements with damping materials.
The invention is described below in exemplary embodiments and shown schematically in the drawing. Show it:
1 is a resonator with negative pressure volume and diaphragm spring wall in a schematic representation,
2 shows a two-stage resonator with negative pressure volume and two plate spring walls in a schematic representation,
3a and 3b embodiments of flat or strip-shaped resonator sets with negative pressure and cup spring wall.
Fig. 4 shows a resonator with negative pressure volume and Eulerscher buckling wall.
1 schematically shows an embodiment of a volume-changing resonator 1. Here, a volume 2 is formed from disc springs 3 and sealing disks 4, which are firmly connected to one another. In this cavity created in this way there is negative pressure, which is so matched to the plate springs 3 that they are loaded in the area of flat or negative spring characteristic. As a result, a low overall suspension and thus a low resonance frequency is realized even with a small volume.
The resonator according to FIG. 2 is constructed comparable to that according to FIG. 1. It consists of two disc springs 13, 13 'which are assembled with one another and which are decoupled in terms of vibration by an expansion joint 16. Two natural frequencies can thus be realized. The rear or rear limitation of the vacuum volume is closed off by a wall 15. One possibility for additional damping of the resonator is that a plastic damping coating 17 is arranged between the plate spring 13 and the rear wall 15. Instead of a two-part disc spring 13, multi-stage disc springs with correspondingly more natural frequencies can also be used in an analogous manner.
3a and 3b are a top view and a section through a planar arrangement of resonators 21 according to the exemplary embodiments of FIGS. 1 and 2. The vacuum volumes or oscillating chambers 22 are formed by disc springs 23 and rear wall 24. In the case of broadband noise signals, the individual resonators are tuned to different frequencies. This can be achieved in a simple manner via the influencing parameters of the disc springs - such as material, thickness, inside and outside diameter and the size of the negative pressure.
FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of a resonator. This consists of four strip-shaped wall elements 33, which are formed into a vibration chamber with a negative pressure and form a prism-shaped, closed volume that is evacuated. As a result of the negative pressure, the strip-shaped wall elements are bent inwards. After the so-called Euler buckling load has been exceeded, the wall elements 33 have a very low spring constant. Together with the low volume stiffness of the oscillation chamber 32 as a result of the negative pressure, this results in resonators with very small dimensions, but with an increased effect.
A planar arrangement of the resonators makes it possible, for example, to implement so-called absorber walls with a small overall depth. For this purpose, a sound absorbent is attached directly in front of the resonator surface. Since there is a reflection at the free end of the resonator surface, i.e. high sound speed, the sound absorbent material is in the optimal fast range. In the case of a solid wall, on the other hand, with sound-hard reflection, the normal component of the sound velocity is zero, so that an increased distance from the sound absorbing material and the wall is necessary in each case.
In the case of planar or linear arrangements of the resonators, it may be advantageous to arrange the individual resonators of the same tune at a distance of one sound wavelength. Since there is a reflection at the free end with 1800 phase jump in the area of the resonators and a reflection without phase jump in the area in between, local dipole systems are formed. This leads to a redistribution of the sound directions. If sound absorption material is used, high damping results due to the large rapid fields of the dipoles.
In the case of partition walls with two or more layers, it is advantageous to install resonators in the intermediate space, which are preferably matched to the natural frequencies of the respective partition wall. This allows the resonator passage to be canceled or shifted to the lower frequency range.