DE2437947B2 - Anordnung zur absorption von luftschall - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Absorption von Luftschall, bestehend aus mindestens einer schallabsorbierenden Schicht bzw. Matte aus einem geschlossenzelligen Weichschaum. Die Anordnung ist breitbandig wirksam.

Für die Absorption von Luftschall sind mehrere Absorbertypen bekannt.

Poröse Absorber sind grundsätzlich breitbandig von ihrer unteren Querfrequenz an, die von der Tiefe des Absorbers abhängig ist. Tiefe Grenzfrequenz bedingt große Absorbertiefe, die in der Praxis oft nicht verfügbar ist.

Platten oder Folienabsorber bestehen aus einer als Masse wirkenden Platte oder Folie mit einem dahinterliegenden, als Fede:r wirkenden Luftpolster. Ihre Wirkung ist schmalbandig, d. h., sie absorbieren nur in unmittelbarer Nähe einer Resonanzfrequenz. Platten- oder Folienabsorber haben eine geringe Bautiefe.

Bei Helmholtz-Absorberri wirkt die Luft in den öffnungen einer perforierten Platte als Masse, das Luftkissen hinter der Platte als Feder. Wirkung und Vorteil sind mit den vorstehend genannten Absorberiypen vergleichbar, der Aufbau oft relativ aufwendig bei der Herstellung.

Plattenförmige Elemente aus einem leichten Material und darin in ungleichmäßiger Anordnung eingelagerte relativ schwere Masseteilchen sind bereits aus der DT-AS 12 53 434 bekanntgeworden. Derartige Platten sind weiterhin bei G. Ku Π ζ e »Physik und Technik der Lärmbekämpfung«, 1964, Verlag Braun, Karlsruhe, Seite 102 bis 105, beschrieben. Diese Platten bestehen jedoch nicht aus einem geschlossenzelligen leichten Weichschaum, sondern aus massivem Material (Folien, Platten) und dienen nicht der Schalldämpfung, sondern der Schalldämmung. Unter dem Einfluß des Schalldrukkes ρ einer auftreffenden Schallwelle schwingen die belasteten Abschnitte einer derartigen Platte gegenphasig zu den unbelasteten Abschnitten, wie dies in Fig. 2 gezeigt wird. Die gegenphasige Schwingung führt zu einem hohen Eingangswiderstand, der im Grenzfall unendlich werden kann, und damit zu einer entsprechend hohen Schalldämmung und einem großen Reflexionsfaktor. Platten dieser bekannten Ausführung können deshalb nicht für eine absorbierend wirkende Anordnung eingesetzt werden.

Von einer absorbierend wirkenden Anordnung werden genau entgegengesetzte Eigenschaften verlangt, nämlich ein kleiner Eingangswiderstand, angepaßt an den Wellenwiderstand des umgebenden Mediums und damit ein kleiner Reflexionsfaktor bei gleichzeitig hohen inneren Verlusten.

Da die massebelastete Platte in ihrer Wirkungsweise der eines elektrischen Parallel-Resonanzkreises vergleichbar ist, indem ihr Eingangswiderstand in Resonanz um so größer ist je weniger Dämpfung das Plattenmaterial aufweist, ist eine Verringerung des Eingangswiderstandes bei gleichzeitig breitbandigerer Wirkung durch Dämpfung zu erzielen.

Normalerweise ist große Dämpfung nur erreichbar, wenn große Deformationen oder Luftbewegungen (Schallschnelle) vorhanden sind. Beides ist unter normalen Bedingungen in der Nähe einer Wand nicht zu erwarten, weil diese die Bewegung hemmt. Dünne poröse Absorberschichten weisen deshalb nur eine sehr geringe Wirkung auf. Ferner ist die Verwendung eines geschlossenzelligen Weichschaumes für Zwecke der Schallabsorption bekannt (Kunststoffe, 1953, H. 11, S. 446 ff.).

Ausgehend von dem vorstehend skizzierten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen breitbandig wirkenden Absorber zu schaffen, der wirtschaftlich herstellbar, universell einsetzbar und von geringer Bautiefe sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schaumstoffschicht aus einem Werkstoff mit einem Verlustfaktor //>0,01 besteht, und daß darin mit einem mittleren Abstand, der klein ist gegenüber der Wellenlänge des zu absorbierenden Luftschalles, schwere Masseteilchen in ungleichmäßiger Anordnung verteilt sind und daß das Gesamtgewicht der Masseteilchen größenordnungsmäßig vergleichbar ist mit demjenigen des Weichschaumes.

Nach einer besonderen Ausgestaltung ist es vorgesehen, daß die Schicht bzw. Matte aus vernetztem Polyolefinschaum besteht. Als besonders zweckmäßig hat es sich dabei erwiesen, wenn die Schicht bzw. Matte aus vernetztem Polyäthylenschaum besteht.

Nach einer weiteren Ausgestaltung insbesondere zur

Verwendung in Rohrleitungen ist es vorgesehen, die Schicht bzw. Matte schlauchförmig auszubilden, und in einer einzigen oder in mehreren konzentrischen Schichten anzuordnen, wobei diese einen radialen Abstand voneinander aufweisen. .s

Nach einer besonderen Ausgestaltung ist es vorgesehen, daß zusätzlich zu der die schworen Masseteilchen enthaltenden Schicht aus geschlossenzelligem Weichschaum auf der Seite des zu verkleidenden Elementes mindestens eine weitere Schicht in Form einer Schicht aus offen/eiligem Weichschaum und/oder einem weichelastischen Faservliesmaterial vorgesehen ist. Nach einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung ist daneben vorgesehen, daß die Anordnung in Kulissenform ausgeführt ist ur.d mindestens eine als Außenhaut '5 vorgesehene Schicht aus geschlossenzelligem Weichschaum mit eingelagerten schweren Masseteilchen enthält und eine innere Füllung aus offenzelligem ■Weichschaum und/oder einem geeigneten Fasermaterial.

Bei der erfindungsgemäßen massebelasteten Platte liegen die Verhältnisse anders als bei dünnen porösen Absorberschichten. Der Wechseldruck erzeugt Biegedeformationen, die durch Wandnähe nicht behindert werden, d. h. die Biegedeformationen können erfolgen, ohne daß sich dabei die Mittellinie der Wand verschiebt, so daß ein dahinterliegendes Volumen durch die Wechselbewegungen nicht verändert zu werden braucht. Es entsteht lediglich die aus Fi g. 2 ersichtliche Wechselströmung parallel zur Platten- bzw. Wandoberfläche, die keine Druckänderung zur Folge hat, solange der Abstand benachbarter Massepunkte klein gegen die Luftwellenlänge ist.

Dämpfungswirksame Verluste, die den Eingangswiderstand der Platte herabsetzen, können auf zweierlei Weise erzielt werden, nämlich einmal durch innere Verluste des Phttenmaterials und andererseits durch Behinderung der Wechselströmung an der Plattenoberfläche.

Die Bedingung, daß der mittlere Abstand d benachbarter Massenpunkte (vgl. Fig.2) klein gegen die Wellenlänge sein muß, läßt sich nicht bis zu beliebig hohen Frequenzen aufrechterhalten. Mit steigender Frequenz wird zunächst die Biegewellenlänge auf der Platte vergleichbar mit dem Abstand der Massenpunkte, so daß Resonanzschwingungen der durch benachbarte Massenpunkte eingeschlossenen unbelasteten Flächenelemente entstehen können. Bei ausreichender Dämpfung des Plattenmaterials ist der Einfluß solcher Resonanzen vorwiegend positiv, d. h., er hat eine Herabsetzung des Eingangswiderstandes und damit eine Verbesserung der Absorptionswirksamkeit der Platte zur Folge. Verbleibende negative Einflüsse (Antiresonanzen) können durch Variation der Massen-Abstände (statistische Verteilung) unwirksam gemacht werden.

Mit steigender Frequenz wird auch die Luftschallwellenlänge vergleichbar mit den Abständen der Massenpunkte. Gleichzeitig nehmen die Massen durch ihre Trägheit an der Schwingung nicht mehr teil, so daß auch (<o keine gegenphasige Schwingung mehr vorhanden ist. Die an den Massenpunkten festgehaltene Platte schwingt dann nur noch in den unbelasteten Flächenelementen und wirkt z. B. zusammen mit einer dahinterliegenden Wand wie ein Plattenabsorber, wobei die immer ('5 noch vorhandene Biegedeformation der Platte, insbesondere in der Nähe der Massenpunkte, ausreichend dfiniDfuneswirksam bleibt.

Es ist /weckmäßig, zur Verbesserung der Wirksamkeit die erfindungsgtmiiße Anordnung durch geeignete Wahl des Wandabstandes als Plattenabsorber auf diesen Frequenzbereich abzustimmen. Das bedeutet, daß das Plattenmaterial in der Regel sehr leicht und der Wandabstand klein sein muß.

Die Größe der Massen kann dem jeweiligen Verwendungszweck angepaßt werden und hängt von dem Platlenmaterial ab. Damit sie gegenüber den unbelasteten Flächen akustisch als Massen wirksam sind, muß ihr Gewicht vergleichbar mit dem der von benachbarten Massen eingegrenzten Plattenabschnitle sein. Zu große Einzelmassen verringern die Wirksamkeit, weil die Massen dann bereits bei relativ tiefen Frequenzen nicht mehr mitschwingen.

Wie sich zusammenfassend ergibt, werden durch die erfindungsgemäße Anordnung zur Absorption von Luftschall optimale Eigenschaften insbesondere dann erzielt, wenn die verwendete Schaumstoffschicht leicht, biegsam, luftdicht und geschlossenzellig ist und hohe innere Verluste aufweist. Die darin eingelagerten Masseteilchen sollen bei einer statistischen Verteilung möglichst punktförmig sein. Der mittlere Abstand voneinander soll klein sein im Vergleich zur Luftwellenlänge im unteren Frequenzbereich der Wirksamkeit, und daa Gesamtgewicht der pro Flächeneinheit eingebrachten Masseteilchen soll größenordnungsmäßig demjenigen der Schaumstoffschicht vergleichbar sein.

Die Fig. 1 und 3 bis 8 zeigen beispielhafte Ausführungen der Absorptionsanordnung. F i g. 2 dient zur Erläuterung des Mechanismus der Luftschallabsorption in dem vorliegenden Zusammenhang.

F i g. 1 zeigt einen Querschnitt durch die einfachste Ausgestaltung einer Anordnung zur Absorption von Luftschall bestehend aus einer Platte 1 aus geschlossenzelligem Weichschaum und eingelagerten Masseteilchen 2.

Fig.2 zeigt einen Querschnitt durch ein schwingendes plattenförmiges Element dieser Art in zwei »Momentaufnahmen«, die zeitlich eine halbe Schwingungsperiode Abstand haben.

F i g. 3 zeigt eine als Rohrschalldämpfer ausgestaltete Anordnung im Querschnitt. Das Rohr 5 ist durch eine rohrförmig gebogene Platte 1 aus geschlossenzelligem Weichschaum mit eingelagerten Masseteilchen 2 ersetzt.

Fig.4 zeigt ebenfalls einen Querschnitt durch einen Rohrschalldämpfer. Das Rohr 5 ist durch eine schallabsorbierende Anordnung ersetzt, die aus zwei konzentrischen rohrförmig gebogenen Platten 1 aus Weichschaum mit eingelagerten Masseteilchen 2 besteht.

F i g. 5 zeigt einen Wandabsorber. Die absorbierende Anordnung aus Weichschaum 1 mit eingelagerten Masseteilchen 2 ist in einem Abstand von der Wand 6 angebracht.

Fig.6 zeigt eine an der Wand 6 angebrachte Anordnung zur Luftschallabsorption, die aus einem unmittelbar an der Wand 6 aufgebrachten plattenförmigen Teil 3 aus offenzelligem Material besteht und darüber angeordneter schallabsorbierender Anordnung aus geschlossen7e|ligem Weichschaum 1 mit eingelagerten Masseteilchen 2.

F i g. 7 zeigt einen Querschnitt einer Auskleidung z. B. für Motorräume oder als Haubenwandung für Maschinen od. dgl. Die Auskleidung besteht aus einem Blechmantel 4, einer offenzelligen Schicht 3 und einer

IO

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Absorptionsanordnung aus geschlossenzelligem Material 1 und eingelagerten Masseteilchen 2.

Fig.8 zeigt einen Kulissenschalldämpfer mit einem offenporigen Kernmaterial 3, das von dem Absorptionsmaterial aus geschlossenzelligem Weichschaum mit eingelagerten Masseteilchen umgeben ist.

Die Anordnung zur Absorption von Luftschall läßt sich in zahlreichen Ausführungsformen anwenden und einsetzen. Die nachfolgenden Beispiele zeigen einige besonders zweckmäßig empfundene Ausführungen dieser Einsatzmöglichkeiten.

Beispiel 1

Die Absorberanordnung besteht aus einem platten- oder bahnförmigen Material aus vernetztem, geschlossenzelligem Polyäthylenschaum mit einer Stärke von etwa 5 mm und einem Raumgewicht von etwa 30 kp/cbm. In das Schaummaterial sind etwa 1000 Stahlkugeln/qm von 3 mm Durchmesser eingelagert.

Es wurde gefunden, daß vernetzter Polyäthylenschaum als Plattenmaterial wegen seiner hohen inneren Verluste besonders geeignet ist. Die Anbringung der Masseteilchen ist fertigungstechnisch sehr einfach möglich. So können die auf geeignete Temperatur aufgeheizten Kugeln auf die Schaumbahn aufgestreut und mit leichtem Druck eingedrückt werden, wobei sie durch Anschmelzen des Schaumes fest mit der Bahn verkleben.

Eine massebelastete Platte dieser Art ist auch ohne Zusammenwirken mit einer Wand als Absorber wirksam, weil die inneren Verluste des Polyäthylenschaume:! ausreichend hoch sind, so daß auf den zweiten Absorptionsmechanismus, die Behinderung der wandparallelen Strömung verzichtet werden kann. Die Platte kann also z. B. frei im Raum als Schallabsorber aufgehängt werden.

Da es durch geeignete Wahl der inneren Dämpfung möglich ist, Schalldämmung und Absorption der Platte gegeneinander zu verschieben — weniger innere Dämpfung ergibt mehr Dämmung und weniger Absorption — ist es möglich, Schalldämpfer für Rohrleitungen äußerst einfach zu erstellen.

Wie in Fig.3 gezeigt, genügt es, ein Stück der Rohrleitung 5 durch ein rohrförmig gebogenes Gebilde, hergestellt aus der massebelasteten Platte, zu ersetzen. Wegen der Weichheit der Platte ist damit zugleich eine Körperschalltrennung der Rohrstücke voneinander erreicht. Trotz des Mitschwingens der Rohrwand wird von dem massebelasteten Rohr kaum Schall nach außen abgestrahlt, da die durch den Abstand der Massepunkte festgelegte Wellenlänge der erzeugten Biegedeformation klein gegen die Luftschallwellenlänge ist. Mit solchen Rohren sind Dämpfungen bis zu 20 dB erzielbar. Werden höhere Dämpfungen gefordert, ist es zweckmäßig, den ersten Teil des Rohres wegen der dort höheren Schallenergie doppelwandig auszulegen, d. h. aus zwei konzentrisch angeordneten massebelasteten Absorptionsteilen gemäß F i g. 4 aufzubauen.

Breitbandig wirksame Schallschluckanordnungen erhält man, wenn die Anordnung zur Absorption von

35

40

5°

55 Luftschall in geringem Luftabstand vor einer Wand angeordnet ist (Fig. 5). Dabei ist es zweckmäßig, die wandparallele Strömung, die bei der Biegedeformation der Platte entsteht, durch Anbringung von Strömungswiderständen zu behindern und sie damit zusätzlich zu den inneren Verlusten des Plattenmaterials zur Dämpfung heranzuziehen. In F i g. 6 ist eine solche Anordnung dargestellt. Als widerstandswirksame Materialien in der Zwischenschicht 3 eignen sich poröse flexible Faservliesstoffe oder ein offenzelliger Weichschaum.

Beispiel 2

Ein breitbandiger Absorber geringer Schichtdicke wird wie folgt aufgebaut:

Eine massebelastete Platte gemäß Beispiel 1, etwa 5 mm stark, wird mit einer etwa 5 mm starken Polyurethan-Weichschaumschicht hinterlegt, die unmittelbar auf der Wand aufliegt. Hierbei dient der Polyurethanschaum zugleich als Trägerschicht. Er kamt vollflächig auf die zu bekleidende Wand aufgeklebt werden.

Eine solche Absorberschicht eignet sich beispielsweise gut zur Auskleidung von Motorenräumen in Fahrzeugen (Fig. 7). Die Rückwand ist in diesem Falle eine Blechplatte 4.

Da die erzwungenen Biegeschwingungen in der massebelasteten Platte nicht nur durch Luftschall, sondern auch durch Schwingungen der Rückwand angeregt werden können, hat die Schicht zugleich entdröhnende Wirkung und setzt darüber hinaus die Schallabstrahlung der schwingenden Wand herab.

Bei symmetrischem Aufbau gemäß Fi g. 8 eignet sich die Absorberschicht als Schalldämpferkulisse mit dem Vorteil, daß zur Absorption tiefer Frequenzen wesentlich geringere Schichtdicken erforderlich sind, als bei Verwendung konventioneller Mittel. Bei dem in Fig.8 dargestellten beispielhaften Aufbau besteht die Kulisse aus einem Weichschaum- oder Faserstoffkern 3, der von der massebelasteten Platte 1 ummantelt und in Kanalmille angeordnet ist. Selbstverständlich können auch Halbkulissen auf die Kanalwand aufgebracht werden, oder die Kanäle können zylindrisch angeordnet werden, wobei die Kulissen dann die Form von Zylindern bzw. Hohlzylindern erhalten.

Schalldämmende Hauben für lärmerzeugende Maschinen müssen Wände ausreichenden Gewichtes aufweisen, damit die gewünschte Schalldämmung erzielt wird, und sie müssen zur Herabsetzung des Schallpcgcls im Inneren schallschluckend ausgekleidet sein. Eine Anordnung gemäß F i g. 7 ist daher als Haubenwandung geeignet, wobei sich der erzielte Gesamtwirkungsgrad als Produkt aus der masseabhängigen Schalldämmung des Außengehäuses und dem Dämpfungsvermögen der Auskleidung ergibt.

Die Anordnung zur Absorption von Luftschall kann bei nicht zu hohen Forderungen auch allein, d. h, ohne offenporige Trägerschicht und ohne zusätzliche Äußert· wand als Wandmaterial für derartige Kapselungen verwendet werden.

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Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Absorption von Luftschall, bestehend aus mindestens einer sch.allabsorbierenden Schicht bzw. Maine aus einem geschlossenzelligen Weichschaum, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumstoffschicht (1) aus einem Werkstoff mit einem Verlustfaktor ij>0,01 besteht, und daß darin mit einem mittleren Abstand, der klein ist gegenüber der Wellenlänge des zu absorbierenden Luftschalles, schwere Masseteilchen (2) in ungleichmäßiger Anordnung verteilt sind und daß das Gesamtgewicht der Masseteilchen (2) größenordnungsmäßig vergleichbar ist mit demjenigen des Weichschaumes.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht bzw. Matte (1) aus vernetztem Polyolefinschaum besteht.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht bzw. Matte (1) aus vernetztem Polyäthylenschaum besteht.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, insbesondere zur Verwendung in Rohrleitungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht bzw. Matte

(1) schlauchförmig ausgebildet ist, und daß sie in einer einzigen oder in mehreren konzentrischen Schichten angeordnet ist, wobei diese e'.cn radialen Abstand voneinander haben.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu der die schweren Masseteilchf.n (2) enthaltenden Schicht (1) aus geschlossenzelligem Weichschaum auf der Seite des zu verkleidenden Elementes (6) mindestens eine weitere Schicht (3) in Form einer Schicht aus offenzelligem Weichschaum und/oder einem weichelastischen Faservliesmaterial vorgesehen ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung in Kulissenform ausgeführt ist und mindestens eine als Außenhaut vorgesehene Schicht (1) aus geschlossenzelligem Weichschaum mit eingelagerten schweren Masseteilchen (2) enthält und eine innere Füllung (3) aus offenzelligem Weichschaum und/oder einem geeigneten Fasermaterial.

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