DE3922139C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reduzieren von
Geräuschen durch Interferenz.
Zum Reduzieren des Geräuschpegels von Schall ist es bisher
weithin üblich, die Schallquelle mit einer Abschirmung zu umgeben,
die mit einem schallisolierendem Material belegt ist, um
Schall durch akustische Absorption zu reduzieren.
Weithin bekannt ist auch das Verfahren, die Fortpflanzung von
Schallwellen dadurch zu verhindern, daß eine hochwirksame Abschirmwand
vorgesehen wird, um den Geräuschpegel zu reduzieren.
Solche bekannten Abschirmverfahren können aber insbesondere
nicht bei Motorräumen von Fahrzeugen angewandt werden, welche
eine Abfuhr von Strahlungswärme erfordern.
Wird eine Schallabschirmungswand für den Antrieb eines Flugzeuges
eingesetzt, welcher Schall über einen ausströmenden
Strahl abgibt, so wird die Luftströmung turbulent und erzeugt
Hindernisse für die angesaugte und abgestoßene Luft. Dementsprechend
kann dort der Schall nicht abgeschirmt werden.
Aus der US 41 56 476 ist eine Geräuschdämpfungsvorrichtung bekannt
mit einem Hohlkörper, wobei Interferenzen erzeugt werden.
Die Erfindung setzt sich das Ziel, eine Vorrichtung zur Geräuschreduzierung
bereitzustellen, die mit einfachen Mitteln
einen hohen Wirkungsgrad erzielt.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch
1 gekennzeichnet.
Der abhängige Anspruch 2 beschreibt eine bevorzugte Ausgestaltung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Allgemein erzeugen von zwei Schallquellen erzeugte Schallwellen,
deren Phasen sich um eine halbe Wellenlänge unterscheiden,
einen extrem geräuschreduzierten Bereich durch Interferenz auf
einer Symmetrielinie, die senkrecht auf der Verbindungslinie
der beiden Schallquellen steht.
Es werden also von einer Schallquelle abgegebene Geräusche
dadurch reduziert, daß eine Vielzahl von Durchgängen bereitgestellt
wird, deren Länge so bemessen ist, daß mittels Interferenz
ein Bereich mit reduziertem Geräuschpegel in ähnlicher
Weise wie vorstehend bei zwei Schallquellen beschrieben, entsteht.
Beim Aufbau der Vorrichtung wird eine Abweichung von 60° in
bezug auf eine Phasendifferenz von 240° zugelassen und jede
innerhalb dieser Abweichung liegende Phasendifferenz wird als
zulässig angesehen, weil eine Geräuschreduzierung dann kaum
auftritt, wenn die Phasendifferenz diesen Bereich verläßt, wie
in Fig. 8 dargestellt ist.
Insbesondere wenn Reflexionen an einer Oberfläche, wie der Erdoberfläche
oder dergleichen, auftreten, ist es erforderlich,
den nach unten gerichteten Schallreduzierungsbereich zu steuern
und es ist erforderlich, die Phase der die oben angeordneten
Durchlässe passierenden Wellen um eine Phasendifferenz von 240°
±60° in bezug auf die Phase der die unteren Durchlässe passierenden
Wellen vorlaufen zu lassen. Die Wellenfronten A, B
stehen dabei senkrecht zu einer "akustischen Achse" des Systems,
d. h. der Verbindungslinie zwischen der Schallquelle (23,
32) und der Längserstreckung der Geräuschreduzierungsvorrichtung.
Dies ist in Fig. 9 dargestellt und bedeutet, daß dann, wenn der
Phasenvorlauf außerhalb des Bereichs von 240°±60° liegt, eine
wirksame Geräuschreduzierung durch Interferenz nicht mehr erhalten
werden kann aufgrund von Einflüssen der Reflexion an
einer Oberfläche wie der Erdoberfläche.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 einen Schnitt durch den Motorraum eines Fahrzeugs,
welches mit einer Vorrichtung zum Reduzieren von Geräuschen
gemäß der Erfindung ausgerüstet ist,
Fig. 2 einen Schnitt in Längsrichtung durch eine Vorrichtung
zum Reduzieren von Geräuschen gemäß Fig. 1,
Fig. 3 schematisch die Überlagerungen von Schallwellen mittels
einer Geräuschreduzierungsvorrichtung gemäß der
Erfindung,
Fig. 4 eine Darstellung des Schalldruckspektrums, aus dem
sich die schallreduzierende Wirkung der Vorrichtung
gemäß Fig. 2 im Vergleich mit dem Stand der Technik
ergibt,
Fig. 5 eine schematische Draufsicht auf ein Flugzeug, bei
dem eine erfindungsgemäße Geräuschreduzierung durchgeführt
wird,
Fig. 6 einen Schnitt in Längsrichtung durch eine beim Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 5 verwendete Geräuschreduzierungsvorrichtung,
Fig. 7 eine graphische Darstellung des Schalldruckspektrums
bei einer Geräuschreduzierungsvorrichtung gemäß Fig. 6,
Fig. 8 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen
den Phasendifferenzen von Schallwellen in den
Gruppen von Durchgängen und der Schallreduzierung
und
Fig. 9 ebenfalls den Zusammenhang zwischen Phasendifferenzen
von Schallwellen und der schallreduzierenden Wirkung.
Zunächst wird die Erfindung anhand der Fig. 1 bis 7 erläutert.
Fig. 7 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels
einer Vorrichtung zur Geräuschreduzierung, die am Motorraum
eines Automobils verwendet wird.
Gemäß Fig. 1 ist ein Motorraum 13 als Teil eines Fahrzeugkörpers
12 (Karosserie) ausgebildet. Am Rahmen aufgehängt sind
Räder 11, bestehend aus den Vorderrädern (Steuerräder) und den
Hinterrädern (Antriebsräder). Ein Motor 14 ist im Motorraum 13
angeordnet.
In der Außenwand des Motorraums 13 ist eine Entlüftung 15 vorgesehen,
die mit einer Geräuschreduzierungsvorrichtung 16 gemäß
der Erfindung versehen ist.
Der Motor 14 ist quer angeordnet und ein Ventilator 17 sowie
ein Kühler 18 sind seitlich des Auslasses 15 des Motors 14 angeordnet.
Der Motor 14 ist gedämpft auf dem Boden des Motorraumes 13 abgestützt.
In Fig. 1 ist die Erdoberfläche mit dem Bezugszeichen 19 angedeutet.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt in Längsrichtung der in Fig. 1
gezeigten Vorrichtung 16 zum Reduzieren von Geräuschen.
Die Vorrichtung 16 ist als Hohlkörper ausgebildet mit einer ersten
Gruppe 21 von oben angeordneten Durchlässen und einer
zweiten Gruppe 22 mit unterhalb der ersten Gruppe angeordneten
Durchlässen.
Die erste Gruppe 21 besteht aus einer Vielzahl von ersten
Durchlässen 21-1, 21-2, . . ., 21-n, die zueinander parallel angeordnet
sind. Die Gruppe ist so ausgebildet, daß sie eine erste
ebene Schallwelle A erzeugt aus Schallwellen, die eine erste,
gleiche Phase aufweisen und die ersten Durchgänge 21-1,
21-2, . . ., 21-n passiert haben, nachdem sie von einer Schallquelle
23 emittiert worden sind (entsprechend dem Motor 14 in
Fig. 1).
Die zweite Gruppe 22 besteht ebenfalls aus einer Vielzahl von
zweiten Durchlässen 22-1, 22-2, . . ., 22-m, die ebenfalls parallel
zueinander ausgerichtet sind. Die zweite Gruppe ist so aufgebaut,
daß sie eine zweite ebene Schallwelle B erzeugt aus
Schallwellen, die die gleiche Phase aufweisen und die Durchlässe
22-1, 22-2, . . ., 22-m passiert haben, nachdem sie von der
Schallquelle 23 emittiert sind.
Jeder Durchlaß 21-1, 21-2, . . ., 21-n, 22-1, 22-2, . . ., 22-m ist
mit einem vorgegebenen Neigungswinkel R, wie dargestellt, ausgebildet.
Die Durchlässe können unterschiedliche Formen aufweisen,
so kann jeder Durchgang schlitzförmig mit einer bestimmten
Breite ausgebildet sein, so daß sich die Schlitze gemäß Fig. 2
zu einem Hohlkörper 16 zusammenfügen. Die Durchlässe können
auch im Schnitt als konzentrische Kreise oder konzentrische
Ovalformen ausgebildet sein, in Abhängigkeit von der Form und
der Größe der Schallquelle 23.
Die Vorrichtung 16 dient dazu, von der Schallquelle 23 (Motor
14) erzeugte Geräusche mittels Interferenz zu reduzieren.
Zu diesem Zweck wird die Länge jedes Durchlasses 22-i, (i = 1,
2, . . ., n) der ersten Gruppe 21 von Durchlässen so festgelegt,
daß die Summe aus dem Abstand von der Schallquelle 23 zum Einlaß
des Durchlasses, der Länge des Durchlasses und des Abstands
vom Ausgang des Durchlasses zu einer auswärts (in Ausbreitungsrichtung
der Schallwellen gesehen) der Durchlässe angeordneten
imaginären Ebene eine konstante Länge LA aufweist, um eine
ebene Welle A durch Zusammenfügen von Wellen zu bilden, die
eine erste, gleiche Phase nach Durchgang durch die Durchlässe
22-i aufweisen.
Die Länge jedes Durchlasses 22-i, (i = 1, 2, . . ., m) der zweiten
Gruppe 22 von Durchlässen wird ebenfalls so bestimmt, daß die
Summe aus dem Abstand von der Schallquelle 23 zum Einlaß des
Durchlasses, der Länge des Durchlasses und dem Abstand vom Ausgang
des Durchlasses zu einer auswärts gelegenen imaginären
Ebene einen konstanten Wert LB aufweist, um eine ebene Welle B
aus Schallwellen zu bilden, die eine gleiche zweite Phase nach
Durchgang durch die Durchlässe 22-i aufweisen. Die imaginären
Ebenen sind parallel zur Längserstreckung der Vorrichtung und
senkrecht zum Lot von der Schallquelle auf diese Längsrichtung.
Die erste Phase der ersten ebenen Wellenfront A, die aus den
die oberen Durchlässe (erste Gruppe 21) passierenden Wellen gebildet
wird, wird so gesetzt, daß diese Wellenfront um eine
Phasendifferenz von 240°±60° bei einer sogenannten Zielfrequenz
(wie zum Beispiel 1250 Hz) in bezug auf die zweite Phase
der zweiten ebenen Wellenfront B versetzt ist, welche mittels
derjenigen Schallwellen gebildet wird, welche die untere Gruppe
22 von Durchlässen passiert haben.
Bei Motoren 14 von Fahrzeugen wird der Geräuschpegel häufig im
Frequenzbereich von 1250 Hz am größten.
Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die Ausbildung
der ersten Gruppe 21 und der zweiten Gruppe 22 von
Durchlässen mittels zehn flacher Platten, die so angeordnet
sind, daß die Phase der ersten ebenen Wellenfront A um eine
Phasendifferenz 240° in bezug auf die Phase der zweiten
ebenen Wellenfront B versetzt ist, so daß bei einer Frequenz
von 1250 Hz eine wirkungsvolle Geräuschreduzierung durch Interferenz
auftritt. Wie dargestellt, ist die Phase der ersten
Wellenfront A um die Phasendifferenz vorgeschoben.
Die Längen der flachen Platten S 1, S 2, . . ., S 10 (gezählt von
oben) zur Bildung der Durchlässe 21-i, 22-i sind in Längsrichtung
der Durchlässe wie folgt bemessen: 64 mm, 64 mm, 56 mm,
20 mm, 140 mm, 140 mm, 116 mm, 87 mm, 56 mm und 35 mm. Der Neigungswinkel
R der flachen Platten beträgt jeweils 30°. Der Abstand
zwischen benachbarten flachen Platten beträgt jeweils
25 mm. Die Neigung (R) wird beim dargestellten Ausführungsbeispiel
gemessen in bezug auf eine sogenannte akustische Achse
des Systems, d. h. dem Lot von der Schallquelle auf die Längserstreckung
der Vorrichtung.
Fig. 3 zeigt schematisch die Interferenz der Schallwellen, welche
die Geräuschreduzierungsvorrichtung 16 gemäß Fig. 2 passiert
haben.
Die erste ebene Wellenfront A aus Wellen, welche, ausgehend
von der Schallquelle 23, die erste Gruppe 21 von Durchlässen
passiert haben, bewegt sich mit einer Phasendifferenz von 240°
in bezug auf die Phase der zweiten ebenen Wellenfront B, die
aus Schallwellen gebildet ist, welche, ausgehend von der
Schallquelle 23, die zweite Gruppe 22 von Durchlässen passiert
haben. Eine schallreduzierende Wirkung wird durch Interferenz
der ersten ebenen Welle A und der zweiten ebenen Welle B in
einer Zone X erzielt, wobei der schallreduzierte Bereich sich
bei Weiterbewegung der Wellen nach unten erweitert, wie es
durch den Bereich X in der Figur gezeigt ist.
Der geräuschreduzierte Bereich Y, der nach unten aufgeweitet
ist, wird von der Oberfläche 19 definiert und pflanzt sich
danach weiter fort in Richtung auf einen oberen schallreduzierten
Bereich Z.
In diesem Fall wird ein Raum R gebildet, in dem eine Schallwelle
vor der Reflexion und eine Schallwelle nach der Reflexion
einander schneiden, und zwar oberhalb eines Bereichs P, in dem
der Bereich Y reduzierten Geräuschpegels die Oberfläche 19 berührt.
Da in diesem "zusammengesetzten" Raum R verschiedene ebene Wellen
mit unterschiedlichen Wellenlängen und Phasen einander
überlagern, ist es möglich, eine Zone mit weiter reduziertem
Geräuschpegel zu erhalten. Falls also Instrumente verwendet
werden, die eine Umgebung mit niedrigerem Geräuschpegel erfordern,
ist es vorteilhaft, diese Instrumente in dem "zusammengesetzen"
Raum R anzuordnen.
In Fig. 4 sind Schalldruckspektren im Vergleich aufgetragen und
zwar einmal von einem Fahrzeug, das mit einer Geräuschreduzierungsvorrichtung
16 gemäß der Erfindung (Fig. 1 und 2) ausgerüstet
ist (durchgezogene Linie) und einmal ohne eine solche
Ausrüstung (gestrichelte Linie).
Die Darstellung gemäß Fig. 4 zeigt den Schalldruckpegel in Abhängigkeit
von der Frequenz für einen Kleinbus, der mit einer
Geschwindigkeit von 40 km/h einen Meßort passiert, der 7,5 m
vom Schwerpunkt des Fahrzeuges entfernt ist.
Das Meßergebnis gemäß Fig. 4 zeigt, daß ein schallreduzierender
Effekt von 4 dB bei einer sogenannten Zielfrequenz von 1250 Hz
durch Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielt werden
kann.
Die Erfindung erfordert keinerlei schallabsorbierendes Material.
Fig. 5 zeigt den Einsatz einer Geräuschreduzierungsvorrichtung
gemäß der Erfindung zum Reduzieren von Geräuschen, die vom Antrieb
eines Flugzeugs erzeugt werden.
Gemäß Fig. 5 werden auf Interferenz beruhende Schallreduzierungsvorrichtungen
33, 33 auf dem Boden hinter beiden Antrieben
32, 32 angeordnet. Die Antriebe sind in bekannter Weise an den
Tragflächen des Flugzeuges 31 befestigt.
Der Abstand vom Antrieb 32 zur Geräuschreduzierungsvorrichtung
33 beträgt 10 m.
Fig. 6 zeigt einen Schnitt in Längsrichtung durch die Geräuschreduzierungsvorrichtung
33 gemäß Fig. 5 (eine der beiden Vorrichtungen).
Die Vorrichtung 33 zum Geräuschreduzieren ist etwa 6 m hoch und
10 m breit. Sie weist einen Hohlkörper mit einer ersten Gruppe
41 von oberen Durchlässen und einer zweiten Gruppe 42 von
unteren Durchlässen auf.
Die erste Gruppe 41 weist eine Vielzahl von ersten Durchlässen
41-1, 41-2, . . ., 41-n auf, die zueinander parallel ausgerichtet
sind und deren Längen so gewählt sind, daß eine erste ebene
Wellenfront A aus Schallwellen gebildet wird, die eine erste,
gleiche Phase nach Durchgang durch die Durchlässe aufweisen.
Die Gruppe 42 weist eine Vielzahl von zweiten Durchlässen 42-1,
41-2, . . ., 42-m auf, die zueinander parallel ausgerichtet sind
und deren Längen so bestimmt sind, daß eine zweite ebene Welle
B aus Schallwellen gebildet wird, die eine zweite, gleiche Phase
nach Durchgang durch die zweiten Durchlässe 42-1, 41-2, . . .,
42-m aufweisen.
Die Konstruktionsprinzipien für den Aufbau der Vorrichtung 33
entsprechen denen der Vorrichtung gemäß Fig. 2. Aus der Zeichnung
ergibt sich, daß die Anzahl der Durchlässe in den oberen
und unteren Durchlaßgruppen 41 und 42 wesentlich erhöht ist.
In diesem Falle wird auch die Phase der ersten ebenen Wellenfront
A aus Schallwellen, welche die obere Gruppe 41 von Durchlässen
passiert haben, so gesetzt, daß eine Phasendifferenz von
240°±60° in bezug auf die Phase der zweiten ebenen Wellenfront
B vorliegt, welche durch Schallwellen gebildet ist, die
die untere Gruppe 42 von Durchlässen passiert haben, wobei eine
Zielfrequenz vorgegeben ist, beispielsweise 2000 Hz.
Bevorzugt wird die sogenannte Zielfrequenz (wie z. B. 2000 Hz)
so festgesetzt, daß sie dem höchsten Geräuschpegel der Schallquelle
32 entspricht.
Beim Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Reduzieren von
Geräuschen gemäß Fig. 6 werden die einzelnen Durchlässe 41-1,
41-2, . . ., 41-n, 42-1, 42-2, . . ., 42-m der ersten bzw. der
zweiten Gruppe von Geräusch jeweils aus 40 flachen Platten
S 1, S 2, . . ., S 40 gebildet.
Der Neigungswinkel R jeder flachen Platte Si beträgt 30°. Der
Abstand zwischen benachbarten Platten beträgt 75 mm.
Tabelle 1 zeigt die Längen der genannten 40 flachen Platten S 1,
S 2, . . ., S 40 (gezählt von oben) in Längsrichtung der Durchlässe.
Die Längen sind im mm angegeben.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 5 und 6 können die
gleichen Interferenzeffekte von sich einander überlagernden
Wellen erreicht werden, wie bei Ausführungsbeispiel gemäß den
Fig. 2 und 3, welches oben erläutert wurde. Es ist ebenfalls
möglich, eine weitere Geräuschreduzierungszone zu erhalten, in
der eine gleichbleibende Reduzierung des Geräuschpegels gegeben
ist, indem ein "zusammengesetzter" Raum R gebildet wird, in dem
eine einfallende Welle sich mit einer reflektierten Welle
kreuzt.
Fig. 7 zeigt spektrale Verteilungen von Schalldruck-Pegeln,
einmal bei Verwendung einer Vorrichtung 33 zum Geräuschreduzieren
(untere Kurve) und zum anderen den Fall, bei dem eine
solche Vorrichtung nicht verwendet wurde (obere Kurve).
Die Werte gemäß Fig. 7 wurden in einem Abstand von 150 m hinter
dem Antrieb 32 (Fig. 5) gewonnen.
Wie sich aus den spektralen Verteilungen gemäß Fig. 7 ergibt,
beträgt die Geräuschreduzierung 12 dB bei einer Zielfrequenz
von 2000 Hz. Die Geräuschreduzierung hinter dem Flugzeug 31
wurde also extrem reduziert.
Die Geräuschreduzierung ist möglich, ohne daß die Luftströmung
in bezug auf den Antrieb 32 des Flugzeugs 31 in irgendeiner
Weise beeinflußt wird, insbesondere bleiben die Ansaug- und die
Abstoßbedingungen der Luft in bezug auf den Antrieb unberührt.
Claims (2)
1. Vorrichtung zum Reduzieren von Geräuschen durch Interferenz mit
- - einer ersten Gruppe (21; 41) von ersten Durchlässen (21-1, . . ., 21-4; 41-1, . . ., 41-n), die zueinander parallel ausgerichtet sind, um eine erste, ebene Welle (A) aus Schallwellen zu bilden, die, von einer Schallquelle (23; 32) kommend, eine erste, gleiche Phase nach Durchgang durch die ersten Durchlässe aufweisen, und
- - eine zweite Gruppe (22; 42) von zweiten Durchlässen (22-1, . . ., 22-5; 42-1, . . ., 42-m), die zueinander parallel ausgerichtet sind, um eine zweite ebene Welle (B) aus Schallwellen zu bilden, die, ausgehend von der Schallquelle, eine zweite, gleiche Phase nach Durchgang durch die zweiten Durchlässe aufweisen, wobei
- - die erste Gruppe (21; 41) von Durchlässen oberhalb der zweiten Gruppe (22; 42) von Durchlässen derart angeordnet ist, daß die erste Phase der ersten ebenen Welle (A) eine Phasenverschiebung von 240°±60° in bezug auf die zweite Phase der genannten zweiten ebenen Welle (B) aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Länge jedes Durchlasses der ersten Gruppe (21; 41)
so festgelegt ist, daß die Summe aus dem Abstand von
der Schallquelle (23; 32) zum Eingang des Durchlasses, der
Länge des Durchlasses und dem Abstand vom Ausgang des Durchlasses
zu einer außerhalb der Vorrichtung gelegenen imaginären
Ebene einen konstanten Wert (LA) hat und daß die Länge jedes
Durchlasses der zweiten Gruppe (22; 42) so festgelegt ist, daß
die Summe aus dem Abstand von der Schallquelle (23; 32) zum
Eingang des Durchlasses, der Länge des Durchlasses und dem
Abstand seines Ausgangs zu einer außerhalb der Vorrichtung
gelegenen imaginären Ebene einem konstanten Wert (LB) entspricht,
so daß die erste Phase der ersten ebenen Welle (A)
eine Phasendifferenz von 240°±60° in bezug auf die zweite
ebene Welle (B) aufweist.
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