DE4430697C1 - Zuluftschalldämpfer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Zuluftschalldämpfer, bestehend aus einer von einer undurchlässigen Wandung umschlossenen Strömungsleitung, die mit Unter­ schallgeschwindigkeit von einem gasförmigen Medium durchströmt ist, sowie ei­ ner mit der Strömungsleitung verbundenen düsenförmigen Einrichtung zur Unterdrückung von Luftschallemissionen vor einer Schall abstrahlenden Geräusch­ quelle zur Unterdrückung des Schalls entgegen der Strömungsrichtung (vgl. DE 35 45 212 A1).

Weitere Luftschalldämpfer sind allgemein bekannt und bilden beispielsweise einen Bestandteil eines als Abluftkanal ausgebildeten Auspuffs von Kraftfahrzeugen. Derartige Luftschalldämpfer sind in Strömungsrichtung hinter der Geräuschquelle angeordnet, die in diesem Falle durch den Motor des Kraftfahrzeugs gebildet ist. Die vorbekannten Luftschalldämpfer sind für gasfördernde Bauteile, wie zum Beispiel Lüfter oder gasführende Bauteile, wie zum Beispiel Ventile, bei denen die Schallausbreitung entgegen der Strömungsrichtung erfolgt, ungeeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zuluftschalldämpfer der vorbe­ kannten Art derart weiterzuentwickeln, daß dieser eine Luftschallabsorption für gasfördernde und gasführende Maschinen und Bauteile entgegen der Strö­ mungsrichtung bewirkt und Luftschallemissionen dadurch nahezu vollständig verhindert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprü­ che Bezug.

Zur Lösung der Aufgabe ist es vorgesehen, daß die Strömungsleitung als Zuluft­ kanal ausgebildet ist, daß die Einrichtung in Strömungsrichtung des Mediums vor einer schallabstrahlenden Geräuschquelle angeordnet ist, zur Unterdrückung der Luftschallemissionen entgegen der Strömungsrichtung und daß die Einrich­ tung zumindest ein Strömungsveränderungsmittel umfaßt, das an zumindest ei­ ner Stelle eine Steigerung der Geschwindigkeit des gasförmigen Mediums auf annähernd Schallgeschwindigkeit bewirkt. Gasfördernde und -führende Maschi­ nen und Bauteile erzeugen während ihrer bestimmungsgemäßen Verwendung oftmals hohe Geräuschpegel. Die Ursachen liegen meist in den hohen Strö­ mungsgeschwindigkeiten und strömungstechnisch ungünstigen Geometrien. Die Geräusche breiten sich in der Gassäule der Mediums sowohl in als auch gegen dessen Strömungsrichtung aus. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Luftschall­ dämpfers ist darin zu sehen, daß dieser in einem Zuluftkanal angeordnet ist, wobei das Strömungsveränderungsmittel in Strömungsrichtung des Mediums vor der schallabstrahlenden Geräuschquelle angeordnet ist. Der von der Geräusch­ quelle abgestrahlte Schall, der sich in Richtung des Strömungsveränderungsmit­ tels ausbreitet, kann sich an diesem vorbei entgegen der Strömungsrichtung nicht ausbreiten, da beim Durchströmen des Mediums durch das Strömungsver­ änderungsmittel Schallgeschwindigkeit erreicht wird. Aufgrund der Schallge­ schwindigkeit des einströmenden gasförmigen Mediums in Richtung der Ge­ räuschquelle können sich die unerwünschten Geräusche nicht in den Bereich vor das Strömungsveränderungsmittel ausbreiten. Die mit Schallgeschwindigkeit durch die Einrichtung strömenden Gase wirken, bezogen auf den von der Geräuschquelle abgestrahlten Schall, als schalldämmende Begrenzung.

Das Strömungsveränderungsmittel kann durch zumindest eine Düse gebildet sein, die im Hinblick auf eine Minimierung der Strömungsverluste einen im we­ sentlichen kreisförmigen Durchtrittsquerschnitt aufweist. Der Volumenstrom des gasförmigen Mediums wird nur sehr geringfügig vermindert.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Düse als Laval-Düse ausge­ bildet sein. In ihrer Gestalt davon abweichende Strömungsveränderungsmittel, wie beispielsweise Blenden, können ebenfalls zur Anwendung gelangen, wenn gewährleistet ist, daß das gasförmige Medium an zumindest einer Stelle auf an­ nähernd Schallgeschwindigkeit beschleunigt wird. Das bei hohen Strömungsge­ schwindigkeiten durch die Düse erzeugte Strömungsrauschen ist aufgrund der günstigen Düsengeometrie bei Laval-Düsen nur sehr gering.

Die Düse weist im Bereich ihrer axialen Enden einen ersten und dritten Öff­ nungsquerschnitt auf, wobei der erste Öffnungsquerschnitt auf der der Ge­ räuschquelle abgewandten Seite angeordnet ist und sich in Strömungsrichtung auf der der Geräuschquelle zugewandten Seite auf einen zweiten Öffnungsquer­ schnitt verjüngt und wobei der zweite Öffnungsquerschnitt auf der der Ge­ räuschquelle zugewandten Seite in Strömungsrichtung auf den dritten Öff­ nungsquerschnitt erweitert ist, der zumindest so groß ist, wie der erste Öff­ nungsquerschnitt. Der zweite Öffnungsquerschnitt ist bevorzugt kegelförmig in Richtung des dritten Öffnungsquerschnitts erweitert.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, daß die Flä­ che des ersten Öffnungsquerschnitts 1,01 bis 2,5mal größer ist, als die Fläche des zweiten Öffnungsquerschnitts, daß die Fläche des dritten Öffnungsquer­ schnitts 1,05 bis 4mal größer ist, als die Fläche des zweiten Öffnungsquer­ schnitts und daß die Länge der Düse in Strömungsrichtung 4 bis 12mal größer ist, als der Durchmesser des zweiten Öffnungsquerschnitts. Derartige Abmes­ sungen bedingen einerseits eine ausreichend große Beschleunigung des mit Un­ terschallgeschwindigkeit strömenden Mediums im Bereich der Düse auf Schall­ geschwindigkeit und ermöglichen andererseits daß dem Durchsatz nur geringe Strömungswiderstände entgegenstehen. Der zweite Öffnungsquerschnitt bildet die relativ engste Stelle der Düse. Die Begrenzungswandung des Öffnungsquer­ schnitts der Düse zwischen dem zweiten und dem dritten Öffnungsquerschnitt schließt mit der Symmetrieachse der Düse bevorzugt einen Winkel von 2 bis 8° ein. Im Hinblick auf eine laminare Strömung und einen Durchsatz, der im we­ sentlichen frei von Strömungsverlusten ist, ist eine derartige Ausgestaltung von Vorteil.

Der zweite und der dritte Öffnungsquerschnitt sind daher gemäß einer vorteil­ haften Ausgestaltung ohne sprunghafte Querschnittsveränderungen kontinuier­ lich ineinander übergehend ausgebildet.

Insbesondere für Strömungsleitungen mit einem vergleichsweise geringen Durchtrittsquerschnitt ist es erforderlich, daß Strömungsveränderungsmittel mit kleinen Abmessungen und guter Wirksamkeit zur Anwendung gelangen. Dazu kann es vorgesehen sein, daß innerhalb der Strömungsleitung in Strömungsrich­ tung vor der Geräuschquelle zumindest zwei gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilte Düsen in einer funktionstechnischen Parallelschaltung angeordnet sind. Ein derartiges Strömungsveränderungsmittel ermöglicht hohe Volumenströme durch den Schalldämpfer, weist kleine Abmessungen auf und ist kostengünstig herstellbar.

Für eine möglichst weitgehende Luftschallabsorption ist es erforderlich, daß das Strömungsveränderungsmittel den von der Geräuschquelle erzeugten Luftschall zuverlässig zur Umgebung hin abschirmt. Bevorzugt weisen die Düsen bei sta­ tionären Strömungszuständen des Mediums eine übereinstimmende Gestalt mit gleichem Durchflußquerschnitt auf. Sind die Strömungsverhältnisse der Zuluft innerhalb der Strömungsleitung weitgehend konstant, und das Medium wird in­ nerhalb der Düsen auf Schallgeschwindigkeit beschleunigt, ist eine ausgezeich­ nete Schalldämmung des von der Geräuschquelle abgestrahlten Schalls entge­ gen der Strömungsrichtung bedingt. Unterliegen die Strömungsverhältnisse in­ nerhalb der Strömungsleitung demgegenüber Schwankungen, kann es sinnvoll sein, daß die Düsen bei instationären Strömungszuständen einen voneinander abweichenden Durchflußquerschnitt aufweisen, um auch bei unterschiedlichen Strömungsverhältnissen in zumindest einer der Düsen Schallgeschwindigkeit des Mediums zu bewirken und somit zumindest eine Reduzierung der Luft­ schallemissionen. Zur Absorption von aus instationären Strömungszuständen re­ sultierendem Luftschall kann es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Luftschalldämpfers vorgesehen sein, daß zumindest eine der als Strömungsver­ änderungsmittel zur Anwendung gelangenden Düsen mit einem Hilfsmittel zur Veränderung und/oder zum Verschließen zumindest eines Düsenquerschnitts versehen ist. Das Hilfsmittel kann beispielsweise durch einen Schieber gebildet sein, der in Abhängigkeit der vorliegenden Strömungsverhältnisse den Düsen­ querschnitt derart einstellt, daß das Medium an der engsten Querschnittsstelle der Düse Schallgeschwindigkeit erreicht.

Die Düsen können als vormontierbare Einheit ausgebildet und gemeinsam in die Strömungsleitung einsetzbar sein. Hierbei ist von Vorteil, daß die Herstellung der Einheit und die Montage problemlos vorgenommen werden können. Die einzel­ nen Düsen sind während der Montage der Einheit in die Strömungsleitung stets optimal zueinander positioniert. Die Handhabung ist - im Gegensatz zu einer Montage von einzelnen Düsen - wesentlich vereinfacht.

Die Einheit kann als Kunststoff-Spritzgußteil ausgebildet sein. Hierbei ist von Vorteil, daß die Herstellung der Einheit einfach und kostengünstig vorgenommen werden kann. Außerdem weist die Einheit eine geringe Masse auf.

Der Luftschalldämpfer gelangt beispielsweise in einem Bremskraftverstärker ei­ nes Kraftfahrzeugs zur Anwendung. Im Steuerkolben des Bremskraftverstärkers ist ein Ventil angeordnet, wobei auf der einen Seite des gasführenden Ventils ein starker Unterdruck herrscht, so daß bei Betätigung dieses Ventils sofort ein starker Luftstrom durch das Ventil strömt. Um das Strömungsrauschen zu mini­ mieren, das entsteht, wenn das gasförmige Medium durch das Ventil strömt, ist in der Strömungsleitung zumindest einer Laval-Düse vorgesehen, die die Funkti­ on eines Luftschalldämpfers erfüllt. Strömungsgeräusche im Fahrgastraum des Kraftfahrzeugs werden daher nicht wahrgenommen. Trotz der erheblichen Ge­ räuschreduzierung wird der maximale Luftdurchsatz, der für die Wirksamkeit ei­ nes Bremskraftverstärkers ausschlaggebend ist, nicht vermindert.

Der erfindungsgemäße Luftschalldämpfer wird nachfolgend anhand der Zeich­ nung weiter erläutert. Diese zeigt die zu berücksichtigenden Einzelkomponenten in schematischer Darstellung.

In der Zeichnung ist eine Strömungsleitung 1 gezeigt, die von einer gasundurch­ lässigen Wandung umschlossen ist. Die Strömungsleitung 1 ist als Zuluftkanal ausgebildet und umschließt eine nicht näher beschriebene Geräuschquelle 5. Die Geräuschquelle 5 kann beispielsweise durch einen Lüfter oder ein Ventil gebildet sein, wobei an der Geräuschquelle 5 in Strömungsrichtung 4 ein Differenzdruck wirksam ist. In Strömungsrichtung des Mediums 2 vor der Geräuschquelle 5 ist eine Einrichtung 3 mit einem Strömungsveränderungsmittel angeordnet, wobei das Strömungsveränderungsmittel in diesem Beispiel durch zwei Düsen 6 gebil­ det ist, die als Laval-Düsen ausgebildet sind. Die beiden Düsen 6 sind in einer funktionstechnischen Parallelschaltung angeordnet und weisen jeweils drei Öff­ nungsquerschnitte 7, 8, 9 auf. Der erste Öffnungsquerschnitt 7 ist auf der der Geräuschquelle 5 abgewandten Seite der Düsen 6 angeordnet. Der dritte Öff­ nungsquerschnitt 9 ist am größten und auf der der Geräuschquelle 5 zuge­ wandten Seite angeordnet. Zunächst wird das Medium 2 im Bereich der ersten Öffnungsquerschnitte 7 beschleunigt und weist im Bereich der zweiten Öff­ nungsquerschnitte 8, die die engsten Querschnittstellen der Düsen 6 bilden, seine höchste Geschwindigkeit auf. In diesem Bereich wird Schallgeschwindig­ keit erreicht. Dadurch, daß das Medium 2 mit Schallgeschwindigkeit durch die Düsen 6 strömt, wird der von der Geräuschquelle 5 abgestrahlte Schall auf der Unterdruckseite 10 der Düsen 6 gehalten und gelangt daher nicht auf die Über­ druckseite 11.

Claims (14)

1. Zuluftschalldämpfer, bestehend aus einer von einer undurchlässigen Wan­ dung umschlossenen Strömungsleitung, die mit Unterschallgeschwindig­ keit von einem gasförmigen Medium durchströmt ist, sowie einer mit der Strömungsleitung verbundenen düsenförmigen Einrichtung zur Unterdrückung von Luft­ schallemissionen, wobei die Strömungsleitung (1) als Zuluftkanal ausgebildet ist und die Einrichtung (3) in Strömungsrich­ tung (4) des Mediums (2) vor einer Schall abstrahlenden Geräuschquelle (5) angeordnet ist, zur Unterdrückung der Luftschallemissionen entgegen der Strömungsrichtung (4), und daß die Einrichtung (3) zumindest ein Strömungsveränderungsmittel umfaßt, das an zumindest einer Stelle der Strömungsleitung eine Steigerung der Geschwindigkeit des gasförmigen Mediums (2) auf annä­ hernd Schallgeschwindigkeit bewirkt.

2. Zuluftschalldämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsveränderungsmittel durch zumindest eine Düse (6) gebildet ist.

3. Zuluftschalldämpfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (6) einen im wesentlichen kreisförmigen Durchtrittsquerschnitt aufweist.

4. Zuluftschalldämpfer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (6) als Laval-Düse ausgebildet ist.

5. Zuluftschalldämpfer nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (6) im Bereich ihrer axialen Enden einen ersten und dritten Öff­ nungsquerschnitt (7, 9) aufweist, daß der erste Öffnungsquerschnitt (7) auf der der Geräuschquelle (5) abgewandten Seite angeordnet ist und sich in Strömungsrichtung (4) auf der der Geräuschquelle (5) zugewandten Seite auf einen zweiten Öffnungsquerschnitt (8) verjüngt und daß der zweite Öffnungsquerschnitt (8) auf der der Geräuschquelle (5) zugewand­ ten Seite in Strömungsrichtung (4) auf den dritten Öffnungsquerschnitt (9) erweitert ist, der zumindest so groß ist, wie der erste Öffnungsquer­ schnitt (7).

6. Zuluftschalldämpfer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des ersten Öffnungsquerschnitts (7) 1,01 bis 2,5 mal größer ist, als die Fläche des zweiten Öffnungsquerschnitts (8).

7. Zuluftschalldämpfer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des dritten Öffnungsquerschnitts (9) 1,05 bis 4 mal größer ist, als die Fläche des zweiten Öffnungsquerschnitts (8).

8. Zuluftschalldämpfer nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Düse (6) in Strömungsrichtung (4) 4 bis 12 mal größer ist, als der Durchmesser des zweiten Öffnungsquerschnitts (8).

9. Zuluftschalldämpfer nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste, der zweite und der dritte Öffnungsquerschnitt (7, 8, 9) ohne sprunghafte Querschnittsveränderungen kontinuierlich ineinander überge­ hend ausgebildet sind.

10. Zuluftschalldämpfer nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Strömungsleitung (1) in Strömungsrichtung (4) vor der Ge­ räuschquelle (5) zumindest zwei gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilte Düsen (6) in einer funktionstechnischen Parallelschaltung angeordnet sind.

11. Zuluftschalldämpfer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (6) übereinstimmend ausgebildet sind.

12. Zuluftschalldämpfer nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (6) als vormontierbare Einheit ausgebildet und gemeinsam in die Strömungsleitung (1) einsetzbar sind.

13. Zuluftschalldämpfer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit als Kunststoff-Spritzgußteil ausgebildet ist.

14. Zuluftschalldämpfer nach Anspruch 1 bis 13, gekennzeichnet durch die Verwendung in einem Bremskraftverstärker eines Kraftfahrzeugs.