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Schalldämpfer für aus einer Leitung mit wechselnder Geschwindigkeit
austretende plude Die Erfindung bezieht sich auf Schalldämpfer für aus einer Leitungsausmündung
mit wechselnder Geschwindigkeit austretende Flude; insbesondere für den Auspuff
von Brennkraftmaschinen, mit .einem von dem Flud durchströmten Hohlkörper, der nur
eine Öffnung besitzt, durch welche die einen geringeren Querschnitt als diese Öffnung
aufweisende und somit einen ringförmigen Austrittsquerschnitt frei lassende Fludzuleitung
in den Hohlkörper hineinragt.
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Hinsichtlieh der Ausgestaltung eines solchen Hohlkörpers ist es bekannt,
seine der Zuleitungsausmündung gegenüberliegende Stirnwand flach, d. h. eben oder
nur wenig gewölbt, auszubilden, ferner seinen größten Querschnitt senkrecht zur
Zuleitungsachse größer zu bemessen als den Querschnitt seiner Öffnung und weiterhin
seine Länge in Richtung der Zuleitungsachse etwa gleich seiner größten Abmessung
in der Querrichtung oder noch kleiner als diese zu machen. Außerdem ist es bekannt,
einen solchen Hohlkörper mit einer Kammer zu umschließen, die auf der der Hohlkörperöffnung
abgekehrten Seite mit einem Fludaustritt versehen ist und deren
Länge
in Richtung der Zuleitungsachse wesentlich größer ist als ihre größte Abmessung
in der Querrichtung.
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Aus einer öffnung hervorquellende Schallwellen verhalten sich desto
mehr als Schallstrahlen, je kürzer ihre Wellenlänge im Vergleich zu der Größe der
Öffnung ist: sie pflanzen sich dann in bestimmter Richtung fort und werden von festen
Wänden, ähnlich %vie Lichtstrahlen von einem Spiegel. reflektiert. Vornehmlich wirken
somit Schallwellen mit hoher Frequenz. in dieser U'eise. Solche Schallwellen sind
z. B. in dem eine Aufeinanderfolge von einzelnen steilen Wellenfronten aufweisenden
Auspuffgeräusch einer Brennkraftmaschine enthalten.
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Es ist bereits bekannt, die Begrenzungswände eines solchen Hohlkörpers,
in den das Flud aus einer Zuleitung eintritt und den es durchströmt, so zu gestatten,
daß sie einen Teil der Schallstrahlen, die von der Ausmündung der Fludzuleitung
ausgehen, in diese Leitungsausmündung zurückwerfen; indessen kann hierbei ein anderer
beträchtlicher Teil dieser Schallstrahlen den Hohlkörper vom Fludeintritt zum Fludaustritt
hin frei durchmessen, also aus dem Hohlkörper entweichen. ohne überhaupt eine Brechung
zu erfahren. Fair diese Schallstrahlen ist somit der Hohlkörper völlig bedeutungslos.
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Bei anderen bekannten Einrichtungen. bei denen der Fludaustritt auf
der gleichen Seite des Hohlkörpers liegt wie die Fludzuleitung, hat dieser Austritt
eine solche Lage bzw. eine solche Größe relativ zur Zuleitung, daß gleichfalls ein
erheblicher Teil der in den Hohlkörper eintretenden Schallstrahlen wieder aus ihm
entweichen kann.
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Zweck der Erfindung ist es, die Begrenzung des Hohlkörpers so auszubilden,
daß ein möglichst großer Teil der von der Ausmündung der Fludzuleitung ausgehenden
Schallstrahlen in diese Ausmündung zurückgeworfen wird und daß es keinem der in
den Hohlkörper eintretenden Schallstrahlen möglich ist, aus demselben zu entweichen,
ohne vorher eine Brechung an dessen, Wänden erfahren zu haben, so daß auch die wenigen
Schallstrahlen, die den Hohlkörper verlassen, infolge der erlittenen, meist mehrfachen
Brechung bereits stark gedämpft sind, also nicht mehr ihre ursprüngliche Lautstärke
besitzen. Außerdem sollen die Begrenzungs- i wände so ausgebildet sein, daß dem
Austritt des Fluds aus dem Hohlkörper kein nennenswerter Widerstand entgegengesetzt
wird und daß der Raumbedarf des Dämpfers bei ausreichender Dämpfungswirkung tunlichst
ge- . ring ist.
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-Nach der Erfindung ist der eine flache Stirnwand aufweisende Hohlkörper,
der nur eine C !ffnung besitzt. durch welche die Zu. leituii- unter Freilassung
einer ringförmigen Austrittsöffnung leindurchgeführt ist. unc dessen Länge in Richtung
der Zuleitungsachse liöclistens etwa gleich :einer größten Abmessung in der uerrichtung
ist. so gestaltet daß sein größter- Querschnitt (senkrecht zur Zuleitungsachse)
mindestens das Vierfache des ringförmigen Hohlkörperaustrittsquer-Schnitts beträgt
und daß der letztere etwa j gleich oder nur wenig größer als der Querschnitt der
Zuleitungsausmündung ist: ferner ist dieser Hohlkörper -in eine Kammer eingebaut.
deren Länge (,in Richtung der Zuleitungsachse) höchstens etwa gleich ihrer größten
Abmessung in der Querrichtung ist.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden durch die Zeichnung
veranschaulicht. Es stellt dar Abb. i einen kegeligen Schalldämpferhohlkörper nebst
Fludzuleitung, Abl>. = ein Schaubild über den Gütegrad einer von der ll.itte der
Leitungsausmündung ausgehenden Strahlenreflexion, Abb. 3 bis 5 weitere Ausgestaltungen
von Sclialldämpferholillcörpern, Abb. ü einen aus drei hintereinandergeschalteten
Dämpfereinheiten bestehenden Schalldämpfer.
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Bei den in den Nbb. i und 3 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispielen
ist je ein Hohlkörper i5, 16, 1;7,..21 vorgesehen, der auf der einen Seite eine
Öffnung 4 hat. Durch die öffnung -1 ragt eine Fludleitung 2, die eine Ausmündung
3 besitzt, in den Hohlkörper hinein. Die Öffnung .4 ist so groß, daß zwischen ihrem
Rand und der Außenwand der Fludleitung 2 ein für den Austritt des Fluds aus dein
Hohlkörper ausreichend großer, freier, ringförmiger Querschnitt verbleibt.
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Bei dem in Abb. i dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt der Hohlkörper
die Form eines Kegelstumpfes 15. der an der kleineren Stirnseite offen ist: die
Leitung z ragt durch diese ! >ffnung d: in den Hohlraum hinein. Die aus der Mündung
3 der Fludleitung 2 austretenden Flude durchströmen den kegeligen Hohlkörper 15
und fließen durch den noch freien ringförmigen Teil der )finung d. ab. Die Strahlen
hingegen treffen auf die der Ausmündung 3 gegenüberliegende ebene Wand, also auf
die Kegelbasis 5 oder auf den Kegelmantel, und werden nach Reflexion größtenteils
in die Ausmündung 3 zurückgeworfen. So wird beispielsweise der aus der Ausmündung
3 austretende Strahl s1 von der gegenüberliegenden Kegelbasis unmittelbar- in die
Fludleitung 2 zurückgeworfen, in der er sich durch mehrfache Reflexionen an der
Leitungswandung allmählich totläuft. Der von der Ausmündung 3 <iusgebende
Strahl
s2 trifft zunächst auf den Kegelmantel,, wird von dort .auf die Kegelbasis 5 reflektiert
und kommt nach mehreren weiteren Reflexionen ebenfalls in die FludleitUng 2 zurück.
Der Verlauf des Strahles s2 läßt erkennen, daß es möglich ist, Strahlen, die zur
Austrittsöffnung q. hinstreben, wieder zur Umkehr zu zwingen. Dies ist eine vorteilhafte
Eigenschaft des kegeligen Hohlkörpers und dadurch bedingt, daß er sich in Richtung
auf seine Austrittsöffnung q. hin verjüngt. Von sämtlichen aus der Mündung 3 der
Fludleitung 2 austretenden Strahlen werden jedoch nicht alle in die F'ludleitung
zurückgeworfen, sondern es werden auch einige nach mehrfacher Reflexion an den Wänden
aus der Austrittsöffnung q. entweichen und so noch als Schall vernehmbar sein.
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Die Wirkung der Reflexion ist um so besser, je weniger Strahlen aus
der Austrittsöffnung .4 des Hohlkörpers entweichen können. Als Gütegrad der Reflexion
gilt bei dieser Betrachtung das Verhältnis der Menge der Strahlen, die in die Fludleitung
zurückgeworfen werden, zur Gesamtstrahlenmenge, die vom Mittelpunkt in den Raumwinkel
einer Halbkugel ausgesandt wird.
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In Abb. 2 ist ein Schaubild über den Gütegrad einer solchen Strahlenreflexion
für das in Abb. i gezeigte Beispiel dargestellt. Die Flächen des Diagramms, die
dunkel erscheinen, stellen diejenigen Strahlen dar; die in die Fludleitung zurückgeworfen
werden. Hingegen stellen die hellen Flächen diejenigen Strahlen dar, die nicht in
die Fludleitung reflektiert werden. Die Auswertung dieses Schaubildes ergibt einen
Gütegrad von 75 %, d. h. daß drei Viertel aller aus dem Mittelpunkt der Ausmündung
3 der Fludleitung 2 in den Hohlkegelstumpf 15 austretenden Strahlen wieder in die
Fludleitung zurückgeworfen werden.
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Bei dem in Abb. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Hohlkörper
die Fbrm eines Zylinders 16 auf, in dessen einer Stirnwand 6 eine Öffnung 4 vorgesehen
ist, durch welche die Fludleitung 2 in den Hohlraum hineinragt. Als Beispiel für
den Strahlenverlauf sind hier wiederum zwei von der Mitte der Ausmündung 3 ausgehende
Strahlen eingezeichnet, die nach mehrfacher Reflexion sowohl an den Innenwänden
des Zylinders 16 als auch an der Außenwand der in den Zylinder 16 hineinragenden
Fludleitung in die Ausmündung 3 zurückkommen.
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Bei dem in Abb. q. dargestellten Ausführungsbeispiel ist die die Austrittsöffnung
q. des beispielsweise als Zylinder 17 geformten Hohlkörpers enthaltende Wand düsenförmig
ausgestaltet; der Ringraum 8 zwischen der Leitungsaußenwand und der sich an die
Öffnung q. anschließenden Hohlkörperinnenwand weist also in der Ausströmrichtung
einen stetig abnehmenden Querschnitt auf, so daß das Ausströmen des Fluds aus dem
Hohlraum sich mit wesentlich geringerem Strömungswiderstand vollziehen kann als
ein Rückströmen in den Hohlraum.
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Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen, deren Hohlkörper
eine flache (ebene oder leicht gewölbte) Stirnwand und eine kegelige oder zylindrische
Seitenbegrenzung aufweist, ist der Gütegrad der Schalldämpfung u. a auch abhängig
von der Entfernung der Ausmündung 3 der Fludleitung 2 von dieser Wand; also beispielsweise
von dem Zylinderboden 7 (Abb. 3) oder der Kegelbasis 5 (Abb. i). Der Gütegrad wird
um so besser, je näher diese Wand der Ausmündung liegt, da mit dem Kieinerwerden
dieses Abstandes der Raumwinkel, den die von der Wand in die Ausmündung - reflektierten
Strahlen einnehmen, größer wird. Damit jedoch dem der Ausmündung entströmenden Flud
kein allzu großer Strömungswiderstand entgegensteht, darf der Abstand nicht allzu
klein werden. Es hat sich erwiesen, daß man der Erfüllung beider Forderungen, nämlich
der Geringhaltung des Strömungswiderstandes und der Erzielung eines möglichst hohen
Gütegrades der Schalldämpfung, am besten gerecht wird, wenn der Abstand der Ausmündung
3 von der gegenüberliegenden Wand größer als ein Viertel, jedoch kleiner als drei
Viertel des Leitungsinnendurchmessers ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. 5 besitzt der Hohlkörper die
Form eines länglichen Halbellipsoids 21, welches auf der einen Seite von einer durch
den Ellipsenmittelp.unkt gelegten und senkrecht zur großen Achsen verlaufenden Wand
io begrenzt ist; die Ausmündun.g 3 der Fludleitung 2 liegt in dem Brennpunkt des
Halbellipsoids gegenüber der Wand io. Theoretisch werden sämtliche vom Brennpunkt,
also vom Mittelpunkt der Ausmündung 3, ausgehende Strahlen nach zweimaliger Reflexion,
und zwar an der gegenüberliegenden Wand io und an der Innenwand des Halbellipsoids
(oder umgekehrt), in die Fludleitung 2 zurückgeworfen. Der oben näher definierte
ideelle Gütegrad würde hierbei demnach iooo/o betragen; ein Schaubild gemäß Abb.2
würde für dieses Ausführungsbeispiel also eine Halbkreisfläche ohne helle Zwischenflächen
zeigen. Da jedoch in Wirklichkeit nicht alle aus der Fludleitung austretenden Schallstrahlen
ihren Ursprung im Mittelpunkt der Leitungsausmündung haben und die Schallwellen
auch nicht immer vollkommen gerichtet sind, also nicht immer unbedingt als reine
Strahlen wirken, ist praktisch eiri Gütegrad von i oö °/o nicht erreichbar.
Die
dargestellten Dampferelemente (Zuleitung und Hohlkörper) werden in eine den Hohlkörper
allseitig umschließende Kammer eingebaut, deren der Zuleitung abgekehrte Seite mit
einem Fludauslaß versehen ist, und bilden mit dieser Kammer eine Dampfereinheit.
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Eine besonders günstige Schalldämpfung wird erzielt, indem man einige
der erfindungsgemäß ausgestaltetenDämpfereinheitenhintereinanderschaltet, weil die
durch eine Dampfereinheit hindurchschlüpfenden Schallstrahlen in den folgenden Dampfereinheiten
wieder größtenteils aufgefangen «-erden, so daß schließlich nur noch ein kleiner
Rest von Schallenergie aus dem Schalldämpfer heraustritt. Vorteilhaft werden zu
diesem Zweck gemäß Abb.6 die Dampfereinheiten so aufeinanderfolgend angeordnet,
daß je zwei einander benachbarte Kammern 12 eine gemeinsame Trennwand 26 besitzen
und daß der Auslaß der vorangehenden Dampfereinheit zugleich die Zuleitung 2 für
die nächstfolgende Dampfereinheit bildet. Zweckmäßig werden die Kammern von einem
gemeinsamen Außenmante125 und von darin eingesetzten, die Leitungen :2 tragenden
Zwischenwänden 26 gebildet. Zur Kleinhaltung der Dampferabmessungen ist die Länge
jeder Kammer (in Richtung der Zuleitungsachse) höchstens etwa gleich ihrer größten
Abmessung in der Querrichtung.
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Eine weitere Verbesserung der Dämpfung ist erzielbar, indem der Dampfereinheit
bzw. mehreren hintereinandergeschalteten Dampfereinheiten ein Sammelraum 13 vorgeschaltet
wird (Abb.6), in den das F'lud zunächst eintritt. Der Sammelraum 13 bewirkt, daß
das stoßweise in ihn eintretende Flud beruhigt und erst dann den Dampfereinheiten
zugeführt wird.
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Die Hohlkörper können sowohl aus metallischen als auch aus keramischen
Werkstoffen hergestellt sein.
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Die Wände, insbesondere die flachen Wände des Hohlkörpers und gegebenenfalls
auch die die Dampfereinheiten umschließenden Kammern können, soweit dies zweckdienlich
erscheint, auch noch mit schallschluckenden Bekleidungen, z. B. aus Stoffen mit
starker Eigendämpfung (Faserstoffmatten, Sandschicht u. dgl.) versehen oder mit
besonders großer Masse (dicke Metallwand, fest angebrachten Beschwerungen, wie Metall-,
Beton-, Steingewichte od. dgl.), ausgestattet sein.