DE9320543U1 - Schallabsorbierendes Bauteil - Google Patents
Schallabsorbierendes BauteilInfo
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Description
Fraunhofer--Gesellschaft: j:":-j \ '-' '9VsH
-ibp
forsciiung
Läor.rocfcirei3e 54 · 80Q0 München 19
Läor.rocfcirei3e 54 · 80Q0 München 19
Die Erfindung betrifft ein schallabsorbierendes Bauteil.
1. Einleitung
Schaüabsorber bestehen (als sogenannte passive Absorber) z.B. ganz aus faserigem oder
offenporigem (kurz: porösem) Material, in die Luftschallwellen eindringen und durch Reibung
der bewegten Luftteilchen an den Fasern oder in den Poren ihre Schallenergie in Wärme
unwandeln. Sie können aber auch (als sogenannte reaktive Absorber) z.B. aus Masse und
Feder-Elementen zusammengesetzt sein, die bei ganz bestimmten Frequenzen durch Luftschallwellen zum Mitschwingen angeregt werden. Beim sogenannten Platten-Resonator
[1] nach Bild 1a, bei dem die Platte als Masse vor dem Luftkissen als Feder schwingt,
ebenso wie beim sogenannten Helmholtz-Resonator nach Bild 1b, bei dem die Luft in den
Löchern die Masse bildet, wird wiederum poröses Material z.B. als sogenannte Rand-Dämpfung
benötigt, um ein etwas breitbandigeres Dämpfungsverhalten, etwa wie in Bild 1c,
zu erreichen. In sogenannten Folien-Absorbern [2] nach Bild 2 gelingt es, in einer sehr
komplexen Becher-Struktur eine große Zahl unterschiedlicher Platten-Schwingungen bei
verschiedenen Frequenzen so anzuregen, daß ein insgesamt breitbandiges Absorptions-Spektrum
bei mittleren Frequenzen, auch ohne den Einsatz porösen Materials, erreicht wird.
Es ist seit langem bekannt, daß man zur Erzielung einer breitbandigen Absorption z.B. in
einem geschlossenen Raum passive und reaktive Absorber beliebiger Bauart nebeneinander
dem Schallfeid aussetzen kann. Auch ist es durchaus üblich, in Schal!-
einfallsrichtung vor dem reaktiven, tief abgestimmten Absorber einen passiven Absorber für
die hohen Frequenzen so anzuordnen, daß die Schallwellen der tieferen Frequenzen
ungehindert (und praktisch ungedämpft) hindurchtreten können.
Beim sogenannten Membran-Absorber [3] gelingt es erstmalig, Platten- und Helmholtz-Resonatoren
so hintereinander aufzubauen, daß vielfältig über mehrere Luftschichten und
Löcher gekoppelte Schwingungen in einem völlig ebenen Bauteil be
reits relativ breitbandig anregbar werden. Wenn man vor der Schlitzmembran oder vor der
Deckmembran dieses reaktiven Absorbers eine auch nur relativ dünne Schicht aus porösem
Material gemäß Bild 3 anbringt, so läßt sich gemäß Bild 4 und 5 nicht nur ein Gewinn an
Absorption bei hohen Frequenzen erzielen, sondern auch die Wirksamkeit der tief abgestimmten Membran-Absorber verbessern [4]. Die Ergebnisse in Bilde zeigen aber, daß
eine Koppelung der beiden Membranen zur Erzielung optimal großer und breitbandiger
Absorption offenbar dann nicht mehr gelingt, wenn die Löcher der Lochmembran verschlossen werden.
Es ist durchaus üblich, alle möglichen porösen Absorber durch Lochplatten mit einem
Perforationsgrad von e = 30 - 50 % als mechanischen und Sicht-Schutz zum Raum oder
Strömungskanal hin abzudecken (vgl. Bild 7). Wenn man gepreßte Mineralfaserplatten für
Unterdecken-Systeme aber z.B. mit einer dünnen Alu-Folie verklebt, weiß man, daß dadurch
das Eindringen der Schallwellen in den passiven Absorber weitgehend unterbunden wird,
auch dann, wenn die Folie durch "Nadelung" eine Vielzahl sehr kleiner Löcher {d[_
< 1 mm; e < 5 %) erhält. Andererseits ist bekannt, daß Metall-Lamellen nach [5] mit einem
Lochflächenanteil von ca. 5 - 20 % und Löchern mit dj_ = 2 - 5 mm Durchmesser, mit einem
Faservlies kaschiert und mit einem porösen "Lack" besprüht, hohe Absorption insbesondere
bei ungeraden Vielfachen der Wellenlänge erreicht, die dem doppelten Abstand der Lamelle
vor einer massiven Decke oder Wand entspricht. Bei derart angebauten Hohlraum-Resonatoren
reicht die mittelgroße Perforation offenbar gerade aus, um Schallweilen
teilweise durchlassen, andererseits aber im Hohlraum teilweise reflektieren zu können.
Schließlich ist bekannt, daß man auch mit sogenannten Mikroperforierten Platten nach [6]
(d^_ = 1 mm; 6 = 1%; Platten-Dicke t = d[_) breitbandig reaktiv absorbieren kann, wenn die
Platten (auch zwei dieser Platten hintereinander) im Abstand zu einer massiven Wand
montiert werden (Bild 8). Dabei schwingt, ähnlich wie beim o.g. Helmholtz-Resonator (Bild
1), die Luft in den Löchern als Masse zusammen mit dem Luftkissen als Feder. Die viskosen
Reibungskräfte in den kleinen Löchern sorgen für ausreichende Bedämpfung des Schwingsystems, so daß kein poröses Material an der Platte oder in dem Hohlraum
zusätzlich angebracht werden muß.
Bisher ist es nur bei den o.g. Membran-Absorbern gelungen, ganz bestimmte Eigenschwingungen
der ebenen Membranen, die sich der dahinter angeordneten Wabenstruktur gut anpassen können, anzuregen und dadurch für die gewünschte Absorption nutzbar zu
machen [7]. Bei den in der Raumakustik üblicherweise eingesetzten Platten-Resonatoren mit
ihren relativ dicken und damit steifen Platten üegen die Frequenzen der "höheren Moden" der
Platten vor dem jeweiligen Luftkissen so weit oberhalb der Frequenz der "Grund-Mode", daß
sie bisher überhaupt nicht zur Absorption von Schallenergie aus dem Raum herangezogen
werden. Bei den üblicherweise dünneren Platten in Schalldämpfern für Strömungskanäle
(Bild 9) werden weit oberhalb der Masse/Feder-Frequenz die Schallwellen im Kanal durch
die wechselseitig angeordneten rein passiven Absorber von vornherein viel stärker
geschluckt als durch irgendwelche höhere Moden der Platten. Selbst wenn letztere
entsprechend den Platten-Abmessungen in einem interessanten Frequenzbereich nahe der
Grundfrequenz anregbar wären, könnten diese wegen der einseitig ganzflächig pressenden
Mineralwoile-Füllung sich gar nicht richtig ausbilden. Auch ist bisher nicht versucht worden,
höhere Moden in den o.g. Mikroperforierten Platten-Absorbern mit dem Ziel einer Verbreiterung des wirksamen Frequenzbereichs anregbar zu machen.
Zusammenfassend kann man festhalten, daß es sehr viele einfache und preisgünstige
passive (poröse) Absorber gibt, die den oberen Frequenzbereich (f > 500 Hz) mit geringem
Bauvolumen und Gewicht abdecken. Für Frequenzen zwischen 63 Hz und 250 Hz kommen
verschiedene, meist nur schmalbandig wirksame, tief abgestimmte reaktive Absorber (auch
ohne poröses Dämpfungs-Material) erfolgreich zum Einsatz. Es fehlt aber ein breitbandig
zwischen ca. 100 Hz und ca. 1000 Hz wirksamer faserfreier, reaktiver Absorber mit völlig
glatten, geschlossenen Oberflächen, dessen schwingfähige Platten oder Membranen aus
einem jeweils den Einsatzbedingungen angepaßten Material kostengünstig gefertigt werden
könnten. Die bewußte Beschränkung auf derart strukturierte ebene Bauteile würde keine
wesentliche Einschränkung hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit in der Praxis darstellen, weil
sich konkav oder konvex gekrümmte Raum- oder Kanal-Begrenzungsflächen (z.B. bei zylindrischen Rohr-Schalldämpfern) leicht in geeignete ebene Teilfächen zerlegen lassen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Absorber mit glatten Oberflächen und ohne poröse
Absorberanteile zu schaffen. Dies wird erfindungsgemäß durch den Absorber nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
2. Mehrfach gestaffelter ebener Platten-Absorber ohne Rand-Dämpfung
Der neuartige reaktive Luftschall-Absorber besteht gemäß Bild 10 aus einer Vielzahl (mindestens aber^) dünner, völlig ebener Platten (3-6), die so auf einem starren Rahmen 2 befestigt sind, daß
Der neuartige reaktive Luftschall-Absorber besteht gemäß Bild 10 aus einer Vielzahl (mindestens aber^) dünner, völlig ebener Platten (3-6), die so auf einem starren Rahmen 2 befestigt sind, daß
(a) eine Vielzahl von Hohlräumen 1 (a), (b), (c) entsteht, die nichts als Luft enthalten,
(b) alle (mindestens aber 2) der Platten über die Luft in mehreren (mindestens aber 2)
Hohlräumen zwangsgekoppelte Platten-Schwingungen in einem weiten Frequenzbereich
ausführen können,
(c) die Luft in den Löchern der mikroperforierten und/oder der Loch-Platten mit den
angrenzenden Hohlräumen zwangsgekoppeite Luft-Schwingungen in einem weiten Frequenzbereich ausführen können.
Die Anregung der vielfach zwangsgekoppelten Platten- und Luft-Schwingungen kann von
beiden Seiten (in Bild 10: von 3 oder/und von 6 her) durch unter beliebigem Winkel
einfallende Luftschallwellen erfolgen, 6 kann aber auch durch eine starre Wand ersetzt
werden. Je nach Anwendungsfall kann es sinnvoll sein, die Staffelung der verschieden
strukturierten Platten in der Reihenfolge zu vertauschen (z.B. 4-3-5). Optimale Anregung
(und damit Absorption) wird aber erreicht, wenn die Anregbarkeit der gestaffelten Schichten
(jede für sich betrachtet) von außen (anregendes Schallfeld) nach innen (Hohlraum 1a) sich
möglichst kontinuierlich von höheren Frequenzen (z.B. bis 1000 Hz) zu mittleren (z.B. 500
Hz) und tiefen Frequenzen (z.B. bis 125 Hz) verschiebt. Nur so wird es möglich, durch
Zwangskoppelung aller beteiligten Schwingungsformen einen reaktiven Absorber von bisher
nicht gekannter Breitbandigkeit zu generieren.
3. Vorurteile
Die gestaffelten ebenen Platten als reaktive Dämpfer (GEPARD) räumen einige Vorurteile aus
dem Weg zu einem universeil einsetzbaren faserfreien, nicht-porösen schallabsorbierenden
Bauteil:
(a) Luftschall-Absorber benötigen keinesfalls, wie immer wieder behauptet[j j wird, den
Einsatz poröser Materialien, um in einem breiten Frequenzbereich wirken zu können.
Wenn man durch die konstruktive Gestaltung schwingfähiger Platten und die Einbeziehung geeigneter Hohlräume und Löcher dafür sorgt, daß ausreichend vieie
Resonanz-Mechanismen in verschiedenen Frequenzbändern angeregt werden können, gelingt es sehr wohl, flächige Absorber zu bauen, die auf einer und
derselben Fläche Schallwellen breitbandig zwischen ca. 100 und ca. 1000 Hz mit Absorptionsgraden über ca. 50 % absorbieren.
(b) Platten-Resonatoren ohne Rand-Dämpfung wie in Bild 1 müssen keinesfalls, wie z.B.
in [2] vermutet, aus einem Material (z.B. Kunststoff) mit hoher innerer Dämpfung
gefertigt werden. Ihre Schwingungen lassen sich vielmehr durch Reibung der mitbewegten Luftteilchen an den Berandungen mehrfach gekoppelter Hohlräume
und Löcher und an den Befestigungsrändern der Platten so stark dämpfen, daß sich
unter den unter (a) genannten Voraussetzungen die Wahl der Materialien ganz nach
den Einsatzbedingungen richten kann.
(c) Schwingungen hintereinander angeordneter Platten lassen sich nicht nur, wie in [7]
gezeigt wurde, bei örtlich und frequenzmäßig eng benachbarten Strukturen wie derjenigen im Membran-Absorber nach [8] anregen und über die Schwingungen der
Luft in den Löchern einer Lochplatte zwangskoppeln, sondern auch zwischen ganz unterschiedlich abgestimmten, entfernt voneinander angeordneten, praktisch
geschlossenen Platten über einen größeren Hohlraum hinweg so koppeln, daß über die dem Schallfeld zugewandte Platte Schallenergie von außen im gesamten durch
Schwingungen der gestaffelt angeordneten Platten abgedeckten Frequenzbereich wirkungsvoll absorbiert wird.
4. Vorteile
Der GEPARD weist gegenüber herkömmlichen Schallabsorbern außer akustischen auch 3
technologische Vorteile auf:
(a) Er kommt ganz ohne die Verwendung poröser Materialien aus. Seine rundum
hermetisch abgeschlossene Bauweise mit völlig glatten Oberflächen läßt keine
Partikel-Emissionen zu.
(b) Ablagerungen aus der Umgebung können kaum an ihm haften bleiben und ließen
sich anderenfalls leicht reinigen durch Bürsten, Waschen oder Dampfstrahlen.
(c) Er kann ganz aus einem und demselben, dem jeweiligen Einsatzfall angepaßten
Material (z.B. Metal!, Kunststoff, Holz) homogen hergestellt, als leichtes, stabiles
Modul-Bauteil in Anlagen und Gebäuden verarbeitet und ohne Rückstände umweltfreundlich entsorgt werden.
5. Anwendungen
Da im GEPARD die Platten nur noch über großformatigen Rahmen aufgespannt werden,
eignet sich dieses einseitig oder beidseitig schallabsorbierende Bauteil hervorragend als
vollständig industriell vorzufertigendes Wand-, Decken- und Kulissen-Element für einen
breiten Anwendungsbereich. Wegen seines mehrschaligen Aufbaus weist es nicht nur eine
hohe Schalldämpfung, sondern auch eine, auf sein geringes Gewicht bezogen, verhältnismäßig hohe Schalldämmung in einem breiten Frequenzbereich auf. Deshalb bietet
es sich beispielsweise als "Fertigteil" für folgende weitere Bausysteme an:
5.1 Maschinenkapsel-Bauteil
Im technischen Schallschutz, z.B. bei der Kapselung von Maschinen, werden nicht nur
Maßnahmen zur Luftschall-Absorption verlangt, sondern auch zur Körperschall- und
Luftschali-Dämmung. Letztere wird normalerweise entsprechend den jeweiligen
Anforderungen so erreicht, daß man die Wände von Kapseln, Gehäusen, Kanälen u.a.
genügend schwer ausführt. Diese Auslegung nach dem "Masse-Gesetz" widerspricht zu
tiefen Frequenzen hin nicht selten der Forderung nach möglichst geringem Gewicht der
Schallschutz-Maßnahmen, besonders wenn diese nachträglich durchgeführt werden sollen.
Auch hier bietet GEPARD neue Ansatzpunkte:
Wegen seiner völlig geschlossenen Oberfläche setzt er den durchtretenden Schallwellen bei
mittleren Frequenzen seine gesamte flächenbezogene Masse entgegen. Das eingesetzte
Material kann also zweifach genutzt werden. Wenn die aufgewendete Masse für die Schalldämmung nicht ausreichen sollte, läßt sich die der Schallquelle abgewandte
Wandfläche des GEPARD entsprechend schwerer ausführen.
Anregungen für den Einsatz des neuen Absorbers im Bereich des technischen
Schallschutzes lassen sich aus Anlage B entnehmen, die ursprünglich über den auf einer
Wabenstruktur aufgebauten Membran-Absorber geschrieben wurde. GEPARD-Bauteile
weisen ähnliche Dämmungs- und breitbandigere Dämpfungseigenschaften auf, lassen sich
aber - ohne die aufwendigere Kassettierung - bedeutend einfacher und preisgünstiger
herstellen. Ähnlich wie bei den Unterdecken-Systemen kann auch bei Maschinen-Kapseln
und Element-Wänden der Vorzug der Modul-Bauweise mit GEPARD-Bauteilen optimal genutzt werden.
5.2 Strömunqskanai-Bauteil
Wie vielfältig GEPARD-Absorber als Kulissen-Bauteii zur Schalldämpfung in Strömungskanälen
eingesetzt werden können, liegt nach den positiven Erfahrungen beim Einsatz von Membran-Absorbern in diesem Anwendungsbereich [10] ohne weiteres auf der
Hand. GEPARD-Bauteiie eignen sich aber auch besonders gut als Wandelemente für
Strömungskanäle. Sie ermöglichen eine optimale Auslegung der bereits in [11] beschriebenen Dämpfungseffekte durch mitschwingende einschalige Biechwände auf das
Spektrum der mit der Strömung mitgeführten Geräusche. In Anlage C wird z.B. eine
spezielle Ausführung als Innenzug für Abgas- und Heizungsanlagen beschrieben.
6. Literatur
[1] Kurtze, G.; Schmidt, H.; Westphal, W.: Physik und Technik der Lärmbekämpfung.
Verlag G. Braun, Karlsruhe (1975).
[2] Kiesewetter, N.: Schallabsorption durch Platten-Resonanzen. Gesundheits-Ingenieur
gi 101 (1980), H. 3, 57-62.
[3] Ackermann, U.; Fuchs, H.V.; Rambausek, N.: Neuartiger Schailabsorber aus Metail-Membranen.
Gesundheits-Ingenieur gi 108 (1987), 67-73.
[4] Fuchs, H.V.; Ackermann, U.; Rambausek, N: Schallschutz: Schallabsorber für
einen breiten Frequenzbereich. Deutsches Architektenblatt 22 (1990), 1129-1132.
[5] Metalldecken. Firmenprospekt der Akustikbau Lindner GmbH, Baden bei Wien.
[6] Maa, D.-Y.: Theory and design of microperforated panel sound absorbing
constructions. Scientia Sinica 18 (1975), H. 1, 55-71 (in chinesicher Sprache).
[7] Hunecke, J.; Zhou, X.: Resonanz- und Dämpfungsmechanismen in Membran-Absorbern.
VDI Berichte 938, Düsseldorf: VDl-Veriag (1992), 187-196.
[8] Fuchs, H.V.; Ackermann, U.; Rambausek, N.: Schalldämpfer-Box. DE 35 04 208.
[9] Sälzer, E.: Schallschutz elementierter Bauteile: Fenster, Türen, Eiementwände,
Unterdecken. Bauverlag, Wiesbaden (1979).
[10] Fuchs, H.V.; Mohr, J.: Erfahrungen beim Einsatz von Membran- Absorbern für
spezielle Anforderungen. VDl Berichte 938. Düsseldorf: VDI-Veriag (1992), 197-210.
[11 ] Kühl, W.: Schalldämpfung in dünnwandigen, rechteckigen Lüftungskanälen.
ACUSTlCA 47 (1981), 192-198.
Claims (6)
1. Schallabsorbierendes Bauteil mit mehrfach gestaffelten ebenen Platten (3-6), die
in einem starren Rahmen (2) befestigt sind, wobei mindestens eine Platte Löcher
mit einem Durchmesser von etwa 1 - 4 mm und einem Lochflachenanteii von weniger
als 4% aufweist (mikroperforiert ist),
mindestens drei ebene Platten vorgesehen sind, die derat dünn ausgebildet sind,
daß sie schwingungsfähig sind,
die Platten (3 - 6) in verschiedenem Abstand gestaffelt sind,
und jeweils zwei Platten mit dem Luftraum dazwischen einen Hohlraumresonator bilden.
und jeweils zwei Platten mit dem Luftraum dazwischen einen Hohlraumresonator bilden.
2. Bauteil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Löcher einen Durchmesser von etwa 1-2 mm aufweisen und der Lochflächenanteil
weniger als 2% beträgt.
3. Bauteil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand der Platten von der mit Schall beaufschlagten Platte ausgehend
ansteigt.
• ·
• *
- 10 -
4. Bauteil nach den Ansprüchen 1 - 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Platte, die als erste mit Schall beaufschlagt wird, die mikroperforierte
Platte ist.
5. Bauteil nach den Ansprüchen 1 - 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine der folgenden Platten eine ebene Lochplatte ist.
6. Bauteil nach den Ansprüchen 1 - 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Platte aus Metall, Kunststoff oder Holz ist.
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DE9320543U DE9320543U1 (de) | 1993-04-20 | 1993-04-20 | Schallabsorbierendes Bauteil |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE9320543U DE9320543U1 (de) | 1993-04-20 | 1993-04-20 | Schallabsorbierendes Bauteil |
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Publications (1)
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ID=25925096
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DE (1) | DE9320543U1 (de) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2881765A1 (fr) * | 2005-02-08 | 2006-08-11 | Brevetix Sarl | Ensemble acoustiquement absorbant |
DE19939482B4 (de) * | 1999-08-20 | 2007-09-13 | Helmut W. Diedrichs | Anordnung zur Abschirmung von abgasführenden Teilen von Kraftfahrzeugen |
WO2008017737A1 (fr) | 2006-08-10 | 2008-02-14 | Brevetix | Ensemble acoustiquement absorbant |
WO2014102473A1 (fr) * | 2012-12-31 | 2014-07-03 | Jean-Marc Scherrer | Ensemble etanche et acoustiquement absorbant pour fausse paroi |
-
1993
- 1993-04-20 DE DE9320543U patent/DE9320543U1/de not_active Expired - Lifetime
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19939482B4 (de) * | 1999-08-20 | 2007-09-13 | Helmut W. Diedrichs | Anordnung zur Abschirmung von abgasführenden Teilen von Kraftfahrzeugen |
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WO2008017737A1 (fr) | 2006-08-10 | 2008-02-14 | Brevetix | Ensemble acoustiquement absorbant |
WO2014102473A1 (fr) * | 2012-12-31 | 2014-07-03 | Jean-Marc Scherrer | Ensemble etanche et acoustiquement absorbant pour fausse paroi |
FR3000509A1 (fr) * | 2012-12-31 | 2014-07-04 | Jean-Marc Scherrer | Ensemble etanche et acoustiquement absorbant pour fausse paroi |
US10260231B2 (en) | 2012-12-31 | 2019-04-16 | Jean-Marc Scherrer | Hermetic and acoustically absorbent assembly for a false partition |
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