DE2632290A1

DE2632290A1 - Schallreduktion durch mitschwingende resonatoren

Info

Publication number: DE2632290A1
Application number: DE19762632290
Authority: DE
Inventors: Oskar Dipl Ing Dr Bschorr
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1976-07-17
Filing date: 1976-07-17
Publication date: 1978-01-19
Also published as: GB1587426A; US4149612A; FR2358721B1; DE2632290C3; DE2632290B2; IT1076093B; ATA518677A; AT354693B; FR2358721A1

Description

Schallreduktion durch mitschwingende Resonatoren

Die Erfindung bezieht sich auf volumenändernde Resonatoren
geringen Bauvolumens und hoher Admittanz zur Verminderung des Lärms in Luft und anderen gasförmigen, dampfförmigen und
flüssigen Medien.

Die Lärmbekämpfung ist im Rahmen des Umweltschutzes und des
Arbeitsstättenschutzes zu einem vorrangigen Problem geworden. Zwar gibt es ein breites Spektrum von Möglichkeiten zur Lärmreduzierung, doch sind diese aus wirtschaftlichen und technischen Gründen nicht immer anwendbar.

Czarnecki hat in Journal of Sound and Vibration (l970)-(2),
Seiten 223-233 »^uf die Möglichkeiten hingewiesen, mittels
destruktiver Interferenz eine Lärmreduzierung vorzunehmen.
Er verwendet dabei Helmholtz-Resonatoren, die in der Nähe
einer Lärmquelle von dieser zu gegenphasiger Schwingung ange-

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regt werden und so zu einer Interferenzauelöechung beitragen. Diesen Effekt kann man auch so interpretieren, daß es infolge der Resonatoren zu einer Fehlanpassung des Abstrahlungswiderstandes kommt. Aus der Sicht der Multipolanalysis schließlich handelt es sich darum, daß die ursprünglich als Monopol arbeitende Lärmquelle in einen weniger effektiven Pol höherer Ordnung umgewandelt wird.

Vor allem bei Schalldämpfern werden Helmholtz-ReSenatoren häufig eingesetzt. Dabei sind Schaltungen im Neben- und Hauptschluß möglich. Damit lassen sich Dämmungen und Dämpfungen von Schallwellen bewerkstelligen.

An sich ist der Helmholtz-Resonator ein einfaches unkompliziertes und sehr wirkungsvolles Bauelement. Sein Nachteil besteht aber darin, im unteren Frequenzbereich ein großes Bauvolumen zu haben. Da andererseits ein Helmholtz-Resonator nur einen schmalbandigen Wirkungsbereich hat, ist es aus Gründen des Volumens nicht immer möglich, mehrere, verschieden abgestimmte Helmholtz-Resonatoren einzusetzen.

Die bekannten mechanischen Resonatoren, z. B. mitschwingende Platten, auf der anderen Seite haben eine zu hohe Eingangsimpedanz, d.h. eine zu geringe Admittanz, so daß diese nur bei großflächiger Schallbeaufschlagung wirksam werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, volumenändernde Resonatoren mit kleinem Bauvolumen und hoher Admittanz vorzuschlagen bzw. zu realisieren.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch Schwingsysteme, bestehend aus einem Volumen mit Unterdruck und damit verringerter Volumensteifigkeit, und Wandungselementen, die bei Unterdruckbelastung eine sehr geringe, einschließlich eine negative Federkonetante aufweisen. Die Kraftdifferenz von Außen- und Innendruck wird gerade durch die Wandungaelenente

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aufgebracht. Dank der geringen Federkonstanten lassen sich so bei kleinen Volumina auch tieffrequente Resonatoren realisieren. Außerdem können bei kleiner Federkonstante auch die Wandungsmassen entsprechend reduziert werden, so daß die Admittanz verringert ist. Bevorzugte Wandungselemente für die erfindungsgemäße Aufgabenstellung sind im besonderen Tellerfedern. Bekanntlich nimmt deren Federsteifigkeit mit zunehmender Belastung ab und kann auch negativ werden.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden Unterdruckvolumina, begrenzt durch Eulersche Knickstreifen, verwendet. Bekanntlich haben Eulersche Knickelemente nach der sogenannten Knicklast eine sehr geringe Federkonstante.

Auch können im Rahmen der Erfindung ovalförmige Volumina, umschlossen von einer massearmen, aber schubsteifen Wandung verwendet werden. Das umschlossene Volumen hat dabei Umgebungsdruck. Die Volumenänderung und Volumensteifigkeit ergibt sich hierbei durch Verformung der Ovalform bei - infolge der Schubsteifigkeit - gleichem Umfang. Eine Kreisform hat bei gleichem Umfang einen größeren Inhalt als ein Oval. Die Masse eines solchen Resonators stellt die Wandung dar.

Die volumenändernden Resonatoren können an sich in derselben Weise eingesetzt werden wie die Helmholtz-Resonatoren. Wegen der kleinen Bauvolumina ergeben sich darüber hinaus zusätzliche Einsatzmöglichkeiten. Einmal können Sätze verschieden abgestimmter Resonatoren für breitbandige Lärmereignisse zusammengestellt werden. Bei Anbringung eines solchen Resonatorensatzes an der Lärmquelle wird die Emission infolge Fehlanpassung herabgesetzt. Bei Anbringung am Immissionsort kommt es ebenfalls dank Fehlanpassung zu einer Lärmreduktion. Im weiteren ist es möglich, die Resonatoren in Streifenform anzuordnen, so daß bei offenen Fenstern eine Lärmabschirmung durch einen Streifenvorhang möglich ist. Nicht zuletzt können die Resonatoren in Flächenform integriert werden.

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In an sich bekannter Weise ist es möglich, durch Bedampfung der Resonatoren deren Bandbreite zu vergrößern. Außerdem kann damit anstelle des Wirkungsprinzips Dämmung durch gegenphasiges Mitschwingen eine Dämpfung durch Energieentnahme erreicht werden.

Die Erfindung ist anhand der folgenden Zeichnungsbeschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Resonator mit Unterdruckvolumen und Tellerfederwandung,

Fig. 2 zweistufiger Resonator mit Unterdruckvolumen und zwei Tellerfederwandungen,

Fig.3a und 3b flächen- bzw. streifenförmige Anordnung von Resonatoren mit Unterdruck und Tellerfederwandung,

Fig. 4 Resonator mit Unterdruckvolumen und Eulerscher Knickstreifenwandung ,

Fig. 5 flächen- bzw. streifenförmige Anordnung von Resonatoren nach Fig. k,

Fig.6a und 6b Resonator mit ovalförmigem Volumen und Wandung hoher Schubsteifigkeit,

a) streifenförmige Anordnung

b) Querschnitt A-A gemäß Fig. 6a.

Fig. 1 stellt ein Ausführungsbeispiel eines volumenändernden Resonators 1 dar. Er besteht aus einem durch Tellerfedern 3 und Dichtscheiben k gebildeten Volumen 2. In diesem herrscht Unterdruck. Der Unterdruck ist dabei so auf die Tellerfedern 3 abgestimmt, daß diese in dem Bereich flacher oder negativer Federkennlinie belastet sind. Auf diese Weise lassen sich geringe Gesamtfederung und damit auch bei kleinem Volumen niedrige Resonanzfrequenzen realisieren.

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Der Resonator gemäß Fig. 2 ist vergleichbar zu demjenigen nach Fig. 1 aufgebaut. Er besteht aus zwei ineinandergebauten Tellerfedern 13 und 13'. die durch eine Dehnfuge l6 schwingung smäßig entkoppelt sind. Damit lassen sich zwei Eigenfrequenzen realisieren. Die rückseitige Begrenzung des Unterdruckvolumens 12 ist durch eine Wand 15 abgeschlossen. Eine Möglichkeit zur zusätzlichen Bedämpfung des Resonators besteht darin, zwischen Tellerfeder 13 und Rückwand 15 einen plastischen Dämpfungsbelag 17 anzubringen. Anstelle einer zweistufigen Tellerfeder können in analoger Weise mehrstufige Tellerfedern mit entsprechend mehr Eigenfrequenzen verwendet werden.

In den Fig. 3a und 3b sind Draufsicht und Schnitt durch eine flächenförmige Anordnung von Resonatoren 21 nach den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und 2 dargestellt. Die Unterdruckvolumina 22 werden dabei durch Tellerfedern 23 und Rückwand 24 gebildet. Bei breitbandigen Lärmsignalen sind dabei die einzelnen Resonatoren auf verschiedene Frequenzen abgestimmt. Dies ist in einfacher Weise über die Einflußparameter der Tellerfedern wie Materiell Dicke, Innen- und Außendurchmesser und durch die Größe des Unterdruckes möglich.

Fig. 4 stellt ein weiteres Grundelement eines Resonators 31 dar. Dieser besteht aus vier Streifen 331 die die seitliche Begrenzung eines prismatischen Volumens 32 bilden. Dieses ist ebenfalls oben und unten durch hier nicht gezeichnete Wände abgeschlossen und evakuiert. Infolge des Unterdruckes sind die Streifen nach innen eingeknickt. Nach Überschreitung der sogenannten Eulerechen Knickbelastung haben die Streifen 33 eine sehr geringe Federkonstante. Zusammen mit der infolge des Unterdrucks geringen Volumensteifigkeit des Volumens 32 ergibt dies Resonatoren mit sehr geringen Abmessungen.

Fig. 3 schließt sich an die Grundausfuhrung nach Fig. 4 an. In diesem Fall sind die Resonatoren 4l zu einer Flächen- oder Streifenform integriert. Außerdem wird das Unterdruckvolumen

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k2 nur durch zwei Streifen kj und eine Rückwand kk begrenzt. Die Wirkungsweise ist analog zu Fig. k.

Fig. 6a zeigt eine streifenförmige Anordnung von Resonatoren 5I₁ während in 6b ein Querschnitt dargestellt ist. Ein Resonator 51 besteht aus einem prismatischen Volumen 52 mit ovalem Grundriß. Das Volumen 52 wird oben und unten durch ovale Trennscheiben 5^ unterteilt. Die Wandung 53 besteht aus dünnwandigem, schubsteifem Material. Im Volumen 52 selbst herrscht Umgebungsdruck. Der Resonator wird hier durch die Masse der Wandung 53 und die Volumensteifigkeit der Ovalform gebildet. Bei - infolge der Schubsteifigkeit - gleichem Wandumfang ergibt sich eine Volumenänderung durch die Ovalverformung: Eine kreisnahe Ovalform hat ein größeres Volumen als eine exzentrische. In einem Überdruckberg einer Schallwelle verringert ein solcher Resonator sein Volumen und wird exzentrischer, während im Unterdruckteil eine Volumenvergrößerung zu kreisförmigerer Ovalform stattfindet. Die Wandung 53 «elbst führt eine Schwingbewegung vergleichbar einem Quadrupol aus. Da hierbei gleichzeitig negative und positive Normalbewegungen an der Wandung auftreten, ist die resultierende Wirkkraft herabgesetzt. Aus diesem Grunde sind bei Resonatoren 51 großflächigere Expositionsflächen notwendig. Dazu sind die Resonatoren 51 zu linienförmigen Einheiten zusammengefaßt und um Breitbandigkeit zu erreichen, auf verschiedene Frequenzen abgestimmt. Zur Zugentlastung befindet sich im Innern ein Draht 55, an dem die Trennscheiben 54 befestigt sind.

Mit Hilfe von flächenhaften Anordnungen der Resonatoren lassen sich Absorberwände geringer Bautiefe verwirklichen. D«zu wird unmittelbar vor der Resonatorenfläche «in Schallschluckstoff angebracht. Da an der Resonatorenfläche ein· Reflexion am freien Ende, also hoher Schallschnelle auftritt, liegt der Schallschluckstoff gerade im optimalen Schnellebereich. Bei fester Wand dagegen, mit schallharter Reflexion, ist die Normalkomponente der Schallachnelle Null, so daß jeweils «in

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vergrößerter Abstand von Schallschluckstoff und Wand notwendig ist.

Bei flächen- oder linienförmigen Anordnungen der Resonatoren kann es vorteilhaft sein, die einzelnen gleich abgestimmten Resonatoren im Abstand einer Schallwellenlänge anzuordnen. Da es im Bereich der Resonatoren zu einer Reflexion am freien Ende mit l80° Phasensprung und in dem dazwischenliegenden Bereich zu einer Reflexion ohne Phasensprung kommt, bilden sich lokale Dipolsysteme. Dadurch kommt es zu einer Umverteilung der Schallrichtungen. Bei Vorsatz von Schallschluckmaterial ergeben sich hohe Dämpfungen wegen der großen Schnellefelder oder Dipole.

Bei zwei- oder mehrschaligen Trennwänden ist es vorteilhaft, in dem Zwischenraum Resonatoren anzubringen, die vorzugsweise auf die Eigenfrequenzen der Trennwand abgestimmt sind. Dadurch läßt sich der Resonanzdurchgang aufheben bzw. in den tieferen Frequenzbereich verschieben.

- Patentansprüche -

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Leerseite

Claims

η 1.j Volumenändernde Resonatoren geringen Bauvolumens und hoher -—S Admittanz, ge kennzeichne t durch Schwingsysteme aus einem Volumen mit Unterdruck und Wandungselementen, die bei der Unterdruckbelästung eine kleine, einschließlich eine negative Federkonstante aufweisen.

2. Volumenändernde Resonatoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Wandungselernente aus Tellerfedern bestehen.

3. Vol-umcnaivdem.de Resonatoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Wandungselemente aus zwei oder mehreren Eulerschen Knickstreifen bestehen.

h. Volumenändernde Resonatoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein prismatisches Innenvolumen mit ovalförmigem Querschnitt von einem Wandelement mit Schubkraftleitung umschlossen ist.

5. VoIumenändernde Resonatoren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß zwei oder mehrere Tellerfedern (13« 13')» ^aie durch eine Trennfuge (l6) getrennt sind, verwendet werden.

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" ⁹ " QRiGiNAL INSPECTED

-VC-

G. Breitbandige Verringerung der Schallemission bzw. -immission mittels volumenändernden Resonatoren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß mehrere auf verschiedene Frequenzen abgestimmte Resoiiatoren zu einem Satz zusammengestellt und am Emissionsbzw, am Immissionsort angebracht werden.

7· Breitbandige Abschirmung von Lärm mittels volumenändernden Resonatoren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoren zu einem linien- oder flächenhaften Satz zusammengestellt sind und einen Lärmvorhang bilden.

8. Breitbandige Absorption von Lärm mittels volumenändernden Resonatoren nach den Ansprüchen 6 und 7 t dadurch gekennzeichnet , daß mehrere auf verschiedene Frequenzen abgestimmte, z. B. flächenfürmig angeordnete Resonatoren mit Schallschluckstoff umgeben sind.

9. Breitbandige Absorption von Lärm mittels volumenändernden Resonatoren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch g e kennzeichne t , daß jeweils gleich abgestimmte Resonatoren im Abstand einer Wellenlänge angeordnet sind zur Veränderung der Richtungsverteilung von Schall.

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