DE2632290B2 - Schallreduktion durch mitschwingende Resonatoren - Google Patents

Description

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.

C ζ a r η e c k i hat in Journal of Sound and Vibration (1970)-(2), Seiten 223-233 auf 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 angeregt werden und so zu einer Interferenzauslöschung beitragen. Diesen Effekt kann man auch so interpretieren, daß es infolge der Resonatoren zu einer Fehlanpassung des Abstrahlungswiderstandes kommt Aus der Sicht des Multipolanalysis schließlich handelt es sich darum, daß die ursprünglich als Monopol arbeitende Lärmquelle in einen weniger effektiven Pol höherer Ordnung umgewandelt wird.

ίο Vor allem bei Schalldämpfern werden Helmholtz-Resonatoren 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 jndererseits 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 kleinen 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 Federkonstante aufweisen. Die Kraftdifferenz von Außen- und Innendruck wird gerade durch die Wandung^elemente aufgebracht Dank der geringen Federkonstanten lassen sich so bei -kleiner; 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 massearmcn, 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 Lärmcrcig-

nisse zusammengestellt werden. Bei Anbringung eines solchen Resonatorensatzes an der Lärmquelle wird die Emission infolge Fehlanpassung herabgesetzt Bei Anbringung am Immissionsort kommt es ebenfalls dank Pehlanpassung 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.

In an sich bekannter Weise ist es möglich, durch Bedämpfung 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 zeigt

F i g. 1 Resonator mit Unterdruckvolumen und Tellerfederwandung,

F i g. 2 zweistufiger Resonator mit Uiiterdrjckvolumen und zwei Tellerfederwandungen,

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

F ig. 4 Resonator mit UnterdmcRvoiumcn und Eulerscher Knickstreifenwandung.

F i g. 5 flächen- bzw. streifenförmige Anordnung von Resonatoren nach F i g. 4,

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

a) streifenförmige Anordnung,

b) Querschnitt A-A gemäß F i g. 6a.

F i g. 1 stellt ein Ausführungsbeispiel eines volumenändernden Resonators 1 dar. Er besteht aus einem durch Tellerfedern 3 und Dichtscheiben 4 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 sine Auf diese Weise lassen sich geringe Gesamtfederung und damit auch bei kleinem Volumen niedrige Resonanzfrequenzen realisieren.

Der Resonator gemäß F i g. 2 ist vergleichbar zu demjenigen nach F i g. 1 aufgebaut Er besteht aus zwei ineinandergebauten Tellerfedern 13 und 13', die durch eine Dehnfuge 16 schwingungsmäßig entkoppelt sind. Damit lassen sich zwei Eigenfrequenzen realisieren. Die rückseitige Begrenzung des Unterdruckvolumens 12 ist durch eine Wand 15 abgeschlossen. Eine Möglichkeit zur zusätzlichen Bedämpiung 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 F i g. 3a und 3b sind Draufsicht und Schnitt durch eine flächenförmige Anordnung von Resonatoren 21 nach den Ausführungsbeispielen der F i g. 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 Material, Dicke, Innen- und Außendurchmesser und durch die Größe des Unterdruckes möglich.

F i g. 4 stellt ein w iteres Grundelement eines Resonators 31 dar. Dieser besteht aus vier Streifen 33.

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 Eulerschen 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.5 schließt sich an die Grundausführung nzch Fig.4 an. In diesem Fall sind die Resonatoren 41 zu einer Flächen- oder Streifenform integriert Außerdem wird das Unterdruckvolumen 42 nur durch zwei Streifen 43 und eine Rückwand 44 begrenzt Die Wirkungsweise ist analog zu F i g. 4.

Fig.6a zeigt eine streifenförmig« Anordnung von Resonatoren 51, während in Fig.6b ein Querschnitt dargestellt ist Ein Resonator 51 besteht aus einem prismatischen Volumen 52 mit ovalem Grundriß. Das Volumen 52 wird oben und umen durch ovale Trennscheiben 54 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 selbst 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 Sl 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 Trem.scheiben 54 befestigt sind.

Mit Hilfe von flächenhaften Anordnungen der Resonatoren lassen sich Absorberwände geringer Bautiefe verwirklichen. Dazu wird unmittelbar vor der Resonatorenfläche ein Schallschluckstoff angebracht. Da an der Resonatorenfläche eine Reflexion am freien Ende, also hoher Schallschnelle auftritt, liegt der Schallschluckstoff gerade im optimalen Schnellebereicl.. Bei fester Wand dagegen, mit schallharter Reflexion, ist die Normalkomponente der Schallschnelle Null, so da3 jeweils ein vergrößerter Abstand von Schallschluckstoff und Wand notwendig ist

Bei flächen- oder linienförmigen Anordnungen der Resonatoren kann es vorteilhaft sein, die einzelnen gleich abgestimmte Resonatoren im Abstand einer Schallwellenlänge anzuordnen. Da es im Bereich der Resonatoren zu einer Reflexion am freien Ende mit 180° Phasensprung und in dem dazwischenliegenden Bereich zu einer Reflexion ohne Phasensprung kommt, bilden sich lokale Dipolsysteme. Dadurch kommt es zu einer Umverteilung der S.'hallrichtungen. Bei Vorsatz von Schallschluckmaterial ergeben sich hohe Dämpfungen wegen der großen Schnellefelder oder Dipole.

Bei zwei- oder niehrschaligen 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Volumenändernde Resonatoren geringen Bauvolumens und hoher Admittanz, gekennzeichnet durch Schwingsysteme aus einem Volumen mit Unterdruck und Wandungselementen, die bei der Unterdruckbelastung eine kleine, einschließlich eine negative Federkonstante aufweisen.

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

3. Volumenändernde Resonatoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungselemente aus zwei oder mehreren Eulerschen Knickstreifen bestehen.

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

5. Voiurnenänucrride Resonatoren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Tellerfedern (12,13'), die durch eine Trennfuge (16) getrennt sind, verwendet werden.

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

7. Breitbandige Abschmirmung 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, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere auf verschiedene Frequenzen abgestimmte, z. B. flächenförmig angeordnete Resonatoren mit Schallschluckstoff umgeben sind.

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