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Schalldämpfer für Gaskanäle
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Die Grösse p. c hat keine selbständige physikalische Bedeutung ; das Produkt p. c ist der sogenannte Wellenwiderstand eines Gases, also das Verhältnis aus Schalldruck p und Schallschnelle v in einer sich frei ausbreitenden ebenen Welle.
Zur Schalldämpfung werden im allgemeinen entweder sogenannte Blinddämpfer oder sogenannte Absorptionsschalldämpfer verwendet. Bei den zuerst genannten werden Systeme von Querschnittserweiterungen und Querschnittsverengungen dazu benutzt, um den Schall zur Quelle zurück zu reflektieren, während bei den letzteren der Schall z. B. in Schallschluckstoffschichten vernichtet, d. h. in Wärme umgewandelt wird.
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Bei Absorptionsschalldämpfern ist es bekannt, Kanäle, deren Wandungen mit porösen Materialien ausgekleidet sind, zur Schalldämpfung zu verwenden, wobei durch Reibung der Gasteilchen an dem Skelett der porösen Stoffe die gebrauchten Verluste entstehen. Um diese Verluste und damit die Wirksamkeit der Schalldämpfer zu erhöhen, kann man hinter den porösen Werkstoffen Hohlräume anbringen, um zu erreichen, dass die Schallschnelle, also die Wechselbewegung der Luftteilchen im porösen Stoff, einen möglichst grossen Wert erreicht. Diese Bedingung wird bekanntlich dann erfüllt, wenn der hinter dem porösen Werkstoff liegende Hohlraum etwa eine Viertel-Schallwellen1änge tief ist, wobei man einen Resonanzeffekt ausnutzt.
Die auf diese Art erzielte Dämpfung ist meist grösser, als wenn man den gesamten Hohlraum mit porösem Stoff ausfüllen würde.
Derartige Schalldämpfer haben jedoch den Nachteil, dass die Tiefe der Auskleidung relativ gross sein muss, wenn Schall tiefer Frequenzen gedämpft werden soll. Man hat daher, um dieser Schwierigkeit zu begegnen, an Stelle von homogenen Schichten aus Schallschluckstoff sogenannte Helmholtz-Resonatoren zur Auskleidung der Kanäle verwendet. Bei derartigen Bauformen stehen die Hohlräume nur über verhältnismässig kleine Öffnungen mit dem zu dämpfenden Kanal in Verbindung, wobei dann wieder zur Erzielung der gebrauchten Dämpfung in die Öffnungen poröser Werkstoff eingebracht wird. Man kann aber bekanntlich auch so vorgehen, dass die Öffnungen so klein gehalten werden, dass bereits die Luftreibung an den Öffnungsrändern für die Dämpfung ausreichend ist.
Auch in diesem Fall wird ein Resonanzeffekt ausgenutzt, denn die Dämpfung kann zwar mit einem verhältnismässig kleinen zusätzlichen Volumen erzeugt werden, ist aber auch auf einen verhältnismässig schmalen Frequenzbereich um die Resonanzfrequenz herum beschränkt. Die akustischen Eingangswiderstände der Wandbekleidung derartiger Resonanzdämpfer sind im allgemeinen relativ niedrig und bewegen sich in den Grössenordnungen des Wellenwiderstandes der Luft bzw. des in der Leitung befindlichen Gases.
Die erfindungsgemässen Schalldämpfer machen sich die Eigenschaften von Relaxationsmechanismen zunutze, um zu einer ausreichenden Schalldämpfung zu kommen.
Unter Relaxation versteht man allgemein eine verzögerte Einstellung von Gleichgewichtszuständen.
Schliesst man z. B. an einen Gaskanal ein zusätzliches Volumen an, das von dem Kanal durch einen porösen Stoff od. dgl. von relativ hohem Strömungswiderstand abgetrennt ist, so wird sich eine plötzliche Druckänderung im Kanal in dem angeschlossenen Volumen erst nach einer gewissen Zeit einstellen, da der zum Druckausgleich erforderliche Gasfluss in das Volumen hinein oderaus dem Volumen heraus durch den Strömungswiderstand behindert wird. Erfolgt die Druckänderung im Kanal periodisch, wie das bei einer Schallwelle der Fall ist, so wird die Druckphase im angeschlossenen Volumen in der Regel der Druckphase im Kanal etwas nachhinken, so dass zwischen Kanal und angeschlossenem Volumen stets eine Druckdifferenz besteht.
Nach der bekannten Theorie der Relaxationsdämpfung erreicht die Druckdifferenz zwischen Kanal und angeschlossenem Volumen und damit auch der Wechselfluss durch den Strömungswiderstand hindurch ein Maximum, wenn die Zeitkonstante T des angesrhlossenenDämpfungsgliedes, die hier
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gleich der reziproken Kreisfrequenz des zu dämpfenden Schalles ist.
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Bei sehr tiefen Frequenzen (w < K I/r) sind die Drucke im Kanal und angeschlossenem Volumen prak- tisch in Phase und die Dämpfung ist gering. Bei hohenFrequenzen (M > I/T) ist die Dämpfung ebenfalls klein, da sich dann die Druckänderungen im Kanal im angeschlossenen Volumen praktisch nicht mehr bemerkbar machen. Die Rechnung zeigt, dass die Dämpfung pro Wellenlänge, die durch einen Relaxationsmechanismus erzeugt wird, zunächst linear mit der Frequenz ansteigt, dann bei der Kreisfrequenz wry = l/T ein Maximum erreicht und mit weiter steigender Frequenz wieder linear abnimmt.
In der Praxis ist jedoch nicht die Dämpfung pro Wellenlänge, sondern die Dämpfung pro Längeneinheit eines Schalldämpfers interessant. Da die Wellenlänge mit zunehmender Frequenz abnimmt, wobei das Produkt aus Frequenz und Wellenlänge immer eine Konstante ist, nämlich die Schallgeschwindigkeit, ergibt sich, dass die Dämpfung eines Relaxationsschalldämpfers, bezogen auf die Längeneinheit, zunächst mit dem Quadrat der Frequenz ansteigt, schliesslich aber einen konstanten Wert erreicht, der unabhängig von der Frequenz bestehen bleibt, solange die Kanalbreite und die lineare Ausdehnung der angeschlossenen Volumina in Richtung der Kanalachse klein gegen die Wellenlänge sind.
Schalldämpfer dieser Art haben den Vorteil, dass sie leicht berechenbar sind und dass keine Mindestforderungen an die Grösse bzw. Tiefe der angeschlossenen Volumina gestellt werden müssen. Wesentlich ist nur das Produkt RF, d. h. man kann den gleichen Effekt mit Volumina geringerer Tiefe und damit kleinerer Federung F durch Wahl eines entsprechend grösseren Strömungswiderstandes R erzielen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Es zeigen in schematischen Skizzen Fig. 1 einen Kanal mit einem angeschlossenen Volumen, Fig. 2 berechnete Dämpfungskurven für zwei verschiedene Querschnittsverhältnisse Q, Fig. 3 einen Kanal, in dem mehrere Volumina angeordnet sind und Fig. 4 ein Beispiel dafür, dass das angeschlossene Volumen eine Leitung umschliesst.
In einem Kanal 1 ist, wie Fig. 1 zeigt, eine entsprechende Erweiterung 2 vorgesehen, in der ein etwa die Hälfte des Kanalquerschnittes ausfüllendes, angeschlossenes Volumen 3 angeordnet ist. In Richtung der Strömung, also etwa senkrecht zur Kanalachse, ist das angeschlossene Volumen 3 durch luftdichte Wände 5 unterteilt, deren Abstand bei der höchsten noch zu dämpfenden Frequenz gegen die Wellenlänge
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verwendeten Strömungswiderstände.
Die Dämpfung pro m eines solchen Schalldämpfers hängt dann lediglich noch von der Grösse des freien Querschnittes ab, d. h. vom Verhältnis des Querschnittes des Kanals 1 zu dem des Elementes 3 (s. Fig. 1).
In Fig. 2 sind zwei Dämpfungskurven für verschiedene Querschnittsverhältnisse Q, nämlich für 3,"o bzw. 30tu0 dargestellt. Es zeigt sich, dass in beiden Fällen die Dämpfung über einen grossen Bereich gleich gross ist.
Eine Anordnung mehrerer angeschlossener Volumina 3'zeigt Fig. 3, wo in einer entsprechendenQuerschnittserweiterung 2 des Kanals 1 vier angeschlossene Volumina 3'vorgesehen sind, die im einzelnen so ausgebildet sind, wie dies bezüglich der Ausführungsform bei Fig. 1 beschrieben wurde.
Eine andere Baumöglichkeit zeigt Fig. 4, wo der eigentliche Kanal 1 aus einem porösen Rohr 6 besteht, welches z. B. aus gebranntem Ton oder Porenbeton hergestellt sein kann und den für den betreffenden Zweck gebrauchten Strömungswiderstand aufweist. Das angeschlossene Volumen 3"ergibt sich durch den Ringraum zwischen dem Rohr 6 und einem konzentrisch angeordneten dichten Rohr 7 entsprechend grösseren Querschnittes. Das Rohr 7 kann gegebenenfalls auch quadratischen oder rechteckigen Querschnitt haben. Das auf diese Art angeschlossene Volumen 3" ist durch ringförmige, luftdichte Trennwände 8 mehr- fach unterteilt. Derartige Rohre können mit Vorteil zur Dämpfung der Schallausbreitung entlang von Abgaskaminen Verwendung finden, wodurch man z.
B. die Schalldämmung zwischen übereinanderliegenden Badezimmern von Wohnhäusern ganz beträchtlich verbessern kann. Natürlich können derartige Rohre in gleicher oder ähnlicher Anordnung auch noch für eine Anzahl anderer Zwecke verwendet werden, so z. B. auch als Auspuffschalldämpfer für Kolbenmotoren.