DE9320543U1 - Schallabsorbierendes Bauteil - Google Patents

Schallabsorbierendes Bauteil

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Description

Fraunhofer--Gesellschaft: j:":-j \ '-' '9VsH
-ibp
forsciiung
Läor.rocfcirei3e 54 · 80Q0 München 19
Schalfabsorbierendes Bauteil
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
(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)

&bull; · Schutzansprüche
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.
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.
&bull; ·
&bull; *
- 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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